CN111325388B - 一种不确定条件下降低能耗的水资源优化配置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水资源配置技术领域,尤其涉及一种不确定条件下降低能耗的水资源优化配置方法,包括:步骤A、预测配置区的水资源需求量、水资源可获得量,将其作为水资源配置模块的前端基础数据;步骤B、基于配置区水资源自然状况设置能源消耗情况,将其作为配水耗能模块的前端输入,构建模型目标函数;步骤C、采用两阶段双层规划分析对模型进行优化求解,并耦合模糊满意度算法与区间交互式算法,设置各用户配水量与上层目标的隶属函数。本发明可在优化水资源配置的基础上,有效减少配水能耗量,获得节能增收的水资源配置方案。
Description
技术领域
本发明属于水资源配置技术领域,尤其涉及一种不确定条件下降低能耗的水资源优化配置方法。
背景技术
水资源是人类生存的基础,随着人口增长与社会发展,水资源短缺问题日益严重。据统计,全世界有18亿人口面临着水资源短缺问题,其中,6.63亿甚至无法获得安全的饮用水。同时,能源短缺也是急需解决的世界性难题。而水资源与能源具有紧密的耦合关系。水资源抽取、运输、净化、处理中需要大量的能源,而能源生产过程中也要消耗大量的水资源。因此,如何在增大系统收益的同时,减少水资源配置过程耗所能量,实现水资源系统综合管理,在追求经济效益的同时,实现能源节约的绿色发展模式,做到资源可持续是目前所要解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种不确定条件下降低能耗的水资源优化配置方法,包括:
步骤A、预测配置区的水资源需求量、水资源可获得量,将其作为水资源配置模块的前端基础数据;
步骤B、基于配置区水资源自然状况设置能源消耗情况,将其作为配水耗能模块的前端输入,构建模型目标函数;
步骤C、采用两阶段双层规划分析对模型进行优化求解,并耦合模糊满意度算法与区间交互式算法,设置各用户配水量与上层目标的隶属函数。
所述步骤A包括:
步骤A0:输入配置区地理边界范围,基于支持向量机模型,预测配置区域不同用户在规划时期内的水资源需求量,并依据各用户历史用水量的波动情况,将需求量表示为区间参数形式;
步骤A1:依据配置区自然地理状况,采用逐步聚类分析法预测区域地表水、地下水水资源储量,将获得的水资源可获得量作为优化配置模型的输入边界;
步骤A2:加载各用户水资源需求区间以及水资源可获得量,将其作为水资源配置模块的前端基础数据,并设置误差允许范围,作为参数的波动区间。
所述步骤B包括:
步骤B0:调取配置区地下水深度、土层结构、地表水至各用户距离的水资源自然状况,依据经验公式设置单位水资源抽水能耗、净化能耗、输水能耗、处理能耗,将其作为配水耗能模块的前端输入;
步骤B1:加载区域配水耗能模块,考虑水资源优化配置中的不确定性,构建模型目标函数;对配置系统中的缺水误差进行反馈识别;
步骤B2:分别建立以社会总需电量、污染物排放总量、总水资源量、用户最小需水量为约束条件。
所述步骤C包括:依据所设置的模型隶属函数,加载系统满意度参数,范围为0到1,用于衡量决策者对模型求解结果的满意程度,满意度参数越接近于1,表明决策者对水资源配置结果越满意。
所述步骤B1包括:
考虑自然条件下水资源储量的不确定性与配置系统中缺水误差的随机性,构建上层模型目标:
加载配水耗能模块,考虑配水全过程中的抽水能耗、净化能耗、输水能耗、处理能耗,构建下层模型目标:
其中±为区间符号,表征水资源配置系统的不确定性,Pit为概率函数,表征自然资源可获得量的随机不确定性,为用户i的配水收益,为不同水源的计划配水量,为缺水惩罚系数,为反馈识别的缺水误差,为抽水能耗,为输水能耗,为制水过程能耗,为运水过程能耗,为污水净化能耗,为实际配水量,αt为净水需求率,δit为污水产生率。
本发明的有益效果:
本发明将区间两阶段规划与双层规划相结合,生成了区间随机双层规划方法,并将该方法应用到不确定条件下降低能耗的水资源优化配置系统中,可有效的处理:(1)以区间形式表征的系统不确定性;(2)以概率函数表征的自然资源储量的随机不确定性。并考虑了水资源配置过程中的能耗情况,可在优化水资源配置的基础上,有效减少配水能耗量,获得节能增收的水资源配置方案。
和现有的水资源优化配置方法相比,本发明具有以下优点:
(1)传统配置方法大多只考虑单一决策者,忽略了不同决策层的利益冲突问题。本发明引入双层规划技术,能够同时考虑不同层面的决策需求,平衡不同决策者之间的矛盾问题,能够生成经济收益最大化,但耗能最小化的配水方案。
(2)传统的配置方法仅考虑模型的单一不确定性,无法处理系统的多重不确定性问题。本发明结合区间规划技术与两阶段随机规划技术,能够处理由自然状况引起的水资源可获得量的随机不确定性,此外,还能处理模型中难以用概率函数表示的其他多重不确定性。
附图说明
图1本发明开发的一种不确定条件下降低能耗的水资源优化配置方法框架图;
图2本专利方法与传统方法耗能结果对比;
图3系统输出的水资源配置结果。
具体实施方式
下面结合附图,对实施例作详细说明。
本发明中,应用区间随机双层规划方法,开发了不确定条件下降低能耗的水资源优化配置系统,解决了水资源配置系统中的复杂性、不确定性以及多层次性问题,并有效降低水资源配置过程中的耗能量,达到节能增收的目的。
图1是所开发的系统框架图,首先依据配置区自然资源状况以及需水量设置基础数据输入模块,之后加载配水耗能模块,构建优化模型,并引入区间交互式算法与模糊满意度算法对模型进行求解,从而处理自然条件下水资源储量的随机不确定性以及系统复杂性,最后输出不确定条件下节能增收的水资源配置方案,具体输出数据如图3所示。
在具体实践上,实施流程包括:
步骤1::输入配置区地理边界范围,基于支持向量机模型,预测配置区域不同用户在规划时期内的水资源需求量,并依据各用户历史用水量的波动情况,将需求量表示为区间参数形式。
步骤2:依据配置区自然地理状况,预测区域地表水、地下水水资源储量,将获得的水资源可获得量作为优化配置模型的输入边界。其中,该步骤中水资源储量预测采用逐步聚类分析法。
步骤3:加载各用户水资源需求区间以及水资源可获得量,将其作为水资源配置模块的前端基础数据,并设置误差允许范围,作为参数的波动区间,增加方法的灵活性。
步骤4:调取配置区地下水深度、土层结构、地表水至各用户距离等水资源自然状况,依据经验公式设置单位水资源抽水能耗、净化能耗、输水能耗、处理能耗等能源消耗情况,将其作为配水耗能模块的前端输入。
步骤5:加载区域配水耗能模块,考虑水资源优化配置中的不确定性,构建模型目标函数。同时,由于实际配水与需水量存在偏差,需对配置系统中的缺水误差进行反馈识别。
其中,考虑自然条件下水资源储量的不确定性与配置系统中缺水误差的随机性,构建上层模型目标:
加载配水耗能模块,考虑配水全过程中的抽水能耗、净化能耗、输水能耗、处理能耗,构建下层模型目标:
其中±为区间符号,表征水资源配置系统的不确定性,Pit为概率函数,表征自然资源可获得量的随机不确定性,为用户i的配水收益,为不同水源的计划配水量,为缺水惩罚系数,为反馈识别的缺水误差,为抽水能耗,为输水能耗,为制水过程能耗,为运水过程能耗,为污水净化能耗,为实际配水量,αt为净水需求率,δit为污水产生率。
步骤6:以社会总需电量为约束,考虑到用以发电的水资源要满足社会总需电量的发电需求:
步骤7:以水质要求为约束,考虑到各个配水用户污水排放时的污染物总量控制:
步骤8:考虑自然资源储量,设置水资源可获得量为约束:
步骤9:以不同用户最小需水量为约束:
步骤10:针对区域水资源自然状况与用户需水情况,开发两阶段双层规划方法,并耦合传统的模糊满意度算法与区间交互式算法,设置各用户配水量与上层目标的隶属函数。相较于传统方法,该算法能够处理模型中以区间参数表示的不确定性,简化计算过程,减少模型运算时间。
