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系統識別號 U0002-0906200813594800
中文論文名稱 模糊控制模式於颱洪時期水庫即時操作之研究
英文論文名稱 Real-Time Reservoir Flood Operation Using Fuzzy Control Models
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 水資源及環境工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Water Resources and Environmental Engineering
學年度 96
學期 2
出版年 97
研究生中文姓名 許弘政
研究生英文姓名 Hung-Cheng Hsu
學號 695480037
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2008-05-09
論文頁數 85頁
口試委員 指導教授-張麗秋
委員-張斐章
委員-黃文政
中文關鍵字 水庫颱洪操作  調適性網路模糊推論系統  聚類分析  即時操作  溢洪道閘門 
英文關鍵字 Reservoir Flood Control  Adaptive Network-Based Fuzzy Inference System  Clustering Analysis  Real-Time Operation  Spillway Gate 
學科別分類 學科別應用科學環境工程
中文摘要 台灣地區豐枯季節差異大,降雨多半集中在颱風季節,且因地形崎嶇山高地狹,河短流急無法有效地存蓄雨水,為達到消減洪災及蓄水目的,水庫操作即扮演著關鍵的角色。水庫防洪操作過程為一錯綜複雜的問題,必須掌握水庫上游的即時雨量及水文資訊,加上人類仔細的研判及豐富的操作經驗,方能達到較理想的操作,但操作經驗的傳承卻為一難題。因此,本研究分別根據水庫防洪運轉規則及最佳防洪操作策略建立智慧型水庫防洪操作模式,期能降低下游地區的洪峰量、延長洪峰稽延時間,並在洪峰發生後則調節水庫水位標高以達規線上限位置、確保蓄水功用,以為颱洪期間提供理想防洪操作模式。
本研究於石門水庫建置兩種水庫防洪操作模式:模式1是防洪運轉規則模糊控制模式(FORFCM),主要根據石門水庫溢洪道閘門操作關係曲線圖轉換成防洪操作之模糊規則,以建置模糊控制模式;模式2為智慧型水庫防洪模糊控制模式(IFOFCM),是以遺傳演算法搜尋出歷年颱洪事件水庫最佳防洪操作歷程,再以聚類分析萃取出模糊規則以建立調適性網路模糊推論系統(ANFIS)模式。兩模式皆遵循著水庫溢洪道閘門操作之限制來修正放流量,以符合閘門操作的法令規範。並以歷史事件26場颱風以總入流量加以分類後,比較水庫原防洪操作與兩模式操作之洩放歷程;結果顯示兩種模式的防洪操作皆能有效地消減洪峰與達成蓄水之目的,可作為水庫人員參考的重要指標於颱洪時期即時操作模式,並提供其他水庫建置智慧型防洪操作模式之參考。
英文摘要 In Taiwan, the subtropical climate brings rainfall concentrated in the typhoon and plum rain periods from May through October, and the steep mountainous landform makes most of the rainfall flow immediately into the ocean; thus, the rain cannot be directly used as a stable source of water supply. In order to decrease the flood peak stage downstream and store floodwaters for future usage during typhoon seasons, a reservoir flood operation plays a critical role. Real-time reservoir flood operation is a continuous and instant decision-making process based on relevant operating rules, policy and water laws, in addition the immediate rainfall and the hydrology information; however, it is difficult to learn the intelligent experience from the elder operators. The main purpose of this study is to establish the automatic reservoir flood control model to achieve the goal of a reservoir operation during flood periods.
In this study, we propose two kinds of flood control models of the Shimen reservoir. These models include two major processes: the knowledge acquired and implemented, and the fuzzy inference system. Model 1 is the flood operation rule fuzzy control model (FORFCM), which is constructed by extracting fuzzy rules from the spillway gate operation relations curves. Model 2 is the Intelligent Flood Operation Fuzzy Control Model (IFOFCM), which is built by extracting fuzzy rules from the rational hydrograph obtained by Genetic Algorithm (GA). Both models comply with the Shimen reservoir's operating rules and regulations. The results demonstrate that both fuzzy control models can perform much better than the original reservoir operator in 26 flood events and effectively achieve decreasing peak flood stage downstream and storing floodwaters for future usage.
