автореферат диссертации по энергетике, 05.14.10, диссертация на тему:Управление водохранилищами ГЭС на основе теории информации

На правах рукописи

РГо ОД

9 4 |Щ Я <007

Адольф ПАТЕРА

УПРАВЛЕНИЕ ВОДОХРАНИЛИЩАМИ ГЭС НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ ИНФОРМАЦИИ

Специальность: 05.14.10 - гидроэлектростанции и гидроэнергетические установки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа была выполнена в Чешском Техническом Университете (Прага, Чешс республика) и в Санкт-Петербургском Государственном Техническом Универаг (Санкт-Петербург, Российская Федерация).

Оффициальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор А.Ю.Александровский

- доктор технических наук, профессор Н.В.Арефьев

- доктор технических наук С.Н.Добрынин

Ведушая организация: АО "Ленгидропроект"

Защита диссертации состоится $£ 1997 г. в часов на з асе да!

диссертационного Совета Д. 063.38.09 в Санкт-Петербургском государствен!

техническом университете по адресу: 195 251, С.-Петербург, уп. Политехническая, СПбГТУ, гидрокорпус 2, ауд. 411.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПбГТУ.

Автореферат разослан" ^ " /-t^o-^-C-g^^-- 1997p

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат технических наук,

профессор В.Т. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Характерной чертой современного этапа развития гидроэнергетики является сокращение строительства новых водохозяйственных объектов и увеличение внимания к задачам эффективного управления имеющимися. В связи с этим обстоятельством возникают новые проблемы теории водохранилищ ГЭС. Наряду с традиционными моделями, базирующимися на основах теории вероятности, математической статистики, теории случайных процессов и системных теорий, начали развиваться новые подходы и методы, основанные на теории информации, теории принятия решений, экспертных системах, искусственном интеллекте и т.д.

Автор провел анализ методов и математических моделей управления водохранилищами и водохозяйственными системами (включая водохранилища ГЭС и их каскады), основанных на теории адаптивных систем и моделей и их модификаций. Разработке этих научных проблем была посвящена кандидатская диссертация (1977г.), а также публикация на соискание ученого звания доцент (1990г.). Основой работы являются результаты сопоставительных комплексных исследований автора, которые были проведены в научной группе проф. К. Нахазела в ЧТУ. Они отражены в многочисленных публикациях, в том числе и в зарубежных. В работе дано подробное описание проблемы применения теории информации и в особенности понятия энтропии, которое рассматривается как целесообразный показатель эффективности управления водными ресурсами, гидроэнергетическими водохранилищами и их каскадами.

Рассмотренные исследования и их результаты основаны на теории вероятности и теории случайных процессов и их приложений в гидрологии, водном хозяйстве, гидроэнергетике в том понимании, которое было чрезвычайно широко распространено в советской (российской) науке. Научные работы КРИЦКОГО, МЕНКЕЛЯ, РЕЗНИКОВСКОГО, ВЕЛИКАНОВА, КОСТИНОЙ, РУБИНШТЕЙНА, АВАКЯНА, АЛЕКСЕЕВА, АЛЕКСАНДРОВСКОГО, АСАРИНА, БУСЛЕНКО, ВЕНТЦЕЛЯ, ОБРЕЗКОВА, СВАНИДЗЕ, КАРТВЕЛИШВИЛИ, ПЛЕШКОВА, РОЖДЕСТВЕНСКОГО, ЧЕБОТАРЕВА, ЦВЕТКОВА, ШИКЛОМАНОВА, ЩАВЕЛЕВА и других нашли свое отражение в развитии чешской водохозяйственной науки. Автор настоящей диссертации использовал результаты исследований этих ученых в своей работе.

Типичным для российской водохозяйственной, гидротехнической и гидроэнергетической науки является развитие количественных методов во взаимосвязи с

задачами охраны окружающей среды и экологии. Предлагаемая диссертация рассматривает аналогичные задачи, с включением новых методов, подходов и новых парадигм. При этом, энвиронментальная проблема рассматривается как более общее понятие, чем экологическая.

Впервые примененные автором принципы теории информации оказались весьма удобны в теории управления водохранилищами и водохозяйственными системами. В соответствии с этим был разработан интердисциплинарный подход с конкретными приложениями теории информации, что представляет собой общенаучный вклад диссертации. Эффекты или последствия управления водохранилищами и их системами до сих пор оценивались, с некоторых точек зрения, несовершенными техническими или экономическими (а зачастую псевдоэкономическими) критериями. Оценка с помощью понятия энтропии дает возможность более объективного, в общем смысле, безразмерного, квантифицированного рассмотрения эффектов или последствий управления. В этом состоит научное значение диссертации. В случаях, когда вообще невозможно применить критерии управления и целевые функции, выраженные в простых технических или финансовых единицах, применение энтропии в качестве критерия эффективности управления водохранилищем является возможным выходом из положения. В этом состоит практическое значение решаемой задачи.

Энтропия в качестве критерия эффективности управления была применена в работах, посвященных проблемам управления отдельными водохранилищами или их системами (каскадами) на территории Чешской Республики и Словакии (на гидроузлах в бассейнах рек Влтавы, Одры и Вага), часть которых была выполнена по заказу предприятия Управления бассейном реки Одры в 1990-96 гт. для построения диспетчерской системы в этом бассейне.

Главной методической гипотезой является подтверждение, что правильное и целесообразное (оптимизированное) управление водохранилищами, ГЭС и их системами желаемым способом повышает упорядоченность, или же понижает неупорядоченность функции этих объектов. Для характеристики меры упорядоченности был внедрен новый показатель - энтропия, до сих пор успешно применяемый в теории информации, в физике, теории вероятности, биологии и экологии. Исследования автора показали, что это упорядочение при правильном и целесообразном управлении протекает подобным образом в общих стохастических условиях, характерных для гидрологических процессов стока.

С точки зрения практического - инженерного значения - в диссертации проверяется гипотеза о том, что понятие энтропии (в форме общепринятой в теории информации или в физике) можно применить в качестве критерия оптимизации (целевой функции) в случае, если его невозможно выразить в более удобных квантифицированных единицах (напр. технических или финансово - денежных).

Тема диссертации касается водохозяйственных, гидротехнических и гидроэнергетических проблем, которые являются актуальными не только на территории Чешской Республики, но и в большинстве других стран, в которых активно используются для хозяйственных целей водохранилища и ГЭС, в том числе и на территории Российской Федерации. Поэтому рассматриваемая проблема имеет совместный интернациональный характер. При разработке отдельных проблем автор диссертации сотрудничал с некоторыми российскими вузовскими и научными организациями и учреждениями, и наиболее тесно с Санкт-Петербургским государственным техническим университетом.

Нель и задачи исследования. Целью диссертации является:

- рассмотрение понятия энтропии и возможности его применения для количественной оценки успешности управления стоком в водохранилище;

- разработка методики расчета энтропии рядов средних значений расходов на входе или выходе в водохозяйственной системе;

- разработка метода применения энтропии в качестве критерия управления водохранилищем на разных уровнях управления, включая управление в реальном времени;

- проверка влияния аккумуляционной функции водохранилища на естественный (незарегулированный) речной сток с помощью энтропии;

- проверка влияния зарегулирования стока водохранилищем при применении адаптивного управления и его модификаций для оптимальной эксплуатации в условиях стохастической неопределенности, включая внепроектные ситуации;

- применение энтропии в качестве квантифицированной меры риска в рамках процесса принятия решений при управлении водохранилищами.

Научная новизна и личный вклад автора. Гидрологические и

водохозяйственные процессы, характеризирующие управление водными ресурсами, водохранилищами и водохозяйственными системами, несут определенную информацию, которую целесообразно декодировать в условиях мультикритериальной оценки и

стохастической неопределенности и, по возможности, применить для оптимизации. Автор диссертации разработал информационный подход к этой проблеме. Конкретный научный вклад автора включает следующее: сформулирована энвиронментальная совместимость водохранилищ, или же гидротехнических и гидроэнергетических объектов;

- выведены новые парадигмы в отношении водохранилищ и окружающей среды, состоящие в отражении признаков постмодерного периода и в необходимом переходе от современого антропоцентризма к новому геоцентризму;

- разработаны методы применения энтропии в качестве одного из возможных показателей качества управления водохранилищами, их каскадами и гидроэлектростанциями;

- разработана методология управления водохранилищами и их системами на основе адаптивного подхода к моделированию;

- подтверждена рабочая гипотеза о том, что дополнительная информация при простом адаптивном управлении, управлении с обучением и адаптивном управлении с распознаванием ведет в большинстве случаев не только к понижению хозяйственного ущерба в результате дефицита планированной водоподачи, но и к понижению энтропии водохозяйственных процессов;

- показано, что для эффективного управления процессом на выходе системы надо снабдить эту систему определенным количеством информации, которая понижает энтропию выходного процесса и его неупорядоченность;

- выполнена оценка влияния меры риска при адаптивном управлении;

- показана целесообразность оптимизации риска для принятия решения в задачах управления водохранилищами;

- уточнено понятие качества управления водохранилищем.

Практическая значимость. Научные результаты работы являются основой для практической оценки качества управления водохранилищами, водохозяйственными системами и гидроэнергетическими каскадами. Управление водными и энергетическими ресурсами является все более значительным с точки зрения достижения водохозяйственных и энергетических эффектов, или же понижения нежелательного ущерба.

Этот подход на уровне стратегического управления и, особенно, на уровне оперативного управления в реальном времени повышает свое значение и привлекает

большой интерес управляющих организаций и обществ. В условиях Чешской Республики это касается прежде всего акционерных обществ "Управления бассейнами", в данном случае бассейнов реки Влтавы и реки Одры. Работы и проблемы связанные с диссертацией в области оптимального управления водохранилищами и их системами, включая прежде всего гидроэнергетические требования, разрабатывались кроме прочего по интересам и заказам „Управления бассейном реки Одры".

