（轮机工程专业论文）轮机系统的自动化建模技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着计算机科学和仿真技术的蓬勃发展，面向对象的编程思想在编程技术 中的统治地位的确立，以及各种软件开发平台的功能不断完善，自动化建模方 法因具有使用简便、周期短、工作效率高、通用性强、模块易于维护和管理等 特点，成为了许多领域系统建模当仁不让的最优方法。 本文主要以轮机系统为研究对象，详细介绍了自动化建模平台的体系结构 以及开发过程中使用的关键技术，并开发实现了自动化建模平台的一些主要功 能。本文对自动化建模平台的几个关键技术进行重点的分析和研究，包括模块 化建模方法、自动化建模方法、拓扑分析、软件重构、鼠标探测技术以及设计 模式。在分析和研究中重点考虑了软件设计上的重用性和扩展性、平台的通用 性和扩展性。 基于层次结构的优点，本文提出了自动化建模平台的体系结构设计采用层 次结构，且分为三层：组态层、模型层和运行支撑层。组态层位于体系结构的 最上层，直接与用户交互：模型层维护一个模型程序库；运行支撑层提供一系 列服务以实现变量的扫描入库、监视、运行、控制等。 本文以轮机系统的设备模型为基础，在平台上进行组态、模型程序的编译 链接操作，以及仿真源程序的自动生成，实现了自动化建模。同时，本平台提 供多种数据可视化方式：表格、曲线和柱状图等，使得用户能够直观方便地观 察数据的动态变化。 本文是基于轮机系统进行的研究，但因平台中模块管理器的通用性和扩展 性，使得平台不仅能进行轮机系统的自动建模，还可以进行其他系统的自动建 模。 本文主要完成的工作有：模型库的管理功能和模型元件的编辑功能；系统 的网络拓扑图自动生成：系统仿真源程序的自动生成：仿真源程序的编译和链 接；在数字仿真平台上实现自动化建模的仿真。 关键词：轮机系统，自动化建模，拓扑分析，设计模式 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p u t e rs c i e n c ea n ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g y i sv i g o r o u s l y d e v e l o p i n gi n c u r r e n tc o m p u t e rf i e l d a m o n gt h i sf i e l d ，t h eo b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gi st h e p r e d o m i n a n tt e c h n o l o g yw h i c hi s u s e db ya l lk i n d so fs o f t w a r ed e v e l o p m e n t p l a t f o r m s a c c o m p a n y i n g t h e d e v e l o p m e n t o fs o f t w a r ep l a t f o r m s ，a u t o m a t i c m o d e l i n gb e c o m e st h eo p t i m u mm e t h o df o rs y s t e mm o d e l i n gi nm a n yf i e l d s a u t o m a t i cm o d e l i n gh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha se a s yu s a g e ，s h o r td e v e l o p m e n t t i m ec y c l e ，h i 曲e f f i c i e n c y , u n i v e r s a lm o d e l ，f l e x i b l em a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n t t h i ss t u d yf o c u s e so nt h em a r i n es y s t e m ，d i s c u s s e st h es y s t e ma r c h i t e c t u r eo f t h ea u t o m a t i cm o d e l i n gp l a t f o r m ，a n di n t r o d u c e ss o m ek e yt e c h n o l o g i e su s e di nt h e d e v e l o p m e n tp r o c e s s a l s o ，i ti m p l e m e n t ss o m em a j o rf u n c t i o n s o fa u t o m a t i c m o d e l i n gp l a t f o r m ，i n c l u d i n gm o d u l a rm o d e l i n gm e t h o d ，a u t o m a t i cm o d e l i n g