基于遺傳算法的水資源優(yōu)化配置模型

基于遺傳算法的水資源優(yōu)化配置模型

隨著現(xiàn)代節(jié)水工程的不斷擴(kuò)大，水資源的優(yōu)化配置問(wèn)題越來(lái)越大，包括系統(tǒng)、多目標(biāo)、非線性等特征。首先,水資源的優(yōu)化配置涉及資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等方面,是一個(gè)動(dòng)態(tài)、多變、非平衡、開(kāi)放耗散的“非結(jié)構(gòu)化”或“半結(jié)構(gòu)化”系統(tǒng)。另一方面,在水資源配置與管理領(lǐng)域,正經(jīng)歷著從“技術(shù)經(jīng)濟(jì)尋優(yōu)”到“溝通與協(xié)調(diào)”理念的轉(zhuǎn)變。隨著復(fù)雜系統(tǒng)和復(fù)雜性科學(xué)理論在水資源科學(xué)研究領(lǐng)域的逐漸開(kāi)展,筆者也開(kāi)始以一個(gè)全新的視角考慮水資源配置與管理的研究。與傳統(tǒng)的水資源配置與管理理論相比,復(fù)雜性科學(xué)提供了一個(gè)完全不同的世界觀,它強(qiáng)調(diào)從智能性和自適應(yīng)性等系統(tǒng)生命特征出發(fā)研究系統(tǒng)復(fù)雜性的行為、特征、形成的原因。仔細(xì)分析可知,水資源系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng),具有層次結(jié)構(gòu)。根據(jù)復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論,不同層次上的主體具有不同的學(xué)習(xí)、適應(yīng)和演化模式。復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)不同層次上主體的學(xué)習(xí)和適應(yīng)行為是整個(gè)系統(tǒng)演化和發(fā)展的動(dòng)力。從復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的角度來(lái)看,水資源的優(yōu)化配置正是水資源系統(tǒng)不同層次上的主體不斷學(xué)習(xí)、適應(yīng)和協(xié)調(diào)的結(jié)果。因此,研究不同層次上主體的學(xué)習(xí)進(jìn)化模式對(duì)于實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置具有重要的意義。筆者應(yīng)用復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論的基本思想研究水資源優(yōu)化配置問(wèn)題,在建立的水資源多Agent系統(tǒng)概念的基礎(chǔ)上,建立了基于遺傳算法的水資源優(yōu)化配置的3層演化模型,并以南水北調(diào)東線工程的水資源優(yōu)化配置為例進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)證明,所建立的3層演化模型是有效的。1水資源系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)水資源系統(tǒng)是復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng),而研究復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)最有力的工具之一是多Agent系統(tǒng)建模仿真方法。因此,基于復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論,筆者提出水資源多Agent系統(tǒng)的概念,具體定義參見(jiàn)文獻(xiàn)和文獻(xiàn)。Agent,是水資源系統(tǒng)的構(gòu)成主體在水資源多Agent系統(tǒng)邏輯空間上的映射。依據(jù)我們所研究的問(wèn)題尺度來(lái)確定水資源多Agent系統(tǒng)中Agent的粒度。即這里的Agent可以小到一個(gè)具體的用水戶,如家庭、企業(yè)、灌區(qū)等,也可以大到水資源系統(tǒng)的構(gòu)成子系統(tǒng),包括社會(huì)子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)。之所以可以這樣來(lái)確定Agent的粒度,是由于系統(tǒng)具有層次結(jié)構(gòu)。圖1表示了一個(gè)水資源多Agent系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。復(fù)雜人Agent是水資源多Agent系統(tǒng)的最底層構(gòu)成單元。復(fù)雜人Agent構(gòu)成了組織Agent,組織Agent以及復(fù)雜人Agent(指不隸屬于組織的Agent)構(gòu)成了區(qū)域Agent,區(qū)域Agent構(gòu)成了節(jié)點(diǎn)Agent,節(jié)點(diǎn)Agent構(gòu)成了整個(gè)水資源多Agent系統(tǒng)。組織Agent雖然不是系統(tǒng)的最底層構(gòu)成單元,但它卻是系統(tǒng)的基本構(gòu)成單元。因?yàn)?一方面,組織大量存在于系統(tǒng)中,是系統(tǒng)的基本功能單元;另一方面,系統(tǒng)的生產(chǎn)、運(yùn)行、管理都是以組織的方式運(yùn)行的。復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論非常強(qiáng)調(diào)主體的學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力,認(rèn)為微觀個(gè)體的相互作用是系統(tǒng)演化的動(dòng)力,而主體的學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力是主體之間相互作用和協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)。不同層次上的主體具有不同的學(xué)習(xí)、適應(yīng)和演化模式。