基于可差分神经网络的模型允许基于梯度的优化,用于对城市排水网络的模型预测控制.
Zhiyu Zhang1, Wenchong Tian2, Zhenliang Liao3
1School of Energy and Environment, City University of Hong Kong, Hong Kong SAR, China; College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, 200092, Shanghai, China; State Key Laboratory of Marine Environmental Health, City University of Hong Kong, Hong Kong SAR, China; City University of Hong Kong Shenzhen Research Institute, Shenzhen, China.
城市排水网络的模型预测控制 (MPC) 显著减少了洪水. 这种新的框架使用神经网络进行更快,实时的优化,优于传统方法.
科学领域:
- 环境工程 环境工程
- 管理水资源 管理水资源
- 在土木工程中的人工智能.
背景情况:
- 城市排水网络面临着因水力容量有限而导致溢出和洪水的挑战.
- 模型预测控制 (MPC) 提供了优化潜力,但计算密集.
- 目前的MPC方法依赖于基于物理的模型,这阻碍了实时应用.
研究的目的:
- 为城市排水网络开发一个高效的模型预测控制 (MPC) 框架.
- 加速液压容量管理的在线优化过程.
- 为了实现在流域规模的排水系统中实时MPC应用.
主要方法:
- 实现了一种新的MPC框架,使用基于梯度的优化器与二次近纽顿方法.
- 采用基于可差分神经网络的内部模型 (黑盒和时空) 进行高效的系统评估.
- 与基准遗传算法进行性能比较,使用神经网络和基于物理的模型.
主要成果:
- 提出的基于梯度的MPC框架实现了优化速度比基准遗传算法快100-1000倍.
- 在溢出缓解方面观察到可比或优异的控制性能,特别是与时空神经网络模型.
- 证明了对大型城市排水网络实时MPC实施的可行性.
结论:
- 开发的MPC框架显著提高了城市排水网络优化计算效率.
- 与渐变式优化集成的可差分的神经网络使实时控制能力成为可能.
- 这种方法为缓解城市洪水和改善液压能力利用提供了切实可行的解决方案.
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