水庫群多目標調度風險管理決策支持系統研究

張 培，紀昌明，張驗科，吳月秋，李克飛(.華北電力大學可再生能源學院，北京 006；.黃河勘測規劃設計有限公司，鄭州 450003)

近年來，各大流域機構的調度管理部門，為了確保在增加水庫群的整體利用效益的同時降低不必要的災害損失，其調度方式變得越來越靈活，針對不確定性情況下的調度進行風險分析也逐漸受到重視[1-3]。隨著我國水電開發積極有序的推進，水庫群調度風險管理工作必將成為流域綜合管理的必然發展趨勢。水庫群多目標調度風險管理分析決策支持系統(Risk Management Decision Support System for Multi-objective Reservoirs Operation，MRO-RMDSS)作為一項十分重要的非工程措施，一直是國內外研究的熱點問題，許多學者在這一方面開展了相關理論研究和軟件開發工作[4,5]，但目前仍處于探索階段，主要研究內容多側重于針對系統開發中的一些關鍵技術進行理論分析，大型復雜流域的MRO-RMDSS在實際應用中并不多見。

1 系統開發的目的

多目標調度風險管理就是要在風險辨識與估計的基礎上探求相應的調控模式和決策方法，以便通過合理運用工程與非工程措施，獲取工程的綜合利用效益，減免災害的損失。這是一個復雜的涉及多數據、多目標、多約束、多模型的系統工程問題，要求運行管理人員具有較強的編程技術及豐富的水電站水庫群調度管理經驗。而在實際運行中，不同模型采用的編程語言也各不相同，這就造成了在模型調用過程中存在數據交互困難、可移植性差、調控性弱，可靠性低的問題。

為改變這種多目標調度風險管理決策支持手段不足的局面，本文以Delphi為開發平臺，結合Matlab和C++等編程語言，在重點研發的風險管理模型庫的基礎上，構建包含數據信息采集、模型調度仿真、風險管理、專家會商等功能的大型流域水庫群MRO-RMDSS，以提高決策的及時性、科學性，達到為水庫群多目標調度風險管理決策提供多層次、高精度的信息服務和多種決策支持手段的目的。

2 系統的架構設計

2.1 系統的框架結構設計

MRO-RMDSS主要支持在水庫群多目標調度的要求下，針對水庫調度運行中的主要風險因子進行水庫調度風險管理決策業務。根據MDRM-RDSS的開發目的，系統的總體邏輯結構采用三庫系統結構(如圖1)，即以數據庫、模型庫和知識庫為系統提供技術支撐，通過總控程序構成MRO-RMDSS的運行環境，再通過簡潔友好的人機交互界面有效地實現系統的各部分功能。

(1)人機交互界面。用戶界面主要用來對數據進行輸入和結果顯示，風險管理決策者可以通過計算機終端判斷該項調度決策對結果的影響程度。

(2)模型庫。模型庫是由一系列水庫群多目標調度風險管理模型組成，主要包括徑流預報模型，徑流隨機模擬模型、多目標調度模型、多目標風險評估模型、多目標風險評價與決策模型等。操作者可以在模型庫系統下對模型進行查詢、調用、修改和存儲。在系統運行過程中，模型庫通過對數據庫提出數據需求，進行模型計算并將運行結果存入數據庫以實現系統的各部分功能。

(3)知識庫。知識庫主要是水庫群多目標調度風險管理方面的經驗、常識和專家知識的集合。在系統執行過程中，通過知識庫與模型庫的交流，有助于選擇最合適的模型進行計算；同時，知識庫還可以為對計算得到的結果數據提供專家知識，幫助決策者決策。

(4)數據庫。數據庫包含實時數據庫、歷史數據庫、模型數據庫和綜合數據庫。在系統運行中，數據庫通過接口程序為模型庫提供模型運行所需的數據，并將模型計算的結果以特定的數據形式存儲入數據庫以供查詢或備用。數據庫還負責存儲多目標風險管理所需的相關數據，包括與多目標水庫調度信息系統交互的數據、預定義的數據以及多目標風險分析模型計算過程所需保存的緩存數據等。

