7 城市暴雨强度公式推求优化计算软件系统

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1、七、城市暴雨强度公式推求优化计算软件系统7.1 城市暴雨强度公式推求优化计算软件系统城市暴雨强度公式推求优化计算软件系统由独立的子系统构成，它们分别是用户交 互系统、数据录入系统、数据采集系统、频率分析系统、i-t-表生成系统、公式推求系 统、数据显示输出系统、帮助系统八大部分。这八大系统既相互独立，又紧密相连、相 辅相成。图 7-1 为软件系统构成框图。图 7-1 软件系统构成框图用户交互系统是控制程序运行的关键环节，主要功能包括程序的启动与退出、用户 与密码管理、打印机的配置、程序管理等。数据录入系统是数据信息的存储和处理环节，主要功能包括各种数据库的建立、数 据输入、数据转换等。在数据录

2、入系统中遇到的首要问题是数据信息的标准化和规范化 处理问题。数据不规范，不仅无法组织数据库，无法被应用软件加工处理，也无法在同 级系统或不同级系统之间实现数据信息的共享和交换。所以各类数据必须有统一的度量 标准、分类标准、编码标准和命名规则，这是设计系统总体方案时必须考虑的最重要的 技术问题之一。有关数据库规划问题参见有关参考书，这里不再赘述。在本系统中，通 过建立数据样板库、数据档案库和数据字典库为软件的结构化设计提供了先决条件。数 据字典库建立后，其他数据库名称和内容有软件系统自动填写生成，各类应用软件都与 数据字典、数据档案和数据样板库有密切关系。图 7-2 为新建数据软件设计流程图。有

3、硬盘有否次文件无查档案库新建库?无查档案库要有返回覆 盖删除数据库文件文件可能被移动用数据样板库建立库文件无写入档案库和字典嗚新建数据图 7-2 新建数据软件设计流程图数据采集系统是从原始数据库中按某一规则取得有用数据，以便进行频率分析和公 式推求等操作。数据的正确与否对以后的计算起决定性作用，所以首先要对数据进行逻 辑性校验，然后再进行取样操作。在本系统中可以用四种采样方法建立四种工作数据， 分别为年最大值法、年超大值法、超定量法、年多个样法。频率分析是暴雨公式推求的重要的一步，通过对工作数据的整理确定其分布规律。 本系统中有两种分布函数，包括六种计算方法。两种分布函数是P-III分布和指数

4、分布。 指数分布为一个两参数的频率分布函数，由于函数形式比较简单，可以化成线性形式， 所以可以用最小二乘法求参数。P-III分布为一个三参数的频率分布函数分别为x、C、vC，由于函数形式比较复杂，计算方法也不一样，目前在本程序中P-III分布统计采用 s了矩法、适线法、极大似然法、遗传算法和加速遗传算法。同时在本软件中考虑会有新 的算法的出现，本部分程序是可扩展的，随时可以增加新的方法。另外为了选择合适的 分布曲线和参数曲线，以确定选择哪一种分布或哪一种方法得到的频率分布参数误差更 小，系统中还要进行参数的寻优计算。优化计算分为按总误差优化分析和按分误差优化 分析两种方式。i-t-P 表生成系

5、统是暴雨公式的推求和频率分析之间的数据交换环节，在公式推求之 前必须利用频率分析参数按某一重现期生成相应的 i-t-P 表。由频率分析参数生成 Tip 表的方法指数分布则只有一种方法，P-III分布有四种，分别为龙贝格积分法、辛普森积 分法、快速通用算法和查表法。另外还有利用已知的暴雨强度公式推求 i-t-P 表数据的 方法。公式推求系统是城市暴雨强度的推求计算系统。在本系统中不但囊括了目前常用的 传统方法如最小二乘法法、简化最小二乘法法、计算机搜索法、曲面最小二乘法、三点 法及等差线法、直接拟合法，还收集了最近几年出现的新方法，包括最速下降法、高斯 -牛顿(Gauss-Newton)法、麦夸

