第3章 基于遗传算法的水资源系统建模方法.docVIP

PAGE PAGE 77 第3章 基于遗传算法的水资源系统建模方法 3.1 水资源系统建模概述 系统模型，是所研究系统的各要素之间关系，或所研究系统的输入与输出之间关系的符号表示形式，这些符号可以是思维的、语言的、描述的、图形的、数学的、物理的、相似的、模拟的或系统本身的符号[1，3-5]。复杂系统模型，目前主要用计算机程序来描述。系统模型只是系统某些方面本质属性的描述，这些属性的选取取决于系统工程研究的目的和研究的条件。因此，一个适用的系统模型，应该是对实际系统的抽象或模仿，应该反映实际系统主要因素及其关系。 基于不同的分类原则，有不同的系统模型的分类方法。根据对实际系统定性和定量认识的深刻程度，系统模型一般可分为4类模型[9，127]：一是概念模型，它是最抽象的模型，采用定性分析等方法将所研究的实际系统问题抽象成一些概念，以描述实际系统的主要特征，一般用语言和图形来表示，这类模型是其它深化模型的基础，例如流域暴雨洪水系统可抽象为流域暴雨子系统、流域产流子系统、流域汇流子系统；二是结构模型，用层次图、网络图、隶属关系图、因果关系图等从宏观定性层次上反映实际系统的要素及其相互关系，一般不涉及具体的定量值，例如计算机程序流程图、系统动力学中的因果关系回路图等；三是数学模型，用数字、字母及其它数学符号从定理、定律、公式、算法、图表等层次上描述实际系统各要素及各要素之间的定量关系或拓扑关系，是在系统工程理论和实践中应用最广泛的一类系统模型，例如流域多年平均水量平衡模型；四是物理模型（形象模型），根据几何相似、力学相似、运动相似等物理相似原理，对实际系统的尺寸缩小或放大并用实物构造的系统模型，例如大坝下游冲淤试验模型等。 系统工程的基本工作方式，就是根据系统观点，采用定量方法、定性与定量相互结合的方法、人机结合方法等，从技术的、经济的、环境的、社会的、政治的等方面对实际系统进行预测、模拟、优化、评价和决策分析等，其中最基础的工作就是对这些方面的各种关系和影响进行描述[38，128]。根据系统工程中常遇到的需要加以描述的事物规律的类型，系统模型一般可分为4类模型[38，128]：一是描述物理系统之间相互关系及其与外界环境之间关系的物理模型，主要反映实际系统的“物”是什么；二是描述事理系统之间相互关系及其与外界环境之间关系的事理模型，主要反映如何去处理这些“物”；三是描述人的主观意图和对客观事物反映的人理模型，主要反映根据人文特征、思想、精神等方面要求应该如何去处理这些“物”和“事”；四是描述许多人（群体）的主观意图的组合方式的系统模型，主要反映许多不同主观意见的人的不同利益冲突关系。对复杂的水资源管理系统，其物理模型主要表现在水资源学科、计算机科学、软件工程、自动化工程、通信工程、系统工程等知识子系统，其事理模型主要表现在水资源预报、调度、分配、防洪、模拟、数据输入处理和输出、自动化办公等各种水资源管理方式，其人理模型主要表现在定性定量结合、人机结合和人际协调等方面[38]。 根据系统模型在水资源系统工程中的作用，系统模型一般可分为5类模型，即系统优化模型、系统预测模型、系统模拟模型、系统评价模型和系统决策分析模型。这也是本书采用的分类方法，而且探讨的系统模型都限于数学模型。 水资源系统建模（system modeling），就是将实际水资源系统问题抽象、简化，明确变量、系数和参数，然后根据某种规律、规则或经验建立变量、系数和参数之间的数学关系，再解析地或数值地求解并加以解释、验证和应用，这样一个多次迭代的过程[3，13，129，130]，这一过程又称模型化过程。水资源系统建模是沟通水资源系统工程实践与理论的重要桥梁。在系统建模中，变量是描述系统状态和行为的量，分为三种变量[3，13]，描述系统本身内部状态随时间而变化的变量称为状态变量，描述系统与外部环境相互作用的变量称为行为变量，包括输入变量和输出变量。输入变量是系统环境施加于系统的变量，它又可分为可控变量和不可控变量，输出变量是系统作用于系统环境的变量，它是由系统输入变量、状态变量和系统转换机构特性共同作用所产生的变量。在水资源系统工程中，常把输入变量称为自变量，输出变量称为因变量。系数是表示系统某性质已知的量，是由系统本身所决定，一般与环境无关，其值是预先给定且为常数，如重力加速度系数、阻尼系数等。参数是表示系统某性质不全知的量，在某种意义上也是变量、其值在不同系统条件下需要且可以调整和优化，主要反映系统其它变量之间的关系。为简便，本书把系数也称为参数，实际上它是数值保持不变的参数。数学关系是系统要素、变量和参数之间相互关系的数学表达形式，这些数学关系是根据系统内部结构、系统转换机制，或根据一些系统输入输出样本数据，或根据一定的原理、定理、经验等建立起来的，确定