基于多agent的天津市水资源-系统仿真优化的研究

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1、第一章绪论1．1研究背景及意义水是生命之源，是人类社会生存发展的基础性自然资源和战略性经济资源。我国是一个水资源严重匮乏的国家，人均水资源占有量仅为世界平均水平的1／4，每亩耕地占有的水资源量仅为世界平均值的80％。近年来，随着我国社会经济的进一步发展和城市化水平的提高，人口大量迁移和集中，部分地区(主要是北方城市)产生了有限的水资源供给与不断增加的需求之间的矛盾，极大地制约了这些城市的经济建设与社会发展。城市水资源问题成为我国实现可持续发展战略的“瓶颈"。由于我国水资源时空分布不均匀，从时间分布角度看，年内年际变化很大，从空间分布角度看，南北差异

2、比较大，南方多，北方少。因此，我国城市水资源问题主要是资源性缺水问题。城市水资源的短缺必然导致水资源系统内部各地区、各部门、各行业之间的用水矛盾。因此，研究满足整个区域经济、环境、社会等多方面最佳效益的前提下各部f-J2_．间的水资源配置，艄限的水资源合理利用，发挥最大效益，成为当前十分紧迫的任务。天津市是我国四大直辖市之一，处于环渤海经济带的中心，在全国经济发展格局中有着重要的战略地位。天津市又是我国水资源最为缺乏的地区之一，多年平均人均水资源量仅为160m3，若加上入境和外调水量，人均占有量也仅有370m3。自从上世纪八十年代以来，海河流域持续

3、干早，同时上游地区由于社会经济发展取用水量迅速增长，导致“九河下梢”的天津市入境水量大幅度减少。为了满足天津市社会经济发展的需要，不得不实施引黄济津应急调水u1。水资源问题已经成为制约天津市社会经济可持续发展的“瓶颈’’。因此，着力构建多水源条件下水资源与水环境承载力的综合评估体系，建立体现水价、生态、环境等因素的多目标水资源配置决策支持系统，合理确定海水淡化规模、控制地下水开采规模、推动再生水的合理利用，优水优用、梯次供水，最终实现水资源配置的科学化、系统化。把多水源配置与天津市经济、社会、环境、生态、人文等和谐发展结合起来，是当前天津市水资源管

4、理面临的关键问题晗1。水资源系统具有复杂性的特性，其自身涉及的部门及水文要素众多，各种要素之间的关系具有一定的规律性，同时又有显著的空间随机性和时间的不确定性。水资源配置是指把有限的、不同形式的水资源在各个用户、用途之间进行分配，包括对各个用户和用途的用水的水源、数量、时间和空问的分配。水资源系第一章绪论统的复杂性特性决定了水资源配置问题是一个涉及经济、社会、资源、生态环境等诸多方面的复杂系统问题。水资源系统的复杂性表现在以下几个方面口1：(1)系统组成要素的多层次和大规模；(2)系统各要素之间或各子系统之间存在多种多样的非线性关联形式，表现在内容

5、上是物质、能量和信息的交换；(3)系统的开放性导致系统演化的复杂性；(4)系统的空间结构具有复杂性；(5)系统的复杂性与人类社会的复杂性紧密相关。近几十年来，水资源合理配置问题已成为水科学规划管理研究的热点问题之一，有关专家学者对这一问题运用多学科理论和技术方法进行了广泛而深入地研究。然而，传统的水资源配置分析研究方法，大多采用线性规划、非线性规划、动态规划、遗传算法、模拟退火算法等，近年来大系统多目标分析技术和系统动力学方法也开始应用于水资源合理配置问题的研究。一方面，这些方法难以考虑各个部门之间的相互影响，所提供的信息对政府和相关部门做水资源配

6、置方案决策具有一定的局限性；另一方面，运用这些方法研究往往需要花费大量的时间，缺乏对问题的及时性、快速反应性。有一部分研究也采用了系统模拟方法，如大系统理论，其本质是将动态问题静态化，难以反映随机波动对系统的影响，同时，在模拟中主要考虑的是水资源不同形态的转化过程以及利用过程，而没有考虑不同水资源政策引起各个相关部门之间的动态相互作用，难以反映水资源配置和调控的真实效果。多Agent仿真(MAS)技术是当前分布式人工智能(DAI)乃至整个计算科学中的热点研究领域。它是一种以Agent技术为基础的、自下而上的仿真建模方法，是Agent技术中一个非常活

7、跃的研究分支。Agent在国内被翻译为代理或智能体，每一个代理或智能体具有智能性、对环境和行为的感知能力和社会性。所谓智能性，简单来说，就是通过对环境感知，当环境发生变化时，能够根据自身情况采取相应对策。所谓社会性，是指每一个智能体都处于社会之中，它们相互作用、交流信息、相互影响，从而使整个系统达到一种均衡。多Agent理论在物理、化学、生态、社会、经济、军事等领域都有广泛应用，它很适合对包含大量智能个体或智能行为的大型复杂动态系统的建模与分析，并且具有很高的建模和仿真效率H1。鉴于水资源系统的复杂性特性，将多Agent理论应用于水资源系统的研究中

8、具有独特的优势，可以解决传统理论方法在水资源系统建模、仿真优化等方面的不足，同时为水资源的合理优化配置提供了有效的工具，为