本發(fā)明涉及洪水模擬仿真技術(shù)，尤其是考慮多重壓力耦合的城市防洪韌性臨界狀態(tài)識(shí)別方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在全球氣候變化和快速城市化的雙重影響下，城市防洪系統(tǒng)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。極端降雨事件頻發(fā)、城市不透水面積擴(kuò)大、排水系統(tǒng)老化等多重壓力因素的耦合作用，導(dǎo)致城市洪澇災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理日益復(fù)雜化。研究表明，單一壓力源下的城市防洪韌性評(píng)估方法已難以滿足當(dāng)前復(fù)雜城市系統(tǒng)的需求，亟需建立多重壓力耦合條件下的城市防洪韌性臨界狀態(tài)識(shí)別方法，以提升城市防洪減災(zāi)能力。

2、目前，城市防洪韌性研究主要集中在單一壓力源下的評(píng)估方法和靜態(tài)閾值的確定。傳統(tǒng)方法通常采用確定性水文模型模擬降雨-徑流過程，或利用統(tǒng)計(jì)方法分析歷史洪澇事件數(shù)據(jù)，建立基于經(jīng)驗(yàn)的預(yù)警指標(biāo)體系。部分研究嘗試引入社會(huì)經(jīng)濟(jì)脆弱性指標(biāo)，構(gòu)建綜合評(píng)估框架。然而，這些方法往往將不同壓力源割裂開來獨(dú)立分析，忽視了壓力要素間的動(dòng)態(tài)耦合效應(yīng)。同時(shí)，現(xiàn)有的預(yù)警閾值多基于靜態(tài)統(tǒng)計(jì)分析確定，缺乏對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)演化特性的考慮。

3、在實(shí)際應(yīng)用中，現(xiàn)有技術(shù)存在以下關(guān)鍵問題：一是，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的時(shí)空尺度不一致，導(dǎo)致數(shù)據(jù)整合過程中信息失真，難以準(zhǔn)確刻畫不同壓力要素的時(shí)空分布特征。二是，傳統(tǒng)的相關(guān)性分析方法難以捕捉壓力要素間的非線性耦合關(guān)系，特別是在考慮時(shí)間滯后效應(yīng)時(shí)，無法有效識(shí)別因果鏈條。三是，現(xiàn)有的韌性評(píng)估模型多基于線性疊加原理，忽視了壓力要素間的協(xié)同和拮抗作用，導(dǎo)致系統(tǒng)臨界狀態(tài)判斷存在較大誤差。此外，預(yù)警閾值的動(dòng)態(tài)優(yōu)化問題尚未得到有效解決，特別是在考慮多重壓力耦合效應(yīng)時(shí)，如何建立自適應(yīng)的閾值更新機(jī)制仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。系統(tǒng)參數(shù)的敏感性分析方法較為簡單，難以準(zhǔn)確評(píng)估參數(shù)擾動(dòng)對(duì)模型結(jié)果的影響程度，影響了預(yù)警結(jié)果的可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的，提供一種考慮多重壓力耦合的城市防洪韌性臨界狀態(tài)識(shí)別方法及系統(tǒng)，以期能夠解決現(xiàn)有技術(shù)存在的至少一個(gè)技術(shù)問題。

2、技術(shù)方案，根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)方面，提供一種考慮多重壓力耦合的城市防洪韌性臨界狀態(tài)識(shí)別方法，包括如下步驟：

3、步驟s1、根據(jù)城市防洪系統(tǒng)的特點(diǎn)，識(shí)別影響城市防洪系統(tǒng)韌性和性能的壓力源；獲取研究數(shù)據(jù)并進(jìn)行時(shí)空統(tǒng)一預(yù)處理、異常值檢測(cè)和修正，得到修正后數(shù)據(jù)集；對(duì)修正后數(shù)據(jù)集進(jìn)行壓力特征分解，獲得包含時(shí)間維度特征、空間維度特征和強(qiáng)度維度特征在內(nèi)的壓力特征向量集；

4、步驟s2、獲取壓力特征向量集并進(jìn)行耦合關(guān)系分析，得到耦合強(qiáng)度矩陣和耦合方向矩陣；基于耦合強(qiáng)度矩陣和耦合方向矩陣構(gòu)建有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)，得到壓力耦合動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)；對(duì)壓力耦合動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，得到網(wǎng)絡(luò)演化特征集；

