（系统工程专业论文）企业能耗建模与仿真系统模型构造器的研究与实现.pdf

摘要 摘要 企业能源消耗系统是个非线性的高度复杂大系统，它涉及企业技术、人、 管理等多种动态的与不确定的因素及其相互关系。企业能耗过程模型主要是指 企业能源消耗的过程逻辑和影响因素之间的相互作用，包括组成能耗过程的所 有能耗活动以及它们之间的依赖关系，反映了能耗系统组成因素( 能耗设备、 能源传输管网等) 如何协同完成能源消耗活动。能耗过程模型的建立应独立于 特定的能源和用能设备，体现能源消耗过程多装置、多过程、多工序的并行、 串行、返流等特性。 。 在现有的过程建模方法中，模糊p e t r i 网作为一种系统的数学和图形化描 述和分析工具，具备描述并行，并发行为能力，且运行兼顾离散性，连续性， 为能耗过程建模分析提供了可行的分析工具。 本文以“高能耗企业能源消耗系统模型研究 和“高能耗企业能效综合评 估研究与应用 课题为背景，重点研究了基于扩展模糊p e t r i 网的企业能耗建 模方法，并围绕该方法在n e t 平台上实现企业能耗过程建模工具。论文的主要 工作如下： ( 1 ) 课题简介与现状分析。介绍了本课题产生背景和国内外能源系统模 型研究的现状。 ( 2 ) 建模理论与技术研究。以模糊p e t r i 网基本理论为基础，采用面向 对象及分层模块化设计思想，对模型元素的静态属性和动态行为作一般性的分 析，并基于n e t 开发平台，设计实现了企业能耗建模与仿真系统中模型构造功 能。该功能包括可视化建模界面、模型构造、模型保存、模型读取。 ( 3 ) 模型在企业能耗系统建模与仿真系统中的应用。以离子膜固碱生产 中的液固蒸发片段的能耗过程为例建立模型，并通过仿真结果分析，验证企业 能耗过程建模工具的有效性。 关键词：扩展模糊p e t r i 网，建模工具，企业能耗，n e t 平台 a b s t r a c t e n t e r p r i s ee n e r g yc o n s u m p t i o ns y s t e mi sah i g h l yc o m p l e xn o n l i n e a rs y s t e m ， w h i c hi n v o l v e st e c h n o l o g y , p e o p l e ，m a n a g e m e n ta n dm a n yo t h e rd y n a m i ca n d u n c e r t a i nf a c t o r sa n dt h e i rm u t u a lr e l a t i o n s e n t e r p r i s ee n e r g yc o n s u m p t i o np r o c e s s m o d e lm a i n l yr e f e r st ot h ep r o c e s so f e n t e r p r i s ee n e r g yc o n s u m p t i o na n di m p a c to f t h el o g i co ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ef a c t o r s ，i n c l u d i n gt h ec o m p o s i t i o no fe n e r g y c o n s u m p t i o no fa l le n e r g yc o n s u m p t i o no ft h ep r o c e s sa c t i v i t i e s ， a sw e l la s d e p e n d e n c i e sb e t w e e nt h e m t h em o d e lr e f l e c t se n e r g ys y s t e me l e m e n t s ( e q u i p m e n t ， a n de n e r g yt r a n s m i s s i o np i p e l i n en e t w o r k , e t c ) h o wt h ec o l l a b o r a t i v ea c t i v i t i e so ft h e c o m p l e t i o no fe n e r g yc o n s u n l p t i o i lt h ec o n s t r u c t i o no fe n e r g yc o n s u m p t i o nm o d e l w h i c hr e f l e c tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a n yp r o c e s s e si np a r a l l e ls h o u l db ci n d e p e n d e n t o ft h es p e c i f i ce n e r g ya n de n e r g ye q u i p