申请/专利权人：西安理工大学

申请日：2023-04-28

公开（公告）日：2024-06-14

公开（公告）号：CN116596366B

主分类号：G06Q10/0639

分类号：G06Q10/0639;G01N33/18;G06Q50/26;G06N3/006

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.14#授权;2023.09.01#实质审查的生效;2023.08.15#公开

摘要：本发明公开的基于增强天牛须搜索算法的水质综合评价方法，包括以下步骤：获取水样的物理化学参数；根据分类标准计算水样的综合WQI；计算水样各物理化学参数得分并选择关键水质参数，再利用关键水质参数建立WQImin模型；设计具有约束条件的增强天牛须搜索算法，优化WQImin模型的权重；基于综合WQI，评价WQImin模型并选择最佳的关键水质参数，实现水质综合评价。本发明的基于增强天牛须搜索算法的水质综合评价方法，解决了现有水质指标难筛选的问题，同时兼顾水质评价的准确性和经济性。

主权项：1.基于增强天牛须搜索算法的水质综合评价方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、获取水样的物理化学参数，包括温度、pH、溶解氧、总氮、氨氮、总磷、化学需氧量、浊度、叶绿素a和透明度共10个；步骤2、根据分类标准计算步骤1所得水样的综合WQI；具体包括以下步骤：步骤2.1、采用《中华人民共和国地表水环境质量标准》中公布的pH、溶解氧、总氮、氨氮、总磷、化学需氧量、浊度、叶绿素a和透明度的各6个等级阈值进行步骤1所得10个物理化学参数中相应9个的等级评价，分别给出9个物理化学参数的水质等级；步骤2.2、将步骤1所得物理化学参数中温度的等级类别设定为Ⅳ类，则第i个物理化学参数的水质指数WQIi制定为公式1所示： 公式1中，Ci1表示第i个物理化学参数的水质等级，“1,2,3,4,5”依次对应《中华人民共和国地表水环境质量标准》中物理化学参数的水质等级“Ⅰ类,Ⅱ类,Ⅲ类,Ⅳ类,Ⅴ类”，水质等级Ci1的测量范围为Siu_1～Siu；Ci2表示水质在Ci1类中的位置，Xi为第i个物理化学参数的测量值；如果水质等级是劣V类，在阈值单调递增的条件下，由超标倍数法将WQIi定义为公式2所示： 否则在阈值单调递减的条件下，如公式3所示： 公式2和3中，Si5为V类水质等级的阈值；步骤2.3、将步骤1所得10个物理化学参数的水质指数WQIi进行求和得到综合WQI如公式4所示： 公式4中，Wi为WQIi的权重，由熵权法确定；M、n分别为物理化学参数个数和样品个数；Ei为WQIi的熵，Pik为WQIi中第k个样本的概率；步骤3、计算步骤1所得水样各物理化学参数得分并选择关键水质参数，再利用关键水质参数建立WQImin模型；具体包括以下步骤：步骤3.1、通过公式5计算步骤1所得水样各物理化学参数得分V如下： 公式5中，V1是描述测量值Xi时间变化的变异系数，σi为测量值Xi的标准差，μi为测量值Xi的平均值；V2是水质差异，描述为与IV类水质相比第i个参数的优和劣；V3是第i个参数的测量值Xi与其他参数之间的平均互信息；步骤3.2、将步骤3.1所得各物理化学参数得分V由高到低进行排序，选择前j个得分V对应的物理化学参数作为关键水质参数，j∈[1,10]；步骤3.3、利用步骤3.2所得关键水质参数建立WQImin模型，如公式6所示： 公式6中，βi是第i个关键水质参数的权重，βi∈[0,1]；步骤4、设计具有约束条件的增强天牛须搜索算法，优化步骤3所得WQImin模型的权重；具体包括以下步骤：步骤4.1、利用增强天牛须搜索算法优化步骤3.3所得WQImin模型的权值βi使得所有权值βi之和等于1，具体为：步骤4.1.1、确定增强天牛须搜索算法中天牛须的左天线和右天线的位置如下： 公式7中，为天牛的右触角和为天牛的左触角，xt表示基本天牛须搜索算法中的天牛在t时刻的位置，即为关键水质参数权重的集合{βi}，随机单位向量为天牛的搜索行为，dt是两个触角之间的距离，R是常数；步骤4.1.2、在增强天牛须搜索算法中加入适应度最佳的位置变量xbest，如果适应度函数fxtfxbest，xt被赋值给xbest，结束搜索；将步骤4.1.1中和馈送到适应度函数fx中，根据天牛两只触角感知不同关键水质参数的权重βi，通过公式8计算出下一个位置并更新步长： 公式8中，δt表示每次迭代的步长，δt会随着迭代次数的增加而减少，也会随着η的增加而增加，δ0是初始步长；η为衰减率，设为0.95；步骤4.2、建立优化WQImin模型权重βi的目标函数J如公式9所示： 公式9中，为均方误差，p是惩罚因子；目标函数J的约束条件s.t.如公式10所示： 应用增强天牛须搜索算法在确定的搜索空间中迭代计算目标函数J的最小值，求得各关键水质参数的权重βi；步骤5、基于步骤2所得综合WQI，评价经步骤4优化过权重的WQImin模型并选择最佳的关键水质参数，实现水质综合评价；具体包括以下步骤：步骤5.1、基于步骤2所得综合WQI，根据均方误差MSE对经步骤4优化过权重的WQImin模型进行评价，公式11定义如下： 公式11中，n为样本数；步骤5.2、逐步减少步骤3.2所得关键水质参数的个数，重复步骤3.3至步骤5.1，若WQImin模型的均方误差小于0.05，则该WQImin模型的水质参数为最佳的关键水质参数，且该WQImin模型实现了水质综合评价。

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