（工商管理专业论文）多目标模糊决策方法在铁山水库用水调度管理中的应用研究.pdf

：二：? 0 + i ! 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：主啦 嗽绰让月笪日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者躲避导师签名擞日期毕年旦月堑日 摘要 决策是一种主观活动，是人类主体对社会客体的认识和选择过 程。大量的决策问题是模糊的、多目标的、群体的非( 半) 结构性问 题，这点在水库用水调度管理上体现得较为明显。在当前水资源的情 况下，合理节约和充分利用水资源，是我们必须深入研究的紧迫课题。 本文在对铁山水库的水资源和用水情况进行研究分析的基础上， 结合铁山水库用水量现状和需水量预测的实际情况，分析了铁山水库 现有调度用水的缺点和不足，建立了一套比较科学的铁山水库调度用 水管理方法。同时运用多目标模糊决策理论建立了合理的调度用水决 策模型，并根据模型分析的结果，提出了改善铁山水库用水调度管理 的建议。本文首先研究了多目标模糊决策理论在铁山水库来水的预测 方面的应用，找到一个科学合理的预测方法和模型；其次，根据铁山 水库的特点，运用多目标模糊决策理论对铁山水库用水调度的重点即 农业灌溉方面进行了合理的分析，找到一个合适用水调度方式；再结 合新型建设型和节约型社会的水库调度用水，对铁山水库今后用水调 度方面可能出现问题后，如何作出最优化配置，进行了分析，并得出 合理分配水资源的方法。 关键词水库调度管理，来水预测，多目标决策，模糊决策 a b s t r a c t d e c i s i o n m a k i n gi sas u b j e c t i v ea c t i v i t y ，i st h eo b j e c to fh u m a n s u b j e c t so fs o c i a la w a r e n e s sa n ds e l e c t i o np r o c e s s al a r g en u m b e ro f d e c i s i o n m a k i n gi sa m b i g u o u s ，m u l t i o b j e c t i v e ，t h eg r o u po fn o n - ( s e m i 一) s t r u c t u r a lp r o b l e m s ，t h i sp o i n ti nr e s e r v o i rm a n a g e m e n ta n dw a t e r a l l o c a t i o na r er e f l e c t e dm o s tv i s i b l y i nt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fw a t e r r e s o u r c e sa n dr a t i o n a lu s eo fw a t e rr e s o u r c e sc o n s e r v a t i o na n df u l l ，w e m u s te x a m i n ei nd e p t ha nu r g e n tt a s k i nt h i sp a p e r ，t h er e s e r v o i ro fw a t e rr e s o u r c e sa n dw a t e rt i e s h a n c o n d u ar e s e a r c ha n da n a l y s i s ，b a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fr e s e r v o i r w a t e rt i e s h a ns t a t u sa n da c t u a ls i t u a t i o no fw a t e rd e m a n dp r o j e c t i o n s ， a n a l y s i so ft h ee x i s t i n gr e s e r v o i rt o d i s t r i b u t ew a t e rt i e s h a nt h e s h o r t c o m i n g sa n dd e f i c i e n c i e s ，t h ee s t a b l i s h m e n to f ao fam o r es c i e n t i f i c m e t h o do fw a t e rm a n a g e m e n tt i e s h a nr e s e r v o i ro p e r a