本發(fā)明涉及一種海島城市一體化管理方法及系統(tǒng)，屬于城市管理。

背景技術(shù)：

1、海島城市通常受到海洋性氣候的影響，具有溫和的溫度和較高的濕度，同時可能會面臨極端天氣事件，如臺風(fēng)和風(fēng)暴潮，這對城市基礎(chǔ)設(shè)施和居民生活產(chǎn)生影響，氣候變化可能導(dǎo)致海平面上升，威脅低洼島嶼的生存；

2、由于海島城市的面積較小其交通調(diào)度需要確保效率和可靠性，海島城市的水資源以及能源通常依賴于本地生產(chǎn)或從主陸地輸送，由于地域面積問題本地生產(chǎn)的效率不高且陸地輸送具有一定時效性，所以需要合理規(guī)劃資源分配；

3、現(xiàn)有專利如公開號為“cn114282769a”的發(fā)明專利公開了一種基于gis、bim和iot的數(shù)字孿生海島特色鄉(xiāng)鎮(zhèn)管理平臺，能夠?qū)⒑u特色鄉(xiāng)鎮(zhèn)的物聯(lián)網(wǎng)iot數(shù)據(jù)、地理信息系統(tǒng)gis數(shù)據(jù)、建筑信息模型bim數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一匯總，形成一體化調(diào)度管理體系，解決傳統(tǒng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)管理手段中存在的數(shù)據(jù)繁復(fù)、信息易缺失的問題；根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊的采集信息，建立孿生海島特色鄉(xiāng)鎮(zhèn)管理模型，與實際海島特色鄉(xiāng)鎮(zhèn)進行實時映射，在實際海島特色鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)據(jù)信息可視化的基礎(chǔ)上，還克服了傳統(tǒng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)管理手段中的用戶與管理層信息不對等、信息傳輸不及時的問題，但是該方案僅針對海島城市的土地管理提出解決方案，并未對海島城市的氣象、交通以及資源分配問題提出良好的解決方案，基于上述的問題，需要設(shè)計一種海島城市的綜合管理方法進行解決。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種海島城市一體化管理方法及系統(tǒng)。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一方面，本發(fā)明提供了一種海島城市一體化管理方法，包括以下步驟：

4、收集海島城市的歷史環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、交通監(jiān)測數(shù)據(jù)以及資源數(shù)據(jù)；

5、構(gòu)建氣象預(yù)測模型并進行氣象預(yù)測，基于氣象預(yù)測結(jié)果以及歷史環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)計算海島城市的各類自然災(zāi)害系數(shù)；

6、通過交通監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)建道路流量模型，通過道路流量模型計算海島城市中每條道路的流量系數(shù)；

7、基于資源數(shù)據(jù)構(gòu)建資源使用效率模型，通過資源使用效率模型計算海島城市的資源使用效率系數(shù)；

8、通過海島城市的各類自然災(zāi)害系數(shù)、每條道路的流量系數(shù)以及資源使用效率系數(shù)構(gòu)建海島城市管理決策模型，通過海島城市管理決策模型提供海島城市的參考管理決策方案。

9、作為本發(fā)明優(yōu)選實施方式，所述氣象預(yù)測模型基于嶺回歸模型構(gòu)成；

10、將海島城市的歷史氣象數(shù)據(jù)構(gòu)建為訓(xùn)練集輸入氣象預(yù)測模型中，對氣象預(yù)測模型進行訓(xùn)練，模型輸出未來天的預(yù)測結(jié)果，根據(jù)訓(xùn)練預(yù)測結(jié)果計算氣象預(yù)測模型的損失，具體如下式所示：

11、

12、其中：表示模型的損失函數(shù)；表示模型的參數(shù)矩陣；表示模型參數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置；表示模型輸出的第天的氣象預(yù)測值；表示與第天氣象預(yù)測值對應(yīng)的氣象實際值；表示嶺系數(shù)；

13、通過上式計算得到模型的損失，若損失大于預(yù)設(shè)閾值，則對模型的參數(shù)進行調(diào)整后再次進行訓(xùn)練，若損失小于預(yù)設(shè)閾值，則停止訓(xùn)練，得到訓(xùn)練完成的氣象預(yù)測模型。

