大規(guī)模水利調(diào)度優(yōu)化方法綜述

張松達(dá)，吳德忠，夏國(guó)團(tuán)，勞冀韻

(寧波市三江河道管理局，浙江 寧波　315020；余姚市水利局，浙江 余姚　315400；余姚市水利學(xué)會(huì)，浙江 余姚　315400；四明湖水庫(kù)管理局，浙江 余姚　315400)

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大規(guī)模水利調(diào)度優(yōu)化方法綜述

張松達(dá)，吳德忠，夏國(guó)團(tuán)，勞冀韻

(寧波市三江河道管理局，浙江 寧波315020；余姚市水利局，浙江 余姚315400；余姚市水利學(xué)會(huì)，浙江 余姚315400；四明湖水庫(kù)管理局，浙江 余姚315400)

摘要：隨著調(diào)度規(guī)模的擴(kuò)大、內(nèi)涵深化以及對(duì)其要求的提高，水利調(diào)度(water resources operation)正日益面臨多目標(biāo)、高維決策向量、寬領(lǐng)域模擬計(jì)算并有優(yōu)化要求或期望的任務(wù).根據(jù)工作實(shí)踐和有關(guān)課題研究，就上述問題及處理方法進(jìn)行簡(jiǎn)略探討，旨在活躍對(duì)大規(guī)模水利調(diào)度問題的學(xué)術(shù)交流.

關(guān)鍵詞：水利調(diào)度；多目標(biāo)；高維決策向量；組合方法；寬領(lǐng)域摸擬計(jì)算；信息技術(shù)

0引言

水利調(diào)度在防洪、興利中起著重要作用.為此，上世紀(jì)九十年代初，寧波市便開始結(jié)合編制供水水源規(guī)劃、水庫(kù)控制運(yùn)用計(jì)劃以及研究水資源高效利用方案，在江河洪水預(yù)報(bào)調(diào)度、單庫(kù)優(yōu)化調(diào)度、水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度及河庫(kù)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度上進(jìn)行實(shí)踐與探索.對(duì)單庫(kù)采用隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃；對(duì)水庫(kù)群建立二級(jí)大系統(tǒng)分解一協(xié)調(diào)模型，對(duì)多個(gè)水庫(kù)群與多個(gè)不同水級(jí)河網(wǎng)建立三級(jí)對(duì)偶系統(tǒng)模型.并在上述基礎(chǔ)上建立了防洪調(diào)度和水資源優(yōu)化調(diào)度決策支持系統(tǒng)(DSS).獲得了浙江省、寧波市和余姚市多項(xiàng)科技進(jìn)步獎(jiǎng)和水利科技創(chuàng)新獎(jiǎng).

新形勢(shì)對(duì)水利調(diào)度提出更高要求.水利調(diào)度考慮的目標(biāo)更加全面；涉及水利工程和水域數(shù)量更加多，協(xié)同的規(guī)模更加大，對(duì)優(yōu)化和令人滿意的期望更加高.生態(tài)調(diào)度的逐步推廣，進(jìn)一步發(fā)揮了水利調(diào)度在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展中的作用.這里，作者根據(jù)現(xiàn)代水資源科學(xué)的理論、方法及價(jià)值觀[1]，就大規(guī)模水利調(diào)度中有關(guān)問題進(jìn)行探討.