m e n t i nt h ee x i s t i n gp r o c e s sm o d e l i n gm e t h o d s ，f u z z yp e t r in e t sa sa s y s t e mo fm a t h a n dg r a p h i cd e s c r i p t i o na n da n a l y s i st o o l s ，诹t l ld e s c r i p t i o no fp a r a l l e l ，c o n c u r r e n t c a p a c i t y , a n do p e r a t i o nb o t ho fd i s c r e t e n e s sa n dc o n t i n u i t y , p r o v i d eav i a b l ea n a l y t i c a l t 0 0 1 t h i sp a p e rt o o k t h er e s e a r c ho fe n t e r p r i s ee n e r g yc o n s u m p t i o ns y s t e mm o d e l ”， t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fe n t e r p r i s ee n e r g ye f f i c i e n c ya s s e s s m e n t a st h e p r o j e c t sb a c k g r o u n d ，a n dm a i n l yf o c u s e do nt h et h e o r yo fe n t e r p r i s ee n e r g ym o d e l i n g b a s e do ne x t e n d e df u z z yp e t r in e t , a n dt h em o d e l i n gt o o li m p l e m e n t a t i o no fm o d e l i n g a n ds i m u l a t i o ns o f t w a r ef o re n t e r p r i s ee n e r g yc o n s u m p t i o ns y s t e m t h ef o l l o w i n g sa r et h em a i nw o r k so ft h i sp a p e r ( 1 ) t o p i c sa n a l y s i s a n db r i e fi n t r o d u c t i o n i n t r o d u c et h eb a c k g r o u n da n d s i t u a t i o no ft h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g yc u r r e n t l ya th o m ea n da b r o a d ( 2 ) t h er e s e a r c ho fm o d e l i n gt h e o r ya n dt e c h n o l o g y b a s e do nt h et h e o r yo f f u z z yp e t r in e t ，u s eo b j e c t - o r i e n t e da n dl a y e r e dm o d u l a rt h o u g h tt oa n a l y z es t a t i c p r o p e r t ya n dd y n a m i cb e h a v i o ro fm o d e le l e m e n t s ，a n db a s e do n n e tf r a m e w o r k ， d e s i g na n di m p l e m e n tt h em o d e l i n gt o o lo fm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o ns o f t w a r ef o r l i a b s t r a c t e n t e r p r i s ee n e r g yc o n s u m p t i o ns y s t e m t h ef u n c t i o n si n c l u d ev i s u a lm o d e l i n g i n t e r f a c e ，m o d e lc o n s t r u c t i o n , m o d e lp r e s e r v a t i o na n dm o d e lr e a d e r ( 3 ) t h ea p p l i c a t i o no fm o d e lt o o li nm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o