基于cas的南水北調(diào)東線水資源優(yōu)化配置仿真模型

基于cas的南水北調(diào)東線水資源優(yōu)化配置仿真模型

水資源優(yōu)化配置包括資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會。隨著現(xiàn)代水資源工程規(guī)模的擴(kuò)大，水資源優(yōu)化配置問題變得越來越復(fù)雜。它的大系統(tǒng)、多個目標(biāo)、非線性等復(fù)雜系統(tǒng)的特點越來越明顯。水資源系統(tǒng)逐漸發(fā)展為“非骨架”或“半結(jié)構(gòu)性”系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代以來，我國對以系統(tǒng)工程理論為基礎(chǔ)的水資源配置與管理理論和方法進(jìn)行了探討，實現(xiàn)了水資源配置與管理的理論和方法的轉(zhuǎn)變，取得了一些成果。例如，建立了大系統(tǒng)動態(tài)控制理論和生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)理論，提出了基于功能的水資源配置理念，建立了基于宏觀區(qū)域的水資源系統(tǒng)和水資源復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計模型。這些結(jié)果表明，水資源配置和管理方法發(fā)生了變化，資源配置和管理領(lǐng)域越來越注重系統(tǒng)完整性。與傳統(tǒng)的水資源配置和管理理論相比，復(fù)雜性科學(xué)強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)的生命特征的適應(yīng)性，如能積分性和適應(yīng)性。從cas的角度來看，水資源優(yōu)化配置是不斷學(xué)習(xí)、適應(yīng)和協(xié)調(diào)不同層次水體主體的結(jié)果。文獻(xiàn)詳細(xì)論述了復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的研究框架和基于官僚模仿的研究方法。在文獻(xiàn)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，本文研究了基于cas理論的obal所有制水資源優(yōu)化配置模型。該模型是基于cas理論的。在文獻(xiàn)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，對基于cos理論的obal文獻(xiàn)進(jìn)行了研究。在這項工作中，我們展示了基于生動和靜態(tài)特征的信息。1模擬模型1.1用水戶概化分析模型本文在確定仿真模型的Agent時遵循了以下基本原則:(a)多目標(biāo)實現(xiàn)原則;(b)協(xié)調(diào)發(fā)展原則;(c)概化原則.仿真模型中以一個“政府”來代表整個南水北調(diào)東線工程.這可以體現(xiàn)政府的意志,實現(xiàn)政府宏觀調(diào)控的功能.用水地區(qū)按行政區(qū)域進(jìn)行概化,即分為江蘇、安徽、山東、河北和天津5個用水區(qū).用水戶按行業(yè)進(jìn)行概化,認(rèn)為每個用水地區(qū)有1個城市家庭Agent(代表城市生活用水)、1個企業(yè)Agent、1個農(nóng)業(yè)Agent和1個農(nóng)村家庭Agent(代表農(nóng)村生活用水).這種概化作了這樣的假設(shè):在一定的供水條件下,每一個具體的家庭、生產(chǎn)者的行為總是能夠達(dá)到其概化模型所能達(dá)到的效果,并且也只能達(dá)到這種效果.這樣的簡化完全可以滿足仿真模型的精度要求,并且可以有效地降低仿真的難度,使仿真能夠?qū)崿F(xiàn).這樣,就可以得到南水北調(diào)東線工程水資源配置的3層仿真模型了.1.2演員的行為規(guī)則1.2.1社會統(tǒng)計和政府a(chǎn)gent本模型中的政府Agent是南水北調(diào)東線工程管理機(jī)構(gòu)以及相關(guān)行政管理機(jī)構(gòu)的抽象.通過對政府Agent的行為及其適應(yīng)性表現(xiàn)的描述,可以實現(xiàn)南水北調(diào)東線水資源系統(tǒng)的宏觀層次的功能和目標(biāo).政府Agent的行為包括:(a)水量分配管理.政府Agent根據(jù)南水北調(diào)東線調(diào)水狀況、各省的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展?fàn)顩r和水資源利用狀況,在整個東線受水區(qū)范圍內(nèi),以行政區(qū)域為單位,對各省Agent進(jìn)行水量配置.(b)水價管理.政府Agent負(fù)責(zé)制定包括生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等各類用水的水價,依據(jù)其管理目標(biāo)進(jìn)行水價調(diào)節(jié).(c)社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計.由政府Agent負(fù)責(zé).