專利名稱：基于分層有色Petri網(wǎng)(HCPN)的煉鐵系統(tǒng)物流能耗模型的建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋼鐵能源系統(tǒng)中的物流能耗建模研究領(lǐng)域，特別涉及一種分層有色Petri網(wǎng)對鋼鐵制造系統(tǒng)物流能耗的建模方法。依據(jù)分層有色Petri網(wǎng)，使用優(yōu)化建模工具建模煉鋼流程，清晰直觀地描述錯(cuò)綜復(fù)雜的能源流程，
背景技術(shù)：
在當(dāng)今世界，能源問題是世界關(guān)注的問題，同樣在我國能源問題也日益成為國家生活乃至全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。工業(yè)企業(yè)，尤其是鋼鐵企業(yè)是能源消耗的大戶，成為節(jié)能降耗的重中之重。我國鋼鐵企業(yè)的節(jié)能工作也走過了從單體設(shè)備節(jié)能到工藝節(jié)能，再到系統(tǒng)整體節(jié)能的幾個(gè)階段。而貫穿這幾個(gè)節(jié)能階段的方法都是以對能源消耗的清晰建模為基礎(chǔ)。建模分析這樣一個(gè)大規(guī)模的，高度復(fù)雜的系統(tǒng)，基于模型的方法是極為重要的科學(xué)方法，可 以對復(fù)雜的物流能耗流程系統(tǒng)進(jìn)行建模，予以恰當(dāng)?shù)某橄?，對其進(jìn)行分析、優(yōu)化、仿真驗(yàn)證。煉鐵物流系統(tǒng)建模與分析是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題，對物流和供應(yīng)鏈系統(tǒng)建模的理論和方法很多，現(xiàn)有的對鋼鐵企業(yè)能源消耗過程的建模方法，主要集中在利用近代數(shù)學(xué)領(lǐng)域的方法建立反映生產(chǎn)過程中能源消耗規(guī)律不同角度的數(shù)學(xué)模型，主要有投入產(chǎn)出模型，回歸統(tǒng)計(jì)模型，數(shù)學(xué)規(guī)劃模型等方法。它們都有各自的優(yōu)點(diǎn)，但都不能直觀地反映企業(yè)用能過程的多裝置、多過程、多工序的并行、串行、繞行、返流等結(jié)構(gòu)特性，并且不易執(zhí)行驗(yàn)證。在建模方法中，Petri網(wǎng)作為一種建模方法,具有較強(qiáng)直觀性,且可以描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、異步、并發(fā)等特征，而制造業(yè)企業(yè)內(nèi)部的物流也是一個(gè)混合動(dòng)態(tài)的過程，具有異步、并發(fā)等特征，故非常適合于用Petri網(wǎng)來描述。所以，Petri網(wǎng)已成為建模和分析制造系統(tǒng)的成熟工具，在制造流程建模和仿真中已經(jīng)得到了大量的應(yīng)用，但是對于鋼鐵制造系統(tǒng)這么復(fù)雜的建模，用基本Petri網(wǎng)對這些屬性進(jìn)行描述時(shí)，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)模型規(guī)模的急劇增大，而給建模造成困難，同時(shí)，也會(huì)給局部模型的分析帶來困難。最近20年，傳統(tǒng)Petri網(wǎng)已擴(kuò)展了顏色、時(shí)間和層次等概念，給許多建模提供了更方便的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對以上提到的傳統(tǒng)Petri網(wǎng)對復(fù)雜煉鐵系統(tǒng)建模的不足，以及為了分析煉鐵系統(tǒng)流程特性，通過模型調(diào)整生產(chǎn)要素組合，進(jìn)一步合理安排生產(chǎn)流程，調(diào)節(jié)生產(chǎn)參數(shù)和企業(yè)的余能回收利用，實(shí)現(xiàn)高能耗企業(yè)的節(jié)能降耗，提供一種基于分層有色Petri網(wǎng)的煉鐵系統(tǒng)物流能耗建模的方法。本發(fā)明提供的基于分層有色Petri網(wǎng)(HCPN)的煉鐵系統(tǒng)物流能耗模型的建模方法，其中運(yùn)用了逐次分解法和部分描述法，來簡化龐大、復(fù)雜煉鐵系統(tǒng)的建模難度，清晰直觀地描述錯(cuò)綜復(fù)雜的煉鐵系統(tǒng)能源流程，且有利于對每一子系統(tǒng)部分的詳細(xì)分析；再以轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)周期為基準(zhǔn)，把已建立好的煉鐵系統(tǒng)物流能耗Petri網(wǎng)模型離散化，再代入煉鐵系統(tǒng)Petri網(wǎng)的各物料及能量的加入和消耗量進(jìn)行賦值計(jì)算仿真，分析流程特性，通過模型調(diào)整生產(chǎn)要素組合，進(jìn)一步合理安排生產(chǎn)流程，然后將HCPN模型直接應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)調(diào)度控制中，實(shí)現(xiàn)最佳物流能耗調(diào)度，實(shí)現(xiàn)高能耗企業(yè)的節(jié)能降耗；具體步驟如下第I.按照逐次分解法，先把煉鐵系統(tǒng)建立一個(gè)粗略的主Petri網(wǎng)，其中包括了煉焦，準(zhǔn)備燒結(jié)礦，高爐煉鐵三大部分；第2.再用部分描述法，對煉焦，準(zhǔn)備燒結(jié)礦，高爐煉鐵每一大部分用Petri網(wǎng)進(jìn)行建模； 第3.把煉焦，準(zhǔn)備燒結(jié)礦，高爐煉鐵工序用傳統(tǒng)Petri網(wǎng)分別建出的子系統(tǒng)模型，再掛到主Petri網(wǎng)中，建立更完整的Petri網(wǎng)模型；第4.