水庫(kù)群多目標(biāo)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)管理決策支持系統(tǒng)研究

張 培，紀(jì)昌明，張驗(yàn)科，吳月秋，李克飛(.華北電力大學(xué)可再生能源學(xué)院，北京 006；.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，鄭州 450003)

近年來(lái)，各大流域機(jī)構(gòu)的調(diào)度管理部門(mén)，為了確保在增加水庫(kù)群的整體利用效益的同時(shí)降低不必要的災(zāi)害損失，其調(diào)度方式變得越來(lái)越靈活，針對(duì)不確定性情況下的調(diào)度進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析也逐漸受到重視[1-3]。隨著我國(guó)水電開(kāi)發(fā)積極有序的推進(jìn)，水庫(kù)群調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)管理工作必將成為流域綜合管理的必然發(fā)展趨勢(shì)。水庫(kù)群多目標(biāo)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)管理分析決策支持系統(tǒng)(Risk Management Decision Support System for Multi-objective Reservoirs Operation，MRO-RMDSS)作為一項(xiàng)十分重要的非工程措施，一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，許多學(xué)者在這一方面開(kāi)展了相關(guān)理論研究和軟件開(kāi)發(fā)工作[4,5]，但目前仍處于探索階段，主要研究?jī)?nèi)容多側(cè)重于針對(duì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行理論分析，大型復(fù)雜流域的MRO-RMDSS在實(shí)際應(yīng)用中并不多見(jiàn)。

1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的目的

多目標(biāo)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)管理就是要在風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與估計(jì)的基礎(chǔ)上探求相應(yīng)的調(diào)控模式和決策方法，以便通過(guò)合理運(yùn)用工程與非工程措施，獲取工程的綜合利用效益，減免災(zāi)害的損失。這是一個(gè)復(fù)雜的涉及多數(shù)據(jù)、多目標(biāo)、多約束、多模型的系統(tǒng)工程問(wèn)題，要求運(yùn)行管理人員具有較強(qiáng)的編程技術(shù)及豐富的水電站水庫(kù)群調(diào)度管理經(jīng)驗(yàn)。而在實(shí)際運(yùn)行中，不同模型采用的編程語(yǔ)言也各不相同，這就造成了在模型調(diào)用過(guò)程中存在數(shù)據(jù)交互困難、可移植性差、調(diào)控性弱，可靠性低的問(wèn)題。

為改變這種多目標(biāo)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)管理決策支持手段不足的局面，本文以Delphi為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，結(jié)合Matlab和C++等編程語(yǔ)言，在重點(diǎn)研發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)管理模型庫(kù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建包含數(shù)據(jù)信息采集、模型調(diào)度仿真、風(fēng)險(xiǎn)管理、專家會(huì)商等功能的大型流域水庫(kù)群MRO-RMDSS，以提高決策的及時(shí)性、科學(xué)性，達(dá)到為水庫(kù)群多目標(biāo)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)管理決策提供多層次、高精度的信息服務(wù)和多種決策支持手段的目的。

2 系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

MRO-RMDSS主要支持在水庫(kù)群多目標(biāo)調(diào)度的要求下，針對(duì)水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行中的主要風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行水庫(kù)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)管理決策業(yè)務(wù)。根據(jù)MDRM-RDSS的開(kāi)發(fā)目的，系統(tǒng)的總體邏輯結(jié)構(gòu)采用三庫(kù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(如圖1)，即以數(shù)據(jù)庫(kù)、模型庫(kù)和知識(shí)庫(kù)為系統(tǒng)提供技術(shù)支撐，通過(guò)總控程序構(gòu)成MRO-RMDSS的運(yùn)行環(huán)境，再通過(guò)簡(jiǎn)潔友好的人機(jī)交互界面有效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各部分功能。

(1)人機(jī)交互界面。用戶界面主要用來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入和結(jié)果顯示，風(fēng)險(xiǎn)管理決策者可以通過(guò)計(jì)算機(jī)終端判斷該項(xiàng)調(diào)度決策對(duì)結(jié)果的影響程度。

(2)模型庫(kù)。模型庫(kù)是由一系列水庫(kù)群多目標(biāo)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)管理模型組成，主要包括徑流預(yù)報(bào)模型，徑流隨機(jī)模擬模型、多目標(biāo)調(diào)度模型、多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型、多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與決策模型等。操作者可以在模型庫(kù)系統(tǒng)下對(duì)模型進(jìn)行查詢、調(diào)用、修改和存儲(chǔ)。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，模型庫(kù)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)提出數(shù)據(jù)需求，進(jìn)行模型計(jì)算并將運(yùn)行結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各部分功能。