Публикации и апробация результатов работы на разных ее этапах проводилась на научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях на родине и за рубежом в форме опубликования в рецензированных научных журналах (кроме чешской Республики в Словакии, России, Великобритании, Бельгии и Болгарии). Некоторые результаты были прочитаны на лекциях в рамках инженерных или постградуалыгьгх учебных занятий и курсов в Чешской Республике, Словакии, России и Ирландии. По теме диссертации опубликовано 26 работ.

Структура п объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения,

включает 30 таблиц и 32 рисунка. Список использованной литературы содержит 101 наименование.

По всей вероятности, впервые применил понятие энтропии в водном хозяйстве ЗГЮАХУАКА (1971), который указал, что в ряде случаев использования водных ресурсов речь идет не о использовании воды как вещества, а ее негативной энтропии, и что энтропия или негативная энтропия характеризуют меру упорядоченности этих ресурсов. Типичным примером по его мнению может быть применение воды дня охлаждения или для обеспечения населения и промышленности водой, при которых происходит использование качества воды, использование водной энергии и т.п., но не происходит использование массы воды.

В связи с этим многие водохозяйственные процессы и проблемы можно объяснить путем потребления или расходования негативной энтропии. Водные ресурсы возможно по

списка литературы и приложений. Работа изложена

машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. ПРИМЕНЕНИЕ ПОНЯТИЯ ЭНТРОПИИ В ГИДРОЛОГИИ И ГИДРОТЕХНИКЕ

SUGAWARA (1971) считать доступным и дешевым источником энергии, а также негативней энтропии.

Для оценки процессов связанных с использованием водных ресурсов с точки зрения их количества и качества подчеркивается статистическое и информационное значение энтропии и негативной энтропии. Но связь с традиционным значением энтропии в термодинамике может быть инспиративной.

Вскоре понятие энтропии было применено в гидрологии для оптимизационной задачи с аппликацией принципа максимума энтропии (SONUGA, 1972). Для предварительной оценки неопределенности гидрологических систем и моделей в стохастической гидрологии была приложена энтропия. Впоследствии AMOROCHO -ESPILDORA (1973). SONUGA (1976) снова применил понятие энтропии при анализе измерений и данных в отношении осадки - речной сток.

Приложения энтропии все чаще появлялись также в других областях гидрологии, с целью произвести измерение содержания информации, которую несут некоторые гидрологические процессы (HARMANCIOGLU, 1981). Тот же самый автор занимался применением энтропии для определения оптимальных интервалов забора образцов из водотоков (HARMANCIOGLU, 1984). С этим связана также проблема переноса гидрологической информации между отдельными створами водотоков (HARMANCIOGLU - YEVJEVICH, 1987) или другие актуальные проблемы переноса гидрологической информации (HARMANCIOGLU - BARON, 1989).

Вероятностный подход с применением понятия энтропии оказался целесообразным и успешным в гидравлике (CHIU, 1987). Энтропический подход был использован для решения распределения скоростей в открытом русле при двумерном движении потока (CHIU, 1988, 1989, 1991).

CHIU и LIN (1993) занимались развитием этих теорий и предложением новой трехмерной модели распределения скоростей течения воды в трубопроводах с включением некоторой меры неопределенности учета фактора шероховатости.

Трехмерным распределением скоростей течения и его теоретической моделью, основанной опять на методе POME (principle of maximum entropy), занимались также BARBE, CRUISE и SINGH (1991).

В статьях NACHAZEL - PATERA, 1988a, NACHAZEL - PATERA, 1989, NACHAZEL

v

PRENOSILOVA - PATERA, 1989) рассматриваются вопросы управления водохранилищами в реальном времени с применением принципа адаптивности и принципа

обучающихся систем. Оба эти подхода основаны на применении дальнейшей, дополнительной информации при управлении в сравнении с классическим управлением на постоянный зарегулированный сток. Оценка энтропии на выходах системы показала, что новая, часто трудно получаемая информация, приносит эффект не только с точки зрения примененного экономического критерия оптимальности, но также в общем смысле, с точки зрения теории управления.

Этот результат был проверен при управлении многолетним водохранилищем в

V

реальном времени с помощью адаптивной модели в работе NACHAZEL - PRENOSILOVA - PATERA, 1989) и для сезонного водохранилища с помощью обучающейся модели (NACHAZEL - PATERA, 1988а).

В большинстве случаев констатировалось, что при «более качественном» управлении, происходит понижение энтропии, или же повышение негативной энтропии (упорядоченности) значений приобретенного физического, технического или экономического параметра системы. Это значит, что система управления была снабжена негативной энтропией и эта негативная энтропия была эффективно использована.

V

В работе (NACHAZEL - PRENOSILOVA - PATERA, 1989) был предложен способ исчисления энтропии системы после определенного времени действия системы и ее управления. Такой подход можно считать значительным вкладом для оценки качества управления в настоящих условиях и в отношении к стратегии управления.

Отметим, что энтропия не может выступать в качестве параметра управления, так как ее значение можно определить только обратным путем, после определенного интервала времени. Однако это обстоятельство не следует считать невыгодным, так как аналогичным - апостериорным - путем оценивается в теории и практике водохранилищ обеспеченность или общий экономический ущерб, или же доходы, полученные от количества поданной (или неподанной) воды из водного источника.

Применение энтропии в качестве нового критерия оптимальности при управлении поверхностными водными ресурсами более подробно изложено в статье (PATERA 1990).

Другие приложения энтропии как критерия связаны с оптимизацией водного хозяйства и касаются водопроводных сетей (AWUMAH - GOULTER - ВНАТТ, 1990, 1991). Дальнейшие гидрологические приложения понятия энтропии связаны с прогнозом качества воды (KUSMULYONO - GOULTER, 1994).

Сравнительно подробную разработку применения вариационных методов и теорий, а также энтропии в теоретической гидродинамике и в гидравлике дает YANG (1994). В его

работе сравнивается классический подход в области гидравлических теорий, основанный на векторных методах, с вариационным методом, который является скалярным, основанным на максимизации энтропии, минимизации требуемой энергии и минимизации дроби диссипации энергии.

Анализ применения эшропии в качестве нового критерия для рассмотренных случаев показал целесообразность применения данного подхода для изучения содержания, переноса и трансформации или для описания неупорядоченности гидрологических процессов, объектов и их систем.

2. ВОДОХРАНИЛИЩЕ В КАЧЕСТВЕ УПРАВЛЯЕМОГО ОБЪЕКТА

Задачей управления водохранилищами является обеспечение всех проектных функций и целей водохранилища на требуемом уровне. Это предполагает: И поддержание проектного зарегулированного стока Q„ из водохранилища с требуемой обеспеченностью Pi, выраженной по повторению бесперебойных лет Pij0) бесперебойной водоподачи во времени Pi t, гарантированной водоподачи Pi.a или в категории надежности Щ содержащей также обеспеченность водоподачи технических объектов (тип управления Vi); И обеспечение проектного, т.наз. безвредного стока Q„e из водохранилища для борьбы с наводнениями с проектной обеспеченностью Рг (надежностью П2) (тип управления У 2);

- обеспечение водозаборов из водохранилища с проектным качеством воды по определенным показателям и возможность позитивного влияния водохранилища на прилегающий участок нижнего бьефа с точки зрения качества воды (тип управления УЗ);

- обеспечение возможности влияния водохранилища на температурный и ледовый режим нижнего бьефа (тип управления У 4);

- обеспечение других целей при особых ситуациях, связанных например, с перебоями, опасностью для конструкции плотины и ее объектов, с энвиронмснтальными (экологическими, социоэкономическими) требованиями (тип управления У 5). Способность водохранилища выполнять эти функции осуществляется на двух уровнях управления:

- стратегическое управление,

- оперативное управление (управление в реальном времени).

В рамках стратегического управления разрабатывается его проект - стратегия, которая, впоследствии, находит себе применение при управлении в реальном времени. При оперативном управлении невозможно, конечно, обойти ситуации внепроектные, выделяющиеся in проектных условий. Водохранилище, или же управляющий водохранилищем (диспетчер), должен найти в этих особенных ситуациях оптимальный подход и сделать все для преодоления таких ситуаций, как правило, с минимальными последствиями.

В том числе является целесообразным определение:

- проектных условий и

- внепроектных условий,

в которых может оказаться водохранилище или система водохранилищ. Гипотетическим пределом между этими двумя типами условий является, как правило, проектная обеспеченность, относящаяся к определенной проектной функции или цели водохранилища. Для отдельных, вышеуказанных функций, эти пределы выражены в табл. 1.

В случаях управления, касающихся первых двух функций У 1 и У 2, можно численным водохозяйственным решением достичь выведенных значений Pi и IV Они по существу являются однозначными - детерминистическими величинами (несмотря на то, что процесс их выведения является вероятностным - стохастическим методом).

Обеспеченность комбинации требуемых нормативных факторов качества воды до сих пор не определяется. Параметры гарантированного качества воды при управлении У 3 даны, как правило, по стандартам. Вектор их величин является многочисленным и бывает одновременно трудно определить комбинацию обеспеченностей их стандартных величин, если они будут меньше 100 %. В связи с этим обеспеченность Рз в табл. 1 показана в скобках и будет отличаться характером размазанной (fuzzy) величины. Кроме того, существует потребность обеспечить любую стандартную величину i с обеспеченностью Рз,! = 100 %, что не отвечает стохастическому подходу к управлению.

Подобная ситуация имеет место и в случае управлений У4 и У5. При управлении У 4 можно вывести определенный безвредный интервал расходов, так как для теплового и ледового режимов расходы обусловлены определенными климатическими и метеорологическими условиями и являются характеристиками, имеющими чрезвычайное

влияние. Для управления У 5 может быть целесообразным определить требуемый минимальный расход, который обеспечит понижение концентрации загрязнения нижележащего участка водотока.

Табл.1.