ns o f l w a r vf o r e n t e r p r i s ee n e r g yc o n s u m p t i o ns y s t e m t a k ef r a g r n e n to fi o ne x c h a n g em e m b r a n e s a sa ne x a m p l et oc o n s t r u c tam o d e l ，a n da n a l y z es i m u l a t i o nr e s u l t st ov e r i f yt h e v a l i d i t yo fm o d e l i n gt o o l s k 呵w o r d s ：e x t e n d e df u z z y p e t r in e t , m o d e l i n gt o o l ，e n t e r p r i s ee n e r g y c o n s u m p t i o n , n e tf r a m e w o r k i i l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 攻灵炙 z 川年弓其1 0 e l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：园定是走 2 卯7 年歹月i o 日 第1 章引言 1 1 课题的研究背景 第1 章引言 能源是工业化社会经济发展过程中的“血液 ，没有充足的能源供应，社 会经济就难以整体持续发展。我国作为世界上最大的发展中国家，目前的能源 生产量仅次于美国和俄罗斯，居世界第3 位，基本能源消费占世界总消费量的 1 0 4 ，居世界第2 位。由此可见，我国即是一个能源生产大国，也是一个能 源消费大国。但由于人口众多，我国的能源资源人均拥有量与消费量远远低于 世界平均水平。同时我国的能源消费过程中还存在十分严重的问题：能源的产 出效率及单位能耗创产值又很低：每吨标准煤的产出效率仅相当于日本的 1 0 3 、欧盟的1 6 8 ，各国每公斤标准煤能源产生的国内生产总值相对比，日 本是我国的1 5 5 倍，法国是我国的9 倍，世界平均值是我国的5 2 倍，韩国是 我国的4 3 倍，连印度也是我国的2 倍。 在能源短缺已经成为我国发展的一大障碍时，有效的解决方法除了大力开 发新能源之外，降低单位国民生产产值能源消耗值、提高能源使用效率和产出 效率等高效利用能源的节能手段亦是解决能源问题的有效手段。因此，我国政 府在中共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议中提 出：在优化结构、提高效益和降低消耗的基础上，实现20l0 年人均国内生 产总值比20 00 年翻一番，资源利用效率显著提高，单位国内生产总值能源 消耗比“十五刀期末降低20 左右。 典型能耗企业如冶金、建材、制药、有色金属、石化和造纸等属于能源消耗 密集型用户，是能源如水、电、煤、天然气、蒸汽、氧、氮、氢等能源介质的 消耗主体。该类型企业实施节能降耗的成效将显著降低我国区域或地方的能源 消耗率，对我国实现节能目标发挥重要作用。 针对发展目标，许多大中型能耗企业实施了一系列方法和措施。但在实际应 用中，由于能耗企业没有一套科学、合理的能效评估制度和方法，对能源的具 体使用情况及其产生的效益缺乏准确的认识，造成了能源在生产过程中的流失 和浪费现象，影响了产品成本的估算和企业能耗的有效控制。这些不足已经成 第1 章引言 为企业实施节能技术的重要障碍，阻碍了企业全面贯彻节能降耗、高效使用能 源的发展战略。 1 2 课题研究的现状 应对全球能源问题，各个国家形成了相应的能源研究领域，专门研究能源 开采、转化和消耗等能源活动的基本理论、方法和技术。其考虑的范围大到全 球能源一经济一环境系统的分析，小到一个能耗设备的管理和控制。 根据能源问题的不同关注侧面，能源研究领域形成了多个研究分支，能源 建模是其中较为重要也是发展较为缓慢的一个研究分支。能源建模是一种基于 模型的能源分析方法，它通过建立能源系统模型分析各种能源问题，如预测不 同区域的能源供应量、分析能源政策对能源供需水平和能源价格的影响、分析 能源技术对能源系统的影响，分析能源与经济之间的相互作用以及能源与气候 之间的相互作用等。分析的领域可以从全球逐步细化到地方区域，分析的时间 跨度可以从一个季度到半个世纪。能源建模已经成为研究能源系统的重要基础 和基本方法。下面对能源建模领域的研究现状作概括性描述。 现有各种能源建模方法及其能源模型的分析角度主要分为计量经济学和工 程学两方面，相应的可以将能源模型分为三大类：自底向上( b o t t o m - u p ) 、自 顶向下( t o p d o w n ) 和两者的综合。 自底向上的能源模型从工程学的角度注重能源技术的研究，它用来分析住 宅、服务、工业、运输、电力、精细化工和煤气加工行业中能源需求问题。主 要涉及的参数有：年g d p 、人口、行业附加值、能源效率增益和价格波动。