（水利水电工程专业论文）灰理论在水库优化调度中的应用研究.pdf

摘要 摘要 随着社会经济的发展，水库在防洪兴利中的地位和作用越来越突出，建立水 库防洪与兴利调度系统，合理科学地运用工程与非工程措施，最大限度地发挥水 库的防洪兴利综合效益，是水库防洪、兴利管理及水资源保护工作的重要任务。 在水库发电优化调度中，由于调度是在难以准确预知未来径流的情况下进行 的，径流变化过程相当复杂，很难准确的描述。从径流描述上划分，一般可分为 确定型和随机型两种。随着预报手段的提高，径流预报的精度比以前有了较大提 高，如何充分利用预报值成了调度工作者的一个新问题。论文借用区间数的可能 度排序公式进行区间灰数的比较，建立了灰色动态规划方法，以解决水库调度中 来水的不确定性问题。特别预报数据为一确切的实数时，灰色动态规划模型就退 化为普通的动态规划方法。在此基础上，结合径流预报不断更新的实际情况，建 立了预报调度模型。通过构造径流预报的灰度公式，分析了径流预报的灰度对灰 色动态规划方法结果的影响：预报精度越高，调度过程线越接近理想过程线。 在综合利用水库的防洪调度中，为了能在确保水库安全的前提下，最大限度 的满足各职能部门对水库供水的要求，必须以多个目标进行评价分析并给出最优 决策方案。论文以灰色系统的灰关联决策为理论基础，考虑权重变化的各种组合， 建立基于随机赋权法的灰决策调度模型，并通过m o n t e - c a r l o 模拟分析权重的变 化对优选结果的影响。对于梯级水库群的防洪调度决策，以水库的调度方案为决 策，以一场洪水的泄流过程作为状态，由阶段递推矩阵合成梯级水库群系统的目 标矩阵，利用基于随机赋权法的灰决策调度模型实现方案优选，并将该模型应用 于乌江流域。 论文的结尾部分对所取得的成果进行了扼要总结，并提出今后进一步研究的 方向。 关键词：水库调度；灰色动态规划； 可能度；灰色关联度；随机赋权法； m o n t o - c a r l o 模拟 a b s t r a e t a l o n g 】l r i l l lt h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m y , t h er o l eo fr e s e r v o i r si n f l o o dc o n t r o la n dc o n s e r v a t i o ni sm o r t ea n dm o r ei m p o r t a n t i t sa ni m p o r l a n tt a s kt o e s t a b l i s hr e s e r v o i rf l o o dc o n t r o la n dc o n s e r v a t i o no p e r a t i n gs y s t e mi nr e s e r v o i rf l o o d c o n t r o l ，e o m a w a t i o nm a n a g e m e n ta n dw a t e rl r e s o l l l w 嚣p r o t e c t i o nt od e v e l o p i n gw a t e r l r e l l r c e sb yu s i n go f p r o j e c ta n dn o n - p r o j e c tm e 锄g l l l e h lt h eo p t i m a lm o d e lf o rh y d r o p o w c rs t a t i o i lt h er l m o f fi i lt h ef u t u r ei st o o c o m p l e xt od e s e r i p ta c c u r a t e l y , i ti sg e n e r a l l yd e s c r i b e di n t od e t e r m i n i s t i ca n dt h e s t o c h a s t i cp a t t e r n a l o n gw i t i it h ea c e t t r a e ye t l r o ri n c r e a s i n go ft h ef o r e c a s tm e t h o d r l t l i i o f ff o r e c a s tp r e c i s i o nc o m p a r e dt ob e f o r eh a v er a i s e dg r e a t l y , h o wt of u l l yu s i n g t h ef o r e c a s tv a i u eh a sb e c o m ean e wq u e s t i o n al l l e wm o d e li sb u i i tb yc o m b i n e dt h e d y n a m i cp r o g r a m m i n gm e t h o dw i t l lt h eg r e ys y s t e mt h e o r y t os o l v et h eg r e yn u