6、尔特(Marquardt )法、常规阻尼因子法、带因子迭代法、遗 传算法和加速遗传算法，另外还有本课题组最新的研究成果曲面搜索法和达尔文进化 法。考虑会有新的算法的出现，本系统程序是可扩展的，随时可以增加新的方法。同时 本系统中还有一个重要的功能就是提供各种方法的比较寻优。数据显示输出系统是系统数据的输出、打印和交互。在本系统中共有5种数据表格， 它们分别为原始数据、工作数据、过程参数、i-t-P表格和暴雨公式参数。同时还有4种 图形信息的显示和输出，它们分别为工作数据的拟合图形、频率分析曲线图形、i-t-P数 据的拟合图形和暴雨公式图形。帮助系统是软件的各种帮助信息的显示与处理。7.2 城市

7、暴雨强度公式推求优化计算软件系统应用管理城市暴雨强度公式推求优化计算软件系统的每个层次都有相应的菜单显示，各个菜 单在编排上即按功能分类，又按他们各自的逻辑关系组织，以便指导用户完成制定步骤 的工作。1文件菜单 新建数据库：新建的数据库是一个空的数据库，当系统遇到一个空数据库时，不 能进行取样、频率分析、公式推求计算等操作，所以系统会提示你需要录入数据。 打开数据库：列表框中的城市是已经存在的数据库，高亮度显示的为选中的数据， 选择后可以点击打开按钮打开数据库，也可以点击删除按钮来删除数据库。 修改数据库结构：运行文件菜单下的修改库结构，弹出修改数据库结构对话框。 修改数据库，其实就是重新建立

8、数据库，原数据不再保留，所以强烈建议建立数据库后 不要轻易修改数据库结构。除此之外，还包括程序初始值设置和退出程序等。2样本管理菜单 录入数据：有两种数据库数据，一种是降雨强度，一种是降雨厚度，两种的数据 结构相同，它们之间可以互相转换。录入降雨厚度数据对话框是一个多文档子窗体，主 要用于编辑修改数据，录入数据是我们建议你采用文本编辑器来编辑数据，然后用引入 数据的方法把数据引入到库中来。 引入数据：引入数据是您可以利用外部编辑软件编辑数据，然后再转换到程序中 来，满足不同用户的需要。目前引入数据只能有三种格式：文本（ txt）、FoxPro数据库（.dbf）和Access数据库（.mdb）。

9、其中文本文件格式简单，可以用多种编辑软件来编 辑数据，所以使用最为普遍。 数据转换：在城市暴雨公式推求中，要用到的数据为降雨强度数据，所以降雨厚 度数据要能转换为降雨强度数据。如果我们对降雨强度数据库进行了修改，为了保证数 据的一致性，有时需要把降雨强度转换为降雨厚度。所以数据之间的转换是必要的。3取样方法菜单 数据校验：在四种取样方法之前，要对降雨强度数据库的数据进行校验。所谓的 数据校验就是根据降雨强度数据库中数据的各种逻辑关系，来确定数据的正确与否，比 如降雨历时短的降雨强度数据要比降雨历时长的降雨强度大等。数据校验不能真正确定 数据的正确性，要想得到正确的数据还要在数据输入时，输入人仔

10、细的检查才行。 工作数据：点击菜单命令，可以用四种采样方法建立四种工作数据，分别为年最 大值法、年超大值法、超定量法、年多个样法。 图表：生成的工作数据的频率分布函数为指数分布还是P-III分布，需要根据实际 数据确定。一般的做法是把数据用图表画出来，通过观察来确定分布形式。4频率分析菜单 选择数据源：在进行频率分析之前，需要选择一种取样方法所建立的工作数据。 P-III分布：P-III分布为一个三参数的频率分布函数分别为x、C、C，由于函数vs形式比较复杂，计算方法也不一样，目前在本程序中P-III分布统计采用了矩法、适线法、 极大似然法和遗传算法。同时在本软件中考虑会有新的算法的出现，本部

11、分程序时可扩 展的，随时可以增加新的方法。 指数分布：如果由基础资料画出的直方图呈乙字形分布，那么可以采用负指数分 布曲线对统计基础资料进行频率分析。指数分布为一个两参数的频率分布函数，由于函 数形式比较简单，可以化成线性形式，所以可以用最小二乘法求参数。 误差分析：在进行了上面的频率分析计算后会生成几组参数曲线，为了选择合适 的分布曲线和参数曲线，还需要进行误差分析，以确定选择哪一种分布或哪一种方法得 到的频率分布参数误差更小。误差分析分为按总误差优化分析和按分误差优化分析两种 方式。按总误差优化分析就是指求各降雨历时的频率分析误差均方和，比较各种频率分 析的参数误差均方和，得到误差均方和最

