基于线性二次型的多级联输水渠道最优控制

灌溉输配水是水联网链路的重要环节,其自动控制水平直接影响着水联网效率和风险控制能力,对实现水资源高效管理与利用有重要意义。通过变化输水渠道线性积分时滞控制模型,建立了多级联渠道离散时间状态空间方程,基于线性二次型理论设计最优状态反馈控制器,利用MATLAB求解和SOBEK模拟进行了验证。在甘肃省昌马南灌区多级联渠道运行过程优化控制的模拟结果显示,线性二次型算法能够使控制点水位较快恢复并稳定在设定值,控制过程动作与水位波动次数少、幅度小,效果远优于常规分布式PI反馈控制。线性二次型算法能够应对多级联渠道时滞、耦合特性和一般未知取水扰动,实现可靠供水服务和有效运行控制。目前算法仅采用反馈控制,尚无法应对过大未知取水扰动,还有进一步改进空间。     

长距离自流型渠道输水控制的二步法研究

提出了一种针对自流型渠道输水的最优化控制的两步法。第一步是控制各闸站流量使渠段水位(或蓄水量)达到目标水位(或蓄水量),第二步是调整流量使渠段水位稳定。建立了使渠道内水流在最短时间内恢复到正常运行水位的最优渠道输水控制模型。构建了长距离渠道输水控制的一系列约束条件,包括渠道下游需水量约束、最高控制水位、水位最大容许下降速度、渠道容许过流能力、最少的开机次数等。提出了利用线性规划或将大系统分解为若干子系统求解的方法。算例结果表明,用传统的渠道控制方法需要几天才能使水位恢复到目标水位的渠道,用本优化方法控制,可以在几小时内使渠道水位达到目标水位并达到稳定。     

输水渠道线路优化与漫游数学家模型

在传统漫游数学家模型的基础上,以线路定性方案、渠段纵坡为决策变量,工程总投资为目标函数,考虑渠段线路状态转移和渠道首末水位约束,提出了阶段函数已知情况下的长距离输水渠道线路优化二维动态规划模型。实例证明该法对长距离输水渠道线路系统的优化比传统线路方法更优越。     

渠道非恒定流水力学响应研究

输水渠道中的水位将随流量的改变而产生波动,且由一种恒定流状态过渡到另一种恒定流状态需要经过一段稳定的时间。这一水力变化过程与渠道自身的结构特性、渠道运行方式的选择和流量变化的幅度、速率有关。通过对渠道中的非恒定流进行数值模拟,对不同情况下渠道的水力学响应进行了研究。     

渠道自动化控制系统及其运行设计

渠道运行控制系统可以根据渠道水位、流量等信息来提高渠道的运行效率,降低运行成本,提高水资源利用率。系统介绍了渠道运行方式和自动化控制的概念,扼要论述了近年来在长距离输水渠道运行方式和自动化控制方面的研究和相关成果,指出其中存在的问题和可能改进的途径。根据渠道运行控制系统多输入多输出、模型非线性、扰动随机性等特点,对控制解决方案进行了探讨,并在渠道运行方式选择、控制算法与闸门控制模式等方面指出了进一步的研究方向。     

三峡水库运行条件下金乐滑坡稳定性评价

三峡水库运行后,水库水位每年将在145m～162m～175m间波动,库水位的浸泡软化作用及水位升降引起的地下水位的波动将会降低库岸岩土体的抗剪强度,影响已有滑坡的稳定性.因此,在实际水库运行条件下滑坡的稳定性是目前迫切需要研究的重要课题.针对库区大型复杂滑坡——金乐滑坡,分析了该滑坡的工程地质条件和形成机制;建立了二维有限元计算模型并选择合理的岩土力学参数;利用英国帝国理工学院ICFEP有限元软件,依据水库实际运行曲线,在一年时间内分7种不同的模拟状态进行了模拟.结果表明:(1)金乐滑坡在天然状态下处于稳定状态;(2)库水位上升状态下,滑坡前缘稳定性较相应的稳定水位状态较好;(3)水位下降状态,滑坡前缘将出现破坏,特别是162m下降至145m时,滑坡前缘出现破坏,存在中前部渐进破坏的可能;(4)金乐滑坡变形破坏形式为牵引渐进式,在一个水位波动周期内不存在整体滑移的危险.建议对滑坡前缘进行治理.     

