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        基于Repast的水庫調(diào)度仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
        ——以云南省曲靖市東山鎮(zhèn)為例

        2015-11-05 03:11:38王宇賓王慧敏王然
        關(guān)鍵詞:旱災(zāi)缺水水量

        王宇賓,王慧敏,王然

        (河海大學(xué)a.商學(xué)院;b.水文水資源學(xué)院,南京211100)

        基于Repast的水庫調(diào)度仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
        ——以云南省曲靖市東山鎮(zhèn)為例

        王宇賓a,王慧敏a,王然b

        (河海大學(xué)a.商學(xué)院;b.水文水資源學(xué)院,南京211100)

        針對(duì)區(qū)域內(nèi)水庫調(diào)度抗旱應(yīng)急能力的評(píng)估問題,利用多Agent的建模與仿真技術(shù),在Repast仿真平臺(tái)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)水庫調(diào)度仿真模型,模擬了旱災(zāi)發(fā)生時(shí)區(qū)域內(nèi)水庫間的水資源調(diào)度情況。重點(diǎn)描述了模型的環(huán)境、水庫屬性和行為規(guī)則的設(shè)計(jì),介紹了模型的實(shí)現(xiàn)框架和仿真流程。最后,以云南省曲靖市東山鎮(zhèn)為應(yīng)用背景進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。通過分析仿真結(jié)果,得出了在旱災(zāi)期間東山鎮(zhèn)內(nèi)各水庫的水量變化情況和水庫間的調(diào)度關(guān)系,為抗旱應(yīng)急能力的有效評(píng)估提供一定的數(shù)據(jù)參考。

        多Agent技術(shù);Repast;水庫調(diào)度

        通過對(duì)旱災(zāi)地區(qū)脆弱性形成和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的對(duì)策進(jìn)行探討,可以為抵御旱災(zāi)以及政府的減災(zāi)決策提供科學(xué)參考[1]。地區(qū)的脆弱性通過地區(qū)的抗旱應(yīng)急能力來衡量,區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的對(duì)策主要通過區(qū)域內(nèi)水庫的調(diào)度方案來體現(xiàn)。因此,建立區(qū)域內(nèi)的旱災(zāi)水庫調(diào)度仿真模型來評(píng)估區(qū)域的抗旱應(yīng)急能力有助于提高抗旱決策的科學(xué)性。

        水資源調(diào)配[2]是指通過在時(shí)間和空間上采取調(diào)度工程對(duì)水資源進(jìn)行調(diào)蓄、輸送和分配,從而實(shí)現(xiàn)水資源生態(tài)積蓄和優(yōu)化調(diào)配。旱災(zāi)發(fā)生時(shí),區(qū)域水庫之間的水資源調(diào)度是一個(gè)涉及眾多參與主體的復(fù)雜系統(tǒng)。復(fù)雜系統(tǒng)[3]的非線性、不確定性和不可預(yù)測(cè)性等特征對(duì)傳統(tǒng)建模與仿真技術(shù)提出了挑戰(zhàn),因此基于Agent的建模與仿真(Agentbased modeling and simulation,ABMS)方法應(yīng)運(yùn)而生,并被眾多學(xué)者認(rèn)為是研究復(fù)雜系統(tǒng)的重要手段與途徑之一[4]。多Agent的建模與仿真技術(shù)強(qiáng)調(diào)賦予系統(tǒng)中Agent的簡單規(guī)則和關(guān)系,通過仿真來重現(xiàn)真實(shí)世界的復(fù)雜現(xiàn)象[5]。構(gòu)建多Agent的水庫調(diào)度仿真模型能幫助我們分析復(fù)雜系統(tǒng)中各主體之間的特征、相互關(guān)系和探索系統(tǒng)的演化規(guī)律[6],從而評(píng)估區(qū)域的水庫抗旱應(yīng)急能力。旱災(zāi)發(fā)生時(shí),災(zāi)區(qū)的水資源得不到自然補(bǔ)充,為滿足當(dāng)?shù)鼐用竦恼S盟瑸?zāi)區(qū)需要進(jìn)行水資源的調(diào)配[7],水庫間的調(diào)度由此產(chǎn)生。通過對(duì)水庫間的水資源調(diào)度情況進(jìn)行模擬仿真,能夠預(yù)先檢測(cè)不同調(diào)度方案的實(shí)施效果,為災(zāi)區(qū)實(shí)施應(yīng)急措施提供科學(xué)決策參考。

