不確定因素作用下流程工業(yè)能耗過程建模與仿真方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于流程工業(yè)能效評估技術領域，設及一種考慮不確定性因素影響的流程 工業(yè)能源消耗過程建模與仿真分析方法。
【背景技術】
[0002] 模型是大規(guī)模、復雜工程系統(tǒng)分析的基礎。在實際流程工業(yè)，如：石油、化工和鋼鐵 等生產(chǎn)系統(tǒng)中直接進行測試與分析是不經(jīng)濟、不現(xiàn)實的，基于模型化的流程工業(yè)能耗過程 仿真分析，可W通過模型輕松變更單元模塊或系統(tǒng)結構，方便地實現(xiàn)方案評價和比較，并可 用于極端條件下的能耗過程性能研究，運對于模擬流程工業(yè)能量傳遞行為并實現(xiàn)其能效分 析具有重要的意義。然而，不確定性因素是導致模型偏離實際的主要原因，建立不確定性因 素作用下流程工業(yè)能源消耗過程模型與仿真分析方法，才能較為真實地反映實際生產(chǎn)用能 狀況，從而更為準確、合理地分析與評估流程工業(yè)的用能狀況。
[0003] 當前流程工業(yè)的模型仿真多采用序貫模塊法和聯(lián)立方程法。序貫模塊法在模擬單 一方向上逐單元傳送且無物流和能流循環(huán)的簡單流程下十分有效，但對于能源傳遞過程中 具有繞行和反饋等復雜情況時，則需要借助對流程分塊、切割等手段進行處理，從而加大了 模擬計算的工作量，增加了仿真的難度；聯(lián)立方程法需要對復雜流程系統(tǒng)建立相應的方程 組，但是正確建立龐大的方程組比較困難，并且需要高效的方程組求解算法輔助。由于流 程工業(yè)能耗過程中物流、能流和信息流的禪合傳遞，W及并行、繞行和反饋等錯綜復雜的聯(lián) 結結構，使得序貫模塊法和聯(lián)立方程法較難準確、方便地模擬流程工業(yè)生產(chǎn)能耗過程。近 些年，許多學者借助佩特里（Petri)網(wǎng)對復雜結構系統(tǒng)的刻畫和動態(tài)行為分析能力，提出 了多種面向企業(yè)生產(chǎn)過程的Petri網(wǎng)的改進與擴展方法，多數(shù)用于過程控制、批處理和生 產(chǎn)調(diào)度等方面。隨著全球節(jié)能降耗工作的開展，面向企業(yè)能源消耗過程的化tri網(wǎng)應用得 W開展。德國呂袖堡大學An化eas Moeller用Petri網(wǎng)方法仿真物質流系統(tǒng)，用庫所表示 物料，變遷激發(fā)代表物料消耗。（ANDREAS M，MARTINA P，MARIO S，et al. Simulation and optimization of material and energy flows systems[C]. Proceedings of 2009Winter Simulation Conference.化 wYork，N.Y，，USA: I 邸E，2009 :1444-1455.)同濟大學 CIMS 研究 中屯、的王堅等人將一階混雜化tri網(wǎng)的方法應用在企業(yè)節(jié)能生產(chǎn)過程上，并通過matl油實 現(xiàn)仿真和線性尋優(yōu)。運些研究成果對企業(yè)生產(chǎn)和能耗過程復雜的系統(tǒng)結構進行了合理的描 述。但是，當前運些過程仿真算法忽略了不確定性因素對實際生產(chǎn)和能耗系統(tǒng)的影響，在實 際生產(chǎn)中往往由于設備老化、外部工作氣壓與溫度的變化等不確定性因素的存在，使得忽 略不確定性因素后建立的模型會和實際的生產(chǎn)過程存在著一定的偏差，從而導致忽略不 確定性因素后的仿真分析結果無法較為真實地反映實際生產(chǎn)用能狀況。因此，在充分考慮 動態(tài)不確定因素的影響下，同時綜合物料、能源、設備、信息、傳輸管網(wǎng)等方面因素的交互作 用，建立不確定因素作用下流程工業(yè)能耗過程模型，并提供不確定因素作用下其能耗過程 的仿真運行解算方法，是本專利申請的特色創(chuàng)新。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對流程工業(yè)多品種、不確定、非線性W及連續(xù)性的生產(chǎn)特點， 提出一種不確定因素作用下流程工業(yè)能源消耗過程建模與仿真分析方法。該方法不僅體現(xiàn) 能流、物流的連續(xù)性W及控制、狀態(tài)信息變化的離散性，而且充分考慮流程工業(yè)生產(chǎn)中廣泛 存在的不確定因素對設備效能的影響。