Схема управления по определенным целям в рамках проектной и внепроекгной обеспеченности

Функции (цель): Параметр: Условия управления по обеспеченности: п - проектные, в - внепроектные

У1 - аккумуляционная зарегулированный сток £)„ 1-1-1 0 п Pi в 100 %

У 2 - охранная, против наводнений обеспеченный безвредный расход Ояе 1-1-\ 0 п Р2 в 100%

УЗ - управление качеством воды стандартные величины показателей качества воды 1-1-1 0 п (Рз) в 100 %

У 4 - управление ледовы* и температурным режимом 1 „безвредный" интервал расходов 1-1-1 0 п (Р4) в 100%

У 5 - управление в других чрезвычайных ситуациях „безвредный" или требующий мин. расход 1-i-1 0 п (Р5) в 100%

В обоих последних случаях соответствующие обеспеченности Р4 и Р; до сих пор не определяются, но можно их подсчитать по наблюдениям за достаточно долгий интервал времени.

Однако в реальном управлении в условиях стохастической неопределенности иногда трудно определить, находится ли управляемая система еще в условиях проектной обеспеченности. Для принятия целесообразных и эффективных мероприятий, которые

имеют, как правило, превентивный характер, еще труднее определить момент наступления внепроекгной ситуации и необходимость осуществления этих мероприятиятий.

Затруднительность правильной оценки (прогноза) типа ситуации для наступающего маловодья показана на примере выполнения управления типа У 1 при аккумуляционной функции водохранилища на рис.1.

Рис. 1. Схема бесперебойного (а) и перебойного (б) циклов аккумуляционного водохранилища с полезным объемом для обеспечения проектного зарегулированного

стока.

Исходя из схемы на рис. 1 очевидно, что ход опорожнения водохранилища в начале маловодного периода в случае а и б практически не отличается. Тем сложнее будет принять решение о мероприятиях состоявших, например, в понижении проектного зарегулированного стока из водохранилища. Если произойдет ситуация типа а , то будет нецелесообразно ограничивать зарегулированный сток в ожидании перебоя и возникшие потери будут избыточными. Если же произойдет ситуация типа б, отвергнутое превентивное понижение зарегулированного стока может привести к большим потерям в течение перебоя с полным опорожнением водохранилища. В этом случае мы встречаемся с проблемой диспетчерского оптимизма или пессимизма и с проблемой успешности прогноза.

Оптимизация управления водохранилищем в показанной внепроектной ситуации, которой являются перебои в функции водохранилища (в ситуации аккумуляционного водохранилища маловодье с невозможностью водоподачи проектного количества воды,

или гарантированного стока из водохранилища), является предметом управления в реальном времени. Для аккумуляционной функции водохранилища представлен краткий перечень этих моделей или их групп, разработанных в основном в конце восьмидесятых годов на кафедре гидротехники Чешского технического университета в Праге.

Основным типом управления можно считать управление на константный зарегулированный сток, при котором обеспечивается в рамках проектной обеспеченности Р С < 0; Р1 > без ограничения. Вне проектной обеспеченности, т.е. в интервале Р6 (Р[ ; 100%) невозможно обеспечить проектный зарегулированный сток и возникают перебои в результате дефицита водоподачи и из водохранилища с полностью опорожненным полезным объемом можно забирать только приток. Этот тип управления обозначим через К.

Другим характерным типом управления является оптимальное управление ОРТ. Принцип этого управления вытекает из общепринятой идеи, что именно в условиях водоснабжения можно преодолеть небольшое понижение водоподачи даже длительное время, а короткие и глубокие неребои отличаются серьезными негативными последствиями. В этом смысле константное понижение водоподачи из водохранилища в течение всего маловодного периода с целыо преодолеть ожидаемый перебой отличается самой низкой „суммой неприятных последствий" из всех возможных управлений и манипуляций и является оптимальным.

Однако, чтобы определить оптимальное постоянное понижение водозаборов из водохранилища, надо прогнозировать с 100- процентной успешностью возникнове!ше, продолжительность, "глубину" и течение маловодного периода. Естественно, что 100- процентная точность такого прогноза является нереальной. Она остается гипотетическим случаем, в условиях стохастической неопределенности управления недостижимым, к которому можно только приблизиться.

Модель адаптивного управления (тип А)

Эффективным типом управления в реальном времени, которое применяет прогноз развития гидрологической ситуации, прогноз притоков в водохранилище и соблюдает реальное абсолютное или относительное наполнение водохранилища, является адаптивное управление А. Этот тип управления отличается понижением водозаборов

из водохранилища по данным, вышеуказанным факторам с приспосабливанием (адаптацией) к реальной протекающей ситуации. Этот тип управления может при правильном, успешном и достаточно точном прогнозе приблизиться своим эффектом к оптимальному управлению ОРТ, ио не может, естественно, его достичь полностью, так как каждая адаптация связана с определенным ненулевым ущербом (CHARVAT, 1969).

Возможность применения принципа адаптации для управления водохранилищами была отмечена на рубеже семидесятых и восьмидесятых лет (PATERA 1977, 1978а, 1978b, 1979) на основании идей и приложений из других областей науки и техники. Конкретная адаптивная модель для сезонного одноцелевого водохранилища была разработана на основе приспосабливания стока из водохранилища его относительному наполнению и прогнозу притока в водохранилище и проверена симулированным управлением в 1000-летних синтетических гидрологических рядах среднесуточных расходов, смоделированных на основе методов Монте-Карло (NACHAZEL-PATERA 1988а). К их моделированию был, кроме прочего, с успехом применен подход, основанный на методе фрагментов по СВАНИДЗЕ (1964, 1977).

Методы моделирования комплексно описаны напр. в книге (VOTRUBA и др., 1984) или (NACHAZEL, 1995). Гидрологические основы для стохастического моделирования этих процессов даны напр. в книге РЕЗНИКОВСКОГО (1989).

По принципу адаптивного управления в предложенной модели гарантированный расход из водохранилища непрерывно приспосабливается к мгновенным условиям, т.е. данному наполнению водохранилища и краткосрочному прогнозу. Мера понижения гарантированного стока из водохранилища при этом выводится из условия, чтобы для данного типа функции потерь были минимизированы общие хозяйственные потери от дефицита водоподачи во всех маловодных периодах в течение продолжительного периода времени эксплуатации водохранилища.

Рис. 2 показывает четыре фазы процесса управления с применением этой модели для сезонного водохранилища. На рис. 2а показан диспетчерский график, с которым сравнивается мгновенное наполнение водохранилища Vj. На рис. 26 показана схема прогноза притоков в водохранилище, которые можно выпускать или на следующие сутки, или на следующей неделе. В общем случае прогнозируется расход притока в водохранилище.

Модель принятия решений при управлении (рис. 2 в) выражает меру понижения расхода из водохранилища в маловодный период в зависимости от отношента

мгновенного наполнения Уа и необходимого диспетчерского наполнения Уа^р, & и отношения предсказанного притока в водохранилище С1рг ¿+1 и желаемого постоянного гарантированного расхода (2П В случае благоприятного или же не очень благоприятного пессимистического прогноза ((}рг ¿+1 / Оп близкое 1) и достаточного наполнения водохранилища (более высокие значения Уа / Ушь-р, (1) расход из водохранилища еще не

Л-'

понижается. В противоположном случае из водохранилища вытекает 0 < Од.

Рис. 2. Средства адаптивного управления сезонным водохранилищем:

а) диспетчерский график;

б) прогноз притоков в водохранилище;

в) матрица принятия решений;

г) функция ущерба.

Критерием оптимальности управления является сумма хозяйственного ущерба за весь период управления водохранилищем, выведенного из дефицита водоподачи А (2 в сравнении с требуемым Оп. Характер функции этого ущерба иа рис. 2г отличается конвексной формой, которая соответствует предположению, что с понижением глубины перебоев в водоподаче за счет их удлинения, понижается общий хозяйственный ущерб.

Краткосрочный статистический прогноз выполнялся в нескольких вариантах,

причем в большинстве случаев использовался принцип регрессии. При сравнении

симуляционных моделей с разными вариантами прогнозов удивительно надежным оказался прогноз типа:

ОТ d+l = Qd , (1)

который в упрощенном виде предполагает, что приток в водохранилище в следующие сутки равняется притоку данного дня. Прогноз в таком случае исходит из предположения установившегося расхода в течение маловодного периода без осадков.

Оказалось, что с точки зрения информации, можно достичь у многолетнего водохранилища еще более существенных эффектов, зависящих от конкретных условий управления, принятых диспетчерских правил, типа модели приняли решений и типа

V

прогноза притоков в водохранилище (NACHAZEL - PRENOSILOVA - PATERA, 1989).

Кроме обыкновенной оценки эффектов управления на основе экономических критериев были в этом случае впервые применены методы теории информации и подсчитана энтропия значений параметров управления или последствий управления в отдельные периоды времени. Подтвердилось, что адаптивная модель является полезной и желательной, также с точки зрения меры упорядоченности управляемой системы.

Успешность ми неуспешность адаптивного управления с точки зрения суммы ущерба, который можно считать отрицательным последствием в периоды необходимого или целесообразного понижения проектного стока из водохранилища, привела к идее повышения количества доступной, использованной и обработанной информации на основе обучающихся систем и моделей. Была разработана модель с обучением типа U для многолетнего одноцелевого водохранилища (NACHAZEL - PATERA 1989b).

Модель управления с обучением (тип U)

После разработки модели адаптивного управления (тип А) с алгоритмизацией и объективизацией процесса принятия решений для сезонного и многолетнего водохранилища и для системы водохранилищ с оценкой эффекта управления на основе экономических величин, мы пришли к выводу, что все возможности применения адаптивного принципа не были использованы.

Очень близким и, можно сказать, развивающим адаптивный принцип, является принцип обучения. Существовавшие до сих пор методы и модели управления не использовали опыт ни по управлению перебойными ситуациями в прошлом, ни по развитию предыдущих гидрологических ситуаций перед перебоями. Этот опыт можно в стохастической теории водохранилищ получить не только на основании естественных гидрологических рядов наблюдений, но также на основании смоделированных синтетических рядов. В таком случае, с применением метода симуляции, можно обеспечить „тренировку" (обучение) системы управления. Результаты проведенных исследований (NACHAZEL - PATERA 1989b) показали, что идея применения принципа обучающихся систем является реальной. Однако применение этого принципа эффективно только в определенных условиях. В сравнении с простым адаптивным управлением типа А (и тем более с управлением на постоянный зарегулированный сток типа К) можно достичь значительных эффектов в случае, если имеется в распоряжении достаточно надлежащих образцов (эталонов) для управления в реальных эксплуатационных условиях. Для управления в атипичных ситуациях более выгодной является простая адаптивная модель, которая отличается возможностью своевременно приспосабливать манипуляции к мгновенным эксплуатационным условиям.

