一种基于蒙特卡罗模拟的水库调度随机多属性决策方法技术

本发明专利技术公开了一种基于蒙特卡罗模拟的水库调度随机多属性决策方法，包括分析预报相对误差的统计分布特性；建立确定性水库调度多目标优化模型，求解得到有限数目的闸门控制方案；基于当前预报洪水过程和预报相对误差分布，采用统计抽样法随机生成洪水过程集；按照闸门控制方案对随机生成的洪水进行调洪演算，并量化各指标值的不确定性；量化指标权重的不确定性；建立随机多属性决策模型，采用蒙特卡罗模拟推求出令决策者满意的最优调度方案。本发明专利技术综合考虑了水库调度多属性决策过程中的不确定性因素，能够实现随机环境下调度方案的概率排序与优选，提供丰富的决策风险信息，提高水库调度决策的可靠性，可广泛应用于流域水库调度多属性决策。

Stochastic multiple attribute decision making method for reservoir operation based on Monte Carlo simulation

The invention discloses a stochastic multi-attribute decision-making method for reservoir operation based on Monte Carlo simulation, which includes analyzing the statistical distribution characteristics of prediction relative errors, establishing a deterministic multi-objective optimization model for reservoir operation and solving a finite number of gate control schemes, and based on the current flood forecasting process and prediction relative errors. Distribution, using statistical sampling method to randomly generate flood process set; according to the gate control scheme to randomly generate flood routing, and quantify the uncertainty of each index value; quantify the uncertainty of index weight; establish a stochastic multi-attribute decision-making model, using Monte Carlo simulation to derive the most satisfactory decision-maker. Excellent scheduling scheme. The invention comprehensively considers the uncertainties in the multi-attribute decision-making process of reservoir operation, can realize the probability sequencing and optimization of operation schemes under random environment, provide abundant decision-making risk information, improve the reliability of reservoir operation decision-making, and can be widely used in multi-attribute decision-making of basin reservoir operation.