m b e r e o m p a r i s o np r o b l e mw i t ht h ee s t a b l i s h m e n tt h ep o s s i b i l i t yd e g r e ef o r m u l al 塔e di nt h e i n t e r v a ln u m b e r s p a r t i e u l a r l y t h eg r e yd y , a m i ep r o g r a m m i n gw i l lb e c o m eo r d i n a r y d y n a m i cp r o g r a m m i n gw h i l er u n o f ff o r e c a s ti sac e r t a i nr e a ln u m b e r b a s e do nt h e l l n o d e l t h ef o r e c a s ts c h e d u l i n gm o d e lh a se s t a b l i s h e dc o n s i d e r i n gw i t ht h er u n o 行 f o r e c a s tf e l l o w st t n e e a s i n g ly t h r o u 吐t os l r u e t u r er 1 1 n o f ff o r e c a s t sg r a d a t i o nf o r m u l a , 伍ep a p e rh a sa n a l y z e dt h ei n f l u e n c eb c t w e e l lt h er u n o f ff o r e c a s ta 6 ：c i i t a c ya n dt h e r e s u l to ft h eg r e yd y n a m i cp r o f a m m i n gm e t h o d t h ef o r e c a s tp r e c i s i o nm o l e a c e t t r a e y , t h es c h e d u l i n gp r o c e s sl i n em o i r ee l o s e dt ot h ei d e a lp r o c e s sl i n e i no r d 盯t og u a r a n t e e st h er e s e r v o i rs e e u f i t y , a n dt os a t i s f yv a r i o u sr e q u e s t st ot h e r e s e l v o i r , am u l t i p u r p o s ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e lf o rr e s e r v o i rs c h e d u l i n gi s p r e s e n t e d i nt h em o d e l a l it h ei n d i c a t o r s 蛳q u a n t i f i e du n i f o r m l ya n dt h es t o c h a s t i c w e i g h ta s s i g n m e n tm e t h o di su s e dt od e t e r m i n et h ev a l u co fw e i g h t t h e n , c o m b i n e d w j t hm o t i t e - c a r l os i m u l a t i o n , i tc a l la n a l y z et h ee f f e c t so fc h a n g e so fw e i g h t so n e v a l u a t i o nr e s u l t st oe n h a n c et h ea p p l i c a b i l i t yo ft h em e t h o d i nt h er e s e r v o i r sf l o o d c o n t r o l ，m u l t i o b j e c t i v ec a s c a d er e s e r v o i r s h a sb e e n d e v e l o p e d o p e r a t i o n a l t e r n a t i v ei sc h o s e na sd e e i s i o i lv a r i a b l ev e c t o r , a n do u t f l o wp r o c e s sa ss t a t eo n e t h e o p t i m a lo p e r a t i o nd e c i s i o n sa r co b t a i n e db yg r e yr e l a t i o n a ld e e i s i o n f i n a l l y , t h e r a t