1多目標(biāo)設(shè)計(jì)和問題求解

1.1多目標(biāo)設(shè)計(jì)

多目標(biāo)的設(shè)計(jì)是目標(biāo)量化和建立數(shù)學(xué)模型.雖然多目標(biāo)問題，尚存在目標(biāo)不可公度的困難，但仍然可以做到妥然處理.多目標(biāo)設(shè)計(jì)關(guān)鍵是高度、視角、深度和可操作性.要從可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略高度，從人類生態(tài)系統(tǒng)、水資源在人類生態(tài)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)中的位置，總體功能中的作用，以及它與經(jīng)濟(jì)社會(huì)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和各個(gè)目標(biāo)的設(shè)計(jì).對(duì)重要的多目標(biāo)水利調(diào)度，特別是重要的、大規(guī)模的聯(lián)合水利調(diào)度，應(yīng)該經(jīng)歷目標(biāo)規(guī)劃這一環(huán)節(jié)，根據(jù)流域和區(qū)域水利規(guī)劃總體要求，全面深入地做好優(yōu)化調(diào)度、整個(gè)目標(biāo)體系和各個(gè)具體環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，從源頭開始抓好優(yōu)化調(diào)度.

1.2多目標(biāo)問題求解

多目標(biāo)規(guī)劃問題求解方法有直接法和間接法.目前廣泛應(yīng)用的間接法，如主要目標(biāo)法、評(píng)價(jià)函數(shù)法、分層排序法等[2].權(quán)重法和約束法是經(jīng)常采用的兩種具體方法，通過調(diào)整權(quán)重系數(shù)(對(duì)前者)和變動(dòng)約束條件(對(duì)后者)，生成非劣解集.非劣解集由各可行目標(biāo)狀態(tài)值與對(duì)應(yīng)的優(yōu)化基本目標(biāo)值組成.供選擇決策.

多目標(biāo)問題通過決策者與分析者協(xié)作，包括非交互式的和交互式的工作求解.如理想點(diǎn)法、廣義思想點(diǎn)法、目標(biāo)規(guī)劃法、替代價(jià)值權(quán)衡法、切比雪夫法(Tchebycheff)、交互切比雪夫過程等.切比雪夫法，包括采用廣義加權(quán)切比雪夫距離的做法，以及引入交互機(jī)制的切比雪夫法(閔可夫斯基距離中包括絕對(duì)值距離、歐氏距離、切比雪夫距離).

水利調(diào)度決策實(shí)際上是群決策，多層次決策.多目標(biāo)水利調(diào)度，特別是多目標(biāo)的大規(guī)模的聯(lián)合水利調(diào)度更是如此.通過把多決策者統(tǒng)一為單決策者，多層次決策綜合集為單層次決策，完成最終的調(diào)度決策，按照經(jīng)典決策理論的最優(yōu)化準(zhǔn)則與現(xiàn)代西蒙決策理論的令人滿意原則，在理論和實(shí)踐的結(jié)合上，高水平地處理好調(diào)度決策問題，使調(diào)度決策符合經(jīng)濟(jì)規(guī)律，滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求與追求,如帕累托(pareto)最優(yōu)狀態(tài)等.同時(shí)，以更高目標(biāo)和更廣泛范圍，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)的協(xié)調(diào)發(fā)展.

2高維決策向量

2.1高維問題與綜合集成處理途徑

管理裝置：接收智能測(cè)試控制中心指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣閥的靈活控制。通過控制氣閥進(jìn)行相同插槽號(hào)不同類型板卡的切換及裝置把座的前進(jìn)和后退，實(shí)現(xiàn)測(cè)試連接線的智能構(gòu)建；同時(shí)智能感應(yīng)被測(cè)裝置是否放好，對(duì)保護(hù)裝置從放置區(qū)到測(cè)試區(qū)進(jìn)出進(jìn)行控制。