【技术实现步骤摘要】
一种基于蒙特卡罗模拟的水库调度随机多属性决策方法
本专利技术涉及水库防洪调度决策方法，尤其涉及一种基于蒙特卡罗模拟的水库调度随机多属性决策方法。
技术介绍
水库防洪调度是流域洪水管理的重要非工程措施之一，与自然、社会、经济、环境等因素密切相关。从本质上看，水库防洪调度是一个多目标、多属性、多层次、多阶段的复杂决策过程，其最优解往往难以确定。目前比较普遍的做法是预先生成一组非劣的防洪调度方案集，由决策者从中选择一个综合权衡各个目标效益的满意方案付诸决策，因此，水库调度是一个典型的多属性决策问题。水库防洪调度的各个环节都存在着诸多不确定性，例如由于流域径流过程复杂性和水文预报方法局限性所导致的预报入库洪水不确定性、由于水库冲淤变化导致的库容曲线不确定性、调度时间迟滞不确定性等。水库防洪调度中的不确定性因素直接导致了防洪调度目标因子(例如最高水位、最大出库流量、期末水位等指标)的不确定性。在不确定环境下，多属性决策中的各个评价指标不再是常量，而表现为具有一定离散特性随机变量。此外，水库防洪调度通常需要从水库自身的防洪安全、上游回水淹没损失最小、下游防洪对象安全、弃水损失最小、洪末拦蓄洪尾等多个目标对入库洪水过程进行调节，在确保防洪安全的前提下，应充分发挥水库的综合利用效益。为了协调上述调度目标，必须确定参评指标的权重关系。按照赋权形式的不同，指标权重分为主观权重和客观权重。主观权重体现了决策者的意愿偏好，允许将决策者的经验知识融入多属性决策模型。然而，由于各调度目标之间的竞争性，在高度紧张的防洪形势下，要想使不同利益主体达成完全一致的主观权重尚存在较大困难。客观权重可以反映方案集数据自身的属性信息，但是各种不同客观赋权方法求得的权重都存在一定的差异性。因此，水库防洪调度多属性决策中的评价指标值以及指标权重都存在着一定程度的不确定性。现有的水库调度多属性决策方法(例如模糊优选法、模糊物元法、可拓学方法、D-S证据方法等)都局限于确定性环境之中，未能充分考虑不确定性因素的影响，尤其忽略了指标权重的不确定性。因此，如何全面地考虑多属性决策过程中的不确定性因素，建立水库调度随机多属性决策方法是目前亟需解决的技术难题。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术的不足，本专利技术综合考虑了水库调度多属性决策过程中的不确定性因素，提出了一种基于蒙特卡罗模拟的水库调度随机多属性决策方法。技术方案：本专利技术提供了一种基于蒙特卡罗模拟的水库调度随机多属性决策方法，包括以下步骤：(1)根据历史洪水预报资料，分析预报相对误差的统计分布特性；(2)建立确定性水库调度多目标优化模型，求解得到有限数目的闸门控制方案；(3)基于当前预报洪水过程和预报相对误差分布，采用统计抽样法随机生成洪水过程集；(4)按照闸门控制方案对随机生成的洪水进行调洪演算，并量化各指标值的不确定性；(5)量化指标权重的不确定性；(6)建立随机多属性决策模型，采用蒙特卡罗模拟推求出令决策者满意的最优调度方案。进一步的，所述步骤(1)中预报相对误差计算公式如下：式中，Qft为第t时段的预报入库流量；Qot为第t时段的实测入库流量；εt为第t时段的洪水预报相对误差。进一步的，所述步骤(2)中确定性水库调度多目标优化模型以水库最高水位最低和最大出库流量最小为优化目标，目标函数表达式如下：式中，T为调度期时段数；Zt为第t时段的水库水位；qt为第t时段的水库出库流量；确定性水库调度多目标优化模型约束条件的表达式如下：(a)水量平衡约束：式中，Q(t-1)，Q(t)水库第t时段始末的入库流量；q(t-1)，q(t)为水库第t时段始末的出库流量；V(t-1)，V(t)为水库第t时段始末的蓄水量；△t为时段长；(b)水库最高水位约束：Z(t)≤Zmax(5)；式中，Z(t)为水库第t时刻的水位；Zmax为水库允许的最高控制水位；(c)调度期末水位约束：Zend≥Ze(6)；式中，Zend为水库调度期末水位；Ze为水库调度期末控制水位；当满足其他约束时，可以取“＝”；(d)水库泄流能力约束：q(t)≤q(Z(t))(7)；式中，q(t)为水库第t时刻的出库流量；q(Z(t))为水库第t时刻在水位Z(t)时的泄流能力；(e)出库允许变幅约束：式中，|q(t)-q(t-1)|为水库相邻时段出库流量的变幅；为水库允许的出库流量变幅。进一步的，所述步骤(3)中根据步骤(1)中得到的预报相对误差统计分布，采用下式进行洪水过程的随机模拟：Qt'＝Qft·(1+εt)(9)；式中，Qt'为第t时段模拟的洪水流量，根据公式(9)，采用统计抽样法生成N个预报相对误差随机数，进而随机生成洪水过程集。进一步的，所述步骤(4)中运用蒙特卡罗模拟方法定量分析各水库防洪调度指标值(例如：水库最高水位、最大出库流量、期末水位等)的不确定性，该步骤进一步包括以下子步骤：(41)对于步骤(3)中生成的洪水过程集，采用步骤(2)中所确定的闸门控制方案(即水库出库流量过程或水库放水策略)进行逐一调洪演算，得到每一场洪水过程对应的防洪调度指标值；(42)对各个防洪调度指标值按照从大到小的顺序排序，绘制出各防洪调度指标值分布的累积频率曲线，统计各指标的均值和方差等统计矩，并推求出考虑指标值不确定性的随机决策矩阵；式中，ξij为第i个方案中第j个指标值的随机变量；(43)定量计算水库最高水位和最大出库流量超过设定阈值的风险率，计算公式如下：式中，PZ和PQ分别为最高水位和最大出库流量超过设定阈值的风险率；nZ和nQ分别为最高水位和最大出库流量超过设定阈值的次数；N为蒙特卡罗模拟的总次数。进一步的，所述步骤(5)中指标权重不确定性的量化包括四种形式：权重信息完全未知、权重向量确定、权重服从指定区间均匀分布和权重服从指定区间任意分布；其中，当权重服从指定区间均匀分布时，权重空间用公式表示为：式中，wj为第j个指标的权重；wjmin和wjmax分别第j个指标的权重最小值和最大值。进一步的，所述步骤(6)包括：(61)采用加权和公式计算各个防洪调度方案的效用值；假设本实施例中的多属性决策问题包含m个方案A＝{A1,A2,…,Am}和n个指标C＝{C1,C2,…,Cn}，X＝(xij)m×n为决策矩阵，w＝{w1,w2,…,wn}为权重向量，其中i，j分别为方案和指标序号；采用加权和公式计算各个防洪调度方案的效用值，即某个方案的综合效用等于部分效用的加权和：ui＝u(xi,w)(14)；式中，ui为方案Ai的效用函数值，相当于决策模型的作用，ui越大表明方案越优；xi为方案Ai的指标值向量；w为权重向量；(62)计算各方案的排序倾向权重；用概率密度函数fX(ξ)描述指标值的概率分布特征，用可行权重空间中的概率密度函数fW(w)描述权重的不确定性述，可行权重空间W定义为：为了定量表述各个方案获得相应排序的计算公式，定义以下排名函数：式中，ρ[true]＝1，ρ[false]＝0；ξi为方案Ai的指标值随机变量向量；rank(·)的取值范围为[1,m]；排序倾向权重Wir(ξ)是指使得方案Ai获得指定排序r(r＝1,2,…,m)的权重空间，定义为：Wir(ξ)＝{w∈W:rank(ξi,w)＝r}(17)；借助于排序倾向权重的概念，以不确定的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于蒙特卡罗模拟的水库调度随机多属性决策方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据历史洪水预报资料，分析预报相对误差的统计分布特性；(2)建立确定性水库调度多目标优化模型，求解得到有限数目的闸门控制方案；(3)基于当前预报洪水过程和预报相对误差分布，采用统计抽样法随机生成洪水过程集；(4)按照闸门控制方案对随机生成的洪水进行调洪演算，并量化各指标值的不确定性；(5)量化指标权重的不确定性；(6)建立随机多属性决策模型，采用蒙特卡罗模拟推求出令决策者满意的最优调度方案。