論文目次 謝誌 I
中文摘要 II
ABSTRACT III
章節目錄 V
表目錄 VIII
圖目錄 IX
一、前言 1
1.1研究動機 1
1.2研究目的與方法 2
1.3本文架構 3
二、文獻回顧 4
2.1模糊理論之發展 4
2.2模糊模式於水庫操作之應用 4
三、理論概述 7
3.1類神經網路 7
3.2模糊理論 9
3.2.1模糊集合 9
3.2.2模糊集合基本運算子 10
3.2.3模糊推論系統 12
3.2.4 TSK模糊模式 17
3.3調適性網路模糊推論系統 18
3.3.1 ANFIS架構 19
3.4減法聚類分析 21
四、研究案例 23
4.1石門水庫簡介 23
4.2水庫防洪操作規範 25
4.2.1水庫水門操作規定 25
4.2.2水庫運轉時機 28
4.3水庫颱洪操作程序 31
4.4颱風資料蒐集P分析 35
4.5模式1:防洪運轉規則模糊控制模式 37
4.5.1模式架構 38
4.6模式2:智慧型水庫防洪模糊控制模式 41
4.6.1模式架構 44
4.7結果分析 47
五、結論與建議 57
5.1結論 57
5.2建議 59
參考文獻 60
附錄A 石門水庫防洪運用溢洪道閘門操作辦法 64
附錄B 防洪運轉規則模糊控制模式操作結果 68
附錄C 智慧型水庫防洪模糊控制模式操作結果 77

表目錄 表4.1 在不同水位下溢洪道閘門開度與洩洪量對照表......................34 表4.2 石門水庫歷年颱風資料..............................................................36 表4.3 26場颱風以遺傳演算法搜尋之操作資料表..............................46 表4.4 模式1與模式2之差異比較表..................................................47 表4.5 第1類颱洪事件防洪操作之水位變化比較表..........................49 表4.6 第1類颱洪事件防洪操作之洪峰消減率和閘門操作比較表..49 表4.7 第2類颱洪事件防洪操作之水位變化比較表..........................51 表4.8 第2類颱洪事件防洪操作之洪峰消減率和閘門操作比較表..52 表4.9 第3類颱洪事件防洪操作之水位變化比較表..........................53 表4.10 第3類颱洪事件防洪操作之洪峰消減率和閘門操作比較表54 表4.11 第4類颱洪事件防洪操作之水位變化比較表........................56 表4.12 第4類颱洪事件防洪操作之洪峰消減率和閘門操作比較表56
圖目錄 圖3.1 模糊集合A與補集合A之隸屬函數關係圖...............................11 圖3.2 模糊集合之聯集關係圖...................................................11 與圖3.3 模糊集合之交集關係圖...................................................12 與圖3.4 模糊推論系統架構示意圖..........................................................12 圖3.5 常用隸屬函數圖..........................................................................13 圖3.6 T-norms運算示意圖......................................................................15 圖3.7 T-conorms運算示意圖..................................................................15 圖3.8 重心法解模糊化示意圖..............................................................16 圖3.9 總和中心法解模糊化示意圖......................................................17 圖3.10 最大值平均法解模糊化示意圖................................................17 圖3.11 一次TSK模糊推論模式示意圖.................................................18 圖3.12 ANFIS架構圖..............................................................................19 圖4.1 石門水庫集水區氣象及水文測站位置圖..................................24 圖4.2 石門水庫各進水口剖面示意圖..................................................26 圖4.3 石門水庫溢洪道閘門放流量-水位-入流量關係圖...................28 圖4.4 颱洪時期水庫運轉時機三階段示意圖......................................30 圖4.5 石門水庫運轉規線圖..................................................................30 圖4.6 颱洪時期溢洪道閘門操作示意圖..............................................31
圖4.7 模式1之水庫操作流程圖..........................................................37 圖4.8 入流量映射之隸屬函數圖..........................................................38 圖4.9 水位映射之隸屬函數圖..............................................................38 圖4.10 模式2之水庫操作流程圖........................................................41 圖4.11 26場颱風以遺傳演算法搜尋之洩放量趨勢圖........................42 圖4.12 入流量映射之隸屬函數圖........................................................44 圖4.13 水位映射之隸屬函數圖............................................................44 圖4.14 洪峰前後資訊映射之隸屬函數圖............................................45 圖4.15 目標水位映射之隸屬函數圖....................................................45 圖4.16 利奇馬颱風以模式1操作之洩放歷程與水庫水位趨勢圖....51 圖4.17 瑞伯颱風以模式2操作之洩放歷程與水庫水位趨勢圖........54
參考文獻 (1) Altug S., Chow M. Y. and Trussell H. J. 1999. Fuzzy Inference Systems Implemented on Neural Arcbitectures for Motor Fault Detection and Diagnosis. IEEE Transactions on Industrial Electronics.46(6):1069-1079.
(2) Chang L. C., and Chang F. J. 2001. Intelligent Control for Modelling of Real Time Reservoir Operation. Hydrological Processes 15(9): 1621-1634.
(3) Chang Y. T., Chang L. C., and Chang F. J. 2005. Intelligent Control for Modelling of Real Time Reservoir Operation: Part II ANN with Operating Curves. Hydrological Processes 19(7): 1431-1444.