其中，又對用傳統(tǒng)Petri網(wǎng)建出的準(zhǔn)備燒結(jié)礦的子系統(tǒng)模型運(yùn)用了逐次分解法，把已經(jīng)過部分描述法用傳統(tǒng)Petri網(wǎng)建出的準(zhǔn)備燒結(jié)礦的子系統(tǒng)模型中的燒結(jié)部分，又細(xì)化出了更詳細(xì)的子系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型；第5.采集企業(yè)煉鐵系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)建立煉鐵系統(tǒng)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)物質(zhì)能耗輸入輸出對應(yīng)關(guān)系，把煉鐵系統(tǒng)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)物質(zhì)能耗的發(fā)生規(guī)則映射為分層有色Petri網(wǎng)遷移中的遷移關(guān)系式；再把預(yù)處理的數(shù)據(jù)代入已建好的煉鐵系統(tǒng)物流能耗Petri網(wǎng)模型運(yùn)行和驗(yàn)證；第6.其中按照第5步所述的方法，在對煉鐵系統(tǒng)物流能耗Petri網(wǎng)模型運(yùn)行和驗(yàn)證時(shí)，以轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)周期為基準(zhǔn)離散化煉鐵系統(tǒng)物流能耗模型，即以是煉鋼系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)周期為標(biāo)準(zhǔn)，對連續(xù)的煉鐵系統(tǒng)相應(yīng)的進(jìn)行離散化，從而進(jìn)行采樣再賦值，用離散化后的采樣數(shù)據(jù)來對所建的煉鐵系統(tǒng)物流能耗Petri網(wǎng)模型進(jìn)行運(yùn)行和驗(yàn)證；通過對更清晰的模型仿真，得到以初始狀態(tài)時(shí)煉鐵系統(tǒng)的用能參數(shù)和操作參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)一段時(shí)間中的各個(gè)庫所中標(biāo)識(shí)的變化，來分析物料和能量的消耗，應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)調(diào)度控制中，實(shí)現(xiàn)最佳物流能耗調(diào)度，達(dá)到企業(yè)的節(jié)能降耗的目的。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果本發(fā)明在不改變最后煉鐵系統(tǒng)物流總Petri網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用分層有色Petri網(wǎng)的建模方法給煉鐵系統(tǒng)物流進(jìn)行建模。本發(fā)明與現(xiàn)有煉鐵系統(tǒng)Petri網(wǎng)建模技術(shù)相比，運(yùn)用了分層的特性，簡化了龐大，復(fù)雜煉鐵系統(tǒng)的建模難度，提高了系統(tǒng)的良好構(gòu)造，既能使分析工作在不同的構(gòu)造階段進(jìn)行，同時(shí)也能保證其結(jié)果對總體模型有效。本發(fā)明還使用了以轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)周期為基準(zhǔn)來離散化煉鐵系統(tǒng)物流能耗Petri網(wǎng)模型的方法。使對所建的煉鐵系統(tǒng)物流能耗Petri網(wǎng)的賦值更宜進(jìn)行。


圖I為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的煉鐵系統(tǒng)主Petri網(wǎng)模型；圖2為所建主系統(tǒng)中分離出的煉焦子系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型；圖3為所建主系統(tǒng)中分離出的燒結(jié)子系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型；
圖4為所建主系統(tǒng)中分離出的高爐煉鐵子系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型；圖5為所建主系統(tǒng)中分離出的最后煉鐵系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例煉鐵系統(tǒng)中，主要包括了煉焦，準(zhǔn)備燒結(jié)礦，高爐煉鐵三大部分，前兩個(gè)工序的主要產(chǎn)物焦炭和燒結(jié)礦是高爐煉鐵的主要能源和原材料，并輔以煤粉、生礦、球團(tuán)等其他原材料和能源，通過高爐中的化學(xué)反應(yīng)，得到鐵水。根據(jù)以上流程，進(jìn)一步去建立煉鐵系統(tǒng)的分層有色Petri網(wǎng)模型。第I.按照逐次分解法，先把煉鐵系統(tǒng)建立一個(gè)粗略的主Petri網(wǎng)，如圖I所示，其中包括了煉焦TOI，準(zhǔn)備燒結(jié)礦T02，高爐煉鐵T03三大部分。其中各部分庫所標(biāo)識(shí)，變遷標(biāo) 識(shí)，如表1，表2所示。表I為所建模型中庫所及其含義
權(quán)利要求