i o n a l i t ya n de f f e c t i v e l yo ft h em o d e li si l l u s t r a t e db vac a s eo ff l o o do p e r a t i o nf o r w u i a n gd r a i n a g ea l r e a a tt h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o n , c o n c l u s i o n sa n dr e s e a r c ht e n d e n c yi nt h ef i e l do f c a s c a d er e s e r v o i r si ss u m m a r i z e db r i e f l y k e yw o r d s ：r e s e r v o i ro p e r a t i o n ；g r e yd y n a m i cp r o g r a m m i n g ；p o s s i b i l i t yd e g r e e ； g r e yr e l a t i o n a lg r a d e ； s t o c h a s t i cw e i g h t a s s i g n m e n tm e t h o d ； m o n t e - c a r l o s i r e u l a t i o n 前占 前言 随着社会经济的发展，水库在防洪兴利中的地位和作用越来越突出。在过去几 十年里，优化理论、方法及其在水库调度中的应用研究取得了很大的进展。国内 外关于水库优化调度的研究成果很多。目前水库调度中常采用的优化方法有线性 规划、非线性规划、整数规划、动态规划、网络技术、两时段滑动寻优和大系统 分解协调方法等。随着模糊数学和神经网络等新兴数学的发展，先后出现了模糊 动态规划法、基于动态规划的神经网络模型等新方法。 我国大规模的系统科学研究比西方国家滞后2 0 多年，系统科学研究的热潮出 现在上个世纪7 0 年代中后期，系统科学研究和系统工程方法、技术广泛应用于各 个科学领域，取得了很多重要的成果，这为系统科学新学科在我国的产生提供了 适宜的土壤和条件，灰色系统理论正是在这样的大环境下产生并得到迅速发展的。 灰色系统理论是我国著名学者邓聚龙教授1 9 8 2 年创立的一门新兴学科，二十多年 来，灰色系统理论不仅在理论上迅速发展，而且在社会、经济、工程、决策等领 域得到日益广泛的实际应用。目前，灰色理论在水库调度运行管理中应用较少， 主要内容为径流预测、工程规模和特征水位的选择。在短期水电站调度中，台湾 学者梁瑞勋通过多年调度的历史资料。采用聚类灰色相关分析获得了短期水电站 调度中的初始次优解；若考虑模型参数的不确定性，也可直接采用灰色线性规划 进行短期水电调度问题的求解。 论文在前人研究基础上。将灰色理论运用到水库优化调度中来，在发电优化 调度方面，借用区间数的可能度排序公式，建立水库预报调度的灰色动态模型； 在防洪优化调度方面，在灰色关联分析的基础上，采用随机赋权法对水库( 水库 群) 调度方案进行决策优选。本文研究工作及主要创新成果如下： ( 1 ) 在水库调度研究中，将灰色理论的思想融入到业已成熟的动态规划方法 中，利用关于区间比较的可能度公式，定义区间灰数比较的可能度公式，通过建 立可能度矩阵来解决区问灰数的比较问题，并在此基础上提出了灰色动态规划方 法，以解决水库调度中来水的不确定性问题。特别当预报数据为一确切的实数时， 灰色动态规划方法就退化为普通的动态规划方法。 ( 2 ) 在灰色动态规划方法基础上，结合径流预报不断更新的实际情况建立了 预报调度模型。以乌江渡水库为计算实例，对比灰色动态规划方法、预报调度模 型与确定型动态规划方法这三种调度方法的结果，对这三者的调度结果进了对比 分析，结果表明预报调度模型由于及时更新数据，充分利用了已知信息，比灰色 动态规划方法更接近最优解( 确定型动态规划方法) 。 ( 3 ) 论文借鉴灰理论中的典型白化权函数构造了径流预报的灰度公式，分析 了径流预报的灰度对灰色动态规划方法结果的影响。灰色动态规划方法和基于灰 色动态规划方法的预报调度模型都依赖于径流预报，预报精度越高，调度过程线 越接近理想过程线。研究成果表明了灰理论的灰度及信息含量在水库优化调度中 作用：灰度越小，信息含量越高，调度结果越接近最优解。 ( 4 ) 综合利用水库需要最大限度地满足各职能部门对水库供水的要求。在实际 调度决策中，决策者很难准确地给每个调度目标赋权，只能给出权重的大概区间 范围，为此在确定权重时可以采用区间数代替点估计值，在灰关联决策的基础上， 考虑权重变化的各种组合，建立基于随机赋权法的灰决策调度模型，并通过 m o n t e - c a r l o 模拟分析权重的变化对优选结果的影响。针对梯级水库群防洪系统多 阶段、多目标、多指标的实际情况，将梯级水库群分为n 个阶段，以泄流过程为 状态，以水库的调度方案为决策，在基于随机赋权法的灰决策调度模型的基础上， 用灰决策理论和技术推求梯级水库群防洪调度的决策方案，从而实现优化调度。