決策向量維數(shù)較高，一般采用基于大系統(tǒng)遞階分析原理的分解一協(xié)調(diào)方法，動(dòng)態(tài)規(guī)劃中的逐步動(dòng)態(tài)規(guī)劃即動(dòng)態(tài)規(guī)劃逐次漸近法(DPSA)、離散微分動(dòng)態(tài)規(guī)劃(DDDP)、聚合分解法(AD)、漸進(jìn)最優(yōu)性算法(POA)等求解[3].此外，還有網(wǎng)絡(luò)模型法.群智能算法的發(fā)展，如遺傳算法(GA)、標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法(SGA)、等，在求解較高維數(shù)且有較強(qiáng)非線性、緊密耦合的決策向量的優(yōu)化問題上取得一定的進(jìn)展.根據(jù)周公宅～皎口梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度課題研究，遺傳算法和粒子群算法等，在現(xiàn)有一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)條件下，能夠較好地求解100維左右的決策向量的優(yōu)化問題.但如果維數(shù)更大，在一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)條件下，就會(huì)遇到效率不高，甚至無法運(yùn)算等問題.如某地有1 579條河流、5個(gè)水級(jí)河區(qū)(內(nèi)設(shè)大量水閘)，17座水庫(kù)(其中大中型水庫(kù)4座，而且不少水庫(kù)還建有電站).這些水利工程和水域的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度圖，調(diào)度線如有關(guān)頻率的防洪調(diào)度線、限制供水線、防破壞線等，還有由這些調(diào)度線劃出的分區(qū)，如正常供水區(qū)、限制供水區(qū)、加大出力區(qū)、降低出力區(qū)以及與各分區(qū)相應(yīng)的輸水量，如各級(jí)灌溉水量、供水量和發(fā)電流量等.設(shè)調(diào)度線時(shí)段均為月，這時(shí)的決策向量維數(shù)超過600.而且其中一些變量之間存在強(qiáng)非線性耦合關(guān)系.因此盡管大規(guī)模的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度對(duì)提高水資源的整體效率和綜合效益具有明顯的作用，但“高維、緊耦”問題的存在，使人望而生畏.

克服高維決策向量問題應(yīng)該是多途徑的，如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方面、網(wǎng)絡(luò)甚至網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)方面、算法設(shè)計(jì)及復(fù)雜性分析方面以及優(yōu)化方法方面等.如果在優(yōu)化方法方面，采用綜合集成的思路，充分利用現(xiàn)有的各種優(yōu)化方法，如大系統(tǒng)分解—協(xié)調(diào)法、群智能算法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等.通過綜合集成，一定會(huì)在處理高維問題中充分發(fā)揮作用.

2.2遺傳算法與漸進(jìn)最優(yōu)性算法(POA)的組合方法

在《水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度方法與應(yīng)用》一書中，作者曾提出和建議了兩種處理高維問題的方法與算法，即遺傳算法與漸進(jìn)最優(yōu)性算法(POA)的組合方法和動(dòng)態(tài)規(guī)劃逐次漸近算法(DPSA)結(jié)合粒子群算法的組合方法，限于篇幅，此處僅對(duì)第一種方法作一介紹[4].

漸進(jìn)最優(yōu)性算法(Progressive Optimality Algorithm)是加拿大學(xué)者H.R.Howson和N.C.F.Sancho在1975年提出的.是基于貝爾曼(R.Bellman)最優(yōu)性原理的一個(gè)推論即漸進(jìn)最優(yōu)性原理而建立的.遺傳算法是一種摸擬自然進(jìn)化的隨機(jī)搜索算法.在數(shù)學(xué)上涉及域的擴(kuò)張等概念、理論.1975年Holland對(duì)遺傳算法作了系統(tǒng)總結(jié)，今天已發(fā)展成多種.遺傳算法與漸進(jìn)最優(yōu)性(POA)算法

組合方法中，遺傳算法包括前面所述的GA、SGA、IGA、MOIGA等各種算法.對(duì)m座水利工程和n個(gè)水域.調(diào)度圖由L條調(diào)度線以及由此劃分的q個(gè)分區(qū)及相應(yīng)的k個(gè)輸水量所組成.

式中：L為調(diào)度總數(shù)，E(i)為第i座水利工程的調(diào)度線條數(shù)，W(j)為第j個(gè)水域的調(diào)度線條數(shù).

式中：K為輸水量個(gè)數(shù)，S(r)為調(diào)度圖中第r個(gè)分區(qū)的輸水量個(gè)數(shù)(一般為一個(gè)).

