一种改进的联合概率规划模型系统优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于系统管理领域，具体涉及一种改进的联合概率规划模型系统优化方 法。
【背景技术】
[0002] 水资源是构成国家自然和文化景观的战略性资源，也是区域经济发展模式的决 定性因素。可以说，没有水就没有生命，也就没有社会的发展和进步。近些年来，随着国 民经济的持续高速发展，我国正面临着严重的水资源危机问题。水资源短缺、地下水开釆 过量、利用水平低、水污染问题严重等矛盾日益突显出来，已经成为我国社会经济发展的 重要制约因素。在此背景下，开展水资源和水环境管理规划能够有效解决面临的水危机问 题。然而，管理规划是涉及社会、经济、环境、技术、政策等众多因素的复杂过程，系统内存 在大量的不确定性信息，使得传统确定性规划方法的应用受限。在水文水环境系统风险分 析中，首先需要考虑的是系统的不确定性问题。系统的不确定性，既源于系统的内在不确定 性，也产生于模型的不确定性、参数的不确定性和获取到的信息的不足和不精确性。关于风 险与不确定性问题的研宄，尤其是在风险分析中有关不确定性对风险影响的量化问题的研 宄，已受到国内外学者的关注和重视。因此，本申请引入不确定性联合概率多阶段方法， 应用到流域水资源和水环境管理规划中，以反映并处理这种不确定性和复杂性，为决策方 案的生成提供技术支撑。
[0003] 不确定性一般可以分为两大类：随机性和模糊性。随机技术可以解决概率性类不 确定性问题，其中概率分布函数用来描述参数的随机不确定性常见的随机抽样分析技术， 如蒙特卡罗模拟方法，是由一系列的单独样本点的迭代构成，经过模拟生成多个结果，通 过结果分析，最终输出随机分布结果。模糊技术利用模糊隶属函数和模糊语言等处理模糊 可能性和对风险等级进行描述，它可以解决主观判断或数据信息不足无法用概率分布描 述的不确定性。其中，机会约束规划能够有效处理管理系统中存在的复杂关系。机会约束 规划是在一定的概率意义下达到最优的理论，它针对约束条件中含有随机变量，并且必须 在观测到随机变量的实现之前做出决策的问题。在资源、环境管理问题中，常需要在某个时 刻做出一定的决策或提出一定的设想。这些决策或设想通常情况下都是根据现状、经验或 趋势预测作出的，但事实情况是，决策产生的结果因受到之后一系列随机因素的干扰而不 能达到理想的要求。为使制定决策更加科学，要努力减小随机因素带来的不利影响，修正决 策，以寻求决策与随机干扰之间的某种"妥协"。而对于随机因素带来的不利影响，以某个 随机数来表述统计信息是不全面的，通常是借助于"概率期望值"来度量。管理者承诺给某 用户一定的水量，若能按照承诺供给用水，将产生净利润；若不能按照承诺供水，则需要从 其他较昂贵的水源地获取用水，或是消减用水需求。在规划期内，水供应量为随机变量，相 关水量分配方案具有动态特征，即是在某些时刻、某些概率水平条件下作出决策。因此，该 问题可以构建为基于情景分析的追偿性多阶段随机规划模型，其主要特征是在two-stage 基本形式中引入了时间T，并考虑了对应于各"情景"的当前周期t概率水平与周期t-1， t-2, . . .，1所构成的联合概率。在多阶段规划的框架中引入联合概率机会约束规划，更加 有效处理模型中存在的不确定性，传统的规划方法不能充分反映和处理管理系统中存在的 大量复杂性和不确定性。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了克服现有技术存在的上述缺陷，针对水资源系统分配过程 中，市政、工业和农业部门的竞争性用水问题，研宄上游蓄水库、地表河流、以及下游用水部 门实际水资源分配及用水消费情况，抽象出数学模型，构建一种改进的联合概率规划模型。
[0005] 一种改进的联合概率规划模型系统优化方法，所述模型如下：
[0006] 目标函数：系统最优化
[0007]
【主权项】
