遺傳演算法運用在石門與翡翠水庫並聯系統操作規線之研究

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陳世偉(shih-wei chen) 查詢紙本館藏

畢業系所

營建管理研究所

論文名稱

遺傳演算法運用在石門與翡翠水庫並聯系統操作規線之研究
(GA=based automation model for parallel operation on Shihmen Reservoir and Feitsui Reservoir system)

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摘要(中)

本研究為克服傳統優化法所面臨且難以解決之維度障礙，選擇柔性計算中之遺傳演算法，進行不同轉折點數目進行之編碼組合、並探討不同權重比之目標函數以及旬最大缺水率之探討等敏感度分析，最後藉由2500年繁衍流量資料結合自動化模式，運用敏感度分析所得之結論，找出50組聯合運轉規線，將所得的規線圖形疊合在一起，找出一帶狀區間，藉由區間大小來判斷在某一時期規線研訂的重要性。經由本研究之探討所獲得之結果摘述如下：
1. 運轉規線之轉折點數採用6點並加入平行條件所得之各項結果值與其他點數目任意組合皆相當接近，系統平均缺水量及系統發電量與兩水庫皆採6點之結果相差分別為0.63%與0.27%的量值，證實此種形式的編碼方式亦可反映水庫系統特性。
2. 目標函數採用Fitness= W1‧1/SI+W2‧Power+W3‧(1-R)，其中W1=1000，W2=1，W3=1000，(SI為缺水指數，Power為系統總發電量，R為旬最大缺水率 ) ，可獲得翡翠、石門水庫並聯系統之聯合規線在滿足在供水最佳情況下，亦不會造成缺水集中現象下，同時可使整個系統之總發電量為最大值之水庫操作原則。
3. 在未來流量的不確定因素下，本研究根據50組繁衍流量進行各組水文資料下之最適規線，並取每一旬50組規線之中值，得到一中值規線，於不同分析年數的繁衍流量中，中值規線皆能得到不錯效益。
4. 比較兩水庫既有規線與中值規線可發現，石門既有規線與中值規線差異不大，而翡翠則變化很大，主要原因兩水庫於規劃時皆以單一水庫操作，其中因為石門區域需水量很大，已造成石門幾乎無力參與聯合轉，使得共同供水區大多是由翡翠供應。

摘要(英)

The purpose of this paper is to overcome computationally intractableness due to the curse of dimensionality for multiple reservoir operation problems in real world. GA-based automation model, which embeds Genetic Algorithm (GA) in simulation model, is chosen to discuss different coding and weight of fitness function by sensitivity analyses. Finally, 2500 years streamflow data, which is calculated by multisite streamflow generation model, is taken into GA-based automation model to get 50 sets of reservoir rule curves. All of the rule curves are stacked up to get the banded range. According to the banded range, the importance of rule curves in some time period is judged.
The study attains the following findings and conclusion:
1. When reservoir rule curves use 6 turning points, which reduces design variables from 10 to 7, the resulting optimal rule curves performs very close to those from other different coding. The difference of average shortage and the difference of the hydropower resulting from reducing design variables from 10 to 7 are only 0.63% and 0.27%, respectively. It is demonstrated that the simplified coding can reflect the feature of reservoir.
2. The objective function (i.e., Fitness = W1‧1/SI + W2‧Power + W3‧(1-R), where W1=1000,W2=1,W3=1000, SI=shortage index, Power=hydropower, R=percentage of maximum shortage ratio), derives a proper rule curves which can not only reduce the shortage amount and the duration for downstream demand but also enhance hydropower efficiency.
3. Under uncertain of future streamflow, the medium rule curves, which is obtained from rule curves resulting from 50 sets of generate streamflow data, attain better benefits in the duration of the analytic years.
4. It is found that comparing the present rule curves with medium rule curves, the present rule curves and the medium rule curves of Shihmen reservoir are close, but that of Feitsui reservoir are not. The reason is that these two reservoirs were planned for single-operation system in the initial stage. Therefore, in practice the side demand of Shihmen is relatively large that prohibits Shihmen reservoir to play an important role in the joint operation. The joint demand is almost solely supplied with Feitsui reservoir.