t i o n a tt h es a m e t i m eu s i n gm u l t i o b j e c t i v ef u z z yd e c i s i o nt h e o r yt oe s t a b l i s har e a s o n a b l e d e c i s i o n m a k i n gm o d e lf o r t h es c h e d u l i n go fw a t e ra n d ，b a s e do nm o d e l r e s u l t so ft h ea n a l y s i sp u tf o r w a r dt oi m p r o v et h et i e s h a nr e s e r v o i rw a t e r a l l o c a t i o nm a n a g e m e n t t h i sp a p e rs t u d i e sm u l t i o b j e c t i v ef u z z yd e c i s i o n t h e o r yi nt h et i e s h a nr e s e r v o i rr u n o f ff o r e c a s t st h ea p p l i c a t i o n ，t of i n da s c i e n t i f i ca n dr a t i o n a lf o r e c a s t i n gm e t h o d sa n dm o d e l s ；s e c o n d l y ， a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft i e s h a nr e s e r v o i r ， u s i n g m u l t i o b j e c t i v ef u z z yd e c i s i o nm a k i n gt h e o r yt i e s h a nr e s e r v o i rt h a ti s t h ef o c u so fw a t e ra l l o c a t i o nf o ra g r i c u l t u r a li r l i g a t i o ni nar a t i o n a l a n a l y s i so fw a t e ra l l o c a t i o nt of i n das u i t a b l ew a y ；c o m b i n e dw i t hn e w c o n s t r u c t i o n a n dc o n s e r v a t i o n m i n d e ds o c i e t yo ft h er e s e r v o i ro p e r a t i o n o fw a t e r ，f i g h tt i e s h a nr e s e r v o i rw a t e ra l l o c a t i o ni nt h ef u t u r ep r o b l e m s t h a tm a ya r i s ea n dh o wt oo p t i m a lc o n f i g u r a t i o n ，a n a l y z e d ，a n dc a m et o ar a t i o n a la l l o c a t i o no fw a t e rr e s o u r c e sa p p r o a c h k e yw o r d sr e s e r v o i ro p e r a t i o nm a n a g e m e n t ，a n dr u n o 行 f o r e c a s t i n g ，m u l t i o b je c t i v ed e c i s i o n - m a k i n g ，f u z z yd e c i s i o n m a k i n g i i 目录 摘要i a b s t r a c t i 第1 章绪论1 1 1 研究背景和意义1 1 2 研究的目的和意义1 1 3 国内外研究现状3 1 4 本课题的研究思路5 1 5 论文的主要内容和结构6 第2 章水库用水调度决策理论与方法7 2 1 水库用水调度概述7 2 2 水库用水调度相关理论及方法8 2 2 1 多目标优化调度理论8 2 2 2 多目标优化调度数学模型9 2 2 3 多目标优化问题的解法1 0 2 2 4 模糊决策理论概述1 l 2 2 5 模糊识别理论1 6 第3 章铁山水库用水调度管理现状分析1 9 3 1 铁山水库介绍1 9 3 1 1 铁山水库管理机构1 9 3 1 2 