Эффекты обучающейся системы управления существенно зависят от момента начала его введения в процесс принятия решений. В начале маловодного периода, когда оценка дальнейшего развития процесса еще является неопределенной, и когда обучающаяся система не располагает достаточной и надежной информацией, процесс принятия решений может быть связан с ущербом.

Решение о введении превентивного понижения водозаборов в маловодный период с определенным риском в таком случае лучше отсрочить до момента, когда система получит более высокий объем информации и "обучится".

Модель управления с распознаванием (тип R)

Важным результатом исследований стала возможность приложения методов теории распознавания для регулирования речного стока водохранилищем в реальном времени (NACHAZEL - PATERA, 1992).

Метод распознавания применялся ранее для классификации гидрологических и метеорологических условий и ситуаций по разным признакам и для сопоставления их

развития по аналогии с процессом, протекающим в реальном времени. На основе отношений подобия для симулированного управления были выведены алгоритмы, которые делают возможным определение оптимального расхода из водохранилища в следующем маловодном периоде.

Оказалось, что методы распознавания вместе с методами адаптивных систем можно применить для алгоритмизации и объективизации манипуляций с минимальным хозяйственным ущербом.

Процесс обучения и распознавания прошлых ситуаций является непрерывным, так как он повторяется на каждом этапе принятия решений. Он может отличаться нестабильностью (может мелькать) и только в самом конце маловодного периода стабилизируется, как только получит большее число информации о ходе всего маловодного периода и более надежно „выучится".

Необходимое ненулевое время обучения относится к причинам убытков, с которыми надо считаться в условиях стохастической неопределенности в сравнении с предельным, теоретическим случаем с полной (комплексной) априорной информацией о ходе маловодного периода. Такую информацию, однако, надо считать детерминистической и при стохастическом управлении на практике мы с ней никогда не встречаемся. Дальше вкратце приведем методику распознавания и также управления, обозначенного через R по (NACHAZEL - PATERA, 1992).

При распознавании гидрологических и метеорологических ситуаций можно предполагать, что каждая из них описана п - признаками x¡, i = 1, 2, ..., п. Эти значения признаков образуют п - размерный случайный вектор х = (xi, X2, ..., х„). Векторы признаков сгруппированы в г - классов, причем каждый из классов характеризуется эталоном (vi, v2, • ■•.Vi, vr), после чего конкретный (наступающий) вектор X присоединяется к классу i, если:

Ijvi-xJ^mmf/vj-xll ,

(2)

где] = 1, 2,..., г и||х||является нормой вектора, которая равняется:

Ihlha^r

Так называемое расстояние векторов можно выразить например формулой:

Р (Ум X) = [(VI.; - X,)2 + - х2)2 + ... + (уч - хп)1]ш

(4)

Выражение на ее правой стороне минимизируется.

В качестве эталонов было принято несколько наблюдаемых исторических ситуаций. Каждая их них была описана 6 признаками наступающего маловодного периода:

- наполнением водохранилища в конце каждого месяца,

- среднемесячным притоком в водохранилище,

- месячным объемом атмосферных осадков,

- числом безосадочных суток в месяце,

- числом суток с антициклоническими синоптическими ситуациями и

- среднемесячными температурами воздуха.

Для всех этих признаков в симулированных отрезках временных рядов гюдсчитывались скользящие среднемесячные значения в течение всего маловодного периода. На каждом этапе симулированного управления был по всем шести признакам разыскан самый близкий (по р) эталон. К этому эталону, представляющему известную -детерминистическую ситуацию с комплектной информацией в виде оптимума, установлен оптимальный зарегулированный сток из водохранилища, сопровождаемый минимальными хозяйственными убытками.Распозлавание с применением значений признаков ситуаций, сопровождающих маловодные периоды в эксплуатации аккумуляционных водохранилищ, добавляет дальнейшую информацию для оперативного управления. Однако оценить конкретный объем и роль этой дополнительной информации довольно сложно, и его отражение в успешности управления по принятому критерию оптимальности проявляется непрямо .

3. КРИТЕРИИ УПРАВЛЕНИЯ ВОДОХРАНИЛИЩАМИ

Оценка эффекта водохранилища или водохозяйственной системы может проводиться с использованием показателей:

- обеспеченности,

- надежности,

- экономической прибыли (доходах),

- экономического ущерба (убытках).

- общего (в том числе и внеэкономического) дохода,

- общего (не только экономического) ущерба,

- теории информации.

Применение критериев и показателей экономической прибыли и доходов для оценки эффекта управления водохранилищем не всегда возможно. Причиной является характер выполнения аккумуляционной функции водохранилища и отдельных конкретных целей, связанных с тенденцией к понижению неблагоприятных последствий дефицита водоподачи или, обобщенно говоря, неблагоприятных последствий перебоев водоподачи. Другой причиной является проблематическая категория цены воды для водоснабжения разных типов водопотребителей.

Наоборот, категория экономических убытков или потерь вследствие дефицита водоподачи, как правило, является пригодным показателем для оценки эффекта управления в реальном времени. Хорошо известно, что при водоснабжении питьевой водой, а также в большинстве случаев водоснабжения промышленности, не мешает незначительное понижение водозабора, пусть даже продолжительное. Наоборот, очень краткое, но очень выразительное (глубокое) понижение водозабора в течение перебоя вызывает большие неблагоприятные последствия.

Для этой гипотезы хорошо подходит конвекционная функция экономических убытков, описывающая зависимость Ъ = { (И), в которой N - дефицит водоподачи на определенном расчетном интервале времени и X - экономический ущерб в финансовых единицах.

Простое адаптивное управление всегда уменьшает обеспеченность и, как правило, уменьшает общий ущерб вследствие дефивдгга водоподачи. Символически можно написать, что:

ц>1к =>

(5)

А17а = ЦД1л)

(6)

если 1д - объем информации, используемой при адаптивном управлении (тип А),

Тк - объем информации, используемой при классическом управлении на константный

зарегулированный сток (тип К),

А1Л - ириросг используемой информации при адаптивном управлении (за счет информации касающейся относительного наполнения водохранилища, прогнозируемого притока в водохранилище и т.п.),

- общий ущерб за более продолжительный интервал времени при управлении типа

А,

2 - общий ущерб за более продолжительный интервал времени при управлении типа К и

А 2 - понижение этого общего ущерба при управлении типа А.

При управлении с обучением (тип Ц), если дополнительная информация Л1и правильно и целесообразно используется, можно достичь ситуации, что:

1и>1л>1к => (7)

причем Л 1ц- 1и - 1А .

Равным образом можно дополнить рассмотрение управления типа Я с распознаванием. Если при нем будет правильно и эффективно использована дальнейшая информация Д1я в отношении к информации для управления типа и, то:

1к>1и>1л>1к => IZR<IZU<ZZA<IZK (8)

Показанные предположения можно считать рабочими гипотезами и некоторые из них будут, в дальнейшем, проверены. Отношение между значением общего ущерба для упомянутых типов управления по формулам (5) - (8) выражено в схеме на рис. 3. Желательно, чтобы они были в диапазоне этого ущерба для оптимального управления (тип ОРТ), который без исключений минимален, так как они располагают общей полной детерминистической информацией о будущем ходе маловодного периода и ущерба для управления типа К, при котором относительный общий ущерб представляет сравнительный уровень (100 %).

Исчисление и сравнение общего ущерба за более продолжительное время управления имеет более глубокое обоснование. Для одного конкретного периода (ситуации, года) эксплуатации можно в случае применения более эффективного управления (А, и, Я) достичь выразительного успеха или, наоборот, вызвать нежелательный значительный ущерб. В более продолжительном интервале времени (как

правило 500 - 1000 лет имитированной эксплуатации) большинство успешно преодоленных ситуаций выразительно компенсирует некоторые неуспешные случаи, которых невозможно избежать. Эта гипотеза действует в случае правильного и целесообразного применения доступной информации.

0 £Z /ZZk. 100 [%] 100

% II III 1

-Й-1-1-r.....—..... .1 ОРТ RUA К

ОРТ - оптимальное управление

R - управление с распознаванием

и - управление с обучением

А - адаптивное управление

К - управление без адаптации, на константный зарегулированный

сток

Е Z - ущерб при конкретном типе управления

SZK - ущерб при классическом управлении на константный

зарегулирова!П1Ыи сток

Рис. 3. Схематическое выражение отношений между значениями общего ущерба за более продолжительный интервал эксплуатации водохранилища.

Последней приведенной возможностью выражения успешности управления в качестве критерия может служить аппарат и понятия теории информации. Конкретный тип показателя и его подсчет приведен дальше. Понятие энтропии Е (или же - негативной энтропии):

№ = 1 - Е (9)

с возможностью квантифицированного выражения может бьггь применено в качестве критерия неупорядоченности.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ОЦЕНКИ УПРАВЛЕНИЯ ВОДОХРАНИЛИЩАМИ С ПОМОЩЬЮ ЭНТРОПИИ

Перед оценкой информационного вклада разных оптимизационных подходов и методов управления водохранилищами возникает общий вопрос, понижает ли любое эффективное управление или, обобщено говоря, зарегулирование водохранилищем, неупорядоченность водохозяйственного процесса притока в водохранилище. Можно сформулировать гипотезу, что зарегулирование речного стока водохранилищем или системой водохранилищ, которое, как правило, понижает максимумы и повышает минимумы расходов в зарегулированном водотоке, несомненно понижает энтропию водохозяйственного (гидрологического) процесса, который определяется напр. временным рядом расходов.

