流域综合运行管理决策支持系统的概念框架

1、流域综合运行管理决策支持系统的概念框架    流域综合运行管理决策支持系统的概念框架D.G.JAMIESON摘要在实践中，水资源运行操作系统通常只限于诸如水库群联合运用这样单一的构成。即使在这种情况下，对同一水资源的多目标利用会显著地增加系统的复杂性。例如，利用一个多用途水库进行供水和防洪时，其目标是要为了供水将水库尽可能地放满，而为了防洪又要将水库尽可能地排空。本文提出了对整个流域进行最终的实时、接近最优化控制的建议，涵盖了包括供水、水力发电、防洪和污水处理在内的多种利益。本文开始部分试图根据协调利益和竞争利益来阐述问题，最后作出结论：等级控制结构内的

2、”寻找满意而不是绝对最优化结果”的方法是比最优化控制更实用的建议。换句话说，为满足所有的利益，目标在于保持系统状态在一个可以接受的流量、水深和水质浓度等范围内，其中的目标函数为运行成本的最小化。如果预测系统状态将超出可接受的范围的话，特殊利益的目标函数将被优先考虑。例如，如果预计要发生洪水的话，洪水损失最小化将优先于运行成本最小化。用这种方法引入的接近最优化控制与全面最优化控制相近似，达到在应用中差别很小或没有差别的程度。1. 简介过去，水行政部门的分割意味着流域管理取决于相互独立的组织机构之间的协作。为了保护既得利益，不同的组织机构之间通常采取抽水许可证和污水排放许可证等形式来达成

3、事先的协议。虽然这种协作在正常的情况下运转得相当好，但在特殊的时候它们可能会在某种程度上成为障碍，特别是当对流域管理某一方面的援助将违反对另一方面的协议的时候。此外，由于不同的组织机构只对它们自己特定的方面负责，因此很难激励它们超出先前的约定来帮助 组织机构，不管这样可能带来多大的整体利益。通过水行政部门的合并以及流域综合管理的引入，至少可以在理论上采用一种更灵活的运行政策。它以达到多目标为基础，而不是单纯地依赖于事先定义的运行规则。但是，一个对系统状态的变化做出响应而不断更新的动态运行策略必然要比以事先设置的静态条件为基础的策略复杂，在后者中所有的相互作用都在法律结构内并入约束中。然而，考虑

4、了系统当前和将来预期状态的动态运行策略更有可能对突发事件做出适当的响应，更可能降低运行成本。本研究的目标如下： 区分协调利益和不协调利益来阐述流域运行管理的一般问题； 回顾当前可以利用的相关运行控制技术，并对将来可能的发展做出假设； 提出在综合管理的基础上对整个流域进行最终的实时运行管理的结构。虽然对该问题的看法不可避免地会显得有些流于表面，且有可能对许多实际困难没有表示应有的关注。但是，我们希望整体概念没有被这些缺点所掩盖，并且希望不管流域的特定结构如何，我们所提出的方法是能普遍适用的。2. 流域运行管理对本文来说，流域运行管理以其最广泛的观点来定义，

5、被认为包括与水资源分配、调度和控制有关或有影响的所有方面。1992年都柏林声明识别的水资源管理各方面的相互关系，在运行层次被认为不能明显地分离开来。因此，建立一个合理的控制策略的任何尝试都会很快地转变成冲突决议中的多方面运用。但是，限于篇幅起见，只能对河流的一般利用做以下的说明： 供水（城市、工业、农业等）； 污水处理（直接排放的污水、经过处理的污水等）； 水力发电（蓄积起来的水、河川径流等）； 航运（贸易运输、游览艇等）； 陆地排水（天然的、开凿运河的等）； 渔业（钓鱼、鱼类养殖等）； 冷却水（发电站、工业流程等）；