岩石蠕变试验中伺服试验机的控制性能

在本项研究中,调查了伺服试验机应用于蠕变试验时的控制性能。首先,假设一个线性岩石模型,从而验证、得到机械—岩石系统的特征方程式,并发现在一次和二次蠕变阶段,系统是稳定的,但在三次蠕变域系统是不稳定的。其次,因作者最近提出的非线性粘弹性模型,对三次蠕变域进行了计算机模拟实验。模拟实验结果总结如下: 1) 控制性能主要受实验的固有频率、伺服系统的放大和液压缸的控制。 2) Ⅱ组岩石的重蠕变曲线较Ⅰ组岩石的全蠕变曲线更易获得。最后,用稻田花岗岩、三城目安山岩和河津凝灰岩作为岩石样品,在单轴压缩条件下进行了蠕变实验。从而发现模拟实验结果与该实验结果是一致的。     

大型输水渠道闸前常水位的研究

南水北调中线输水渠道中,针对同时操作闸门是否仍能维持闸前水位为常值,模拟计算了同时改变渠首流量、闸门开度和分水口流量时渠道中的非恒定过渡过程。结果显示,中线主干渠中所有闸门开度不论是同时增加还是减小,渠道中的水流均需要很长时间才能达到新的恒定状态,且闸门开度减小比闸门开度增大所需的过渡时间要长很多。非恒定过渡过程中,闸前水位的变化幅度都较大,各闸前水位最终都能回复到初始时刻的水位。由于非恒定过渡过程时间很长,实际运行条件下,要实现闸前常水位运行方式还需要对闸门的调度方式做更多的研究。     

马尔可夫链模型在地下水水位预测中的应用

作者将鲁南地区一水文观测孔的９２次地下水水位月平均监测数据,划分了１０种状态范围,运用马尔可夫链模型,对未来地下水不位进行状态范围预测。在与实际监测资料进行对比的基础上,验证了马尔可夫链理论在地下水水位预测中的可行性及可靠性,并对运用中的具体问题进行了探讨。     

一维-二维耦合的河湖系统整体水动力模型

为对自然界中的复杂水流系统进行整体水动力数值模拟,建立了适用于河湖系统的一维-二维耦合模型.将河网计算中用于处理河段间耦合的汊点水位预测校正法应用到一维-二维耦合边界的处理中,即耦合边界水位预测校正法.该方法具有一维、二维模型计算完全独立,可有效利用现有模型的优点.与传统一维-二维耦合处理方法相比,耦合连接条件的满足程度较高且可通过对计算容差的调整进行有效控制.利用理想及实际例子进行了计算验证,结果表明该方法具有较好的实用性.     

有限供水条件下水库和田间配水整合优化调度

针对多水源多作物灌区,研究有限供水条件下灌区优化配水问题。模型中既考虑水库优化调度,又考虑田间优化配水。模型思路:根据灌区水土资源分布状况,将全灌区划分为多个子区,每个子区种植有若干种作物。如果把每个子区每种作物所在的田块看作一个土壤水库,则可采用水库群调度的方法研究这类灌区优化配水问题,文中采用的是优化控制方法。为了证明模型的正确性,同时建立了3个模型。模型1:既不考虑水库优化调度又不考虑田间优化配水;模型2:只考虑水库优化调度;模型3:只考虑田间优化配水。实例计算表明,整合调度模型能产生较多的效益(特别在干旱年份),优化控制方法计算性能良好。     

长江中下游江湖水沙调控数值模拟

以长江中下游防洪系统为对象,在大型复杂防洪系统洪水运动数值模拟基础上,成功地将面向长江中下游防洪规划论证需求的洪水演进数学模型转化为面向长江防洪系统江湖水沙调控需求的长江中下游江湖水沙调控数学模型.为适应江湖水沙调控和评估的要求,提出了基于水动力学的闸坝调度计算模式.此外,还对河网分汊泥沙分配模式进行了深入研究.通过长江中下游防洪规划及其洞庭湖区"控支强干"方案论证模拟计算,较好地解决了防洪措施蓄泄后效评估和工程优化调控模式等关键难题,为防洪规划方案的制定提供了定量依据,主要成果已应用于长江中下游防洪规划方案.     

