基于Elman神经网络的排水管网液位预测

“内涝 ”事件 ．造 成 了极大 的经 济损失 。及 时 发现 和预 防 时 刻 的输 出值 并 返 回给 网络 的输 入 ，是一 个 一 步延 时
排水 事 故成 为亟 需解 决 的问题 。
算 子 。Ｅｌｍａｎ神 经 网络 的特 点是 通过 隐 含层 的延 迟 与
基 于 排 水 系统 的监 测 数 据 建 立 管 网 的实 时 预测 存 储 ，使 其 对 历 史 数 据 具 有 敏 感 性 ，达 到 动态 建 模 的
Ｅｌｍａｎ神 经 网络 一般 具有 ４层 结 构 ：输入 层 、隐 含 著增高 ，存在 较高 的溢 流风 险 。
２０１６－￣￥１棚（１一）第３４巷 ，；｝荭故术 ９３
为 建 立 排 水 管 网 的在 线 预 测 预 警 系 统提 供 有 效 的方 法 支 持 。
关 键 词 ：排 水 管 网 ；液 位 预 测 ；Ｅｌｍａｎ神 经 网络 ；ＢＰ神 经 网 络
中 图分 类 号 ：ＴＵ ９９２．０３ 文 献 标 志码 ：Ｂ
文 章 编 号 ：１００９—７７６７（２０１６）叭 －００９３－０３
Ｌｉｑｕｉｄ Ｌｅｖｅｌ Ｆｏｒｅｃａｓｔ ｏｆ Ｄｒａｉｎａｇｅ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｂｙ Ｅｌｍ ａｎ Ｎｅｕｒａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ
我 国排水 管 网普 遍存 在 规划 设计 不 足 、雨 污混 接 、 层 、承接 层和输 出层 ｌ３１。输 入层 、隐含 层 、输 出层 的连 接
养护 管 理 不善 等 问题 。近 年来 ，许 多城 市在 汛 期 发生 类似 于 前馈 型 网络 ，承接 层 用来 记 忆 隐含 层 单元 前 一
确 性 。
对 象 ，时 间间隔 均为 ５ ｍｉｎ，其监 测数 据 图见图 １。污水
１ Ｅｌｍａｎ神 经 网 络 基 本 理 论
管 道 在旱 季 的整体 运行 状 况较 好 ，均 处 于管 顶 高 度 以
１．１ 网络 结 构
下 。期 间 ，共 发 生 ４场 降雨 ，污水 管 道 的液位 均发 生显
适 应 时变 特 性 的 Ｅｌｍａｎ神 经 网络模 型 ．它是 一 种 反 馈 为输 出层 和 隐含层 神 经元 的传递 函数 。
神 经 网络 ，具 有 动态 递归 性 和 良好 的联 想 记忆 功能 ｆ３１。 ２ 模 型 建 立
笔 者 将建 立 Ｅｌｍａｎ神 经 网络模 型 ，通过 雨 量 和 液 ２．１ 研 究 数 据
位 的 在线 监 测值 ，预 测排 水 管 网的 未来 液位 。同时 ，将
以某污水管道连续 １ ７ ｄ（２０１４－０８—１ ８—２０１４－０９ ３）
Ｅｌｍａｎ神 经 网络 与 ＢＰ神 经 网 络 相 比 ．验 证 模 型 的 正 的液 位 监 测 数 据 及 其 附 近 的 雨 量 监 测 数 据 作 为研 究
（ ）＝ （ 一１）。
排 水 管 网 的液 位 预测 ，取 得 了 较好 的结 果 ［。。 １，而 国 内 式 中 ：ｋ表 示时 刻 ；ｕ、 、Ｙ为输 入层 、隐含层 和输 出层节
的 相关 报道 较少 。由于管 网液 位 的预测 是一 个在 线 监 点 向量 ； 为 ｒｌ，维 反馈 状态 向量 ；ｗ 、ｗ 、ｗ 分 别 为 承接
测数 据 不断 更新 的 动态 过程 。ＢＰ神经 网络 是一 种 静态 层 到隐含 层 、输 入层 到 隐含层 、隐含 层 到输 出层 的连接
的 前馈 型网 络 ，容 易 陷人局 部最 小 点 因此 笔者 提 出可 权 值 ；ｂ 、ｂ。分别 为输 入 层 和 隐含 层 的 阈值 ；ｇ（ ）、厂（ ）
模 型 ，可 以对 管 网的运行 风险 进行及 时 用水 力 和水 文模 型 ，通 过 ＳＷＭＭ 等 软 １．２ 网络 学 习算 法
件 仿 真管 网在 不 同条 件 下 的运 行状 况 ，需 要 经 过 反 复
Ｅｌｍａｎ神 经 网络 的非线性 状 态空 间表 达式 为 ：
的 调试 和历史 数据 验证 ，因此 不 能进 行 实时 的预测
ｙ（ｋ）＝ｇ（ｗ３ｘ（ｋ）＋ｂ２）；
神 经 网络 是 一 种替 代 性 的方法 ，它具 有 强 大 的 非
（ ） 厂（叫 。（ ）＋ ｕ（ 一１）＋６ Ｊ）；
线性 映射 能 力 。近年 来 ，国外一 些学 者应用 该法 进行 了
给 水 排 水 工 程 器
Ｗ ａｔｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ＆ Ｄｒａｉｎａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
基 于 Ｅｌｍａｎ神经 网络 的排水管 网液位预测
欧 阳 琛
（中铁 第 四勘 察 设 计 院 集 团 有 限 公 司 ，湖北 武 汉 ４３００６３）
摘 要 ：建 立 了排 水 管 网液 位 的 Ｅｌｍａｎ神 经 网络 预 测 模 型 ，以液 位 和 雨 量 的监 测 数 据 为 输入 ，未 来 的 液位 值 为 输 出 。提 前
５、１５、４５和 ６０ ｍｉｎ的 预测 平 均 绝 对 误 差分 别 为 ２．０７％、３．７５％ 、８．３９％和 ９．４９％。与 ＢＰ神 经 网络 对 比 ，Ｅｌｍａｎ神经 网络 的
拟 合 和 预 测 效 果 分 别 提 升 约 ２３％和 ２１％。结 果 表 明 ，基 于 Ｅｌｍａｎ神 经 网 络 的 管 网预 测 模 型 具 有 良好 的 预 测 效 果 ，可 以