Эффект управления водохранилищем, в дальнейшем, можно выразить величиной Д Е = Е; - Е2, или в относительном виде через ц = Е1 - Ег / Еь И в случае, если Е1Пах = 1 (когда логарифм энтропии на основе, равной числу интервалов использованного эмпирического распределения), нельзя считать величины Д Е относительными, так как, по всей вероятности, первоначальное значение энтропии естественного стока всегда будет £1 < 1. Естественный процесс не является вполне неупорядоченным, хаотическим. Определенную меру его упорядоченности напоминают, например, статистически значительные, непренебрежимые автокорреляционные функции. Эти статистически значительные величины автокорреляционных функций временных рядов расходов, как правило, отличают этот процесс от белого шума (на реках в чешских условиях практически без исключений) .

Для испытания вышесформулированной гипотезы были рассчитаны энтропии Е1 и Ег для естественных и зарегулированных условий нескольких водохранилищ на территории Чешской Республики разной мощности и разного типа регулирования. Перечень этих водохранилищ в табл. 2. Из 5 водохранилищ 2 (Кличава и Шанце) отличаются относительно высоким коэффициентом зарегулирования стока а и относительного объема водохранилища (Зг и являются многолетними. Остальные водохранилища (Моравка, Кружберк, Обецнице) являются типично сезонными.

Энтропия была рассчитана из длинных синтетических рядов среднегодовых и среднемесячных расходов, смоделированных на основе измеренных рядов расходов на протяжении, как правило, нескольких десятилетий.

Табл. 2.

Перечень водохранилищ где исследовалась энтропия естественного и зарегулированного стока

Водохранилище Водоток б. Оп а А

Кличава Кличава 0,231 0,150 0,649 1,121

Кружберк Моравице 5,959 2,220 0,369 0,131

Моравка Моравка 1,770 0,520 0,294 0,079

Шанце Остравице 3,114 2,200 0,706 0,451

Обецнице Обецницки 0,092 0,038 0,413 0,183

(}„ - средний расход в створе водохранилища

<3п - зарегулированный расход

а - коэффициент зарегулирования стока

р7 - относительный полезный объем водохранилища

Смысл этого испытания состоит в сравнении значений Е1 естественного стока и Ег зарегулированного стока. Зарегулированный сток в этой работе представлен тремя типами. Эти разные типы зарегулированного стока обозначим через К, К1 и К2. Тип К принадлежит регулированию на постоянный (константный) сток из водохранилища. Тип К1 отличается от типа К неравномерным распределением минимальных, иногда т.наз. экологических расходов из водохранилища в нижний бьеф, которые не должны представлять существенную долю общего зарегулированного стока с высокой требуемой обеспеченностью. Тип К2 является модификацией случая К1.

В следующих таблицах 3 и 4 (в качестве примера) приведены значения энтропии для естественного стока и стока зарегулированного водохранилищем для трех вышеописанных типов манипуляций К, К1 и К2. Для всех случаев рассчитано относительное значение изменения энтропии т].

Табл.3.

Сравнение энтропии незарегулированного естественного стока и стока зарегулированного водохранилищем

Многолетнее водохранилище Кличава- среднемесячные расходы

Показатели энтропии (вариант исчисления Вюо) Варианты управления

К К1 | К2

Е1 0,6375 0,6375 0,6375

Е: 0,5080 0,4522 0,3551

ДЕ = Е, - Е: 0,0295 0,1853 0,2824

Т| =ДЕ/Е| 0.046 0.291 0,443

Табл.4.

Сравнение энтропии незарегулированного естественного стока и стока зарегулированного водохранилищем

Многолетнее водохранилище Обецннце - среднемесячные расходы

Показатели энтропии (вариант исчисления Вт») Варианты управления

К К1 К2

Е) 0,6774 0,6774 0,6774

Е- 0,6384 0,6331 0,5750 '

ДЕ = Е, - Е2 0,0390 0,0443 0,1024

Г) =ЛЕ/Е, 0,058 0,065 0,151

Для водохранилища Липно на р. Влтаве (Чехия) в гипотетических условиях его эксплуатации были исследованы в симулированном режиме типы и виды манипуляций для достижения гарантированного стока в нижнем бьефе и выработки энергии.

На основе доступных наблюдаемых радов среднесуточных расходов в близком гидрологическом створе г. Вышши-Брод на р. Влтаве (на протяжении 35 лет) был смоделирован 500-легний синтетический ряд среднесуточных расходов методом фрагментов (СВАНИДЗЕ, 1964; СВАНИДЗЕ, 1977; VOTRUBA - PATERA, 1991). Исходный ряд среднегодовых расходов был смоделирован на основе линейной регрессионной модели сложного марковского процесса с гармонической затухающей автокорреляционной функцией. Этот ряд был после того дезинтегрирован на среднесуточные расходы с помощью 35 фрагментов, выведенных из наблюдаемых среднесуточных расходов в гидрологических годах.

В симулированных управлениях в реальном времени в 500-летнем синтетическом ряду проверялись:

- управление на постоянный (константный) зарегулированный сток (тип К),

- адаптивное управление (тип А) в разных вариантах:

- для нескольких вариантов диспетчерских границ (D5, D6, D7, D8, D9),

- для нескольких типов прогноза притока в водохранилище Р (в работе приведены результаты только для одного типа из них Р5),

- для нескольких моделей принятия решений (Rl, R2, RL6, RL7, RL8) и

- для нескольких типов гипотетических функций ущерба, сконструированных для водохранилища Липно (ZL1, ZL4, ZL5).

Для всех комбинаций этих условий было имитировано управление в реальном времени для гипотетического проектного зарегулированного стока с обеспеченностью Р0 ~ 99 %. В сутки вне периода обеспеченного зарегулированного стока

г-' /V

была осуществлена только водоотдача Q меньше Qn и к дефицитам AQ - Qn - Q были по примененным функциям ущерба рассчитаны среднесуточные убытки Z. В целом 500-летнем ряду были после того исчислены:

- общий дефицит водоподачи £ AQ (в м3/сек),

- общий ущерб S Z (в относительных единицах - баллах),

- статистические показатели рядов суточных значений:

- средняя величина,

- коэффициент вариации Cv

- коэффициент асимметрии Cs и

- энтропия 500-лешего ряда величин E(z).

Подробные результаты решения с значениями этих показателей для 30 смоделированных случаев оперативного управления в 500-летних временных рядах приведены в настоящей работе. Ежесуточные значения ущерба отличаются сравнительно высокой тенденцией к изменяемости и асимметрией. Аппроксимация эмпирических распределений их значений теоретическими не была проведена, но можно заметить, что во всех случаях речь идет о выразительно асимметрических распределениях с положительной асимметрией.

При адаптивном управлении (тип А) расходуется больше информации, или же негативной энтропии. Тем самым понижается исчисленная энтропия в случаях управления А в сравнении с исходными случаями классического управления К, только с некоторыми исключениями, когда полученная негативная энтропия не используется вполне эффективно. В случае некоторых вариантов диспетчерских кривых адаптивное управление включается позже или с более низкой частотой и вследствие того результаты адаптивного управления не столь успешны.

При других равных условиях управления, то есть при равном варианте диспетчерской кривой Б, типа прогноза Р, типа модели принятия решений Я и при равной функции ущерба Z, можно сравнивать энтропию адаптивного управления с энтропией классического управления на константный зарегулированный сток из водохранилища К, и рассматривать единичный прирост негативной энтропии на единицу "улучшения" результата управления:

причем Еа - энтропия при адаптивном управлении А,

Ек - энтропия при классическом управлении на константный зарегулированный сток К и:

V = ДМЕ/Д1г

(10)

где ЖЕ = - Л Е = - (ЕА - Ек) ,

(И)

ЛЕг = 12к-Е2А

(12)

Если при расчетах энтропии 2^ и Zк применена формула с логарифмом на основе п — 2 (бинарный логарифм), потом у V размер в единицах ущерба е на один бит Ь. Если

применено n = 10 (декадический логарифм) у v размер г на один дит d (в некоторых работах вводят параллельно к биту понятие дита - d) и т.д.

В работе приведены результаты симуляции разных вариантов адаптивного управления многолетним водохранилищем в 500-летних синтетических рядах среднесуточных расходов. В большинстве случаев прирост негативной энтропии является позитивным и адаптивное управление обладает более высоким качеством с более эффективным использованием этой негативной энтропии - информации.

Данные в диссертации показывают, что в некоторых случаях, при целесообразном и удачном выборе условий (D, R, Р, Z и т.п.) можно достичь определенных итогов "легче", в других „труднее", с большей требуемой удельной информацией. К сожалению, до сих пор очень трудно перевести эту квантитативно выраженную информацию, например, на отвечающее количество информации гидрологической, экономической и др., применяемых при управлении водохозяйственными системами.

Указанная методика применения энтропии к оценке качества управления была применена для многолетнего водохранилища Липно на реке Влтаве. Существующее водохранилище служит прежде всего энергетическим и рекреационным целям, но в данном случае было принято представление общего зарегулирования стока водохранилищем и выходом являлся общий зарегулированный сток из водохранилища

V

(NACIIAZEL - PRENOSILOVA - PATERA, 1989, PATERA, 1990).

Энтропия исчислялась из постепенности среднесуточных значений убытков, которые возникают вследствие дефицита водоподачи из водохранилища при аппликации адаптивной модели управления. Для четырех моделей принятия решений была после того проведена оценка управления посредством нескольких показателей, включая энтропию и показатели из энтропии выведенные. Символом Е (z) обозначена энтропия исчисленная из ряда значений ежесуточных убытков вследствие дефицита водоподачи.

В преобладающем количестве случаев энтропия Е (z) понижается и адаптивное управление с использованием определенного объема информации стремится к лучшему результату управления также по значениям хозяйственного ущерба Z. При более выразительном понижении риска с применением модели принятия решений МПР 1 и при относительно высоких, очень безопасных диспетчерских кривых эффект адаптивного управления не очень проявляется. Наоборот, внедрение такого подхода имеет тенденцию к высокой энтропии и, тем самым, также к более низкому качеству управления по сравнению с управлением без адаптации К. Влияние постепенного понижения риска при

управлении проявляется сначала благоприятно. Однако для модели принятия решений с отказом от риска общий ущерб снова растет.