6、60;娱乐和生活福利。显然，为某一特定效益进行的流域管理可能会为某些另外的用途带来伴随效益，但也可能会跟 的方面发生冲突。然而，流域管理的组成部分可以粗略地分为利用和处理。利用包括供水、水力发电、航运、渔业、娱乐和生活福利；处理包括陆地排水、污水处理和冷却水。一般而言，每组内的共同性比两组之间的共同性要多些。例如，蓄水的效果对利用来说往往是有用的，而对处理来说却是问题。然而，即便是在同一组内，水资源不足的话，常常也会存在竞争，例如供水和水力发电。这些概括不能无限引申，因为水处理的一些方面可能刚好将带来正面的利益，例如只要废水被处理到了一个可接受的水平，废水处理后可用于下游供水。事实上，对协调性

7、考虑得越细，这种简单的分类就显得越不合适，因为适宜度不仅取决于特定的效益，还取决于系统的状态。3.目标过去对流域管理目标一旦形成，通常是必须保持法定职责或遵守法律约束。这样产生的运行目标是静态的，并且用低水平的技术就可实现。但是，如果不考虑系统的状态和预期变化，即使实现设置的运行规则再全面也不可能在每一方面都是“最优”的。认识到当前所使用方法的不足，需考虑提高实时控制程序的方法，而通常只是在小尺度上并在局部范围。不幸的是，由常识可知，不同的利益在流域管理中有不同的性能评价标准。虽然对管理抽水蓄能水库来说运行成本最小化是一个合适的目标，但它可能对减轻洪灾来说不是很合适，后者的目标可能是洪灾损失的

8、最小化。至少这两种目标还有一个类似的基础，即成本最小化，然而如娱乐和生活福利的 活动甚至不能用经济手段来衡量。记住明确描述目标函数的困难性，对整个流域讲“最优”运行程序可能是很不恰当的。可以采用“寻找满意而不是绝对最优化结果”的方法来代替，在该方法中倘若系统状态对每个利益来说都是在事先确定的边界之内的话，它就被看作是满意的。这些边界可以用流速、水深、硝酸盐水平、溶解氧等的最大值和最小值来指定，它们定义了“可接受的范围”。当满足加在系统状态上的要求的时候，如果系统状态处于可接受的范围内的话，那么运行成本最小化就可以成为普遍的目标。但是如果某个特殊的边界约束已经或将要被破坏的话，该利益特定的目标函

9、数将占据优先位置。例如，如果洪水即将来临（对陆地排水的上限流量约束将被破坏），那么洪灾损失最小化这样的减轻洪灾的目标将优先于运行成本最小化的目标。如果河道水深不能满足航运需要（对航运的下限约束）的话，供水可能要利用蓄水或使用某种替代水资源，哪怕这样做的花费更大。只有当多于一组的约束可能同时被破坏的情况下（例如航运水深不足且没有替代的供水资源），才必须指派优先权。当然，在这个概念里并没有什么新的东西：它只是将直观上认为该做的事情形式化。以上的情况存在一种单纯将以前手工完成的工作计算机化的危险。然而利用现代的管理技术，这些程序几乎都可以得到改进。4.运行程序对一种更灵活的能对系统状态的变化做出动态

10、响应的运行策略来说，首要的事情显然是定义当前状态，这是因为将状态发生的变化和执行的反馈之间的延迟减到最小是很重要的，因此我们认为监督控制和数据获取（SCADA）网络是必需的。根据考虑的流域管理的不同方面，可以通过河道水位、流速、地下水水位、水库水位、泄洪闸设置、降雨量、水质浓度等来衡量系统的当前状态。询问频率将取决于特定变量的响应特性（例如地下水水位相对于河道流量等来说需要较少的询问频率）类似地，要求的测量精度同样也是特定变量及其响应时间的函数。考虑到定义哪怕是一种特定活动状态所需信息的复杂性和数量，假定个人能够吸收、消化并使用所有输入数据是不切实际的。管理人员最多能密切关注许多的关键变量并在