采用遺傳算法與漸進(jìn)最優(yōu)性算法(POA)的組合方法，對(duì)水利調(diào)度中的興利調(diào)度圖進(jìn)行優(yōu)化步驟如下：

(2)按照漸進(jìn)最優(yōu)性算法(POA)，用遺傳算法結(jié)合長(zhǎng)系列摸擬迭代計(jì)算，逐一對(duì)每個(gè)輸水量(高維向量)方案的各時(shí)刻水位(高維向量)進(jìn)行優(yōu)化，求得對(duì)應(yīng)于每個(gè)輸水量(高維向量)方案的各時(shí)刻的水位(高維向量)方案的優(yōu)化結(jié)果.

(3)用遺傳算法，給出第二批，第三批……的輸水量(高維向量)方案，仿照上述步驟，直至最終生成優(yōu)化興利調(diào)度圖.

這種算法實(shí)際上是兩層譜系結(jié)構(gòu).當(dāng)每個(gè)分區(qū)僅有一個(gè)輸水量時(shí)，此法較為簡(jiǎn)單.另一種方法，輸水量(高維向量)與調(diào)度圖中的水位(高維向量)同步優(yōu)化.

一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)條件下，如果每座水利工程和水域都按三條調(diào)度線計(jì)算，則可解決33座水利工程和水域調(diào)度圖的優(yōu)化問題.要解決更大規(guī)模的優(yōu)化問題，一條途徑顯然是選用更高檔的計(jì)算機(jī)系統(tǒng).另一條途徑利用組合方法便于并行處理的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行并行計(jì)算.再一條途徑則是對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行變換(二次旋轉(zhuǎn)、一次投影)，然后求解.此外，還有另外的方法，此處不再贅述.只要調(diào)度線的排列能滿足“無后效性”條件，遺傳算法與漸進(jìn)最優(yōu)性法(POA)組合方法及各種變式，對(duì)單目標(biāo)問題一定能保證全局收斂.這一點(diǎn)可以嚴(yán)格證明.對(duì)相關(guān)問題，可以應(yīng)用泛函中的完備賦范線性空間、壓縮映射和不動(dòng)點(diǎn)等有關(guān)理論進(jìn)行具體分析.對(duì)多目標(biāo)問題一定能求得非劣解集.

3寬領(lǐng)域的模擬計(jì)算

除了熟知的水文分析計(jì)算以及結(jié)合工程實(shí)際對(duì)暴雨洪水、降水徑流進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算外，水利調(diào)度還有很寬的領(lǐng)域需要進(jìn)行模擬計(jì)算[5-6].

水利調(diào)度中有物質(zhì)的輸運(yùn)，能量的轉(zhuǎn)移、信息的傳遞.如泥沙(懸移質(zhì)、推移質(zhì))，營(yíng)養(yǎng)鹽、污染物、浮游植物、漂浮物、低等的動(dòng)植物孢子及一些水媒植物；機(jī)械能(位能、動(dòng)能)、熱能；來流方向的洪、枯、水溫、有關(guān)生命活動(dòng)等信息，隨水流主動(dòng)或被動(dòng)遷徙的水生動(dòng)物等.調(diào)控的是以水為載體的物質(zhì)流、能量流和信息流，它的作用除了控制水位、流量、流速、水量變化，從而對(duì)防洪安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)生影響外，還關(guān)系到流水動(dòng)力地貌(如河床演變)、水環(huán)境、水生態(tài)等.受控區(qū)對(duì)調(diào)度激勵(lì)的響應(yīng)是廣泛的.多目標(biāo)、高維決策向量條件下的聯(lián)合水利調(diào)度的模擬計(jì)算涉及多種學(xué)科專業(yè)的寬廣領(lǐng)域.僅水動(dòng)學(xué)及其與之交叉的學(xué)科就有淺水動(dòng)力學(xué)、水沙動(dòng)力學(xué)、河流動(dòng)力學(xué)、環(huán)境水力學(xué)、生態(tài)水力學(xué)等.