統(tǒng)計數(shù)據(jù)是政府Agent獲取的整個系統(tǒng)狀態(tài)信息,與政府Agent的優(yōu)化目標(biāo)密切相關(guān),是其適應(yīng)性行為的結(jié)果,也是其適應(yīng)性行為變化的基礎(chǔ).社會統(tǒng)計行為對各個受水區(qū)域Agent的信息進(jìn)行匯總,為政府Agent的優(yōu)化決策服務(wù).社會統(tǒng)計的指標(biāo)包括總產(chǎn)出、GDP、糧食產(chǎn)量、居民用水滿意度和污水排放量等,涵蓋了社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境等.(d)信息發(fā)布.政府Agent接收其下一級Agent的信息,經(jīng)過決策后將制定的政策信息發(fā)布給其下一級Agent.政府Agent的適應(yīng)性表現(xiàn)是一個包括經(jīng)濟(jì)目標(biāo)、社會目標(biāo)和生態(tài)環(huán)境目標(biāo)在內(nèi)的多目標(biāo)優(yōu)化問題.本模型用GDP代表經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo),人均生活用水滿意度代表社會發(fā)展目標(biāo),生物化學(xué)需氧量BOD代表生態(tài)環(huán)境指標(biāo).這樣,政府Agent的適應(yīng)性表現(xiàn)可用下式來表示.y=f(x)=(f1(x)?f2(x)?f3(x))f1(x)?maxGGDP=max∑p=15PGDPf2(x)?maxGSFW=max15∑p=15PSFWf3(x)?minGBOD=min∑p=15PBODy=f(x)=(f1(x)?f2(x)?f3(x))f1(x)?maxGGDΡ=max∑p=15ΡGDΡf2(x)?maxGSFW=max15∑p=15ΡSFWf3(x)?minGBΟD=min∑p=15ΡBΟD式中:GGDP,GSFW,GBOD——整個東線系統(tǒng)的GDP、人均生活用水滿意度和BOD;PGDP,PSFW,PBOD——下一級Agent,即各省Agent的GDP、人均生活用水滿意度和BOD;x——政府Agent的決策變量,即各個區(qū)域Agent分配的水量和制定的水價.符號?表示GGDP,GSFW和GBOD為社會統(tǒng)計量,是決策變量x導(dǎo)致的結(jié)果,而并不是決策變量x的直接函數(shù).符號?中隱含了政府Agent與其下一級Agent以及下下一級Agent之間的一個調(diào)控與反饋的動態(tài)過程,反映了由系統(tǒng)不同層次微觀個體的適應(yīng)性行為所表現(xiàn)出的系統(tǒng)整體的適應(yīng)和演化特性.這個政府宏觀調(diào)控與微觀個體動態(tài)反饋的過程使水資源多Agent系統(tǒng)不同層次之間有了聯(lián)系并相互作用著,使以水資源優(yōu)化配置為主線的社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)得以良性運行,而這也正是基于CAS理論的本模型的特別之處.區(qū)域Agent是政府Agent與各類微觀用水Agent溝通的橋梁,起到了上行下達(dá)和中間調(diào)節(jié)的作用.通過對區(qū)域Agent的行為及其適應(yīng)性表現(xiàn)的描述,實現(xiàn)了南水北調(diào)東線水資源系統(tǒng)的中觀層次的功能和目標(biāo).區(qū)域Agent的行為規(guī)則與政府Agent的行為規(guī)則類似,只是管理范圍限制在本區(qū)域內(nèi).1.2.2農(nóng)業(yè)用水a(chǎn)gent本模型選取了3類用水Agent:生活用水Agent、工業(yè)用水Agent和農(nóng)業(yè)用水Agent.生活用水Agent的主要行為表現(xiàn)為:根據(jù)需要消費水并支出水費,同時產(chǎn)生污水;關(guān)注用水定額及水價政策;進(jìn)行必要的節(jié)水以降低水費的支出,從而追求最大用水滿意度.工業(yè)用水Agent的主要行為表現(xiàn)為:用水生產(chǎn)并支出水費,產(chǎn)生污水,經(jīng)濟(jì)效益核算;關(guān)注用水定額及水價政策;進(jìn)行必要的節(jié)水改造以降低水費的開支,從而追求企業(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)并支出水費,經(jīng)濟(jì)效益核算;關(guān)注用水定額及水價政策;選擇節(jié)水灌溉策略,調(diào)整種植結(jié)構(gòu)并進(jìn)行灌區(qū)改造,以增加收益,減少用水支出,從而追求農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的最大化.1.3區(qū)域agent之間的優(yōu)化配置體現(xiàn)a.政府Agent為各個區(qū)域Agent分配水量.區(qū)域Agent根據(jù)政府Agent分配的水量為本區(qū)域內(nèi)的各個用水Agent分配水量.各個用水Agent根據(jù)區(qū)域Agent分配的水量進(jìn)行生活和生產(chǎn)活動,以追求各自的效用最大化為行為目標(biāo).b.各個用水Agent將各自的實際用水量、實際效用等分送到本區(qū)域Agent進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計.