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个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。与我一同工作的同事对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不 实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ；墨之 鸩二一够年3 月工7 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：墨之鸪 p 。踔5 月l 7 日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着社会经济的发展，水库在防洪兴利中的地位和作用越来越突出。对于综合 利用水库来说，调度的根本目的就是要按照既定的水利任务，在确保工程安全的 前提下，统筹防洪、灌溉、发电、航运、给水及环境等各部门对水量、库水位、 水质的要求，协调矛盾，合理分配，尽可能地利用水文气象预报，充分利用库容 和各种设备的能力，正确合理地安排蓄水、泄水和用水，尽量减少无益弃水和水 头损失，在防洪和兴利方面发挥最大的综合效益。随着水库调度决策所考虑的因 素不断增多，传统的常规调度已经不能满足人们的要求，水库调度已经进入了优 化调度阶段。优化调度是指在已知系统结构类型( 水电站及其水库) ，系统其它 组成单元的功能、任务、参数、特性等原始数据和各种信息的约束条件下，为满 足国民经济各有关部门和社会的要求，按运行调度基本原则，利用一定优化理论 方法和技术，制定和实现对水资源的优化利用和控制方式即寻求系统和水电站 及其水库的最优运行调度方式、最优策略、最优决策。 水库调度可分为常规调度和优化调度两类。常规调度简单直观，但调度结果不 一定最优。优化调度是近5 0 多年来发展的较快的水库调度方法，尤其是对水电站 水库，不需要增加额外的投资就可取得相当大的效益，是挖掘水电站水库潜力的 有效手段实行水库优化调度应解决两个问题：一是如何建立水库优化调度数学 模型；二是如何选择求解这种数学模型的最优化方法。前者包括确定目标函数和 相应的约束条件；后者最优化方法主要有线性规划、非线性规划、整数规划、动 态规划、网络技术和大系统分解协调等。 我国大规模的系统科学研究比西方国家滞后2 0 多年，系统科学研究的热潮出 现在上个世纪7 0 年代中后期，系统科学研究和系统工程方法、技术广泛应用于各 个科学领域，取得了很多重要的成果，这为系统科学新学科在我国的产生提供了 适宜的土壤和条件，灰色系统理论正是在这样的大环境下产生并得到迅速发展的。 灰色系统理论是我国著名学者邓聚龙教授1 9 8 2 年创立的一门新兴学科，二十多年 第一章绪论 来，灰色系统理论不仅在理论上迅速发展，而且在社会、经济、工程、决策等领 域也得到了日益广泛的实际应用。目前，灰色理论在水资源规划管理中的应用主 要是利用灰色预测进行径流预报、灰色决策进行决策分析。而将灰色系统理论应 用到水库优化调度的研究较少，论文将尝试进行这方面的研究工作。 1 2 国内外研究现状 国内外关于水库优化调度的研究成果很多。归纳起来，水库优化调度按研究对 象分为单库调度、具有水力联系的梯级水库群调度、具有电力联系的电力系统水 库群调度：按目标函数分，可分为单目标和多目标两类；根据对径流描述的不同， 又可分为确定型、随机型及隐随机型方法：从时问上划分，可分为中长期( 年、 月、旬) 调度、短期( 周、日、时) 调度。由此可见，水库优化调度涉及的数学 基础较广，包括概率统计、运筹学、大系统分析、多目标理论、网络理论、人工 神经网络以及模糊数学等诸多领域。 1 2 1 发电调度 ( 1 ) 国外研究状况 水库调度问题最早可追溯到哈桑的水库调度径流计算累积曲线法和莫罗佐夫 关于调配调节概念的水库调度图。水库优化调度的研究在国外有很长的历史。美 国人m a s e s 于1 9 4 6 年将优化概念引入到水库调度中来i “。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模型，对水库优化调度进行研究，从而标志着用系 统学科的方法研究水库优化调度的开始【2 1 。 线性规划是水库优化调度中最早、最简单、应用最广泛的一种规划方法。这种 方法处理高维问题的能力较强，不需要初始决策，结果收敛于全局最优解、计算 速度快。w i n d s o r ( 1 9 7 3 ) 最早进行了水库群方面的线性规划研烈引，主要有适用 于目标函数和约束高非线性、菲凸集性的二元规划、整数规划、混合整数规划等 线性模型。但是线性规划要求目标函数和约束条件必须是线性的，这就需要对目 标函数及约束条件进行线性化处理，可能会造成与实际问题有较大的偏差 1 9 6 0 年h o w a r d 的动态规划与马尔柯夫过程为马氏决策规划模型奠定了基 础。上世纪7 0 年代初，国外陆续发表的研究成果表明单一水库优化调度的马氏决 2 第一章绪论 策规划模型已趋成熟。对于确定来水情况下的水库优化调度。y o u n g 在h a l l 、h o w c d 和r o o f s 等人研究的基础上。应用动态规划方法研究了单一水库的最优控制问题 1 4 1 5 l 【6 1 。