圖1 MRO-RMDSS的框架結構圖Fig.1 The framework structure of MRO-RMDSS

2.2 系統的主要功能設計

MRO-RMDSS的主要功能是：通過及時、準確地完成各類基礎數據的查詢與處理；運用專業的數學模型及時、準確地作出多目標調度方案，并進行多目標調度風險分析，選擇最佳的多目標調度方案；通過系統內嵌的調度預案選擇、調度仿真、防洪興利調度會商等功能模塊，為多目標調度與決策指揮提供全方位的決策支持和現代化的管理手段。MRO-RMDSS的業務流程圖如圖2所示。

MRO-RMDSS從功能上可分為信息接收處理與查詢、業務分析處理、會商決策支持3個層次。

(1)信息接收處理與查詢。主要包括系統應用層數據的接收與處理，信息服務與數據的查詢管理。為提高決策管理者的工作效率及辦公自動化程度，系統提供各種公共信息和水調業務查詢、各類報表生成、打印等功能。

圖2 MRO-RMDSS業務流程圖Fig.2 The business process diagram of MRO-RMDSS

(2)業務分析處理。面對復雜的多目標調度風險管理決策問題，決策管理人員需要通過徑流預報、多目標調度、多目標風險評估、多目標風險評價等制定相應的對策。通過系統的功能層，決策者通過調用適當的模型，能夠得到水庫調度過程中面臨的風險與效益的關系，系統將計算結果快速的以表格、報表和圖形的形式做可視化顯示，為調度管理人員做出合理的決策提供必要的調度方案和信息。

(3)會商決策支持。會商決策支持能夠體現整個系統的綜合功能。梯級水庫多目標聯合調度是一個綜合風險評價與決策問題，有效的解決該問題對獲得水資源的最佳利用效益具有重要的指導意義。系統能夠以數據表格的形式方便直觀的顯示出多目標模型的非劣解集，并能在會商時為決策者提供可視化極強的輔助會商工具，可通過電子會議等遠程技術手段為群體決策或異地會商提供支持，以方便決策者進行評價，選出最優調度方案。

2.3 系統混合編程的關鍵接口技術

Delphi 擁有一個可視化的集成開發環境，具有簡單、易操作的特點，以其做為MRO-RMDSS的主要開發平臺。借助Matlab強大的運算能力及其在函數繪制、數據圖像表達方面的優勢，采用Matlab對預報模型、徑流隨機模擬模型、風險因子估計和多目標決策模型進行編程計算。而水庫群優化調度由于其多目標、多約束的特性，則采用具有較快運行速度的C++對其進行編程計算。Matlab可以直接調用C、C++，也可以將編寫的C、C++程序導入到Matlab函數庫中方便以后調用。利用Matlab COM Bulider 將Matlab函數文件轉化為COM組件，即可在Delphi程序中調用該組件。

3 系統建設實例應用

雅礱江下游河段是目前雅礱江干流水電開發的重點河段，其中由錦屏一級(錦西)、錦屏二級(錦東)、官地水電站自上而下構成的“錦官電源組”梯級水電站群是雅礱江流域的大型水利樞紐，承擔著防洪、發電、生態保護等綜合利用任務。以中長期調度為例，在對錦官電源組進行多目標調度風險分析時，主要考慮水庫大壩自身和下游地區的防洪安全，以整個調度期內梯級系統的發電量最大為目標，并兼顧梯級的水生生態保護調度要求。

3.1 系統的主界面開發

按照以上介紹的MRO-RMDSS的建設思路，以Delphi 為開發平臺，基于MATLAB與C++編程語言以及SQL Server 數據庫，設計與開發了運行界面友好、操作簡易、功能強大的錦官電源組MRO-RMDSS，系統主控界面如圖3。

圖3 MRO-RMDSS主界面Fig.3 The main interface of MRO-RMDSS

前臺開發采用能為用戶提供功能強大、圖形界面豐富的Delphi 做為開發平臺，其數據庫軟件選擇了SQL Server 2000，并采用了C/S的結構形式來存放數據庫，這樣能保證數據庫處理的分析過程分布在客戶機和服務器上，方便服務器被多臺客戶機訪問。