自底 向上的能源模型的典型代表是毗r k a l ( m a r k e ta l l o c a t i o n ) 模型。m a r k a l 是 一个描述完备的能源技术评估模型，用来仿真区域能源系统，也可以用作小规 模的能源分析与优化，另外还可以评估环境的影响，如酸雨、天气变化对国家 和区域的影响。m a r k a l 不是预测未来能源系统的状况，而是寻找满足一定能源 需求的成本最低的能源生产方法及过程。m a r k a l 使用了g a m s ( g e n e r a l a l g e b r a i cm o d e l i n gs y s t e m ) 方法，该g a m s 方法广泛应用在各种能源模型中， 用于解决能源系统的各种优化问题。 自项向下的能源模型从计量经济学的角度分析各种宏观经济因素与能源系 统之间的相互作用。自顶向下能源模型将能源系统作为整个经济系统中的一个 子系统进行分析，经济因素只是作为模型的外部输入，如g d p 只是作为模型的 输入，不受能源价格和能源可获得性的影响；非传统能源技术成本作为模型 2 第1 章引言 输入：能源投资不受经济系统中其它子系统投资的影响：利率作为模型外 部输入；通货膨胀不受国内能源、生产量和政策的影响；世界石油价格不 受能源价格、生产量和政策的影响。因此，自底向上的能源模型注重的是能源 系统自生的研究问题。自顶向下的能源模型将能源系统作为经济中的一个子系 统，研究它与经济系统中其它子系统的相互影响。相对于自底向上能源模型， 自顶向下能源模型补充了能源需求及能源政策对宏观经济参数的影响。自顶向 下能源模型的典型代表是e t a m a c r o 模型，该模型提供一个宏观经济方法描述 能源一经济相互作用及改变这种作用的成本。 自底向上与自顶向下可以结合使用生成综合模型。m a r k a l - m a c r o 是这种结 合模型，它用来评估能源使用对环境影响的相关政策，采用非线性的优化方法 解决能源成本、消费和投资问题。这种综合模型也可以用来解决能源一气候问题。 d e e c o 是一种能源系统建模方法，它称为“动态能源、释放和成本优化 ( d y n a m i ce n e r g y ，e m i s s i o n sa n dc o s to p t i m i z a t i o n ) 。d e e c o 提供了一 种能源策略决策工具，它介于特定行业规划模型和长期国家规划模型之间，解 决能源策略的选择及相互作用问题。d e e c o 能有效解决对于不同的能源需求问 题，如何通过合理、有效的能源设备选择与配置方案或再生能源的使用以最低 的成本满足能源需求。 能源系统是一个多种因素交互的动力学系统，因此运用系统动力学可以构 造能源系统模型。最有代表性的是h u b b e r t 提出的石油开采与生产模型，该模 型运用系统动力学揭示了石油与天然气开采与生产应遵循的基本规律，即石油 与天然气开采与生产速度会随时间变化，其变化曲线是一个正弦波形状。波峰 为速度最高点，在速度最高点以前，速度呈指数级增长，经过速度晟高点以后， 速度呈指数级下降。a i l l 验证了这一理论的有效性。 国家能源建模系统( n e m st h en a t i o n a le n e r g ym o d e l i n gs y s t e m ) 是由 美国能源部门的能源信息管理局设计并实施的一个基于计算机的、以市场为基 础的能源分析方法。该方法针对每种能源和每个消费部门，按照各种能源之间 的经济竞争来平衡能源供需，预测期为2 0 年( 每5 年为一时段) 。n e m s 用来预测 能源、经济、环境和安全对美国能源政策以及各种能源市场假设的影响。该系 统具有分析功能。能够分析多种影响因素对能源系统的作用，这些影响因素包 括：与能源生产和使用有关的政府法律和法规，新的、先进的能源生产、转化 和消耗技术，碳释放量的减少，可再生能源的使用的提高，能源使用效率的增 加，燃料使用政策和气候变化政策等。 我国对能源建模的研究起步较晚，在上世纪8 0 年代初，我国开始意识到能 3 第1 章引言 源建模在能源预测和规划中的重要作用，开始研究我国能源模型体系，但这项 工作由于种种原因而中断。在过去2 0 年中，一些研究中国能源前景的国际合作 项目，都采用国外的能源模型进行预测。如m e d e e - s 部门分析能源模型， l e a p - 2 0 0 0 能源一环境模型等。这些模型有其各自的优点，但由于与我国能源系 统之间存在差异，难以恰当、全面地反映中国能源和经济的现实情况。 1 3 课题研究目的及意义 如前所述，由于能耗企业缺乏有效的能效评估手段，对能源的具体使用情况 及其产生的效益缺乏准确的认识，影响了产品成本的估算和企业能耗的有效控 制和决策。因此，以企业能效评估为目标，建立企业能耗系统模型，全面、准 确地反映企业生产过程中的能耗情况及影响因素，并仿真分析企业生产过程中 能源使用与消耗的动态行为，将具有重要的研究意义。 