a p p r o a c h ，t o p o l o g ya n a l y s i s ，s o f t w a r er e f a c t o r i n g ，m o u s ed e t e c t i n gt e c h n o l o g ya n d d e s i g np a t t e r n d u r i n g t h ea b o v ew o r k s ，t h es t u d y s p e c i a l l ye m p h a s i z e s o n s o f t w a r e sr e u s a b i l i t y , u n i v e r s a l i t y , a n de x p a n s i b i l i t y b a s e do nt h ea d v a n t a g eo fh i e r a r c h i c a la r c h i t e c t u r e ，t h i sa r t i c l ep r o p o s e sa t h r e e l a y e r - s y s t e m - a r c h i t e c t u r ef o ra u t o m a t i cm o d e l i n gp l a t f o r m t h r e el a y e r sa r e c o n f i g u r a t i o nl a y e r ，t h e m o d e ll a y e ra n dt h en m t i m es u p p o r t i n gl a y e r t h e c o n f i g u r a t i o nl a y e rs t a n d so nt h et o po ft h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dd i r e c t l yi n t e r a c t s 、加mu s e r s t h em o d e ll a y e rm a i n t a i n sm o d e lp r o g r a ml i b r a r i e s t h er t m t i m e s u p p o r t i n gl a y e rp r o v i d e s as e r i e so fs e r v i c e sf o r s c a n n i n g ，m o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n gv a r i a b l e s t h i ss t u d yi sb a s e do nt h ed e v i c em o d e l so ft h em a r i n es y s t e m t om a n a g e t h e s ed e v i c e s ，t h ep l a t f o r ms t o r e sa l lk i n d so fr e l a t e dm o d e lp r o g r a m s 。a u t o m a t i c m o d e l i n gi sa c h i e v e db ys e l e c t i v e l yc o n f i g u r i n g ，c o m p i l i n ga n dl i n k i n go f t h em o d e l p r o g r a m sa n db ya u t o m a t i c a l l yc r e a t i n gt h es i m u l a t i o ns o u r c ep r o g r a m i na d d i t i o n , i no r d e rt op r o v i d er e a l t i m ep r o f i l eo ft h ed y n a m i cc h a n g eo ft h ed a t a , t h ep l a t f o r m o f f e r ss e v e r a lv i s u a ld a t am e t h o d s ，s u c ha sd a t as h e e t ，c u r v ea n dh i s t o g r a m a l t h o u g ht h i ss t u d yi ss p e c i a l l yd e s i g n e do nt h eb a s i so ft h em a r i n es y s t e m ，t h e n 武汉理工大学硕士学位论文 m o d u l em a n a g e ri nt h ep l a t f o r mi sr e u s a b l ea n ds c a l a b l e ，w h i c hc a r lb eu s e db yo t h e r s y s t e m s t h em a i n w o r kf i n i s h e dh e r e i ni sa sf o l l o w s ：也em a