5、步驟s3、對(duì)網(wǎng)絡(luò)演化特征集和預(yù)先存儲(chǔ)的歷史韌性評(píng)估數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，得到韌性狀態(tài)指標(biāo)集；并進(jìn)行時(shí)序分解和情景模擬，得到情景模擬數(shù)據(jù)；根據(jù)情景模擬數(shù)據(jù)和韌性狀態(tài)指標(biāo)集構(gòu)建狀態(tài)演變預(yù)測(cè)模型，得到韌性狀態(tài)演變模型；

6、步驟s4、基于韌性狀態(tài)演變模型和預(yù)先存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行臨界特征分析，得到臨界特征指標(biāo)集；根據(jù)臨界特征指標(biāo)集進(jìn)行閾值優(yōu)化計(jì)算，得到預(yù)警閾值集。

7、根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)方面，步驟s1具體為：

8、步驟s11、根據(jù)城市防洪系統(tǒng)的特點(diǎn)，識(shí)別影響城市防洪系統(tǒng)韌性和性能的主要壓力源；包括氣象壓力源、水文壓力源、工程壓力源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)壓力源；

9、步驟s12、獲取研究數(shù)據(jù)，進(jìn)行克里金插值計(jì)算，得到臨時(shí)空間插值數(shù)據(jù)；對(duì)臨時(shí)空間插值數(shù)據(jù)按照時(shí)間序列進(jìn)行線性插值，得到臨時(shí)時(shí)間插值數(shù)據(jù)；根據(jù)數(shù)據(jù)時(shí)間間隔的倒數(shù)計(jì)算時(shí)間權(quán)重函數(shù)，并對(duì)臨時(shí)時(shí)間插值數(shù)據(jù)進(jìn)行權(quán)重修正，得到統(tǒng)一時(shí)空尺度數(shù)據(jù)集；

10、步驟s13、讀取統(tǒng)一時(shí)空尺度數(shù)據(jù)集并計(jì)算均值和標(biāo)準(zhǔn)差，得到統(tǒng)計(jì)特征數(shù)據(jù)；進(jìn)行異常值初步識(shí)別，得到初步異常值數(shù)據(jù)并與物理約束條件進(jìn)行比對(duì)，得到確認(rèn)異常值數(shù)據(jù)并進(jìn)行修正，得到修正數(shù)據(jù)；將修正數(shù)據(jù)與統(tǒng)一時(shí)空尺度數(shù)據(jù)集中的正常值數(shù)據(jù)合并，得到修正后數(shù)據(jù)集；

11、步驟s14、提取修正后數(shù)據(jù)集中的降雨數(shù)據(jù)并進(jìn)行降雨-徑流模擬，得到徑流模擬數(shù)據(jù)；對(duì)徑流模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行演進(jìn)計(jì)算，得到洪澇淹沒數(shù)據(jù)；將洪澇淹沒數(shù)據(jù)與修正后數(shù)據(jù)集進(jìn)行合并，得到水動(dòng)力特征數(shù)據(jù)；

12、步驟s15、對(duì)水動(dòng)力特征數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換，得到小波系數(shù)集；對(duì)小波系數(shù)集進(jìn)行閾值分解，得到不同尺度的特征分量數(shù)據(jù)；對(duì)特征分量數(shù)據(jù)進(jìn)行重組，得到多維特征數(shù)據(jù)；對(duì)多維特征數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化特征數(shù)據(jù)；將標(biāo)準(zhǔn)化特征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為向量形式，得到壓力特征向量集。

13、根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)方面，步驟s2具體為：

14、步驟s21、獲取并對(duì)壓力特征向量集中的每對(duì)特征向量計(jì)算互信息熵，得到互信息熵矩陣；計(jì)算耦合強(qiáng)度值，得到耦合強(qiáng)度矩陣；對(duì)壓力特征向量集中的每對(duì)特征向量計(jì)算格蘭杰因果檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，得到因果檢驗(yàn)數(shù)據(jù)；根據(jù)因果檢驗(yàn)數(shù)據(jù)確定耦合方向，得到耦合方向矩陣；

15、步驟s22、基于耦合強(qiáng)度矩陣構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)邊權(quán)重，得到加權(quán)邊集；基于耦合方向矩陣確定網(wǎng)絡(luò)邊的方向，得到有向邊集；將加權(quán)邊集和有向邊集組合，并添加時(shí)間標(biāo)記，得到壓力耦合動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)；

