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《大连理工大学》 2007年
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中长期水文预报与水库群优化调度方法及其系统集成研究

彭勇  
【摘要】: 随着计算机技术的迅速发展和预测优化理论的深入研究,水利科学工作者几乎尝试应用了各种算法来解决水文预报和水库群的优化调度问题,并且取得了丰富的研究成果和一定的实践效果。但由于在水文中长期预报方面缺乏机理上的认知突破,在水库群优化调度方面一些新方法仍存在理论与应用上的问题,所以尚有大量的基础工作、理论研究、模型与方法改进等课题需要进一步的研究和解决。本文主要是进行模型与方法的改进工作,深入研究了模糊优选神经网络、支持向量机、小波分频预测和微粒群算法在水文预报和水库调度中的建模及其系统集成方法,主要内容如下: (1)针对传统模糊优选神经网络模型训练速度慢的缺点,模糊优选神经网络训练时采用Levenberg-Marquardt算法,其收敛速度近似二阶。Levenberg-Marquardt算法是Gauss-Newton法的改进形式,既有Gauss-Newton法的局部特性,又具有梯度法的全局特性,提供了Newton法的速度和保证收敛的梯度下降法之间的折衷,收敛的迭代次数少,能快速完成网络训练。两个实例分析结果表明,Levenberg-Marquardt算法训练速度快,并且训练得到的模糊优选神经网络模型的模拟预测结果都比较满意。 (2)利用微粒群算法的全局寻优特性来进行支持向量机的参数识别。在支持向量机建模过程中选择径向基函数为核函数,在此基础上应用微粒群算法用于辨识支持向量机参数。在微粒群搜索参数前,对参数做了指数变换,使[0,1]区间和[1,∞]区间有着相同的搜索概率。微粒群算法的适应值函数以支持向量机模型的推广能力为标准,讨论了测试样本的最小误差和留一法对支持向量机学习方法推广能力的两种估计。支持向量机训练算法采用序列极小化训练算法,为了提高支持向量机模型的训练速度,训练工作集的选择利用了目标函数的二阶导数信息,使工作集中的两个乘子在当前训练迭代步中具有最大的改变量。最后以长江的宜昌站、寸滩站和漫湾水库的月径流资料为例,分别采用ARMA模型、季节性ARIMA模型、BP神经网络模型以及所建立的支持向量机模型进行模拟预测,实例结果显示了该模型有效性。 (3)利用小波分析的多分辨率功能,建立了月径流序列的小波分频预测模型。该模型通过小波分解方法将月径流非平稳时间序列分解为多个细节信号序列和一个逼近信号序列,然后运用平稳时间序列的ARMA模型对各信号序列分别进行预测。以长江的宜昌站和寸滩站的月径流资料为例,分别采用ARMA模型、季节性ARIMA模型、BP神经网络模型以及本文所建立的小波分频预测模型进行模拟预测,并讨论了小波分解尺度数对小波分频预测模型的影响。最后还讨论了小波分频预测模型的实用性、缺陷和小波拓延方式对预测精度的影响。 (4)对基本微粒群算法进行了改进,以进一步提高基本微粒群算法的优化性能,并将其用于求解梯级水库群优化调度问题。该算法为了提高搜索效率引进了类似遗传算法的交叉和变异算子,其中交叉是微粒在解空间中的位置以一定的概率随机进行算术交叉,变异是微粒以一定的概率随机使速度矢量的某一维分量变为0。为了加速收敛,初始微粒群生成时采用了有条件的随机自动生成方式,并利用惩罚函数法来处理边界条件和其它非等式约束。以丰满-白山梯级为计算实例,计算结果与常规动态规划法和常规微粒群算法相比,表明改进算法计算速度更快,优化调度结果比较满意。最后还研究了改进微粒群算法参数(交叉概率、变异概率、微粒个数和微粒最大速度等)的取值范围。 (5)首先根据历史月径流资料,以“支持向量机方法”估计出当年各月的来水量;然后根据历史年径流资料,采用加权马尔可夫链预估当年总的来水情况;最后根据总的来水情况来修正当年主汛期各月来水。这样,各月预报来水获得后,再采用“改进微粒群算法”进行水库群的优化调度计算。同时以白山—丰满梯级水电站水库群为例,提出了径流预测与优化调度相结合的确定水电站最优运行方式的滚动预测决策方法。探讨了实际、预报、上限、下限和插值5种不同径流描述情况下水库的发电效益,计算结果表明本文提出的滚动预测决策方法在白山—丰满梯级水电站水库群是可行的。 (6)首先以图论分析方法,把水库群概化成一张有向图,运用邻接表、邻接矩阵和关联矩阵进行拓扑分析解决了水库群的集成问题。并以图论为基础,利用方案关联表进行方案的拓扑分析,降低了方案管理的复杂性,便于用户使用与管理。然后研究了软件工程中的多种设计模式在水库预报调度系统中的应用,并将上述预报优化调度模型融入其中。应用桥梁模式实现水库预报调度系统的体系结构设计与数据存取、应用策略模式实现预报优化调度模型管理、应用迭代子模式和装饰模式实现预报调度方案管理、应用代理模式实现用户权限管理、应用单例模式实现数据库连接池的管理等。实现了模块的松耦合关系,增加了系统的可维护性和复用性。该系统采用Web浏览器和Java窗口两种显示界面,运行时可根据环境自动选择不同的通信方式与系统业务逻辑功能模块进行交互。 最后对全文做了总结,并对有待于进一步研究的问题进行了展望。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TV124;TV697.11

【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前5条
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2 刁艳芳;双标准的水库防洪预报调度方式研究及其应用[D];大连理工大学;2010年
3 初京刚;基于多源信息的分布式水文模拟及优化算法应用研究[D];大连理工大学;2012年
4 叶碎高;余姚市水资源优化调度关键技术研究[D];大连理工大学;2012年
5 李克飞;水库调度多目标决策与风险分析方法研究[D];华北电力大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 姜珊;嫩江流域中长期径流预报方法比较研究[D];吉林大学;2011年
2 郝利勋;基于生态环境改善的太子河水库群联合调度研究[D];大连理工大学;2011年
3 王成富;流域水资源综合利用决策支持系统的研究与实现[D];华中科技大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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10 陈淑燕,王炜,瞿高峰;短时交通量时间序列的小波分析-模糊马尔柯夫预测方法[J];东南大学学报(自然科学版);2005年04期