n a g e m e n tf u n c t i o no fm o d e l l i b r a r i e s ，t h ee d i t i o nf u n c t i o no fm o d e lc o m p o n e n t s ，t h ea u t o m a t i cg e n e r a t i o no f n e t w o r kt o p o l o g ym a po ft h es y s t e m ，t h ea u t o m a t i cc r e a t i o no fs i m u l a t i o ns o u r c e p r o g r a m ，t h ec o m p i l i n g a n d l i n k i n g o fs i m u l a t i o ns o u r c e p r o g r a m ，t h e i m p l e m e n t a t i o no f t h ea u t o m a t i cm o d e l i n gi nt h ed i g i t a ls i m u l a t i o np l a t f o r m k e yw o r d ：m a r i n es y s t e m ，a u t o m a t i cm o d e l i n g ，t o p o l o g ya n a l y s i s ，d e s i g np a t t e r n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： 日 关于论文使用授权的说明 期：碰：三：堡 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生 ( 签名) ：牲导师( 签名) 蘧日 期2 越 i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着文明的产生和发展，人类认识和改造自然的能力不断增强，科学和工 程技术是人类联系自然的重要工具。科学研究的绝大部分工作是了解我们赖以 生存的外部环境，用形式化的模型或抽象的表示方法描述事物和现实世界，这 就是建模活动。科学家们通过观察和试验，认识到现实世界的某种规律并将这 些规律以抽象的表示方法描述出来，人们可以利用这些抽象表示的规律进行分 析、推理和设计，从而使它们具有了控制实际系统的能力。由此可见，建模活 动是人与外界的联系方式，它包括两个步骤：其一是获得对事物现象的充分理 解，建立或形式化现实世界的模型；其二是对形式化模型进行分析和利用，以 便按照人类的意志控制和改造自然。 人的认知能力是无限发展的，随着科学和技术水平的发展，人类的研究范 围越来越广，建模理论越来越完善。语言级建模是一个巨大的进步，它使仿真 人员不需要深厚的数学基础和很好的计算机知识，但是仍然要求学习相应的仿 真语言的学习，仍然不能使工程人员在完成对系统设计的同时，实现对系统的 仿真心1 。自动化建模技术解决了语言级建模的缺点，即当设计人员在绘制完成 系统原理图后，就可以自动建立系统的仿真模型进行仿真。 自动建模方法同手工建模相比具有周期短、工作效率高、通用性强、模块 易于维护和管理等特点，因而引起人们广泛的注意。自动建模一般可分为字符 方式和图形方式两种：前者是将各设备和相互之间的连接关系利用字符的方式 表示出来，然后自动生成仿真源程序，对建模者具有较高的要求；后者是利用 图形模块代表实际对象，将实际系统的组成用图形的方式表示出来，并自动生 成仿真源程序。相比而言，图形化自动建模要方便得多，而字符方式的自动建 模则只能称为半自动建模b 3 。本文主要研究的是图形化方式的自动建模，以下 简称自动化建模。 自动化建模技术是继手工建模、模块化建模、专用仿真语言建模、面向对 象建模发展而来的。相比于传统的建模技术而言，自动化建模技术存在以下显 著的优点： 1 ) 使建模过程变得直观、形象、方便。 2 ) 生产周期短、工作效率高，减少了建模人员的工作量，降低了对建模人 武汉理工大学硕士学位论文 员的要求。 3 ) 能够实现对象模型生成的自动化、标准化； 4 ) 能够实现系统拓扑结构的自动识别和仿真源程序的自动生成； 5 ) 模块的数学模型建立好以后，就具有高度的可复用性和可继承性，在后 续的工程开发中可以再次利用，无须重新建立数学模型。 1 1 研究背景和意义 工业系统中的主要仿真设备，如电厂的锅炉、汽轮机，化工厂的精馏塔、 反应器等一般都是相对独立的单体设备，虽然本体庞大，机理复杂，建模困难， 但一旦这些对象的数学模型建立好以后，就具有高度的可复用性和可继承性， 在后续的工程开发过程中可以再次利用，无须重新建立数学模型，重新编制程 序。对于流体网络的仿真建模则不然，由于工业系统中流体网络十分庞大，耦 合性强，支管路总数量少则数十，多则成千上万。采用普通的手工建模方法几 乎不可能完成，即使花费了大量的人力给出了其数学模型，也还存在两个问题， 一是程序极易出现由于高藕合性导致的不稳定，二是对于不同的流网这种程序 本身不具有可复用性。无论是普通的手工建模方法还是人工编程的建模方法， 都需要花费大量的人力、物力和较长的时间才能完成一个系统的建模工作，并 且生成模型的复用性、可维护性都较差h 1 。