在此基础上。k i r k 、j a c o b s o n 和m a y n e 、t a n u r a 和h a l k i n 等将极大值原理 和微分动态规划方法引入到水库优化调度q b r l i s l i g 。 动态规划可以把复杂的问题划分为若干个阶段的子问题，逐段求解，可以较好 地反映径流实际情况。一些比较复杂的系统如水电站水库群常常有若干个状态变 量，随着状态变量数目的增加，每阶段各状态的组合数目成指数关系增加，因而 要求计算机的存储量显著增加，使动态规划方法的应用受到计算机存储量和计算 时间的限制，通常称为“维数灾”。c r o l e y 、p u t e r m a n 等的研究表明维数问题是多 库优化调度中最大障碍，简单的减少状态数以减少计算工作量或者不能找到最优 解或者结果脱离实际【1 0 】【i l 】。针对动态规划的维数灾问题，学者们提出了大量的改 进措施，主要包括粗网格内插计算，联系逐次逼近动态规划( d p s a ) 、增量动态 规划( i d p ) 以及离散微分动态规划法( d d d p ) ，逐步优化算法( p o a ) 等。粗 网格内插技术主要是为了减轻离散点的大计算量带给内存使用紧张的问题。这种 方法首先由b e l l m a n ( 1 9 5 7 ) 提出【1 2 1 。j o h n s o n 等人( 1 9 9 3 ) 利用分段多项式函数 使内插方法更加成剃嘲。虽然这种方法减轻了维数问题，但还不能完全克服这个 问题。b e l l m a n 和d r e y f u s ( 1 9 6 2 ) 首先提出了逐次逼近方法( d p s a ) 0 4 1 。这种方 法一段时间优化一个状态变量，其它状态变量保持原有值，将多维问题转化为一 系列的一维问题。动态规划逐次逼近方法及其扩展方法( 如将增量和逐次逼近相 结合的增量动态规划逐次逼近方法) 已经运用到很多库群系统。增量动态规划首 先由l a r s o n ( 1 9 6 8 ) 提出【闱。j a g o b s o n 和m a y n e ( 1 9 7 0 ) 首先提出了微分动态规 划方法，利用解析解法而不是离散状态空间来解决动态规划的维数灾问题【8 l 。随后， h c i d a r i 等( 1 9 7 1 ) 提出了离散微分动态规划【1 6 】。加拿大学者h r h o w s o n 和 n g f s a n c h o ( 1 9 7 5 ) 提出了逐步优化算法，用于求解多状态动态规划问题，优点 是状态变量不必离散，因而可以收敛于全局最优解【1 7 1 。 针对随机动态规划的“维数灾”问题，h a l l ( 1 9 7 0 ) 提出了将所有水库群聚合 成一个等价的单库。t u r g e o n ( 1 9 8 0 ) 利用这个办法，将随机动态规划应用到大型 水电站库科。k a f d m o u z 等( 1 9 9 2 ) 提出了一个贝叶斯随机动态规划( b s d p ) f 1 9 1 ， 由于把随机动态规划应用于库群调度比确定性动态规划增加了状态的维数，因此 较少将随机动态规划应用于库群调度。 3 第一章绪论 线性规划和动态规划理论上比较成熟完善，在水库优化调度中得到了广泛的应 用，非动态规划方法作为数学规划的重要分支之一，在水库优化调度中也得到了 一定的重视。如逐次线性规划( s l p ) 、逐次二次规划( s q p ) 、增量拉格朗日方 法、广义梯度下降法( g r g ) 等。b a r r o s 等( 2 0 0 3 ) 把逐次线性规划方法应用于 b r a z i l i a n 水电站，研究表明了该方法的精确性和计算的效率性 2 0 l 。为了避免大规 模二次闯题由于时问间隔划分而产生的计算时间长的问题，p e n g 和b u m s ( 2 0 0 0 ) 把隐随机方案的广义梯度下降算法应用于美国缅因州5 个上游水库1 2 ”。 启发式规划方法通常能得到全局最优解。c i n e i r a 等( 1 9 9 7 ) 使用遗传算法( g a ) 生成了水库群系统的调度规则1 2 2 1 。c h a n d r a m o d i 和r a m a n ( 2 0 0 1 ) 利用动态规划 和神经网络进行水库群建模研究嘲。t e e g a v a r a p u 等( 2 0 0 2 ) 提出了基于模拟退火 法的水库系统优化调度方法t 州。模糊优化调度理论的发展历史虽然不长，但在水 电站水库群的优化调度中也得到了许多应用。s u 和h s u 根据模糊理论，在短期水 火电联调中用成员函数来评价目标函数、负荷需求和旋转备用限制，并通过模糊 集相交，构成了一个模糊动态规划的多阶段决策过程闭；d l l i l i o n 等人考虑负荷和 来水的随机特性，采用权重系数法获得了多目标的非劣解集，然后采用模糊决策 的方法获得了短期水火电站联调的满意解i 硐。r u s e l l 、s a m u e l 等认为：水库调度研 究之所以较少付诸实践，原因之一是实施者不愿意使用复杂的优化模型，而模颧 逻辑易于理解，所以模糊优化是有前途的，但只能作为其它优化技术的补充，而 非替代叨。 ( 2 ) 国内研究状况 国内关于水库优化调度的研究和应用始于上世纪6 0 年代。1 9 6 0 年9 月由当时 的中国科学院和水科院联合编译了运筹学在水文水利计算中的应用。1 9 6 0 年， 吴沧浦首次在国内提出了年调节水库的最优d p 模型嗍；1 9 6 3 年，谭维炎、黄守 信等根据动态规划与m 盯k o v 过程理论，建立了一个长期调节水电站水库的优化调 度模型，并在狮子滩水库的优化调度中得到应用 2 9 1 ；从上世纪7 0 年代末到8 0 年 代中期，单库优化调度的理论研究和实际应用取得了较大的发展。1 9 7 9 年，张勇 传、熊斯毅等采用可变方向搜索法，引进了罚函数，从而进一步提高了调度图的 可靠性p o l ；在同一时期，董子敖等人在研究刘家峡水电站水库优化调度时，提出 了国民经济效益最大的目标函数。在寻优技术方面采用了满足保证率要求的改 4 第一章绪论 变约束法，以控制破坏深度【3 1 】；1 9 8 2 年，旌熙灿、林翔岳等提出了保证率约束下 的m a r k o v 决策规划模型p 2 】：1 9 8 3 年，张勇传、傅昭阳等人提出了建立在对策论 基础上的水库优化调度图1 3 3 l ：1 9 8 6 年，李寿声、彭世彰等针对多种水源分配的水 库最优引水量问题，建立了一个非线性规划模型和多维动态规划模型1 3 4 1 ；同年， 张玉新、冯尚友提出了一个多维决策的多目标动态规划模型，以多目标中某一目 标为基本目标，将其它目标作为状态变量处理，因此，随着维数的增加，计算工 作量必然也随之增加【3 5 1 ；为了克服这一问题，1 9 8 8 年，张玉新、冯尚友针对综合 剩用水库，建立了多目标动态规划迭代法的求解方法，通过构造一个三级段函数 来提高计算效率嗍。在水库优化调度中，一般把入库水量过程看作确定性的或随 机性的，但事实上水文气象具有一定的模糊性。1 9 8 3 年，吴信益把模糊数学引入 到水库优化调度中来 3 7 1 ，1 9 8 8 年，陈守煜提出多目标、多阶段模糊优选模型的基 本原理和解法，把动态规划和模糊优选有机的结合起来【3 9 1 ；同年，陈守煜、赵英 琪提出了系统层次分析模糊优选模型，为水库模糊优化调度的研究奠定了理论基 础1 3 9 1 。1 9 9 5 年贺北方、涂龙将径流过程的随机描述与模糊动态规划方法相结合， 建立了水库优化调度的随机系统模糊动态模型( s f d p m ) 1 4 0 i ；1 9 9 6 年，马光文、 王黎等将人工智能浮点表示遗传算法( f p ) 用于求解水电站优化调度问题，它的 主要优点在于状态和控制变量不必离散化，所需内存少，编程简单，它为克服水 库群优化运行“维数灾”问题提供了一条新途径【4 1 】；1 9 9 7 年，马光文、王黎将从 遗传算法多个初始点开始寻优，沿多路径搜索实现全局最优【4 2 l ；同年。魏强、张 勇传等提出了径流a r ( p ) 模型条件下的r b s i 法嘲；2 0 0 1 年，金菊良等设计了 简单遗传算法的改进形式，即加速遗传算法( a g a ) 4 4 1 。 随着水电能源的开发，水库群成为常见的水利水电系统，水库群从水力联系上 一般分为串联、并联和混联三种形式。水库群优化是以单一水库优化调度理论和 方法为基础的，伴随着国家各大流域开发的逐步完成，我国在水库群方面的研究 成果也很多。 国内关于水库群优化调度的研究始于上世纪8 0 年代初。谭维炎等在研究四j | i 水电站水库群优化调度图和计算方法时，提出了考虑保证率约束的优化调度图的 递推计算方法 4 5 1 ；1 9 8 1 年，张勇传利用大系统分解协调的观点，对两并联水电站 水库的联合优化调度问题进行了研究，先进行单库优化调度，然后在两水库单库 最优策略的基础上引入偏优损失最小作为目标函数，对单库最优策略协调求得总 5 第一章绪论 体最优陶；1 9 8 2 年，熊斯毅、邴风山根据系统分析思想，提出水库群优化调度的 偏离损失系数法：采用m a r k o v 描述径流过程，偏离系统通过逐时段求解最优递推 方程求得的，能反应面临时段效益和余留期影响，形式简单，使用方便，理论上 也比较完善嗣；同年，叶秉如提出了并联水电站水库群年最优调度的动态分析法， 该法以古典优化法为基础，结合递推增优计算，在闽北水电站水库群的模拟计算 中增发6 6 的发电量【艟1 ；1 9 8 3 年，鲁子林将网络分析中最小费用算法用于并联水 库群的优化调度计算 4 9 1 ；1 9 8 8 年，胡振鹏、冯尚友提出了动态大系统多目标递阶 分析的分解一聚合方法，将库群多年运行的整体优化问题分解为按时间划分的一 系列子系统，在各子系统优化的基础上，将各库提出的年内运行策略聚合成上一 级系统，并由聚合模型描述和确定水库群的多年运行过程和策略【5 0 i ，这种分解一 协调一聚合方法与一般方法相比较，简化了系统复杂性，减少计算工作量、避免 维数灾的特点，可直接应用到不同模型求解子系统，但收敛性差，即使收敛，也 需要较长的计算时间：1 9 8 9 年，董子敖提出的计入径流在时间、空间相关关系的 多目标多层次优化数学模型t ”1 ；1 9 9 0 年，张勇传等提出了水库群优化调度的效益 统计迭代( r b s i ) 法 5 2 1 ；同年，陈洋波、陈惠源开展了水电站库群隐随机优化调 度函数的研烈5 3 