专利名称：基于分层有色Petri网(HCPN)的炼铁系统物流能耗模型的建模方法
技术领域：
本发明属于钢铁能源系统中的物流能耗建模研究领域，特别涉及一种分层有色Petri网对钢铁制造系统物流能耗的建模方法。依据分层有色Petri网，使用优化建模工具建模炼钢流程，清晰直观地描述错综复杂的能源流程，
背景技术：
在当今世界，能源问题是世界关注的问题，同样在我国能源问题也日益成为国家生活乃至全社会关注的焦点。工业企业，尤其是钢铁企业是能源消耗的大户，成为节能降耗的重中之重。我国钢铁企业的节能工作也走过了从单体设备节能到工艺节能，再到系统整体节能的几个阶段。而贯穿这几个节能阶段的方法都是以对能源消耗的清晰建模为基础。建模分析这样一个大规模的，高度复杂的系统，基于模型的方法是极为重要的科学方法，可 以对复杂的物流能耗流程系统进行建模，予以恰当的抽象，对其进行分析、优化、仿真验证。炼铁物流系统建模与分析是国内外学者研究的热点问题，对物流和供应链系统建模的理论和方法很多，现有的对钢铁企业能源消耗过程的建模方法，主要集中在利用近代数学领域的方法建立反映生产过程中能源消耗规律不同角度的数学模型，主要有投入产出模型，回归统计模型，数学规划模型等方法。它们都有各自的优点，但都不能直观地反映企业用能过程的多装置、多过程、多工序的并行、串行、绕行、返流等结构特性，并且不易执行验证。在建模方法中，Petri网作为一种建模方法,具有较强直观性,且可以描述系统的动态、异步、并发等特征，而制造业企业内部的物流也是一个混合动态的过程，具有异步、并发等特征，故非常适合于用Petri网来描述。所以，Petri网已成为建模和分析制造系统的成熟工具，在制造流程建模和仿真中已经得到了大量的应用，但是对于钢铁制造系统这么复杂的建模，用基本Petri网对这些属性进行描述时，会导致网络模型规模的急剧增大，而给建模造成困难，同时，也会给局部模型的分析带来困难。最近20年，传统Petri网已扩展了颜色、时间和层次等概念，给许多建模提供了更方便的方法。
发明内容
本发明的目的是针对以上提到的传统Petri网对复杂炼铁系统建模的不足，以及为了分析炼铁系统流程特性，通过模型调整生产要素组合，进一步合理安排生产流程，调节生产参数和企业的余能回收利用，实现高能耗企业的节能降耗，提供一种基于分层有色Petri网的炼铁系统物流能耗建模的方法。本发明提供的基于分层有色Petri网(HCPN)的炼铁系统物流能耗模型的建模方法，其中运用了逐次分解法和部分描述法，来简化庞大、复杂炼铁系统的建模难度，清晰直观地描述错综复杂的炼铁系统能源流程，且有利于对每一子系统部分的详细分析；再以转炉炼钢的生产周期为基准，把已建立好的炼铁系统物流能耗Petri网模型离散化，再代入炼铁系统Petri网的各物料及能量的加入和消耗量进行赋值计算仿真，分析流程特性，通过模型调整生产要素组合，进一步合理安排生产流程，然后将HCPN模型直接应用于实际的生产调度控制中，实现最佳物流能耗调度，实现高能耗企业的节能降耗；具体步骤如下第I.按照逐次分解法，先把炼铁系统建立一个粗略的主Petri网，其中包括了炼焦，准备烧结矿，高炉炼铁三大部分；第2.再用部分描述法，对炼焦，准备烧结矿，高炉炼铁每一大部分用Petri网进行建模； 第3.把炼焦，准备烧结矿，高炉炼铁工序用传统Petri网分别建出的子系统模型，再挂到主Petri网中，建立更完整的Petri网模型；第4.其中，又对用传统Petri网建出的准备烧结矿的子系统模型运用了逐次分解法，把已经过部分描述法用传统Petri网建出的准备烧结矿的子系统模型中的烧结部分，又细化出了更详细的子系统Petri网模型；第5.采集企业炼铁系统采集的数据，根据数据建立炼铁系统各生产环节物质能耗输入输出对应关系，把炼铁系统各生产环节物质能耗的发生规则映射为分层有色Petri网迁移中的迁移关系式；再把预处理的数据代入已建好的炼铁系统物流能耗Petri网模型运行和验证；第6.其中按照第5步所述的方法，在对炼铁系统物流能耗Petri网模型运行和验证时，以转炉炼钢的生产周期为基准离散化炼铁系统物流能耗模型，即以是炼钢系统中的转炉炼钢的生产周期为标准，对连续的炼铁系统相应的进行离散化，从而进行采样再赋值，用离散化后的采样数据来对所建的炼铁系统物流能耗Petri网模型进行运行和验证；通过对更清晰的模型仿真，得到以初始状态时炼铁系统的用能参数和操作参数进行生产一段时间中的各个库所中标识的变化，来分析物料和能量的消耗，应用于实际的生产调度控制中，实现最佳物流能耗调度，达到企业的节能降耗的目的。本发明的优点和积极效果本发明在不改变最后炼铁系统物流总Petri网模型的基础上，运用分层有色Petri网的建模方法给炼铁系统物流进行建模。本发明与现有炼铁系统Petri网建模技术相比，运用了分层的特性，简化了庞大，复杂炼铁系统的建模难度，提高了系统的良好构造，既能使分析工作在不同的构造阶段进行，同时也能保证其结果对总体模型有效。本发明还使用了以转炉炼钢的生产周期为基准来离散化炼铁系统物流能耗Petri网模型的方法。使对所建的炼铁系统物流能耗Petri网的赋值更宜进行。