这对仿真技术的进一步发展带来了 严重的阻碍。 仿真模型的建立和调试本身就是非常繁杂的工作，而且随着仿真对象的复 杂程度、控制系统的自动化程度越来越高，有大量的参数要被运行监视和操作， 大量的信息要交换，原有的手工建模方式越来越不能适应仿真的各项任务要求， 自动化建模是必然趋势。采用自动化建模技术，使得建模过程变得直观，方便， 快速，有效，极大的缩短了建模的时间晦1 。 传统的建模方法是针对某一具体研究对象建立其数学模型，并编制计算机 程序，程序的结构是全局一体的，不可分割，该程序只适用于所针对的特定对 象，可继承性差。因此，一旦系统变更，则需重新建立数学模型，重新编制程 序，造成了不必要的重复劳动，耗时长，对以前编制的程序要进行大量修改， 或者全面推翻，对人力和物力都是一种浪费。而且它对建模人员的专业技术水 平要求较高，要求建模人员充分了解轮机设备结构和过程特性，并且得具备深 2 武汉理工大学硕士学位论文 厚的关于建模理论、仿真技术和程序设计方面的知识与经验。 随着计算机业的蓬勃发展，面向对象的编程思想在编程技术中的统治地位 的确立，以及各种软件开发平台的功能不断完善，自动化建模方法成为了许多 领域系统建模当仁不让的最优方法。例如：分析轮机系统的海水系统，无论其 结构如何变化，均由几类，如泵、阀、风机、滤器、冷却器、换热器、分油机、 锅炉等设备组成，可以预先对各部分建立规范化的通用的数学模型，然后依照 一定的组合规律将其组合成整个系统模型。同一类设备使用同一种模型，只是 设定不同的相关参数即可，而且其优良的交互性，使建模操作变得方便易用， 因此，改变了传统的建模仿真系统在使用面上的局限性，不仅可以用于轮机操 作人员的培训，而且可以用于轮机系统的在线组态，计算等。 目前不少轮机系统的建模过程都是面向过程的，不是面向对象的，因此很 多建好的模型的通用性很差，可移植性不好。虽然有些流体网络结构比较固定， 但是模型的通用性不强。往往是一条船一个模型，换了船就要换一个模型，给 修改和维护带来了极大的不便，对专业知识以及计算机的综合知识有一定的要 求h 1 。而本文通过采用文档视图的技术，将数学模型和图形元件分离，并维护 数学模型与图形元件的对应关系；通过自动化建模实现了代码的自动生成，大 大地减少了工程设计人员的工作。 1 2 国内外研究成果 仿真软件的开发经历了汇编语言、高级程序语言、仿真语言和一体化仿真 环境等四个发展阶段。早期的电站仿真机几乎均采用汇编语言编制仿真软件， 进入7 0 年代，汇编语言逐步由f o r t r a n 语言替代，同时仿真机生产厂家开发了 大量软件工具和处理程序，目的在于增加生产率和降低软件维护工作量。尽管 这些软件包简化了软件的代码生成和维护，但建模和实时编程的基本过程仍停 留在编程阶段。主要问题是软件针对特定项目，质量一致性难以坚持：软件工 具难以移植增加了仿真机软件对特定的计算机体系结构和操作系统的依赖性： 软件的开发、调试及扩充困难。在这种背景下，2 0 世纪8 0 年代初国外开始了 自动建模的研究工作。随后，国外各大公司和研究机构在高级程序语言或仿真 语言建模的基础上，相继开发了多种一体化仿真环境( i n t e g r a t e ds i m u l a t i o n e n v i r o n m e n t ) ，又称仿真支撑软件，如美国原s i n g e r 公司l i n k 仿真系统分部 3 武汉理工大学硕士学位论文 的s 3 ，美国电力科学研究所的m m s 洲1 0 3 系统，德国西门子公司的n l o o p m 3 ，美 国a b b ( 原c e ) 公司的c e t r a n n 羽n 副，意大利自动化和计算研究中心的l e g o ，以及 加拿大c a e 电子公司的r o s e 等。 我国在2 0 世纪9 0 年代才开展这项研究工作，国内的大型仿真公司也纷纷 开始研制或在引进基础上陆续推出了各自的仿真支撑软件n 引，如广东亚仿科技 股份有限公司的a s c a 系统，清华能源仿真公司的i s s e 系统，华北电力大学仿 真控制技术工程的s t a r - 9 0 系统n 钔等。 无论是国外还是国内开发的这些支撑软件一般都具有一个共同的特点，就 是尽量地追求各个功能模块的模型及程序生成的图形化、自动化，减少手工编 程量。由于自动化建模与手工建模相比，具有生产周期短、工作效率高、通用 性强、模块易于维护和管理的特点，因此从支撑软件的开发之初，自动化建模 技术就一直是仿真技术的一个研究热点。其研究目的就是实现对象模型生成的 自动化、标准化。也就是说，在建模过程中，不需了解建模的具体细节，只需 熟悉仿真对象的工艺和相关特性即可组合出所需的实时动态模型，能实现系统 拓扑结构的自动识别和网络计算程序的自动生成。 目前比较著名的图形化建模软件主要有美国原s i n g e r 公司l i n k 仿真系统 分部的s 3 ，美国电力科学研究院的m m s ，加拿大c a e 公司的r o s e ，清华大学的 c m g s ，亚仿公司的a d m i r e ，华北电力大学仿真控制技术工程的s t a r - 9 0 系统以 及北京恒和大风软件技术有限公司的f i g a m s 等。 