區(qū)域Agent根據(jù)各種統(tǒng)計數(shù)據(jù)和本區(qū)域的適應(yīng)性目標(biāo)在本區(qū)域內(nèi)調(diào)整水資源的配置,并將配置信息發(fā)布給它的下一層Agent.下一層Agent在區(qū)域Agent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.c.重復(fù)上述過程,直到達(dá)到區(qū)域整體的水資源優(yōu)化配置目標(biāo)為止.d.區(qū)域Agent將本區(qū)域的統(tǒng)計數(shù)據(jù)上傳給政府Agent,政府Agent根據(jù)系統(tǒng)整體的優(yōu)化目標(biāo)和各個區(qū)域Agent的統(tǒng)計數(shù)據(jù)調(diào)整分配給各個區(qū)域Agent的水量,從而在系統(tǒng)內(nèi)開始新一輪的調(diào)控與反饋過程.2模型模擬2.1模型數(shù)據(jù)來源模型仿真需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),包括工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水參數(shù)、生活用水參數(shù)、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)和必要的水文數(shù)據(jù)等.本模型采用的數(shù)據(jù)主要來源于各省的統(tǒng)計年鑒,部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于文獻(xiàn).2.2調(diào)水量與社會發(fā)展協(xié)調(diào)度仿真程序中設(shè)定了4種情景:(a)Sntp0表示無南水北調(diào)水量;(b)Sntp1表示南水北調(diào)東線工程一期調(diào)水量;(c)Sntp2表示南水北調(diào)東線工程二期調(diào)水量;(d)Sntp3表示南水北調(diào)東線工程三期調(diào)水量.這4種情景的設(shè)置依據(jù)是隨著南水北調(diào)東線三期調(diào)水工程的進(jìn)行,受水地區(qū)的可供水量不斷增加,設(shè)置目的是比較不同供水量條件下各受水地區(qū)的水資源配置狀況和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r.因此,仿真程序返回3類結(jié)果:(a)水量分配方案;(b)社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計指標(biāo);(c)社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境發(fā)展協(xié)調(diào)度.本文僅給出社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境發(fā)展協(xié)調(diào)度的仿真結(jié)果,如表1所示.從表1可以看出,各省和系統(tǒng)的發(fā)展協(xié)調(diào)度隨著調(diào)水量的增加而增加.這一方面說明隨著可供水資源的增加,水資源對經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境發(fā)展的瓶頸作用會減小,另一方面說明政府在發(fā)展經(jīng)濟(jì)和社會的同時注重了生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和投入,從而促進(jìn)了社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展.從表1還可以看出,個別省份社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的發(fā)展協(xié)調(diào)度與調(diào)水量不完全呈正比例關(guān)系.例如:江蘇省Sntp1下的發(fā)展協(xié)調(diào)度是0.04577,而Sntp2下的發(fā)展協(xié)調(diào)度是0.04387;河北省Sntp2下的發(fā)展協(xié)調(diào)度是0.04756,而Sntp3下的發(fā)展協(xié)調(diào)度是0.04447.這種非完全正比例關(guān)系,是各省社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等子系統(tǒng)在調(diào)水量發(fā)生變化時所表現(xiàn)出的適應(yīng)性行為.但是,各個子系統(tǒng)在調(diào)水量發(fā)生變化時所表現(xiàn)出的適應(yīng)性行為的激烈程度不同,各個子系統(tǒng)的適應(yīng)性行為也并不是步調(diào)一致的,有的子系統(tǒng)反應(yīng)迅速,而有的子系統(tǒng)反應(yīng)相對遲緩.3基于cas理論的優(yōu)化配置仿真隨著現(xiàn)代水資源工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大,水資源優(yōu)化配置問題變得越來越復(fù)雜.本文