一種面向油田水資源系統(tǒng)的不確定性優(yōu)化配置方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種面向油田水資源系統(tǒng)的不確定性優(yōu)化配置方法，充分考慮水資源優(yōu)化配置系統(tǒng)的復雜性、不確定性、多層次性和互動性等特征，以油田受水區(qū)水資源利用經濟效益最大化及環(huán)境效益最大化為目標函數(shù)，考慮油田受水區(qū)供水量為隨機變量，多數(shù)參數(shù)和變量為區(qū)間數(shù)的情況，運用區(qū)間參數(shù)模糊De Novo規(guī)劃將用水資源在油田受水區(qū)m個地區(qū)的n個行業(yè)間進行優(yōu)化配置，通過將不確定性引入到模型及模型約束中去，使得模型在構建中設計最優(yōu)水資源配置系統(tǒng)有更大的靈活性，同時根據不同的預算水平，可以在不確定的條件下來分析不同情景的經濟效益水平，通過分析不同情景下的經濟效益水平可以為決策者提供技術支持和指導意見。
【專利說明】
一種面向油田水資源系統(tǒng)的不確定性優(yōu)化配置方法
技術領域
[0001 ]本發(fā)明屬于水資源保護和水資源管理領域，具體涉及一種面向油田水資源系統(tǒng)的 不確定性優(yōu)化配置方法。
【背景技術】
[0002] 當前的水資源優(yōu)化配置模型多為確定性模型，此類模型通常都將原優(yōu)化問題進行 了簡化或者忽略了系統(tǒng)內存在的不確定性因素。事實上，從系統(tǒng)的角度來分析，真實的水資 源配置系統(tǒng)是一個充滿眾多不確定性因素的，變化復雜的大系統(tǒng)。
[0003] 油田水資源優(yōu)化管理配置模型的目的是為了達到水資源量在時間、地區(qū)、部門的 最優(yōu)化配置，涉及多情景、多目標、多部門、多用戶間的水資源協(xié)調問題。
[0004] 模型參數(shù)是模型的外生變量，即模型的輸入，由資料的統(tǒng)計分析得出，變量則是模 型的內生變量和決策因子，由模型運行后求得。油田水資源優(yōu)化管理配置模型參數(shù)和變量 眾多，不確定性的表現(xiàn)形式更是復雜多樣。
[0005] 傳統(tǒng)的確定性水資源配置模型面對這些復雜的不確定性問題往往束手無策，或采 用簡化的方法加以處理，其結果必然增加了規(guī)劃模型失敗的風險。由于確定性模型在構建 之初便"丟失"了一部分系統(tǒng)信息，因而模型所得優(yōu)化結果的客觀性、準確性和科學性便必 然會受到質疑。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明主要解決的技術問題是提供一種面向油田水資源系統(tǒng)的不確定性優(yōu)化配 置方法，以獲得社會經濟效益最大化和生態(tài)環(huán)境效益最大化為目標，為油田水資源調配提 供決策，達到全面、有效管理油田水資源的目的。
[0007]為此，本發(fā)明提供了一種面向油田水資源系統(tǒng)的不確定性優(yōu)化配置方法，包括如 下步驟：
[0008] 步驟一:搜集油田水資源不確定參數(shù)，包括生產、生活、生態(tài)用水量變化，水電廠供 水能力、油田注水需求，農業(yè)灌溉用水；
[0009] 步驟二:將搜集的不確定參數(shù)進行科學表達，進行辨識模擬與評價；
[0010] 步驟三：在辨識模擬與評價的基礎上，通過不確定方法與De Novo規(guī)劃方法相結 合，選用優(yōu)化技術耦合方法，構建油田水資源優(yōu)化配置的綜合管理模型；
[0011] 步驟四：將油區(qū)城市供水區(qū)的生產、生活、生態(tài)用水量變化，水電廠供水能力、油田 注水需求，農業(yè)灌溉用水量引入步驟三的模型中，形成研究區(qū)油田水資源綜合管理的多種 組合方案；
[0012] 步驟五:通過步驟三中構建的模型，根據不同的預算水平，在不確定的條件下來分 析不同情景的經濟效益水平；
[0013] 步驟六:通過分析不同情景下的經濟效益水平為決策者提供技術支持和指導意 見。
[0014] 所述的步驟二中的科學表達是將步驟一中的不確定參數(shù)規(guī)劃為區(qū)間數(shù)。
[0015] 所述的步驟三中的不確定方法包括數(shù)學規(guī)劃方法和模糊數(shù)學規(guī)劃方法。
[0016] 所述的數(shù)學規(guī)劃方法，通過預算水平和最優(yōu)路徑率對非剛性政策約束條件進行構 建和優(yōu)化，并對部分工程的實施與否進行決策；
[0017]所述的模糊數(shù)學規(guī)劃方法，通過模糊規(guī)劃來考慮某些政策可能的變化以及決策層 偏好的模糊性。
[0018] 所述的步驟三中的構建的油田水資源優(yōu)化配置的綜合管理模型中包含多個約束 條件：可利用水資源量約束、水資源用戶最大水資源需求約束、水資源配置區(qū)域公平性約 束、特定區(qū)域配水優(yōu)先約束、生活用水優(yōu)先約束、水處理系統(tǒng)處理能力約束、最小生態(tài)需水 量約束和非負約束。
[0019] 所述的步驟三中的構建的油田水資源優(yōu)化配置的綜合管理模型如下表示：
[0020] max z' ~C!A"' (la)
[0021] s.t.