14、作為本發(fā)明優(yōu)選實施方式，所述海島城市的自然災(zāi)害系數(shù)包括臺風(fēng)災(zāi)害系數(shù)與海嘯災(zāi)害系數(shù)；

15、將海島城市劃分為多個區(qū)域并構(gòu)建臺風(fēng)災(zāi)害系數(shù)的計算公式，如下式所示：

16、

17、其中：表示氣象預(yù)測結(jié)果中的最高風(fēng)速；表示氣象預(yù)測結(jié)果中的最低氣壓；表示氣象預(yù)測結(jié)果中的總體降雨量；表示海島城市區(qū)域總數(shù)；表示海島城市第個區(qū)域的人口密度；表示海島城市第個區(qū)域的經(jīng)濟系數(shù)；、均為權(quán)重參數(shù)。

18、作為本發(fā)明優(yōu)選實施方式，所述海嘯災(zāi)害系數(shù)的計算公式為：

19、

20、其中：表示觀測時間內(nèi)周圍海域的最大波高；表示觀測時間內(nèi)周圍海域波浪起始點距離海岸的平均距離；表示觀測時間內(nèi)周圍海域波浪傳播至海岸的最大速率；表示海床摩擦系數(shù)；表示海岸周邊區(qū)域的平均人口密度；表示海岸周邊區(qū)域的經(jīng)濟系數(shù)；表示周圍海域的水體積；表示觀測時間長度；表示隨時間變化的風(fēng)險系數(shù)；表示海底沉積物系數(shù)；、、、均為權(quán)重參數(shù)。

21、作為本發(fā)明優(yōu)選實施方式，所述道路流量模型基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，通過圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表示城市交通網(wǎng)絡(luò)，其中節(jié)點表示路口，邊表示道路，基于交通監(jiān)測數(shù)據(jù)中的道路交通數(shù)據(jù)定義每個節(jié)點和邊的對應(yīng)特征向量，并通過下式更新迭代每個時間步下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的特征向量：

22、

23、其中：表示節(jié)點在第次迭代的特征向量；為激活函數(shù)；表示第次迭代的權(quán)重矩陣；表示節(jié)點的相鄰節(jié)點總數(shù)；表示節(jié)點的相鄰節(jié)點在第次迭代的特征向量；表示第次迭代的偏置矩陣；表示節(jié)點在第次迭代的特征向量；

24、最終模型輸出每條道路在每個時間步下的流量數(shù)據(jù)，基于流量數(shù)據(jù)計算每條道路的流量系數(shù)，具體如下式所示：

25、

26、

27、其中：表示第個時間步下第條道路流量系數(shù)；表示單位時間下的道路流量；表示當(dāng)前道路長度；表示當(dāng)前道路最大容量；表示當(dāng)前道路單位時間下的平均車速；表示單位時間下當(dāng)前道路的最高車速；表示當(dāng)前道路單位時間下的事故平均面積；表示當(dāng)前道路單位時間內(nèi)的交通事故數(shù)量；表示當(dāng)前時間步的長度。

28、作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述資源使用效率模型基于lightgbm模型構(gòu)建；

29、通過預(yù)處理后的資源數(shù)據(jù)提取居民區(qū)與水庫距離、供水網(wǎng)布局、電網(wǎng)布局、季節(jié)、居民區(qū)歷史水電需求以及工業(yè)區(qū)歷史水電需求，并構(gòu)建訓(xùn)練集；

30、將訓(xùn)練集輸入lightgbm模型進行訓(xùn)練，并通過下式計算模型損失：

31、

32、其中：表示模型的損失函數(shù)；表示模型左子樹所有樣本的梯度和；表示模型右子樹所有樣本的梯度和；表示父節(jié)點所有樣本的梯度和；、、分別表示模型左子樹、右子樹以及父節(jié)點的樣本數(shù)量；表示權(quán)重參數(shù)；

