一种面向生态的多目标水库优化调度决策方法及系统

本发明属于水库调度决策领域，更具体地，涉及一种面向生态的多目标水库优化调度决策方法及系统。

背景技术：

1、水库调度的本质是一个多目标、多阶段、多约束、多属性的复杂决策问题。目前，面向生态的水库调度需求日益增加。以往关于水库生态调度的研究，主要以统一的生态流量标准作为目标或约束来表征下游河道的生态需求。这样的形式通常忽略了径流的确定性和随机性特征，以及径流在年内季节分布上存在的差异性问题，使得生态调度的目标性与针对性较弱。

2、此外，水资源管理正面临着复杂且多元化的挑战，多目标优化逐渐成为求解水库调度问题的主流研究方向。但目前大多数的研究主要集中在多目标问题的建模与求解方法上，有关非劣解集的决策问题常被忽视。现有的多属性决策方法大多从确定指标权重和调整模型结构出发，未能充分考虑决策指标之间信息重叠对决策过程的影响。

3、因此，如何全面考虑生态调度过程中生态需求面临的局限性，协调好生态目标与其他经济目标之间的竞争协同关系，进行兼顾指标间相关性问题的水库调度决策工作是目前亟需解决的技术难题。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种面向生态的多目标水库优化调度决策方法及系统，其目的在于，提高生态调度的目标性与针对性，有效提高水库调度决策的可靠性。

2、为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提出了一种面向生态的多目标水库优化调度决策方法，包括如下步骤：

3、s1、根据流域的历史径流资料，分析水文序列的一致性，从而选择使用的径流资料长度；

4、s2、基于所选长度的径流资料，确定生态流量过程，该生态流量过程包括最小生态流量和适宜生态流量；

5、s3、基于下泄流量与最小生态流量、适宜生态流量的关系，构建生态保证程度计算模型；进而根据生态保证程度计算模型构建目标函数和约束条件，得到多目标优化调度模型；求解该多目标优化调度模型得到帕累托最优解集；

6、s4、从帕累托最优解集中确定最优解，即最优水库调度方案。

7、作为进一步优选的，步骤s1中，根据流域的历史径流资料，分析水文序列的一致性，从而选择使用的径流资料长度，具体为：

8、若历史径流序列存在突变点，则不满足水文序列一致性要求，此时选择突变点前的历史径流序列为步骤s2使用的径流资料；

9、若历史径流序列不存在突变点，则满足水文序列一致性要求，此时选择完整的历史径流序列为步骤s2使用的径流资料。

10、作为进一步优选的，步骤s3中，所述生态保证程度计算模型为：

11、；

12、其中， d e，t表示河道 t时段生态保证程度， q t表示水电站 t时段下泄流量， q min，t表示最小生态流量， q d，t表示适宜生态流量下限， q u，t表示适宜生态流量上限。

13、作为进一步优选的，步骤s2中，所述最小生态流量采用逐月最小生态径流法进行确定。

14、作为进一步优选的，步骤s2中，所述适宜生态流量的下限采用蒙大拿法计算，适宜生态流量的上限采用逐月频率法计算。

15、作为进一步优选的，步骤s4中，从帕累托最优解集中确定最优解，包括如下步骤：

16、s41、基于帕累托最优解集构建原始决策评价矩阵，该原始决策评价矩阵包括 m个方案， n个指标；并将原始决策评价矩阵转化为标准化矩阵 r；

17、s42、基于标准化矩阵 r计算各指标的均值、标准差，进而计算得到变异系数：

18、；

19、其中， a j、 s j、 v j分别为第 j个指标的均值、标准差 、变异系数； r ij为标准化矩阵 r中第 i个方案中第 j个指标的值；

20、s43、基于变异系数计算各指标的权重 w j：

21、；

22、s44、根据标准化矩阵确定帕累托最优解集的正、负理想解方案z+、z-；

23、s45、确定各方案相对正、负理想解方案的马氏距离：

24、 ；

25、其中， d i+、 d i-分别为第 i个方案与正、负理想解方案的马氏距离；w为指标权重，，表示协方差矩阵的逆矩阵；

26、s46、计算各方案与正、负理想解方案的相对贴近度 c i：

27、；

28、其中， c i为第 i个方案的相对贴近度；进而以相对贴近度值最大的方案为最优水库调度方案。

29、作为进一步优选的，步骤s41具体包括：

30、基于帕累托最优解集构建原始决策评价矩阵 x如下：

31、；

32、进而将原始决策评价矩阵 x中数据标准化，得到标准化矩阵 r：

33、

34、其中， x ij为原始决策评价矩阵中第 i个方案中第 j个指标的值。

35、作为进一步优选的，步骤s3中，所述多目标优化调度模型的目标函数包括：

36、

37、其中， e表示水库在调度期 t内的发电量， k表示水电站综合出力系数， q t表示水电站 t时段下泄流量， h t表示水电站 t时段平均发电水头，为计算时段时间长度； p表示下游河道在调度期 t内的年均生态保证程度， d e，t表示河道 t时段生态保证程度。

38、按照本发明的第二方面，提供了一种面向生态的多目标水库优化调度决策系统，包括处理器，所述处理器用于执行上述面向生态的多目标水库优化调度决策方法。

39、按照本发明的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述面向生态的多目标水库优化调度决策方法。

40、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

41、1.本发明根据水文序列的一致性选取使用的径流资料，并基于下泄流量与最小生态流量、适宜生态流量的关系确定生态保证程度，设计了一种分级别、分阶段的生态流量过程，能有效呼应径流在年内季节分布上存在着差异性问题，并有效避免生态调度在目标性和针对性上存在的局限性问题。本发明能够为决策者提供丰富的决策信息，能够有效提高水库调度决策的可靠性，可广泛应用于流域面向生态的水库多目标优化调度与决策问题中。

42、2、本发明在推求生态流量过程时增加了变异诊断环节，以确保所采用水文资料具备一致性条件。

43、3、本发明设计了改进的cv-itopsis方法，以从帕累托最优解集中确定最优解，综合考虑了水库多目标调度多属性决策过程中的相关性因素，包括指标数据间的差异化问题和指标间的相关性问题等；从而消除了传统的多属性决策方法受数据分布和特征量纲的影响，将决策拓展至数据高维度线性分布且各纬度间非独立同分布的环境当中。

44、4、本发明设计了“目标-建模-约束-优化-方案决策”的决策框架。框架整体从验证、修正目标的可靠性程度开始，到根据目标和约束条件来构建、求解模型获取发电和生态目标的竞争协同关系，再延申至采用决策方法为水库实际运行和流域管理提供合适的协调方案，清晰地梳理了水电能源-生态环境-综合效益之间的关系与特征。