倪振輝

摘 ? 要：隨著我國農(nóng)業(yè)、工業(yè)和社會的高速發(fā)展，對水資源的消耗速度不斷增加，為了保證對水資源的合理調(diào)度，提高對水資源的利用率，對水庫供水提出了較高的要求。針對復(fù)雜水庫多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度的維數(shù)災(zāi)難和容易陷入被動的問題，需要采取一種基于調(diào)度時段敏感性分析的水庫調(diào)度降維新方法。為此，筆者將要在本文中對考慮調(diào)度時段敏感性的水庫供水優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行探析，希望對促進(jìn)我國水利事業(yè)的發(fā)展起到有利的作用。

關(guān)鍵詞：調(diào)度時段 ?敏感性 ?優(yōu)化調(diào)度

中圖分類號：TV697.11 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（a）-0035-02

水庫調(diào)度是一個多變量、非線性、多目標(biāo)的復(fù)雜時空決策優(yōu)化問題，通過對水庫的優(yōu)化調(diào)度，能夠有效提高水庫的經(jīng)營利潤。通過水庫調(diào)度圖的應(yīng)用，可以有效的指導(dǎo)水庫的運(yùn)行。但由于水庫參數(shù)模型比較復(fù)雜，在優(yōu)化求解的過程中，往往會形成高維解空間，很容易造成維數(shù)災(zāi)難的發(fā)生。例如，在水庫調(diào)度圖求解的過程中，其針對的對象往往比較多，如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)等，多個用戶目標(biāo)函數(shù)之間容易出現(xiàn)協(xié)調(diào)和競爭的關(guān)系，在具體優(yōu)化的過程中，經(jīng)常表現(xiàn)為可行域隨時間和空間而發(fā)生動態(tài)變動，導(dǎo)致模型的求解難度往往比較大。但在調(diào)度求解的過程中，某些調(diào)度線的位置在整個優(yōu)化過程中，其變動量往往比較小，導(dǎo)致調(diào)度圖容易呈現(xiàn)多樣性的特點(diǎn)。通過有效分析水庫來水與用水關(guān)系的常規(guī)調(diào)度圖分析，可以發(fā)現(xiàn)調(diào)度線的位置變化比較明顯，調(diào)度結(jié)果的差異表現(xiàn)也較大。通過上面的討論可知，為了有效提高模型的求解效率和調(diào)度圖的適用性，就需要在調(diào)度線降維方法的研究上，下更大的功夫。

1 ?基于調(diào)度時段敏感性分析的水庫優(yōu)化調(diào)度框架

對框架體系進(jìn)行研究。在水庫優(yōu)化調(diào)度的研究過程中，蓄水狀態(tài)在一定范圍內(nèi)變化，往往對調(diào)度的影響較小，最終導(dǎo)致調(diào)度圖形多樣化現(xiàn)象的產(chǎn)生，這是導(dǎo)致優(yōu)化算法陷入困局的主要原因之一。為了進(jìn)一步提升開展調(diào)度搜索的效率，讓各種調(diào)度圖更進(jìn)一步發(fā)揮出自己的作用，就需要將敏感性分析法方法應(yīng)用到用水戶調(diào)度線的時間維對不同調(diào)度目標(biāo)的敏感度分析工作當(dāng)中，從而進(jìn)一步提升調(diào)度圖的敏感性。最后，在對水庫的優(yōu)化調(diào)度過程中，可以直接從調(diào)度規(guī)律的研究中得到啟發(fā)，通過進(jìn)化算法的應(yīng)用，來搜索調(diào)度敏感時間維的位置參數(shù)，在經(jīng)過一定數(shù)量的迭代之后，對調(diào)度線全調(diào)度時段的位置參數(shù)進(jìn)行全局搜索。在實(shí)際執(zhí)行的過程中，其主要的計(jì)算步驟包括：（1）通過采用拉丁超立方-單因素輪換方法敏感性分析方法，從而有效獲得不同調(diào)度時段對調(diào)度目標(biāo)的敏感度，最終得到調(diào)度圖的敏感事件維。（2）通過對水庫的時間敏感性分析，對水庫的調(diào)度計(jì)算模型進(jìn)行優(yōu)化，在優(yōu)化過程中，主要是對調(diào)度敏感度的時間維位置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對于那些非敏感時間維位置參數(shù)，可以直接采用線性插值法來獲取。（3）為了獲得Pareto前沿解，可以直接采用多目標(biāo)微粒群優(yōu)化算法。（4）通過對Pareto解的進(jìn)一步MOPSO算法計(jì)算，對全時間段的調(diào)度線的位置參數(shù)進(jìn)行全范圍的搜索，從而得到Pareto前沿解。

調(diào)度時段敏感性的分析方法。調(diào)度時段的不同用戶的調(diào)度線往往存在非常復(fù)雜的關(guān)系，需要根據(jù)用水戶的優(yōu)先等級，可以直接采用順序分層抽樣LH-OAT方法。該方法是以調(diào)度時段的敏感性作為分析對象的，將年內(nèi)調(diào)度時段長度定義為L，其用戶總數(shù)為M，其敏感性分析主要包括：（1）第一步是在調(diào)度時段，對用水優(yōu)先等級最高的那部分用戶對供水位置進(jìn)行抽樣，可以直接將庫容的空間劃分為N層，在實(shí)際抽樣的過程中，每層不得重復(fù)進(jìn)行抽樣。（2）第二步就是對優(yōu)化位置靠后的用戶進(jìn)行抽樣，將優(yōu)先等級高的抽樣值和庫容上限作為抽樣空間，然后直接將庫容空間劃分為N層，每層不得重復(fù)進(jìn)行抽樣。通過該抽樣工作，就可以完成調(diào)度時段l層的M個位置的抽樣工作，這樣就完成了對一個模型的分層抽樣。（3）通過不斷重復(fù)上面兩個步驟，就可以得到l+1個所有M個位置參數(shù)的分層抽樣，L個模型的參數(shù)分層抽樣就可以完成，最終得到了N個LH抽樣點(diǎn)。一個LH抽樣點(diǎn)其總共會包括L個模型參數(shù)集合，每個模型參數(shù)都應(yīng)該對應(yīng)M個調(diào)度線的位置。（4）通過對每個抽樣點(diǎn)的參數(shù)調(diào)整，就可以對每個調(diào)度時段的所有位置進(jìn)行統(tǒng)一的擾動，不斷重復(fù)這L個調(diào)度時段，就可以得到最終的模型參數(shù)集。