铁山水库作用1 9 3 1 3 铁山水库调度管理机制2 0 3 2 铁山水库用水调度现状分析2 1 3 2 1 水库用水额与需水量2 l 3 2 2 水库用水调度计算二2 2 3 3 铁山水库用水调度缺陷分析2 3 3 3 1 铁山水库来水分析中的缺陷分析2 3 3 3 2 铁山水库灌区用水调度中的缺陷分析2 3 3 3 3 铁山水库水量分配中的缺陷分析2 3 第4 章水库调度决策方法在铁山水库的应用2 5 4 1 铁山水库用水调度决策问题分析2 5 4 1 1 铁山水库用水调度所涉及的主要决策问题2 5 4 1 2 决策问题之间的关系分析2 7 4 2 铁山水库水量预测2 7 4 3 铁山水库灌溉用水调度模糊优选3 5 4 4 铁山水库水量优化分配3 8 第5 章改善铁山水库用水调度管理的建议4 3 5 1 铁山水库用水调度管理建议4 4 5 2 多目标模糊决策方法在用水调度决策应用中应注意的问题4 6 第6 章结论与展望4 7 6 1 研究结论4 7 6 2 不足和展望4 7 参考文献4 9 附表1 桃林站1 9 5 8 - 2 0 0 7 年逐月降雨( 姗) 5 2 附表2 桃林站1 9 5 8 2 0 0 7 年逐月蒸发量( 瑚) 5 4 附表3 岳阳站历年蚋月最大风速、风向统计表( 1 9 5 2 t f - 1 9 8 0 年) 5 6 附表 附表 附表 附表 岳阳站1 9 6 3 - 1 9 9 3 年气温统计表5 8 铁山灌区1 9 5 8 - 2 0 0 7 历年月径流5 9 铁山水库坝址1 9 5 6 - 2 0 0 7 历年逐月迳流量( 亿m 3 ) 6 1 铁山灌区1 9 5 8 - 2 0 0 7 历年综合灌溉定额( m 3 亩) 6 3 附表8 铁山水库1 9 8 2 - 2 0 0 7 历年逐月灌溉供水量( 万m 3 ) 6 5 致谢6 6 攻读学位期间主要研究成果6 7 水是人类社会发展的基础性自然资源、战略性经济资源和公共性社会资源， 水资源的可持续利用是实现经济社会可持续发展极为重要的保证，而合理用水 是实现水资源优化配置与水资源可持续利用的前提和关键【1 1 。建设节水型社会是 建设资源节约型和环境友好型社会的主要内容，也是发展循环经济，实现可持 续发展，全面落实科学发展观和建设社会主义和谐社会，促进人与自然和谐发 展的必然要求。 中国水资源总体上较为贫乏，且开发利用程度较低。在水资源的开发利用 过程中已经出现了许多不容忽视的问题，具体表现在：现有水利工程利用效率 低；工业和生活污水排放系数较高；农田灌溉排水措施不力，导致地下水位抬 升和土壤次生盐碱化和农田弃耕；灌溉定额偏高；用水结构不尽合理等【2 】。 制约水资源充分利用的另一个不利条件是水土资源空间匹配不好，可以说 在今后一定时期内，在水资源方面解决好用水的问题要比解决缺水的问题更显 迫切。因此，探索适合于水资源可持续开发利用模式，确保水资源开发利用的 最佳社会效益、经济效益和环境效益，这是水资源规划决策所面临的重大课题。 水资源规划决策过程异常复杂，在空间上需要协调地区与地区之间的矛盾， 在时间上需要考虑近期与长期利益冲突，此外，还要权衡部门之间的关系等。 它纵贯社会、经济、环境和水文学等诸多领域，涉及不同层次不同部门的决策 者，是一个典型的半结构化的多层次、多决策者和多目标的决策问题。单学科、 单决策者和单目标的决策模式对解决此类问题具有比较明显的局限性，而水资 源的调度正是多层次、多决策者、多目标的决策问题，因此需要用更好的决策 模式来解决水资源的调度问题。 1 2 研究的目的和意义 水库作为我国国民经济基础建设的重要组成部分，为维护我国社会稳定， 保证人民生命财产安全，促进社会经济可持续发展提供了重要的保障条件。 由于水库的来水具有随机性，目前还不能对其进行准确的长期预报。在来 水未知的条件下，如何使用水库中存蓄的水量是水库实际运行中必须解决的问 硕士学位论文 第1 章绪论 题。水库调度就是在来水难以预知的情况下，使已建水库达到安全、经济运行， 充分发挥综合效益的措施。 水库调度决策是一个极其复杂的过程，其复杂性主要包括：( 1 ) 天然入流 的随机性；( 2 ) 人为因素的复杂性；( 3 ) 决策过程的动态性；( 4 ) 水利工程功 能的多重性；( 5 ) 调度决策的实时性；( 6 ) 数学模型、求解技术的局限性。所 有这些因素使得水库调度决策问题呈现出明显的半结构化或非结构化特征。 国际上以水资源系统分析为手段，水资源合理配置为目的的实践研究，最 初起源于2 0 世纪4 0 年代m a s s e 提出的水库优化调度问题；而灌区用水除了需 要考虑水资源配置外，还涉及土壤学、灌溉排水工程学、运筹学等多学科以及 知识获取、数据可视化、高性能计算等综合技术，影响因素众多，决策问题复 杂。 中国大陆特定的地理条件及受季风和热带气旋的影响，水旱灾害频繁。