本发明涉及一种基于动态规划模型的水闸优化调度方法。
背景技术：
对于大型水闸工程，尤其是闸门数量较多(9孔以上)的水闸，因为水闸上游的水位要求，以及下游河道水流不能过于集中而导致的河道冲刷问题，需要合理的启闭闸门，从而达到既满足上游的蓄水要求，又能避免下游河道冲刷严重，最终实现水闸工程的保持较高供水保证率的优化调度运行的目标。
当前阶段，国内一般采用的水闸调度方式是，划定离散的闸门启闭开度步长，根据闸门启闭时遵循的对称、间隔原则，列举出某个特征水位下各闸门不同启闭开度的组合，形成一个粗略的水闸控制运用的运行方案。一般由该工程的设计方提供上述的运行方案，水闸工程管理单位根据该运行方案，再根据当前的过闸流量或者人工估算的来水流量，去匹配相应的闸门运行方案进行闸门启闭控制。这样的方式，存在以下几点问题和缺点:
无法判断未来长周期的来水情况，不能计算得到最终合适的运行方案，需要频繁启闭闸门进行调整，无法达到优化调度的目标，反而使得工程管理工作越加混乱和繁忙。
仅局限于某特征水位下的工况，来匹配闸门运行方案，不能根据实时水位和未来的水位变化情况得出更优的运行方案，造成误差过大。
闸门启闭的组合方式固定，不能根据实时工况(比如某孔闸门故障)进行动态调整，需要人工去判定和调整，导致耗时长、误差大，无法达到最优的供水保证率目标。
如果通过人工枚举闸门组合运行方案，因为闸门启闭开度步长、闸门数量、库水位离散程度和调度周期等的不确定性，会导致此项工作量十分巨大，使用方面也会有诸多困难。
技术实现要素：
本发明解决解决了人工枚举的方案带来的误差过大，以及特殊工况下人工调整运行方案困难。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于动态规划模型的水闸优化调度方法，包括以下步骤：
s1：对水闸的来水流量按小时为时段划分为t个阶段，以t代表变量，相应的时刻t～t+1为面临时段，时刻t+1～t+1为余留时期；
s2：描述多阶段决策过程演变过程所处状态的变量，选用每个阶段的库水位z为状态变量，取zt和zt+1，zt为t时刻初/末的库水位，zt+1是t+1时段的初始蓄水状态；
s3：取流量qt决策变量，给定时段t的初始状态zt，作出决策qt，则时段初的状态将演变为时段末的状态zt+1；
s4：通过水量平衡方程求出vt和vt+1，再由水位库容关系曲线得到zt和zt+1的关系，即为状态转移方程；
s5：建立效益函数和目标函数，对于单一水闸，以水闸在调度期供水保证率最高作为优化准则或目标，将防洪安全及其他用水要求作为约束条件处理；
s6：建立递推方程；
s7：使水闸在运行过程中满足约束条件，得到最终优化结果。
作为优选的，所述步骤s4中的状态转移方程为
vt+1＝vt+(qr，t-qt)·δt
zt+1＝f(zt)
式中：vt+1、vt分别为时段t和时段t+1的库容；qr，t为时段t的来水流量；qt为时段t的过闸流量；δt为时段的时长。
作为优选的，所述约束条件包括目标水位上下浮动的水位、闸门高度、每次启闭的开度及最大过闸流量中的一种或多种。
作为优选的，所述步骤s6中的递推方程为：
fk(sk)＝opt{rk(sk，dk)+fk+1(sk+1)}
k为不同阶段。
作为优选的，所述递推方程还配合有边界条件。
作为优选的，所述边界条件为：fn+1(sn+1)＝0。
作为优选的，所述变量为阶段变量t，状态变量z和决策变量q。
作为优选的，还包括阶段内闸门启闭优化组合的厂内优化模型，将水闸所有闸门顺序编号，每孔闸门作为一个阶段，建立递推方程和状态转移方程，使水闸在运行过程中满足约束条件，得到最终优化结果。
作为优选的，所述约束条件为以闸门启闭中遵循的间隔、对称开启的原则作为约束条件，使得本时段内闸门启闭的开度在各闸门间得到最优分配，使期末的水位达到目标水位。
本发明的有益效果为：通过科学高效的数学模型，优化计算得到的水闸运行方案，能有效提高水闸供水保证率，达到水闸科学运行管理的目标,同时结合计算机应用软件，在一定程度上解放管理人员的双手，节约方案计算时间，大大降低管理人员的工作强度，更好地实现水利现代化管理的目标。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些实施例获得其他的实施方式。
一种基于动态规划模型的水闸优化调度方法的基本原理：
动态规划的基本思想是bellma的最优化原理，即作为整个过程的最优策略应具有这样的性质：无论过去的状态和决策如何，对面临的决策所形成的状态而言，余留的诸决策必须构成最优决策。