2 ?實(shí)際用例

邱莊水庫位于河北省唐山市豐潤城區(qū)北20km的還鄉(xiāng)河出山口處，控制流域面積525km2，總庫容2.04億m3，為百年一遇洪水設(shè)計(jì)，五千年一遇洪水校核。工程是引灤入唐輸水工程的一部分，由大壩、溢洪道、放水洞等建筑物組成，壩頂高程77m，最大壩高28m，壩頂長926m，最大泄量4600m3/s，是一座以防洪供水為主的大（Ⅱ）型水利樞紐工程。水庫工程于1958年10月開工興建，12月因經(jīng)濟(jì)困難停工緩建，1959年11月復(fù)建，1960年8月建成均質(zhì)土壩和放水洞兩項(xiàng)主體工程，壩頂高程73.5m，原建工程按百年一遇洪水設(shè)計(jì)，千年一遇洪水校核。后經(jīng)復(fù)核發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)雨量偏小，校核標(biāo)準(zhǔn)僅為二百年一遇。1966—1968年修建了溢洪道工程，水庫校核標(biāo)準(zhǔn)提高到了五百年一遇。

在優(yōu)化調(diào)度建模的過程中，使用了該庫多年的歷史資料，其調(diào)水量采用了規(guī)劃設(shè)計(jì)值，將一年分為24個時段。為了保證對工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)的用水調(diào)度要求，對其供水線進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)，如果扣除用水量為0的時段，其可以分為37個優(yōu)化變量。根據(jù)水庫調(diào)度的實(shí)際需求，將工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)的缺水破壞深度分別設(shè)置在了10%、20%、50%等，其供水保證率分別在了95%、85%和50%。

在實(shí)際敏感性分析的過程中個，將庫容量分成了1000層，對每個層只進(jìn)行一次抽樣，對每個抽樣點(diǎn)進(jìn)行24次參數(shù)優(yōu)化設(shè)置，每次只對一個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，共可以得到25000個樣本集合。在統(tǒng)一考慮用戶各調(diào)度時段的敏感性，對用戶缺水指數(shù)采用了等權(quán)重的方法。

在調(diào)度優(yōu)化建模的過程中，將水庫棄水量、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)缺水作為主要的優(yōu)化目標(biāo)，分別對不同調(diào)度時段的用戶調(diào)度線位置參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，最后得到的調(diào)度目標(biāo)關(guān)系，為了進(jìn)一步做好水庫調(diào)度的敏感性分析，可以認(rèn)真制作調(diào)度目標(biāo)關(guān)系圖，從顏色的不同可以直接反應(yīng)棄水量的不同，利用顏色深淺不同來顯示棄水量和綜合指數(shù)之間的協(xié)同關(guān)系，棄水量越少表示缺水指數(shù)越小。通過調(diào)度目標(biāo)關(guān)系圖的應(yīng)用，就可以看出工業(yè)和棄水量之間存在的一定競爭關(guān)系，生態(tài)和工業(yè)用水目標(biāo)上存在的關(guān)系。為了有效解決這個矛盾，需要我們做好對工業(yè)用水的調(diào)度，可以起到有效節(jié)約水庫用水的目的。

通過Pareto算法的應(yīng)用，可以得到相對比較滿意的優(yōu)化模型解。通過該模型的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，用戶的調(diào)度線整體水平不高，可以在很大程度上提高水庫的供水效益，水庫的保證率也相對較高。為了對調(diào)度段的敏感性進(jìn)行分析，專門設(shè)計(jì)了簡化方案進(jìn)行了對比，并設(shè)計(jì)徑流成果和調(diào)度模型。通過兩個方案的對比可知，全局方案的優(yōu)化作用更強(qiáng)，可以有效提供供水的保證率，降低棄水量的排放，能夠?qū)⑷斕锏谋ＷC率從66%提升到71%。在本次研究過程中，通過對多目標(biāo)復(fù)雜非線性模型的求解，得到了一種新的優(yōu)化方法，非常適合在水庫群優(yōu)化調(diào)度中進(jìn)行應(yīng)用，能夠有效降低問題的復(fù)雜程度，更進(jìn)一步明確各優(yōu)化目標(biāo)之間的關(guān)系，有效提高算法的開展效果。此外，該模型的計(jì)算機(jī)建模也比較方便，能夠更進(jìn)一步提升模型優(yōu)化的效率。

3 ?結(jié)語

隨著時代的不斷發(fā)展，對水庫優(yōu)化工作提出了更高的要求。針對傳統(tǒng)水庫優(yōu)化工作中出現(xiàn)的問題，進(jìn)一步提升水庫調(diào)度工作開展的效果，可以將考慮調(diào)度時段敏感性的水庫供水優(yōu)化調(diào)度方法應(yīng)用其中，進(jìn)一步明確各調(diào)度開展因素之間的關(guān)系。

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