        Repast是由芝加哥大學(xué)研發(fā)的、面向?qū)ο蟮摹⒖梢暬亩郃gent建模與仿真平臺(tái),已被廣泛地應(yīng)用在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的多Agent建模與仿真的研究當(dāng)中[8-9]。由于其良好的可視化建模環(huán)境與擴(kuò)展性,Repast被眾多學(xué)者認(rèn)為是最具發(fā)展前途的建模與仿真平臺(tái)[10-18]。因此,本文利用Java編程語言在Repast平臺(tái)上進(jìn)行模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

        1 旱災(zāi)水庫調(diào)度模型

        水庫調(diào)度模型的主要研究對(duì)象是區(qū)域內(nèi)的水庫,即設(shè)模型中的水庫為Agent。通過設(shè)置區(qū)域內(nèi)相應(yīng)的自然、工程和市場(chǎng)參數(shù),包括區(qū)域的旱災(zāi)發(fā)生率、水庫容量、水庫水資源輸入量和水資源需求量等,仿真模擬當(dāng)該區(qū)域內(nèi)某一地方發(fā)生旱災(zāi)時(shí)水庫調(diào)度的基本情況。通過觀察仿真的運(yùn)行,可以了解到區(qū)域內(nèi)水庫水量的變化情況、旱災(zāi)的發(fā)生情況以及水資源的調(diào)度關(guān)系,從而評(píng)估該區(qū)域應(yīng)對(duì)旱災(zāi)的能力。

        1.1環(huán)境

        水庫所處的環(huán)境可以簡化為一個(gè)網(wǎng)格空間,在每一個(gè)循環(huán)周期中水庫的水會(huì)得到一定的補(bǔ)充,但如果水庫所在的地區(qū)發(fā)生了旱災(zāi),則該水庫的水量將得不到補(bǔ)充。模型的假設(shè)前提是該區(qū)域內(nèi)各個(gè)水庫所在地的旱災(zāi)發(fā)生率為一個(gè)固定的概率,各水庫所在地的旱災(zāi)發(fā)生為相互獨(dú)立事件。

        1.2水庫屬性

        水庫的屬性主要包括以下4個(gè):①庫容量(capacity),即水庫容量。庫容量是該水庫的蓄水能力,其積蓄的水量不能超過其容量。②當(dāng)前水量(currentwater),即當(dāng)前時(shí)刻水庫內(nèi)所積蓄的水量。在仿真過程中,水庫將根據(jù)當(dāng)前水量的不同呈現(xiàn)不同的顏色。當(dāng)前水量較少時(shí)呈現(xiàn)綠色;當(dāng)前水量較多時(shí)呈現(xiàn)藍(lán)色;若當(dāng)前水量為“0”,則表明該水庫缺水,水庫將呈現(xiàn)出紅色外觀。③需水量(water demand),需水量是每一周期中水庫需要向當(dāng)?shù)毓?yīng)的水量,當(dāng)需水量大于水庫當(dāng)前水量時(shí),表明水庫不能供應(yīng)足夠的水資源給當(dāng)?shù)厥褂?,此時(shí)需要從其他水庫調(diào)度水資源。④缺水量(water discharge),即水庫需要從其他水庫調(diào)度的水量,由需水量和當(dāng)前水量決定。

        1.3行為規(guī)則

        為了深入研究水庫中水量變化的細(xì)節(jié)情況,每一個(gè)循環(huán)周期分為3個(gè)時(shí)間步(tick)進(jìn)行,每個(gè)時(shí)間步中水庫將執(zhí)行以下相應(yīng)的行為方法。

        1)進(jìn)水。水庫首先判斷當(dāng)期是否發(fā)生了旱災(zāi),若發(fā)生旱災(zāi)則當(dāng)期該水庫的水資源將得不到補(bǔ)充,若沒發(fā)生旱災(zāi)則根據(jù)當(dāng)前隨機(jī)產(chǎn)生的增加水量來補(bǔ)充當(dāng)前水量。若當(dāng)前水量大于水庫容量則當(dāng)前水量為水庫容量。該行為所調(diào)用的方法為:

        2)供水。供水行為描述了水庫向所在地區(qū)供應(yīng)水資源和改變自身的當(dāng)前水量的行為。供水時(shí)先需要判斷水庫是否有足夠的水資源供該地使用,然后再?zèng)Q定是否需要調(diào)度其他水庫的水資源。該行為所調(diào)用的方法為:

