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第4章基于遗传算法的水资源系统预测方法
水资源系统预测概述
系统预测,就是根据研究系统或类似系统发展变化的实际数据、历史资料,以及各种经验、判断和知识等,充分分析和理解系统发展变化的规律,运用一定的科学原理和方法,对研究系统在未来一定时期内的可能变化进行推测、估计、分析和评价,以减少对系统未来状况认识的不确定性、指导系统的决策分析和减少决策的盲目性[3,4,128,196,197]。根据预测的对象、预测的时间尺度、预测的空间尺度、预测精度的要求、预测方法的性质等不同角度,可对现有的系统预测方法进行不同的分类。目前最常用的是根据预测方法的性质,可把系统预测方法大致分为如下4类[3,4,128,196-198]:一是定性预测方法,主要是依据人们对系统过去和现在的经验、判断和直觉,通过现场调查、专家打分、主观评价等对系统进行预测,如Delphi法、主观概率法等;二是时间序列分析预测法,主要是根据系统对象随时间变化的历史资料,通过系统时间序列的自相关分析、谱分析等对系统发展趋势进行外推,如自回归滑动平均模型方法等;三是因果关系预测方法,主要是根据系统内部要素变化存在的因果关系,通过识别影响系统发展的主要变量,建立它们的数学模型,然后可以根据自变量的变化预测因变量,如回归分析方法、系统动力学方法等;四是组合预测方法,主要是基于单种预测方法的局限性和近似性,通过对多种不同的预测方法进行适当组合(一般是线性加权),形成组合预测方法,以便综合利用各种预测方法所提供的信息,从而提高预测的精度和可靠度,如可以将定性预测方法与定性预测方法进行综合,定量预测方法与定量预测方法进行综合,以及定性预测方法与定量预测方法进行综合。
系统预测方法应遵循的理论包括以下两方面的内容[4,6,196,198]:一是预测对象所属学科领域的理论,这些理论主要用以揭示系统发展的规律、指导预测方法的选择和预测结果的分析检验评价,例如河道洪水期径流预测与枯水期径流预测所采用的预测方法可能明显不同;二是预测方法的理论,这些理论主要是数理统计理论、算法理论以及近年来兴起的一些智能性预测方法的理论等。一次成功的系统预测实践应当是充分、准确地利用预测对象发展的历史和现状资料信息,以及科学合理地选择预测方法。目前进行系统预测的基本理论依据主要有[3,128,196]:在系统发展变化过程中,系统内部要素之间、系统与环境之间具有关联性;系统发展的过去、现在和将来具有延续性;存在预测对象的相似对象;系统的未来发展具有不确定性,预测结果只是对系统未来发展各种可能性的估计;根据实际预测误差和反馈原理,可以不断修正预测结果。
预测对象不同或预测方法不同,预测的实施过程一般也会不同。从方法论的角度看,系统预测的一般步骤大致可以分为如下8步[3,4,128,196]:①确定预测对象和预测目标;②收集、分析资料和数据;③确定预测方法;④建立预测模型,确定模型的结构和参数;⑤利用预测模型进行预测;⑥根据模型的预测结果,对模型的合理性、模型的计算精度和模型的敏感性等进行分析和检验;⑦对预测结果进行修正、评定,确定最终的系统预测结果,作为决策依据;⑧根据预测的实际效果对以上步骤进行不断修改和完善,是一个多次迭代的过程。其中,建立系统预测模型是系统预测的核心工作。
由于受政治、社会、经济、技术、气象、地理等多方面因素的综合影响,水资源工程研究中的水资源系统,例如大型灌区水资源开发利用系统、城市供水系统、城市下水道系统、农田灌溉系统、防洪工程系统等,一般都是大规模复杂系统,对这些系统的准确而及时的预测具有重要的理论意义和工程价值[6]:①水资源系统预测是水资源系统决策的基础,系统预测的目的是为系统决策提供科学依据,增强系统决策的主动性,提高系统决策的效率;②水资源系统预测是水资源系统工程应用于具体水资源工程实践的最重要的方法之一,也是水资源系统工程中最易被实践检验是否准确的一类方法。例如,准确及时的洪水预测,可为防汛指挥决策提高科学依据,可以获得减免洪水灾害损失的巨大经济效益、社会效益和生态环境效益。
受天文因子、气候因子、水文气象因子、植被土壤因子、地貌因子、地质因子和人类活动因子等众多因子的综合影响,一个地区的水资源系统具有高维性、随机性、模糊性、混纯性等诸多复杂特征,水资源系统预测至今仍是自然科学和技术科学领域内的一项世界性难题,目前就国内外研究状况而言,该类研究仍处于积极探索和不断发展阶段。显然,水资源系统预测不仅与人类的生存和社会经济的发展密切相关,因而具有重大的实践价值,而且也是对当前科学技术的一种挑战,因而又显重要的理论意义。水资源系统预测涉及的内容十分广泛而复杂,对预测者的知识、经验和能力等在深度和广度方面都具有较高要求。可以说,没有实际水资源系统预测工作的感性认识和具体经验