關鍵字(中)

★ 石門水庫
★ 並聯系統
★ 翡翠水庫

關鍵字(英)

★ parallel system
★ feitsui
★ Shihmen

論文目次

目錄
第一章緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 2
1.3 研究流程 3
1.4 本文架構 4
第二章文獻回顧 5
2.1 模擬模式 5
2.1.1系統模擬 5
2.1.2定率與序率模擬 6
2.1.3解析模擬 6
2.2優選模式 7
2.2.1線性規劃 7
2.2.2動態規劃 8
2.2.3非線性規劃 9
2.2.4遺傳演算法 9
2.2.5類神經網路 10
第三章水庫運轉系統模擬 11
3.1 系統概述 11
3.1.1淡水河流域概述 11
3.1.2重要水工結構物 14
3.1.3供水設備 19
3.2 模擬模式 20
3.2.1模式架構 20
3.2.2模式基礎理論 21
3.2.3模式之限制條件 25
3.2.4水庫運轉規則 27
3.2.5需水量估計 29
3.2.6流量資料 30
3.2.7水庫供水評估標準 30
3.3 水庫聯合運轉不同放水策略情境模擬 34
3.4 結果分析 34
第四章水庫規線研訂自動化分析 39
4.1 概述 39
4.2 遺傳演算法 39
4.3 自動化分析模式建立 44
4.3.1分析架構 44
4.3.2設計變數之染色體編碼及解碼 46
4.3.3自動化程序及GA參數 50
4.4 敏感度分析結果探討 51
4.4.1 目標函數權重探討 51
4.4.2石門灌溉需水變化影響 58
4.4.3運轉規線轉折點數目之探討 64
4.4.4最大缺水率之探討 72
第五章入流量變化對聯合規線影響之探討 79
5.1 概述 79
5.2 河域多站流量繁衍 80
5.2.1模式基礎理論 80
5.2.2模式應用結果 83
5.3 序率模擬分析 85
5.4 結果分析 86
第六章結論與建議 95
6.1 結論 95
6.2 建議 97
參考文獻 98
圖目錄
圖1-1 本研究流程 3
圖3-1 淡水河流域河系圖 13
圖3-2 石門水庫斷面圖 16
圖3-3 翡翠水庫斷面圖 16
圖3-4水庫並聯系統示意 20
圖3-5石門及翡翠水庫系統示意圖 21
圖3-6 水位指標與相應之蓄水層定義示意圖 22
圖3-7模擬核心之演算流程 24
圖3-8 蓄水分層示意圖 25
圖3-9石門電廠裝機容量特性曲線 26
圖3-10翡翠電廠裝機容量特性曲線 27
圖3-11 水庫庫容與供水量之關係圖 33
圖3-12 情境一：以既有規線為放水策略 37
圖3-13 情境二：翡翠水庫優先放水 37
圖3-14 情境三：石門水庫優先放水 38
圖3-15 情境四：不預先節水情況 38
圖4-1 遺傳演算法之流程 41
圖4-2 水庫分層區間示意圖 45
圖4-3 自動化混合模式之概念流程 45
圖4-4 設計變數之染色體編碼示意圖 46
圖4-5 水庫規線變數編碼方法一示意圖 47
圖4-6 水庫規線變數編碼方法二示意圖 47
圖4-7 橫座標之比例轉換 48
圖4-8 下限比例轉換示意圖 49
圖 4-9 解析模擬與優化混合模式之演算流程圖 51
圖4-10 規線轉折點點數說明：石門採9點-翡翠6點 52
圖4-11 自動化規線：目標函數(僅考慮系統總發電量) 55
圖4-12 自動化規線：目標函數(1‧1/SI+POWER) 55
圖4-13 自動化規線：目標函數(100‧1/SI+POWER) 56
圖4-14 自動化規線：目標函數(500‧1/SI+POWER) 56