        3)調(diào)水。調(diào)水行為由缺水的水庫執(zhí)行,若當(dāng)期無缺水水庫,則無需進(jìn)行調(diào)水。缺水的水庫根據(jù)自身缺水量向整個(gè)區(qū)域的其他水庫進(jìn)行搜索,以期找到能為其調(diào)度水資源的水庫,然后從中隨機(jī)選擇一個(gè)水庫進(jìn)行調(diào)水,調(diào)度的水量為缺水方的缺水量。同時(shí)在仿真界面中顯示二者之間的水資源調(diào)度關(guān)系,用有向箭頭表示,由調(diào)出水庫指向調(diào)入水庫。在現(xiàn)實(shí)世界中水庫供水時(shí)還要考慮到行政管轄的關(guān)系,其中中大型水庫由市級(jí)統(tǒng)一管理調(diào)度,小一小二型的水庫可由當(dāng)?shù)卣孕姓{(diào)度。因此在調(diào)度時(shí),優(yōu)先調(diào)度小型水庫的水資源。該行為所調(diào)用的方法為:

        2 基于Repast的旱災(zāi)水庫調(diào)度仿真

        2.1模型框架

        所創(chuàng)建的Repast仿真模型為WaterTransfer,當(dāng)中包含的重要類及其作用如下:

        1)Reservoir類。即水庫類,模型中的Agent,用于定義水庫的屬性,狀態(tài)以及交互的行為方法。同時(shí)還包括了獲取當(dāng)前水庫屬性的方法,供收集數(shù)據(jù)時(shí)調(diào)用。

        2)WaterTransferBuilder類。該類實(shí)現(xiàn)接口ContextBuilder,用于創(chuàng)建仿真模型運(yùn)行的初始Context環(huán)境以及設(shè)置Agent的初始值。在仿真運(yùn)行時(shí)根據(jù)所設(shè)置的初始參數(shù)來創(chuàng)建出相應(yīng)仿真環(huán)境,如區(qū)域大小和Agent數(shù)目。

        3)Constants類。該類用于定義模型中使用到的常量,如旱災(zāi)的發(fā)生率和水庫的庫容量。

        4)Util類。該類為功能類,主要用于搜索能調(diào)度水資源給缺水水庫使用的水庫。

        5)AgentStyleOGL2D類。該類繼承了Default-StyleOGL2D類,用于自定義模型中Agent的外觀表現(xiàn)。在該模型中水庫Agent的外觀顏色能夠根據(jù)當(dāng)前水量的變化而變化,便于研究者觀察。

        2.2仿真流程

        從Repast平臺(tái)中啟動(dòng)模型,進(jìn)入仿真運(yùn)行狀態(tài),其仿真流程如下:

        1)Repast平臺(tái)裝載WaterTransfer模型,啟動(dòng)仿真。

        2)在參數(shù)設(shè)置面板中對(duì)設(shè)置區(qū)域?qū)挾扰c高度以及初始Agent數(shù)目,點(diǎn)擊初始化按鈕生成相應(yīng)的仿真界面。同時(shí),在控制臺(tái)輸出隨機(jī)生成的水庫Agent的相關(guān)信息,包括所在坐標(biāo)、水庫容量以及當(dāng)前需水量。

        3)運(yùn)行仿真,采用自動(dòng)循環(huán)或按單時(shí)間步運(yùn)行。

        4)水庫根據(jù)行為規(guī)則進(jìn)行交互并改變自身狀態(tài)。在仿真運(yùn)行中,通過觀察水庫外觀顏色的變化,發(fā)現(xiàn)缺水水庫。當(dāng)調(diào)水行為發(fā)生后,調(diào)水雙方將產(chǎn)生綠色箭頭連接符號(hào)。在運(yùn)行過程中雙擊某個(gè)水庫將彈出窗體實(shí)時(shí)顯示該水庫當(dāng)前水量的變化。

        5)當(dāng)缺水現(xiàn)象無法通過水庫調(diào)度來解決時(shí),仿真結(jié)束。通過分析仿真產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)和仿真運(yùn)行的循環(huán)周期數(shù),評(píng)估該地區(qū)的抗旱應(yīng)急能力。