长江中下游实时洪水预报模拟

以长江中下游防洪系统为对象,概述了在大型复杂防洪系统水沙运动数值模拟基础上,成功地将面向长江中下游防洪规划论证需求的水沙数学模型转化为面向长江防洪系统防汛方案评估需求的长江中下游实时洪水预报数学模型.为适应实时预报调度快速、准确评估的要求,提出了基于水动力学的循环滚动计算模式和实时校正模式.实现了水文学实时校正方法与水动力学数学模型的耦合,建立了基于水动力学的实时校正模式和分洪溃口洪水预报模式.通过长江中下游防汛期间的试运行,较好地解决了洪水预报误差校正和分洪溃口后洪水预报等关键难题,为防汛方案的制定和实时洪水调度方案优化提供了技术支撑,主要成果已应用于长江中下游防汛调度方案中.     

基于导电塑料传感器的连续测角系统设计

介绍了一种基于双联导电塑料传感器可连续测角的数据采集系统,理论角分辨率可达0.1?。系统主要由低功耗单片机、0功耗串口电路及显示部分组成。单片机控制自带ADC12模块进行数据采集,采集完毕即进入低功耗休眠状态,并可由定时中断唤醒。通过对双联导电塑料传感器进行双通道数据采集及算法设计,不仅避免了传统光电编码器存在体积、质量大,对灰尘,电磁环境等条件要求高的问题,而且解决了传统导电塑料传感器无法实现0?～360?连续测角的难题。该系统具有精度高、功耗低、体积小、扩展性强的特点,在工业控制、智能机器人和状态监测等领域的角位移量测量中有重要的应用价值。     

WebGIS在矿山地质环境监测预测中的应用

文章基于webGIs技术讨论矿山地质环境监测和预测工作,阐述了矿山地质环境监测和预测的四项原则：群防群治原则、信息公开原则、多手段多方法原则、沟通畅通原则。在四项原则的基础上,将矿山地质环境监测与预警系统分为四个模块三个层次。分别为：基础信息模块、监测模块、评估模块、预警模块,客户层、应用层和数据层。其中基础信息模块、监测模块组成WebGIS系统的数据层,评估模块为应用层,预警模块为客户层。四个模块相辅相成,三层结构相互配合,组成一套完整的webGIS管理系统。通过分析研究,完善了矿山地质环境监测和预测的理论和方法,该方法具有较好的应用前景。     

基于HyperSim的网格调度模拟

由于网格环境的复杂、动态和自治性等特点,研究网格任务调度算法时,高性能的网格模拟器是不可缺的。首先介绍了HyperSim(全数字实时仿真器)的特点,通过对比其它模拟器说明使用HyperSim的理由。然后,针对调度算法中最经典的Min-Min算法进行了分析,指出了该算法中存在的负载不平衡的缺点,并在该算法的基础上提出了一个改进的Divided-Min-Min算法。最后采用HyperSim对所提出的算法进行仿真,验证算法的合理性和高效性。     

大岗山水电站地下厂房区初始地应力场Nelder-Mead优化反演研究

初始地应力是大型地下洞室群设计与施工所要考虑的重要因素之一。结合大岗山水电站工程地质条件以及实测地应力资料,分析了地下厂房区初始地应力的影响因素,建立了基于侧压力系数的三维地应力反演模型,提出Nelder-Mead法与有限元联合反演法,将有限元程序作为一个单独模块嵌入到Nelder-Mead算法程序中,对建立的地质概化模型进行计算,以实测点地应力值与计算应力值建立精确罚函数误差模型,进行优化逼近分析。通过实测点的计算应力值与现场实测值的比较,从而获得地下厂房区初始地应力场较为合理的分布规律,为水电站开挖模拟及长期稳定性分析提供了合理的初始条件。     

