一种基于多主体建模和系统动力学耦合模型的水价仿真方法与流程

本发明涉及供水系统，具体为一种基于多主体建模和系统动力学耦合模型的水价仿真方法。

背景技术：

1、生活需水预测是水资源规划中的重要部分，对于实现水资源合理有序开发，保障社会经济的可持续发展有重要的指导意义。水价是促进水资源合理配置的一个重要杠杆，关系到经济社会的健康发展，科学合理制定水价是实现健康有序发展的核心。由于水资源短缺，多年来，各级政府不断推进水价政策，促进水价改革，约束居民用水行为。因此分析水价与生活需水的关系，对水价的制定及水资源可持续发展具有重要意义。

2、生活需水的研究，主要是利用需求弹性理论，分析影响生活用水量的各种因素，常用统计回归方法、时间序列法、灰色系统法、人工神经网络法，构建用水需求与多变量之间的函数关系，进行生活需水预测。上述方法是把社会-经济-水资源系统看作一个静态系统，以回归方程表征各因子（或变量）与预测变量的关系，它一般不考虑系统各因子的时间演变特征。

3、sd法是把社会-经济-水资源系统看作一个动力系统，以系统的方程（或微分方程）表征各因子（变量）的因果关系，考虑系统的各因子（变量）的时间演变。sd法可有效地刻画系统各因子（变量）的状态与转移等复杂动态状况，但难以对系统各因子（或变量）之间的交互行为及复杂自适应特征进行有效的数学分析。而abm法是把社会-经济-水资源系统分解成各用水主体，并能刻画系统中各主体之间的交互行为及其复杂的自适应特征。即sd法是把研究区域内的全体居民看作一个整体，并且各影响因素（收入、水价、节水等）对全体居民的用水影响是相同的。而实际上，每个居民都是具有自主意识的个体，不同居民具有不同收入、不同的水价承受能力、节水意识等，这些因素都是因人而异的影响用水量，并且各用水主体之间的节水意识也会受到社会宣传和居民之间交互学习的影响。abm法则能把研究区的每个居民看成一个用水主体，而且能刻画各主体之间的交互行为，通过模拟各用水主体的用水行为及其交互行为进行需水预测，降低了需水弹性分析的主观性，增强了需水弹性分析的客观性。sd 与abm 各有优劣及其适用环境。为此，综合以上描述，本发明提出了一种基于多主体建模和系统动力学耦合模型的水价仿真方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于多主体建模和系统动力学耦合模型的水价仿真方法，本发明建立社会、经济、水资源系统的abm+sd混合仿真方法，既能对系统各主体之间的交互行为与复杂自适应特征进行有效的数学描述与分析，也能反映宏观规律对各主体的调控作用。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于多主体建模和系统动力学耦合模型的水价仿真方法，包括以下步骤：

3、s1、确定影响生活需水的主要社会经济因子：根据各变量的因果关系，建立生活需水系统动力学sd模型，并对影响生活需水的社会经济因子的预测；

4、s2、确定用水主体及属性，建立abm节水模型；

5、s3、构建abm+sd耦合模型：设置参数，对模型进行验证;

6、s4、设置不同水价情景，研究不同水价对生活需水量的影响。

7、优选的，所述步骤s1中，构建耦合社会、经济、水资源多因素的宏观生活需水系统动力学sd模型中，把生活需水的消费主体的全体居民看作一个整体，认为全体居民具有相同的收入弹性、水价弹性、和节水意识；

8、通过宏观分析表达了居民收入、水价、和节水意识对生活需水增量的定量反馈，并构建生活需水的社会经济因素因果关系图。

9、优选的，所述步骤s2中，确定用水主体及属性，建立abm节水模型中，通过对城镇居民用水的节水意识进行分类，分析影响居民节水行为的因素和制定节水行为规则，建立生活节水abm模型框架图。

10、优选的，所述步骤s3中，建立sd+abm耦合模型过程中，通过混合仿真方法，所述混合仿真方法既能对系统中各主体居民需水之间的交互行为与复杂自适应特征进行有效的数学描述与分析，也能反映系统中居民收入、水价等宏观规律对各主体居民需水的调控作用。

11、优选的，所述基于多主体建模和系统动力学耦合模型的水价仿真方法还包括根据影响生活需水的社会经济因子及其模型参数，选择不同因子对sd+abm模型进行灵敏度分析，得出影响生活需水量的最主要因素。

12、优选的，所述步骤s1中：

13、其中,确定影响生活需水的主要社会经济因子，建立系统动力学sd模型和预测影响生活需水的社会经济因子包括以下分步骤：

14、s1.1、确定影响生活需水的主要社会经济因子中，将人口、居民收入、水价、节水意识作为影响生活需水量的重要因素；

15、s1.2、构建耦合社会、经济、水资源多因素的生活需水系统动力学sd模型，具体表示为：；

16、其中：δ代表增加值，p代表人口，pi代表居民收入，pc代表水价，⊿p代表人口增加值，wd代表生活需水量，δwd代表生活需水增量，x代表居民收入弹性， y代表人口变化对生活需水的影响程度，z代表水价弹性，k代表节水意识，t为计算时段；

17、p，pi，pc，k第t时段的值需根据建立的相关预测模型确定；

18、x，y，z参数的确定：可采用历史检验法验证预测模型的效果；

19、将3个参数的预估值作为初值， 将模型的模拟值与验证年份的实际值（历史生活需水量系列）对比，相对误差较小时的参数值就是模型中x，y，z值；

20、s1.3、构建影响生活需水的社会经济因子的预测模型，具体包括：

21、采用马尔萨斯-逻辑回归模型建立城镇人口预测模型，具体表示为：；

22、其中：p0为基准年人口，r为增长率，n为人口增长阈值；人口增长阈值n的确定：随着时间推移，一个地区的土地资源、水资源等资源环境会限制本地区的人口， 即人口增长存在一个阈值n；

23、采用分段线性回归模型建立居民收入预测模型，具体表示为：；

24、其中：pi0为基准年居民收入，at为居民收入增长率；

25、设节水指数年增长率为一常数，采用线性回归模型建立节水意识预测模型，具体表示为：；

26、其中：其中k为节水指数，k0为基准年的节水指数，β为节水指数增长率，k的取值范围为[0, 1]。

27、优选的，所述步骤s2中：

28、建立abm节水模型，主要包括以下步骤：

29、s2.1、对城镇居民用水的节水意识进行分类；

30、s2.2、分析影响居民节水行为的因素；

31、s2.3、制定节水行为规则。

32、优选的，所述步骤s3中：

33、建立耦合模型并设置参数进行验证主要包括以下步骤：

34、s3.1、建立sd+abm耦合模型，具体表示为：；

35、其中：δwp为人口增加引起的生活需水增量，δwxzk为综合居民收入、水价、和节水意识等因子引起的生活节水量，其它符号意义同前；

36、s3.2、设置模型参数，采用历史检验法验证模型的效果。

37、本发明提供了一种基于多主体建模和系统动力学耦合模型的水价仿真方法。具备以下有益效果：本文建立社会、经济、水资源系统的abm+sd 混合仿真方法，既能对系统各用水主体之间的交互行为与复杂自适应特征进行有效的数学描述与分析，也能反映宏观水价调控规律对各主体用水行为的调控作用。