基于时-频转换降维的水库群多目标调度谱优化模型软件（ROSOM）

任务来源：

技术领域：水利信息化

技术来源：自主研发，该软件获得了计算机软件著作权登记证书，登记号2017SR509655。

技术原理

基于时-频转换降维的水库群多目标调度谱优化模型软件（ROSOM）V1.0的技术原理包括优化调度目标函数、约束条件以及优化求解方法等部分。以美国哥伦比亚河大型混联水库群为研究案例介绍，计算范围包括中下游以及支流上10个大中型水库及其河段。入流包括大古力水库（Grand Coulee）的入库径流、下花岗岩水库（Lower Granite）的水库径流及区间支流的天然径流。各水库的出流为模型的控制变量（即决策变量）。

技术特色

开发的相应软件产品主要功能包括水库群优化调度和区间河道水位流量过程模拟，其中水库群优化调度为多目标，采用进化遗传算法进行优化求解；区间河道水位流量过程模拟为水文学方法，采用率定后的马斯京根模型进行求解。优化模型中上一级水库的决策变量（即水库下泄流量）作为该水库下游河道水位流量过程模拟的输入条件，并演算至下一级水库的坝前。然后以坝前的水位流量作为该水库优化调度的输入条件，以此进行顺序耦合，分叉河道处的流量水位过程同时考虑多个入流及河道验算。模型最下游水库的下游水位流量关系则为模型的水位边界条件。软件将水库优化调度和区间河道水文过程计算同步耦合，进行梯级水库群多目标优化调度，同时模型的决策变量在每一步迭代中完成时-频转换，在低维的频域空间进行优化，极大的减少了变量的搜索空间，因此优化模型的计算效率将大为提高。

技术指标

（1）离线计算与在线优化结合。调度决策变量的集合可通过离线模式进行重复和不间断的计算，其计算成果可通过快速的时频转换分析应用到谱优化模型中，从而开展高效的在线优化。
（2）具有指数的降维效果。水库调度的决策变量的时域相关性（自相关与互相关）较高，即下一时刻的下泄水量与上一时刻高度相关，下游水库的泄水量与上游水库的泄水量也高度相关。该相关性通过时-频分析转化，变量数目可呈指数型下降。
（3）显著提升遗传优化算法性能。遗传算法在对水库调度决策变量进行优化时，其交叉和变异算子将对单个决策变量进行随机调整，如果决策变量间存在相关关系，则随机调整可能破坏原有决策变量解的优良性，从而浪费迭代次数。通过时-频转换后，决策变量为独立的变量，每一次迭代均能对现有解进行优化，从而极大提升优化算法的效率。
（4）具有普适性。可以对不同联系的水库群如串联、并联和混联进行优化分析，适用于大部分的水库群联合调度优化计算。
（5）软件技术主要基于Matlab程序语言通过面向对象编程进行开发，多个模块单独封装，组合性好，适用性强，后期易于维护。软件界面利用Matlab自带的GUI模块进行开发，程序每次启动时将自动弹出界面，方便用户进行后续操作。界面集成了面板、按钮、数据输入、结果输出等功能，操作简便易用。
（6）软件开发的硬件环境：CPU主频大于1GHz，内存大于1GB，硬盘容量在2GB以上的计算机，该软件开发的软件环境：Windows操作系统（Windows10/2000/7/8），该软件编程语言及版本号：Matlab 2016年。

应用范围及前景

我国有水库8.6万座，相应的水库群优化调度模型的决策变量将急剧上升，模型求解将变得异常复杂，给水库群运行和管理带来巨大挑战。水库群优化调度决策变量降维是突破优化模型维数瓶颈亟需解决的关键问题，也是我国大型水库群安全运行和高效管理的迫切需求。因此，基于时-频转换降维的水库群多目标调度谱优化模型软件可为流域梯级水库联合调度方式优化与快速求解提供技术支撑。
当前大江大河及其支流所建立梯级水库群已大多投运，该模型软件的推出，可广泛应用于梯级水库群多目标联合调度的模拟计算，适用于梯级水库联合调度下的多目标优化与求解研究与工程实际应用。国内目前有几十家从事梯级水库群联合优化调度模拟研究的单位，如大专院校、部委及省市下属的各公益水利科研院所等，基于时-频转换降维的水库群多目标调度谱优化模型软件，为梯级水库群多目标优化调度求解效率的提升提供一条行之有效的新路径，还可为流域航运规划提供技术手段，为其他复杂系统工程问题的解决提供参考，具有较强的推广应用价值。

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