一種基于博弈論的南水北調(diào)水資源調(diào)度方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于博弈論的南水北調(diào)水資源調(diào)度方法，在南水北調(diào)水資源調(diào)度過程中，南水北調(diào)辦及各省市用水者之間存在相互博弈，這些機構(gòu)通過博弈算法來分配水資源從而獲得最大效用，實現(xiàn)水資源的最優(yōu)利用。博弈算法包括分層博弈、序貫博弈和重復(fù)博弈三層次博弈。本發(fā)明基于博弈論的南水北調(diào)水資源調(diào)度算法能保證水資源調(diào)度的合理性，提高南水北調(diào)水資源的利用率。該算法簡潔，適用于南水北調(diào)各調(diào)水單位之間的多方博弈。
【專利說明】一種基于博弈論的南水北調(diào)水資源調(diào)度方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于博弈論的南水北調(diào)水資源調(diào)度方法，屬于水資源研究領(lǐng)域?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]南水北調(diào)工程是解決我國北方水資源嚴(yán)重短缺問題的重大戰(zhàn)略措施。根據(jù)國務(wù)院批準(zhǔn)的《南水北調(diào)工程總體規(guī)劃》，確定分別從長江下、中、上游向北方調(diào)水，形成南水北調(diào)東、中、西線三條調(diào)水線路，與長江、黃河、淮河和海河相互連接的“四橫三縱”總體格局。東線、中線、西線三項工程的年調(diào)水總規(guī)模約380~480億立方米，通過對水量跨流域重新調(diào)配，可協(xié)調(diào)東、中、西部社會經(jīng)濟發(fā)展對水資源需求關(guān)系，基本緩解我國北方地區(qū)水資源嚴(yán)重短缺狀況，達(dá)到我國水資源南北調(diào)配、東西互濟的優(yōu)化配置目標(biāo)。南水北調(diào)工程近期以解決城市用水為主，兼顧農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水。通水后，在保證城市發(fā)展需水量的同時，可逐步置換擠占農(nóng)業(yè)及生態(tài)用水，限制超采地下水、利用豐水年增加北調(diào)水量，恢復(fù)和改善地下水環(huán)境，增加農(nóng)業(yè)、生態(tài)用水量。南水北調(diào)規(guī)劃思路是在節(jié)水、治污的基礎(chǔ)上，通過合理水價向調(diào)水沿線供水，既促進(jìn)城市節(jié)水，又可以把當(dāng)前城市擠占農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水無償償還農(nóng)業(yè)和生態(tài)，客觀上起到城市反哺農(nóng)村，支持農(nóng)業(yè)，修復(fù)生態(tài)的作用。
[0003]南水北調(diào)工程建成后，工作重點由工程建設(shè)轉(zhuǎn)向工程管理，即要面臨一系列復(fù)雜的運行管理、水量調(diào)度等問題。南水北調(diào)東中線水源分別來自長江與丹江口水庫，受水區(qū)域為我國北方地區(qū)各省份，因此對寶貴的南水北調(diào)水資源進(jìn)行合理規(guī)劃與利用勢在必行。水資源配置具有自然和社會雙重屬性，并且配置工作面對的是多水源、多用戶的復(fù)雜系統(tǒng)。沿線各省市、各地區(qū)之間在用水?dāng)?shù)量、方式上既相互矛盾又相互制約；生活、生產(chǎn)、生態(tài)等各項用水效益最大目標(biāo)互不相容，一個目標(biāo)通常只有在削弱甚至犧牲另一些目標(biāo)的情況下才能實現(xiàn)；生成的配置方案反映對沿線各省市之間的影響，融入決策者意愿的綜合效應(yīng)以達(dá)到系統(tǒng)的最優(yōu)化。這類問題的主要特點是水資源利用管理的參與者眾多，這些參與者之間的沖突是傳統(tǒng)的流域水資源管理所無法解決的。
[0004]因此，需要一種良好的的南水北調(diào)水資源調(diào)度模型及算法來保證水資源調(diào)度的合理性，從而揭示水資源沖突的性質(zhì)、特征及協(xié)調(diào)解決的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于針對南水北調(diào)水資源調(diào)度問題，提供了一種基于博弈論的南水北調(diào)水資源調(diào)度方法。
[0006]技術(shù)方案:本發(fā)明所述的基于博弈論的南水北調(diào)水資源調(diào)度方法，包括如下步驟:
[0007]( I)初始化各參數(shù)變量；
[0008](2)設(shè)置預(yù)測機制；
[0009](3)對南水北調(diào)辦和各省市用水者進(jìn)行分層博弈，求解均衡值，實現(xiàn)對水資源的初次分配，完成第一層次博弈；[0010](4)設(shè)置激勵機制，為第二層次博弈進(jìn)行參量初始化；
[0011](5)各省市用水者進(jìn)行序貫博弈，求解均衡值，實現(xiàn)對水資源的再次分配，完成第二層次博弈；
[0012](6)重新設(shè)置參數(shù)與激勵機制，完成重復(fù)博弈，得到南水北調(diào)水資源調(diào)度的合理方法。
