环境系统分析第8讲课件.ppt

1、2022年11月23日星期三环境系统分析环境系统分析PPT第第8讲讲第四章第四章 数学模型的参数估计及灵敏度分析数学模型的参数估计及灵敏度分析前章所述的一些解析模型常用于环境质量的前章所述的一些解析模型常用于环境质量的模拟预测和控制规划模拟预测和控制规划一维解析模型广泛地用于各种河流的水质模一维解析模型广泛地用于各种河流的水质模拟和预测中拟和预测中三维解析模型在大气质量的预测中普通采用三维解析模型在大气质量的预测中普通采用在流动均匀稳定的条件下，二维解析模型可在流动均匀稳定的条件下，二维解析模型可用来模拟河流的水质用来模拟河流的水质在模型具体应用时，必须首先对模型中的参在模型具体应用时，必须首

2、先对模型中的参数进行估值和进行灵敏度的分析。数进行估值和进行灵敏度的分析。一、一、模型参数的估值方法模型参数的估值方法n有经验公式，图解法，最小二乘法和最优化有经验公式，图解法，最小二乘法和最优化方法等估值方法方法等估值方法n除经验公式外，其余方法均是利用系统输入除经验公式外，其余方法均是利用系统输入输出数据和数学模型本身确定合理的参数数输出数据和数学模型本身确定合理的参数数值。值。1 1、图解法图解法 对经适当处理后以转换为直线的公式，均对经适当处理后以转换为直线的公式，均可用图解法估计参数，其误差取决于点位的可用图解法估计参数，其误差取决于点位的精度和绘制直线的精度。精度和绘制直线的精度。

3、2 2、一元线性回归分析法、一元线性回归分析法 亦称最小二乘法亦称最小二乘法 该法有两个假定：该法有两个假定：所有自变量的值均不存在误差，因变量的所有自变量的值均不存在误差，因变量的值则含有测量误差；值则含有测量误差；与各测量点拟合最好的直线为能使各点到与各测量点拟合最好的直线为能使各点到直线的竖向偏差（因变量偏差）的平方和直线的竖向偏差（因变量偏差）的平方和最小的直线。最小的直线。偏差的平方和最小意味着各个点的偏偏差的平方和最小意味着各个点的偏差均很小。差均很小。最佳的最佳的b b和和m m的估计值：（的估计值：（y=mx+by=mx+b）由由 3 3、多元线性回归分析、多元线性回归分析 （

4、原理相同）（原理相同）以二元为例以二元为例4 4、最优化估值方法、最优化估值方法函数一般式函数一般式 ：建立目标函数：建立目标函数：使其最小（使其最小（Z min Z min）。）。对一个连续可微的目标函数可采用最速下对一个连续可微的目标函数可采用最速下降法（一阶梯度法）。降法（一阶梯度法）。梯度法的步骤如下：梯度法的步骤如下：第一步第一步:设设1,2,m的初值为的初值为 1,2,m,允许迭代误差为允许迭代误差为 .第二步：计算目标函数的初值第二步：计算目标函数的初值 第三步：计算目标函数对参数的梯度。第三步：计算目标函数对参数的梯度。在函数的形式比较复杂，不易求得梯度在函数的形式比较复杂，不

5、易求得梯度的解析式时，可以计算其数值梯度的解析式时，可以计算其数值梯度.第四步：计算参数修正步长第四步：计算参数修正步长 二阶梯度矩阵二阶梯度矩阵 H（）亦称海森矩阵亦称海森矩阵。对于复杂的数学表达式，海森矩阵的对于复杂的数学表达式，海森矩阵的解析值很难计算，可以数值梯度来近似解析值很难计算，可以数值梯度来近似的解析值。的解析值。对于海森矩阵的对角元素：对于海森矩阵的对角元素：对于非对于非对角元素：对角元素：第五步：计算参数第五步：计算参数i的修正值的修正值 i1 第六步，计算新的目标函数值第六步，计算新的目标函数值Z1 第七步第七步，比较，比较Z1和和Z0 若若 ，则停止运算，并输出参数则停

6、止运算，并输出参数的估计值的估计值i1（i=1,2n）否则令否则令 返回第三步返回第三步。若以相对误差表示则可取若以相对误差表示则可取|(Z1-Z0)/Z1|否则计算的允许选代误差（也称截断否则计算的允许选代误差（也称截断误差）要视目标函数的绝对值大小而定。误差）要视目标函数的绝对值大小而定。用最优化方法估值时，要由经验给定参数用最优化方法估值时，要由经验给定参数的初值。的初值。例：已知河流沿程的溶解氧（例：已知河流沿程的溶解氧（DODO）的测定）的测定数据如下：数据如下：若起点的若起点的BODBOD（L L0 0）为）为20mg/l20mg/l，饱和溶解氧，饱和溶解氧（CsCs）为）为10.