】；1 9 9 8 年，李爱玲针对黄河上游梯级水电站群的兴利优化调度问 题进行研究，对这一多阶段非线性随机决策问题，应用迭代方法求解【5 4 l ；1 9 9 9 年， 刘鑫卿和钟琦给出了水库群发电优化调度随机统计迭代算法，通过计算最优余留 效益函数，得出最优调度函数，其最优性与随机动态规划方法相同【5 5 】；2 0 0 0 年， 梅亚东、朱教新提出了黄河上游水电站短期优化调度模型及迭代解法【蚓：同年， 王仁权等建立了梯级水电站群用水最小模型，利用p o a 有效分配各水电站的负荷， 为大规模水电站水库群优化调度提供了例证旧；毛睿等提出了基于并行分布式计 算技术的高性能计算方法进行库群优化调度的方法来解决“维数灾”问题，结果 大大优于常规调度，并缩短了整个计算决策时间 5 8 j ；2 0 0 3 年，宗航等给出了p o a 算法在梯级水电站短期优化调度的应用及结果，并指出了进一步的研究方向【5 9 l 。 其它系统理论应用到水库优化调度中的有：1 9 9 5 年，谢新民、陈守煜等建立 水电站水库群模糊优化调度模型，提出了一种目标协调一模糊规划( i b - - f p ) 法； 同年，胡铁松、万永华等提出了水库群优化调度函数的人工神经网络方法 6 t 1 ；1 9 9 6 年，马光文、王黎将遗传算法应用到水库群优化调度中阻】；1 9 9 8 年，杨侃、陈雷 把多目标分层捧序网络分析模型拓展到多目标梯级水电站调度的网络分析中，提 6 第一章绪论 出了梯级水电站群多目标网络分析模型嘲。粒子群优化算法( p s o ) 是基于群体的演 化算法，其思想来源于人工生命和演化计算理论。2 0 0 6 年，杨道辉等人将粒子群 优化算法应用到水库优化调度中畔l ；2 0 0 7 年，张双虎等人针对p s o 算法的约束处 理机制，提出了一种改进的自适应粒子群优化算法( m o d i f i e da d a p t i v ep s o 简称 m a p s o ) ，并将其应用到水电站优化调度e o t 6 s j 。 1 2 2 防洪调度 防洪的目的是设法防治、消除或减缓洪灾损失，保护人民生命财产，促进工农 业生产发展，取得生态环境和社会经济的良性循环。防洪系统通常由工程措施和 非工程措施组成，这两类措施的合理配置，相互协调，就构成了近代完整的防洪 系统。工程措施包括一切防洪的工程建筑，它们可以单独承担或与其它工程配合 共同承担防洪任务；非工程措施是指通过有计划的开发和管理，从法律和行政两 方面对洪泛区进行控制，改变对洪灾的敏感程度，减少洪灾损失。 ， ( 1 ) 国外研究状况 防洪调度研究，国外始于2 0 世纪初， 的方法，即通过防洪控制图来进行操作。 初期的防洪调度主要是半经验、半理论 并综合考虑前期的水文气象因素对预留 库容的影响。随着科技的进步，在2 0 世纪5 0 年代末，将优化理论引入到防洪调 度中，随着遥感、遥测、电算技术在水库调度领域的应用，极大地推动了水库的 运行管理工作。在上世纪7 0 、8 0 年代，由于系统理论的发展，水库调度的研究成 果也极为丰富，特别是库群联合防洪调度。水库群系统防洪联合调度，就是对流 域内一组相互间具有水文、水力、水利联系的水库及相关工程措施( 如堤防、滞 洪区、分蓄洪区等) 进行统一的调度，使整个流域的洪灾损失达到最小。到了9 0 年代后期，国外开始注重于工程措施和非工程措施相结合的防洪系统研究。 水库防洪调度分为常规方法和系统分析方法。常规方法以调度准则为依据，利 用径流调节理论和水能计算方法，并借助于水库的抗洪能力图、防洪调度图等经 验性图表实施防洪调度操作，是一种半经验半理论的水库调度方法。该方法考虑 了前期一些水文气象因子对预留防洪库容的影响，并对预泄、错峰和补偿调度等 具有一定的指导价值，是目前普遍采用的一种水库防洪调度方法。常规方法简单 7 第一章绪论 直观，便于操作，但存在着经验性且不能考虑预报，调度结果也不一定是最优的， 所以一般只适用于中小型水库群的防洪联合调度。 随着系统工程的迅速发展与广泛应用，系统分析方法被引入到水库群防洪联合 调度研究中来。该方法是以建立水库群防洪联合调度系统的目标函数，确定其满 足的约束条件，并用最优化方法求解，从而使目标函数取得极值的水库控制运用 方法。经常采用的有模拟模型法、优化法等。 国外在模拟方法上研究较多 6 6 【6 n 6 s ，国外最早的模拟模型始于2 0 世纪5 0 年 代初，美国陆军工程师兵团用计算机模拟了密西西比河支流上6 座水库的联合调 度。美国垦务局在7 0 年代研制的科罗拉多模拟系统( c o l o r d or i v e rs i m u l a t i o n s y s t e m ) ，模拟了该流域内大型水库的供水、防洪、发电调度，还考虑了盐的浓缩 同题。之后，该模型不断更新换代。