洪 水灾害主要集中在黄河、长江、淮河、海河、松花江、辽河和珠江7 大江河的 中下游平原地区。这些平原的地面高程处于江河洪水位以下，主要依靠堤防等 防洪工程保护。由于中国江河堤防绝大多数是在历史遗留的民堤基础上逐步加 高而成的，加上投入不足，大部分没有进行系统建设，防洪标准偏低。非工程 措施是工程措施的重要补充，通过对各种防汛信息的采集和分析处理，及时正 确地实施指挥调度，同样可以取得明显的防灾减灾效果。因此，为减少灾害损 失，在加强工程措施的同时，采取非工程措施，建设和强化水库用水调度管理， 是关系到国民经济持续发展和人民生命财产安全的一项战略性任务。 岳阳市位于洞庭湖区，水资源总量相对丰富，但大部分是客水。全市水资 源人均拥有量只有1 9 3 7 m 3 ，低于全省平均水平，接近全国平均水平。随着经济 的不断发展，人口的不断增加，土地利用的不断开发，对水的需求不断增加， 水资源问题日益突出。节约用水，提高水的利用效率，是缓解岳阳市缺水矛盾 的一项有效措施。如何在有限的的资源条件下，尽最大的可能合理分配水资源 是当前我们迫切需要解决的问题，为了实现这一目标，就必须对现在水库调度 用水情况进行改进。 铁山供水工程是1 9 8 2 年建成投入运行的湘北地区最大的水利工程，整个工 程由水库、枢纽、灌区和城市供水四部分组成，具有防洪、拦砂、城镇供水、 农业灌溉和水产养殖等综合功能，是岳阳市经济社会发展的重要基础工作、基 础设施和基础产业。水库集雨面积4 9 3 平方公里，总库容6 3 5 亿立方米，有效 库容3 8 3 亿立方米，承担着岳阳市区、岳阳县城等地城乡居民生活用水，及全 市l 5 耕地面积的灌溉任务。随着城市供水需求逐增，加之连年干旱少雨，铁山 2 硕士学位论文 第1 章绪论 水库水量逐年减少，同时因多方原因，水质保护面临困难。 本文旨在根据铁山水库现有用水调度中面临的问题，用多目标模糊决策方 法解决铁山水库对水资源的预测，如何合理利水库水资源和对水库资源进行最 好的分配。从而承担起整个岳阳市城市供水的重担，并在日益减少的水资源的 情况下，找到一个科学合理的方法来保证整个铁山水库的正常运转，为全市的 城市供水和灌溉用水提供保障。 1 3 国内外研究现状 水库的优化调度研究在国外已有很长的历史。1 9 5 5 年，美国的l i t t l e 提出了 水电系统随机动态规划调度模型，对水库优化调度问题进行了研究，从而标志 着用系统科学的方法研究水库优化调度的开始【3 1 。在水库优化调度中，所采用的 方法主要有动态规划法，s l o b o - d a m ，h a s a n 等进行了水库风险调度研究1 4 j ， p h i l b r i c k 等进行了水库调度确定性优化的局限性研究 5 1 ，c h a n d r a m o u l i 等利用动 态规划和神经网络进行水库群建模研列6 1 ，t e e g a v a r a p u 等提出了基于模拟退火法 的水库系统调度优化方法1 7 ，等等。 在我国，水库优化调度研究相对起步较晚，2 0 世纪7 0 年代开始一些科研机 构、大专院校、设计与运行等单位，应用随机序列理论，按动态规划原理研究 水电站水库优化调度但比较深入的研究是近2 0 年才开始的。2 0 世纪8 0 年代以 来，许多单位和研究学者用不同的理论和方法对水库优化调度进行了研究，开 辟了水库优化调度的新局面，无论在理论上、方法上、实践上均取得了一定的 成效。 国内外常用的研究方法及应用： ( 1 ) 分解筛选法：这个一个解线型规划( l p ) 问题的一般方法。j 它指出： “分解筛选法的思路和理论基础在于：如果线性规划问题非空和有界，则最 优解必在其约束凸集的某一角点或边界上；最优解所在之角点或相切之边 界，其对应的起控制作用的诸约束条件必须恰恰满足，从而具有等式约束的特 性，而可用这样的等式，通过消去法使问题连续降维；当把一个n 维的l p 问题分解为n 个一维子问题后，就可以利用约束超平面在各子问题坐标轴上的 截点的概念，求得这些子问题各自独立的“最优解 称初优解z 初i 然后选出此n 个初优解中最大者( 对求最大化问题而言) z 初m a x 。可以证明此最大初优解所 对应的子问题和约束方程，就指出了全系统最优角点所通过的那一约束。一旦 找出了这种约束，就可如中所述的使问题连续降维，上述步骤可重复进行， 3 硕士学位论文 第1 章绪论 直至问题降为一维，或筛选完了全部m 个约束，至此最后解便立即回代可得。静 对于一个n 维m 个约束的l p 问题，若有最优解，则其最优基可行解中必最 多。这种方法能简化求解步骤。 ( 2 ) 动态规划法( d p ) 动态规划法是美国数学家贝尔曼提出的，是一种研究多阶段决策过程的数 学方法。近年来广泛应用于水资源规划管理领域中。它是解决多阶段决策过程 最优化的一种数学方法，产生于5 0 年代，其中确定性动态规划的研究开始于 6 0 年代 对于d p 模型，用网格法就可以得到优化调度结果。