        3 仿真實(shí)例

        本文將以云南省曲靖市麒麟?yún)^(qū)東山鎮(zhèn)水資源調(diào)度為例,仿真該地的水庫情況并分析仿真運(yùn)行結(jié)果。

        3.1地區(qū)背景

        曲靖市東山鎮(zhèn)位于云南省東北部,干旱災(zāi)害是其最主要的自然災(zāi)害之一,有冬春連旱、夏旱和秋旱。冬春連旱、夏旱平均5年發(fā)生一次,秋旱平均2年出現(xiàn)一次,其頻數(shù)多、時(shí)間長、范圍廣、危害大,往往給曲靖城市供水及國民經(jīng)濟(jì)造成重大損失。東山鎮(zhèn)區(qū)域面積420.93 km2,擁有庫容量1.065億m3的云南省第二大水庫——獨(dú)木水庫以及總蓄水量達(dá)160萬m3的5個(gè)小型水庫。

        3.2初始參數(shù)設(shè)置

        仿真參數(shù)根據(jù)當(dāng)?shù)赝晷钏y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)定。環(huán)境參數(shù)的設(shè)定如表1所示,水庫參數(shù)的設(shè)定如表2所示。

        表1 環(huán)境參數(shù)設(shè)定

        表2 水庫參數(shù)設(shè)定

        模型利用一個(gè)20×22的網(wǎng)格來展示東山鎮(zhèn)的區(qū)域情況,水庫在網(wǎng)格中的坐標(biāo)根據(jù)水庫的地理位置轉(zhuǎn)化而來。為簡化仿真實(shí)驗(yàn),設(shè)置的水庫每期進(jìn)水量和各地方的需水量服從由50%庫容量到70%庫容量的均勻分布,初期的當(dāng)前水量為庫容的80%,水庫所在地區(qū)的旱災(zāi)發(fā)生率為10%。

        3.3仿真運(yùn)行與結(jié)果分析

        3.3.1仿真運(yùn)行

        在Repast仿真平臺(tái)中運(yùn)行模型并初始化后,產(chǎn)生圖1(a)所示的初始界面。在網(wǎng)格中的圓點(diǎn)代表區(qū)域內(nèi)的水庫,其顏色根據(jù)水庫的當(dāng)前水量的不同而不同,當(dāng)前水量比較大時(shí)呈現(xiàn)偏藍(lán)色,當(dāng)前水量一般時(shí)呈現(xiàn)綠色。為觀測(cè)水庫水量的變化以及水資源調(diào)度情況,仿真按單時(shí)間步進(jìn)行。當(dāng)仿真進(jìn)行到第5個(gè)時(shí)間步時(shí),觀測(cè)到坐標(biāo)為(0,0)的圓點(diǎn)變成了紅色,如圖1(b)所示,這說明發(fā)脈水庫缺水了。隨后,在第6個(gè)時(shí)間步,位于(20,11)的法古水庫向雨波羅水庫調(diào)度了水資源,因此在網(wǎng)格中生成了一條綠色箭頭指向紅點(diǎn),如圖1(c)所示。當(dāng)運(yùn)行到第44個(gè)時(shí)間步時(shí),區(qū)域中出現(xiàn)了2個(gè)缺水的水庫,分別為發(fā)脈水庫和獨(dú)木水庫,并在仿真控制臺(tái)中輸出了“無法進(jìn)行調(diào)水”的信息提示,如圖1(d)所示。此時(shí)表明該區(qū)域內(nèi)部已無法再進(jìn)行水資源調(diào)度,仿真達(dá)到了終止條件。

        圖1 仿真過程

        3.3.2仿真結(jié)果分析

        根據(jù)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在實(shí)驗(yàn)設(shè)置的仿真參數(shù)下,東山鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)水庫能夠通過內(nèi)部的水資源調(diào)度持續(xù)45個(gè)時(shí)間步,即15個(gè)循環(huán)周期的水資源供應(yīng),此后就需要考慮區(qū)域外的水資源調(diào)度才能滿足區(qū)域內(nèi)水資源需求。通過觀測(cè)區(qū)域內(nèi)水資源調(diào)度關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)大型水庫獨(dú)木向外調(diào)出的水資源次數(shù)最多,表明該水庫對(duì)區(qū)域內(nèi)水資源的調(diào)度起到重要作用。這與當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況相符合,大型水庫比小型水庫有更大的水資源調(diào)度能力,同時(shí)大型水庫影響的區(qū)域范圍也要比小型水庫寬廣。此外,各水庫在仿真運(yùn)行期間的當(dāng)前水量變化如圖2所示。根據(jù)折線圖可發(fā)現(xiàn),發(fā)脈水庫發(fā)生的缺水次數(shù)最多,一共出現(xiàn)了10次。這表明,在所設(shè)條件下,該水庫為缺水易發(fā)地,需要隨時(shí)做好水資源調(diào)度的準(zhǔn)備。在第45個(gè)時(shí)間步時(shí),獨(dú)木水庫出現(xiàn)了缺水,該區(qū)域內(nèi)的其他水庫無法為其提供其缺少的水量,這是導(dǎo)致該區(qū)域無法調(diào)水的直接原因。