[0013]本發(fā)明方法中，水資源配置博弈均衡模型包括雙層博弈，序貫博弈，重復(fù)博弈三種博弈模型。
[0014]1、雙層博弈模型，亦即南水北調(diào)辦與各省市用水者之間存在著博弈關(guān)系；同時由于地理區(qū)位關(guān)系的影響，南水北調(diào)沿線用水省區(qū)之間也存在著博弈關(guān)系。
[0015]將雙層博弈思想運用于水資源調(diào)度算法中，其中博弈的兩個層次為管理者與用水者之間的博弈(LI)以及沿線各省市之間的博弈(L2)。在LI層次的博弈中，管理者總是力求調(diào)水利益最大化，以充分利用寶貴的水資源；在L2層次的博弈中，各省市之間根據(jù)自身利益選擇調(diào)水量與調(diào)水用途，各省市之間的博弈通過競爭達(dá)到平衡。在LI層次中，指定調(diào)水策略和水價時必須考慮L2層次的博弈平衡，把握好各省市用水之間的反應(yīng)以及能接受的最低水價，才能更好地指定和實施策略。雙層博弈的核心概念是“獲勝集合”，“獲勝集合”是指L2層各省市用水者對LI層指定的策略的贊同程度?！矮@勝集合”集合越大，表示各省市用水者越支持LI層的策略，該策略的實施也就越容易獲得成效；否則，策略失敗的風(fēng)險就越大。
[0016]運用雙層博弈理論，將水價和水資源分配策略的指定實施分為南水北調(diào)辦公室制定策略和各省市用水者貫徹策略的實施兩個過程。為了實現(xiàn)調(diào)水效益的最大化，同時保證水資源調(diào)度策略的順利實施，南水北調(diào)辦在制定策略的時候必須考慮到各省市用水者的利益，把各省市用水者之間的博弈平衡考慮進(jìn)去，從而逐步了解面對的“獲勝集合”。
[0017]2、序貫博弈模型，亦即各省市用水者前一階段的用水行動選擇決定了其隨后子博弈的結(jié)構(gòu)，從后一個決策結(jié)開始的子博弈不同于從前一個決策結(jié)開始的子博弈。
[0018]在南水北調(diào)東中線的調(diào)水過程中，上游各省市處于有利的地理位置，也可以根據(jù)來水量在允許本省市最大調(diào)水量為上限的范圍內(nèi)根據(jù)實際情況與綜合考慮自由選擇調(diào)水量，下游各省市處于調(diào)水末端，也可以根據(jù)來水量在允許本省市最大調(diào)水量為上限的范圍內(nèi)根據(jù)實際情況與綜合考慮自由選擇調(diào)水量。沿線下游省市的決定可以在其上游城市之后，因此可以構(gòu)成序貫博弈模型進(jìn)行分析。
[0019]3、重復(fù)博弈模型，是指同樣結(jié)構(gòu)的博弈重復(fù)許多次。亦即南水北調(diào)用水模式年復(fù)一年，同樣結(jié)構(gòu)的博弈可能重復(fù)多次，其中的每次博弈為一個階段博弈。在制度設(shè)計模型部分，辦事機構(gòu)與沿線不同省區(qū)之間通過一個具有較強約束力的協(xié)議一所有參與人能夠自主接受的有效制度發(fā)生效力。當(dāng)博弈只進(jìn)行一次時，每個參與人都只關(guān)心一次性的支付；如果博弈是重復(fù)多次的，參與人可能會為了長遠(yuǎn)利益而犧牲眼前的利益，從而選擇不同的均衡策略。因此，重復(fù)博弈的次數(shù)也會影響到博弈均衡的結(jié)果。
[0020]步驟(3)中，第一層次博弈模型中，博弈者為南水北調(diào)辦和各省市用水者；策略為





η
各省市用水者需要的水量Ci(i = L...!!);收益函數(shù)為
[0021]其中，η為各省市用水者的數(shù)量，Pi為各省市用水者購水價格。[0022]步驟(4)和(5)中，第二層次博弈模型中，博弈者為各省市用水者；策略為各省市用水者用于生活用戶、農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水的分配，Cil, Ci2, Ci3分別表示用水者i的生活用水量、農(nóng)業(yè)用水量、工業(yè)用水量；收益函數(shù)為:fi = h(aicn)+h(a2ci2)+h(a3ci3)，
[0023]其中，a1; a2，a3分別是生活用水、農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水的收益權(quán)重因子，h為各種用水量的收益函數(shù)。
[0024]步驟(5)中，序貫博弈模型中，博弈者為沿線各省市用水者；策略為下游城市的用水量是其所有上游各省市用水者的函數(shù)，記做Ci = g^,...,^);收益函數(shù)為:
/ = X HalCn) + Ka1Cr) + h(aX],)，
[0025]其中，a1; a2，a3分別是生活用水、農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水的收益權(quán)重因子，h為各種用水量的收益函數(shù)
[0026]步驟(6)中，重復(fù)博弈模型中，兼顧整個博弈過程中的總得益和平均得益情況；其中，總得益為博弈方各次重復(fù)得益的總和；平均得益為總得益除以重復(fù)次數(shù)。
[0027]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是:本發(fā)明基于博弈論的南水北調(diào)水資源調(diào)度方法能保證水資源調(diào)度的合理性，提高南水北調(diào)水資源的利用率。該方法簡潔，適用于南水北調(diào)調(diào)水各功能單位之間的多方博弈。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明基于博弈論的南水北調(diào)水資源調(diào)度方法流程圖。