3.2 系統的主要功能

3.2.1信息采集處理與查詢

調度所需數據信息主要從企業網和電網提取，并結合采集的水雨情、工情和災情信息，經規范化處理后存儲于數據庫中。其中實時水雨情、工情數據經自動鏡像遙測并轉化為預報調度所需的數據傳輸到庫中，災情數據主要包括歷史徑流資料、專家調度的決策和經驗以及各種多目標風險決策過程中所需要查詢的文檔資料。用戶在操作界面可以對系統參數及模型參數進行修改和設置，通過系統實現數據的查詢、調用、保存和修改等功能，使決策者在多目標調度風險管理決策的過程中，能夠迅速獲得這些資料，為決策提供參考。

3.2.2多目標調度風險評估

根據梯級水庫的系統特點、多目標調度的要求和調度過程中存在的主要風險因子，可以通過系統內嵌的多目標調度風險分析模型進行求解，獲得梯級水庫調度的最佳妥協解，并通過表格、報表和圖形等形式，將結果做可視化顯示(如圖4-圖6)，為不確定環境下的水庫多目標調度決策提供一定的技術支持，同時便于調度人員進行風險管理。

決策者可以通過選取適當的多目標風險管理模型為自己提供決策指導。如圖4所示為決策者調用模型庫中的基于機會約會原理構建的多目標風險決策模型系統的操作界面，決策者可以通過對調度目標、風險因子的選取及模型參數的設置 ，得到的模型計算的結果。如圖5所示為當決策者調用模型庫中的多目標最小風險模型時系統的操作界面，決策者通過對調度目標、風險評價指標、約束條件的選擇及對模型主要參數的設置，得到的模型計算的結果。

圖5 多目標最小風險模型界面圖Fig.5 The Interface figure of Multi-objective Minimum risk model

3.2.3多目標調度風險評價

梯級水庫聯合調度是一個多目標綜合風險評價與決策問題。常用的評價方法主要有層次分析法、熵權法、支持向量機法[6]等，本文通過對這些評價模型進行篩選、改進，將其納入到風險管理模型庫中。決策者可以通過選取與調用這些模型，有效快捷完成對非劣解集方案的評價，以便選出調度決策的最佳方案。如圖6所示為系統的多目標調度風險評價界面，決策者 通過選擇合適的評價模型，不僅得到不同方案的評價結果對比分析，還可以得到各種評價方案所對應的結果的優劣順序。

圖6 不同評價方法的結果對比分析界面Fig.6 The Interface figure of the results analysis of different evaluation methods

3.2.4多目標會商決策

多目標風險管理通常是一個多人會商的過程，在系統中提供了強大的會商輔助功能。主要通過徑流模擬技術及水庫調度仿真過程為會商決策提供技術支持，將專家知識引進到系統中，使會商分析平臺能夠充分發揮群體決策的主觀能動性，并提供遠程會議協商等技術支持，最大限度地降低決策的不確定性。

4 結 語

以研發的風險管理模型為核心，建立了從數據信息采集、分析、處理到公共查詢、調度仿真、風險管理、報表查詢、專家會商的大型流域水庫群MRO-RMDSS。進行了良好的圖表設計，使水庫聯合調度多目標風險分析決策效應更方便與直觀，實現了多目標調度風險管理計算機自動化過程。

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[1] 李克飛，紀昌明，張驗科. 水電站水庫群多目標聯合調度風險評價決策研究[J].中國農村水利水電,2012,(10),:120-122.

[2] Becker L, Yeh WW-G. Optimization of Real Time Operation of a Multiple-Reservoir System[J].Water Resources Research, 1974,10(6):1 107-1 112.

[3] 紀昌明,蔣志強,孫 平. 李仙江流域梯級總出力調度圖優化[J].水利學報，2014,45(2):197-204.

[4] 韓宇平,阮本清,汪黨獻.區域水資源短缺的多目標風險決策模型研究[J].水利學報, 2008,39 (6):66.

[5] 黃 強,苗隆德,王增發.水庫調度中的風險分析及決策方法[J].西安理工大學學報,1997:673.

[6] 陳文偉.決策支持系統及其開發[M].2版.北京:清華大學出版社, 2000.

[7] 黃明聰,解建倉,阮本清,等.基于支持向量機的水資源短缺風險評價模型及應用[J].水利學報, 2007,38(3):255-259.