        圖2 水庫水量變化情況

        4 結(jié)束語

        本文利用Repast仿真平臺(tái)構(gòu)建了旱災(zāi)發(fā)生下的水庫調(diào)度模型,模擬出云南省曲靖市東山鎮(zhèn)應(yīng)對(duì)旱災(zāi)時(shí)水庫間的水資源調(diào)度過程。通過設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù),可以觀測(cè)出在不同仿真條件下各個(gè)水庫的水量變化情況和水庫之間的調(diào)度關(guān)系。仿真結(jié)果表明,獨(dú)木水庫對(duì)該地區(qū)的抗旱應(yīng)急水資源調(diào)度起關(guān)鍵作用。在設(shè)定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)下,東山鎮(zhèn)通過區(qū)域內(nèi)的水庫調(diào)度維持了15個(gè)旱災(zāi)循環(huán)周期,該鎮(zhèn)的抗旱應(yīng)急能力有待提高。

        通過仿真實(shí)例發(fā)現(xiàn)旱災(zāi)水庫調(diào)度模型能基本描述出東山鎮(zhèn)水庫調(diào)度的現(xiàn)實(shí)情況。不過,本文僅構(gòu)建了區(qū)域內(nèi)水庫調(diào)度的基本模型需要進(jìn)行多次不同參數(shù)設(shè)定和不同區(qū)域內(nèi)的仿真實(shí)驗(yàn)比較才能進(jìn)一步根據(jù)仿真數(shù)據(jù)給出抗旱應(yīng)急能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。下一步研究工作主要有兩個(gè)方面:第一,研究如何根據(jù)仿真的水資源調(diào)度循環(huán)周期數(shù)來評(píng)估地區(qū)的抗旱應(yīng)急能力;第二,通過調(diào)研統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)修正實(shí)驗(yàn)仿真參數(shù),如利用歷史降雨量來修正水庫的每期增水量以及根據(jù)地區(qū)的實(shí)際用水量修正水庫的供水量。

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        (責(zé)任編輯何杰玲)

        Design and Imp lementation of Reservoirs Operation Simulation Based on Repast:A Case of Dongshan Town of Qujing City in Yunnan Province

        WANG Yu-bina,WANG Hui-mina,WANG ranb
        (a.Business School;b.Hydrology and Water Resources School,Hohai University,Nanjing 211100 China)

        Focused on the problem of assessment of the ability of regional reservoir operation under drought emergency,a simulation model of reservoirs operation was designed and implemented based on Repast simulation platform,usingmulti-Agentmodeling and simulation technology.In particular,the design of environment,reservoir properties and behavior of the model rules were described.And the implementation framework and simulation process were introduced.Finally,a simulation experimentwas conducted on the application of Dongshan town.The results show the changes in water amount and the relationships between reservoirs in Dongshan town during the drought,which can pro-vide some data as reference for effective evaluation of the ability of a region under the drought emergency.

        muti-Agent technology;Repast;reservoir operation

        TP15

        A

        1674-8425(2015)06-0112-06

        2015-03-16

        國家社會(huì)科學(xué)基金重大項(xiàng)目(12&ZD214);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71433003);水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201001044)

        王宇賓(1989—),男,廣東人,碩士研究生,主要從事復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)仿真研究。

        王宇賓,王慧敏,王然.基于Repast的水庫調(diào)度仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)——以云南省曲靖市東山鎮(zhèn)為例[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015(6):112-117.

        format:WANG Yu-bin,WANG Hui-min,WANG ran.Design and Implementation of Reservoirs Operation Simulation Based on Repast:A Case of Dongshan Town of Qujing City in Yunnan Province[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science,2015(6):112-117.

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