(3)知識(shí)庫(kù)。知識(shí)庫(kù)主要是水庫(kù)群多目標(biāo)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)管理方面的經(jīng)驗(yàn)、常識(shí)和專家知識(shí)的集合。在系統(tǒng)執(zhí)行過(guò)程中，通過(guò)知識(shí)庫(kù)與模型庫(kù)的交流，有助于選擇最合適的模型進(jìn)行計(jì)算；同時(shí)，知識(shí)庫(kù)還可以為對(duì)計(jì)算得到的結(jié)果數(shù)據(jù)提供專家知識(shí)，幫助決策者決策。

(4)數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)包含實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、模型數(shù)據(jù)庫(kù)和綜合數(shù)據(jù)庫(kù)。在系統(tǒng)運(yùn)行中，數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)接口程序?yàn)槟Ｐ蛶?kù)提供模型運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)，并將模型計(jì)算的結(jié)果以特定的數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)入數(shù)據(jù)庫(kù)以供查詢或備用。數(shù)據(jù)庫(kù)還負(fù)責(zé)存儲(chǔ)多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)管理所需的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括與多目標(biāo)水庫(kù)調(diào)度信息系統(tǒng)交互的數(shù)據(jù)、預(yù)定義的數(shù)據(jù)以及多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)分析模型計(jì)算過(guò)程所需保存的緩存數(shù)據(jù)等。

圖1 MRO-RMDSS的框架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The framework structure of MRO-RMDSS

2.2 系統(tǒng)的主要功能設(shè)計(jì)

MRO-RMDSS的主要功能是：通過(guò)及時(shí)、準(zhǔn)確地完成各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的查詢與處理；運(yùn)用專業(yè)的數(shù)學(xué)模型及時(shí)、準(zhǔn)確地作出多目標(biāo)調(diào)度方案，并進(jìn)行多目標(biāo)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)分析，選擇最佳的多目標(biāo)調(diào)度方案；通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)嵌的調(diào)度預(yù)案選擇、調(diào)度仿真、防洪興利調(diào)度會(huì)商等功能模塊，為多目標(biāo)調(diào)度與決策指揮提供全方位的決策支持和現(xiàn)代化的管理手段。MRO-RMDSS的業(yè)務(wù)流程圖如圖2所示。

MRO-RMDSS從功能上可分為信息接收處理與查詢、業(yè)務(wù)分析處理、會(huì)商決策支持3個(gè)層次。

(1)信息接收處理與查詢。主要包括系統(tǒng)應(yīng)用層數(shù)據(jù)的接收與處理，信息服務(wù)與數(shù)據(jù)的查詢管理。為提高決策管理者的工作效率及辦公自動(dòng)化程度，系統(tǒng)提供各種公共信息和水調(diào)業(yè)務(wù)查詢、各類報(bào)表生成、打印等功能。

圖2 MRO-RMDSS業(yè)務(wù)流程圖Fig.2 The business process diagram of MRO-RMDSS

(2)業(yè)務(wù)分析處理。面對(duì)復(fù)雜的多目標(biāo)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)管理決策問(wèn)題，決策管理人員需要通過(guò)徑流預(yù)報(bào)、多目標(biāo)調(diào)度、多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等制定相應(yīng)的對(duì)策。通過(guò)系統(tǒng)的功能層，決策者通過(guò)調(diào)用適當(dāng)?shù)哪Ｐ停軌虻玫剿畮?kù)調(diào)度過(guò)程中面臨的風(fēng)險(xiǎn)與效益的關(guān)系，系統(tǒng)將計(jì)算結(jié)果快速的以表格、報(bào)表和圖形的形式做可視化顯示，為調(diào)度管理人員做出合理的決策提供必要的調(diào)度方案和信息。

(3)會(huì)商決策支持。會(huì)商決策支持能夠體現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的綜合功能。梯級(jí)水庫(kù)多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度是一個(gè)綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與決策問(wèn)題，有效的解決該問(wèn)題對(duì)獲得水資源的最佳利用效益具有重要的指導(dǎo)意義。系統(tǒng)能夠以數(shù)據(jù)表格的形式方便直觀的顯示出多目標(biāo)模型的非劣解集，并能在會(huì)商時(shí)為決策者提供可視化極強(qiáng)的輔助會(huì)商工具，可通過(guò)電子會(huì)議等遠(yuǎn)程技術(shù)手段為群體決策或異地會(huì)商提供支持，以方便決策者進(jìn)行評(píng)價(jià)，選出最優(yōu)調(diào)度方案。