中国博士学位论文全文数据库 前4条
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中国硕士学位论文全文数据库 前1条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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6 王丽华;吴先良;宋开宏;;RK-MRTD算法的稳定性及数值色散性分析[J];安徽大学学报(自然科学版);2011年05期
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10 谭春英;王绪伟;;基于小波变换的烟台市粮食产量变化特征研究[J];安徽农业科学;2006年12期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
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3 吕蓬;柳亦兵;马强;魏于凡;;支持向量机在齿轮智能故障诊断中的应用研究[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
4 杨光友;张道德;;基于PSO和L-M优化方法的奇偶问题学习算法[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
5 周倩;翟永杰;韩璞;;序列最小优化算法在电力系统短期负荷预测中的应用[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
6 李军亮;肖新平;毛树华;;灰色双层线性规划的粒子群解法[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
7 ;Fault Pattern Recognition of Rolling Bearings Based on Wavelet Packet and Support Vector Machine[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
8 蒋少华;桂卫华;阳春华;唐朝晖;蒋朝辉;;基于主元分析与支持向量机的方法及其在密闭鼓风炉过程监控诊断中的应用[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
9 ;Next-Day Electricity Price Forecasting Based on Support Vector Machines and Data Mining Technology[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
10 慕香永;裴润;刘志林;王经甫;;基于小波分析的船舶舵机加载系统多余力研究[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张杏莉;几何约束求解关键问题研究[D];山东科技大学;2010年
2 杨莉;基于可持续发展的我国电源结构优化研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 赵莹;半监督支持向量机学习算法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 戴运桃;粒子群优化算法研究及其在船舶运动参数辨识中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 谭佳琳;粒子群优化算法研究及其在海底地形辅助导航中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 殷志伟;基于统计学习理论的分类方法研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
7 雷亚辉;水下目标的时间反转法声探测技术应用研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 王咏胜;复数轮廓波变换的构造、扩展及其图像处理应用[D];哈尔滨工程大学;2009年
9 谢忠玉;电力短期负荷时间序列混沌特性分析及预测研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 陈广洲;多源信息耦合的成矿预测新模型研究[D];合肥工业大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 范红朴;IT行业员工离职预警问题研究[D];华中农业大学;2010年
2 朱杰;一种基于聚类的支持向量机反问题求解算法[D];河北大学;2007年
3 王焯;基于模糊理论的尾矿坝安全现状综合评价[D];山东科技大学;2010年
4 李金华;基于SVM的多类文本分类研究[D];山东科技大学;2010年
5 汤雪;时间序列线性表示方法及其相似性度量算法研究[D];山东科技大学;2010年
6 时慧;煤矿企业内部供应物流成本分析及控制研究[D];山东科技大学;2010年
7 陈林;基于GIS的流域水文数据的时空分析[D];山东科技大学;2010年
8 陈珂;基于ArcGIS Server济南城市雨情WebGIS系统的设计与开发[D];山东科技大学;2010年
9 黄爱芳;煤炭企业固定资产运行质量评价模型研究[D];山东科技大学;2010年
10 姜成玉;基于支持向量机的时间序列预测[D];辽宁师范大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 蓝永超,康尔泗,杨文华;黄河上游径流预报的灰色拓扑方法[J];冰川冻土;1997年04期
3 匡文慧;张树文;张养贞;李颖;侯伟;;吉林省东部山区近50年森林景观变化及驱动机制研究[J];北京林业大学学报;2006年03期
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5 王华东,王飞;南水北调中线水源工程环境风险评价[J];北京师范大学学报(自然科学版);1995年03期
6 杨建强,林年丰;多目标模糊优选模型在环境质量评价中的应用[J];长春科技大学学报;2000年04期
7 商瑶玲;王东华;吉建培;刘建军;;国家1∶50000地形数据库的数据设计与建库[J];测绘科学;2006年S1期
8 商瑶玲,王东华,吉建培,宋鸿运,刘建军;全国1∶25万地形数据库的建立与应用[J];测绘通报;2001年10期