導(dǎo)致模擬計(jì)算寬領(lǐng)域的另一個(gè)原因是深度要求的不斷提高.如模擬計(jì)算必需的降水、徑流、暴雨、洪水是隨機(jī)過程.要進(jìn)一步提高調(diào)度圖的優(yōu)化質(zhì)量，深入進(jìn)行歷史資料的時(shí)間序列分析，最大限度地挖掘內(nèi)在信息是十分必要的.而這又是一個(gè)有著廣泛應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)又是很深刻的領(lǐng)域.時(shí)間序列分析，在時(shí)域上的分析方法很多，如常用的滑動(dòng)平均等.非線性科學(xué)的應(yīng)用，又增添了分維數(shù)分析(如豪斯道夫分維數(shù)、關(guān)聯(lián)分維數(shù))，以及與之密切相關(guān)的重標(biāo)極差法(R/S)、相空間重構(gòu)等技術(shù).在頻域上的分析方法，如常用的頻率分析、功率譜分析等.在時(shí)域與頻域結(jié)合上的分析方法，在以量子力學(xué)中海森伯格測(cè)不準(zhǔn)原理為主要依據(jù)之一的小波分析.

模擬計(jì)算由于考慮水環(huán)境、水生態(tài)，也拓寬了涉及的領(lǐng)域.以往對(duì)山區(qū)、平原河道和河網(wǎng)的水力模擬多要求提供斷面平均水位、斷面流量、斷面平均流速等水力要素，一般采用一維的漸變淺水動(dòng)力計(jì)算.現(xiàn)在為了考慮生態(tài)環(huán)境，要求局部河段提供沿河寬的各個(gè)水位及相應(yīng)流速，因此常用一維與二維耦合求解，有時(shí)甚至還用到三維計(jì)算(此時(shí)，淺水動(dòng)力顯然是近似的).局部地方要求捕捉激波即水躍，采用TVD和FVM以及從氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展起來的BGK和作了一定簡(jiǎn)化，在實(shí)際工作中得到較多應(yīng)用的KFVS等.模擬計(jì)算深入到生命活動(dòng)，導(dǎo)致復(fù)雜性急劇增加，領(lǐng)域也隨之向前沿?cái)U(kuò)展.對(duì)河流、湖泊等水域的植物競(jìng)爭(zhēng)性生長(zhǎng)，用到元胞自動(dòng)機(jī)，對(duì)演變規(guī)律則采用一階動(dòng)力學(xué)生長(zhǎng)模型.

為了比較方案在經(jīng)濟(jì)及環(huán)境上的優(yōu)劣，模擬計(jì)算還涉及到經(jīng)濟(jì)分析(財(cái)務(wù)分析)和環(huán)境影響分析等問題.

面對(duì)寬領(lǐng)域的模擬計(jì)算要用好已有的一些商業(yè)軟件.同時(shí)要積極引進(jìn)和開發(fā)具有更大通用性，更強(qiáng)功能的商業(yè)軟件.為寬領(lǐng)域的模擬計(jì)算服務(wù).

4信息技術(shù)與有關(guān)高技術(shù)