7、0mg/l10.0mg/l，河流平均流速为，河流平均流速为Ux=4.0km/h,Ux=4.0km/h,由由S-PS-P模型可知河流溶解氧的模型可知河流溶解氧的变化规律符合下述方程变化规律符合下述方程:X(km)0 8 28 36 56DO(mg/l)10.0 8.5 7.0 6.1 7.2 试确定其中的耗氧速度常数试确定其中的耗氧速度常数KdKd和得氧速度和得氧速度常数常数KaKa。解：首先，建立目标函数解：首先，建立目标函数 用一阶梯度法，据前述的七步，编制计用一阶梯度法，据前述的七步，编制计算机程序，给定初值，算机程序，给定初值，K0d=1.0d-1=0.042h-1，K0a=2.0d-1

8、=0.083h-1 当目标当目标Z=0.4681时，得时，得到参数的最优估计值到参数的最优估计值:Kd=0.053 h-1=1.27 d-1 Ka=0.19 h-1=4.67 d-1。（。（取的是取的是0.0001）。）。5、网格法、网格法 假定有假定有n个等定参数，且已知各参数个等定参数，且已知各参数的取值范围，把各搜索区间（取值范围）的取值范围，把各搜索区间（取值范围）分成若干个等分，则参数空间分成若干个等分，则参数空间 =(1,2,n)T就被划分成若干网格，就被划分成若干网格，计算所有网格顶点上的目标函数值，并计算所有网格顶点上的目标函数值，并取其中最小的值所对应的参数值作为最取其中最小

9、的值所对应的参数值作为最优估计值。优估计值。若精度还不够，则可再分细些。若精度还不够，则可再分细些。6、经验公式计算法、经验公式计算法如：河流的复氧速度常数，大气扩散方程中如：河流的复氧速度常数，大气扩散方程中的方差等。除经验公式计算法外，其余方的方差等。除经验公式计算法外，其余方法均应有自度量和因变量的实测输入输出法均应有自度量和因变量的实测输入输出数据，注意使用条件，范围。数据，注意使用条件，范围。二、模型的验证与误差分析二、模型的验证与误差分析 在模型建立且参数估值之后，还应对在模型建立且参数估值之后，还应对模型进行验证和误差分析方可投入应用。模型进行验证和误差分析方可投入应用。验证所用

10、的数据应与参数估值时所用数验证所用的数据应与参数估值时所用数据独立，以模型的计算结果和实测数据之间据独立，以模型的计算结果和实测数据之间的吻合程度来判断。的吻合程度来判断。常用方法：常用方法：1 1、图形表示法、图形表示法 观测值为横坐标，计算值为纵坐标，据观测值为横坐标，计算值为纵坐标，据各自变量可得上面相应的两值。各自变量可得上面相应的两值。由于环境系统问题的复杂性，对于大系由于环境系统问题的复杂性，对于大系统，有的文献认为，对于观测值和计算值在统，有的文献认为，对于观测值和计算值在2 2倍误差范围内都认为满意。倍误差范围内都认为满意。2 2、相关系数法、相关系数法统计学上衡量曲线拟合程度

11、的量。统计学上衡量曲线拟合程度的量。y y和和yy分别为观测值和计算值的平均分别为观测值和计算值的平均值。值。r r越大相关关系越好（越大相关关系越好（0 0 r r 1 1）。）。当对当对y=+y+y=+y+作回归分析证明作回归分析证明=0=0和和=1=1时用相关系数验证才有实际时用相关系数验证才有实际意义。意义。表示计算值表示计算值y y和实测值和实测值yy之间之间的误差。的误差。3 3、相对误差法、相对误差法 e ei i=y=yi i-y-yi i /y/yi i n n组观测值与相应计算值数据可得组观测值与相应计算值数据可得n n个误差值，将这个误差值，将这n n个误差值从小到大排列

12、，个误差值从小到大排列，可以求得小于某一误差值的误差的出现可以求得小于某一误差值的误差的出现频率以及累积频率为频率以及累积频率为10%10%、50%50%和和90%90%的误的误差。差。通常采用中值误差（累积频率为通常采用中值误差（累积频率为50%50%）作为衡量模型精确度的度量。作为衡量模型精确度的度量。中值误差与统计学上的概率误差是一致的。中值误差与统计学上的概率误差是一致的。中值误差可从误差分布的累积曲线上中值误差可从误差分布的累积曲线上求出，也可按下式计算：求出，也可按下式计算：常用常用e e0.50.5的的10%10%作为水质模型验证标作为水质模型验证标准，还有用绝对中值误差的。准，

13、还有用绝对中值误差的。(公式分母公式分母中中y yi i去掉去掉)利用相关系数、相对中值误差和绝利用相关系数、相对中值误差和绝对中值误差等验证方法还可验证所用参对中值误差等验证方法还可验证所用参数估值方法哪种效果更好些。数估值方法哪种效果更好些。三、数学模型的灵敏度分析三、数学模型的灵敏度分析 由于环境系统是一个开放性系统，各由于环境系统是一个开放性系统，各种影响非常复杂，很难精确定量，各种数种影响非常复杂，很难精确定量，各种数学学模型存在着不确定性模型存在着不确定性（有许多假设），（有许多假设），模型中的模型中的参数也有误差参数也有误差，因此，利用模型，因此，利用模型进行的模拟和规划的真实性