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10 李崇浩;纪昌明;陈森林;缪益平;;水文周期迭加预报模型的改进及应用[J];长江科学院院报;2006年02期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
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1 王栋;熵及其在水系统中的研究与应用[D];河海大学;2001年
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3 孔凡哲;基于数字化平台的分布式流域水文模型和流域汇流研究[D];河海大学;2003年
4 倪深海;半湿润地区水生态环境恢复研究[D];河海大学;2003年
5 钱镜林;现代洪水预报技术研究[D];浙江大学;2004年
6 侯召成;水库防洪预报调度模糊集与风险分析理论研究与应用[D];大连理工大学;2004年
7 郑德凤;雨洪资源与地下水资源联合调控理论及应用研究[D];大连理工大学;2006年
8 高永胜;河流健康生命评价与修复技术研究[D];中国水利水电科学研究院;2006年
9 孙爱军;基于随机前沿函数的工业用水技术效率研究[D];河海大学;2007年
10 尤爱菊;强潮河口生态与环境需水及实现途径研究[D];河海大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 徐珊珊;水库决策支持系统的研究与开发[D];南昌大学;2010年
2 李辉;红水河梯级水库群短期优化调度研究与应用[D];大连理工大学;2011年
3 朱小凯;汛限水位控制的极限风险分析[D];大连理工大学;2002年
4 苏乐军;中水处理技术分析与效益分析[D];对外经济贸易大学;2002年
5 焦瑞峰;水库防洪调度多目标风险分析模型及应用研究[D];郑州大学;2004年
6 张晓刚;水库汛限水位动态控制效益分析[D];大连理工大学;2005年
7 闫骏霞;水库洪水调度峰量控制类型与碧流河水库防洪预报调度规则研究[D];大连理工大学;2005年
8 陈竹青;长江中下游生态径流过程的分析计算[D];河海大学;2005年
9 高媛;非支配排序遗传算法(NSGA)的研究与应用[D];浙江大学;2006年
10 李蕾;基于UML的城市供水管理信息与决策支持系统的研究[D];天津工业大学;2006年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前3条
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2 张艳平;王国利;彭勇;周惠成;;考虑洪水预报误差的水库汛限水位动态控制风险分析[J];中国科学:技术科学;2011年09期
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中国博士学位论文全文数据库 前6条
1 张丹;区域旱情中长期预报及农业干旱风险综合评价[D];大连理工大学;2011年
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3 张艳平;基于洪水分类的水库汛限水位动态控制域研究及其风险分析[D];大连理工大学;2012年
4 祝雪萍;跨流域引水与水库供水联合调度及变化条件对其影响研究[D];大连理工大学;2013年
5 黄晓敏;基于分布式水文模型的历史暴雨洪水重现技术研究[D];东华大学;2014年
6 王帅;渭河流域分布式水文模拟及水循环演变规律研究[D];天津大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前7条
1 郝利勋;基于生态环境改善的太子河水库群联合调度研究[D];大连理工大学;2011年
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【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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5 黄宪成;模糊多目标决策理论、方法及其应用研究[D];大连理工大学;2003年
6 王友贞;区域水资源承载力评价研究[D];河海大学;2005年
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【相似文献】
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4 杨亚非 吴国平;长江流域水资源逐步走向科学调度运用[N];中国水利报;2010年
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6 长江科学院水资源所 唐纯喜;加快推进长江流域综合管理步伐[N];人民长江报;2010年
7 记者 赵建平;加强调度 优化配置[N];中国水利报;2009年
8 李将辉;小水电开发让3亿农民用上了电[N];人民政协报;2009年
9 记者 刘永福;走进绿色 感受文明[N];湄洲日报;2009年
10 邵斌;防止汛期发生水污染[N];大众科技报;2004年
中国博士学位论文全文数据库 前6条
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6 张泽中;水库补偿机理和补偿效益计算方法研究[D];西安理工大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李勋贵;基于IGA-SA的水库群随机优化调度方法研究[D];西安理工大学;2005年
2 狄艳艳;融江流域水库群调度运行系统应用研究[D];河海大学;2004年
3 张双虎;叶尔羌河流域水库群联合调度研究[D];西安理工大学;2004年
4 戴明龙;大系统分解协调法与GM(1,1)模型在流域防洪联合调度中的耦合应用[D];四川大学;2004年
5 徐向广;滦河中下游水库群联合防洪调度问题的研究[D];天津大学;2004年
6 申敏;漳泽水库库群防洪实时优化调度研究[D];太原理工大学;2003年
7 黄程鹏;龙王山水库群洪水预报方法研究与应用[D];武汉大学;2005年
8 郑志飞;黄河下游水量水质与生态联合调度系统研究[D];河海大学;2007年
9 李阳;受上游水库群影响的水库洪水预报及调度策略研究[D];华北电力大学;2013年
10 周玉琴;三峡梯级与清江梯级联合调度研究[D];武汉大学;2005年
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