2.3 系統(tǒng)混合編程的關(guān)鍵接口技術(shù)

Delphi 擁有一個(gè)可視化的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，具有簡(jiǎn)單、易操作的特點(diǎn)，以其做為MRO-RMDSS的主要開(kāi)發(fā)平臺(tái)。借助Matlab強(qiáng)大的運(yùn)算能力及其在函數(shù)繪制、數(shù)據(jù)圖像表達(dá)方面的優(yōu)勢(shì)，采用Matlab對(duì)預(yù)報(bào)模型、徑流隨機(jī)模擬模型、風(fēng)險(xiǎn)因子估計(jì)和多目標(biāo)決策模型進(jìn)行編程計(jì)算。而水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度由于其多目標(biāo)、多約束的特性，則采用具有較快運(yùn)行速度的C++對(duì)其進(jìn)行編程計(jì)算。Matlab可以直接調(diào)用C、C++，也可以將編寫(xiě)的C、C++程序?qū)氲組atlab函數(shù)庫(kù)中方便以后調(diào)用。利用Matlab COM Bulider 將Matlab函數(shù)文件轉(zhuǎn)化為COM組件，即可在Delphi程序中調(diào)用該組件。

3 系統(tǒng)建設(shè)實(shí)例應(yīng)用

雅礱江下游河段是目前雅礱江干流水電開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)河段，其中由錦屏一級(jí)(錦西)、錦屏二級(jí)(錦東)、官地水電站自上而下構(gòu)成的“錦官電源組”梯級(jí)水電站群是雅礱江流域的大型水利樞紐，承擔(dān)著防洪、發(fā)電、生態(tài)保護(hù)等綜合利用任務(wù)。以中長(zhǎng)期調(diào)度為例，在對(duì)錦官電源組進(jìn)行多目標(biāo)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)，主要考慮水庫(kù)大壩自身和下游地區(qū)的防洪安全，以整個(gè)調(diào)度期內(nèi)梯級(jí)系統(tǒng)的發(fā)電量最大為目標(biāo)，并兼顧梯級(jí)的水生生態(tài)保護(hù)調(diào)度要求。

3.1 系統(tǒng)的主界面開(kāi)發(fā)

按照以上介紹的MRO-RMDSS的建設(shè)思路，以Delphi 為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，基于MATLAB與C++編程語(yǔ)言以及SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)了運(yùn)行界面友好、操作簡(jiǎn)易、功能強(qiáng)大的錦官電源組MRO-RMDSS，系統(tǒng)主控界面如圖3。

圖3 MRO-RMDSS主界面Fig.3 The main interface of MRO-RMDSS

前臺(tái)開(kāi)發(fā)采用能為用戶提供功能強(qiáng)大、圖形界面豐富的Delphi 做為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其數(shù)據(jù)庫(kù)軟件選擇了SQL Server 2000，并采用了C/S的結(jié)構(gòu)形式來(lái)存放數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣能保證數(shù)據(jù)庫(kù)處理的分析過(guò)程分布在客戶機(jī)和服務(wù)器上，方便服務(wù)器被多臺(tái)客戶機(jī)訪問(wèn)。

3.2 系統(tǒng)的主要功能

3.2.1信息采集處理與查詢

調(diào)度所需數(shù)據(jù)信息主要從企業(yè)網(wǎng)和電網(wǎng)提取，并結(jié)合采集的水雨情、工情和災(zāi)情信息，經(jīng)規(guī)范化處理后存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中。其中實(shí)時(shí)水雨情、工情數(shù)據(jù)經(jīng)自動(dòng)鏡像遙測(cè)并轉(zhuǎn)化為預(yù)報(bào)調(diào)度所需的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綆?kù)中，災(zāi)情數(shù)據(jù)主要包括歷史徑流資料、專家調(diào)度的決策和經(jīng)驗(yàn)以及各種多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)決策過(guò)程中所需要查詢的文檔資料。用戶在操作界面可以對(duì)系統(tǒng)參數(shù)及模型參數(shù)進(jìn)行修改和設(shè)置，通過(guò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、調(diào)用、保存和修改等功能，使決策者在多目標(biāo)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)管理決策的過(guò)程中，能夠迅速獲得這些資料，為決策提供參考。