由于动态规划约束限 于状态空间和决策空间，故可以减少工作量，但是，状态空间和决策空间约 束在优化过程中又会引起“维数灾，因此当d p 用于多库调节时，此问题显得 尤为突出。 1 9 8 2 年张勇传等将变向探索法引入动态规划中，并研究了在水库优化调度 中的应用【9 】；施熙灿等研究了考虑保证率约束的马氏决策规划在水电站水库优化 调度中的应用问题，建立了马氏决策规划模型。 ( 3 ) 逐步优化算法( p o a ) 为了克服d p 的“维数灾 ，h r h o w s o n 和n gf s a n d o 在1 9 7 5 年提出 p o a 算法，该算法将多阶段问题分解为多个两阶段问题，每次都只对多阶段决 策中的两个阶段的决策进行优化调整，将上次优化结果作为下次优化的初始条 件，如此逐时段进行，反复循环，直至收敛。 p o a 法不需把状态变量离散，故占用内存少，速度快，计算精度较高。p o a 法对单库求解非常方便，但水库数目增加时，收敛速度大大降低，占用计算机 内存随之增加。0 0 1 ( 4 ) 大系统分解协调法 大系统分解概念最早是由d a n t z i g 和w r o l r e ( 1 9 6 0 年) 在处理大型线性规划 问题时提出的。7 0 年代初，m e s a r o v i c 提出了大系统递阶控制理论，其基本思 路是将复杂的大系统分解为若干个简单的子系统，以实现子系统局部最优化， 再根据大系统的总任务和总目标，使各子系统相互协调配合，实现全局最优化。 该理论为处理复杂的大系统开辟了广阔前景。【l l 】 大系统方法可以把水库群分解成单一水库求解，易于求解水库群问题， 这时仅需增加较少的协调因子。0 2 1 1 9 8 6 年马光文和颜竹丘利用大系统递阶控制原理和方法，以水电站群保证 出力最大为准则，供水期出力相等作为关联，应用关联平衡法进行分解，通过 4 硕士学位论文 第1 章绪论 上下级反复协调迭代来求原问题的最优解；谢新民和周之豪( 1 9 9 4 ) 研究和提 出一种基于大系统理论和传统动态规划技术的水电站水库群优化调度模型与改 进目标协调法，有效地克服了动态规划的“维数灾”问题【1 3 】；谢新民和陈守煜等 ( 1 9 9 5 ) 利用大系统理论、模糊数学规划理论和动态规划技术，研制出一种水 电站水库群模糊优化调度模型与目标协调模糊规划法，该模型可以充分地考虑 人的知识、经验和决策过程中所存在的模糊性因素对水库调度的影响，并较好 地解决了大规模水库群优化调度计算问题【1 4 】。 1 4 本课题的研究思路 论文针对水库用水调度决策的群决策性，在用水调度多目标半结构性决策 理论的基础上，将对水库用水调度模糊群决策方法进行研究。将在对多目标决 策和模糊决策的研究成果分别梳理的基础上，采用层层推进的研究思路，首先 阐述多目标决策问题研究的理论基础；进而根据实际，利用多目标的基本概念 建立基于模糊多目标群体决策问题求解模型；最后通过铁山水库调度用水的实 例验证其可行性。具体的研究路径如图卜l 所示： 铁山水库现状分析 调度管理决策方法不足 多目标模糊决策方法及其在铁山水库调度 图1 - 1 论文的研究思路图 5 改进铁山水库用水管理 硕士学位论文第1 章绪论 1 5 论文的主要内容和结构 论文主要内容和结构安排如下： 第1 章：概述，主要介绍课题研究的背景、意义及研究思路； 第2 章：对水库调度决策理论与方法介绍，对多目标优化调度、模糊决策 和多目标模糊决策基础进行了扼要阐述； 第3 章：对铁山水库情况进行介绍，并对现有调度用水现状分析，找出不 足之处和形成的原因； 第4 章：给出多目标模糊决策在铁山水库的应用前景，并建立优化调度模 型，应用实例验证论文中的方法和模型。 第5 章：对铁山水库用水调度管理改善的建议。 第6 章：结论与展望 6 硕士学位论文第2 章水库用水调度决策理论与方法 第2 章水库用水调度决策理论与方法 2 1 水库用水调度概述 水库用水调度是水库工程管理的主要环节之一。其内容包括：拟定水库用 水调度方式、编制水库用水调度计划及确定各项控制运用指标、进行面临时段 的实时调度等。它是运用水库的调蓄能力，按来水蓄水实况和水文预报，有计 划地对入库径流进行蓄泄。在保证工程安全的前提下，根据水库承担任务的主 次，按照综合利用水资源的原则进行调度，以达到防洪、兴利的目的，最大限 度地满足国民经济各部门的需要。 水库用水调度原则是：按设计确定的综合利用目标、任务、参数、指标及 有关运用原则，在确保水库工作安全的前提下，充分发挥水库最大的综合效益 水库用水调度的理论与方法是随着2 0 世纪初水库和水电站的大量兴建而逐 步发展起来的，并逐步实现了综合利用水库群的水库调度。在调度方法上，1 9 2 6 年苏联a a 莫洛佐夫提出水电站水库调配调节的概念，并逐步发展形成了水库 调度图。这种图至今仍被广泛应用。