14、，进行的模拟和规划的真实性，可靠性可靠性究竟究竟如何，如何对此做出估计，换言之，如何，如何对此做出估计，换言之，状态状态变量对参数变量对参数的灵敏度如何，的灵敏度如何，目标函数对参目标函数对参数数的灵敏度如何以及的灵敏度如何以及目标函数对状态变量目标函数对状态变量的灵敏度如何，需进行分析。的灵敏度如何，需进行分析。灵敏度分析可以估计模型计算结果的灵敏度分析可以估计模型计算结果的偏差，且还有助于建立低灵敏度系统，偏差，且还有助于建立低灵敏度系统，（这种系统在运行上比较可靠），有助于（这种系统在运行上比较可靠），有助于确定确定合理的设计裕量合理的设计裕量，这比盲目给定安全，这比盲目给定安全系数要合

15、理得多。系数要合理得多。（希望是（希望是低灵敏度高预测精度低灵敏度高预测精度的模型）的模型）误差分析是直接验证模型计算结果与实误差分析是直接验证模型计算结果与实测值的差异，针对一些零散值而作的，而测值的差异，针对一些零散值而作的，而灵敏度分析是从另一角度考虑该模型参数灵敏度分析是从另一角度考虑该模型参数的误差大小对状态变量所引起的计算误差的误差大小对状态变量所引起的计算误差和对目标函数所引起的和对目标函数所引起的误差的一种敏感程误差的一种敏感程度度。下面仅介绍一下状态变量和参数的下面仅介绍一下状态变量和参数的数目都是数目都是1时的灵敏度分析。时的灵敏度分析。若决策变量（污染物排放量等）保若决策

16、变量（污染物排放量等）保持不变，则状态变量持不变，则状态变量x和目标和目标Z均可表示均可表示为参数为参数的函数：的函数：x*=f(0),Z*=f(0)x*和和Z*分别表示参数分别表示参数取取0值的状态值的状态变量值和目标函数值。变量值和目标函数值。灵敏度的定义为：灵敏度的定义为：在在=0附近，状态变量（或目标）相附近，状态变量（或目标）相对于原值的变化率和参数对于原值的变化率和参数 相对于相对于 0的变的变化率的比值称为状态变量（或目标函数）化率的比值称为状态变量（或目标函数）对参数的灵敏度，即：对参数的灵敏度，即：状态变量对参数的灵敏度为：状态变量对参数的灵敏度为：目标函数对参数的灵敏度为：

17、目标函数对参数的灵敏度为：式中式中x=x x*z=zz*=0当当 0时，忽略高阶微分项得：时，忽略高阶微分项得：例：已知某河段的例：已知某河段的BOD 降解规律可用下式降解规律可用下式表示：表示：L=L0 e-Kdt 若已知河段初始的若已知河段初始的BOD浓度浓度L0=15mg/l,=15mg/l,BODBOD衰减速度常数衰减速度常数 K Kd d=0.1 d=0.1 d-1-1,假定假定K Kd d的的变化幅度在变化幅度在10%,10%,试求试求t=2dt=2d时的时的BODBOD值及值及其变化幅度。其变化幅度。解：解：K Kd0d0=0.1d=0.1d-1-1时时t=2dt=2d的的BOD

18、BOD浓度为：浓度为：L*=L0 e-Kd0t=15 e-0.1 2=12.28mg/l BOD对对Kd的一阶灵敏度系数为：的一阶灵敏度系数为：BOD对对kd的灵敏度为：的灵敏度为：已知：已知：K Kd d/K Kd0d0=10%10%，所以，所以BODBOD的变化的变化幅度为：幅度为：变化与变化与K Kd d的变化方向相反。的变化方向相反。因为因为2%2%10%,10%,所以属低灵敏度模型。所以属低灵敏度模型。1双曲线函数双曲线函数 2指数函数指数函数 y=A ebx 式中式中A0 ln y=ln A+b x 令令 Y=ln y ,a=ln A ,X=x 则则 Y=a+b X y=A eb/

19、x 式中式中A0 ln y=ln A+b/x 令令 Y=ln y ,a=ln A ,X=1/x 则则 Y=a+b X3对数函数对数函数 y=a+b lnx 令令 Y=y ,X=ln x则则 Y=a+b X4.4.幂函数幂函数 y=AXb (A0)lny=lnA+blnx 令令 Y=ln y ,a=ln A ,X=ln x 则则 Y=a+b X5.S曲线曲线 y=1/(a+be-x),1/y=a+be-x 令令Y=1/y ,X=e-x,则则 Y=a+b X 值得注意的是，广义线性函数的剩值得注意的是，广义线性函数的剩余平方和、剩余标准差和相关系数应以余平方和、剩余标准差和相关系数应以原原y模式求。模式求。还有一些还有一些广义线性函数，不再列举。广义线性函数，不再列举。可按此思路处理。可按此思路处理。