基于约束机制粒子群算法的水库库容曲线修正方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Modified method of reservoir capacity curve based on particle swarm optimization with constraint mechanism

【技术实现步骤摘要】
基于约束机制粒子群算法的水库库容曲线修正方法
本专利技术涉及水利工程中的已建水库库容曲线修正方法，尤其是涉及基于约束机制粒子群算法的水库库容曲线修正方法。
技术介绍
水库库容曲线是水库工程规划设计和运行管理的必备参数和基础成果之一，其精度对水库调控方式及效益产生重大影响。目前，我国大约有9.8万余座已建成水库工程，仅有少数大型的、特别重要的、泥沙淤积问题严重的水库会经常性的对库区地形进行测量，但由于测量代价较大，大多数水库库容曲线极少进行复核测量，若在运行管理期间库区地形形态发生显著性变化，对水库运行调度决策将产生重大影响。因此，如何采用成本较低的方式复测水库库容曲线具有广阔的现实需求。通常获取水库库容曲线有两种途径：一是直接测量法：对库区陆地和水下地形进行全面、高精度的测量；二是水量平衡法：基于水库运行资料，采用水量平衡方程对库容要素进行推算。直接测量法又分为地形图法和横断面法。地形图法通过全库区周边及水下范围的测量，“自下而上”进行累计计算，该方法所得成果可靠、精度高，但外业工作量巨大，对测量设备要求高，需投入大量人力、物力和财力，作业周期较长，因此该方法适用于库区范围较小、库区冲淤变化不显著的水库或库容影响重大的水库。水量平衡法根据水库不同水位高程下的入库、出库流量、降雨、蒸发、渗漏等观测资料，依据水量平衡方程计算对应库容差，综合形成库容曲线。该方法几乎不需开展外业工作，对库区范围、形态也没有限制，仅对运行资料的精度、时段、完整性等有一定要求，因而适用范围相对较广，成本相对较低。但是，水量平衡法也存在一定的局限性和问题：首先，由于水文测验精度有限，库周汇流难以精确测算，入库流量计算可能存在一定的误差；其次，水库蓄泄运用时，库岸坍塌、库区泥沙冲淤将引起不同高程下的水面面积发生变化，影响了库面降雨直接入库水量及库面蒸发水量的测算，进而增大入库、出库水量的计算误差；再次，由于库容值是由库容差值由低水位向高水位累加求和，导致库容误差被不断累计和传播；最后，水量平衡法仅得到库容值，尽管通过试算法可反推对应的水面面积，但会出现高水位水面面积小于低水位水面面积这种违背常理的不协调现象。因此，如何克服上述水量平衡法存在的问题，提高水库库容曲线精度是一个亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种基于约束机制粒子群算法的水库库容曲线修正方法，以不同水位对应的水面面积作为决策变量，通过构建符合变量内部相邻成员间变化规律的约束机制，运用改进的粒子群算法，求解与运行资料偏差最小(即离差平方和最小)的库容曲线。为实现上述目的，本专利技术采取下述技术方案：本专利技术所述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：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k＝1，2，……，P，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。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n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；/n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

【技术特征摘要】
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′...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐林，张珍，王攀科，王冠霖，
申请(专利权)人：黄河勘测规划设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41