[0022] (lb)
[0023] p'b' $ B' (lc):
[0024] X±^〇 (Id)
[0025] 其中，分別是kX j維矩陣和iX j維矩陣;是管理決策變量向 量，f …，；[資源的單位價格向量，f j . ^是設計決策變 5 5 量，是給定的預算總額;zlPz+分別是目標期望水平的下限和上限。
[0026]所述的步驟三中的構建的油田水資源優(yōu)化配置的綜合管理模型如下表示：
[0027] max λ土 (2a)
[0028] s.t.
[0029] (:土父土 彡 ζ-+λ±(ζ+-ζ-) (2b)
[0030] p±b±^B+-A±(B +-Bl (2c)
[0031] (2d)
[0032] X±^〇 (2e)
[0033] 〇 彡 (2f)
[0034] 其中，C±eRkx^A±eRl~分別是!^」維矩陣和 iXj維矩陣；z-和z+分別是目標期 望水平的下限和上限;xf是管理決策變量向量，〇.? ±是1資源的單位價格 向量y = ·…λ1 ；) ;b±是設計決策變量，是給定的預算總額;λ±是控制變量，它表示 模糊目標和/或約束的滿意度，當接近1時，則說明在有利的條件下滿足約束/目標的可能 性很高;反之，當λ±接近0時，可以得到一個解，且在苛刻條件下滿足約束/目標的可能性很 低。
[0035] 所述的步驟四中的所形成的多種組合方案為油田受水區(qū)水資源利用經濟效益最 大化及環(huán)境效益最大化的目標函數(shù);步驟五中的不同的預算水平為油區(qū)城市供水區(qū)的生 產、生活、生態(tài)用水量變化，水電廠供水能力、油田注水需求，農業(yè)灌溉用水量。
[0036] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的這種面向油田水資源系統(tǒng)的不確定性優(yōu)化配置方 法，充分考慮水資源優(yōu)化配置系統(tǒng)的復雜性、不確定性、多層次性和互動性等特征，區(qū)間參 數(shù)模糊De Novo規(guī)劃模型是將區(qū)間參數(shù)規(guī)劃以及模糊集的概念引入到De Novo規(guī)劃模型中 去。通過將不確定性（區(qū)間參數(shù)及模糊集）引入到模型及模型約束中去，使得模型在構建中 設計最優(yōu)水資源配置系統(tǒng)有更大的靈活性，同時根據不同的預算水平，可以在不確定的條 件下來分析不同情景的經濟效益水平。通過分析不同情景下的經濟效益水平可以為決策者 提供技術支持和指導意見。
【具體實施方式】
[0037]本實施例提供一種面向油田水資源系統(tǒng)的不確定性優(yōu)化配置方法，包括如下步 驟：
[0038]步驟一:搜集油田水資源不確定參數(shù)，包括生產、生活、生態(tài)用水量變化，水電廠供 水能力、油田注水需求，農業(yè)灌溉用水；
[0039]步驟二:將搜集的不確定參數(shù)進行科學表達，進行辨識模擬與評價；
[0040]步驟三：在辨識模擬與評價的基礎上，通過不確定方法與De Novo規(guī)劃方法相結 合，選用優(yōu)化技術耦合方法，構建油田水資源優(yōu)化配置的綜合管理模型；
[0041]步驟四：將油區(qū)城市供水區(qū)的生產、生活、生態(tài)用水量變化，水電廠供水能力、油田 注水需求，農業(yè)灌溉用水量引入步驟三的模型中，形成研究區(qū)油田水資源綜合管理的多種 組合方案；
[0042]步驟五:通過步驟三中構建的模型，根據不同的預算水平，在不確定的條件下來分 析不同情景的經濟效益水平；
[0043] 步驟六:通過分析不同情景下的經濟效益水平為決策者提供技術支持和指導意 見。
[0044] 步驟二中的科學表達是將步驟一中的不確定參數(shù)規(guī)劃為區(qū)間數(shù)。
[0045] 步驟三中的不確定方法包括數(shù)學規(guī)劃方法和模糊數(shù)學規(guī)劃方法。
[0046] 所述的數(shù)學規(guī)劃方法，通過預算水平和最優(yōu)路徑率對非剛性政策約束條件進行構 建和優(yōu)化，并對部分工程的實施與否進行決策；
[0047] 所述的模糊數(shù)學規(guī)劃方法，通過模糊規(guī)劃來考慮某些政策可能的變化以及決策層 偏好的模糊性。