圖4-15 自動化規線：目標函數(1000‧1/SI+POWER) 57
圖4-16 自動化規線：目標函數(僅考慮供水最佳) 57
圖4-17 石門水庫灌溉需水量完全捨去（0） 60
圖4-18 石門水庫灌溉需水量剩餘原來20%（0.2） 60
圖4-19 石門水庫灌溉需水量剩餘原來40%（0.4） 61
圖4-20 石門水庫灌溉需水量剩餘原來60%（0.6） 61
圖4-21 石門水庫灌溉需水量剩餘原來80%（0.8） 62
圖4-22 石門水庫原灌溉需水量（1.0） 62
圖4-23 兩水庫規線轉折點皆為6點 68
圖4-24 兩水庫規線轉折點皆為7點 68
圖4-25 兩水庫規線轉折點皆為8點 69
圖4-26 兩水庫規線轉折點皆為9點 69
圖4-27 兩水庫規線轉折點翡翠採6點-石門7點 70
圖4-28 兩水庫規線轉折點翡翠採6點-石門8點 70
圖4-29 兩水庫規線轉折點翡翠採6點-石門9點 71
圖4-30 兩水庫皆仿造原翡翠規線形狀編碼 71
圖4-31 缺水指數倒數與旬最大缺水率權重比為0.0 74
圖4-32缺水指數倒數與旬最大缺水率權重比為0.2 74
圖4-33 缺水指數倒數與旬最大缺水率權重比為0.4 75
圖4-34 缺水指數倒數與旬最大缺水率權重比為0.6 75
圖4-35 缺水指數倒數與旬最大缺水率權重比為0.8 76
圖4-36缺水指數倒數與旬最大缺水率權重比為1.0 76
圖4-37 大漢溪旬紀錄流量統計特性 78
圖4-39 北勢溪旬紀錄流量統計特性 78
圖4-40 南勢溪旬紀錄流量統計特性 78
圖5-1 旬流量平均值分佈圖 81
圖5-2大漢溪記錄流量與繁衍流量平均值的分布 84
圖5-3北勢溪記錄流量與繁衍流量平均值的分布 84
圖5-4南勢溪記錄流量與繁衍流量平均值的分布 84
圖5-5石門水庫50組規線統計結果之中值 89
圖5-6翡翠水庫50組規線結果之中值 89
圖5-7石門水庫50組下限分佈結果 90
圖5-8石門水庫50組嚴重下限分佈結果 90
圖5-9翡翠水庫50組下限分佈結果 91
圖5-10翡翠水庫50組嚴重下限分佈結果 91
圖5-11大漢溪2500年繁衍流量特性 92
圖5-12北勢溪2500年繁衍流量特性 92
圖5-13南勢溪2500年繁衍流量特性 92
圖5-14 43年記錄流量之石門最適規線 93
圖5-15 43年記錄流量之翡翠最適規線 93
圖5-16 石門既有規線與中值規線之比較圖 94
圖5-17 翡翠既有規線與中值規線之比較圖 94
表目錄
表3-1 石門水庫一覽表 17
表3-2 翡翠水庫一覽表 18
表3-3 淡水河流域淨水廠供水區域 19
表3-4石門電廠裝機容量特性 26
表3-5 翡翠電廠裝機容量特性 27
表3-6石門電廠發電合約量 29
表3-7台北、石門及板新水廠於民國110需水量推估統計表 29
表3-8 石門區各月份灌溉配水統計表 31
表3-9 石門、翡翠水庫並聯系統聯合運轉之模擬成果 36
表4-1 GA自動化之目標函數權重關係結果比較 54
表4-2探討石門灌溉用水量改變之結果 59
表4-3運轉規線轉折點數目之結果比較 67
表4-4 權重比例與旬最大缺水率之關係 73
表5-1 43年記錄流量最適規線與中值規線之結果比較表 88

參考文獻

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指導教授

吳瑞賢(Ray-Shina Wu)

審核日期

2002-7-15

推文