1.2　研究思路及科学问题

目前湖北汉江流域水资源开发利用面临着来水减少、流域用水与调水矛盾突出、生态环境恶化等问题，对流域防洪、发电、供水、航运、生态、环境等多目标利用都产生不利影响，尤其是生态问题最为关键，是关系到人类生存和社会经济发展的核心。因此，本书把生态需求放在首位，开展了面向生态的水库群多目标综合调度研究。面向生态的水库群多目标综合调度问题是一个复杂的高维、非线性、多目标、半结构化的系统优化问题，目前在面向生态的水库多目标调度模式、系统最优性的理论分析、模型降维算法、多目标交换比分析等方面尚没有完整的理论与技术支撑。基于此本书提炼了4方面科学问题，具体内容如下。

1.2.1　面向生态的水库多目标调度模式

生态调度的核心思想是通过调度手段增加流态的多样性，通过流态的多样性增加生物物种生境的多样性，通过生物物种生境的多样性增加水生生态系统生物物种的多样性。具体到汉江流域，生态需求可以分为3个方面，包括最小生态需求、鱼类产卵繁殖需要的适宜需水（主要集中在7月、8月）以及水华暴发控制的应急需水（主要集中在2月、3月）。对应3类生态需水，我们提出的常规调度、生态调度、应急调度有机结合的多目标调度方式。最小生态需求在常规调度中作为硬约束条件，是刚性目标不可突破。而鱼类产卵繁殖需要的适宜需水（主要集中在7月、8月）以及水华暴发控制的应急需水（主要集中在2月、3月），作为保证生态效益的最优需水，通过生态调度与应急调度手段得以满足。通过这种多目标调度方式，一方面在一般情况下满足生态最小的用水需求，另一方面在生态集中需要用水的时段内加大供水保证生态效益，同时常规调度综合考虑了防洪、发电、供水、航运等目标，从而实现了生态效益在最小需水和适宜需水之间的权衡、实现了生态效益与防洪、发电、供水、航运之间多目标效益的权衡。生态3方面需求与常规调度、生态调度、应急调度有机结合共同构成了面向生态的水库多目标调度模式，如图1.1所示。

图1.1　面向生态的水库多目标调度模式

1.2.2　水库调度最优性原理的提炼

水库优化调度问题可以分为两类：一类是结构化优化问题，约束关系以及目标函数可以用公式表现并能够推导出解析解；另一类是半结构化优化问题，约束关系及目标函数无法用公式描述或者需要复杂的公式群来描述问题的边界条件，无法定义目标函数的凹凸性。针对结构化优化问题需要探寻目标函数的特性（凹凸性、单调性等），分析最优调度决策与当前系统状态、系统资源输入量及系统资源可用总量之间存在的关系，从而提出水库调度单调性原理；针对半结构化优化问题需要剖析高维变量空间的特性（局空间形态、连续性等），探索可行域边界的动态演进机制，提出一套可行域动态生成方法。水库调度单调性原理与可行域动态生成方法共同形成水库调度的最优性原理，作为理解与求解系统优化调度问题的总方法论。

1.2.3　水库优化调度算法降维问题

水库调度最优性原理能够帮助我们更真实地理解水库优化调度问题的本质，更重要的是基于这套原理提出一套水库优化调度降维的算法，在保证解的全局最优性的同时，能够最大限度地提高模型计算效率，从而有效解决“维数灾”问题。

1.2.4　多目标的交换比问题

梯级水库群多目标调度包含了防洪、发电、供水、生态、航运、环境6大目标。目标空间是一个高维的Pareto曲面，探索高维曲面上两两目标之间、高维目标之间交换比的公式形式及动态演化规律，从而为面向生态的水库群多目标调度决策提供有效的助力。

第一个科学问题是要解决如何量化生态需求以及如何实施面向生态的多目标调度的问题，这个问题是要回答如何面向生态；后3个科学问题是要解决复杂调度系统多目标优化求解问题。而水库调度系统是整个自然与社会二元大系统的一个小的组成，整个自然—社会大系统从本质上来说也是结构化和半结构化的（比如电力系统负荷分配问题）、也是多目标的（比如经济政策的多目标平衡问题）、也存在“维数灾”（比如交通运输的优化问题）。因此这套集合水库调度最优性原理、优化降维算法及多目标交换比分析方法的水库群多目标优化调度理论与方法也可以推广到其他具有相同性质的调度系统里去，可以说这3个科学问题的解决对整个信息论、系统论的发展都将是非常重要的贡献。