作者：2017級本科生 阮方正、胡展翃、鄭廣智、朱逸凡 水利水電工程系
指導(dǎo)老師：楊大文 水利水電工程系
關(guān)鍵詞：機(jī)器學(xué)習(xí) 水庫調(diào)度 三峽工程
摘要
水庫指在山溝或河流的狹口處建造攔河壩形成的人工湖泊，其主要功能是調(diào)節(jié)河流的自然徑流過程。因此，水庫是地球上人類調(diào)控水資源的重要基礎(chǔ)設(shè)施。以水庫為基礎(chǔ)的水利樞紐設(shè)施可以發(fā)揮多種功能，包括供水、防洪、發(fā)電、灌溉等。水庫優(yōu)化調(diào)度則通過系統(tǒng)優(yōu)化理論，尋求得到入庫徑流過程與水庫運(yùn)行方式最佳匹配調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)水庫功能最大化。在經(jīng)典水文學(xué)中，通常采用概念性或經(jīng)驗(yàn)性的模型對水庫調(diào)度進(jìn)行模擬和分析。
機(jī)器學(xué)習(xí)嘗試用大量數(shù)據(jù)和“訓(xùn)練”算法，讓計算機(jī)學(xué)會執(zhí)行具有人工智能的任務(wù)。由于水庫調(diào)度往往需要工程師的智慧和經(jīng)驗(yàn)判斷，因此基于機(jī)器學(xué)習(xí)的人工智能可以在水庫調(diào)度中發(fā)揮重要作用。本研究旨在尋找能較有效擬合三峽水庫調(diào)度方法的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，探討人工智能在三峽水庫調(diào)度中的應(yīng)用前景。
研究區(qū)域與數(shù)據(jù)集
長江發(fā)源于青藏高原唐古拉山脈各拉丹冬雪峰西南麓，全長6300余公里，是中國境內(nèi)第一大河。其中宜昌以上干流為上游（25～35°N，95～112.5°E），流域面積100萬平方公里，氣候包括亞熱帶季風(fēng)氣候、高原山地氣候。圖1為長江上游流域示意圖。
三峽水庫位于北緯30.82度，東經(jīng)111.00度，為年調(diào)節(jié)水庫。流域面積1,084平方公里，總存儲量最大容量為393億立方米，具有防洪、航運(yùn)、發(fā)電等多方面效益。
本研究采用如下數(shù)據(jù)集：1.宜昌、武隆、寸灘站1951~2012年逐日徑流數(shù)據(jù)；2.1960~2015年三峽庫區(qū)實(shí)測降雨數(shù)據(jù)；3.2008~2016年三峽水庫逐日出入庫流量；4.2008~2016年三峽水庫逐日庫水位數(shù)據(jù)。
研究方法與技術(shù)路線
本研究采用三種機(jī)器學(xué)習(xí)模型：LSTM（Long Short-Term Memory）、GA-NARX（Genetic Algorithm-Nonlinear autoregressive with external input）與SA-NARX（Simulated Annealing-Nonlinear autoregressive with external input）。三種模型示意圖如圖2、圖3所示：
圖2 LSTM架構(gòu)圖
圖3 GA-NARX與SA-NARX架構(gòu)圖
模型建立方法與評估準(zhǔn)則
水庫調(diào)度的基本規(guī)則可以用如下的函數(shù)關(guān)系表示：
其中，
、
分別代表t時刻三峽水庫實(shí)測入流、出流流量，
代表t-1時刻水庫庫水位，D代表需水量，HE代表工程師經(jīng)驗(yàn)。本研究初步采用三峽水庫入庫、出庫流量數(shù)據(jù)
與逐日庫水位數(shù)據(jù)
擬合
。在得到初步函數(shù)關(guān)系后，采用寸灘、武隆站徑流數(shù)據(jù)與庫區(qū)面雨量數(shù)據(jù)對三峽水庫出流流量進(jìn)行擬合，得到第二組函數(shù)關(guān)系。兩組函數(shù)關(guān)系相結(jié)合，可以得到較為全面的三峽水庫調(diào)度規(guī)則。
