Управление водохранилищами ГЭС на основе теории информации

В области водохранилищ и водохозяйственных систем в последнее десятилетие особенно актуальными и, можно сказать, решающими стали проблемы их управления. Во многих странах, в том числе развитых и развивающихся, еще предполагается дальнейшее развитие строительства водохранилищ и их систем для разных целей, но в большинстве из них строительство этих объектов, по всей вероятности, приближается к завершению, и вместо задач по проектированию водохранилищ и их систем придется все больше решать задачи по их управлению.

В связи с этим обстоятельством возникают новые проблемы и задачи теории водохранилищ или вообще водного хозяйтсва и гидротехники. Новые теоретические модели и практические подходы строятся опять-таки на основах теории вероятности, математической статистики, теории случайных процессов и системных теорий. Однако, кроме перечисленных, начали развиваться другие, до сих пор нетрадиционные подходы и методы, основанные, например, на кибернетике, теории информации, теории принятия решений, экспертных системах, искусственном интеллекте и т. д.

1.1 Обоснование диссертации с точки зрения научной квалификации автора и с особым вниманием к научным контактам с Российской Федерацией.

Автор предлагаемой диссертации считает своей объязанностью в связи с указанньпми общими проблемами и с разрабатываемой темой привести в самом начале некоторые сведения о:

• своем научном намерении,.

• применении подходов и методов российских (или советских) авторов и ученых,.

• общих возможностях теории информации,.

• общих возможностях понятия энтропии,.

• преимуществах метода энтропии перед существующими методами и в связи с тем о значени применения понятия энтропии с точки зрения инженерного дела, а также о.

• совместном интернациональном характере работы и о.

• публикациях автора диссертации в российских (или советских) сборниках и журналах.

Научное намерение автора. Научным намерением автора в последние два десятилетия было изучить методы и математические модели управления водохранилищами и водохозяйственными системами (включая водохранилища ГЭС и их каскады) в реальном времени, основанные на теории адаптивных систем и моделей и их модификаций. Разработке этих научных проблем была посвящена его кандидатская диссертация (1977г.), а также диссертации на соискание ученого звания доцент (1990г.). Проблем оперативного управления водными ресурсами и его оптимизации касается также настоящая диссертация. Она исходит непосредственно из результатов сопоставительных комплексных исследований автора, которые были проведены в основном в научной группе проф. К. Нахазела в ЧТУ. Предлагаемая диссертация основана на многочисленных публикациях, причем некоторые были опубликованы также на русском языке. Предыдущие обширные результаты по оптимизации управления водохранилищами и связанные с ними исследования в диссертации больше не приводятся. В ней дано более детальное описание лишь проблемы применения теории информации и в особенности понятия энтропии, которое рассматривается как целесообразный и эффективный, для данной цели пока непримененный показатель успешности управления водными ресурсами или гидроэнергетическими водохранилищами и их каскадами.

Применение методов и подходов российких (или советских) авторов. Все рассмотренные исследования и их результаты основаны последовательно на теории вероятности и теории случайных процессов и их приложений в гидрологии, водном хозяйстве, гидротехнике, или гидроэнергетике в том понимании, которое было чрезвычайно широко распространено в советской или российской науке. Научные и технические работы КРИЦКОГО, МЕНКЕЛЯ, РЕЗНИКОВСКОГО, ВЕЛИКАНОВА, КОСТИНОЙ, РУБИНШТЕЙНА, АВАКЯНА, АЛЕКСЕЕВА, АЛЕКСАНДРОВСКОГО, АСАРИНА, БУСЛЕНКО, ВЕНТЦЕЛЯ, ОБРЕЗКОВА, СВАНИДЗЕ, КАРТВЕЛИШВИЛИ, ПЛЕШКОВА, РОЖДЕСТВЕНСКОГО, ЧЕБОТАРЕВА, ЦВЕТКОВА, ШИКЛОМАНОВА, ЩАВЕЛЕВА и других нашли свое отражение в развитии чешской водохозяйственной науки. Автор настоящей диссертации ими разработанными методами и их результатами воспользовался неоднократно в своих работах.

Типичным для российской (или советской) водохозяйственной, гидротехнической и гидроэнергетической науки все еще является кроме прочего развитие количественных методов на фоне охраны окружающей среды и экологии. Поэтому также предлагаемая диссертация разработана на том же фоне, с включением новых методов, подходов и новых парадигм. Автор считает такой энвиронментальный подход необходимым, неизбежным, вследствие чего ему уделяет в тексте диссертации надлежащее место. При этом, энвиронментальная проблема рассматривается как более общее понятие, чем экологическая.

Теория информации. Теория информации предоставляет привлекательные и полезные методы для решения выдвинутых проблем в области регулирования речного стока и управления водохранилищами, ГЭС и водохозяйственными системами. Теория информации принадлежит к самым значительным достижениям науки последнего пятидесятилетия. Ее возникновение и развитие тесно связано с результатами исследований Ц.Э.ШАННОНА, который впервые в 1948 г. опубликовал основную работу по математической теории коммуникации. ШАННОН ввел в эту теорию понятия энтропии, количества информации и скорости переноса сообщений.