[0005] 本發(fā)明提出的方法包括："不確定因素作用下流程工業(yè)能耗過程建模方法"和"不 確定因素作用下流程工業(yè)能耗過程仿真方法"，具體內(nèi)容如下：
[0006] (一）不確定因素作用下流程工業(yè)能耗過程建模方法
[0007] 該方法的主要思想為：將=角模糊數(shù)引入混雜化tri網(wǎng)，W =角模糊數(shù)描述設備 的瞬時激發(fā)速度，并W =角模糊數(shù)互補判斷矩陣描述各不確定性影響因素之間的比較關 系，通過多屬性決策的=角模糊數(shù)綜合評價法對生產(chǎn)過程中設備的實際激發(fā)速率做出決 策，旨在建立更加符合流程工業(yè)實際能耗過程的模型，從而體現(xiàn)不確定性因素對用能設備 的動態(tài)影響。該方法的具體定義如下：
[0008] 定義1不確定性因素作用下流程工業(yè)能耗過程模型，記為CECPMJJF，定義為一個 屯元組：
[0009] CECPM _UF = (P, T, A, V, 1,0,M)
[0010] 其中，P = PcV P D= IP 1，. . .，PmHm > 0)是庫所的有限非空集合。Pc代表在連 續(xù)型企業(yè)能耗過程中存放資源的倉庫，資源包括能源物質和非能源物質（原料、輔料、中間 產(chǎn)品和最終產(chǎn)品）。Pd是離散庫所集，VC6P。用于反映設備工作狀態(tài)，如設備的運行與停止。 在模型中，分別用"O "表示Pc，" O "表示Pd。
[0011] T = TcVTd=巧1，...，T。} (n>0)是變遷的有限集合。Tc是連續(xù)變遷集，€7；， T，代表連續(xù)型企業(yè)能耗過程中的工序或設備；T D是離散變遷，vr, E 7；，T,在企業(yè)能耗過程中 用于表示設備的啟、停操作和隨機事件（如設備故障）的發(fā)生。啟、停操作和隨機事件的發(fā) 生會使設備運行狀態(tài)發(fā)生變化。在模型中，分別用"日"表示Tc,":]"表示Td。
[001引 A= {(PXT) V (TXP)}是庫所和變遷之間帶標識的有向弧集。根據(jù)連接對象的不 同，模型中定義了連續(xù)弧、離散弧和交互弧。其中，連續(xù)弧（一）連接連續(xù)庫所和連續(xù)變遷， 反映了企業(yè)能耗過程中物料、能源的流動；離散?。ㄒ唬┯脕磉B接離散庫所和離散變遷， 在能耗過程中反映的是設備狀態(tài)等信息的流動。交互弧（)用于連接連續(xù)庫所與離散變 遷、或離散庫所與連續(xù)變遷，反映了連續(xù)行為和離散因素的相互影響，在模型中，若PiG Pd 和Tj G T C之間通過交互弧連接，從Pi指向T j, I任1，Tj) =0表示設備Tj與某離散信息Pi 之間相關聯(lián)，T，的工作將受P 1狀態(tài)變化的影響。此外，若P 1G P。且T , G T D，那么，對于某 交互弧I(Pl，T,)而言，當t時刻出現(xiàn)Ml(Pl)=0或Ml(Pl)>Mmax(Pl)的情形，將會引起設備 T，停機，運里，I (P 1，T,) = 0僅表示停機動作的觸發(fā)并不會消耗倉庫Pi中的資源。
[0013] ^ =巧，...式，...^〇批^〇)為連續(xù)變遷的激發(fā)速率集，可^反映各用能設備的工作效率， 在能耗過程中，各用能設備的激發(fā)速率除了受到物料和能源供給速率的影響外，還要受到 生產(chǎn)過程中各種不確定性因素的影響，為考慮運些不確定性因素對設備生產(chǎn)率和能效的影 響，在^,的定義中引入^角模糊數(shù)，將第j臺設備的瞬時激發(fā)速率表示為^^,=的.^^)，其中 7, ef，且V; <v; <v; ,V；代表設備的最小激發(fā)速率，當V;趨近于零時，則假設企業(yè)從無窮小的 速率維持生產(chǎn)；V;'代表設備的最大激發(fā)速率，其值取決于設備在理想狀態(tài)