從復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的角度來(lái)看,水資源的優(yōu)化配置正是水資源系統(tǒng)不同層次上的主體不斷學(xué)習(xí)、適應(yīng)和協(xié)調(diào)的結(jié)果。因此,研究不同層次上主體的學(xué)習(xí)進(jìn)化模式對(duì)于實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置具有重要的意義。通過(guò)對(duì)水資源系統(tǒng)的研究,筆者建立了一個(gè)基于遺傳算的水資源多Agent系統(tǒng)的3層演化模型。2低頻單元的學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力根據(jù)復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論,系統(tǒng)的演化是底層單元微觀行為方式不斷交互作用的涌現(xiàn)。因此,低層單元的學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力是系統(tǒng)演化的基礎(chǔ)。分析上述的層次結(jié)構(gòu),我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在不同的層次上具有不同的學(xué)習(xí)方式。(1)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則為了適應(yīng)環(huán)境,個(gè)體在與其他個(gè)體的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中,在與環(huán)境的交互和相互作用過(guò)程中,不斷調(diào)整自身的規(guī)則、知識(shí),優(yōu)化自身的結(jié)構(gòu),達(dá)到提高自身屬性和性能,增強(qiáng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性的效果。(2)群體內(nèi)的共享這種學(xué)習(xí)是一些經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和信息在某個(gè)群體內(nèi)的共享。這是一個(gè)局部環(huán)境中群體內(nèi)個(gè)體之間的相互影響,并且有相應(yīng)的群體管理部門實(shí)現(xiàn)對(duì)群體的管理、引導(dǎo)和控制。(3)組織間、區(qū)域間和節(jié)點(diǎn)間的合作和競(jìng)爭(zhēng)學(xué)習(xí)群體之間的協(xié)作和競(jìng)爭(zhēng)會(huì)改變各個(gè)群體對(duì)某件事物的信念和預(yù)期,從而影響到各自的行為方式。(4)基于遺傳算法的水資源多agent系統(tǒng)演化模型這種學(xué)習(xí)方式存在于整個(gè)系統(tǒng)演化的過(guò)程中,父代的良好結(jié)構(gòu)、性能和屬性通過(guò)遺傳傳遞給子代,這類似于人類發(fā)展過(guò)程中,代代相傳的各種知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。從微觀上看,這些存在于不同層次、不同個(gè)體的學(xué)習(xí)行為增強(qiáng)了個(gè)體在環(huán)境中的生存和獲益能力。從宏觀上看,這些來(lái)自微觀個(gè)體的學(xué)習(xí)行為促進(jìn)了系統(tǒng)的演化進(jìn)程。因此,如何仿真實(shí)現(xiàn)這些學(xué)習(xí)方式就是仿真實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置的關(guān)鍵。在本文建立的模型中,主要從以下3個(gè)方面進(jìn)行考慮:①調(diào)整、修改和產(chǎn)生新的Agent規(guī)則;②優(yōu)化群體行為;③在競(jìng)爭(zhēng)中共同進(jìn)化。針對(duì)這3個(gè)方面,遺傳算法及其改進(jìn)算法是一個(gè)提高系統(tǒng)模型各級(jí)智能和適應(yīng)性的非常有效的工具。水資源多Agent系統(tǒng)和遺傳算法具有很多相同和相近的特性,因此適合采用遺傳算法建立水資源多Agent系統(tǒng)的演化模型。由于水資源多Agent系統(tǒng)的不同層次具有不同的特點(diǎn),因而需要針對(duì)這些特點(diǎn)采用不同的遺傳算法。為此,筆者構(gòu)建了基于遺傳算法的水資源多Agent系統(tǒng)的3層演化模型,如圖2所示。在圖2中,筆者用基本的遺傳算法來(lái)優(yōu)化水資源系統(tǒng)中微觀個(gè)體的規(guī)則演化與學(xué)習(xí)行為。水資源系統(tǒng)中Agent群體的行為優(yōu)化模型與細(xì)粒度模型遺傳算法(fine-grainedgeneticalgorithms,FGGA)之間具有諸多相似之處,因此,筆者應(yīng)用細(xì)粒度模型遺傳算法來(lái)解決Agent群體的行為優(yōu)化問(wèn)題。從系統(tǒng)層的角度來(lái)看,水資源的優(yōu)化配置是一個(gè)多目標(biāo)相互協(xié)調(diào)的問(wèn)題。進(jìn)化算法內(nèi)在的特征說(shuō)明了進(jìn)化搜索適合用于多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。多目標(biāo)共生型協(xié)同進(jìn)化遺傳算法解決了兩個(gè)基本的問(wèn)題:①將算法從單目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)化到多目標(biāo)優(yōu)化;②防止算法早熟收斂和加快收斂速度。因此,我們用多目標(biāo)共生型協(xié)同進(jìn)化遺傳算法來(lái)解決水資源優(yōu)化配置的系統(tǒng)層優(yōu)化問(wèn)題。3以各控制主體行為規(guī)則為依據(jù)的仿真筆者將上述建立的水資源復(fù)雜適應(yīng)配置的3層演化模型應(yīng)用到南水北調(diào)東線水資源優(yōu)化配置問(wèn)題上,進(jìn)行了建模仿真,取得了較好的結(jié)果。