信息技術(shù)和有關(guān)高技術(shù)是實(shí)施現(xiàn)代水利調(diào)度的十分重要的支撐，是實(shí)現(xiàn)水利調(diào)度現(xiàn)代化的必要條件[7].圍繞提高水利調(diào)度綜合能力建設(shè)，繼續(xù)推進(jìn)信息化和高技術(shù)的應(yīng)用.借助信息技術(shù)和有關(guān)高技術(shù)，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與綜合管理.運(yùn)用現(xiàn)代水利調(diào)度的基本理論經(jīng)、基本原則和調(diào)度輔助決策系統(tǒng)，結(jié)合實(shí)際情況，開展會(huì)商、群決策和多層次決策，綜合集成生成最優(yōu)決策和令人滿意決策，并發(fā)布批準(zhǔn)的調(diào)度令.利用遠(yuǎn)程控制技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)，對(duì)重要工程樞紐的有關(guān)關(guān)鍵設(shè)施直接作運(yùn)行操作.當(dāng)前要進(jìn)一步普及和完善水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng).有條件的地方要積極采用雷達(dá)測(cè)雨以及雷達(dá)—水情自動(dòng)測(cè)報(bào)組合系統(tǒng)技術(shù)、遙感技術(shù)、衛(wèi)星通訊技術(shù).建立和完善雨情、水情、工情等信息的遠(yuǎn)程網(wǎng)(廣域網(wǎng)).建立、完善和及時(shí)提升數(shù)據(jù)庫(kù)、圖形庫(kù)、圖像庫(kù)、模型庫(kù)、方法庫(kù)和知識(shí)庫(kù)；建立、完善和及時(shí)提升徑流、洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)；建立、完善和及時(shí)提升災(zāi)情評(píng)估系統(tǒng)；建立、完善和及時(shí)提升交互式專家網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).必要時(shí)，通過網(wǎng)的互連，借助享用更多的信息資源和更高質(zhì)量的智力資源.大規(guī)模水利調(diào)度涉及模型構(gòu)建、目標(biāo)體系確定的理論方法，求解方法與算法設(shè)計(jì)，海量數(shù)據(jù)處理與預(yù)測(cè)、校正、控制技術(shù)等等，必須高度重視，充分發(fā)揮信息技術(shù)和高技術(shù)的作用，為調(diào)度決策及決策實(shí)施提供更有力的支持.

5結(jié)語

實(shí)際工作中認(rèn)識(shí)到多目標(biāo)設(shè)計(jì)、多維決策向量?jī)?yōu)化、寬領(lǐng)域模擬計(jì)算等是水利調(diào)度特別是大規(guī)模水利調(diào)度中的一些重要問題，信息技術(shù)和有關(guān)高技術(shù)則是水利調(diào)度特別大規(guī)模水利調(diào)度必要的、重要的技術(shù)支撐.通過實(shí)踐和理論結(jié)合上的總結(jié)、提高，有利于進(jìn)一步做好水利調(diào)度決策與決策的實(shí)施.運(yùn)籌于帷幄之中，決勝于千里之外，使調(diào)度工作在保證防洪安全、保障水資源供給安全和保護(hù)水生態(tài)環(huán)境安全中發(fā)揮更好更大的作用.

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On Large-scale Optimal Scheduling of Water Resources Operation

ZHANG Song-da, WU De-zhong, XIA Guo-tuan, LAO Ji-yun

(1.Ningbo Waterway Administration Bureau, Ningbo 315200, China; 2.Yuyao Water Conservancy Bureau, Yuyao 315400, China; 3.Yuyao Hydraulic Engineering Society, Yuyao 315400,China; 4.Administration of Siminghu Reservoir, Yuyao 315400, China)

Abstract:Due to the scale enlargement of irrigation scheduling and the improvement of its requirements, several problems are analyzed in the paper, covering multiple targets, high dimensional decision vector, wide-ranging simulation and relative optimization requirements that confront water resources operation nowadays. According to the working practice and relevant research, some treatment methods are also briefly discussed, working as academic exchanges for large-scale water resources operation.

Key words:water resources operation; multiple target; high dimensional decision vector; combinatorial methods; wide-ranging simulation calculation; information technology

收稿日期：2015-12-14

作者簡(jiǎn)介：張松達(dá)(1960-)，男，浙江慈溪人，教授級(jí)高工，主要從事水利工程建設(shè)管理工作.

中圖分類號(hào)：TV737

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-536X(2016)04-0038-04