金菊良、丁晶著《水资源系统工程》1-绪论.doc
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金菊良、丁晶著《水资源系统工程》1绪论
第1章绪论
1.1水资源系统工程与遗传算法
从系统的组成角度看,系统是由两个或两个以上相互联系的要素组成的、具有整体功能和综合行为的集合[1-5]。
该定义规定了组成任何系统的3个条件:
①组成系统的要素必须两个或两个以上,它反映了系统的多样性和差异性,是系统不断演化的重要机制;②各要素之间必须具有关联性,系统中不存在与其它要素无关的孤立要素,它反映了系统各要素相互作用、相互激励、相互依存、相互制约、相互补充、相互转化的内在相关性,也是系统不断演化的重要机制;③系统的整体功能和综合行为必须不是系统各单个要素所具有的,而是由各要素通过相互作用而涌现(emerge)出来的。
与系统要素相关联的其它外部要素的集合称之为系统的环境,它是研究对象全空间R中系统集合S与非系统集合F的过渡集合E,它们之间存在如下关系:
R=SEF,SF=(空集)。
系统的边界把系统与系统的环境区分开来,环境的边界把系统的环境与非系统集合区分开来。
系统的边界和环境的边境具有弹性和动态性,是不断变化的,反映了不同的研究时间、研究条件和研究要求,由此决定了系统的层次性,即一个系统既可以向下分解为一系列子系统,又可以向上隶属于更大的系统。
从系统与系统环境的相互作用的角度看,系统是由系统输入、系统转换和系统输出组成的集合。
系统输入是环境对系统的作用或激励,系统输出是系统对环境的作用或响应,系统转换是以系统输入为定义域、系统输出为值域的映射。
系统输入可以是物质变量、能量变量或者信息变量,相应的系统输出也可以是这三类变量。
例如[6]:
可以把到达流域地面的降雨作为系统输入,把流域的下垫面的作用作为系统转换,把水向大气中蒸发、水向深层地下水渗透、水进入河网作为系统输出,这三者组成流域产流系统,而把水在大气中的运动、在深层地下水的运动和在河网中的运动视作流域产流系统的环境;可以把降雨经过下垫面的截留、填洼、下渗和蒸发等损耗后所剩余的“净雨过程”作为系统输入,在流域出口断面的流量过程作为系统输出,把由净雨过程到流量过程的转换过程作为系统转换,这三者组成流域汇流系统,而把水在流域下垫面上的截留、填洼、下渗和蒸发过程等视作流域汇流系统的环境。
根据系统与系统环境的相互作用,运用系统输入—系统输出不同的关系分析,形成了系统优化、模拟、预测、评价和决策分析等一系列处理系统问题的一般方法。
“工程”的本义是指服务于特定目的的工作程序[2,7],因此,系统工程(systemsengineering)就是服务于一般系统的开发设计、组织建立或者运行管理的工作程序的一门工程技术学科,它包括运筹学(operationsresearch)、系统分析(systemsanalysis)、系统研究(systemsresearch)、费用效果分析(cost-effectivenessanalysis)和管理科学(managementscience)等中可用于工程实践的各种定量方法和定性定量集成方法。
系统工程的研究对象是任何一种物质系统或任何一种概念系统,包括自然系统、工程技术系统、社会经济系统、管理系统、军事指挥系统等。
在现代科学技术的四层次体系结构中[2,5],系统工程属于工程技术层次,它的技术科学是运筹学、一般系统论、信息论、控制论等,它的基础科学是尚在建设中的系统学,它的哲学是辨证唯物主义和历史唯物主义。
系统工程是介于哲学方法论和专门科学方法论之间的一般科学方法论,它一端与哲学方法相连结,另一端又与其它专门科学方法紧密结合,推动了科学方法论向整体性、深刻性和普适性方面不断发展[3]。
系统工程思考问题的一般方式(系统观点)是,任何研究问题都可作为有关研究对象组成的一个系统,必须从时间上动态长期的、空间上普遍联系的和属性上整体协调的观点来最佳地分析、设计、组织、管理该系统。