1. 一种改进的联合概率规划模型系统优化方法，其特征在于，所述方法针对水资源系 统分配过程中，市政、工业和农业部门的竞争性用水问题，研宄上游蓄水库、地表河流、以及 下游用水部门实际水资源分配及用水消费情况，抽象出数学模型，所述模型为 目标函数：系统最优化
约束条件： 水库不同阶段下的水量平衡约束 = Stk + &tk- Rtk，/t·, k = \, 2, ,,, Ki 各部门所得水资源量约束 ?=1,2 3 /=1 联合概率约束 M Σ m=l 水资源损失系数服从正态分布 心 ~ Nijim 水库库容最大约束 5^ S i?" V7; Α： = 1，2，· · ·，[, 水库库容最小约束 Sli >R?yi; /< =1, 2, ..., Kt 各部门需水量约束 Wltmax >wit> Vitk > 0, V /, f, k 式中Ω为系统最优值；Cit为用水单元i每单位用水的净优;Wit为用水单元i的水资源 规划目标；t为规划时期，t = 1为一阶段，t = 2为二阶段，t = 3为三阶段；Ptk为径流水平 k发生的概率；Dit为对于用水单元i，不能得到满足的每单位用水所带来的损失，D it>Cit; Vitk为当季节性流量为么时，用水规划目标中不能被满足的水量；Stk为水库库容量；么为 季节性径流在第t阶段，径流水平k时的水量；Rtk为水库下游输水量；K t为径流水平总数； i为用水单元；t为多阶段的不同时间段；Θ m为输水损失率，服从正态分布，期望值为μ m， 标准差为。^R1为设计库容；R2为最低库容；q为联合概率，Qni为独立概率，Σ扎。 W=I
2. 根据权利要求1所述改进的联合概率规划模型系统优化方法，其特征在于，所述模 型为非线性模型，在求解时，引入概率的反函数（Φ 4 (l_qm))，将所述模型等价转化为线性 化模型： 目标函数：系统最优化
约束条件： 水库不同阶段下的水量平衡约束
各部门所得水资源量约束
联合概率约束
水库库容最大约束 = U 2, .... /C 水库库容最小约束 5, > R:yrj<=\, 2. ...,Kt 各部门需水量约束 Wum3^Wit >Vi&>0, V2', t,k 根据区间交互式算法将所述模型拆解为上界子模型和下界子模型，引入惩罚系数将非 线性上界子模型和下界子模型转化为所对应的线性规划模型，进行求解。
3.根据权利要求1所述改进的联合概率规划模型系统优化方法，其特征在于，所述方 法按照如下步骤进行： a、 对目标系统进行调查，按照实际情况确定模型的方法、模型的目标函数和系统约束； 所述目标函数包括：在可得水资源量有限的情况下，水资源分配系统中各部门合理分配水 量；所述系统约束包括水库不同阶段下的水量平衡约束，各部门所得水量约束、水库最大最 小库容约束以及各部门需水量约束； b、 收集所需数据，通过调查年鉴、政府公告和文献获得输入数据，并通过内插和外推的 统计方法处理原始数据得到符合模型计算的连续统计数据； c、 选择软件，编程计算，所述计算的结果包括：流域内各部门在不同阶段所得水资源分 配量，各部门在不同联合概率水平多阶段下水资源的短缺量，不同联合概率下系统收益及 惩罚值的动态变化； d、 根据计算结果，安排各部门水资源分配计划，并且根据不同概率水平下所得水资源 短缺量，安排生产以达到最大获益。
【专利摘要】本发明公开了一种改进的联合概率规划模型系统优化方法，所述方法包括如下步骤：a、对目标系统进行调查，按照实际情况确定模型的方法、模型的目标函数和系统约束；b、收集所需数据，通过调查年鉴、政府公告和文献获得输入数据，并通过内插和外推的统计方法处理原始数据得到符合模型计算的连续统计数据；c、选择软件，编程计算，d、根据计算结果，安排各部门水资源分配计划，并且根据不同概率水平下所得水资源短缺量，安排生产以达到最大获益。
【IPC分类】G06Q50-06, G06Q10-04
【公开号】CN104636834
【申请号】CN201510122507
【发明人】庄晓雯, 李永平
【申请人】华北电力大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年3月20日