以“基于扩展模糊p e t r i 网的能耗过程建模方法一为基础，设计并实现的 企业能耗建模与仿真系统( e e c s)对企业单位产品生产过程中能耗情_msv l0 况进行建模并仿真，以此提供分析，为企业能源资源优化配置及能源的高效利 用提供分析平台。它不仅是企业实现能源消耗情况定量和定性分析的重要方法， 也是企业开展能效评估的有效手段，同时也为企业全面贯彻节能降耗、高效使 用能源的发展战略提供一定的指导。 软件的开发面向高能耗企业节能降耗的发展需求，从系统的角度将企业的 能耗过程、物料移动、资源配置、余能回收利用等数字化；同时基于所建模型， 运用仿真分析技术，获得高能耗企业科学、合理的能效评估手段。 1 4 论文研究内容及章节安排 本文的研究内容有： 第l 章引言。论述了本文的研究背景，介绍了企业能耗建模的研究现状， 并概括了本文的组织结构。 第2 章企业能耗过程建模基础理论。概述了企业能耗系统的特点和组成因 素，企业能耗过程的基本概念，并介绍了基于扩展模糊p e t r i 网的企业能耗过 程描述理论。 第3 章企业能耗建模与仿真系统模型构造器的设计。分析了系统开发平台 及系统的模块架构，并阐述了分层模块化思想在模型构造器设计中的应用。 4 第l 章引言 第4 章企业能耗建模与仿真系统模型构造器的实现。基于n e t 平台，结合 第2 章的基础理论和第3 章软件设计思想。实现了企业能耗建模仿真系统中的 模型构造器。 第5 章企业能耗建模与仿真系统模型构造器的应用。以离子膜固碱生产中 的液固蒸发片段的能耗过程为例建立模型，并通过仿真结果分析，验证企业能 耗过程建模工具的有效性。 第6 章对论文的工作进行总结，并对后续的研究工作进行展望。 5 第2 章企业能耗过程建模的基础理论 第2 章企业能耗过程建模的基础理论 2 1 企业能源消耗系统与企业能耗过程模型概述 2 1 1 企业能源消耗系统的特点及组成因素 企业能源消耗系统是一个非线性的高度复杂大系统，包含错综复杂的能源 传输管网结构、动态多变的能源消耗过程、相对固定的能耗设备配置结构等多 个具有一定结构化的子系统。 通过从高能耗企业的能耗系统的特点及其组成成分进行分析，研究企业能 源消耗系统的内部因素组成及其相互作用以及系统与外部环境因素之间的相互 作用，可以确定影响能源消耗系统动态行为的关键因素及其相互之间的约束关 系。如图2 1 所示： 图2 1 企业能耗系统关键组成因素 6 力学特性) 关系) 第2 章企业能耗过程建模的基础理论 2 1 2 企业能耗过程模型概述 企业能耗过程模型主要是指企业能源消耗的过程逻辑和影响因素之间的相 互作用，包括组成能耗过程的所有能耗活动以及它们之间的依赖关系，反映了 能耗系统组成因素( 能耗设备、能源传输管网等) 如何协同完成能源消耗活动。 由于能源消耗系统的组成及运行结构复杂，普通模型无法合理、全面、详 细地表达系统的各个层面、各个组成因素及其相互之间的关联。而采用基于能 源流的能源消耗过程模型为主线，并关联基于物理结构的传输管网模型以及描 述能耗设备动力学特性的数学与规则模型，可以很好独立于特定的能源类型和 用能设备，并体现能源消耗过程多装置、多过程、多工序的并行、串行、返流 等特性。 通过能耗过程模型将企业的能耗过程、物料移动、资源配置、余能回收利 用等数字化，使得企业通过能耗系统集成模型的建立，进一步合理安排生产流 程、调整生产要素组合优化，从而实现企业节能的目的。通过该能耗系统集成 模型的仿真，模拟企业生产过程中能源使用与消耗的动态行为，为企业提供能 耗系统动态性能分析数据，为企业单位产品的直接能耗、间接能耗以及完全能 耗等企业能耗情况提供分析，该仿真数据可以为企业能效评估提供指标计算及 评价依据。 2 2 基于扩展模糊p e t ri 网的企业能耗过程建模 针对企业能耗过程模型的特点，企业能耗过程建模方法应选取一种面向过 程的建模方法，清晰、完备地描述能耗过程各种交互行为；同时，模型应具备 一定的图形化表现能力，能够直观地反映生产过程，易于与用户沟通。 在现有的过程建模方法中，模糊p e t r i 网作为一种系统的数学和图形化描 述和分析工具，不仅具有描述并行、并发行为能力，而且在运行时不像普通p e t r i 网那样状态是离散化的，而是具有连续性的。因此，依据模糊p e t r i 网的基本 工作原理，抓住其运行状态的连续性以及同时对离散状态描述的能力，将其成 功地应用到面向企业能效评估的能耗过程建模这一新的领域，提出了一种基于 扩展模糊p e t r i 网的企业能耗过程建模方法。 2 2 1p e t ri 网基本理论 p e t r i 网是一种适用于多种系统的图形化、数学化建模工具，为描述和研 究具有并行、异步、分布式和随机性等特征的复杂系统提供了强有力的手段。 7 第2 章企业能耗过程建模的基础理论 作为一种图形化工具，可以把p e t r i 网看作与数据流图相似的通讯辅助方法： 作为一种数学化工具，它可以建立状态方程、代数方程和其他描述系统行为的 数学模型。 在传统p e t r i 网模型表示中，用圆圈代表库所( p l a c e ) ，用细长方框代表 变迁( t r a n s i t i o n ) ，用有向弧表示从库所到变迁的输入和从变迁到库所的输出。 在建模过程中，如果使用条件和事件的概念，那么位置就代表条件，转移则代 表事件。