s 3 系统由美国原s i n g e r 公司l i n k 仿真系统分部研制，是一个支持数据库 开发、仿真程序开发、离线校验和实时运行等功能的大型支撑系统。s 3 系统中， 模块的划分方法是模型程序设计的，建模人员需要根据具体的仿真对象编制复 杂的仿真模型。经过完善的s 3 系统强化了图形功能，增加了方便的图形交互工 具g e m m s 图形化建模软件和用于组态管理的c m s 系统( c o n f i g u r a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m ) 。 删s 图形化建模软件是由美国电力科学研究院开发的。它是适用于电厂仿 真过程分析的模块化建模系统，模块化模型较为精确，但使用不够方便，能够 完成有限的图形建模。 c m g s 图形化建模软件是由清华大学热能系开发的控制系统模型支撑软件， 具有图形化建模功能。在c m g s 提供的模块图形库的基础上，建模人员可以通过 图形化方式组态生成控制系统的网络图，可以实现控制系统模型网络图到模型 4 武汉理工大学硕士学位论文 仿真程序源代码的转换，但c m g s 系统只适用于电厂的控制系统仿真，不适用于 流体网络系统的建模仿真。 s t a r - 9 0 是华北电力大学仿真与控制研究所开发的，它基于模块化结构， 支持建模人员在线交互方式建立仿真模型。可以进行汽轮机热力系统的仿真建 模，并进行热效率分析和经济分析。 f i g a m s 是应用于电站系统的图形化的仿真建模工具。主要应用对象：火电 站仿真、水电站仿真、热力管网仿真和化工过程仿真。f i g a m s 系统的特点有： 支持仿真模型开发的全部过程、模块化建模、图形化自动建模、高度的开放性、 支持多个模型协同运行、支持分布式运算等。 国内自动建模技术的研究虽然已经取得了可喜的成绩，但在以下方面存在 着一定的局限性n 6 】： 1 ) 相当一部分自动化建模软件是在国外引进的基础上进行开发的，核 心技术并没有掌握在自己手中； 2 ) 部分软件是在一些通用软件的基础上开发成功的，其依赖性很强， 受到很大的制约； 3 ) 部分自动化建模软件的专用性较强，只能局限于某个领域的自动建 模，很难扩大应用于其它领域。 1 3 自动化建模简介 自动化建模方法是目前正流行的所见即所得的解决方案，它涉及到的知识 很广。自动化建模是建立在模块化建模基础之上的。用户建立系统仿真模型的 过程，就是按照实际系统的结构图，绘制模块和模块之间连线的过程。自动化 建模方法的一般性工作原理是：先将各种设备做成模块( 模块用直观形象的图形 或图标表示) ，组成模块库，然后用户可以根据自己或现场的需要，从模块库里 选出模块来搭建系统( 组态) ，模块之间用连线来连接，当用户提示系统搭建完 成，计算机便进行系统的辨识并生成仿真源程序。当完成后，便可按用户的要 求进行相应的工作。 其自动化体现在以下几个方面： 1 ) 完备的图形功能：系统应具备功能强、使用方便的图形编辑环境。 2 ) 自动生成变量：在模型生成过程中，应能按照用户易于理解的方式，自 5 武汉理工大学硕士学位论文 动生成所需要的程序变量。 3 ) 自动生成仿真模型程序：系统应能自动生成仿真模型的源程序，并且可 以编译、链接、生成可执行文件。 与手工建模相比，自动建模可以很大程度地降低对开发者专业知识和计算 机知识的要求，大大减少了建模时间，并保证了自动生成仿真程序的一致性、 正确性。 1 4 本文的主要工作及论文结构 基于国内自动建模技术研究现状的局限性，本文基于轮机系统建模研究出 一套开发自动化建模平台的方法，掌握开发自动建模平台的核心技术；尽可能 减小自动化建模软件的专用性和局限性。 本文中的对象实例是中国海运( 集团) 总公司所属的5 6 6 8 t e u 集装箱船“新 青岛”。它的系统图如下： 图卜l “新青岛”的系统图 可以看到这张图是比较复杂的，但是可以根据系统将这张图分解，分解不 同的子系统图。本文的开发主要是针对该系统中的流体网络系统，它们是：海 水系统、低温水系统、高温水系统、滑油冷却水系统、主机冷却水系统、蒸汽 水系统。本文以海水系统为例，利用自主开发的自动化建模平台进行建模。 1 4 1 本文的主要任务 1 ) 实现模块资源管理器对模块库的管理功能； 2 ) 实现对轮机系统的流体网络拓扑识别； 3 ) 实现系统仿真源程序的自动生成： 6 武汉理工大学硕士学位论文 4 ) 将数字仿真平台整合到自动化建模平台中，实现自动化建模的仿真。 1 4 2 本文的关键问题 1 ) 轮机系统的流体网络拓扑的生成； 2 ) 轮机仿真系统的源程序的生成和保存； 3 ) 将数字仿真平台整合到自动化建模平台中，实现自动化建模的仿真。 1 4 3 论文的结构 全文共分6 章： 第1 章为绪论，首先介绍了论文研究的背景和意义，然后对相关内容的研 究现状及存在的问题进行了分析和总结，并对自动化建模做了一个简单的介绍， 最后简述了本文的主要任务和关键问题。 第2 章首先介绍了流网的辨识和分拆，接着简要介绍了邻接矩阵和邻接表， 然后介绍了建模的基本理论，并重点介绍了模块化建模方法和自动化建模方法， 最后介绍了轮机系统几个典型部件的数学模型。本章从概念和原理的角度简单 说明了有关自动化建模的一些基本理论，为后面展开拓扑分析说明做铺垫。 