(4) Chang L. C. 2008. Guiding Rational Reservoir Flood Operation Using Penalty-Type Genetic Algorithm. Journal of Hydrology (in press)
(5) Chiu S. L. 1994. Fuzzy model identification based on cluster estimation. J. of Intelligent and Fuzzy Syst.2(3):267-278.
(6) Cheng C. 1999. Fuzzy optimal model for the flood control system of the upper and middle reaches of the Yangtze River. Hydrological Sciences Journal 44(4): 573-582.
(7) Djukanovic M. B., Calovic M. S., Vesovic B. V. and Sobajic D. J. 1997. Neuro-Fuzzy Controller of low Head Hydropower Plants Using Adaptive-Network Based Fuzzy Inference. IEEE Transactions on Energy Conversion. 12(4):375-381.
(8) Jang J. S. R. 1993. ANFIS:Adaptive Network-based Fuzzy Inference System. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics. 23(3):665-685.
(9) Karaboga D., Bagis A., Haktanir T. 2004. Fuzzy Logic Based Operation of Spillway Gates of Reservoirs duing Floods. Journal of Hydrologic Engineering 9(6): 544-549.
(10) Karaboga D., Bagis A., Haktanir T. 2008. Controlling spillway gates of dams by using fuzzy logic controller with optimum rule number. Applied Soft Computing 8:232–238
(11) Liu B., and Odanaka T. 1999. Dynamic Fuzzy Criterion Model for Reservoir Operations and a Case Study. Computers and Mathematics with Applications 37:65-75.
(12) Mousavi S. J., Mahdizadeh K., Afshar A. 2004. A stochastic dynamic programming model with fuzzy storage states for reservoir operations. Advances in Water Resources 27:1105–1110
(13) Nese A. and Tefaruk H. 1999. Five-stage flood routing for gated reservoirs by grouping floods into five different categories according to their return periods. Hydrological Sciences Journal 44(2): 163-172.
(14) Rusell S.O. and Campbell P. F. 1996. Reservoir operation rules with fuzzy programming. Journal of Water Resources Planning and Management 122(3):165-170.
(15) Sugeno M. and Kang G. T. 1988. Structure Identification of Fuzzy Model. Fuzzy Sets and Systems.28:15-33.
(16) Takagi T. and Sugeno M.1985. Fuzzy Identification of Systems and Its Applications to Modeling and Control. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics. 15:116-132.
(17) Yeh W. 1985. Reservoir Management and Optimization Models: a State of the Art Review. Water Resources Research 21(12): 1797-1818.
(18) Zadeh L. A. 1965. Fuzzy Sets. Information and Control. 8:338-353
(19) Zadeh L. A. 1973. Outline of a New Approach to the Analysis of Complex System and Decision Processes. IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics. SMC-3(1):28-44.
(20) 王安培、鄭博文,1998,模糊決策在水庫操作之應用,中原學報 26(3): 17-25。
(21) 王國威,2006,運用懲罰機制遺傳演算法於水庫颱洪操作之規劃,淡江大學水資源及環境工程學系暨研究所。
(22) 向子菁,1999,智慧型控制理論於水庫操作決策之研究,國立台灣大學農業工程研究所碩士論文。
(23) 邱昱禎,2003,模糊規劃理論與優選法於水庫操作之研究,國立臺灣大學生物環境系統工程學系暨研究所。
(24) 郭振泰等,1991,淡水河流域水庫及時優選操作之發展與應用, 經濟部水資會八十科技八(二),3(10): 078。
(25) 陳莉,1995,以物件導向之傳演算法優選水庫運用規線之研究,國立台灣大學農業工程學系博士論文。
(26) 張斐章、張麗秋,2005,類神經網路,東華書局。
(27) 張斐章、許榮哲,1999,灰色模糊動態規劃於水庫即時操作之應用,台灣水利 47(1): 44-53。
(28) 張斐章、惠士奇,1998,灰色模糊序率動態規劃於水庫操作之應用,中國農業工程學報44(1): 34-49。
(29) 張斐章、黃金鐸、王文清,1995,運用模糊序率動態規劃於水庫操作之研究,台灣水利43(4): 37-48。
(30) 經濟部水利署北區水資源局,石門水庫水門操作規定,2005。
(31) 經濟部水利署北區水資源局,石門水庫營運四十年特刊,2005。
(32) 經濟部水利署北區水資源局,經濟部石門水庫運用要點,2005。
(33) 萬象、陳昶憲、郭振泰,1990,水庫防洪操作最佳控制模式之研究,第五屆水利工程研討會,186-199。
(34) 蕭金財、張良正,1998,多目標水庫序率最佳操作模式之建立與應用,台灣水利 46(1): 72-83。
(35) 蕭金財、張良正,2000,應用平行序率最佳控制演算法於多目標水庫系統之優選操作,中國土木水利工程學刊 12(3): 551-560。
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