这种系统观点可以用“白日依山尽(青山依旧在,几度夕阳红:
时间上动态长期的),黄河入海流(黄河之水天上来,奔腾到海还复来:
空间上普遍联系的),更上一层楼(登高望远:
属性上整体协调的),欲穷千里目(把问题看清楚:
最佳地处理问题)”来简单概括。
系统工程处理问题的一般方法称之为系统工程方法论,目前最有代表性的有两类方法论[1,5]:
一类是以“最优化”为核心的霍尔(A.Hall)系统工程方法论,按照“明确问题目标选取方案设计建立数学模型最优化计算决策分析决策实施”的方式展开,适用于各种复杂的工程技术问题;另一类是以“比较学习”为核心的切克兰德(P.Checkland)系统工程方法论,按照“说明问题现状确定与改善现状有关的因素建立描述问题现状的概念模型改善概念模型模型和现状的比较决策实施”的方式展开,适用于各种复杂的社会经济问题。
系统工程和水利工程、电子工程、机械工程等传统工程技术一样,都是从实际问题和条件出发,运用相应的基础科学和技术科学的基本理论和方法,以改造客观世界使其符合人类需要为目的的,但两者有很大的不同,主要表现在[1,3,5,8-10]:
①“工程”的内涵不同。
传统工程技术的“工程”是指应用自然科学原理和方法于实践,设计和生产出诸如水库、大桥、铁路、建筑物等有形实体(“硬件”)的技术过程。
而系统工程中的“工程”概念既包括上述“硬件”的设计与建造,又包括与这些“硬件”紧密相关的概念、思想、规划、计划、方案、程序等(“软件”)活动过程,即为硬件与软件的复合工程,延拓了传统工程技术的“工程”的含义。
②研究对象不同。
传统工程技术的研究对象是各自特定领域内的工程实体对象,着眼于物质运动和能量转换。
而系统工程的研究对象是一般系统,既包括各种传统工程技术中的实体对象系统,也包括生态、环境、社会、经济、管理等非实体即概念对象系统,还包括实体对象系统与概念对象系统相结合的复合系统,着眼于研究对象的信息流动。
在实际运用系统工程时都把所研究的问题看做一个系统进行研究。
这些系统中的各种信息是系统工程的主要研究对象。
因此,系统工程不是研究某一类系统的工程技术,而是研究各种系统普遍适用的一门综合性工程技术。
在运用系统工程解决实际问题时,系统工程必须与所研究的系统本身所在的学科相结合,从而形成不同的应用系统工程学科,例如水资源系统工程、环境系统工程、资源系统工程、农业系统工程、管理系统工程、军事系统工程和社会系统工程等。
③学科的任务不同。
传统工程技术是着眼于技术的合理性、用来解决某个特定领域中的具体技术问题。
而系统工程的任务是解决系统内部各要素之间、各要素与各子系统之间、各子系统之间、系统与环境之间的协调问题,使系统整体最优化和整体协调化。
④研究的方法和成果不同。
传统工程技术所使用的方法是在明确目标后根据条件,采用可能实现目标的方法,提出不同方案进行设计、试制出原型,经试验后最终达到生产和建设的目的,它所使用的方法明显体现出“物理”特征,它所提供的是处理问题的答案。
而系统工程的研究方法和结果对传统工程技术而言具有方法论性质,如系统、信息、结构、功能、控制、反馈等范畴,系统观点,以及优化、协调、建模、预测、模拟、评价、决策等各种系统工程方法等,可适用于各种传统工程技术领域,它所使用的方法明显体现出“事理”和“人理”特征,它所提供的是处理问题的过程(行动策略)。
⑤系统工程具有多学科综合性的特点,它是综合应用系统科学、自然科学、数学、计算机科学和计算机技术、传统工程技术、管理科学、经济学、社会科学等各种学科知识、组织管理各种复杂系统、横跨众多学科的工程技术学科,只有应用各种学科的广泛知识,才有可能有效地规划设计、管理控制一个复杂系统。
水资源系统工程(waterresourcesystemsengineering)是应用系统工程方法对水资源系统进行综合考察和分析,并优化水资源工程规划和运行管理的工程技术[5,11]。