Примером зависимости суммы общего хозяйственного ущерба при управлении и меры риска при нем может служить график на рис. 4.

:соз-

Ущерб при управлении типа К

К

1 2 3

Т|Ш модели принята решении МПР

Понижение риска управления по МП7

и

к

Рис. 4. Зависимость между суммой общего хозяйственного ущерба при управлении и принятой мерой риска.

В связи с оптимизацией гидроэнергетической функции каскада водохранилищ

Липно, Орлик и Слапы на р.Влтаве с помощью адаптивного управления (КАСНАЖЬ-V

Р1Ш>ГО51Ь0УА-РАТЕКА 1989) была также исследована энтропия управления. Эта работа дополнена решением оптимизации каскада, результаты которой были описаны в работе

V

(КАСНАгЕЬ-РКЕШБГШУА, 1989). Конкретно была рассчитана энтропия из ежесуточных значений:

- мгновенных (готовых) мощностей отдельных ГЭС в каскаде N.

- продолжительности пиковой эксплуатации отдельных ГЭС т и

- выработки пиковой энергии е при совместной работе каскада в качестве управляемой системы.

Величины >1, т, е для трех вышеуказанных пиковых ГЭС были оптимизированы (максимизированы). Наряду с классическим управлением без адаптации типа К , было

применено в некоторых вариантах на ступенях каскада Липно, Орлик, Слапы управление с адаптацией типа А для разных моделей (матриц) принятия решений (последовательно 112, 113 и 114). Кроме статистик выше указанных величин N. т и е, исчислялся экономический ущерб, экономическая прибыль (доходы) от производства пиковой электрической энергии и энтропии временных рядов суточных значений Е(М), Е(х) и Е(е).

Понижение энтропии Е или же прирост негативной энтропии № в качестве процесса некоторого упорядочения может путем, близким к оптимальному, содействовать целесообразному использованию установленных мощностей ГЭС.

Для разных комбинаций управлений типа К и А при разных типах моделей принятия решений при адаптивном управлении Я и при более низком зарегулированном расходе на ГЭС Слапы энтропия Е2(Ы) понижается при целеустремленном адаптивном управлении:

- на ГЭС Липно на 0 - 69,9 %,

- на ГЭС Орлик на 14,7 - 57,3 %,

- на ГЭС Слапы на 11,5 - 50,8 %,

в сравнении с классическим - неадаптивным управлением.

Из этих результатов вытекает, что применение адаптивного управления для упорядоченности настоящих - протекающих мощностей ГЭС является очень успешным и очень целесообразным.

Дальше коротко остановимся на анализе возможного времени продолжительности пиковой эксплуатации ГЭС в каскаде. При применении адаптивного управления в каскаде были рассчитаны, опять-таки, некоторые варианты манипуляций с адаптацией. Благодаря адаптивному управлению, энтропия Ез(т) последовательности ежесуточных значений времени продолжительности пиковой эксплуатации ГЭС понизилась:

- на ГЭС Липно на 0 - 59,4 %,

- на ГЭС Слапы на 0 - 8,8 %.

Третьим исследованным показателем эксплуатации ГЭС при адаптивном управлении гидроэнергетическим каскадом на реке Влтаве была ежесуточная выработка электрической энергии е. При этом управлении каскадом понизилась энтропия £2(5):

- на ГЭС Липно на 0 - 20 %,

- на ГЭС Орлик на 3,8 - 23,1 %,

- на ГЭС Слапы на 1,8 - 28,6 %.

Вране

ГЭС Слапыт

Слапы Камык

Орлик

Штеховицс

'ГЭС Орлик

В/х ГЭС

Общий объем Турбины типа Мощность

(млн. м3) И их число (тысяч кВт)

Липно 306,0 Францис- 2 120

Орлик 703,8 Каплан - 4 364

Слапы 269,3 Каплан - 3 144

Гневковице

ГЭС Липно

Н>

Липно 2

Липно 1

Рис. 5. Схема Влтавского каскада с параметрами водохранилищ и ГЭС, управление которыми оценивалось с помощью понятия энтропии.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЯ

В диссертации рассмотрены некоторые общие энвиронментальные проблемы водохранилищ, дано их обобщение и результаты конкретных подробных исследований информационного содержания некоторых водохозяйственных (особенно гидрологических) процессов на входах и выходах эксплуатируемых водохранилищ, водохозяйственных и гидроэнергетических систем.

Конкретный вклад в решение важнейших современных проблем управления водохранилищ можно резюмировать следующим образом:

- была подтверждена рабочая гипотеза, что предоставленная дополнительная информация при адаптивном управлении, управлении с обучением и адаптивном управлении с распознаванием ведет в преобладающем количестве случаев не только к понижению общего хозяйственного ущерба в результате дефицита планированной

водоподачи, но также к понижению энтропии водохозяйственных процессов, описывающих поведете этих систем. Эти водохозяйственные процессы на выходах, или же временные ряды переменных, которые их описывают, являются в результате адаптивного управления и его модификаций более упорядоченными, чем при простом классическом управлении на постоянный зарегулированный сток только в диапазоне проектных условий поведения водохранилища;

- на основе сравнения управления типа К (на постоянный зарегулированный сток) с естественным процессом на притоке в водохранилище установлено, что его энтропия понижается, а под влиянием водохранилища с аккумуляционной функцией понижается неупорядоченность процесса на выходе. Протекает упорядочивание расходов, которое можно с помощью категории энтропии, или же негативной энтропии, хорошо квантифицировать;

- установлено, что отдельные типы режимных ситуаций на водохранилищах понижают энтропию до более чем 16 % (на множестве исследованных створов и водохранилищ на территории Чешской Республики). Сезонные водохранилища, по существу, не понижают энтропию, или же неупорядоченность входного процесса с точки зрения информационного содержания рядов среднегодовых расходов, Наоборот, многолетние водохранилища оказывают существенное влияние на энтропию среднегодовых расходов соответственно значению коэффициента зарегулирования стока;

- определено, что энтропия процесса выраженного последовательностью среднемесячных расходов понижается до 40 %. Таким образом можно определить перераспределение внутригодичного распределения стока одним показателем;

- показано, что имитированное адаптивное управление многолетним водохранилищем, в условиях стохастической неопределенности, позволяет оценить влияние меры риска принятого при управлении на успешность результата управления. В преобладающем количестве случаев энтропия процессов на выходе из системы -водохранилища понижается и адаптивное управление с использованием определенного объема информации стремится к лучшему результату также по значениям хозяйственного ущерба. При более выразительном понижении риска эффект адаптивного управления проявляется не очень значительно. Наоборот, внедрение такого подхода, который отличается отказом от риска энтропию, или же неупорядоченность управляемого процесса, повышает;

- показана целесообразность оптимизации риска, который управляющее лицо хочет на себя взять. Выявлена также целесообразность многокритериальной оптимизации риска, так как оптимум по энтропии не должен совсем совпадать с оптимумом напр. по общему хозяйственному ущербу в результате дефицита водоподачи;

- показано, что энтропический подход был применен также для оценки качества управления гидроэнергетическим каскадом, для которого была раньше составлена комплексная модель управления, основанная на адаптивном принципе. Модель была приложена на симулированное управление в длинных временных рядах расходов и исследовались значения оперативных мощностей ГЭС, продолжительности выработки пиковой энергии. Отдельные типы управления и их модификации оценивались кроме технических и технико-экономических критериев также с помощью энтропии. Энтропия оперативной мощности ГЭС понижается вплоть до 70 %, периода пиковой эксплуатации ГЭС более чем до 60 % и выработки пиковой энергии почти на 30 %.

После рассмотрения этих сравнительно обширных результатов энтропического анализа временных рядов показателей эксплуатации Влтавского каскада ГЭС в симулированных условиях оказалось, что оптимизирующий адаптивный подход к манипуляциям может значительным образом повысить эффективность управления каскадом водохранилищ ГЭС.

6. ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. НАХАЗЕЛ К. - ПАТЕРА А. - ПРЖЕНОСИЛОВА Э.: Возможности использования адаптивных моделей оперативного управления сезонными и многолетними водохранилищами. //Водни проблеми, 26, БАН, София, 1992, с. 12 - 20.

2. NACHAZELК. - PATERA A.: Moznosti vyuXti principu adaptivity pro ftzeni nadrïi v realnem case. // Vodohosp. Cas., 36, 198B, c.3, s. 237 - 265 (a).

3. NACHAZEL K. - PATERA A.: Citlivost adaptivniho rizeni sezonnich nadrzi v realnem

v v v ^ v

case na typ ztratove funkce a dobu predstihu predpovedi. Vodohosp. Cas., 36, 1988, c.6, s.608 -

638 (b).

4. NACHAZEL K. - PATERA A.: Moznosti vyuziti principu ucicich se systemu pro rizeni nadrä v realnem case. // Vodohosp. Саз., 37, 1989, c.5, s.457 - 493.

5. NACHAZEL K. - PATERA A.: Teorie rozpoznavani a nzeni nadrzi v realnem case. // Vodohosp. Cas., 40, 1992, c.3, s.241 -273.

6. NACHAZEL K. - PATERA A.: Nelincami programovani a optimalizace adaptivniho

V v v ^ vv ^ y

rizeni nadrzi v realnem case. Cast 2: Stochasticky pristup k rizeni. // Vodohosp. Cas., 41, 1993, c.4

- 5, s.201 - 224.

7. NACHAZEL K. - PATERA A. - PRENOSILOVA E. - TOMAN M.:

v v

Vodohospodarske soustavy. Skriptum CVUT, Praha, 1997, 76 s.

8. NACHAZEL K.-PRENOSILOVA E. - PATERA A.: Problematika rizeni viceletych nadrzi v realnem case. // Vodohosp. Cas., 37, 1989, c.3, s.249 - 281.

V V

9. PATERA A.: Funkce adaptivniho modelu nadrze a vodohospodarske soustavy. // Kand. v

dis. price, CVUT, Praha, 1977, 244 s.

10. PATERA A.: Moznosti riseni adaptivnich modelu nadrzi a vodohospodarskych soustav. //Vodohosp. Cas., 26, 1978, c.2, s.144 - 153 (a).

