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水 利 学 报

2022 年 4 月 SHUILI XUEBAO 第 53 卷 第 4 期

文章编号：0559-9350（2022）04-0471-12

多级串联明渠调水工程多目标水位预测控制模型研究

孔令仲 ，雷晓辉 ，张 召 ，朱 杰 ，王 浩 3
1，2
3，4
3
5
（1. 扬州大学 水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009；2. 河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098；
3. 中国水利水电科学研究院 水资源研究所，北京 100038；4. 河北工程大学 水利水电学院，河北 邯郸 056038；
5. 北京工业大学 城市建设学部，北京 100124）
摘要：针对传统的明渠水位预测控制模型无法考虑闸门调控次数限制的问题，本文在以往的预测控制目标中加入
了流量调整惩罚量，构造了多目标渠池水位预测控制模型；并采用带有精英排序策略的遗传算法来进行复杂优化
问题的求解。将此模型应用于南水北调中线干线工程最后 6 级渠池的虚拟仿真模型中对模型可靠性进行分析，结
果表明在两种测试工况中，本文的多目标预测控制模型相比于传统预测控制模型，能在保持相似的水位控制效果
同时使得闸控次数降低 43%和 52%；而且采用遗传算法求解能考虑闸门死区带来的流量最小变幅约束问题，在需
要提前进行流量微调的情况下生成更加合理的调控方案。本文结果也表明，基于水位状态预测模型构造多目标预
测控制模型，并采用启发式算法进行优化问题求解，这一思路具有一定可行性。
关键词：渠道水位控制；预测控制；积分时滞模型；多目标优化；遗传算法
中图分类号：TV91 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20210836

1 研究背景

［1］
修建大型调水工程是解决水资源时空分布不均的重要手段 。因施工投资小、输水流量大、施工
维护便捷，明渠输水已成为大型调水工程的常用输水方式。明渠调水工程中以节制闸或泵站为调控
建筑物，这些调控建筑物将调水工程分隔成多个渠池，每个渠池可被看作一个上、下游水位不等的
水库。明渠渠池的水位与流量状态不能用水位-流量-蓄量关系描述，主要在于渠池的蓄水能力相对
较小，水面在流量扰动下变幅相对较大，调控过程中并不能将当前水位状态当作为稳定状态，还需
要考虑水位变化速率对未来状态的影响；而且明渠中的水位波动为重力波，其传播速度相对较慢，
调控设备的调控对控制点水位和流量的影响时滞较大，调控作用的后效性较为显著。明渠的水力控
制应当综合考虑以上水力特性，来确定调控设备的调控方案。明渠调水工程的水力控制目标主要以
［2］
安全控制和输水稳定控制为主 ，即控制河渠水位和输水流量在合理的范围；而在泵站作为主要调控
［3］
建筑物的明渠调水工程中，水力控制还需要考虑泵站运行效率的问题 。
在明渠调水工程的水力优化控制中，扰动的不确定性及水工建筑物的水力参数不确定性，导致
明渠的状态难以直接用仿真模型进行长序列精确预测，基于仿真模型一次离线优化得到的优化调
控策略可能无法在长时段内适用，因此长期有效的明渠调水工程水力优化控制应当是滚动的决策
优化 ［4］ 。预测控制正是这一类采用了滚动优化策略的控制算法，其在线反复进行优化计算，滚动实
［5］
施，使模型失配、畸变、扰动等引起的不确定性及时得到弥补，从而得到较好的动态控制性能 。在
明渠水力预测控制中，明渠状态的预测模型一般不直接采用由圣维南方程组构成的仿真模型，而是

收稿日期：2021-09-11；网络首发时间：2022-04-02
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网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20220331.1350.001.html
基金项目：国家自然科学基金项目（52009119，51779268）；江苏省高层次创新创业人才引进计划（JSSCBS20211027）
作者简介：孔令仲（1992-），讲师，主要从事水利工程实时控制研究。E-mail：lzkong@126.com
通讯作者：雷晓辉（1974-），教授级高级工程师，主要从事水文水资源研究。E-mail：lxh@iwhr.com
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