在仿真程序中,我們將南水北調(diào)東線工程水資源多Agent系統(tǒng)中的Agent進(jìn)行了層次劃分:第1層是政府Agent(對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)層);第2層包括3個(gè)區(qū)域Agent(對(duì)應(yīng)于群體層),即黃河以南Agent、山東半島Agent和黃河以北Agent;第3層包括5個(gè)Agent(對(duì)應(yīng)于個(gè)體層),即在第2層的每個(gè)Agent中包括家庭Agent、工業(yè)Agent、農(nóng)業(yè)Agent、環(huán)境Agent和航運(yùn)Agent。對(duì)每一層的每一類Agent,筆者都制定了詳細(xì)的行為規(guī)則和適應(yīng)性目標(biāo)。政府Agent和每一個(gè)區(qū)域Agent的行為規(guī)則包括:①水量分配管理;②水價(jià)管理;③社會(huì)統(tǒng)計(jì);④信息發(fā)布。政府Agent的適應(yīng)性目標(biāo)對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)整體的水資源優(yōu)化配置目標(biāo),從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境效益最大化。區(qū)域Agent的適應(yīng)性目標(biāo)對(duì)應(yīng)于區(qū)域內(nèi)的水資源優(yōu)化配置目標(biāo),從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境效益最大化。個(gè)體Agent的行為規(guī)則比較復(fù)雜。生活用水Agent的主要行為表現(xiàn)為水消費(fèi)和產(chǎn)生污水,追求生活的最大舒適程度。工業(yè)用水Agent的主要行為表現(xiàn)為用水生產(chǎn)、產(chǎn)生污水、經(jīng)濟(jì)效益核算以及進(jìn)行必要的節(jié)水改造,追求企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。農(nóng)業(yè)用水Agent的主要行為表現(xiàn)為用水生產(chǎn)、選擇灌溉策略、選擇種植的農(nóng)作物、灌區(qū)改造和經(jīng)濟(jì)效益核算,追求農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。仿真程序中,層與層之間通過(guò)輸入輸出數(shù)據(jù)建立聯(lián)系。政府Agent和區(qū)域Agent都分別接受它下一層Agent傳來(lái)的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并根據(jù)本層的適應(yīng)性目標(biāo)在本層優(yōu)化水資源的配置,然后將配置信息發(fā)布給它的下一層。它的下一層在上層配置的水資源量的條件下根據(jù)自身的適應(yīng)性目標(biāo)優(yōu)化自身的行為,并將產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)送給它的上一層。上述的過(guò)程不斷重復(fù),直到達(dá)到系統(tǒng)整體的水資源優(yōu)化配置目標(biāo)。仿真結(jié)果可以得到南水北調(diào)東線調(diào)水在第2層的3個(gè)Agent和第3層5個(gè)Agent之間的配置情況、各種社會(huì)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)以及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境3個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r等。限于篇幅,這里只給出兩個(gè)結(jié)果。圖3表示了南水北調(diào)東線水資源的配置情況,圖4表示了隨著工程的進(jìn)行,調(diào)水規(guī)模不斷擴(kuò)大,南水北調(diào)東線水資源系統(tǒng)的各構(gòu)成子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r。4水資源優(yōu)化配置的意義基于遺傳算法的水資源復(fù)雜適應(yīng)配置系統(tǒng)的研究歸根結(jié)底是利用復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論的基本思想,將水資源的優(yōu)化配置看作是一個(gè)系統(tǒng)不同層次上的個(gè)體不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)的過(guò)程。但是,不同層次上的個(gè)體由于擁有不同的知識(shí)、信念、期望和目標(biāo),因而具有不同的學(xué)習(xí)模式。研究并實(shí)現(xiàn)這些學(xué)習(xí)模式可以更加有效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的目標(biāo),即水資源優(yōu)化配置。與傳統(tǒng)的水資源優(yōu)化配置模型相比,本文的基于遺傳算法的水資源復(fù)雜適應(yīng)配置的3層演化模型具有下述特點(diǎn)。(1)層演化模型水資源配置過(guò)程中高層信息表現(xiàn)傳統(tǒng)的水資源優(yōu)化配置模型是靜態(tài)的,除了需水預(yù)測(cè)能夠反映低層的用水狀況外,在模型求解的過(guò)程中沒(méi)有與低層的信息反饋交流,而且需水預(yù)測(cè)也是確定之后不再改變的。而基于遺傳算法的水資源復(fù)雜適應(yīng)配置的3層演化模型水資源配置過(guò)程,是一個(gè)各個(gè)層次之間不斷反饋交流的動(dòng)態(tài)過(guò)程,高層的決策結(jié)果依賴于對(duì)低層信息的綜合。這個(gè)過(guò)程一直動(dòng)態(tài)地進(jìn)行,直到各層都取得滿