Независимо от него, в том же 1948 году, опубликовал Н. ВИНЕР книгу о кибернетике, в которой он определяет меру количества информации аналогичным путем.

Можно сказать, что изобретения ШАННОНА принесли очень ценные и в определенном смысле удивительные результаты. Он доказал, что для измерения количества информации, содержимой в качественно различных типах передачи информации, можно пользоваться с равным успехом одной и той же мерой (критерием). Дальше он показал, что в каналах передачи информации можно с достаточно малой вероятностью ошибок переносить информацию без существенного понижения скорости передачи. Работы ШАННОНА и его сотрудников были направлены на практические приложения. В математическое обоснование новой теории информации значительный вклад внесли работы математика А.Я. ХИНЧИНА. Теорию информации можно считать частью кибернетики, а также частью теории вероятности. Ее приложения постепенно расширились из радиотехники также в другие области техники, в лингвистические, биологические и генетические науки, в неврологию и даже в эстетику, и другие науки.

В общей теории информации самыми важными являются вопросы, касающиеся:

— внедрения меры количества информации,.

— кодирования и декодирования сообщений и.

— передачи сообщений.

С приложениями в диссертации связан первый из указанных вопросов. Его решение стремится к внедрению понятия энтропии в такие приложения.

Энтропия. Энтропия является мерой неопределенности. Перед осуществлением определенного опыта (первоначально в передаче информации) нам точно неизвестно, какого значения исследованная случайная величина достигнет. Эту неопределенность во многих приложениях необходимо или полезно определить. Именно для такой цели вводится понятие энтропии.

Понятие энтропии имеет в сущности пять значений:

— математическое,.

— физическое (термодинамическое),.

— биологическое,.

— экологическое и.

— собственное — в теории информации.

Математически можно с помощью энтропии измерять степень неопределенности случайного эксперимента в теории вероятности.

Физически она представляет величину, которая выражает направление энергетических перемен исследованной системы и выражает стремление системы переходить из менее вероятных (более упорядоченных) состояний в более вероятно реализуемые (менее упорядоченные) состояния. Энтропия является мерой неупорядоченности системы (с точки зрения положения числа или скоростей частиц системы, с точки зрения распределения температуры в теле и т. п.). Она была первоначально внедрена в термодинамике.

Биологическое представление выражает в более широком смысле меру неупорядоченности биологической системы, рост которой выражает переход от организованных (менее вероятных) состояний и форм жизни к хаотическим (с высокой вероятностью самосоздания).

Экологическое значение энтропии состоит в определении меры снижения энергии в живых системах из концентрированной формы в рассеянную по второму закону термодинамики. Экологические системы с каждой переменой теряют часть своей энергии, но сохраняются в состоянии высокой упорядоченности, или же низкой энтропии.

Собственное значение понятия энтропии в теории информации в качестве нумерического выражения количества информации мы уже выше объяснили.

Преимущество метода энтропии перед существующими методами и инженерное значение понятия энтропии. Использованные принципы теории информации оказались весьма пригодным аппаратом в теории управления водохранилищами и водохозяйственными системами. В соответствии с этим был разработан интердисциплинарный подход с конкретными приложениями теории информации, что представляет собой общенаучный вклад диссертации. Эффекты или последствия управления водохранилищами и их системами до сих пор оценивались с некоторых точек зрения несовершенными техническими или экономическими (а зачастую псевдоэкономическими) критериями. Оценка с помощью понятия энтропии дает возможность более объективного, в общем смысле, безразмерного, квантифицированного рассмотрения эффектов или последствий управления. В том можно видеть инженерное значение диссертации. В случаях, когда вообще невозможно применить критерии управления и целевые функции, выраженные в простых технических или напр. финансовых единицах, применение энтропии в качестве критерия успешности управления водохранилищем является возможным выходом из положения. В этом состоит практическое значение решаемой темы.

Энтропия в качестве критерия успешности управления была применена в работах, занимающихся управлением отдельными водохранилищами или их системами (каскадами) на территории Чешской Республики и Словакии (на гидроузлах в бассейнах рек Влтавы, Одры и Вага), часть которых была выполнена по заказу предприятия Управления бассейном реки Одры в 1990;96 гг. для построения диспетчерской системы в этом бассейне.

Важнейшие рабочие гипотезы диссертации. Они будут подробнее рассмотрены в гл. 2 и 3 и в методических частях гл. 4 — 6. Здесь следует лишь привести, что главной методической гипотезой является подтверждение, что правильное и целесообразное (оптимизированное) управление водохранилищами, ГЭС и их системами желаемым способом повышает упорядоченность, или же понижает неупорядоченность функции этих объектов. Для характеристики меры упорядоченности был внедрен новый показатель — энтропия, до сих пор успешно применяемый в теории информации, в физике, теории вероятности, биологии и экологии. Целью диссертации является также подтвердить, что это упорядочение при правильном и целесообразном управлении протекает подобным образом в общих стохастических условиях, характерных для гидрологических процессов стока.

