基于人工干預(yù)及多線程的試錯(cuò)法推求單位線

鮑瑞雪

（河南省洛陽水文水資源勘測(cè)局，河南 洛陽 471000）

0 引言

水文預(yù)報(bào)是水文學(xué)的一個(gè)重要組成部分， 它是建立在充分掌握客觀水文規(guī)律的基礎(chǔ)上，預(yù)報(bào)未來徑流變化的一門應(yīng)用性學(xué)科。 初期的水文學(xué)方法來自對(duì)洪水規(guī)律的分析和總結(jié)，簡(jiǎn)單、實(shí)用，但沒有嚴(yán)密的理論基礎(chǔ)，基本上屬于經(jīng)驗(yàn)方法，也有人稱其為工程師方法。 最早的水文學(xué)方法出現(xiàn)于20世紀(jì)30 年代，比較有代表性的有API 方法、單位線法和馬斯京根法。 這3 種方法被我國(guó)的水文工作者稱為水文預(yù)報(bào)的“老三篇”，至今仍被廣泛使用[1]。

經(jīng)驗(yàn)單位線(Unit Hydrography，簡(jiǎn)稱UH)源自美國(guó)，于1932 年由舍爾曼(L. K. Sherman)提出，因此又被稱為舍爾曼單位線。最初的單位線法只是用于流域匯流計(jì)算，后來擴(kuò)展到河道匯流演算。 推求單位線需用次洪時(shí)段凈雨量及流域出口斷面的徑流量和過程，推求方法主要有分析法[2]、試錯(cuò)法[3]、最小二乘法[4～5]。

由于流域匯流的復(fù)雜性和測(cè)驗(yàn)資料的誤差，應(yīng)用分析法和最小二乘法推求的結(jié)果往往會(huì)出現(xiàn)鋸齒狀和負(fù)值現(xiàn)象，甚至無法進(jìn)行分析計(jì)算，所以很少有人應(yīng)用。試錯(cuò)法使用比較廣泛，但主要缺點(diǎn)是單位線過程的初始假定比較困難，試錯(cuò)過程的計(jì)算大量。鑒于此， 本文試提出建立人工干預(yù)機(jī)制降低單位線初始化難度、 引入多線程計(jì)算方法提高計(jì)算速度的思路，并使用VB.NET 編寫應(yīng)用程序，以期提高試錯(cuò)法推求單位線的效率。

1 水文單位線推求原理及思路

1.1 人工干預(yù)機(jī)制的建立

用試錯(cuò)法推求單位線時(shí)， 初始單位線假設(shè)的好壞直接影響迭代試算的次數(shù)。 這就要求預(yù)報(bào)人員不但具備豐富的經(jīng)驗(yàn)， 還要對(duì)當(dāng)?shù)氐乃奶卣饔泻苌畹睦斫?。這樣就限制了試錯(cuò)法推求單位線的發(fā)展。如果使用計(jì)算機(jī)假設(shè)所有單位線的組合，計(jì)算量很大。人工干預(yù)機(jī)制就是預(yù)報(bào)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及單位線的約束關(guān)系等，對(duì)計(jì)算機(jī)試算范圍做出限定，從而大大減少試算時(shí)間。 現(xiàn)假設(shè)有一條13 個(gè)時(shí)段的單位線，計(jì)算機(jī)假設(shè)和人工干預(yù)的對(duì)比分析結(jié)果如表1 所示。

表1 人工干預(yù)分析表Table 1 Manual intervention analysis

由表1 可以看出，對(duì)該單位線，計(jì)算機(jī)的計(jì)算次數(shù)是1 00013次，而人工干預(yù)需要6×51×41＝12 546次，可見，人工干預(yù)設(shè)定了較為靈敏的位置，極大地使計(jì)算量減少。

1.2 多線程技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

在單個(gè)程序中，同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程完成不同的工作稱為多線程。 它是程序中一個(gè)單一的順序控制流程。 在這個(gè)流程中，多個(gè)線程共享數(shù)據(jù)空間，每個(gè)線程有自己的執(zhí)行堆棧和程序計(jì)數(shù)器，為其執(zhí)行上下文。 多線程同步完成多項(xiàng)任務(wù)，不是為了提高運(yùn)行效率，而是為了提高資源使用效率，從而提高系統(tǒng)的效率[6]。

使用多線程主要有以下優(yōu)點(diǎn)[7]：（1）用戶界面可以更人性化；（2） 程序的運(yùn)行速度可能加快；（3）在一些等待任務(wù)的實(shí)現(xiàn)上釋放內(nèi)存占用空間；（4）把耗時(shí)長(zhǎng)的程序中的任務(wù)放到后臺(tái)去處理。

在VB.NET 程序設(shè)計(jì)過程中，并不是線程越多計(jì)算速度越快[8]。 為了得到程序合理的線程數(shù)，應(yīng)選取不同測(cè)試環(huán)境，對(duì)多線程進(jìn)行測(cè)試，最終選取適合的線程數(shù)進(jìn)行程序計(jì)算。