一个转移( 事件) 有一定数量的输入和输出位置，分别代表事件的前提 条件和后继条件。位置中的符号代表可以使用的资源或数据。图2 - 2 所示为传 统p e t r i 网模型的图形表示示意图( 图中的圆圈表示库所，黑色的扁矩形就表 示变迁) 。 一 、 - 厂、 图2 2p e t r i 网的图形表示 l 叼 下面简单介绍p e t r i 网的基本术语、定义、基本性质和扩展p e t r i 网的概 念。 1 传统p e t r i 网模型中的基本术语1 1 6 j ： 资源系统中发生变化所涉及的与系统状态有关的因素，包括原材料、产品、 人员、工具、设备、数据等。 库所资源按其在系统中的作用分类，每一类存放一处，则该处抽象为一个 库所，又称p 元素，库所不仅是一个场所，而且表示该场所的资源。 变迁资源的消耗、使用及产生对应于库所的变化，又称t 元素。 2 p e t r i 网的定义i l l 首先定义的是有向网。 定义l 有向网( d i r e c t e dn e t ) 8 第2 章企业能耗过程建模的基础理论 三元组n = ( s ，t ，f ) 称为有向网的充分必要条件是： 1 ) s i l t = 空： 2 ) s u t 空： 3 ) f s x t u t s ； 4 ) d o r a ( f ) u c o d ( f ) = s u t ，其中 d o m ( f ) = x i3 y ：( x ，y ) f ) c o d ( f ) = yi3 x ：( x ，y ) f 它们分别为f 的定义域和值域。 上述s 和t 分别称为n 的库所( p l a c e ) 集和变迁( t r a n s i t i o n ) 集，f 为流关 系( f l o wr e l a t i o n ) 。 库所和变迁又称为s 元素和t 元素，或s 元t 元。x = s u t 称为n 的元素集。 定义2p e t r i 网 四元组p n = ( p ，t ，a ，m ) 被称为p e t r i 网，当且仅当满足条件： ( 1 ) n = ( p ，t ，a ) 构成有向网，称为p e t r i 网的基网。 ( 2 ) 库所集p 是有限非空集，p = p i ，p 2 ，p - ) ：变迁集t 是有限非空集， t = t l ，t 2 ，t n ) ：a 是有向弧集即流关系：m 0 是初始标记，是从p 到非负整数集n 的映射。 定义3 设x x 为n ( 或p n ) 的任一元素( 节点) ，则 ( 1 ) x = yio ，x ) f ) 称为x 的前集( p r e - s e t ) 或输入集。 ( 2 ) x = zi ( x ，z ) f 称为x 的后集( p o s t - s e t ) 或输出集。 在一个p e t r i 网的系统中，库所通常用于描述可能的系统的局部状态，变迁 用于描述修改系统状态的事件，流关系用于表示局部状态和事件之间的关系， 用t o k e n 表示库所包含的资源数。 定义4 强连接的p e t r i 网 p e t r i 网是强连接的，当且仅当对于每对节点( 即库所和变迁) x 和y ，存在 一条从x 到y 的路径。 3 p e t r i 网的基本性质i l i p e t r i 网的基本性质包括： ( 1 ) 有界性用于刻画状态空间的有限性。库所可以容纳的托肯数的最大 值是它( 标识) 的界。若库所的界是有限的，则库所称为有界的。如果p e t r i 网 9 第2 章企业能耗过程建模的基础理论 的每个库所都是有界的，则称其为有界的。一般情况下，系统有界性是需要的 行为特征。 2 ) 活性与所有可达标识下的潜在发生权有关。无死锁是一个弱化的它指 p e t r i 网模型的全局的无限动作能力，但它的某个部分可能根本不工作。如果 p e t r i 网在任一可达标识下，都至少有一个变迁能发生，则称为无死锁的。活性 比无死锁具有更强的条件。如果变迁在任一可达标识下都具有潜在发生权，则 称变迁为活的。如果所有变迁都是活的，则p e t r i 网系统称为活的。 活性、有界性是不同的“良好一行为特征，也是一个p e t r i 网系统常常需 要的。 4 扩展的p e t n 网l l i 传统p e t r i 网在实际描述业务过程中暴露了一些缺点，例如，它会交得很 庞大而难以理解，或者它不能对某些活动进行建模。于是对传统p e t r i 网进行 了有益的扩展，其原则是对复杂的情况用结构化的、容易理解的方式进行建模。 在具体的应用中，为了在模型状态转移和逻辑控制上便于有效的描述和分 析，出现了扩展了的着色p e t r i 网c n p 并b 时间p e t r i 网t n p ：为降低建模过程 中复杂程度，提出了展，一个过程能由子过程构成，其子过程又能由更深层次 的子过程构成，从而可以层次化地构造一个复杂的过程，体现了自顶向下，分 而治之的思想，同传统的软件工程结构化的方法很相近，这样便出现了层次上 的扩展。 1 ) 着色的扩展。这种扩展确保每个标记都被提供一个值，即颜色。因为每 个标记都有一个值，通过它能对标记进行区分。