[0048]步驟三中的構建的油田水資源優(yōu)化配置的綜合管理模型中包含多個約束條件:可 利用水資源量約束、水資源用戶最大水資源需求約束、水資源配置區(qū)域公平性約束、特定區(qū) 域配水優(yōu)先約束、生活用水優(yōu)先約束、水處理系統(tǒng)處理能力約束、最小生態(tài)需水量約束和非 負約束。
[0049]步驟三中的構建的油田水資源優(yōu)化配置的綜合管理模型如下表示：
[0050] max' z* = (la)
[0051] s.t.
[0052] (lb)
[0053] p'b' ^ B' Ml;
[0054] X±^〇 (Id)
[0055] 其中，分別是kX j維矩陣和iX j維矩陣;是管理決策變量向 量，夂1 = ?·?…，4 ^是i資源的單位價格向量，/^ = (ΡΓ，朽…/V). P是設計決策變 5 .，. 量，是給定的預算總額;zlPz+分別是目標期望水平的下限和上限。
[0056] 決策者可以設計一個期望水平(z，，和一個容許區(qū)間（ΔΖ = Ζ+-Ζ-)來實現(xiàn)他們所 想達到的目標，并且每一個約束都可以被設為一個模糊集。因此，為了更好地緊密結合模糊 目標和約束，以及存在的不確定性，模型（1)可轉換成下列形式：
[0057] max λ* (2a)
[0058] s.t.
[0059] (:土父土 彡 z-+λ±(ζ+-ζ-) (2b)
[0060] 口氣土 彡 Β+-λ^Β.-Β-) (2c)
[0061] (2d)
[0062] χ±^〇 (2e)
[0063] 〇 彡 (2f)
[0064] 其中，C±eRkx#PA±eRl~分別是讓心維矩陣和維矩陣；和 ζ+分別是目標期 望水平的下限和上限#是管理決策變量向量，^(?^^…，.^^是憤源的單位價格 向量，…，片).0是設計決策變量，是給定的預算總額;λ±是控制變量，它表示 ， 模糊目標和/或約束的滿意度，當接近1時，則說明在有利的條件下滿足約束/目標的可能 性很高;反之，當λ±接近0時，可以得到一個解，且在苛刻條件下滿足約束/目標的可能性很 低。
[0065] 模型(2)可以解決區(qū)間和模糊集的不確定性。這些定義非常重要，因為在區(qū)間模糊 De Novo規(guī)劃模型中，有兩種決策變量，一個是設計決策變量，另一個是管理決策變量。
[0066] 步驟四中的所形成的多種組合方案為油田受水區(qū)水資源利用經濟效益最大化及 環(huán)境效益最大化的目標函數(shù);步驟五中的不同的預算水平為油區(qū)城市供水區(qū)的生產、生活、 生態(tài)用水量變化，水電廠供水能力、油田注水需求，農業(yè)灌溉用水量。
[0067] 實施例2:
[0068]本實施例給出一種具體優(yōu)化配置過程：
[0069] (1)研究對象
[0070]油田受水區(qū)m個地區(qū)（或城市）的水資源優(yōu)化配置。
[0071] (2)模型設計
[0072]考慮油田受水區(qū)供水量為隨機變量，多數(shù)參數(shù)和變量為區(qū)間數(shù)的情況下，運用區(qū) 間參數(shù)模糊De Novo規(guī)劃將用水資源在油田受水區(qū)m個地區(qū)（或城市）的η個行業(yè)間進行優(yōu)化 配置，通過預算水平和最優(yōu)路徑率對某些非剛性政策約束條件進行構建和優(yōu)化，并對部分 工程的實施與否進行決策。同時通過模糊規(guī)劃來考慮某些政策可能的變化以及決策層偏好 的模糊性。
[0073] (3)目標函數(shù)
[0074]油田受水區(qū)水資源利用經濟效益最大化及環(huán)境效益最大化。
[0075] (4)約束條件
[0076]可利用水資源量約束
[0077]水資源用戶最大水資源需求約束；
[0078] 水資源配置區(qū)域公平性約束；
[0079]特定區(qū)域配水優(yōu)先約束；
[0080]生活用水優(yōu)先約束；
[00811水處理系統(tǒng)處理能力約束；
[0082]最小生態(tài)需水量約束；
[0083]非負約束；
[0084]其它約束。
[0085] (5)單目標或多目標的區(qū)間模糊De Novo規(guī)劃最優(yōu)系統(tǒng)設計模型如下表示：
[0086] max z1 ^C1 Λ'1 (la)
[0087] s.t.