1 9 7 3 年，南非的w i n d s o r 最早提出了以线性 规划方法解决水库群防洪调度问题，他将洪峰一损失费用函数之间的非线性关系 进行线性处理，但该模型没有考虑预泄、分级调洪等调度原则和预报误差、洪水 传播历时及变形等影响因烈叫，之后，w i n d s o r 做了部分改进【7 0 1 ；1 9 7 6 年，s c h u l t z 对某并联水库群建立了一个动态规划模型，以下游削峰最大为目标，不需要洪水 资料，但只适用于各支流洪水同时发生的情况【7 i 】；1 9 8 3 年，美国学者s a w a s i m i 将时间离散的线性二次高斯控制模型( l q g ) 应用于d e sm o i n e sr i v e rb a s i n 库群 防洪控制的日调度，寻求水库系统的运行策略，由于该模型在洪水预报和水库调 度等方面都进行了较多的简化，适用于中等洪水，对大洪水应用效果不太理想圈； 1 9 8 9 年，s i m o n o v i c 、s a v i c 研制了水库管理调度智能决策支持系统，包含了1 1 个 分析模块，使用了线性规划、动态规划、非线性规划和模拟方法u 3 ；1 9 9 0 年，o l e a y iu n v e r 和l a n y wm a y s 基于非线性规划理论和洪水验算理论，提出了一种实时调 度优化模型及其算法。该模型较好的解决了调洪验算的精确性与水库群调度的维 数灾【7 4 】：1 9 9 2 年，为了解决维数灾问题，v a l d e s 、s t r z e p e k 提出了由随机动态规划 方法和线性规划组成的多库系统时空聚集一解集方法【7 习；同年m o h a n 、r a i p u r e 对 印度包含五个水库的流域建立了一个线性多目标模型，以约束法求优化泄水方案 r 7 q ；1 9 9 4 年，v a s f l i a d i s 、k a l a n l o u z 对所谓驱动随机动态规划方法和贝叶斯决策理 论进行了探讨p 7 l ：2 0 0 0 年，n e e d h a m 等将混合整数规划方法应用于l o w aa n dd e s m o i n sr i v e r 的防洪调度时，指出做随机评价时可能会耗费过多的计算时间f 7 叼，由 于该方法计算效率低，因此很难在隐随机优化中应用：2 0 0 2 年，s h i m 等将d p s a 3 第一章绪论 应用于朝鲜汉江流域的实时洪水控制调厨7 9 1 ；b e c k o r 运用约束法研究了一个多目 标水库群的优化决策问剧则；r a m a n 和c h a n d r d m o u l i ( 1 9 9 6 ) 利用人工神经网络 ( a n n ) 求解初始库容、入流和需水量已知的水库优化泄流原则，比较了动态规 划、随机动态规划、标准调度策略等方法，结论是动态规划方法较优，在d p 中结 合a n n 性能最好i s ”。 此外，自从2 0 世纪7 0 年代决策支持系统( d s s ) 产生以来，国外开发了许多 用于水情数据处理与洪水预报、水资源规划和管理、水环境管理和控制、防洪调 度、水电站水库运行调度以及水利工程管理等方面的决策支持系统。1 9 9 5 年，f o r d 和k i l l e n 针对t e i n i t y r i v e r b a s i n 提出了洪水调度决策支持系统 s z l ；a h m a d 设计的 洪水管理智能决策支持系统，该决策支持系统采用神经网络进行洪水预测，利用 专家系统选择最佳洪水减灾方案，还可以建立洪水控制模型并进行经济评价1 8 3 】； 随着g i s 等空间数据技术的发展，2 0 0 2 年，k y u - c h e o u ls h i m 等提出了流域综合实 时多目标多库群系统的空间决策支持系统( s d s s ) ，并应用于韩国的汉江流域模拟 1 9 9 5 年洪水，结果表明s d s s 产生的综合洪水调度策略，在保证洪水季节后有足 够用水量的同时，大大减轻了下游的洪水影响嗣。 ( 2 ) 国内研究状况 我国地处季风气候区，雨水的时空分布不均匀，特殊的地理条件和气候区导致 了我国洪涝灾害十分频繁。因此，如何合理的利用现有的水利工程进行防洪调度。 减少洪涝灾害损失。从而最大限度地利用水利工程的防洪能力具有重要的意义。 在单库防洪调度方面，1 9 8 3 年，鲁子林等应用增量动态规划，并结合短期洪 水预报模型，实施了富春江水电站的优化调度，获得了平均每年增发电能2 4 7 0 万 k w 稳的效甜明；1 9 8 6 年，王厥谋等对汉江中下游洪水进行最优控制，建立了丹江 口水库防洪优化调度模型，目标函数为各种控制目标的罚函数之和，最优策略的 求解方法采用线性规划法【嘲； 模拟方法是通过模拟系统实际情况建立一个模型，作为实际物理系统的缩体来 预测一定条件下( 入流、调度规则等) 该系统的响应( 调蓄水位、下泄流量等) 。 从8 0 年代开始，袁宏源、马文正等人利用模拟技术建立了一些调度模型，以短时 段为计算时段，并以长系列的历时资料进行模拟计算，大大提高了计算精度。1 9 9 7 9 第一章绪论 年，谢柳青等对某水库群系统的调度提出了逐级优化模拟复合法，计算结果与动 态规划法的结果十分接近隅7 l 。 优化方法则是通过一组决策变量的值使得目标函数在约束条件下达到最优值。 1 9 9 0 年，许自达用线性规划方法求解了并联水库群联合调度i 竭；同年，李文家等 根据下游超过防洪标准洪水最小准则，建立了三门峡一陆浑一故县三水库联合防 御下游洪水的动态规划模型帮l ；1 9 9 1 年，吴保生等提出了并联防洪系统优化调度 的多阶段算法，以时间向后截取的防洪控制点峰值最小为目标