1.ー種基于分層有色Petri網(wǎng)(HCPN)的煉鐵系統(tǒng)物流能耗模型的建模方法，中運(yùn)用了逐次分解法和部分描述法，來簡化龐大、復(fù)雜煉鐵系統(tǒng)的建模難度，清晰直觀地描述錯(cuò)綜復(fù)雜的煉鐵系統(tǒng)能源流程，且有利于對每一子系統(tǒng)部分的詳細(xì)分析；再以轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)周期為基準(zhǔn)，把已建立好的煉鐵系統(tǒng)物流能耗Petri網(wǎng)模型離散化，再代入煉鐵系統(tǒng)Petri網(wǎng)的各物料及能量的加入和消耗量進(jìn)行賦值計(jì)算仿真，分析流程特性，通過模型調(diào)整生產(chǎn)要素組合，進(jìn)ー步合理安排生產(chǎn)流程，然后將HCPN模型直接應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)調(diào)度控制中，實(shí)現(xiàn)最佳物流能耗調(diào)度，實(shí)現(xiàn)高能耗企業(yè)的節(jié)能降耗； 具體步驟如下 第I.按照逐次分解法，先把煉鐵系統(tǒng)建立ー個(gè)粗略的主Petri網(wǎng)，其中包括了煉焦，準(zhǔn)備燒結(jié)礦，高爐煉鐵三大部分； 第2.再用部分描述法，對煉焦，準(zhǔn)備燒結(jié)礦，高爐煉鐵每一大部分用Petri網(wǎng)進(jìn)行建模； 第3.把煉焦，準(zhǔn)備燒結(jié)礦，高爐煉鐵エ序用傳統(tǒng)Petri網(wǎng)分別建出子系統(tǒng)模型，再掛到主Petri網(wǎng)中，建立更完整的Petri網(wǎng)模型； 第4.其中，又對用傳統(tǒng)Petri網(wǎng)建出的準(zhǔn)備燒結(jié)礦的子系統(tǒng)模型運(yùn)用了逐次分解法，把已經(jīng)過部分描述法建立好的用傳統(tǒng)Petri網(wǎng)建出的準(zhǔn)備燒結(jié)礦的子系統(tǒng)模型中的燒結(jié)部分，又細(xì)化出了更詳細(xì)的子系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型； 第5.采集企業(yè)煉鐵系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)建立煉鐵系統(tǒng)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)物質(zhì)能耗輸入輸出對應(yīng)關(guān)系，把煉鐵系統(tǒng)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)物質(zhì)能耗的發(fā)生規(guī)則映射為分層有色Petri網(wǎng)遷移中的遷移關(guān)系式；再把預(yù)處理的數(shù)據(jù)代入已建好的煉鐵系統(tǒng)物流能耗Petri網(wǎng)模型運(yùn)行和驗(yàn)證； 第6.其中按照第5步所述的方法，在對煉鐵系統(tǒng)物流能耗Petri網(wǎng)模型運(yùn)行和驗(yàn)證吋，以轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)周期為基準(zhǔn)離散化煉鐵系統(tǒng)物流能耗模型，即以是煉鋼系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)周期為標(biāo)準(zhǔn)，對連續(xù)的煉鐵系統(tǒng)相應(yīng)的進(jìn)行離散化，從而進(jìn)行采樣再賦值，用離散化后的采樣數(shù)據(jù)來對所建的煉鐵系統(tǒng)物流能耗Petri網(wǎng)模型進(jìn)行運(yùn)行和驗(yàn)證； 通過對更清晰的模型仿真，得到以初始狀態(tài)時(shí)煉鐵系統(tǒng)的用能參數(shù)和操作參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)一段時(shí)間中的各個(gè)庫所中標(biāo)識(shí)的變化，來分析物料和能量的消耗，應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)調(diào)度控制中，實(shí)現(xiàn)最佳物流能耗調(diào)度，達(dá)到企業(yè)的節(jié)能降耗的目的。
全文摘要
一種基于分層有色Petri網(wǎng)(HCPN)的煉鐵系統(tǒng)物流能耗建模的方法。通過對龐大、復(fù)雜的煉鐵系統(tǒng)用分層有色Petri網(wǎng)進(jìn)行拆分再合并的方法建立系統(tǒng)的petri網(wǎng)模型。本發(fā)明優(yōu)化了傳統(tǒng)的直接用Petri網(wǎng)進(jìn)行建模的方法，解決了用傳統(tǒng)Petri網(wǎng)對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行建模與分析，所得Petri網(wǎng)往往因?yàn)辇嫶蟆?fù)雜而不可利用的問題，同時(shí)，提出了系統(tǒng)模型的良好構(gòu)造，既能使分析工作在不同的構(gòu)造階段進(jìn)行，同時(shí)也能保證其結(jié)果對總體模型有效。本發(fā)明通過Petri網(wǎng)在煉鐵工序的建模和仿真，便于將CPN模型直接應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)調(diào)度控制中。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102708243SQ20121014111
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月9日
發(fā)明者于水, 劉榮, 岳有軍, 王紅君 申請人:天津理工大學(xué)