□肖偉強(qiáng)

科技創(chuàng)新

數(shù)據(jù)挖掘在黃壁莊水庫調(diào)度管理中的應(yīng)用研究

□肖偉強(qiáng)

以黃壁莊水庫為例，將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用在水庫調(diào)度中，采用決策樹算法，探索數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)和規(guī)則，挖掘海量數(shù)據(jù)潛在的、有價(jià)值的信息及相關(guān)規(guī)律，更直觀、便捷、高效地為黃壁莊水庫調(diào)度提供決策參考，有助于提升水庫運(yùn)行管理水平。

數(shù)據(jù)挖掘；調(diào)度管理；應(yīng)用研究

黃壁莊水庫經(jīng)過60多年的調(diào)度運(yùn)行管理，積累了大量工情、雨情、水情觀測(cè)數(shù)據(jù)及管理調(diào)度信息，但存在數(shù)據(jù)類型多且復(fù)雜、處理方式單一、數(shù)據(jù)資源利用率低等問題，未能將大量數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、利用、研究。對(duì)此，我們利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，采取決策樹算法，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)其潛在的、有價(jià)值的調(diào)度管理規(guī)律。采用該技術(shù)可以更直觀、更便捷、更高效地為黃壁莊水庫調(diào)度提供決策依據(jù)，能夠提升水庫控制運(yùn)用整體管理水平。

1.研究區(qū)域

黃壁莊水庫是海河流域子牙河系滹沱河上的重要控制性大（I）型水利樞紐工程，水庫以防洪為主，兼顧灌溉、發(fā)電、工業(yè)及城市生活供水等，總庫容12.1億m3。建庫以來，水庫發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。對(duì)于水庫而言，經(jīng)過幾十年的運(yùn)行管理，積累了海量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)蘊(yùn)含著十分有價(jià)值的信息。

2.數(shù)據(jù)概述

水庫調(diào)度運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘之前，需要篩選并整理有價(jià)值的資料組成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，現(xiàn)得到黃壁莊水庫1980年—2021年數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)資料和調(diào)度結(jié)果作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集。黃壁莊水庫調(diào)度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集包括水庫出入庫流量、庫水位、降水量、多年調(diào)度情況等。數(shù)據(jù)整理后以2021年為例，結(jié)果如表1所示。

表1 2021年黃壁莊水庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集

在對(duì)黃壁莊水庫調(diào)度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后，得到其供水任務(wù)和供水次序。供水任務(wù)主要分為石家莊城市生活用水、西柏坡電廠發(fā)電用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水、石家莊民心河及滹沱河生態(tài)用水及其他臨時(shí)性供水任務(wù)。在供水次序上，黃壁莊水庫以優(yōu)先滿足石家莊市城市生活和工業(yè)用水為主，其次是河道生態(tài)用水，在保證其他供水的前提下，最后是農(nóng)業(yè)灌溉用水。遇到特枯年份，水量不滿足供水發(fā)生矛盾時(shí)，應(yīng)優(yōu)先保證城市居民生活用水。

3.基于決策樹的水庫調(diào)度規(guī)則建立

3.1 決策樹方法

決策樹模型是一種常見的分類、聚類和預(yù)測(cè)方法，這種算法可以從一系列無規(guī)律性的案例中運(yùn)用信息論原理，分析和總結(jié)樣本屬性，用決策樹的方式推導(dǎo)出可供決策者參考的分類規(guī)則。目前，在決策樹模型方法中，一般采用ID3和C4.5兩種算法。

3.2 水庫調(diào)度決策樹模型的建立

水庫調(diào)度規(guī)則是當(dāng)前時(shí)段的決策變量（出庫流量、出力、時(shí)段末水位）與影響因子之間的函數(shù)映射關(guān)系，即在當(dāng)前狀態(tài)已知的情況下，根據(jù)映射關(guān)系，通過水庫當(dāng)前狀態(tài)，可以確定下泄流量、時(shí)段末水位等，即Y=F（X），其中Y為輸出變量，即水庫出庫流量、末水位等；X為輸入變量，即水庫前期調(diào)度狀態(tài)等。對(duì)于水庫調(diào)度規(guī)則的提取，即以實(shí)際調(diào)度運(yùn)行管理數(shù)據(jù)為樣本，對(duì)函數(shù)映射關(guān)系進(jìn)行擬合，決策樹的模型結(jié)構(gòu)就是通過輸入因子（當(dāng)前入庫流量、水位等）的取值范圍，確定不同的決策變量取值。

