基于多agent的天津市水資源-系統(tǒng)仿真優(yōu)化的研究

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1、第一章緒論1．1研究背景及意義水是生命之源，是人類社會生存發(fā)展的基礎(chǔ)性自然資源和戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源。我國是一個(gè)水資源嚴(yán)重匱乏的國家，人均水資源占有量僅為世界平均水平的1／4，每畝耕地占有的水資源量僅為世界平均值的80％。近年來，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展和城市化水平的提高，人口大量遷移和集中，部分地區(qū)(主要是北方城市)產(chǎn)生了有限的水資源供給與不斷增加的需求之間的矛盾，極大地制約了這些城市的經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會發(fā)展。城市水資源問題成為我國實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的“瓶頸"。由于我國水資源時(shí)空分布不均勻，從時(shí)間分布角度看，年內(nèi)年際變化很大，從空間分布角度看，南北差異

2、比較大，南方多，北方少。因此，我國城市水資源問題主要是資源性缺水問題。城市水資源的短缺必然導(dǎo)致水資源系統(tǒng)內(nèi)部各地區(qū)、各部門、各行業(yè)之間的用水矛盾。因此，研究滿足整個(gè)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會等多方面最佳效益的前提下各部f-J2_．間的水資源配置，艄限的水資源合理利用，發(fā)揮最大效益，成為當(dāng)前十分緊迫的任務(wù)。天津市是我國四大直轄市之一，處于環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)帶的中心，在全國經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局中有著重要的戰(zhàn)略地位。天津市又是我國水資源最為缺乏的地區(qū)之一，多年平均人均水資源量僅為160m3，若加上入境和外調(diào)水量，人均占有量也僅有370m3。自從上世紀(jì)八十年代以來，海河流域持續(xù)

3、干早，同時(shí)上游地區(qū)由于社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展取用水量迅速增長，導(dǎo)致“九河下梢”的天津市入境水量大幅度減少。為了滿足天津市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，不得不實(shí)施引黃濟(jì)津應(yīng)急調(diào)水u1。水資源問題已經(jīng)成為制約天津市社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的“瓶頸’’。因此，著力構(gòu)建多水源條件下水資源與水環(huán)境承載力的綜合評估體系，建立體現(xiàn)水價(jià)、生態(tài)、環(huán)境等因素的多目標(biāo)水資源配置決策支持系統(tǒng)，合理確定海水淡化規(guī)模、控制地下水開采規(guī)模、推動再生水的合理利用，優(yōu)水優(yōu)用、梯次供水，最終實(shí)現(xiàn)水資源配置的科學(xué)化、系統(tǒng)化。把多水源配置與天津市經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境、生態(tài)、人文等和諧發(fā)展結(jié)合起來，是當(dāng)前天津市水資源管

4、理面臨的關(guān)鍵問題晗1。水資源系統(tǒng)具有復(fù)雜性的特性，其自身涉及的部門及水文要素眾多，各種要素之間的關(guān)系具有一定的規(guī)律性，同時(shí)又有顯著的空間隨機(jī)性和時(shí)間的不確定性。水資源配置是指把有限的、不同形式的水資源在各個(gè)用戶、用途之間進(jìn)行分配，包括對各個(gè)用戶和用途的用水的水源、數(shù)量、時(shí)間和空問的分配。水資源系第一章緒論統(tǒng)的復(fù)雜性特性決定了水資源配置問題是一個(gè)涉及經(jīng)濟(jì)、社會、資源、生態(tài)環(huán)境等諸多方面的復(fù)雜系統(tǒng)問題。水資源系統(tǒng)的復(fù)雜性表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面口1：(1)系統(tǒng)組成要素的多層次和大規(guī)模；(2)系統(tǒng)各要素之間或各子系統(tǒng)之間存在多種多樣的非線性關(guān)聯(lián)形式，表現(xiàn)在內(nèi)容

5、上是物質(zhì)、能量和信息的交換；(3)系統(tǒng)的開放性導(dǎo)致系統(tǒng)演化的復(fù)雜性；(4)系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性；(5)系統(tǒng)的復(fù)雜性與人類社會的復(fù)雜性緊密相關(guān)。近幾十年來，水資源合理配置問題已成為水科學(xué)規(guī)劃管理研究的熱點(diǎn)問題之一，有關(guān)專家學(xué)者對這一問題運(yùn)用多學(xué)科理論和技術(shù)方法進(jìn)行了廣泛而深入地研究。然而，傳統(tǒng)的水資源配置分析研究方法，大多采用線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、遺傳算法、模擬退火算法等，近年來大系統(tǒng)多目標(biāo)分析技術(shù)和系統(tǒng)動力學(xué)方法也開始應(yīng)用于水資源合理配置問題的研究。一方面，這些方法難以考慮各個(gè)部門之間的相互影響，所提供的信息對政府和相關(guān)部門做水資源配

6、置方案決策具有一定的局限性；另一方面，運(yùn)用這些方法研究往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間，缺乏對問題的及時(shí)性、快速反應(yīng)性。有一部分研究也采用了系統(tǒng)模擬方法，如大系統(tǒng)理論，其本質(zhì)是將動態(tài)問題靜態(tài)化，難以反映隨機(jī)波動對系統(tǒng)的影響，同時(shí)，在模擬中主要考慮的是水資源不同形態(tài)的轉(zhuǎn)化過程以及利用過程，而沒有考慮不同水資源政策引起各個(gè)相關(guān)部門之間的動態(tài)相互作用，難以反映水資源配置和調(diào)控的真實(shí)效果。多Agent仿真(MAS)技術(shù)是當(dāng)前分布式人工智能(DAI)乃至整個(gè)計(jì)算科學(xué)中的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。它是一種以Agent技術(shù)為基礎(chǔ)的、自下而上的仿真建模方法，是Agent技術(shù)中一個(gè)非?；?/p>

7、躍的研究分支。Agent在國內(nèi)被翻譯為代理或智能體，每一個(gè)代理或智能體具有智能性、對環(huán)境和行為的感知能力和社會性。所謂智能性，簡單來說，就是通過對環(huán)境感知，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，能夠根據(jù)自身情況采取相應(yīng)對策。所謂社會性，是指每一個(gè)智能體都處于社會之中，它們相互作用、交流信息、相互影響，從而使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到一種均衡。多Agent理論在物理、化學(xué)、生態(tài)、社會、經(jīng)濟(jì)、軍事等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，它很適合對包含大量智能個(gè)體或智能行為的大型復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)的建模與分析，并且具有很高的建模和仿真效率H1。鑒于水資源系統(tǒng)的復(fù)雜性特性，將多Agent理論應(yīng)用于水資源系統(tǒng)的研究中

8、具有獨(dú)特的優(yōu)勢，可以解決傳統(tǒng)理論方法在水資源系統(tǒng)建模、仿真優(yōu)化等方面的不足，同時(shí)為水資源的合理優(yōu)化配置提供了有效的工具，為