5 0 年代以来，由于现代应用数学、径流调 节理论、电子计算机技术的迅速发展，使得以最大经济效益为目标的水库优化 调度理论得到迅速发展与应用。随着各种水库调度自动化系统的建立，使水库 实时调度达到了较高的水平。中国自5 0 年代以来，水库用水调度工作随着大规 模水利建设而逐步发展。目前，大中型水库比较普遍地编制了年度调度计划， 有的还编制了较完善的水库调度规程，研究和拟定了适合本水库的调度方式， 逐步由单一目标的调度走向综合利用调度，由单独水库调度开始向水库群调度 方向发展，考虑水情预报进行的水库预报调度也有不少实践经验，使水库效益 得到进一步发挥。对多沙河流上的水库，为使其能延长使用年限而采取的水沙 调度方式已经取得了成果。由于水库的大量兴建，对于水库优化调度也在理论 与实践上作了探讨。 水库用水调度方式：为满足既定的防洪、兴利任务和要求而拟定的具体蓄 泄规划。它是使水库能安全地、经济地运行的关键。 ( 1 ) 防洪调度方式：可分为水库对下游无防洪任务和有防洪任务两类。前 者只需解决大坝安全渡汛问题，一般采取库水位达到一定高程后即敞泄的调度 方式；后者应统一考虑大坝安全渡汛及下游防洪安全，在调度中严格按照所用 的判别条件( 如防洪特征库水位、入库洪峰流量等) 决定水库的蓄泄量，在水 7 硕士学位论文第2 章水库用水调度决策理论与方法 库防洪标准以内按下游防洪要求调度，来水超过水库防洪标准，则以保大坝安 全为主进行调度。下游防洪调度方式一般有固定下泄量方式及补偿调节方式。 ( 2 ) 兴利调度方式：包括灌溉、发电、供水、航运等方面，一般要求尽量 提高需水期的供水量，常采用以实测入库径流资料为依据绘制的水库调度图进 行调度，以具体控制水库的供水量。调度图由调度线划分为若干个运行区，其 中主要包括：以保证正常供水为目标的保证运行区；以充分利用多余水量 扩大效益为目标的加大供水区；遇枯水年降低供水量幅度以尽量减少损失的 降低供水区。在运行中由库水位所在运行区决定水库的运行方式及供水量。对 于发电方面，除了尽可能减少弃水、充分利用水量以外，还要十分注意利用水 头的问题。 ( 3 ) 综合利用调度方式：承担防洪、兴利两种以上水利任务的水库的调度 方式，除了考虑以上所述防洪、兴利的调度方式之外，还要着重研究处理防洪 与兴利的结合及兴利各任务之间结合的问题。 2 2 水库用水调度相关理论及方法 2 2 1 多目标优化调度理论 在我们生活的各个领域，包括水利水电工程的规划设计、勘测、基础建设、 运行管理、技术改造和科学实验等中，经常需要对各种方案进行评价，以便作 出决策选出最好，最优秀的方案。而实际问题中，经常遇到的不只是一个目标而 是多个目标的问题，这就要求我们从多个目标来进行全面考虑作出综合评价以 便从中选出最优方案，这就是属于多目标优化或多目标决策问题。比如在进行 水利水电工程特别是大型工程的方案比较选择不仅要考虑工程所消耗的费用和 所获得的效益，而且要考虑不同方案的技术条件、施工条件、淹没损失、对环 境生态的影响，以及国防安全、政治社会因素等，作全面考虑和权衡。在这些 目标中，有些是可用经济指标衡量的，有些是难以公度的，有些甚至不能定量， 有些目标问还有相互矛盾的情况。总之，实际问题中常常需要对多个目标进行 全面综合评价才能对方案选择作出最后决策。 多目标优化问题在国外一般认为最早是在1 8 9 6 年由法国v p a r m o 从政治 经济学角度提出的。他把很多不可比的目标化成一个单目标最优。1 9 4 4 年v o n n e u m o n o 和m o r g e n s t e m 又从对策论角度提出多个决策者彼此互相有矛盾的多目 标决策问题。1 9 5 1 年t c k o o p m a n s 从生产和分配活动分析中提出多目标优化 问题，同年k n h n 和t u c k o 从数学规划角度提出向量极值问题，结出了一些基本 8 硕士学位论文 第2 章水库用水调度决策理论与方法 定理。到6 0 年化在国外当多目标公共投资问题更加普危在规划管理工作中频繁 遇到后，才促使多目标优化问题有较快的发民对它的研究得到越来越多的重视。 截止1 9 7 5 电m z e l e n y 初步作的文献总结就达5 0 0 多篇。1 9 7 2 年召开了第1 次 国际性多目标决策讨论抵此后召开过多次多目标问题会议。目前多目标优化问 题的研究十分活跃，但总的来说这一领域的研究和发展，为时还不长，从理论 上的探讨和实际方法的完善等许多问题都有待进一步研究。在我国，对多目标 优化问题也还缺少系统的研究。 2 2 2 多目标优化调度数学模型 用现代方法解决实际问题时，第一步就是建立数学模型。 为此首先需要确定出问题中所涉及的已知量，并设出未知量，也叫决策变量， 简称变量；然后按要求寻找所要求的目标函数及各量之间所满足的限制条件， 即约束函数。 