С точки зрения практического — инженерного — значения в диссертации проверяется гипотеза о том, что понятие энтропии (в форме общепринятой в теории информации или в физике) можно применить в качестве критерия оптимизации (целевой функции) в случае, если его невозможно выразить в более удобных квантифицированных единицах (напр. технических или финансовых — денежных).

Совместный интернациональный характер работы. Тема диссертации касается водохозяйственных, гидротехнических и гидроэнергетических проблем, которые являются актуальными не только на территории Чешской Республики, но и в большинстве других стран, в которых активно используются для хозяйственных целей водохранилища и ГЭС, в том числе и на территории Российской Федерации. Поэтому рассматриваемая проблема имеет совместный интернациональный характер. При разработке отдельных проблем автор диссертации сотрудничал с несколькими российскими вузовскими и научными организациями и учреждениями. К ним относятся:

— Санкт-Петербургский государственный технический университет,.

— Московский энергетический институт,.

— Институт водных проблем Российской академии наук.

На Украине автор сотрудничал с Одесским гидрометеорологическим институтом.

Активные формы сотрудничества были разные: совместные научно-исследовательские работы, публикации, подготовка совместных межвузовских сборников трудов и обучение. В 1992 г. автор диссертации прочитал две лекции для студентов на Гидротехническом факультете Санкт-Петербургского государственного технического университета и консультировал научных аспирантов. В 1989 г. давал консультации дипломанту в ОГМИ в Одессе и в 1990 г. принимал на ЧТУ в Праге дипломанта из ОГМИ, который в Праге окончил разработку своей дипломной работы по управлению водохранилищами. Кроме того, неоднократно руководил группами в обменах студентами и в студенческих практиках между СПбГТУ и ЧТУ в 1971 — 1988 гг. В рамках всех этих мероприятий возникли и развивались тесные личные научно-технические контакты автора с российскими организациями и сотрудниками.

Публикации автора в российских (или, советских) сборниках и журналах. Из работ автора, опубликованых в российских журналах и сборниках можно напомнить работу, касающуюся влияния условий окружающей среды на выбор параметров водохранилищ (1978г.), выбор режима регулирования стока в системе водохранилищ на основе динамического программирования (1984г. — с К. Нахазелом и А. Прохазкой), по мультикритериальной экспертной оценке вариантов ГАЭС (1989 — с Л. Вотру бой), по риску при оперативном управлении водохранилищами (1991 — с К. Нахазелом) и экологическому обоснованию гидроэнергетических объектов (1992 — с Л. Вотрубой). Автор диссертации был соавтором монографии &bdquo-Проектирование водохозяйственных систем", которая была переведена на английский язык (изд. Эльсевиер в 1988 г.) и на русский язык (изд. Стройиздат в 1984 г.). В комиссии по влиянию водохранилищ на гидрологический режим Международной гидрологической программы ЮНЕСКО (региональное сотрудничество среднеевропейских стран) в 1983 -1991 гг. тесно сотрудничал с российскими учеными и является одним из трех авторов методического пособия по образованию и развитию ледовых явлений и процессов в водохранилищах и нижних бьефах (1991 г.). Кроме того, опубликовал работы и прочитал лекцию на русском языке по проблемам оптимизации водохранилищ в Болгарии (1988, 1992) в рамках плодотворного научного сотрудничества с Институтом водных проблем Болгарской академии наук.

6.5 Результаты исследования качества управления типа и с обучением с помощью энтропии.

Каждое управление представляет с точки зрения теории информации использование определенного объема информации, которое проявляется упорядочением системы. Управление отличается повышением меры упорядочения системы, которое можно выразить понижением энтропии (или повышением негативной энтропии).

Также в случае управления типа II с обучением оказалось и подтвердилось, что энтропия на выходе системы всегда ниже, чем при классическом управлении на постоянный зарегулированный сток. В случае &bdquo-детерминистически оптимизированного управления" (тип ОРТ) с постоянным понижением водозабора из водохранилища в течении всего маловодного периода она нулевая. При адаптивном управлении (типы А, II и дальше К) в условиях стохастической неоределенности энтропия управления Е стремится к нулю тем быстрее, чем более настоящая ситуация приближается к оптимальной.

При сравнении управления типа, А и типа II была сформулирована рабочая гипотеза, что при более высоком объеме информации для управления (в случае типа V в сравнении с типом А) можно достичь более низкого значения энтропии Е, если надлежащая информация целесообразно и правильно используется.

Из данных в табл. 6.24 можно видеть, что вышесформулированную рабочую гипотезу в одном из &bdquo-экспериментальных" симулированных.