步骤11:依据所设置的模型隶属函数,加载系统满意度参数(范围为0到1),用于衡量决策者对模型求解结果的满意程度,满意度参数越接近于1,表明决策者对水资源配置结果越满意。
最终得到区域水资源优化配置方案,达到节能增收的目的。同时,本发明以济南市为案例,验证了所提方法的有效性,经过案例仿真模拟发现,采用本专利所提出的水资源优化配置方法后,济南市水资源系统收益将提高7.5%,同时,耗能将减少2.9%(图2)。具体输出方案如图3所示。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种不确定条件下降低能耗的水资源优化配置方法,其特征在于,包括:
步骤A、预测配置区的水资源需求量、水资源可获得量,将其作为水资源配置模块的前端基础数据;
步骤B、基于配置区水资源自然状况设置能源消耗情况,将其作为配水耗能模块的前端输入,构建模型目标函数;
步骤C、采用两阶段双层规划分析对模型进行优化求解,并耦合模糊满意度算法与区间交互式算法,设置各用户配水量与上层目标的隶属函数;
所述步骤B中具体包括下列步骤4~步骤10;
步骤4:调取配置区地下水深度、土层结构、地表水至各用户距离水资源自然状况,依据经验公式设置单位水资源抽水能耗、净化能耗、输水能耗、处理能耗能源消耗情况,将其作为配水耗能模块的前端输入;
步骤5:加载区域配水耗能模块,考虑水资源优化配置中的不确定性,构建模型目标函数;由于实际配水与需水量存在偏差,需对配置系统中的缺水误差进行反馈识别;
其中,考虑自然条件下水资源储量的不确定性与配置系统中缺水误差的随机性,构建上层模型目标:
加载配水耗能模块,考虑配水全过程中的抽水能耗、净化能耗、输水能耗、处理能耗,构建下层模型目标:
其中±为区间符号,表征水资源配置系统的不确定性,Ptk为概率函数,表征自然资源可获得量的随机不确定性,为用户i的配水收益,为不同水源的计划配水量,为缺水惩罚系数,为反馈识别的缺水误差,为抽水能耗,为输水能耗,为制水过程能耗,为运水过程能耗,为污水净化能耗,为实际配水量,αt为净水需求率,δit为污水产生率;
步骤6:以社会总需电量为约束,考虑到用以发电的水资源要满足社会总需电量的发电需求:
步骤7:以水质要求为约束,考虑到各个配水用户污水排放时的污染物总量控制:
步骤8:考虑自然资源储量,设置水资源可获得量为约束:
步骤9:以不同用户最小需水量为约束:
步骤10:针对区域水资源自然状况与用户需水情况,开发两阶段双层规划方法,并耦合传统的模糊满意度算法与区间交互式算法,设置各用户配水量与上层目标的隶属函数。
2.根据权利要求1所述不确定条件下降低能耗的水资源优化配置方法,其特征在于,所述步骤A包括:
步骤A0:输入配置区地理边界范围,基于支持向量机模型,预测配置区域不同用户在规划时期内的水资源需求量,并依据各用户历史用水量的波动情况,将需求量表示为区间参数形式;
步骤A1:依据配置区自然地理状况,采用逐步聚类分析法预测区域地表水、地下水水资源储量,将获得的水资源可获得量作为优化配置模型的输入边界;
步骤A2:加载各用户水资源需求区间以及水资源可获得量,将其作为水资源配置模块的前端基础数据,并设置误差允许范围,作为参数的波动区间。
3.根据权利要求1所述不确定条件下降低能耗的水资源优化配置方法,其特征在于,所述步骤C包括:依据所设置的模型隶属函数,加载系统满意度参数,范围为0到1,用于衡量决策者对模型求解结果的满意程度,满意度参数越接近于1,表明决策者对水资源配置结果越满意。
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Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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