从基于研究对象的水资源系统问题分类角度,水资源系统工程的主要研究内容包括河流水资源综合开发利用规划与管理、流域水资源综合开发利用规划与管理[12]、地下水水资源综合开发利用规划与管理[8]、农田灌溉系统规划与管理、城市供水系统规划与管理、水力发电工程系统规划与管理、防洪工程系统规划与管理[13]、抗旱系统规划与管理、航道工程系统规划与管理、水污染控制系统规划与管理、水资源可持续利用与管理等内容[14,15]。
从基于研究过程的处理水资源系统问题的方法论角度,水资源系统工程的主要研究内容包括[1,11,13]:
根据所研究的水资源问题确定水资源系统的目标、功能和边界,从水资源系统整体协调出发,按照系统本身所特有的性质与功能,研究系统与环境之间、系统与各子系统之间、子系统与子系统之间、子系统与各要素之间、各要素之间的相互作用与相互依赖的关系,建立相应的数学模型,并应用系统优化方法、系统建模方法、系统预测方法、系统模拟方法、系统评价方法、决策分析方法以及结合从定性到定量综合集成方法等,定量地或半定量地求解水资源系统规划与管理的优化方案。
水资源系统工程处理问题的一般步骤是[1,5,8,13]:
①根据所研究的水资源问题的性质、目的,研究问题所包含的要素、要素之间的联系和要素与研究问题外部的联系,确定研究问题的范围,并定义为水资源系统。
②选择评价系统功能的目标、准则和指标集,建立水资源系统的评价指标体系。
目的可用定性方式描述,而目标、指标则一般都需要尽可能用定量方式描述。
③根据所确定的评价指标体系,通过实验、调查、观察、记录以及引用文献等形式收集有关资料,对照系统目标整理资料,找出影响系统目标和功能的因素集,然后提出实现系统目标的各种替代方案。
④确定影响系统目标和功能的主要因素及其相互关系,定义系统输入、系统转换、系统输出、系统目标函数和系统约束条件形式,建立系统模型。
利用系统模型可以分析影响系统目标和功能的主要因素及其影响程度,确定这些因素的相关程度、总目标和各分目标的实现途径及其约束条件。
⑤利用已建立的各种模型对各种替代方案可能产生的结果进行计算、模拟和预测,分析各种指标达到的程度。
⑥在上述分析的基础上,再结合各种定性因素,通过相应的系统评价方法,把各种替代方案各指标值综合成单一指标值的形式,以表示各方案达到系统总目标的程度,据此确定各方案的优先顺序,供决策者参考。
⑦当研究问题十分复杂、步骤⑥仍未能确定处理所研究问题的最优方案时,需进一步确定反映决策者对研究问题的主观意图和倾向的决策准则,分析各替代方案在未来各种自然状态下的益损值矩阵,通过相应的系统决策分析方法,来求解以替代方案为优化变量、以自然状态为约束条件、以反映决策准则的益损值矩阵的函数为目标函数的特殊的优化问题,最终选择和决定最佳方案。
从工程技术角度分析水资源系统工程处理问题的上述步骤,水资源系统工程也可以认为就是由一系列系统优化方法、系统建模方法、系统预测方法、系统模拟方法、系统评价方法、系统决策分析方法组成的方法集,用以最佳地处理所研究的水资源系统问题[16]。
其中,水资源系统优化方法是应用其它水资源系统工程方法的基础。
水资源系统工程的主要特征是整体性、关联性、协调性、系统化、模型化、最优化和实践性。
目前,水资源系统工程方法论是以霍尔系统工程方法论为主、兼有切克兰德系统工程方法论,并随着水资源系统工程理论和实践的不断发展,切克兰德系统工程方法论的比重也将不断提高,这是由水资源系统所包含的自然属性、生态环境属性和社会经济属性这三方面的复杂性所决定的。
这些复杂性主要有如下几个方面[13,17-20]:
①水资源的内涵具有层次性。
与人类社会经济和生态环境的生存与发展密切相关的所有淡水(例如大气降水、地表水、地下水、土壤水等),称之为广义水资源;人类社会只有通过对广义水资源的开发利用才能实现从自然资源向实物资源的转变的那部分广义水资源(例如径流性水资源),称之为狭义水资源;根据水资源可持续利用观点,可对狭义水资源进一步划分为生态需水量和国民经济可利用水资源。