[0088] (lb)
[0089] ph' ^ B' 〇c)
[0090] X±^〇 (Id)
[0091] 為了更好地緊密結合模糊目標和約束，以及存在的不確定性，模型（1)可轉換成下 列形式：
[0092] max λ土 (2a)
[0093] s.t.
[0094] 彡 ζ-+λ±(ζ+-ζ-) (2b)
[0095] p±b±^B+-A±(B +-Bl (2c)
[0096] (2d)
[0097] X±^〇 (2e)
[0098] 〇 彡 (2f)
[0099] 根據區(qū)間規(guī)劃求解方式，可以將上面提到的模型（2)進一步轉化為兩個確定性子 模型進行求解，具體形式如下：
[0100] max 入+ (3a)
[0101] s.t.
[0105] .V； > 0, Vj "）
[0106] 〇 彡 λ+彡 1 (3f)
[0107]其中，<，勺，<和λ+的解可以通過子模型（7)得出。那么，亞最優(yōu)子模型可以表示 為如下形式：
[0114]對模型⑷進行求解，可以得出W，V，V和Υ，其中：
[0117]根據上面的解，可以得到具體模型如下所示：
[0118] max λ- (6a)
[0119] s.t.
[0123] z； < "'ζ\, Vk (6e)
[0124] .vj > 0, V/ (61)
[0125] Ο^λ^Ι (6g)
[0126] 其中Λ，<，（和^可以通過模型（6)求得。相似的，其亞最優(yōu)子模型可表示為如 下形式：
[0127] max*A- (7a)
[0128] s.t.
[0138] 因此，模型的最優(yōu)解為：
[0139] =[x_，x二]
[0140] 〇['，又:]
[0141] 4=[z_，z;]
[0142] Kpt^[b；p"b：pt~\
[0143] 在模型的實際應用中，擬將生產、生活、生態(tài)用水量變化，水電廠供水能力、油田注 水需求，農業(yè)灌溉用水等作為情景分析條件，形成研究區(qū)油田水資源綜合管理的多種組合 方案。在生產、生活和生態(tài)用水的最優(yōu)目標下，通過油田水資源合理分配，確定研究油田生 產用水、生活用水、生態(tài)用水等要素的總量控制目標，建立基于整體的水資源配置模式，尋 求最佳的配水方案，以獲得社會經濟效益的最大化和生態(tài)環(huán)境效益的最大化。
[0144] 以上例舉僅僅是對本發(fā)明的舉例說明，并不構成對本發(fā)明的保護范圍的限制，凡 是與本發(fā)明相同或相似的設計均屬于本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種面向油田水資源系統(tǒng)的不確定性優(yōu)化配置方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟一:捜集油田水資源不確定參數(shù)，包括生產、生活、生態(tài)用水量變化，水電廠供水能 力、油田注水需求，農業(yè)灌概用水； 步驟二:將捜集的不確定參數(shù)進行科學表達，進行辨識模擬與評價； 步驟Ξ:在辨識模擬與評價的基礎上，通過不確定方法與De Novo規(guī)劃方法相結合，選 用優(yōu)化技術禪合方法，構建油田水資源優(yōu)化配置的綜合管理模型； 步驟四：將油區(qū)城市供水區(qū)的生產、生活、生態(tài)用水量變化，水電廠供水能力、油田注水 需求，農業(yè)灌概用水量引入步驟Ξ的模型中，形成研究區(qū)油田水資源綜合管理的多種組合 方案； 步驟五:通過步驟Ξ中構建的模型，根據不同的預算水平，在不確定的條件下來分析不 同情景的經濟效益水平； 步驟六:通過分析不同情景下的經濟效益水平為決策者提供技術支持和指導意見。2. 