對(duì)水庫調(diào)度規(guī)則的提取，將采用C4.5算法進(jìn)行計(jì)算，該算法的步驟大致為：首先將各屬性進(jìn)行離散分級(jí)，然后以某一個(gè)條件屬性作為根節(jié)點(diǎn)，以該屬性條件生成新的分支，之后按新的屬性條件繼續(xù)分割，直到節(jié)點(diǎn)所有樣本數(shù)據(jù)屬于同一類別，或沒有其余屬性進(jìn)行分割，最終形成一個(gè)按照各種信息進(jìn)行分類的水庫調(diào)度規(guī)則決策樹，具體決策樹分類結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 決策樹分類示意圖

對(duì)于水庫興利調(diào)度，選擇可以反映調(diào)度本質(zhì)的5個(gè)屬性，分別為調(diào)度時(shí)段（月份）、入庫流量、月初庫水位、降水量、供水類別生成水庫調(diào)度決策樹，其中確定供水類別作為決策屬性，其余為條件屬性，這5個(gè)屬性作為下一步數(shù)據(jù)挖掘的基本數(shù)據(jù)集。收集整理歷史資料后，對(duì)水庫歷史數(shù)據(jù)的各屬性針對(duì)不同條件進(jìn)行離散分級(jí)，連續(xù)屬性需要根據(jù)該屬性多年數(shù)據(jù)分割成若干個(gè)等級(jí)，對(duì)于所選取的影響水庫調(diào)度的5個(gè)屬性來說，調(diào)度時(shí)段和供水類別為離散屬性；入庫流量為連續(xù)屬性，可根據(jù)具體資料進(jìn)行處理；月初庫水位為連續(xù)屬性，按照從死水位到興利水位劃分5個(gè)等級(jí)；降水量為連續(xù)屬性，根據(jù)多年降水量的數(shù)據(jù)集，按照一定頻率進(jìn)行分級(jí)。為了得到更好的結(jié)果，樣本數(shù)據(jù)集應(yīng)盡可能多，分級(jí)數(shù)目盡可能少（大約在2～10級(jí)之間）。

4.實(shí)例應(yīng)用

以黃壁莊水庫為例，選取1980年—2021年的數(shù)據(jù)資料和調(diào)度結(jié)果（以月為調(diào)度時(shí)段）組成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，通過決策樹C4.5算法從中提取水庫調(diào)度規(guī)則。根據(jù)黃壁莊水庫的特性，首先對(duì)各屬性進(jìn)行分級(jí)處理。

4.1 調(diào)度時(shí)段分級(jí)

調(diào)度時(shí)段以月為單位，由于每個(gè)月的來水量不同，調(diào)度決策亦不相同。黃壁莊水庫所在區(qū)域6月進(jìn)入汛期，7月—8月為主汛期，因此6月水庫將開始騰庫預(yù)泄，騰出庫容為主汛期的強(qiáng)降雨做準(zhǔn)備；7月—8月在確保防洪安全的情況下進(jìn)行供水、發(fā)電；9月—10月屬于汛期后期，來水逐漸減少，此時(shí)水庫以蓄水為主，保證后期用水；11月—來年5月徑流量較小且趨于穩(wěn)定。因此，將調(diào)度時(shí)段劃分為：6月、7月—8月、9月—10月、11月—5月4個(gè)階段。

4.2 入庫流量分級(jí)

對(duì)于實(shí)時(shí)調(diào)度而言，入庫流量需根據(jù)水文資料、預(yù)報(bào)信息等進(jìn)行預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確的入庫流量較難獲取，因此通過長期歷史資料采用聚類的方法進(jìn)行分析，將入庫流量分為枯、偏枯、平、偏豐、豐5個(gè)級(jí)別。

4.3 月初庫水位分級(jí)

水庫調(diào)度不同時(shí)期水位高低也會(huì)影響調(diào)度決策，黃壁莊水庫死水位為111.5m，興利水位為120.0m，將水庫水位分為5個(gè)級(jí)別：111.5m～112.5m、112.5m～114.0m、114.0m～116m、116m～118m、118m～120m。