【具體實施方式】
[0029]下面對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明的保護范圍不局限于所述實施例。
[0030]實施例1:本發(fā)明所述的基于博弈論的南水北調(diào)水資源調(diào)度方法，使用的博弈模型如下:
[0031](I)雙層博弈模型:
[0032]南水北調(diào)辦的問題是實現(xiàn)調(diào)水效益的最大化，假設(shè)水源地總庫容為Q，允許的最大調(diào)水量為Cniax，調(diào)水量為C。
[0033]L1層博弈模型為:
[0034]博弈者:南水北調(diào)辦和各省市用水者。
[0035]策略:各省市用水者需要的水量Q。


Π
[0036]收益函
i=l o
[0037]其中，Pi為各省市用水者購水價格，因為每個省市距離水源地的距離不同，供水成本不同，故調(diào)水價格也不同。
[0038]L2層博弈模型為:
[0039]博弈者:各省市用水者。
[0040]策略:各省市用水者用于生活用戶、農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水的分配。Cn，Ci2，Ci3分別表示用水者i的生活用水量、農(nóng)業(yè)用水量、工業(yè)用水量。[0041]收益函數(shù)-Ji= h Ca1Cil)+h(a2Ci2)+h(a3Ci3)。
[0042]其中，ai，a2，a3分別是生活用水、農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水的收益權(quán)重因子，對于每種用水方式，緊急情況與收益情況都有所不同，h為各種用水量的收益函數(shù)。
[0043](2)序貫博弈模型:
[0044]博弈者:沿線各省市用水者。
[0045]策略:下游城市的用水量是其所有上游各省市用水者的函數(shù)，記做
【權(quán)利要求】
1.一種基于博弈論的南水北調(diào)水資源調(diào)度方法，其特征在于包括如下步驟: (1)初始化各參數(shù)變量； (2)設(shè)置預(yù)測機制； (3)對南水北調(diào)辦和各省市用水者進(jìn)行分層博弈，求解均衡值，實現(xiàn)對水資源的初次分配，完成第一層次博弈； (4)設(shè)置激勵機制，為第二層次博弈進(jìn)行參量初始化； (5)各省市用水者進(jìn)行序貫博弈，求解均衡值，實現(xiàn)對水資源的再次分配，完成第二層次博弈； (6)重新設(shè)置參數(shù)與激勵機制，完成重復(fù)博弈，得到南水北調(diào)水資源調(diào)度的合理方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于博弈論的南水北調(diào)水資源調(diào)度方法，其特征在于:步驟(3)中，第一層次博弈模型中，博弈者為南水北調(diào)辦和各省市用水者；策略為各省市用水者



η需要的水量Ci (i=l…η);收益函數(shù)為
i=l ’ 其中，η為各省市用水者的數(shù)量，Pi為各省市用水者購水價格。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于博弈論的南水北調(diào)水資源調(diào)度方法，其特征在于:步驟(4)和(5)中，第二層次博弈模型中，博弈者為各省市用水者；策略為各省市用水者用于生活用戶、農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水的分配，Cil, Ci2, Ci3分別表示用水者i的生活用水量、農(nóng)業(yè)用水星、工業(yè)用水星；收￡3_函數(shù)為:fi = h(S1Cil)+h(a2Ci2)+h(a3Ci3)， 其中，a1; a2，a3分別是生活用水、農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水的收益權(quán)重因子，h為各種用水量的收益函數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于博弈論的南水北調(diào)水資源調(diào)度方法，其特征在于:步驟(5)中，序貫博弈模型中，博弈者為沿線各省市用水者；策略為下游城市的用水量是其所有上游各省市用水者的函數(shù)，記做Ci = g^,...,^);收益函數(shù)為:/ = X MC) + Ka2Cr) + HarCi,),
1=1 其中，a1; a2，a3分別是生活用水、農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水的收益權(quán)重因子，h為各種用水量的收益函數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于博弈論的南水北調(diào)水資源調(diào)度方法，其特征在于:步驟(6)中，重復(fù)博弈模型中，兼顧整個博弈過程中的總得益和平均得益情況；其中，總得益為博弈方各次重復(fù)得益的總和；平均得益為總得益除以重復(fù)次數(shù)。
【文檔編號】G06Q50/06GK103473718SQ201310440065
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月24日
【發(fā)明者】李旭杰, 孫穎, 李黎, 顧燕, 居美艷 申請人:河海大學(xué)