第3 章首先提出了本自动化建模平台的设计方案，主要包括平台的体系结 构和系统构成；然后针对某些重要部分功能描述了实现方案，主要包括模块资 源管理器的实现、图形模块的实现、系统拓扑结构识别的实现和生成仿真源程 序的实现。 第4 章探讨了自动化建模平台中所使用的关键软件技术。如面向对象技术、 重构技术、鼠标探测技术和设计模式。 第5 章结合海水系统实例，简要说明了平台的使用方法和平台所具有的功 能。 第6 章对全文进行总结，并展望进一步研究的方向。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章自动化建模的基础理论 2 1 流体网络 船舶轮机系统包括的范围很广，结构形式变化很多，但是不论其结构和管 路内部流体工质运动过程如何复杂多变，总可以看成是由大量的属于少数几个 典型种类的部件所组成的热工流体网络，其间工质运动过程遵守基本守恒定律， 即质量守恒、能量守恒和动量守恒，工质状态参数满足工质热力性质函数关系。 因此可以根据这些典型部件的特性事先建立它们的数学模型，再通过一定手段 将这些部件的数学模型组合起来构成整个轮机系统的仿真模型，即最终实现整 个轮机系统的总体组态燕工流体网络模型。另外，可以使用同一个对象模 块表示某类部件，从而用少量的模块描述包含众多设备和系统的复杂轮机系统 u 。本文将独立的轮机设备看作模块，通过分析各模块的连接，系统自动识别 出隐含在其中的流体网络。 为了使具有任意拓扑结构的流体网络实现自动建模，首先要对流体网络进 行自动识别( 即流网辨识) ，找到该网络的内节点、边界点以及支路，并进行拓 扑分析，即找到它们之间的连接关系。对流体网络实现自动拓扑识别，是实现 流体网络自动建模的关键n 朝。 流体网络无一例外都是抽象为节点和支路构成的有向图，只是不同模型的 假设条件以及节点和支路的含义有所不同，因而处理的网络的类型和节点、支 路方程的形式有所差别。在一些图论著作中支路习惯上也称之为边、弧，节点 也叫做结点或顶点。当流体网络中的支路有流体流动时，将位于流动方向始端 的节点称为始节点，位于末端的节点称为末节点。有时为研究问题方便，将管 路的某种属性的交变点也称为节点，也就是说两条物理属性不同的支路的交点 也称为节点钔。从某种意义上说，流体网络中的节点就是支路上一些有特殊意 义的点，每一支路都有两个端点，这两个端点都为节点，支路通过节点连接起 来形成网络。 2 1 1 流网辨识 流网辨识就是指通过对系统模型网络图的各个节点及其连接关系的有效识 8 武汉理工大学硕士学位论文 别，调用相应的标准模块和算法，生成流网计算的相关程序，最终实现流网上 节点的压力、温度和各流道的流量计算1 。 2 1 2 流网的分拆 流体网络系统结构复杂，变化多样。流体的压力和流量响应特性具有较强 的非线性，若网络拓扑结构稍有不同，其网络特性便可能有较大的差异；而且， 流体压力具有扰动双向传播，响应速度快的特点，导致流体网络系统、数学模 型中各个方程间的耦和关系较强，给数学模型求解带来一定困难。 流体网络是一个大规模的连通网络。它通过压力作用将流体从源点送往汇 点。通常把连通的流体网络看成一个强联系的整体，即强关联流体网络。这类 网络的规模愈大，计算愈困难。事实上，虽然大多数流体网络在结构上是连通 的，流体网络上的任一处参数的变化都会对整个流体网络产生影响，但在大多 数情况下这些影响随着流体网络之间距离的增加而削弱( 因为大规模流体网络 中往往存在大量的稳定压力点，如调压站、加压泵) 。这些相互有联系，但联系 强度随着流体网络之间的增大而减小的流体网络称为弱关联流体网络。对于大 规模的弱关联性流网，常常将流体网络的计算分拆、转化为小规模的流体网络 进行，算法简单且收敛性好。 2 2 拓扑分析的基本理论 网络拓扑结构分析要用到图论的重要知识。图论在网络拓扑结构分析中起 着重要的作用。早期的图论与“数学游戏”有密切的关系，1 7 3 6 年欧拉解决了 当时很有名的哥尼斯堡问题，图论由此开始。1 8 4 7 年基尔霍夫应用图论的方法 来分析电网络，奠定了现代网络理论的基础，这就是电路原理中基尔霍夫电流 定律和基尔希霍夫电压定律。1 9 3 6 年，哥尼格发表了第一本图论专著，从此图 论成为了一门独立的学科。随着高速数字计算机的出现和发展，图论得到了快 速的发展，其应用范围覆盖了从自然科学到社会科学的广阔的领域，包括：电 信网络、电力网络、流体网络、运输能力、控制论、可靠性理论、计算机的程 序设计、人工智能、地图着色、情报检索、社会结构、经济学、运筹学、遗传 学等2 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 图的概念 一个图g 是由有m 个顶点的非有空有限集合y 和预先给定由矿中不同顶 点构成的n 个顶点对集合e 组成，记做g = ( v ，e ) 。e 中的每个顶点对( v ，) 称 为g 的边，如果用p 表示这条边，则记p = ( v ，1 ，) 。称v ，、v ，是边e 的端点，且 称，。和1 ，是邻接的顶点。简单的说，图就是顶点和边的集合。图的顶点可以表 示事物，边表示事物之间的联系。 边e 。对应着的两个顶点分别为1 ，和 ，。当流体流动的方向是v 寸1 ，此时 将边e 。写成e 。= ，图g 称为有向图。当流体流动方向尚未确定，或者 流体流动方向与我们所研究的问题无关时，网络支路e 。