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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:楊朝仲
研究生(外文):Chao Chung Yang
論文名稱:應用遺傳演算法與可微分動態規劃於地表地下水聯合營運之多目標規劃
論文名稱(外文):Multi-Objective Planning for Conjunctive Use of Surface and Subsurface Water
指導教授:張良正張良正引用關係
指導教授(外文):Liang Cheng Chang
學位類別:博士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:土木工程系
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
中文關鍵詞:多目標規劃遺傳演算法微分動態規劃聯合營運水資源
外文關鍵詞:Multi-Objective ProgrammingGenetic AlgorithmDifferential Dynamic ProgrammingConjunctive UseWater Resources
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水資源規劃往往牽涉到的標的或需求,亦即常常是一個多目標規劃的問題,惟在以往對多目標的問題在計算上最常用的簡化方式為將各目標賦予權重而將問題轉化成單目標型態,再求解之,惟若如此,則往往不能清楚的描述不同目標間的競爭關係,其中代表性的例子之一為系統規模(固定成本)與營運目標(如缺水及其影響)間之競爭關係,有鑑於此,本研究將以微分動態規劃(Differential Dynamic Programming)理論為核心,結合多目標遺傳演算法(Multi-objective Genetic Algorithm) ,來建立新的多目標優選方法,此新的方法不但能計算完整的非劣勢解,並能同時考量系統固定成本與操作成本,後者亦為以往其它相關研究所難以處理者,本研究並進一步以未來台灣南部地區水資源調配可能執行的策略,即地表水資源系統整體營運、地表地下水資源系統聯合營運及考量淨水廠容量擴張之地表水資源系統整體營運等不同的系統架構,發展最佳營運及規劃模式,並進行實例應用。此外,為維持地下水系統的非線性特性及解決模式整體計算量增加的問題,本研究亦將地下水流模擬模式ISOQUAD崁入上述地表地下水資源系統聯合營運發展模式中來計算抽水量或補注量與地下水位之變動關係。
Owing to difficulties in considering fixed cost and time-varying operating cost for conjunctive use of surface and subsurface water at the same time, optimization of water resources planning is a challenging task. Major difficulty is encountered due to the discontinuity of fixed cost in time led the objective function, including fixed cost and operating cost, not to be solved time by time. Moreover, these two objectives conflict with each other. Therefore, instead of combining the objectives using a weighting factor, this study proposes a novel multi-objective programming algorithm by integrating a multi-objective genetic algorithm (MOGA) with constrained differential dynamic programming (CDDP). Using the proposed algorithm, a multi-objective model for water resources planning is also proposed, capable of accurately reflecting how multi-objectives compete with each other and estimating the available releases of surface and subsurface systems. A MOGA is used to generate the various fixed costs of reservoirs’ scale and estimate the non-inferior solutions set, which reflects the impact on the relation between two objectives of fixed cost and operating cost. The optimization model is then adopted to distribute the releases among reservoirs based on CDDP. Additionally, a MOGA is also applied to decide a pattern of pumping / recharge and a groundwater simulation model ISOQUAD is directly embedded to handle the complex dynamic relationship between the groundwater level and the pumping / recharge. Doing so averts an increasing computational time of CDDP if groundwater variables are considered. Next, the results of above releases and pumping / recharge are used to evaluate the fixed cost. Furthermore, effectiveness of the planning model is verified by solving a water resources planning problem of conjunctive use of surface and subsurface water in southern Taiwan. Simulation results demonstrate that the proposed model can generate a complete non-inferior set under an affordable computation resources. This thesis provides a valuable reference for governmental authorities when developing water resource-related management strategies.
目錄
中文摘要…………………………………………………………..I
英文摘要………………………………………………………….III
目錄……………………………………………………………….V
表目錄…………………………………………………………….IX
圖目錄…………………………………………………………….X
符號表…………………………………………………………..XIII
一、 緒論……………………………………………………………1
1.1 研究目的…………………………………………………1
1.2 文獻回顧…………………………………………………2
1.2.1 地表地下水資源系統聯合營運…………………2
1.2.2 微分動態規劃之應用……………………………7
1.2.3 多目標遺傳演算法之應用………………………8
1.3 研究方法…………………………………………………8
1.4 本文架構……………………………………………….10
二、多目標水資源系統規劃模式之建立……………………….11
2.1 理論模式架構說明…………………………………….11
2.1.1 單目標水資源規劃理論模式架構……………….11
2.1.2 多目標水資源規劃理論模式架構……………….13
2.2 多目標地表地下水資源系統聯合營運數學模式定義…..19
2.2.1 目標函數定義說明……………………………….19
2.2.2 限制式定義說明………………………………….20
三、理論基礎……………………………………………………….25
3.1 微分動態規劃…………………………………………….25
3.1.1 無限制式微分動態規劃(DDP)…………………26
3.1.2 限制型微分動態規劃(CDDP)………………….31
3.2 多目標規劃……………………………………………….43
3.2.1多目標規劃之發展……………………………….43
3.2.2多目標問題之定義……………………………….44
3.2.3多目標問題求解概念…………………………….46
3.3 遺傳演算法……………………………………………….49
3.4 多目標遺傳演算法……………………………………….56
3.4.1 即有多目標遺傳演算法之介紹………………….56
3.4.2 本研究對於多目標遺傳演算法之改良………….59
3.5 地下水模擬模式ISOQUAD……………………………...67
3.5.1 拘限含水層……………………………………….67
3.5.2 非拘限含水層……………………………………….69
3.6多目標遺傳演算法、限制型微分動態規劃與地下水模擬模
式ISOQUAD之整合…………………………………………72
四、多目標水資源系統規劃模式之應用…………………………….76
4.1 研究區域現況概述………………………………………….76
4.1.1 水系、流域及供水設施…………………………….76
4.1.2 各水庫及攔河堰之營運現況………………………..78
4.1.3 供水現況及未來需水預估…………………………..80
4.2 地表水資源系統之實例演算……………………………….84
4.2.1 系統定義…………………………………………….84
4.2.2 非劣勢解之說明與分析…………………………….98
4.3 地表地下水資源系統聯合營運之實例演算………………106
4.3.1 系統定義……………………………………………106
4.3.2 非劣勢解之說明與分析…………………………..120
4.4 考量淨水廠容量擴張之地表水資源系統的實例演算…..125
4.4.1 系統定義……………………………………………125
4.4.2 非劣勢解之說明與分析…………………………..131
4.5 非劣勢解集合之決策分析…………………………………135
五、結論與建議………………………………………………………139
5.1 結論…………………………………………………………139
5.1.1 地表水資源系統……………………………………139
5.1.2 地表地下水資源系統聯合營運…………………..140
5.1.3 考量淨水廠容量擴張地表水資源系統……………141
5.2 建議…………………………………………………………142
參考文獻………………………………………………………………143
附錄一、限制型微分動態規劃替代模擬模式之剖析 ……………附-1
作者簡歷
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