根据水库用水调度问题，我们假设水库水资源存放在a 1 、a 2 、a m 个水 库中，各水库的存量分别为a l 、a 2 、a m ；并假设有b 1 、b 2 、b n 个 供水点，各供水点需要量分别为b 1 、b 2 、b n 。 一般的决策变量可取作n 维欧氏空间e n 重的一个点，即假设决策变量为 x = ( x l ，x 2 ，x 。) e n 目标函数，双目标最优化问题，有两个目标且都是决策变量的函数，因此一 般可假设有p 个目标且都是决策变量的函数，即假设目标函数为： ( f 。( x ) ，f 2 ( x ) ，f p ( x ) ) 7 其中t 表示转置。 约束条件，一般可假设有m 个不等式约束及1 个等式约束，即假设约束条件 为 g i ( x ) o ，i = l ，2 ，m h j ( ) 【) = o ，j = l ，2 ， ，l 如果所有目标都是求最小值，那么这时的多目标最优化问题便可用下式描 述： 9 硕士学位论文 第2 章水库用水调度决策理论与方法 m i n ( f , f x ) ，石( 曲，厶( 曲) r s j g ( 功o o = l ，2 ，肌) 【h i ( x ) = 0 ( 歹= 1 ，2 ，) 我们称为多目标最化问题的数学模型。 若记 ( 曲= ( z ( 功，六( 功，石( 曲厂 g ( 功= ( 蜀( 曲，岛( 功，g 历( 砷) r j i l ( 曲= ( 啊( 功，吃( 功，鸟( x ) ) r 尺= 工e ”山g ( x ) o ， ( 力= o 则上述模型可简记为 r a i nf ( x ) ( v p ) z r 当f - 1 时，( v p ) 就是通常的单目标规划。 任何一个多目标最优化问题总可以用( v p ) 来描述，因此我们称( v p ) 为 多目标最优化问题的保准数学模型。 2 2 3 多目标优化问题的解法 2 2 3 1 转化成一个单目标问题的解法 所谓转化成一个单目标问题的解法【1 5 】是指：首先，设法将原多目标规划( v p ) 转化成一个单目标规划；然后，再利用非线性规划的有关算法求解此单目标规 划，并把所求得的解作为( v p ) 的最优解。该方法的关键是，要保证所构造的 单目标规划的最优解是( v p ) 的人效解或弱有效解。 2 2 3 2 转化成多个单目标问题的解法 所谓转化成多个单目标问题的解法，顾名思义，就是设法原多目标问题( v p ) 在各种意义下，转化成有一定次序的多个单目标问题。然后分别求解这些单目 标问题，并把最后一个单目标问题的最优解就作为( v p ) 的最优解。当然，一 般地也要保证求得最优解是( v p ) 的有效解或弱有效解。【1 6 】 i o 硕士学位论文第2 章水库用水调度决策理论与方法 2 2 4 模糊决策理论概述 决策活动是我们进行判断或者选择的一种思维活动，过去人们大多是依靠 主观判断进行决策，这种决策缺乏科学性。从5 0 年代的系统工程发展开始，人 们从系统分析开始，运用最优化理论和方法，对系统来进行分析，很大程度上发 展了系统工程理论。但是经过实践的证明，由于系统具有复杂性，而现实的系 统又大多是复杂系统，因此很难完全用精确最优化模型解决。查德从实践中总 结出的互克性原理：“当系统的复杂性日趋增长时，我们作出系统特性的精确然 而有意义的描述的能力将相应降低。直至达到这样一个阅值，一旦超过它，精 确性和有意义性格变成两个几乎互相排斥的特性”。在以往的社会经济系统的决 策中常常会出现以下情况：为制定社会经济发展的区域性中长期规划，研究者 耗费了大量时间、物力、效力建立起复杂的最优化数学模型用大型高速计算 机得到模型的解。以此为根据编制的经济规划却难以执行而失去其实用价值【l 刀。 水库用水调度属多目标多属性多层次多阶段的复杂决策过程与自然、社会、 经济、生态环境等方面密切相关，同时又是不可重复的实时校正过程，可见调 度决策方案正确与否意义重大。 在实际调度用水中由于面临时刻上下游的水情、灌溉、供水、发电等状况 不同调度用水目标的侧重点也不同。为了协调各调度用水目标，需确定不同评 价指标的权重关系。目前按赋值形式不同可将权重分为主观权重和客观权重。 对于多目标决策而言主观权重体现了面临时刻决策者的意愿偏好，而客观权重 反映了方案集中具体数据对决策的贡献度。防洪调度决策研究中，陈守煜通过 模糊循环迭代寻求目标权向量初始解，以主观意向进行调整并引入模糊多级优 选模型寻求合理的主、客观权重及优选结果【1 8 】，王本德等通过引入权重折衷系 数建立模糊循环迭模型实现主观与客观权重相结合及方案排序【1 9 】。 2 2 4 1 模糊决策分析理论 假设系统有需要进行重要性比较的目标梨2 0 】 f、 ，= i a ，仍，j ( 2 1 ) n 为第i 个目标，忙1 ，2 ，m ，m 为目标总数。 研究目标集p 中的目标就是“重要性 进行二元对比的定性排序。 