【技术特征摘要】
1.一种基于蒙特卡罗模拟的水库调度随机多属性决策方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据历史洪水预报资料，分析预报相对误差的统计分布特性；(2)建立确定性水库调度多目标优化模型，求解得到有限数目的闸门控制方案；(3)基于当前预报洪水过程和预报相对误差分布，采用统计抽样法随机生成洪水过程集；(4)按照闸门控制方案对随机生成的洪水进行调洪演算，并量化各指标值的不确定性；(5)量化指标权重的不确定性；(6)建立随机多属性决策模型，采用蒙特卡罗模拟推求出令决策者满意的最优调度方案。2.根据权利要求1所述的一种基于蒙特卡罗模拟的水库调度随机多属性决策方法，其特征在于，所述步骤(1)中预报相对误差计算公式如下：式中，Qft为第t时段的预报入库流量；Qot为第t时段的实测入库流量；εt为第t时段的洪水预报相对误差。3.根据权利要求1所述的一种基于蒙特卡罗模拟的水库调度随机多属性决策方法，其特征在于，所述步骤(2)中确定性水库调度多目标优化模型以水库最高水位最低和最大出库流量最小为优化目标，目标函数表达式如下：式中，T为调度期时段数；Zt为第t时段的水库水位；qt为第t时段的水库出库流量；确定性水库调度多目标优化模型约束条件的表达式如下：(a)水量平衡约束：式中，Q(t-1)，Q(t)水库第t时段始末的入库流量；q(t-1)，q(t)为水库第t时段始末的出库流量；V(t-1)，V(t)为水库第t时段始末的蓄水量；△t为时段长；(b)水库最高水位约束：Z(t)≤Zmax(5)；式中，Z(t)为水库第t时刻的水位；Zmax为水库允许的最高控制水位；(c)调度期末水位约束：Zend≥Ze(6)；式中，Zend为水库调度期末水位；Ze为水库调度期末控制水位；当满足其他约束时，可以取“＝”；(d)水库泄流能力约束：q(t)≤q(Z(t))(7)；式中，q(t)为水库第t时刻的出库流量；q(Z(t))为水库第t时刻在水位Z(t)时的泄流能力；(e)出库允许变幅约束：式中，|q(t)-q(t-1)|为水库相邻时段出库流量的变幅；为水库允许的出库流量变幅。4.根据权利要求1所述的一种基于蒙特卡罗模拟的水库调度随机多属性决策方法，其特征在于，所述步骤(3)中根据步骤(1)中得到的预报相对误差统计分布，采用下式进行洪水过程的随机模拟：Qt'＝Qft·(1+εt)(9)；式中，Qt'为第t时段模拟的洪水流量，根据公式(9)，采用统计抽样法生成N个预报相对误差随机数，进而随机生成洪水过程集。5.根据权利要求1所述的一种基于蒙特卡罗模拟的水库调度随机多属性决策方法，其特征在于，所述步骤(4)中运用蒙特卡罗模拟方法定量分析各水库防洪调度指标值的不确定性，该步骤进一步包括以下子步骤：(41)对于步骤(3)中生成的洪水过程集，采用步骤(2)中所确定的闸门控制方案进行逐一调洪演算，得到每一场洪水过程对应的防洪调度指标值；(42)对各个防洪调度指标值按照从大到小的顺序排序，绘制出各防洪调度指标值分布的累积频率曲线，统计各指标的均值和方差等统计矩，并推求出考虑指标值不确定性的随机决策矩阵；式中，ξij为第i个方案中第j个指标值的随机变量；(43)定...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱非林，钟平安，孙一萌，徐斌，万新宇，吴业楠，陈娟，李天成，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32