随着水资源系统工程的理论与实践的不断发展,水资源的内涵也必将进一步展开为自然资源、社会资源与知识资源三中形式[21]。
可见,水资源系统是自然系统、生态系统和社会系统相复合的复杂大系统。
②水资源的不可替代性与可再生性。
水资源对于饮用、卫生、农业、林业、畜牧业、渔业、工业、水力发电、航运、娱乐和许多其它人类活动,以及对于人类社会赖以生存和发展的大自然环境的正常运行而言,都是不可替代的。
同时,水资源通过各种水分循环的形式来反映其可再生性。
③水资源承载能力的多样性、有限性与时空分布的不均衡性。
④水资源工程系统建设和管理的前期性与长期性。
随着社会经济的发展和人民生活水平的不断提高,对狭义水资源的数量需求和质量需求也在不断提高,相应的水资源工程系统的建设和管理的前期性与长期性也日益明显。
⑤水资源系统组成要素的层次性和大规模性。
水资源复杂系统一般是由天、地、人三大子系统组成,而每个子系统又包括各自的子系统。
如此逐层分解,形成了庞大的层次结构,具有很高的维数,系统所覆盖的时间和空间范围大(长期、中期、短期,全球、国家、流域、省市、地县、镇村,大气水、地面水、地下水、泉水和土壤水、生物水),造成计算机的沉重时空负荷,而且难以满足系统在线实时控制的需要。
在不同层次上研究所关心的问题是不同的,系统的运行方式和机制也存在着很大差异。
实际常遇到的水资源系统,例如河流综合利用系统、大型灌区水资源开发利用系统、城市供水系统、城市下水道系统、农田灌溉系统、防洪工程系统、水旱灾害监测评估系统、水运系统、水污染控制系统、水/火电站群联合优化调度运行系统以及中国西部水资源优化配置与可持续开发利用系统等,都是由天文、气象、下垫面、生态、人文等地球表层众多要素组成的复杂系统。
⑥水资源系统各要素之间或各子系统之间的关联形式多种多样,这些关联的复杂性表现在结构上是各种各样的非线性关系,表现在内容上可以是物质、能量或信息的关联。
⑦水资源系统的演化特性以适应环境的不断变化。
作为开放的系统,水资源系统不断地与其所在的自然环境和人文环境发生着物质、能量和信息方面的交换和作用,由于这些环境的变化和不确定性,引起了水资源系统的输入输出强度与性质不断地变化,并进一步引起水资源系统的结构、功能和目的的变化,从而使水资源系统呈现出显著的演化特性。
这种演化,一方面表现为系统趋近并达到均衡(相对平衡状态)并从一个均衡向另一个均衡转移的非均衡过程,另一方面表现为整个系统的结构、功能的变动,以及由此引发的系统均衡格局的变迁。
这种演化的行为方式主要有多重均衡(演化问题可能同时存在多个最优解)、路径相依(演化过程与系统的初始状态有关)、分岔、突变、锁定(当系统进入一个均衡态后,若无足够的外界扰动等条件,系统将只能在该均衡态附近波动而无法转移至其它的均衡态)、复杂周期等。
例如都江堰水利工程系统中飞沙堰子系统就能根据系统环境中洪水大小变化和泥沙多少变化进行相应的分洪排沙,以保证整个系统能长期安全运行。
⑧水资源系统的空间结构特征。
受水分循环规律的支配,降水量具有明显的地域分布特征(中国降水量呈由东到西递减的趋势),从而确定了水资源系统空间结构的主要特征;另外,地势、土壤、植被的不同分布和人类活动也在一定程度上影响水资源的空间格局。
所有这些因素决定了水资源系统的空间结构经纬交叉、错综复杂。
目前研究水资源可持续利用与管理,已从单一河段、单一河流的开发利用研究,转移到全流域、跨流域的水资源统一调配研究、地表水与地下水统一开发利用研究,水资源系统的空间结构特征更为令人关注。
⑨水资源系统的社会政治特征。
一方面,水是万物生命之源,一个国家或地区经济发展和社会发展越来越受该国家或该地区水资源系统运行状况的约束,水资源短缺危机在世界各地日益暴露,危机程度也在日益加深,导致许多地区冲突;另一方面,水量过多将产生水灾,水量过少又会引起旱灾,水质受到污染还会导致重大环境问题。
可见水资源系统问题已成为国家或地区社会经济可持续发展的瓶颈,已成为重大战略性问题。