通过给标记赋值，就好比给它 们涂上了不同的颜色。变迁所产生的标记，取决于实施时被消耗的标记的值： 生产出的标记的值也可以依赖于那些被消耗的标记的值。生产的标记数目也是 变化的，即生产的标记数目由被消耗的标记的值决定。在经过颜色扩展的p e t r i 网中，可以为要被消耗的标记的值设置前置条件。这样，变迁只有在每个输入 库所中都有一个标记并且前置条件满足时才能就绪。同传统p e t r i 网相比，颜 色扩展使得图形无法表示网的全部信息。对每个变迁，需要指出如下因素：是 否有前置条件，如果有，则必须准确定义：每次实施往每个输出库所送出的标 记个数，该值可能依赖于被消耗的标记的值：生产出来的标记的值，可能也依 赖于被消耗的标记的值。 1 0 第2 章企业能耗过程建模的基础理论 2 ) 时间的扩展。当希望对一个程序活动的预期性能进行判断时，就通过时 间扩展的p e t r i 网建模。但传统p e t r i 网不允许“时间 建模。即使进行了颜 色扩展，对过程时间进行建模仍然很困难。于是，需要对传统p e t r i 网进行时 删扩展。采用时间扩展，标记将时间戳作为一个值。该时间戳指明标记自何时 可用。只有在每个被消耗的标记的时间戳早于当前时间时，变迁才能就绪。换 句话兑，变迁的就绪时刻是它的输入库所包含足够的可用标记的最早时刻。标 记的消耗按照先进先出( f i f o ) 规则。拥有最早时问戳的标记首先被消耗。此外， 具有最早就绪时刻的变迁首先实施。如果有多个变迁有相同的就绪时刻，就出 现了不确定性选择。而且，一个变迁的实施可能影响另外一个变迁附就绪时刻。 3 ) 层次的扩展。尽管能用颜色和时间扩展描述非常复杂的过程，但是得到 的p e t r i 网通常无法正确地反映建模的过程。因为这样的过程建模会产生一个 无所不包的、“平铺直叙 的搿大一网，因而淹没了它结构，从而无法观察到用 p e t r i 网建模的过程的层次结构。通过( 子) 过程的应用，可以自顶而下或自底向 上层次化地构造p e t r i 网。自顶而下的方法，从最高层次开始，过程不断地被 分解为一子过程，直到摄底层只包括变迁和库所。反复的分解得到层次化的描 述。自底向上的方法恰好相反。从最底层开始，首先，详细地描述基本组件， 这些元素( 子过程) 被组合成更大的过程。不断组合，最终得到过程的全部描述。 对复杂过程建模时，层次化的描述方法通常是绝对必要的。只有通过把过程分 割为小的子过程，才能化简过程的复杂性。 2 2 2 企业能耗过程的扩展模糊p e t ri 网描述 企业能耗过程模型主要是指企业能源消耗的过程逻辑和影响因素之间的相 互作用，包括组成能耗过程的所有能耗活动以及它们之间的依赖关系。反映了 能耗系统组成因素( 能耗设备、能源传输管网等) 如何协同完成能源消耗活动。 能耗过程模型的建立应独立于特定的能源和用能设备，体现能源消耗过程多装 置、多过程、多工序的并行、串行、返流等特性。 针对企业能耗过程模型的特点，企业能耗过程建模方法应选取一种面向过程 的建模方法，清晰、完备地描述能耗过程各种交互行为；同时，模型应具备一 定的图形化表现能力，能够直观地反映生产过程，易于与用户沟通。 在现有的过程建模方法中，模糊p e t r i 网作为一种系统的数学和图形化描述 和分析工具，不仅具有描述并行、并发行为能力，而且在运行时不像普通p e t r i 第2 章企业能耗过程建模的基础理论 网状态是离散化的，而是具有连续性的。因此，企业能耗过程建模将基于模糊 p e t r i 网的基本原理，依据能耗过程的特点作相应的扩展，从而提出“基于扩展 模糊p e t ri 网的能耗过程建模方法 。 方法的基本理念为：用模糊p e t r i 网的模糊变迁表示各能耗活动，用模糊库 所表示能耗活动相应的原料和成品的仓库，模糊库所中的标记数表示原料和成 品的数量，相应的供需关系用结点间的连线表示，连线的连接强度表示从起点 到终点运输原料或成品时的损耗率。在熟悉企业的一般能耗过程之后，运用该 方法可以将企业能耗过程映射为模糊p e t r i 网的形式，并引入相应的转换规则。 本文仅给出与论文有关的基本定义1 1 i i 堋。 定义1 ：企业能耗过程模糊p e t r i 网模型( e e c - f p n ) 的定义 定义为一个9 元组：e e c - f p n = ( 只zg ，玎，r o ，犯肥m o ( p ) ，三) 。 其中，尸= p ，如：r 是模糊库所的有限集合，用于代表企业原料( 包括能 源和非能源等物质) 和成品的仓库； 弘 乃，而 是模糊变迁的有限集合( p n 弘玩即尸集与丁集不相交) ， 用于代表企业的能耗活动、能耗设备或生产加工单元； g = g ，6 2 , ：g 是有限的非空门集，它与变迁的控制相联系，可用于代表能 源传输管网中的分支汇聚以及散出阀门，并可以控制输入或输出生产中的不同 物质流； 玢是p t 上的一个带标识的模糊关系，表示库所到变迁的连接情况和连接 线上的额定输入量、连接强度吼以及相应的输入强度计算函数( i k ，口i ) ，在 能源消耗过程模型中，函数( i k ，吼) 和可根据具体情况采用不同的定义，例 如：当连接强度表示“能源传输管网的最大传输率”一类物理意义时，可令 ( i k ，) = m i n i i ，吼 ，当连接强度吒表示“传输损耗率 之类含义时，可用 5 ( i 。