动态规划方法的关键在于正确地写出基本的递推关系式和恰当的边界条件。在多阶段决策过程中，动态规划方法是既把当前一段和未来各段分开，又把当前效益和未来效益结合起来考虑的一种最优化方法，因此每段决策的选取是从全局来考虑的，与该段的最优选择答案一般是不同的。
在求解整个问题的最优决策时，由于初始状态是已知的，而每段的决策都是该段状态的函数，故最优策略所经过的各段状态便可逐次变换得到，从而确定最优路线。
一般情况，k阶段与k+1阶段的递推关系式可写为：
fk(sk)＝opt{rk(sk，dk)+fk+1(sk+1)}；
边界条件为：
fn+1(sn+1)＝0。
动态规划在水闸优化运行的应用：
动态规划算法是目前求解单一水闸优化调度问题最成功的方法。对于具有预报来水流量的水闸工程，其水闸运行调度是一个典型的多阶段决策过程，可以按照下列系统概化思路进行处理：
s1：阶段与阶段变量。对于具有预报来水流量的水闸，可以将来水流量按小时为时段划分为t个阶段，以t代表变量，则t＝1，2......t。相应的时刻t～t+1为面临时段，时刻t+1～t+1为余留时期。
s2：状态变量。描述多阶段决策过程演变过程所处状态的变量，称为状态变量。它能够描述过程的演变，而且满足无后效性要求。这里选用每个阶段的库水位z为状态变量。zt和zt+1，分别为t时刻初/末的库水位，其中zt+1也是t+1时段的初始蓄水状态。
s3：决策变量。取流量qt决策变量，当时段t的初始状态zt给定后，如果作出某一决策qt，则时段初的状态将演变为时段末的状态zt+1。在实际调度中，决策变量qt的选取往往限制在某一范围d内，此范围称为允许决策集合，有qt∈d。
s4：状态转移方程。通过水量平衡方程求出vt和vt+1，再由水位库容关系曲线得到zt和zt+1的关系，即为状态转移方程：
vt+1＝vt+(qr，t-qt)·δt；
zt+1＝f(zt)；
式中：vt+1、vt分别为时段t和时段t+1的库容；qr，t为时段t的来水流量；qt为时段t的过闸流量；δt为时段的时长。
状态转移方程或系统方程，把多阶段决策过程中的3种变量；即阶段(时段)变量t状态变量z和决策变量q三者之间相互联系了起来。对于确定性的决策过程，下一阶段的状态完全由面临时段的状态和决策所决定。
s5：建立效益函数和目标函数。对于单一水闸，以水闸在调度期供水保证率最高作为优化准则或目标，而将防洪安全及其他用水要求作为约束条件处理。
s6：建立递推方程。递推方程的具体形式与递推顺序和阶段变量的编号有关。
s7：约束条件。水闸在运行过程中应满足的各种约束条件包括目标水位上下浮动的水位、闸门高度、每次启闭的开度及最大过闸流量等。
在本实施例中，水闸优化调度分为两层优化调度，一是整个调度过程中的水闸优化调度模型，已知确定的供水目标水位，通过计算得到各时段分别应该如何开关闸进行泄水，使总体的供水保证率最高还包括闸门启闭优化组合的厂内优化模型，将水闸所有闸门顺序编号，每孔闸门作为一个阶段，建立递推方程和状态转移方程，使水闸在运行过程中满足约束条件，得到最终优化结果；二是某阶段内的闸门启闭优化组合定义为厂内优化运行模型，主要是确定在目标水位和允许达到的最高最低水位限制下，所需过闸流量对应的总开度在各闸门间的合理分配，使期末的水位达到目标水位，符合供水保证要求。具体的通过阶段内闸门启闭优化组合的厂内优化模型，将水闸所有闸门顺序编号，每孔闸门作为一个阶段，按照步骤s1～s7的方法建立递推方程和状态转移方程，使水闸在运行过程中满足约束条件，得到最终优化结果，约束条件为以闸门启闭中遵循的间隔、对称开启的原则作为约束条件，使得本时段内闸门启闭的开度在各闸门间得到最优分配，使期末的水位达到目标水位。
上述的计算步骤是整个调度周期内中的优化计算，而每个阶段内又包含闸门启闭优化组合的厂内优化模型，按相同的计算步骤，确定在给定的水位约束条件下，所需过闸流量对应的总开度在各闸门间的合理分配，使期末的水位达到目标水位，符合供水保证要求。
本发明的有益效果为：通过科学高效的数学模型，优化计算得到的水闸运行方案，能有效提高水闸供水保证率，达到水闸科学运行管理的目标,同时结合计算机应用软件，在一定程度上解放管理人员的双手，节约方案计算时间，大大降低管理人员的工作强度，更好地实现水利现代化管理的目标。
本发明的有益效果为：通过科学高效的数学模型，优化计算得到的水闸运行方案，能有效提高水闸供水保证率，达到水闸科学运行管理的目标,同时结合计算机应用软件，在一定程度上解放管理人员的双手，节约方案计算时间，大大降低管理人员的工作强度，更好地实现水利现代化管理的目标。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。