⑩前面9个方面的复杂性往往是相互联系、交织在一起的,随着水资源系统工程理论和实践在深度和广度方面的展开,这些复杂性的程度将越来越高。
21世纪中国水利的发展战略将从工程水利向水资源可持续利用方向进行重大转移,研究水资源系统已不能就水论水、就河论河、就工程论工程,而必须把水资源与生态环境、经济结构、人口结构、社会结构组织在同一个复杂大系统(社会经济资源与环境可持续发展系统)下进行综合研究[13-19,22],这给水资源系统工程的理论与实践的快速发展带来了难得的机遇和挑战。
针对这样的复杂系统,目前普遍认为,采用常规的机理描述和推理难以建立其完整的模型。
这是因为复杂系统的行为本质既包含“高维性”又包含“混杂性”[23]。
所谓“高维性”是指复杂系统要素繁多,往往需要做“多目标—多要素—多层次分析”;所谓“混杂性”是指确定性与不确定性、正态与非正态、定性与定量、静态与动态、宏观与微观、平衡与非平衡等特征的混杂。
水资源系统工程的大量实践证明,随着水资源工程实践中所遇到的水资源系统日益大型化、综合化和智能化,研究水资源系统问题已避不开它的复杂性,常规的系统工程方法和手段已难以胜任水资源复杂系统中涉及多因子、多层次的综合分析,只有打破学科、部门、行业界线,把系统科学的其它理论和方法以及计算机、人工智能等现代科学与技术中的最新成果进一步引入水资源系统工程的研究中并进行相应创新,采用多学科交叉渗透和综合集成的研究方法,才能系统地探讨和研究水资源复杂系统的预测、评估与决策等综合性复杂问题,才能为实现人类对水资源复杂系统的有效调控和科学管理提供重要依据。
常规的水资源系统工程各种方法在上述水资源系统的复杂性面前遇到了不同程度的挑战。
例如,在水资源系统建模方法方面的挑战主要表现在:
①系统模型结构的不确定性。
在客观上,水资源系统要素一般十分庞大而复杂,系统状态具有某种程度的不确定性,受当前科技水平和条件的限制,往往难以用合适结构的数学模型来精确描述;为适应系统环境的不断变化,系统结构和功能也在不断调整、变化。
而在主观上,为掌握系统的状态,必要的观测量会很大,同时在高精度下观测又很困难,受建模者的知识、经验和能力的限制,为便于模型求解,提出的模型结构不得不建立在许多假设条件和经验公式之上。
②系统模型的数值求解的不确定性。
由于水资源系统模型具有高维高度非线性,常规方法处理线性、低维模型较为成熟,而对大多数高维高度非线性水资源系统模型往往不能取得满意的结果。
③系统模型中庞杂信息类型所产生的不确定性。
同一水资源系统中往往既含有大量时间、空间和统计等方面的确定性信息,又有众多不确定性信息,如随机性信息、模糊性信息、灰色性信息、混沌性信息、错误信息和主观信息,后者如在水资源缺乏或人类活动影响强烈的地区以及在水资源评价和开发利用、水资源工程经济运行和日常管理中,往往遇到难以用精确数值表示的信息,它们常以经验性语言、知识或规则的形式出现。
常规方法已无法妥善求解混杂这些信息类型的系统模型。
完全掌握系统模型的这些信息,由于系统的复杂而变得不可能,同时因获得这些信息需要很大成本而变得不可行。
所有这些不完备信息和不确定信息将导致系统模型结果的不确定性。
④系统模型的多目标性。
水资源模型的目标既有兴利目标,又有除害目标。
前者如农业用水、工业用水、旅游业用水和生活用水等目标,后者如水旱灾害、环境问题和生态问题等目标,这些目标还可向下展开许多子目标,其中有些目标是可定量的,有些是不可定量的,这些目标在系统模型中如何协调、平衡以达到综合最优将会导致模型结果的不确定性。
⑤系统模型中自然要素与社会要素的相互关联和相互作用所产生的不确定性。
自古以来,人类的一切活动都是为了能生活得更好些。
寻求最佳效果的愿望几乎渗透到各种社会实践活动中,在这类范围广泛的社会实践基础上,在当代通过各门科学技术的不断交叉、渗透和综合,优化已成为系统乃至整个世界发展的趋势和走向,反映到水资源系统工程研究中,优化准则日益成为人们分析系统、评价系统、改造系统和利用系统的一种衡量尺度。