4.4 降水量分級(jí)

黃壁莊水庫所在流域降水量年內(nèi)分布不均勻，流域內(nèi)多年平均降水量400mm～600mm，受季風(fēng)影響，80%以上的降水量集中在6月—9月，其余月份降水較少。因此，按照調(diào)度時(shí)段的劃分來進(jìn)行降水量的分級(jí)處理，時(shí)段劃分為6月、7月—8月、9月—10月、11月—次年5月4個(gè)階段，每一調(diào)度時(shí)段降水量均分為1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)。6月降水量分級(jí)依次為[0，40)、[40，60)、≥60；7月—8月降水量分級(jí)依次為[0，50)、[50，100)、≥100；9月—10月降水量分級(jí)依次為[0，20)、[20，40)、≥40；11月—次年5月的降水量分級(jí)依次為[0，15)、[15，30)、≥30；

4.5 供水類別

供水以生活生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)灌溉為主，具體按照以下幾種情況進(jìn)行分級(jí)：能夠滿足供水，必要時(shí)可根據(jù)需要加大供水量為級(jí)別1；能夠滿足農(nóng)業(yè)灌溉和生活生產(chǎn)供水保證率時(shí)為級(jí)別2；農(nóng)業(yè)灌溉不能滿足供水保證率，生活生產(chǎn)可滿足供水時(shí)為級(jí)別3；農(nóng)業(yè)灌溉和生活生產(chǎn)均不能滿足供水保證率時(shí)為級(jí)別4；農(nóng)業(yè)灌溉停止供水時(shí)為級(jí)別5。各屬性分級(jí)處理后，整理后部分調(diào)度數(shù)據(jù)格式如表2所示。

表2 整理后的歷史調(diào)度數(shù)據(jù)格式

最后通過決策樹C4.5算法從黃壁莊水庫1980年—2021年供水調(diào)度數(shù)據(jù)中提取調(diào)度規(guī)則，并將該方法封裝在黃壁莊水庫智慧管理平臺(tái)中，調(diào)度規(guī)則通過圖表形式展示，實(shí)現(xiàn)可視化展示和分析，如圖2所示。從圖中可以看出，不同調(diào)度時(shí)段，不同庫水位所對(duì)應(yīng)的調(diào)度決策不同，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)輸入的月份、庫水位、預(yù)測(cè)的入流級(jí)別、降雨級(jí)別，得到對(duì)應(yīng)的供水類別。通過系統(tǒng)平臺(tái)的可視化展示，為水庫興利調(diào)度提供技術(shù)支撐，使數(shù)據(jù)更直觀，決策更智慧。黃壁莊水庫供水調(diào)度圖見圖2。

除興利調(diào)度以外，將決策樹算法應(yīng)用在崗黃調(diào)度管理中，作為防汛調(diào)度管理的一部分。如圖3所示，由于黃壁莊水庫與崗南水庫屬于聯(lián)合調(diào)度，因此需要分別考慮兩個(gè)水庫的水位情況，從而確定湊泄量。

圖3 　崗黃水庫調(diào)度管理

5.結(jié)語

將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的決策樹方法與水庫調(diào)度相結(jié)合，基于決策樹提取水庫調(diào)度規(guī)則，研究表明基于決策樹方法的水庫調(diào)度規(guī)則，是通過大量數(shù)據(jù)挖掘而成，能夠集中反映歷史水文數(shù)據(jù)和調(diào)度數(shù)據(jù)的規(guī)律性，該方法將調(diào)度時(shí)段、入庫流量、庫水位等調(diào)度信息形成關(guān)聯(lián)規(guī)則，得到的調(diào)度方案合理可行。在實(shí)際調(diào)度中，這一方法產(chǎn)生的調(diào)度規(guī)則具有簡(jiǎn)便、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠直觀、高效地反映水庫控制運(yùn)用中的規(guī)律性，便于管理者決策，對(duì)指導(dǎo)水庫調(diào)度具有重要意義?！?/p>

2022-12-22

肖偉強(qiáng)，男，漢族，河北省水務(wù)中心黃壁莊水庫事務(wù)中心，高級(jí)工程師。