定义2 1 目标集中的目标后与尸，作二元对比，若： ( 1 ) 仇比p ，重要，则排序标度= l ，= o ； ( 2 ) n 与岛同样重要，令气= 0 5 ，：o 5 ； 堡主堂垡迨窒 第2 章水库用水调度决策理论与方法 _ _ - 一一：= = ：二! ：! ! ：! ：! ! ：兰= = ! = 三：! ! ：! ! 竺 ( 3 ) a k = l ，2 ， 定义2 2 满足： 比a 重要，令= 0 ，吃：1 。 ，m ；1 = 1 ，2 ，”，m 假设系统有目标集关于重要性的二元对比矩阵： 上=e兰iiiil三1=e参j， 。：2 ：， 那么我们将e 称之为目标集二元对比重要性排序标度矩阵。 定理2 1 目标集二元对比重要性排序标度矩阵e 为排序一致性标度矩阵的 充要条件为： 夕= h 竺：9 mk ) l 尾- 尾2 能- j ( 2 - 5 ) 1 2 、户j 值取中 0 毛 仉 叱 加 啪 舡 一 硕士学位论文 第2 章水库用水调度决策理论与方法 且满足条件： 0 磊ll 岛+ 色= 1 岛= o 5 ，f = 歹j ( 2 6 ) 那么我们称矩阵1 3 为重要性的有序二元比较矩阵，：o 为e i 标i 相对于j 关于 重要性作二顽强比较时，目标i 对于j 的重要性的模糊标度；为目桶相对于i 关于重要性作二顽强比较时，为目桶对于i 的重要性模糊标度；i ，j 为下标。 根据定义2 3 ，重要性有序二元比较矩阵1 3 的特点为：m x m 阶方阵，对角线 上元素的值均为0 5 。上三角中的元素值从对角线元素值0 5 开始，每列元素值自 上向下递减，每行元素值自左向右递增。因此，我们得出： o 5 = 属l 届2 层3 - - - ，, , 屈历l 0 5 = , a 2 2 , a s 3 屐f 反肼 1 0 5 = 屈3 屈f 屈。 p 3 ， 岛 ( 2 - 8 ) 由式( 2 7 ) 可见，表示二元对比重要性程度的两个模糊标度的边界值：0 5 与1 0 是对应着两个描述重要性程度的形容词；一样重要与无法比拟地重要。我 们使用的语言与文字中形容词是比较模糊的，是人们根据以往的经验来对事物 或者事件的二元比较的手段。为此可以给出关于模糊概念，1 1 个形容词级别：一 样、稍稍、略为、较为、明显、显著、十分、非常、极其、极端、无法比拟地 重要，在比较中语气是逐步加强的。因此可以在一样重要的模糊标度0 5 和无法 比较地重要的模糊标度1 0 之间，以线性变化的模糊标度值分别与不同级别的形 容词对应，列于表2 1 。 表2 - 1 语气算子与模糊标度、隶属度对应关系 语气算子一样稍稍 略为 较为 模糊标度值 o 5 0 0 5 2 50 5 50 5 7 50 6 00 6 2 5 o 6 50 6 7 5 隶属度值 1 0 0 9 0 50 8 1 80 7 3 90 6 6 70 6 00 5 3 8 0 4 8 1 语气算子明显显著 十分 非常 模糊标度值 o 7 0 0 7 2 50 7 50 7 7 50 8 0 0 8 2 50 8 50 8 7 5 隶属度值 0 4 2 9 0 3 7 90 3 3 3o 2 9 00 2 5 0 2 1 20 1 7 60 1 4 3 语气算子极其极端无法比拟 1 3 硕士学位论文第2 章水库用水调度决策理论与方法 i 模糊标度值 0 9 0 0 9 2 50 9 50 9 7 51 o i 隶属度值 0 1 1 l0 0 8 10 0 5 30 0 2 50 在调度用水中，语气算子也是一个较为重要的模糊点，如在天气气象预测 中，常常会出现对天气预测不确切的表达；在对经济形式的描述模糊等情况， 所以如何将模糊概念精确化，也是水库调度用水中值得考虑的一个方面。 在多目标模糊决策对于水库的应用中，梁国业、魏莉将多目标模糊决策应 用到水电站水库洪水调度中【2 1 】；张跃，彭全刚将多目标模糊决策应用到水库正常 蓄水位的选择中阎。 2 2 4 2 多目标系统模糊优选模型 优与劣这一对概念既有差异又共维( 这里的维是指价值) 且处于两极，具 有中介过渡性，是客观存在着的模糊概念，这是优选的模糊性，是事物在优与 劣识别过程中所呈现的一种客观属性【2 3 】。 在水库调度用水决策中，常常会出现用水调度的选择，如在多种需水情况 下，如何有取舍的进行供水；在供水量满足不了供水量的情况下，如何进行优 化选择，优先供应的问题。这就需要对水库调度用水的决策方案进行模糊优选。 王本德，张力将模糊优化调度用于综合利用水库洪水【2 4 1 ；谢秋菊、钱自立应 用灰色模糊综合评价方法优选水库正常蓄水位方案【2 5 】都是多目标系统模糊优选 模型在水库用水调度中的应用。 假设水库调度用水有q 个决策( 或方案) 组成的论域u ，其中有n 个决策满足 约束集形成决策集 d = d 1 ，d 2 ，d n 优选是在决策集d 中间来进行的，也就是在决策集d 中的n 个决策之间作出优 与劣的比较，而