，吼) = k 吼表示能源传输过程中的耗能量： 场是r 尸上的一个带标识的模糊关系，表示变迁到库所的连接情况和连接 线上的额定输出量f ，、连接强度，以及相应的标记增量计算函数( f ，) ，在 能源消耗过程模型中， ，和g o ( i j ，) 的定义，同吒和巧( 缸，口。) 的定义相似； s p c p 为初始模糊库所集，也即e e c - f p n 网络的开始结点。e p c p 为终止 模糊库所集也即e e c f p n 网络的结束结点。它们分别用于代表生产过程的开始 与结束位置： 坝尸) 是定义在p 上的一个取值于【o ，) 中实数的函数，表示库所在运行开 1 2 第2 章企业能耗过程建模的基础理论 = ( eq 彳，刀) 是附加信息集合，其中e 为外部事件集合；q 为外部运 对犯p ，纠川一。肌曩= ：，渊； 对v 正r ，t s 是1 0 元组：乃= ( 乃，z ，q l ，p f ，冠，4 ，p o , ，g ，h r 办j ) 。 度r a i k ，吼) 上的一个非负函数，称为模糊变迁乃的状态转移控制函数，当z 乃 q ，eq 是模糊变迁乃的运算控制，可用于表示能耗设备或单元能耗活动的动 f 0 ，如果乙自动完成 f = 1 ，如果互由人工完成 i2 ，如果i 由人机交互完成 1 3 第2 章企业能耗过程建模的基础理论 出数据对象集，i p o 。c p 为乃的输入对象集，0 p qc p 为瓦的输出对象集； g ，g 为乃的门集( 令g = 1 ( 7 ，为瓦的输a f - 集，g - - = o g j 为乃的输出门 集) ，它将消息令牌或不同物质流的传送、接收及路由等管理功能从模糊变迁与 模糊库所中分离出来，使得模型的结构更加清晰、合理； n i - - ( 1 ，) ，表示该乃的嵌套属性， ，= o ：器抽象的，如果卢l ，f e e c - f p n s ( e e c - f p n s 是e e c - f p n 的子网) o h = o 耋裟；对于离散的乃，d 力为乃引发的时延，而对于连续的 乃，则可定义模糊变迁乃的最大激发速度为v 1 i ，y 力= 1 如。 定义4 ：e e c f p n 中父网与子网之间的联系 如果e e c - f p n 模型中存在嵌套型模糊变迁乃，即氏驴1 ，( 正) = e e c f p n s ， 并且乃的输入输出数据对象集分别为z p 口和卯o ，则s p ( e e c f p n s ) = i p q ， e p ( e e c - f p n s ) = o p o e 定义5 ：能源传输管网e i o 定义 能源传输管网是企业能耗系统中各能耗活动间能源与非能源物质的流动载 体，它不仅传输能源物质，亦传输物料和产品等非能源物质，这里统称为能源 传输管网。能源传输管网模型不仅反应了能源传输管网的静态物理结构等信息， 而且作为能源或产品仓库与能耗活动间的输入输出连接线，使得各能耗活动通 过流程控制条件相互联系起来，它反映了各能耗活动在不同时刻的输入输出量 的变化以及能源传输过程中的耗能量。 每个能源传输管网都包括： l 、静态的物理结构属性： ： 2 、动态的传输信息： ； 3 、网络连接结构： ； 4 、外观属性： 。 上述各属性中，网络连接结构反映了能源或物料上下游间的流向，源结点 表示能源传输管网的起始连接处，当然可以是能源或物料仓库也可以是能耗设 备，而目标结点表示能源传输管网的连接终端，代表了能源或物料传送目的地。 1 4 第2 章企业能耗过程建模的基础理论 而动、静态属性相结合则能够反映能源供给或产品产出状况的动态变化情况。 其中，静态的物理结构属性往往是给定的固定值，而动态的传输信息则是因物 料的供给情况等外部因素的变化而动态变化的。 能源传输管网模型的建立主要是对上述4 方面属性的描述，其具体定义如 下： e i o = ( 五，7 ，厶，国，s ，f r o m ，t o ，0 ) 。其中五表示最大传输速率；r 表示传输 损耗率；工和，分别代表能源传输管网的长度和直径：缈表示实际传输率；而 s v ( e ，丁) ，o ( p ，丁) 是关于允、，7 以及彩的传输强度计算函数，当能源传输管网 e i o 是从能源仓库p 到能耗单元l 即f r o m = p ，t o = t 时，则s = ，( 尸，丁) ；而当 e i o 的源结点为乃目标结点为尸时，则s = o ( p ，丁) ，即j ( 尸，乃和o ( p ，丁) 分别 代表输入和输出传输强度计算函数；0 是从图形化的角度定义能源传输管网的 外观特性，主要包括管网外形粗细和颜色取值的选取。 定义6 ：企业能耗系统模型中的信息模型 信息模型主要是描述能耗过程定义中的相关数据，包括能源和非能源数据、 产品与中间产品数据以及系统数据和环境数据等，并为能耗系统中相关数据和 信息管理提供平台，同时便于仿真信息数据库以及仿真报表的生成。企业能耗 系统模型中信息模型的定义如下： d