水资源系统工程的最终目标就是水资源系统设计和规划的最优化、水资源系统运行和管理的最优化。
水资源系统优化方法是应用水资源系统工程其它方法的基础,当前水资源系统工程理论与实践中的重点和难点之一就是如何求解应用水资源系统工程方法过程中的各种复杂的优化问题[24]。
优化问题(optimalproblem)就是如何寻找优化变量各分量的某种取值组合,使得目标函数在给定约束条件下达到最优或近似最优这样一类问题,解决这类问题的方法称为(最)优化方法(optimizationmethod)[25]。
优化方法大体可分为3类:
第一类是直接利用实验方法(如科学研究中的实验、工程建设中的试点、社会实践中的政策试点)来寻找最优解。
第二类是直接利用经验方法(如科技人员的思维、直觉、才能、经历、性格)来寻找最优解。
第三类是利用数学方法(图解方法、解析方法和数值方法)来寻找最优解。
由于水资源系统的复杂性,在水资源系统工程中常用的是数值优化方法(如运筹学方法),它是通过迭代程序产生问题的最优解。
数值优化方法大致可归结为一类搜索方法,也就是构造序列{xn},使[26]
(1.1)
当f(x)是连续函数时,有
(1.2)
对有约束问题,至少当n充分大时有{xn}在可行域D内。
同样有
(1.3)
构造序列{xn},一般用迭代方法(iterativemethod)(逐步构造法)。
其递推公式为
,(n=1,2,…,N)(1.4)
式中,Pn为第n步的下降方向,an为第n步的步长。
各种非线性优化的算法,大都起源于Pn或an的不同的构造方法。
与初始点有关的优化方法求得的解,常常是找出在初始点附近的一个极值点来,至于它是否为全局极值点,在多数情况下不得而知。
在水资源系统工程实际问题中,则常希望找到在给定条件下的全局极值点。
求全局极值的方法,本质上是一种试探性搜索方法。
由于全局极值点x*在可行域D中的确切位置事先并不知道,是需通过构造序列{xn}来估计的。
因此必然要求{xn}在D中分布均匀且有一定的密度。
蒙特卡罗法(Monte-CarloMethod)在理论上是能满足这种要求的,优化问题的维数、几何形状、是否离散等对它影响也不大,但在实际中则常常失去使用价值。
这是因为,在D中分布均匀的前提下,为了提高解的精度,势必在极值点附近加密投点的同时,也在整个可行域D中盲目地加密了投点,导致其运算量十分浩大,该算法的时间复杂性破坏了算法的能行性条件,因而是不合理的。
合理的办法是,发展一些启发式策略或引入领域知识,对投点过程给予指导或引导,即:
在可能出现全局极值点的地方增加投点密度,而对其它地方只作少量的试探性投点,特别是对已探明无全局极值点出现的区域不投点,从而可大大节省计算量,对该算法的时间复杂性进行了有效压缩,使该算法可行。
上述常规的优化方法,可归纳为以下两大类:
①确定性优化方法。
例如,用得最广泛的梯度法,它通过沿目标函数的负梯度方向函数值下降来逐步寻找最小点。
该方法虽然可靠性高,但要求目标函数的一阶或二阶导数存在,且和所选取的初始点关系很大,否则会容易陷入局部最优点。
对于优化变量很多的实际问题,特别是当目标函数和约束条件具有复杂的非线性(多峰问题)时,梯度法将变得非常困难和不稳定,以至无效。
另外,梯度法在处理离散或离散/连续混合问题时也是十分困难的。
又例如,在实际工程计算中用得较多的复合形法(complexmethod),是单纯形法用于有约束优化问题的推广,它是用于不等式约束条件下直接搜索的一种确定性优化方法。
在n维空间中,由不处于同一个超平面(超曲面)上的(n+1)个点构成的凸多面体是该空间中最简单的几何图形,称之为单纯形(simplex),而由k(k>(n+1))个顶点构成的图形称之为复合形(complex)。
复
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