即可写成e 。= ( v ，v ，) ， 也可写成e 。= ( ，咋) ，图g 称为无向图。当顶点1 ，和v ，是同一支路的两个顶点 时，有时也把该支路写成e 即在有向图中e 。= ；在无向图中 e f ，= ( 1 ，1 ，) ，或写成= ( 1 ，v ) 。 有向图和无向图是研究流体网络的两种方法，网络中的支路流向即使是确 定的，也不一定采用有向图来研究；同样，支路流向不确定时，也不一定采用 无向图。往往是对同一网络的有向图和无向图两种方法同时采用。 要进行拓扑分析，就必须把表示系统或流体网络的图进行存储。图的矩阵 表示的形式很多，常用的有邻接矩阵、关联矩阵、割集矩阵等。邻接表是邻接 矩阵的改进，是图的一种链式存储结构。本建模系统中采用的是邻接表。下面 简单介绍邻接矩阵和邻接表。 2 2 2 邻接矩阵 具有v 个顶点、e 条边的无向图g ，可由图g 的顶点集v 中每两点间邻接 关系唯一决定。其对应的矩阵 a = a 。， 是一个v 阶方阵，叫做邻接矩阵。其 中： a i j = l ，当，f 和v ，邻接； a i j = 0 ，当v ，和v ，不相邻接，或i = j 且无自环。 从上面的定义可知，无向图的邻接矩阵具有以下特点： 1 ) 一个无向图口当且仅当没有自环时，其邻接矩阵是对角线元素均为0 的 对称( 0 ，1 ) 矩阵( 若1 ，点出现自环，h ；则= 1 ) 。 2 ) 邻接矩阵 a 的每一行或每一列中的“1 的个数之和为图g 相应顶点的 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 度数。 3 ) 邻接矩阵的行和列是按相同的顶点次序排列，置换各行和相应的列，即 重新安排顶点次序，如在 a 中交换两行，则应同时交换其对应的列。 4 ) 无向图的邻接矩阵，个顶点共有v 2 平方个元素，如果有e 条边，那么 为1 的元素就应为2 p ，则为零的元素应为1 ，2 - 2 e 。 图2 1 给出了一个有6 个顶点的图的邻接矩阵。 2 6 1 2 1 o 1 3 10 a = i 4 l0 5 6 23456 1o o11 01110 1 o 1o o 1 1 0 11 1o10 0 0 o10 0 图2 一l 邻接矩阵示意图 对于无向图来说，邻接矩阵是对称矩阵。 具有1 ，个顶点、e 条边的有向图g ，可由图g 的顶点集v 中每两点间邻接 关系唯一决定。其对应的矩阵 a = a i j 也是一个v 阶方阵。其邻接矩阵具有 以下特点： 1 ) 邻接矩阵的第i 行( 或第i 列) 非零元素的个数正好是第i 个顶点的出度 ( 或入度) 。 2 ) 有向图的邻接矩阵，个顶点共有v 2 平方个元素，如果有e 条边，那么 为1 的元素就应为e ，则为零的元素应为v 2 一p 。 对于有向图来说，邻接矩阵是非对称矩阵。 用邻接矩阵方法存储图，具有直观、清晰的特点，但是对于n 个顶点的图 来说，需要n 2 个存储单元，需要的存储空间大；虽然很容易确定图中任意两个 顶点之间是否有边相连，但是要确定图中有多少条边，则必须按行、按列对每 个元素进行检测，所花费的时间代价也很大。这是用邻接矩阵存储图的局限性。 2 2 3 邻接表 邻接矩阵不仅需要的存储空间大，而且当图的边数较少时，在矩阵中会出 现大量的零元素，存储这些零元素也会浪费存储空间。邻接表是邻接矩阵法的 武汉理工大学硕士学位论文 改进，是图的一种链式存储结构乜刳。在邻接表中，把邻接矩阵的n 行改为n 个 单链表，把同一个顶点发出的边连接在同一个单链表中。图2 1 的邻接表表示 如图2 - 2 所示： 1 2 3 4 5 6 图2 - 2 邻接表 在无向图的邻接表中，顶点v ，的度恰为第i 个链表中的结点数。 在有向图中，第i 个链表中的结点个数只是顶点v 。的出度，为求入度，必 须遍历整个邻接表。 本系统中邻接表的结点的结构并不像图2 2 中的那么简单，而是每个结点 包含了更多的信息，如图2 - 3 所示。通过分析系统的邻接表，即可识别系统的 拓扑结构汹3 。 弧d 顶点i d l 输入顶点d 输出端口i d输入端口i d 弧d 顶点i d 2 输入顶点d输出端口i d输入端口i d 弧 顶点i d 。 输入顶点d输出端口d输入端口i d 图2 - 3 本系统中邻接表的结构 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 结合图2 - 3 中邻接表的结构可得出图2 - 4 所示网络的邻接表表示，如图2 5 所示。 图2 - 4 一个简单的网络图示 a la 2 a 八 bll c 2l a 3a 4 b 八 d2 i c3 2 a 5 c八 d33 da 6 八 e2l e 图2 - 5 图2 4 中网络的邻接表表示 2 3 自动化建模方法介绍 2 3 1 模块化建模方法 1 ) 模块化建模的思想 大型系统的仿真模型的开发是一件十分困难的工作，它涉及到许多方面的 问题，其中之一便是模型规模巨大，相互间不易协调处理。像轮机系统这种复 杂系统的仿真模型可能包括数万条计算机代码语句，其中包含了大量的变量、 方程和内部信息交换，以及各种复杂的逻辑关系等。如果对这些仿真模型程序、 信息资源及其开发过程没有一个很好的分类和管理方式，就会给模型的开发带 来极大的困难，。 