V V . V

11. PATERA A.: Rezeni adaptivity nadrzi v kratkych realizacich hydrologickych procesu.

V V

// Vodohosp. Cas., 26, 1978, c.3, s.228 - 244 (b).

v v

12. PATERA A.: Zabezpecenost a adaptivita dlouhodobeho provozu nadrzi. // Vodohosp.

Cas., 27, 1979, c.l, s.3 - 13.

v v v v

13. PATERA A.: Rizem nadrzi zalozene na adaptivmm principu. Habilitacni prace. //

Fakulta stavebni CVUT, Praha, 1990 (a), 50 s.

V y V

14. PATERA A.: Pouziti entropie k hodnocem efektu rizeni zasobni nadrze. Vodohosp. Cas., 38, 1990 (b), c.3, s.249 - 269.

15. PATERA A.: New Paradigms in Reservoir Development and Management in Relation to the Environment. // In: Proceedings of Int. Conference on Aspects of Conflicts in Reservoir Development and Management. City University, London (ed. RAO, K.V.), 1996 (a), pp. 511 -515.

V V V

16. PATERA A.: Environmentalni zkusenosti z provozu nadrzi. // Sbornik Prehradnich dnu 1996, n.dil - XVII. MPK Durban, Povodi Odry, Ostrava, 1996 (b), 41 s.

V V v

17. PATERA A.: Vodni stavby v postmodern! dobe. // Vodni hospodarstvi 1996 (c), c.3, s.92-95.

18. PATERA A. - VOTRUBA L.: Hospodareni s vodou. Skriptum, Fakulta stavebni CVUT, Praha, 1994,216 s.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИЛИ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ:

19. ПАТЕРА А.: Влияние условий окружающей среды стохастического характера на выбор параметров водохранилищ и водохозяйственных систем. // Межвузовский сборник, вып. 2, "Рациональное использование природных ресурсов и охрана окружающей среды", ЛПИ, Ленинград, 1978, с. 52 - 55.

20. НАХАЗЕЛ К. - ПАТЕРА А. - Т1РОХАЗКА А.: Выбор режима регулирования в системе с двумя водохранилищами методом динамического программирования. // Межвузовский сборник, вып. 7, "Рациональное использование природных ресурсов и охрана окружающей среды", ЛПИ, Ленинград, 1984, с. 29 - 32.

21. ВОТРУБА Л. - НАХАЗЕЛ К. - КОС 3. - ПАРТЛ КВ. - ПАТЕРА А. - ЗЕМАН В.: Проектирование водохозяйственных систем. - Стройиздат, Москва, 1984,369 с.

22. ПАТЕРА А. - ВОТРУБА Л.: Многокритериальная экспертная оценка вариантов гидроаккумулирующей электростанции. // Сборник научных трудов, Труды ЛПИ и ЧВУТ, „Гидроэнергетика. Гидроаккумулирующие электростанции"1, ЛПИ, 1989, с. 15-21.

23. ДЕБОЛЬСКИЙ В. - МАТОУШЕК В. - ПАТЕРА А.: Образование и развитие ледовых явлений и процессов в водохранилищах и нижних бьефах. // Пособие для оценки влияния водохранилищ на ледовый режим водотоков. Международная гидрологическая программа, Чехо-словацкий национальный комитет, Прага, 1991, 114 с.

24. НАХАЗЕЛ К. - ПАТЕРА А. - ПРЖЕНОСИЛОВА Е.: Принцип адаптивности в модели оперативного управления объемом водохранилища в каскаде ГЭС. II Труды Московского энергетического ин-та, № 638, Москва, 1991, с. 118 - 125.

25. ВОТРУБА Л. - ПАТЕРА А.: К экологическому обоснованию гидроэнергетических объектов. // Гидротехническое строительство, Энергоатомиздат, №3, 1992, с. 50-51.

26. НАХАЗЕЛ К. - ПАТЕРА А. - ПРЖЕНОСИЛОВА Э.: Возможности использования адаптивных моделей оперативного управления сезонными и многолетними водохранилищами. // Водни проблеми, 26, Българска академия на науките, София, 1992, с. 12-20.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЧЕШСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Адольф ПАТЕРА

УПРАВЛЕНИЕ ВОДОХРАНИЛИЩАМИ ГЭС НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ ИНФОРМАЦИИ

Специальность 05.14.10 - Гидроэлектростанции и гидроэнергетические установки.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1997

Считаю своей объязанностью выразить мою искреннюю благодарность:

д.т.н., профессору Карлу Нахазелу, под руководством которого проводились с восьмидесятых лет на Кафедре гидротехники Строительного факультета Чешского технического университета научные работы по математическому моделированию управления водохранилищами, за возможность работать в его научной группе и за большое количество ценных советов,

к.т.н., инженерам ЭвеПрженосиловой иМихалу Томану, за содействие в опубликовании многочисленных работ, подготовленных с ними под руководством профессора Карла Нахазела,

д.т.н., профессору Ладиславу Вотрубе, за стимул к работе о принципе адаптивности и за ценные примечания и взгляды к первым работам, касающимся применения принципа энтропии в водном хозяйстве, а также за постоянную поддержку,

д.т.н., профессору Войтеху Броже, заведующему Кафедрой гидротехники Строительного факультета Чешского технического университета в Праге за всестороннюю поддержку моей работы,

Павлу Бурешу и инженеру Павлу Фошумпауру, за значительную помощь при проведении нумерических экспериментов,

Чрезвычайно благодарю д.т.н., профессора Михаила Петровича Федорова, первого вицепрезидента и ректора Санкт-Петербургского государственного технического университета, за любезное предложение защищать предлагаемую диссертацию на Гидротехническом факультете Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Большую лингвистическую помощь при подготовке русского текста диссертации мне оказали Галина Штевичкова и доктор Виолетта Седлакова.

При окончательном оформлении текста мне чрезвычайно помогла инженер Милена Доубкова и оказывала всяческую поддержку на протяжении всей работы.

Прага, март 1997 г.

Адольф Патера

_ 5

ОГЛАВЛЕНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.............................................................. 8

1. ВВЕДЕНИЕ............................................................................................12

1.1 Обоснование диссертации с точки зрения научной квалификации автора и с особым вниманием к научным контактам с Российской Федерацией..........................................12

1.2 Современные аспекты водохранилищ, ГЭС и их систем......... 21

2. ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИИ......................................................................26

3. НЕКОТОРЫЕ СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ВОДОХРАНИЛИЩ ........................................................................................ 29

3.1 Энвиронментальные проблемы водохранилищ....................... 29

3.2 Черты тревда развития строительства водохранилищ........... 37

3.3 Тренд развития управления водохранилищами....................... 41

3.4 Энвиронментальная совместимость........................................... 44

3.5 Новые парадигмы и их отражение в области водохранилищ.. 49

4. ПРИМЕНЕНИЕ ПОНЯТИЯ ЭНТРОПИИ В ВОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ.........................................................................................57

4.1 Перечень приложений энтропии................................................. 57

4.2 Энтропическое искусство............................................................. 62

4.3 Общее понятие информации и энтропии................................... 66

4.3.1 Информация......................................................................... 66

4.3.2 Энтропия............................................................................... 69

4.4 Расчет энтропии водохозяйственных процессов...................... 72

5. ВОДОХРАНИЛИЩЕ В КАЧЕСТВЕ УПРАВЛЯЕМОГО ОБЪЕКТА.............................................................................................. 78

5.1 Понятие управления водохранилищем...................................... 78

5.2 Модели управления водохранилищами в реальном времени.. 87

5.2.1 Модель адаптивного управления (тип А)........................ 88

5.2.2 Модель управления с обучением (тип и)......................... 99

5.2.3 Управление по модели с распознаванием (тип Я)..........102

5.2.4 Управление по модели на основе генетических алгоритмов (тип в).............................................................106

5.2.5 Управление водохранилищами по другим принципам

и моделям..............................................................................107

5.3 Критерии управления водохранилищами.................................109

6. РЕЗУЛЬТАТЫ ОЦЕНКИ УПРАВЛЕНИЯ ВОДОХРАНИЛИЩАМИ С ПОМОЩЬЮ ЭНТРОПИИ.....................121

6.1 Энтропия естественного и зарегулированного

речного стока.................................................................................121

6.2 Исчисление энтропии адаптивного управления многолетним водохранилищем при разных условиях управления.....................................................................................144

6.3 Результаты иммитированного управления многолетним водохранилищем с адаптацией и с разной мерой риска

в процессе принятия решений.....................................................153

6.4 Применение энтропии при оптимизации гидроэнергетической функции каскада водохранилищ...................................168

6.5 Результаты исследования качества управления типа и

с обучением с помощью энтропии............................................. 178

_7

7. ДРУГИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭНТРОПИИ

К ОЦЕНКЕ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ.............. 183

8. ИТОГИ ДИССЕРТАЦИИ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ.............................. 188

ЛИТЕРАТУРА......................................................................................... 193

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................... 203

*****

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а - перебойная ситуация б - бесперебойная ситуация / - частота

к - относительная энтропия

ке- коэффициент естественного притока в водохранилище т- общее основание логарифма, мера адаптации п - натуральное основание логарифма, баллы р - вероятность

р(х) - распределение вероятности случайной величины

р(х,у) - совместное распределение вероятности случайных величин х, у

р(х/у) - условное распределение вероятности х при заданном у

г(т)- автокорреляционная функция

t - время

х - случайная переменная, точка пространства

|- норма вектора

V - вектор признаков эталона

у - вектор признаков эталона

А - адаптивное управление

С3 - коэффициент асимметрии

Су - коэффициент вариации

£> - диспетчерский график, диспетчерская кривая

Е - энтропия

Ел - энтропия при адаптивном управлении

Ек - энтропия при управлении на константный зарегулированный сток Е(г) - энтропия;исчисленная из последовательности убытков 2 Е(Х) - энтропия случайной величины х