11、很大程度上忽略 的变量。基于这个或 的原因，我们期望将来的控制方案能比现在有更高的自动化控制程度。这并不一定意味着用计算机来取代人工。相反，我们的意图是要提高管理人员使用决策支持系统（DSS）的能力。管理人员的任务将是监视控制过程并做出操作上的决定计算机的任务是要在SCADA网络进行下一次扫描后重复整个过程之前，建立系统的当前状态、对将来做出预测、帮助做出决策并执行控制指令。用控制工程的术语来说，我们的意图是要将流域运行管理处理成一个“前馈式控制系统”。也就是说，通过预测的将来的系统状态而不是已知的当前状态来做出决策。由于不能假设能做出完美无缺的预测，控制程序内必须有起自校正作用的能力，作为补

12、偿因为预测中无法避免的错误而做出决策的手段。这些预测程序通常以确定性模型位基础，用降雨和/或上游流量作为首要的指示变量。使用的模拟模型传统上是基于过程的模型的改编，这些模型中的算法目的在于具有物理的现实意义，从某种意义上来说它们试图模拟真实的系统。对确定性模型来说基本上有两种主要的选择。在直接方法中，流动/扩散的微分方程是本身被近似（通常被线性化），而在系统方法中，代之以等价算子来做为真是过程的近似系统方法的优点是稳定性好（没有定义不好的方程所存在的不稳定问题），而直接方法对问题的阐述更好。此外如果时间为不变量，先前估计的模型参数假设为常数的话，两种方法特别是直接方法计算起来会很冗长且尤其不适

13、合实时应用。为了提高这些模型的预测能力，已经做了各种尝试。这通常涉及到重新建立模型中部分内容的结构使得模型更复杂。可是对运行管理的目的来说，需要的是对将来事件的可靠预测而不是对涉及到的过程的详细理解。因此，当更新预测的时候，要考虑的是如卡门滤波这样的技术，它包含在包括回归参数估计在内的 技术中，这样可以补偿预测值与实际值之间的误差。在流域管理中简单的运行决策是很少见的，最优化的决策更是稀罕。当前，这种或那种形式的动态编程可能仍然是最常被大家所建议的用于实时应用的决策机制。然而，与 最优化控制技术共同的是，实际中能被考虑的问题的规模可能限制在一个独立的子系统上，如联合运用的水库群或一系列的河流控

14、制堰。到目前为止，普遍的控制程序还只是在类型相对较少的子系统上尝试，且没有一个针对包含大量子系统的整个流域即便假设所有的子系统都以最优化方式运行，也不能推出结论说整个系统是被最优化控制的。 假设对可预测的未来来说，接近最优化控制的任何事物都局限在个别的子系统中，那么试图管理整个流域就存在明显的问题。但是，如果子系统控制程序能够适应满足由一个更普遍的将流域视为整体的控制策略所施加的目标（事先设置的目标）的话，这就有可能为整个系统的最优化控制提供的足够的近似。从策略层次来说，可通过延时控制系统来为每个子系统生成事先设置的目标，从而协调它们的活动。这显然是一个计算上很苛求的问题，特别是当要

15、运用一些最优化的形式的时候。然而，以一种更有效的可做为最优化过程的一部分的形式来获取基于计算机程序的模拟模型中的知识库的技术是可行的。此后，在策略层次上决定怎样最好地实时完成这些目标地任务就交给每个子系统控制程序来完成了。显然，将整个系统分解成相互独立的子系统使得综合管理基础上的流域运行管理变成了一个更容易处理的问题。我们的目标将是设计只需最小限度的修改即可在整个区域上使用的计算软件包，而不是重复地在不同的地点为同样类型的子系统开发类似的控制程序。最初的想法是认为这些程序可用于操作有确定目标的单个子系统。然而，如果这些程序如计划的那样，是在共同的结构下开发出来的话，这就保留了在稍后时间接着将它们连到整体控制策略上的选择，从而引入了综合运行管理。5.结论 应该说，大多数的水行政运行控制方案在几年以前还是零散的方案。方法上很少甚至根本没有一致性，更不用说硬件、软件甚至通讯协议上的兼容性了。每个控制系统开发商使用的都是它自己认为方便的东西。遥感只是被用来单纯地做为获取数据地手段而