基于约束机制粒子群算法的水库库容曲线修正方法与流程

文档序号:20921195发布日期:2020-05-29 14:10阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种基于约束机制粒子群算法的水库库容曲线修正方法,其特征在于:包括下述步骤:

步骤1,构建决策变量内部约束机制:通过分析水库库区地形的一般变化规律,根据水库水位~面积函数的微分特性及实际应用时水库水位~面积~库容关系为离散形式,以不同水位对应的水面面积作为决策变量,构建符合变量内部相邻成员间变化规律的约束机制;

步骤2,水库运行资料预处理:为便于分析和比较求解成果与运行资料的匹配程度,根据目标水库的运行资料、气象资料、库区地质资料以及近期库容曲线,由水量平衡原理,逐时段计算初、末水位及其对应的时段库容差并以此系列作为基准库容差;

步骤3,目标函数设计:针对某一备选库容曲线,在曲线上逐时段查得运行资料中的初、末水位及其对应的时段库容差值dvk,以此系列作为备选方案库容差;以时段备选方案库容差与基准库容差的离差平方和最小为所述目标函数,即:

步骤4,基于约束机制的改进粒子群算法求解目标函数,步骤如下:

子步骤4.1,设定算法基本参数,初始粒子数量m、粒子维度n、更新迭代周期上限s,学习因子c1、c2均取2,速度限制常数vmax取值为1/(2n),惯性权重w采用线性递减自适应调整策略;

子步骤4.2,建立粒子与面积函数决策变量的映射关系;

子步骤4.3,基于步骤1中相关的约束机制,随机生成满足要求的初始粒子群体;

子步骤4.4,对第s迭代周期,逐个粒子i计算相应的适应度值得到本时刻各粒子的自身最好位置及群体最好位置

子步骤4.5,根据改进粒子群算法,粒子更新方式及步骤1中提出的变量约束机制更新粒子速度和位置;

子步骤4.6,重复子步骤4.4、4.5,直至粒子群更新迭代周期上限s时,输出群体最好位置,经换算后即为求解结果;

步骤5,输出条件判别:设定允许距离阈值为δ*,计算步骤4中求解的库容曲线结果与步骤2中水库运行资料中库容曲线的欧氏距离δ,若δ≤δ*,则输出步骤4计算的库容曲线结果;反之,用步骤4的库容曲线替代步骤2中近期库容曲线,并重复步骤2、3、4,直至满足输出条件为止。

2.根据权利要求1所述基于约束机制粒子群算法的水库库容曲线修正方法,其特征在于:所述步骤1中,构建符合变量内部相邻成员间变化规律的约束机制步骤为:

子步骤1.1,通过分析水库库区地形的变化规律,提出水库水位~面积函数的微分特性为:

设水库水位变量z,对应水面面积函数a=f(z),根据库区地形的一般变化规律可知,随着水库水位的抬高,相应水面面积越大,即面积函数的一阶导数大于零,有:

a′=f′(z)=da/dz>0式(1)

另外,根据水位越高水面面积增长率也越来越大,即面积函数的二阶导数也大于零,因此有:

a″=f″(z)=d2a/dz2>0式(2)

式2可以看出,面积函数为严格凹函数,由其性质可知,对于x1<x2,存在0<α<1,有:

f(αx1+(1-α)x2)<αf(x1)+(1-α)f(x2)式(3)

子步骤1.2,基于子步骤1.1的面积函数微分特性,等差水位相邻离散点距的相互制约关系为:

设库容曲线中离散水位值为zj,(j=0,1,2,……,n),从小到大排列的序列,对应水面面积系列为aj=f(zj),由式(1)有:

(aj-aj-1)/(zj-zj-1)>0,

因zj>zj-1,有aj-aj-1>0,即:

0≤aj-1<aj(j=1,2,……,n)式(4)

由式(2)有:

对等差水位序列,简化为:

子步骤1.3,针对某些库区的水位~面积曲线存在面积函数局部区间为非凹函数时,约束条件变更判别式及非凹函数情况下的制约关系为:

对于遵循凹函数规律的水位~面积曲线而言,式(5)是严格成立的,有(2×aj-1-aj-2)<(aj+1+aj-1)/2,整理得:

aj+1>(3×aj-1-2×aj-2)(j=2,3,......,n-1)式(6)

因此,式(6)是判别aj有无满足凹函数性质解的条件;对于部分特殊位置的地形,存在不满足凹函数的情况,即式(5)无解或式(6)不成立;

所以式(6)也是约束条件变更的判别式,若式(6)不成立,说明在该库区高程范围对应的面积增长率非正值,此时的面积函数应变更为非凹函数约束,即:

(aj+1+aj-1)/2≤aj<aj+1(j=1,2,......,n-1)式(7)

子步骤1.4,初始化水位~面积曲线时,由于aj+1未知,无法利用式(5)~式(7)来约束aj,根据式(3),其离散表达形式为:

aj<a0+(an-a0)×(zj-z0)/(zn-z0)式(8)

对等差水位序列,进一步简化为:

aj<a0+(an-a0)×j/n(j=1,2,......,n-1)式(9)

由此,在初始化水位~面积曲线时,利用式(8)或式(9)来代替式5中的约束条件上边界。

3.根据权利要求1所述基于约束机制粒子群算法的水库库容曲线修正方法,其特征在于:所述步骤2中,所述目标水库的运行资料包括库水位、入库流量、出库流量;所述气象资料包括库区降雨量、蒸发量。


技术总结
本发明公开了一种基于约束机制粒子群算法的水库库容曲线修正方法,包括下述步骤:1,构建决策变量内部约束机制;2,水库运行资料预处理;3,目标函数设计;4,基于约束机制的改进粒子群算法求解目标函数;步骤5,输出条件判别。本发明提出以不同水位对应的水面面积作为决策变量,并作用于符合实际库区地形变化规律的约束机制,解决了常规水量平衡法求解结果中可能出现的高水位水面面积小于低水位水面面积这种违背常理的问题,通过运行资料预处理,分离了部分水位和部分库容,阻断了误差累计和传播途径,通过筛选水库蓄水和消落对称过程的资料作为输入,有效降低了流量资料中系统误差对库容曲线计算结果的影响,提高了库容曲线求解精度。

技术研发人员:唐林;张珍;王攀科;王冠霖
受保护的技术使用者:黄河勘测规划设计研究院有限公司
技术研发日:2020.01.03
技术公布日:2020.05.29
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