2 應(yīng)用及分析

為驗(yàn)證本文所述方法可行性、有效性，作者使用實(shí)測(cè)資料進(jìn)行單位線的推求試驗(yàn)，其步驟及結(jié)果如下。

2.1 多線程數(shù)的確定

進(jìn)行程序設(shè)計(jì)之前，首先應(yīng)確定多線程數(shù)。 如，設(shè)定一個(gè)12 萬次的計(jì)算循環(huán)，在不同平臺(tái)上分別使用單線程、雙線程及三線程來計(jì)算，比較計(jì)算時(shí)間，最后確定程序設(shè)計(jì)最優(yōu)的線程數(shù)。

經(jīng)過測(cè)試（測(cè)試結(jié)果如圖1 所示），得到雙線程計(jì)算速度較快的結(jié)論。 考慮到因測(cè)試環(huán)境（Windows XP 操作系統(tǒng)，雙核CPU，1G 內(nèi)存）對(duì)結(jié)果具有一定的影響，得出“幾核CPU 就使用幾線程”是比較合理的結(jié)論。

圖1 多線程速度測(cè)試結(jié)果Fig.1 Multithread speed test result

2.2 初始單位線的假設(shè)

在初始化單位線時(shí)，需要考慮3 個(gè)方面問題：（1）單位線時(shí)段長(zhǎng)短。 單位線時(shí)段長(zhǎng)不是唯一確定的影響因素，也沒有規(guī)律可循。 程序在單位線初始化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮單位線時(shí)段長(zhǎng)度的可變性（例如時(shí)段數(shù)可在8 到13 之間變化），并生成相應(yīng)長(zhǎng)度的單位線過程。（2）單位線各個(gè)時(shí)段的變化范圍。這一部分是人工干預(yù)的主要體現(xiàn)之處。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定好各個(gè)時(shí)段的變化范圍， 可以有效減少計(jì)算次數(shù)。（3）單位線各個(gè)時(shí)段變化增量。增量是單位線從初始值到結(jié)束值的變化幅度，它可以控制單位線篩選的密度。 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以先使用大增量，初步篩選出單位線變化比較靈敏的區(qū)間， 再使用小增量，對(duì)此區(qū)間作進(jìn)一步篩選，最后求出符合要求的單位線。 這樣可以提高單位線推求的效率。

2.3 單位線的推求

在單位線初始化假設(shè)完成后，程序?qū)⒆詣?dòng)計(jì)算每一條單位線推求的流量過程，并與推求單位線的流量過程進(jìn)行比較。 最后，將滿足精度要求的單位線及精度結(jié)果保存為文件，為人工進(jìn)一步篩選提供客觀依據(jù)。

圖2 為某水庫單位線的推求結(jié)果：預(yù)報(bào)徑流過程與實(shí)測(cè)徑流過程洪峰時(shí)段位置相同， 洪量誤差10%以內(nèi)，基本滿足精度要求。

圖2 某水庫洪水單位線驗(yàn)證過程圖Fig.2 Flood unit hydrograph verification course of one reservoir

3 結(jié)語

在實(shí)際的應(yīng)用中，基于上述思路的計(jì)算程序減少了工作量、提高了工作效率，取得了一定的效果。這證明了引入人工干預(yù)及多線程的可行性，同時(shí)也可以從中得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）人工干預(yù)是一種人腦與電腦的結(jié)合，它可以降低程序編寫的難度，減少試算時(shí)間，大大提高工作效率。

（2）多線程的運(yùn)用可以提高計(jì)算速度，但是并不是線程數(shù)越多越好，應(yīng)根據(jù)使用平臺(tái)的具體測(cè)試結(jié)確定線程數(shù)。

（3）用單位線法假定的降雨在流域內(nèi)均勻分布，流域匯流為線性系統(tǒng)，與實(shí)際不符。 因此，對(duì)于有些流域，一條單位線難以滿足預(yù)報(bào)精度的要求，一個(gè)預(yù)報(bào)方案常配有多條單位線。

[1] 林三益. 水文預(yù)報(bào)[M]. 北京:中國(guó)水利水電出版社，2001：1-4.

[2] 李慧瓏. 水文預(yù)報(bào)[M]. 北京:中國(guó)水利水電出版社，1993：1-11.

[3] 詹道江，葉守澤. 工程水文學(xué)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，1987：119-138.

[4] 吳云. 利用最小二乘方原理推求單位線[J]. 太原師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2003(3):11-13.

[5] 長(zhǎng)江水利委員會(huì). 水文預(yù)報(bào)方法[M]. 北京:水利電力出版社，1979：132-147.

[6] 馮朝輝，范銳軍. VB 下多線程實(shí)現(xiàn)機(jī)制的比較[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010（1）:228-231.

[7] 張焰林. 基于VB.NET 的多線程技術(shù)應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2009（2）:136-138.

[8] Billy Hollis. VB.NET 程序設(shè)計(jì)教程[M]. 康博， 譯. 北京:清華大學(xué)出版社，2001：304-315.