Е(ХУ) - энтропия на произведении: пространств X, У

Е(У/Х) - условная энтропия У при заданном X

.Рг - площадь затопления водохранилища

С - управление по модели на основе генетических алгоритмов

I - количество информации, собственная информация

/ - средняя информация

1и~ информация при управлении с обучением V

1а - информация при управлении с адаптацией А

/я - информация в матрице принятия решений К

¡к - информация при управлении на константный зарегулированный сток К

К - управление на константный зарегулированный сток

N - дефицит водоподачи, можность ГЭС

ЫЕ - негативная энтропия

АО-дефицит водоподачи ¡м3сек4]

ОРТ - оптимальное управление

Р - обеспеченность[%]

Р<] - обеспеченность по объему водоподачи [%] Р0 - обеспеченность по повторению бесперебойных лет _%] Р{- обеспеченосгь по продолжительности бесперебойной водоподачи % <2 - расход [м3сек О - средний расход

Оа - долговременный средний расход^сек"1^ Оп - зарегулированный расход[м3сек [] Ос - турбинный расход[м3сек^]

- прогноз притока в водохранилище на сутки (1-1 К - тип адаптивного управления с распознаванием Л - модель принятия решений

ЯЬ - модель принятия решений для водохранилища Липно

Щт)- автокорреляционная функция Я - система

У- объем, наполнение водохранилища

Ус - общий объем водохранилища

У<л - мгновенное наполнение водохранилища в сутки с1

Уа^р - диспетчерское наполнение водохранилища

Уг- охранный объём водохранилища(м3]

У2 - полезный объем водохранилища[м3 ]

Х- дискретное пространство

2 - хозяйственный ущерб от дефицита водоподачи

2а - ущерб . при адаптивном управлении

2к- ущерб при управлении на константный зарегулированный сток

2и- ущерб при адаптивном управлении с обучением

а - фактор косвенности распределения

а - коэффициент зарегулирования стока

(5 - относительный объём водохранилища

Д - относительный полезный объём водохранилища

г] - относительный эффект управления водохранилищем

¡и(х) - средняя величина

V - единичный (удельный) прирост негативной энтропии П- надежность[%]

П0- надежность по повторению бесперебойных лет[%^

Пт- надежность по продолжительности бесперебойной водоподачи

Д>- надежность по объему водоподачи[%] р - расстояние векторов

рьш - расстояние векторов типа Ьапсеу - '\\?1Шат8 Ре- расстояние векторов типа Еи1ег

рс - расстояние векторов типа Чебышева

рн - расстояние векторов типа Hemming

<j(x) - квадратическое отношение

х- продолжительность пиковой эксплуатации ГЭС [чЦ

г - время отстояния коррелированных случайных величин

Г(х) - функция гамма

е - выработка энергии [кВтч]

О- общий вклад от выработки энергии[кч]

ВС - водохозяйственная система

МГП - Международная гидрологическая программа

МКпБП - Международная коммиссия по большим плотинам

МПР - модель принятия решений

ПТС - природно-техническая система

CIGB - Международная коммиссия по большим плотинам

CVUT- Чешский технический университет

ICOLD - Международная коммиссия по большим плотинам

МАВ - Человек и биосфера, программа ЮНЕСКО

1. ВВЕДЕНИЕ

В области водохранилищ и водохозяйственных систем в последнее десятилетие особенно актуальными и, можно сказать, решающими стали проблемы их управления. Во многих странах, в том числе развитых и развивающихся, еще предполагается дальнейшее развитие строительства водохранилищ и их систем для разных целей, но в большинстве из них строительство этих объектов, по всей вероятности, приближается к завершению, и вместо задач по проектированию водохранилищ и их систем придется все больше решать задачи по их управлению.

В связи с этим обстоятельством возникают новые проблемы и задачи теории водохранилищ или вообще водного хозяйтсва и гидротехники. Новые теоретические модели и практические подходы строятся опять-таки на основах теории вероятности, математической статистики, теории случайных процессов и системных теорий. Однако, кроме перечисленных, начали развиваться другие, до сих пор нетрадиционные подходы и методы, основанные, например, на кибернетике, теории информации, теории принятия решений, экспертных системах, искусственном интеллекте и т.д.

1.1 Обоснование диссертации с точки зрения научной квалификации автора и с особым вниманием к научным контактам с Российской Федерацией

Автор предлагаемой диссертации считает своей объязанностью в связи с указанньпми общими проблемами и с разрабатываемой темой привести в самом начале некоторые сведения о:

• своем научном намерении,

• применении подходов и методов российских (или советских) авторов и ученых,

• общих возможностях теории информации,

• общих возможностях понятия энтропии,

• преимуществах метода энтропии перед существующими методами и в связи с тем о значени применения понятия энтропии с точки зрения инженерного дела, а также о

• совместном интернациональном характере работы и о

• публикациях автора диссертации в российских (или советских) сборниках и журналах.

Научное намерение автора. Научным намерением автора в последние два десятилетия было изучить методы и математические модели управления водохранилищами и водохозяйственными системами (включая водохранилища ГЭС и их каскады) в реальном времени, основанные на теории адаптивных систем и моделей и их модификаций. Разработке этих научных проблем была посвящена его кандидатская диссертация (1977г.), а также диссертации на соискание ученого звания доцент (1990г.). Проблем оперативного управления водными ресурсами и его оптимизации касается также настоящая диссертация. Она исходит непосредственно из результатов сопоставительных комплексных исследований автора, которые были проведены в основном в научной группе проф. К. Нахазела в ЧТУ. Предлагаемая диссертация основана на многочисленных публикациях, причем некоторые были опубликованы также на русском языке. Предыдущие обширные результаты по оптимизации управления водохранилищами и связанные с ними исследования в диссертации больше

не приводятся. В ней дано более детальное описание лишь проблемы применения теории информации и в особенности понятия энтропии, которое рассматривается как целесообразный и эффективный, для данной цели пока непримененный показатель успешности управления водными ресурсами или гидроэнергетическими водохранилищами и их каскадами.

Применение методов и подходов российких (или советских) авторов. Все рассмотренные исследования и их результаты основаны последовательно на теории вероятности и теории случайных процессов и их приложений в гидрологии, водном хозяйстве, гидротехнике, или гидроэнергетике в том понимании, которое было чрезвычайно широко распространено в советской или российской науке. Научные и технические работы КРИЦКОГО, МЕНКЕЛЯ, РЕЗНИКОВСКОГО, ВЕЛИКАНОВА, КОСТИНОЙ, РУБИНШТЕЙНА, АВАКЯНА, АЛЕКСЕЕВА, АЛЕКСАНДРОВСКОГО, АСАРИНА, БУСЛЕНКО, ВЕНТЦЕЛЯ, ОБРЕЗКОВА, СВАНИДЗЕ, КАРТВЕЛИШВИЛИ, ПЛЕШКОВА, РОЖДЕСТВЕНСКОГО, ЧЕБОТАРЕВА, ЦВЕТКОВА, ШИКЛОМАНОВА, ЩАВЕЛЕВА и других нашли свое отражение в развитии чешской водохозяйственной науки. Автор настоящей диссертации ими разработанными методами и их результатами воспользовался неоднократно в своих работах.

Типичным для российской (или советской) водохозяйственной, гидротехнической и гидроэнергетической науки все еще является кроме прочего развитие количественных методов на фоне охраны окружающей среды и экологии. Поэтому также предлагаемая диссертация разработана на том же фоне, с включением новых методов, подходов и новых парадигм. Автор считает такой энвиронментальный подход необходимым,

неизбежным, вследствие чего ему уделяет в тексте диссертации надлежащее место. При этом, энвиронментальная проблема рассматривается как более общее понятие, чем экологическая.

Теория информации. Теория информации предоставляет привлекательные и полезные методы для решения выдвинутых проблем в области регулирования речного стока и управления водохранилищами, ГЭС и водохозяйственными системами. Теория информации принадлежит к самым значительным достижениям науки последнего пятидесятилетия. Ее возникновение и развитие тесно связано с результатами исследований Ц.Э.ШАННОНА, который впервые в 1948 г. опубликовал основную работу по математической теории коммуникации. ШАННОН ввел в эту теорию понятия энтропии, количества информации и скорости переноса сообщений.

Независимо от него, в том же 1948 году, опубликовал Н. ВИНЕР книгу о кибернетике, в которой он определяет меру количества информации аналогичным путем.

Можно сказать, что изобретения ШАННОНА принесли очень ценные и в определенном смысле удивительные результаты. Он доказал, что для измерения количества информации, содержимой в качественно различных типах передачи информации, можно пользоваться с равным успехом одной и той же мерой (критерием). Дальше он показал, что в каналах передачи информации можно с достаточно малой вероятностью ошибок переносить информацию без существенного понижения скорости передачи. Работы ШАННОНА и его сотрудников были направлены на практические

приложения. В математическое обоснование новой теории информации значительный вклад внесли работы математика А.Я. ХИНЧИНА. Теорию информации можно считать частью кибернетики, а также частью теории вероятности. Ее приложения постепенно расширились из радиотехники также в другие области техники, в лингвистические, биологические и генетические науки, в неврологию и даже в эстетику, и другие науки.

В общей теории информации самыми важными являются вопросы, касающиеся:

- внедрения меры количества информации,

- кодирования и декодирования сообщений и

- передачи сообщений.

С приложениями в диссертации связан первый из указанных вопросов. Его решение стремится к внедрению понятия энтропии в такие приложения.

Энтропия. Энтропия является мерой неопределенности. Перед осуществлением определенного опыта (первоначально в передаче информации) нам точно неизвестно, какого значения исследованная случайная величина достигнет. Эту неопределенность во многих приложениях необходимо или полезно определить. Именно для такой цели вводится понятие энтропии.

Понятие энтропии имеет в сущности пять значений:

- математическое,

- физическое (термодинамическое),

- биологическое,

- экологическое и

- собственное - в теории информации.

Математически можно с помощью энтропии измерять степень неопределенности случайного эксперимента в теории вероятности.

Физически она представляет величину, которая выражает направление энергетических перемен исследованной системы и выражает стремление системы переходить из менее вероятных (более упорядоченных) состояний в более вероятно реализуемые