图I为本发明所设计的炼铁系统主Petri网模型；图2为所建主系统中分离出的炼焦子系统Petri网模型；图3为所建主系统中分离出的烧结子系统Petri网模型；
图4为所建主系统中分离出的高炉炼铁子系统Petri网模型；图5为所建主系统中分离出的最后炼铁系统Petri网模型。
具体实施例方式实施例炼铁系统中，主要包括了炼焦，准备烧结矿，高炉炼铁三大部分，前两个工序的主要产物焦炭和烧结矿是高炉炼铁的主要能源和原材料，并辅以煤粉、生矿、球团等其他原材料和能源，通过高炉中的化学反应，得到铁水。根据以上流程，进一步去建立炼铁系统的分层有色Petri网模型。第I.按照逐次分解法，先把炼铁系统建立一个粗略的主Petri网，如图I所示，其中包括了炼焦TOI，准备烧结矿T02，高炉炼铁T03三大部分。其中各部分库所标识，变迁标 识，如表1，表2所示。表I为所建模型中库所及其含义
权利要求
1.ー种基于分层有色Petri网(HCPN)的炼铁系统物流能耗模型的建模方法，中运用了逐次分解法和部分描述法，来简化庞大、复杂炼铁系统的建模难度，清晰直观地描述错综复杂的炼铁系统能源流程，且有利于对每一子系统部分的详细分析；再以转炉炼钢的生产周期为基准，把已建立好的炼铁系统物流能耗Petri网模型离散化，再代入炼铁系统Petri网的各物料及能量的加入和消耗量进行赋值计算仿真，分析流程特性，通过模型调整生产要素组合，进ー步合理安排生产流程，然后将HCPN模型直接应用于实际的生产调度控制中，实现最佳物流能耗调度，实现高能耗企业的节能降耗； 具体步骤如下 第I.按照逐次分解法，先把炼铁系统建立ー个粗略的主Petri网，其中包括了炼焦，准备烧结矿，高炉炼铁三大部分； 第2.再用部分描述法，对炼焦，准备烧结矿，高炉炼铁每一大部分用Petri网进行建模； 第3.把炼焦，准备烧结矿，高炉炼铁エ序用传统Petri网分别建出子系统模型，再挂到主Petri网中，建立更完整的Petri网模型； 第4.其中，又对用传统Petri网建出的准备烧结矿的子系统模型运用了逐次分解法，把已经过部分描述法建立好的用传统Petri网建出的准备烧结矿的子系统模型中的烧结部分，又细化出了更详细的子系统Petri网模型； 第5.采集企业炼铁系统采集的数据，根据数据建立炼铁系统各生产环节物质能耗输入输出对应关系，把炼铁系统各生产环节物质能耗的发生规则映射为分层有色Petri网迁移中的迁移关系式；再把预处理的数据代入已建好的炼铁系统物流能耗Petri网模型运行和验证； 第6.其中按照第5步所述的方法，在对炼铁系统物流能耗Petri网模型运行和验证吋，以转炉炼钢的生产周期为基准离散化炼铁系统物流能耗模型，即以是炼钢系统中的转炉炼钢的生产周期为标准，对连续的炼铁系统相应的进行离散化，从而进行采样再赋值，用离散化后的采样数据来对所建的炼铁系统物流能耗Petri网模型进行运行和验证； 通过对更清晰的模型仿真，得到以初始状态时炼铁系统的用能參数和操作參数进行生产一段时间中的各个库所中标识的变化，来分析物料和能量的消耗，应用于实际的生产调度控制中，实现最佳物流能耗调度，达到企业的节能降耗的目的。
全文摘要
一种基于分层有色Petri网(HCPN)的炼铁系统物流能耗建模的方法。通过对庞大、复杂的炼铁系统用分层有色Petri网进行拆分再合并的方法建立系统的petri网模型。本发明优化了传统的直接用Petri网进行建模的方法，解决了用传统Petri网对复杂系统进行建模与分析，所得Petri网往往因为庞大、复杂而不可利用的问题，同时，提出了系统模型的良好构造，既能使分析工作在不同的构造阶段进行，同时也能保证其结果对总体模型有效。本发明通过Petri网在炼铁工序的建模和仿真，便于将CPN模型直接应用于实际的生产调度控制中。
文档编号G06F17/50GK102708243SQ20121014111
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月9日 优先权日2012年5月9日
发明者于水, 刘荣, 岳有军, 王红君 申请人:天津理工大学