基于变步长加速搜索的微震源定位方法

微震定位方法是微震监测技术的重要组成部分,其关键是定位震源位置。利用空间网格划分并计算网格交点目标函数值,对微震定位目标函数二维及三维空间分布进行了分析,并据此获取了目标函数连续且极小值唯一、单轴收敛范围逐步减小、各轴收敛范围不一的规律。利用以上规律及模式搜索法、网格搜索法的优缺点,探索出了基于连续比较模块、变步长模块、加速模块的变步长加速搜索法。通过模拟算例与工程数据下收敛稳定性、结果精确度、计算速度以及参数初始值影响程度4个指标的效果对比,结果表明：模拟算例下,对比模拟退火算法、遗传算法,变步长加速搜索法的目标函数值标准差、定位误差标准差、波速误差标准差均为0;该算法的定位误差平均值分别为其余二者的0.7%、1.9%;该算法的计算时间平均值分别为其余二者的6.9%、33.2%。该算法单独更改各参数对定位误差的影响在0.005～0.025 m之间;减小搜索步长下限可有效提高结果精确度,并增加相应的计算时间。在规定初至到时与目标函数模型及检波器位置坐标下,搜索算法对定位精度无实质影响。     

A real-time operation optimization model for flood management in river-reservoir systems

In this paper, a new methodology has been developed for real-time flood management in river-reservoir systems. This methodology is based upon combining a Genetic Algorithm (GA) reservoir operation optimization model for a cascade of two reservoirs, a hydraulic-based flood routing simulation model in downstream river system, a Geographical Information System (GIS) based database, and application of K-Nearest Neighbor (K-NN) algorithm for development of optimal operating rules. The GA optimization model estimates the optimal hourly reservoirs’ releases to minimize the flood damages in the downstream river. GIS tools have also been used for specifying different land-uses and damage functions in the downstream floodplain and it has been linked to the unsteady module of HEC-RAS flood routing model using Hec-GeoRAS module. An innovative approach has also been developed using K-NN algorithm to formulate the optimal operating rules for a system of two cascade reservoirs based on optimal releases obtained from the optimization model. During a flood event, the K-NN algorithm searches through the historical flood hydrographs and optimal reservoir storages determined by the optimization model to find similar situations. The similarity between the hydrographs is quantified based on the slopes of rising and falling limbs of inflow hydrographs and reservoir storages at the beginning of each hourly time step during the flood events for two cascade reservoirs. The developed methodology have been applied to the Bakhtiari and Dez River-Reservoir systems in southwest of Iran. The results show that the proposed models can be effectively used for flood management and real-time operation of cascade river-reservoir systems.     

Determining the uniqueness of best-fit trishear models

We show the application of a simulated annealing algorithm to trishear inverse modeling. The algorithm traverses the parameter space in search for best-fit models without being trapped in local minima, and thus sampling for more possible solutions globally. Simulated annealing is a robust and efficient technique to determine the uniqueness of best-fit trishear models; the spread of possible trishear models that can fit a structure. We first apply the algorithm to a decameter-size, contractional fault-propagation fold in west-central Taiwan, for which there is an exceptional exposure of pre-growth and growth strata. Simulated annealing shows that even for this complete fold dataset with low uncertainties, there is a range of models and fault slip/uplift histories that can fit the data, with the consequent implications for the assessment of seismic hazard. We then apply the algorithm to a kilometer-size, extensional fault-propagation fold, the Hadahid monocline, Gulf of Suez Rift, Egypt. In this monocline there is only surface coverage in the footwall anticline areas and the algorithm was used to delimit the range of possible models that can fit the data and their uncertainties, thus avoiding biases in the interpretation. Simulated annealing suggests that the along-strike structural variability of the monocline can result from along-strike variability in fault slip, fault propagation to fault slip ratio and depth of fault nucleation. Both examples illustrate the benefits of searching for a possible range of models rather than a precise best-fit model when modeling fault-propagation folds. In an attempt to understand which parameters control fault development, and also how the spread of possible solutions varies with fold growth, we apply the algorithm to four sequential stages of a published, analog clay model of an extensional forced fold. The inversions of the natural examples and the analog model suggest that the spread of the possible models is a manifestation of the data uncertainties, the suitability of the trishear model, fold evolution, and rock mechanical properties.