基于GA-BP神经网络的灌区水流量监测系统设计

摘要

水资源的短缺成了日益凸显的重大问题，而迅速精准地测量计算灌区对应的流量值对于水资源的监测具有重要的意义。目前大多数水流量测量方法是采用传统的直接测量方法来进行的，成本比较高并且需要后期频繁维护，在测算的过程中也容易受到渠道内水草或者泥沙等的干扰。本课题建立的基于人工神经网络的水流量监测系统，只需要利用水位传感器采集灌区现场水位值，就能够借助水位-流量软测量模型计算得到流量值，此种方法中的水位传感器采集数据时受到的干扰较小，可以稳定可靠地工作，并可以实时地监测流量。系统设计的主要内容有： 针对目前国内大量使用的具有一定坡度的自然流梯形渠，提出了基于GA-BP神经网络的灌区单水位-流量测量模型，在存在回水的情况下建立了基于GA-BP神经网络的灌区双水位-流量测量模型。并使用传统的最小二乘法拟合曲线法以及基于BP神经网络的软测量模型进行水流量计算，然后根据实际的灌区数据，通过仿真对比三种方法所建立的模型之间存在的精度差别，证明了GA-BP神经网络模型相对于最小二乘法以及神经网络模型所存在的优势。 针对灌区水流量监测系统中灌区现场的水流量采集及传输需求，进行系统的硬件设计，主要包括5个部分：（1）水位传感器的选型，（2）灌区现场RTU的设计，（3）无线通信芯片的选型及设计，（4）对水位计与灌区现场RTU的设计，（5）灌区现场RTU与上位机之间的通信进行具体的设计。同时针对灌区现场各种设备进行防雷保护设计，保证系统中的各个硬件模块低功耗且安全稳定。 针对系统整体的硬件部署及其传输需求，进行灌区水流量监测系统的软件设计，主要包括灌区现场水位传感器节点的程序设计、RTU程序设计、基于Web浏览器的监测系统平台设计。灌区现场RTU将水位数据采集之后，通过GPRS远程发送至服务器端，上位机服务器端通过导入离线构建好的算法模型进行流量的计算分析及其数据显示。

目录

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 灌区水流量测量方法

1.2.2 灌区水流量监测

1.3 本文的主要工作

第2章 灌区水流量监测系统总体方案设计

2.1 灌区水流量监测系统流量测算方案选取

2.1.1 灌区传统水流量测算方法

2.1.2 基于软测量技术的灌区水流量监测方法

2.2 灌区水流量监测系统功能分析

2.2.1 水位信息采集功能

2.2.2 水位传感器与灌区现场RTU之间的短程通讯

2.2.3 灌区现场RTU的远程通信传输

2.2.4 灌区远程控制端数据处理功能

2.3 灌区水流量监测系统整体方案设计

2.3.1 灌区水流量监测系统整体架构设计

2.3.2 灌区水流量监测系统整体功能设计

2.4 本章小结

第3章 基于GA-BP的灌区水流量测算算法设计

3.1 灌区水流量软测量建模方法

3.1.1 软测量技术介绍

3.1.2 基于人工智能的软测量建模

3.2 基于神经网络的灌区水流量软测量模型建立

3.2.1 最小二乘法曲线拟合

3.2.2 人工神经网络结构及分类分析

3.2.3 基于BP神经网络的水流量计算模型构建

3.2.4 基于BP神经网络的灌区水流量计算模型参数的确定

3.3 基于BP神经网络的灌区水流量软测量模型仿真分析

3.3.1 隐含层节点选择仿真

3.3.2 流量预测值仿真比较

3.4 BP神经网络改进算法

3.4.1 BP神经网络存在的问题

3.4.2 BP神经网络的改进设计方案

3.4.3 GA-BP改进算法

3.5 基于GA-BP神经网络的灌区水流量软测量模型建立

3.5.1 GA-BP优化算法基本执行流程

3.5.2 GA-BP神经网络参数设置

3.5.3 GA-BP神经网络水流量计算

3.6 本章小结

第4章 灌区水流量监测系统硬件设计

4.1 灌区现场RTU电路设计

4.1.1 芯片基本电路

4.1.2 供电电路设计

4.1.3 串口电路设计

4.2 水位传感器设计

4.2.1 水位传感器的选取

4.2.2 水位传感器现场安装

4.3 水位传感器与灌区现场RTU之间的通信

4.4 灌区现场RTU与监测平台之间的通信

4.4.1 GPRS传输组网方式

4.4.2 GPRS传输模块

4.5 灌区现场防雷设计

4.6 本章小结

第5章 灌区水流量监测系统软件设计

5.1 系统软件总体设计

5.2 灌区监测系统传感器节点软件设计

5.2.1 下游水位传感器程序设计

5.2.2 上游水位传感器程序设计

5.3 灌区现场RTU软件设计

5.3.1 数据采集

5.3.2 GPRS远程通讯程序设计

5.4 灌区监测平台软件设计

5.4.1 服务器端数据处理及其模型计算

5.4.2 基于B/S的Web监控软件

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果