3.2.2多目標(biāo)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

根據(jù)梯級(jí)水庫(kù)的系統(tǒng)特點(diǎn)、多目標(biāo)調(diào)度的要求和調(diào)度過(guò)程中存在的主要風(fēng)險(xiǎn)因子，可以通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)嵌的多目標(biāo)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)分析模型進(jìn)行求解，獲得梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度的最佳妥協(xié)解，并通過(guò)表格、報(bào)表和圖形等形式，將結(jié)果做可視化顯示(如圖4-圖6)，為不確定環(huán)境下的水庫(kù)多目標(biāo)調(diào)度決策提供一定的技術(shù)支持，同時(shí)便于調(diào)度人員進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理。

決策者可以通過(guò)選取適當(dāng)?shù)亩嗄繕?biāo)風(fēng)險(xiǎn)管理模型為自己提供決策指導(dǎo)。如圖4所示為決策者調(diào)用模型庫(kù)中的基于機(jī)會(huì)約會(huì)原理構(gòu)建的多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)決策模型系統(tǒng)的操作界面，決策者可以通過(guò)對(duì)調(diào)度目標(biāo)、風(fēng)險(xiǎn)因子的選取及模型參數(shù)的設(shè)置 ，得到的模型計(jì)算的結(jié)果。如圖5所示為當(dāng)決策者調(diào)用模型庫(kù)中的多目標(biāo)最小風(fēng)險(xiǎn)模型時(shí)系統(tǒng)的操作界面，決策者通過(guò)對(duì)調(diào)度目標(biāo)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)、約束條件的選擇及對(duì)模型主要參數(shù)的設(shè)置，得到的模型計(jì)算的結(jié)果。

圖5 多目標(biāo)最小風(fēng)險(xiǎn)模型界面圖Fig.5 The Interface figure of Multi-objective Minimum risk model

3.2.3多目標(biāo)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度是一個(gè)多目標(biāo)綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與決策問(wèn)題。常用的評(píng)價(jià)方法主要有層次分析法、熵權(quán)法、支持向量機(jī)法[6]等，本文通過(guò)對(duì)這些評(píng)價(jià)模型進(jìn)行篩選、改進(jìn)，將其納入到風(fēng)險(xiǎn)管理模型庫(kù)中。決策者可以通過(guò)選取與調(diào)用這些模型，有效快捷完成對(duì)非劣解集方案的評(píng)價(jià)，以便選出調(diào)度決策的最佳方案。如圖6所示為系統(tǒng)的多目標(biāo)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)界面，決策者 通過(guò)選擇合適的評(píng)價(jià)模型，不僅得到不同方案的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比分析，還可以得到各種評(píng)價(jià)方案所對(duì)應(yīng)的結(jié)果的優(yōu)劣順序。

圖6 不同評(píng)價(jià)方法的結(jié)果對(duì)比分析界面Fig.6 The Interface figure of the results analysis of different evaluation methods

3.2.4多目標(biāo)會(huì)商決策

多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)管理通常是一個(gè)多人會(huì)商的過(guò)程，在系統(tǒng)中提供了強(qiáng)大的會(huì)商輔助功能。主要通過(guò)徑流模擬技術(shù)及水庫(kù)調(diào)度仿真過(guò)程為會(huì)商決策提供技術(shù)支持，將專家知識(shí)引進(jìn)到系統(tǒng)中，使會(huì)商分析平臺(tái)能夠充分發(fā)揮群體決策的主觀能動(dòng)性，并提供遠(yuǎn)程會(huì)議協(xié)商等技術(shù)支持，最大限度地降低決策的不確定性。

4 結(jié) 語(yǔ)

以研發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)管理模型為核心，建立了從數(shù)據(jù)信息采集、分析、處理到公共查詢、調(diào)度仿真、風(fēng)險(xiǎn)管理、報(bào)表查詢、專家會(huì)商的大型流域水庫(kù)群MRO-RMDSS。進(jìn)行了良好的圖表設(shè)計(jì)，使水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)分析決策效應(yīng)更方便與直觀，實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)管理計(jì)算機(jī)自動(dòng)化過(guò)程。

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[1] 李克飛，紀(jì)昌明，張驗(yàn)科. 水電站水庫(kù)群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)決策研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2012,(10),:120-122.

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