12、小的一种方法。按分误差优化分析就是指对各 降雨历时的频率分析误差分别进行比较，得到各降雨历时的频率分析误差最小的方法。 也就是各个降雨历时的频率分析的计算方法可能不同。5i-t-P 表生成菜单暴雨公式的推求是利用频率分析过程所生成的 i-t-P 表作为基本数据来推求的，所 以在公式推求之前必须生成相应的i-t-P表。如果你在前一步频率分析过程已经生成i-t-P 表，则此步可以不做，直接进行公式推求。 选择数据源：在进行i-t-P表生成之前，需要选择一种频率分析参数（过程数据）。 由频率分析参数生成 i-t-P 表：由频率分析参数生成 i-t-P 表的方法有四种，分别 为龙贝格积分法、辛普森积分

13、法、快速通用算法和查表法。这四种方法都是针对P-III分 布而言，如果是指数分布则只有一种方法，同生成i-t-P表的方法无关。 最优分公式反推：这种生成i-t-P表的方法是在已经进行公式推求之后才可以做 到，是本课题的新的尝试，是利用已知的分公式推求i-t-P表数据的方法。在反推出 i-t-P 表之后，再次利用各种公式推求方法重新计算总公式，目的是为了 比较后获得最好的总公式。6公式推求菜单 选择数据源：在进行公式推求之前，需要选择一种i-t-P数据表。 公式推求方法：有了 i-t-P数据表后就可以进行暴雨强度公式的推求了。本程序 共有 14 种公式计算方法。同时在本软件中考虑会有新的算法的出

14、现，本部分程序是可 扩展的，随时可以增加新的方法。点击某一种算法后，程序会调用相应的模块，进行计 算。由于计算时间不同，有的方法计算比较快，只要几秒钟就可以计算完毕；有的算法 耗时较长，需要几十分钟才能完成。公式计算方法的分类有很多种，在这里我们按是否需要输入初始值可以把公式推求 方法分为不需要输入初值的公式推求方法和需要输入初值的公式推求方法。不需要输入 初值的公式推求方法主要有最小二乘法、简化最小二乘法、曲面最小二乘法、计算机搜 索法、曲面搜索法、三点等差法等。对于需要输入初值的公式推求方法，我们需要输入 初值，我们可以用前面不需要输入初值的公式推求方法计算的结果作为初值输入进来， 然后计

15、算。 误差分析：在进行了上面的各种方法的公式推求计算后会产生许多种公式，为了 选择合适暴雨强度公式，还必须进行误差分析，以确定选择哪一种暴雨强度公式误差更 小。误差分析对话框共有三个选项卡，第一个选项卡只列出了由方法原理直接推求的总 公式；第二个选项卡列出了由方法原理推求出的分公式综合平均后的总公式；第三个选 项卡只列出了各种方法原理推求的分公式中误差最小的分公式以及由这些分公式综合 平均后的总公式。在进行了公式误差分析后，系统才会计算最优公式，所以只有进行了 这一步后才可以回到前面i-t-P表生成中进行最后分公式反推操作。7显示打印菜单 在本系统中共有5种数据表格需要显示给用户，它们分别为原

16、始数据、工作数据、 过程参数、i-t-P表格和暴雨公式参数。8应用与比较菜单包括公式应用与公式比较两部分。9系统服务菜单 主要包括密码修改、城市编辑和字典库编辑三部分。 密码修改：密码修改需要输入一次院密码和两次新密码。密码修改后必须记住， 不然无法启动程序。 城市编辑：城市编辑包括添加新城市、编辑修改城市属性和删除城市。在数据库 中有四个字段，其中第一个ID字段是不可编辑的，表示数据序号，有系统自动生成。 字典库编辑：字典库中数据对程序影响很大，所以不要轻易修改。10帮助菜单帮助菜单有三部分组成。 在线使用帮助：目录和主题都是在线帮助。点击后会启动帮助程序，显示相关帮助内容。 提示：提示窗体会显示一条相关信息。 关于：显示有关版本与版权等信息。