解决这个问题的一个有效途径是将大系统分解为有限数量的容易处理的小 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 单元，分别建立这些单元的仿真模型，然后将这些小单元的模型连接在一起， 从而得到整个大系统的仿真模型。因为像轮机系统这样的大型物理系统尽管非 常的复杂，但如果我们去掉这些系统的结构形式和运行参数等各种各样的复杂 表象，抓住客观事物所应遵循的基本运动规律和事物之间的共性，通过比较和 分类，就可以发现，不论这些系统的拓扑结构和工质运动过程如何复杂多变， 总是可以看成是由大量的属于少数几个典型种类的部件( 或称模块，如管道、阀 门、风机、水泵、换热器等) 所组成，同类部件可用相同形式的数学方程来描述， 工质运动过程遵守基本守恒定律( 即质量守恒、能量守恒、动量守恒) ，工质状 态参数满足工质热力性质函数关系。因此，我们完全可以根据典型部件的这些 共性事先建立起它们的数学模型，整个系统的总体模型仅仅是这些部件子模型 通过一定手段实现的具有一定规律的组合形式，同种部件可以重复使用同一个 模块的模型。这样，借助于计算机，我们就可以很容易地解决复杂系统的建模 问题。用少量的模块便可描述包含许多设备和子系统的大系统，这就是模块化 建模方法的基本思想。模块化建模方法如图2 - 6 所示。 图2 6 模块化建模方法示意图 2 ) 模块化建模的内容 ( 1 ) 对所研究的系统进行合理的模块化分解。这是模块化建模的关键。模 块划分的形式决定了模块的连接形式，往往与研究者解决问题的侧重 点和软件使用的对象有关。模块划分的结果应保证系统的模块化分解 和模块的连接组合过程容易进行，同时可使任意一个模块的删除和插 入不给其它模块的组合过程带来影响。 ( 2 ) 建立模块模型库。有一个丰富的预设的模块模型库是模块化建模的基 础，其中应包含诸如管道、阀门、风机等等这样一些典型部件的数学 模型。这些模型根据基本守恒定律按一定规范用计算机语言写成标准 形式，作为一个代码单元存放于模块库中。 ( 3 ) 建立一套模块自动连接组合系统。这是模块化建模得以实现的保证， 也是其难点。组合系统应能够使用户在应用仿真软件时，只需按一定 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 的规则从外部送入一定的指令和数据，由计算机自动地按规定的顺序 从模块库中调出所需模块模型，并把参数值赋予该模块使其代表所研 究对象的特定部件的模型，然后将该模块与其他模块进行连接组合， 生成整个系统的模型。拆装组合模块的能力与研究对象的拓扑结构无 关，与模块内部的模型结构和形式也无关。 3 ) 模块化建模中模块划分的原则 从建模角度出发，模块的划分主要是面向实际系统的物理构成及仿真的目 的。由于实际系统多种多样，其物理构成千差万别，又有不同的仿真目的，所 以具体的划分原则必须针对某一类实际系统加以规定，但普遍遵循的三条基本 原则是： ( 1 ) 模块具有层次结构。组成系统的最基本的模块，称为基本模型，它是 描述组成复杂系统的不能再分的一个子系统。上层模块，称为拼合模 块，它由基本模块和比它低的下层模块组成，最上层的模块称为系统 模型。因此对一个实际系统进行模块划分时，要认真地对系统进行分 解并充分考虑模块间的组成关系与可连接性。 ( 2 ) 模块划分应以独立的物理设备或部件为基础。如电力系统中的电动机、 传动装置、测速装置、控制器等；轮机系统中的各种控制阀、泵、缸 等。它们要具有清晰的物理边界和足够的物理独立性。 ( 3 ) 模块应具有数学上的独立性，即描述该物理部件特性的全部方程及计 算流程都应包含在模块程序内部。 采用模块化方法建立仿真模型，极大的提高了建立和调试仿真模型的速度， 把研究人员从繁重的代码编制中解放了出来。研究人员只需从模块库中，找到 所需要的子程序，就完成了大量的代码编写任务。建立仿真模型的过程简化为： 确定要研究的对象( 系统) ，从模块库中选择相应的部件模块，确定模块间的连 接关系、收集并输入数据、参数化模型、产生源程序或可执行代码。 综上所述，由于模块化建模直接面向领域工程师，同时又可以使子模块获 得重用，因此大大缩短了建模时间。 2 3 2 自动化建模方法 自动化建模是基于模块化建模发展而来的。它继承了模块化建模的很多优 点，同时也具有一些模块化建模所不具有的特点。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 同手工建模相比，自动建模方法具有周期短、工作效率高、通用性强、模 块易于维护和管理等特点，因而引起人们广泛的注意。同手工建模相比，自动 建模可以很大程度地降低对开发者专业知识和计算机知识的要求，大大减少了 建模时间，并保证了自动生成仿真程序的一致性、正确性。 自动建模一般可分为字符方式和图形方式两种：前者是将各设备和相互之 间的连接关系利用字符的方式表示出来，然后自动生成仿真源程序和可执行程 序，对建模者具有较高的要求；后者是利用图形模块代表实际对象，将实际系 统的组成图形的方式表示出来，并自动生成仿真源程序和可执行程序。相比而 言，图形化自动建模要方便得多，而字符方式的自动建模则只能称为半自动建 模。本文所描述的是图形化自动建模。 自动化建模方法的目的是得到我们所需要的描述整个系统的仿真模型