33、通過上述損失函數(shù)計算模型每次迭代時分裂點的增益，并選擇最大增益點作為下一次迭代的分裂目標(biāo)；

34、通過訓(xùn)練完成的lightgbm模型預(yù)測居民區(qū)以及工業(yè)區(qū)的用水用電需求；

35、構(gòu)建資源使用效率系數(shù)計算公式，計算每個區(qū)域的資源使用效率系數(shù)，具體如下式所示：

36、

37、其中：表示當(dāng)前區(qū)域的總體用水需求；表示當(dāng)前區(qū)域工業(yè)區(qū)的用水需求；表示當(dāng)前區(qū)域的居民區(qū)的用水需求；表示當(dāng)前區(qū)域的年平均廢水回收率；表示當(dāng)前區(qū)域的總體面積；表示當(dāng)前區(qū)域居民區(qū)的用電需求；表示當(dāng)前區(qū)域工業(yè)區(qū)的電力設(shè)備維護成本；表示當(dāng)前區(qū)域工業(yè)區(qū)的用電需求；表示當(dāng)前區(qū)域可用綠色能源總量；表示當(dāng)前區(qū)域可用普通能源總量。

38、作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述海島城市管理決策模型分別用于對海島城市的防災(zāi)決策、道路規(guī)劃決策以及資源分配決策進行管理；

39、對于防災(zāi)決策，設(shè)置不同自然災(zāi)害的防災(zāi)策略，基于每類自然災(zāi)害系數(shù)設(shè)置設(shè)有多個等級，每個等級對應(yīng)不同的災(zāi)害嚴重程度，根據(jù)該類自然災(zāi)害系數(shù)的大小，選擇對應(yīng)等級的防災(zāi)策略；

40、對于道路規(guī)劃決策，根據(jù)不同道路的流量系數(shù)對道路進行分類，對于不同類型的道路設(shè)置不同的規(guī)劃計劃；

41、對于資源分配決策，基于每個區(qū)域的資源使用效率系數(shù)設(shè)置每個區(qū)域的資源分配優(yōu)先級，對于不同優(yōu)先級的區(qū)域?qū)嵤┎煌馁Y源分配計劃。

42、另一方面，本發(fā)明還提供了一種海島城市一體化管理系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、氣象模型構(gòu)建模塊、道路流量模型構(gòu)建模塊、資源使用效率模型構(gòu)建模塊以及海島城市管理決策模塊；

43、所述數(shù)據(jù)采集模塊用于收集海島城市的歷史環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、交通監(jiān)測數(shù)據(jù)以及資源數(shù)據(jù)；

44、所述氣象模型構(gòu)建模塊用于構(gòu)建氣象預(yù)測模型并進行氣象預(yù)測，基于氣象預(yù)測結(jié)果以及歷史環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)計算海島城市的各類自然災(zāi)害系數(shù)；

45、所述道路流量模型構(gòu)建模塊用于通過交通監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)建道路流量模型，通過道路流量模型計算海島城市中每條道路的流量系數(shù)；

46、所述資源使用效率模型構(gòu)建模塊用于基于資源數(shù)據(jù)構(gòu)建資源使用效率模型，通過資源使用效率模型計算海島城市的資源使用效率系數(shù)；

47、所述海島城市管理決策模塊用于通過海島城市的各類自然災(zāi)害系數(shù)、每條道路的流量系數(shù)以及資源使用效率系數(shù)構(gòu)建海島城市管理決策模型，通過海島城市管理決策模型提供海島城市的參考管理決策方案。

48、再一方面，本發(fā)明還提供一種電子設(shè)備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時實現(xiàn)如本發(fā)明任一實施例所述的方法。

49、再一方面，本發(fā)明還提供一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機程序，該程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如本發(fā)明任一實施例所述的方法。

50、本發(fā)明具有如下有益效果：

51、1、本發(fā)明基于構(gòu)建對應(yīng)模型并計算自然災(zāi)害系數(shù)、道路流量系數(shù)以及資源使用效率系數(shù)對海島城市的防災(zāi)決策、道路規(guī)劃決策以及資源分配決策進行綜合管理，實現(xiàn)了海島城市發(fā)展中容易遇到的問題的一體化管理。