16、步驟s23、基于壓力耦合動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)度特征數(shù)據(jù)、聚類特征數(shù)據(jù)、中心性特征數(shù)據(jù)和社團(tuán)演化數(shù)據(jù)；并組合得到網(wǎng)絡(luò)演化特征集。

17、根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)方面，步驟s3具體為：

18、步驟s31、對(duì)網(wǎng)絡(luò)演化特征集進(jìn)行主成分分析，得到主成分特征數(shù)據(jù)；對(duì)預(yù)先存儲(chǔ)的歷史韌性評(píng)估數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化韌性數(shù)據(jù)；將主成分特征數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)化韌性數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，得到特征關(guān)聯(lián)矩陣；根據(jù)特征關(guān)聯(lián)矩陣選擇關(guān)鍵特征組合，得到韌性特征候選集；對(duì)韌性特征候選集進(jìn)行加權(quán)組合，得到韌性狀態(tài)指標(biāo)集；

19、步驟s32、對(duì)韌性狀態(tài)指標(biāo)集進(jìn)行時(shí)序分解，得到趨勢(shì)分量數(shù)據(jù)和波動(dòng)分量數(shù)據(jù)；根據(jù)趨勢(shì)分量數(shù)據(jù)和波動(dòng)分量數(shù)據(jù)設(shè)置不同的邊界條件，得到情景邊界數(shù)據(jù)；利用水動(dòng)力模型對(duì)情景邊界數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算，得到情景模擬數(shù)據(jù)；

20、步驟s33、對(duì)情景模擬數(shù)據(jù)和韌性狀態(tài)指標(biāo)集構(gòu)建自回歸模型，得到趨勢(shì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)；基于情景模擬數(shù)據(jù)計(jì)算相空間重構(gòu)參數(shù)，得到重構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)；根據(jù)重構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)構(gòu)建相空間，得到狀態(tài)空間數(shù)據(jù)；結(jié)合趨勢(shì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和狀態(tài)空間數(shù)據(jù)，構(gòu)建混合預(yù)測(cè)模型，得到韌性狀態(tài)演變模型。

21、根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)方面，步驟s4具體為：

22、步驟s41、對(duì)韌性狀態(tài)演變模型計(jì)算系統(tǒng)狀態(tài)變化率，得到狀態(tài)變化率數(shù)據(jù)；對(duì)預(yù)先存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理和波動(dòng)分析，得到動(dòng)態(tài)波動(dòng)特征數(shù)據(jù)；計(jì)算歸一化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間相關(guān)性，得到時(shí)間相關(guān)數(shù)據(jù)；將動(dòng)態(tài)波動(dòng)特征數(shù)據(jù)和時(shí)間相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征融合，得到臨界特征指標(biāo)集；

23、步驟s42、對(duì)臨界特征指標(biāo)集進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分布分析，得到分布特征數(shù)據(jù)；基于分布特征數(shù)據(jù)構(gòu)建概率密度函數(shù)，得到密度函數(shù)數(shù)據(jù)；對(duì)密度函數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分位數(shù)分析，得到分位數(shù)特征數(shù)據(jù)；根據(jù)分位數(shù)特征數(shù)據(jù)計(jì)算最優(yōu)分割點(diǎn)，得到分割點(diǎn)數(shù)據(jù)；將分割點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為預(yù)警閾值，得到預(yù)警閾值集。

24、根據(jù)本技術(shù)的另一個(gè)方面，還提供一種考慮多重壓力耦合的城市防洪韌性臨界狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)，包括：

25、至少一個(gè)處理器；以及，

26、與至少一個(gè)處理器通信連接的存儲(chǔ)器；其中，

27、存儲(chǔ)器存儲(chǔ)有可被處理器執(zhí)行的指令，指令用于被處理器執(zhí)行以實(shí)現(xiàn)上述任一項(xiàng)技術(shù)方案的考慮多重壓力耦合的城市防洪韌性臨界狀態(tài)識(shí)別方法。

28、有益效果，能夠準(zhǔn)確識(shí)別多重壓力耦合下的城市防洪系統(tǒng)臨界狀態(tài)，提高預(yù)警準(zhǔn)確性。相關(guān)技術(shù)效果將在下文結(jié)合具體實(shí)施例詳細(xì)描述。