如權利要求1所述的面向油田水資源系統(tǒng)的不確定性優(yōu)化配置方法，其特征在于:所 述的步驟二中的科學表達是將步驟一中的不確定參數(shù)規(guī)劃為區(qū)間數(shù)。3. 如權利要求1所述的面向油田水資源系統(tǒng)的不確定性優(yōu)化配置方法，其特征在于:所 述的步驟Ξ中的不確定方法包括數(shù)學規(guī)劃方法和模糊數(shù)學規(guī)劃方法。4. 如權利要求3所述的面向油田水資源系統(tǒng)的不確定性優(yōu)化配置方法，其特征在于:所 述的數(shù)學規(guī)劃方法，通過預算水平和最優(yōu)路徑率對非剛性政策約束條件進行構建和優(yōu)化， 并對部分工程的實施與否進行決策； 所述的模糊數(shù)學規(guī)劃方法，通過模糊規(guī)劃來考慮某些政策可能的變化W及決策層偏好 的模糊性。5. 如權利要求1所述的面向油田水資源系統(tǒng)的不確定性優(yōu)化配置方法，其特征在于:所 述的步驟Ξ中的構建的油田水資源優(yōu)化配置的綜合管理模型中包含多個約束條件:可利用 水資源量約束、水資源用戶最大水資源需求約束、水資源配置區(qū)域公平性約束、特定區(qū)域配 水優(yōu)先約束、生活用水優(yōu)先約束、水處理系統(tǒng)處理能力約束、最小生態(tài)需水量約束和非負約 束。6. 如權利要求1所述的面向油田水資源系統(tǒng)的不確定性優(yōu)化配置方法，其特征在于:所 述的步驟Ξ中的構建的油田水資源優(yōu)化配置的綜合管理模型如下表示：其中，分別是kXj維矩陣和iXj維矩陣;乂±是管理決策變量向量， 義'=片，.盡…巧).口±是1資源的單位價格向量，二(化，技...，睞)..b±是設計決策變量，B± 9 '， 是給定的預算總額;和Z+分別是目標期望水平的下限和上限。7. 如權利要求1所述的面向油田水資源系統(tǒng)的不確定性優(yōu)化配置方法，其特征在于:所 述的步驟Ξ中的構建的油田水資源優(yōu)化配置的綜合管理模型如下表示：其中，分別是kXj維矩陣和iXj維矩陣；z啼z+分別是目標期望水 平的下限和上限;X±是管理決策變量向量，義+=(奇·為，...，<) .口±是1資源的單位價格向量， / =(片，.·.，片；).4±是設計決策變量，護是給定的預算總額;λ±是控制變量，它表示模糊 目標和/或約束的滿意度，當λ±接近1時，則說明在有利的條件下滿足約束/目標的可能性很 高;反之，當λ±接近加寸，可W得到一個解，且在苛刻條件下滿足約束/目標的可能性很低。8.如權利要求1所述的面向油田水資源系統(tǒng)的不確定性優(yōu)化配置方法，其特征在于:所 述的步驟四中的所形成的多種組合方案為油田受水區(qū)水資源利用經濟效益最大化及環(huán)境 效益最大化的目標函數(shù);步驟五中的不同的預算水平為油區(qū)城市供水區(qū)的生產、生活、生態(tài) 用水量變化，水電廠供水能力、油田注水需求，農業(yè)灌概用水量。
【文檔編號】G06Q10/04GK106096759SQ201610382356
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月1日 公開號201610382356.5, CN 106096759 A, CN 106096759A, CN 201610382356, CN-A-106096759, CN106096759 A, CN106096759A, CN201610382356, CN201610382356.5
【發(fā)明人】苗得雨, 朱妍, 張璇, 楊琴, 趙敏, 張海玲, 任鵬, 蔣繼輝, 劉沛華, 劉寧
【申請人】中國石油天然氣股份有限公司