鋼鐵企業(yè)能耗模型建模方法研究與應(yīng)用.pdf

1、能源已成為國內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的約束,“碳排放”已成為國際社會施壓中國的砝碼。占國內(nèi)總能源消耗約六分之一的鋼鐵行業(yè)義不容辭地成為節(jié)能減排的排頭兵。相對于技術(shù)節(jié)能,鋼鐵企業(yè)的能源管理屬于軟節(jié)能,但同樣十分重要并日益受到企業(yè)和政府的重視。企業(yè)能源管理者開展有效的能源管理工作,特別是借助信息自動化等技術(shù)進(jìn)行能源管理,離不開對能源消耗系統(tǒng)全面而又深入地認(rèn)識和把握,這就需要借助于能源消耗系統(tǒng)的模型,即能耗模型。
　　 現(xiàn)有鋼鐵企業(yè)能耗模型的研

2、究較少,且多集中在某生產(chǎn)工序的能耗系統(tǒng),有著嚴(yán)格的形式化表達(dá),但缺乏對企業(yè)能耗系統(tǒng)整體性描述,難以整體把握能耗狀況,無法顯著提高管理效率；部分能耗模型有整體建模的思想,但僅停留在對能耗系統(tǒng)中能源流動進(jìn)行描述性建模,缺乏更深層次認(rèn)識,管理效果難以保證。為了解決現(xiàn)有鋼鐵企業(yè)能耗模型這種“寬度”和“深度”間的矛盾,兼得能源管理效率和效果,本文提出了一種逐步形式化的建模思想,構(gòu)建雙層鋼鐵企業(yè)能源模型體系結(jié)構(gòu),在該體系下對能耗模型展開研究:

3、>　　 (1)對鋼鐵企業(yè)能源管理領(lǐng)域的相關(guān)研究文獻(xiàn)進(jìn)行綜述。分析該研究領(lǐng)域現(xiàn)存的一些問題和不足；結(jié)合調(diào)研情況,指出我國的鋼鐵企業(yè)節(jié)能體系包括技術(shù)節(jié)能、結(jié)構(gòu)節(jié)能和管理節(jié)能的綜合節(jié)能體系,該體系的實(shí)施要以信息自動化技術(shù)為基礎(chǔ),以全面深入把握能耗狀況為起點(diǎn)；
　　 (2)總結(jié)能源模型的分類,詳細(xì)地論述現(xiàn)有能源模型研究進(jìn)展,指出現(xiàn)有鋼鐵企業(yè)能源模型不能很好體現(xiàn)鋼鐵企業(yè)能耗系統(tǒng)的各種特點(diǎn),并且?guī)缀醵疾荒軌驈恼w上系統(tǒng)地描述整個企業(yè)生產(chǎn)過

4、程中的能耗狀況,很難形成企業(yè)能源消耗的多角度全方位綜合認(rèn)識。在此基礎(chǔ)上,提出一種雙層逐步形式化的能源模型建模體系,在該建模體系下,引入建模構(gòu)件化思想,提出描述層建模所需要的能源模型構(gòu)件。能源模型構(gòu)件化對于快速準(zhǔn)確建模和描述層模型過渡到分析層模型至關(guān)重要。
　　 (3)對鋼鐵企業(yè)能源模型體系中描述層模型的建模方法進(jìn)行詳細(xì)論述。嘗試采用該方法對鋼鐵企業(yè)能耗系統(tǒng)進(jìn)行描述層建模,三個分視圖模型的建模方法是在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上,根據(jù)鋼鐵企業(yè)

5、能源消耗的具體實(shí)際加以擴(kuò)展,并通過能源模型構(gòu)件和元模型進(jìn)行視圖集成,使該方法更具描述鋼鐵企業(yè)能耗狀況的語義。在鋼鐵企業(yè)能耗系統(tǒng)描述層模型中,工序視圖從鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)工序的角度描述能耗的實(shí)際狀況；工廠視圖從企業(yè)組織的角度描述能耗的實(shí)際狀況；能流視圖描述鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中涉及的能源的來龍去脈。并分別定義工序視圖、能流視圖和工廠視圖的建模構(gòu)件以及元模型。
　　 (4)能耗系統(tǒng)描述層模型從多角度對鋼鐵企業(yè)能耗狀況進(jìn)行整體把握,但這些建模方

6、法是半形式化方法,只給出了較為嚴(yán)格的模型表示的語法,并沒有定義模型的語義,這妨礙了對系統(tǒng)動態(tài)行為的精確表示,很難對建立模型的正確性進(jìn)行檢驗(yàn),也無法對能源消耗系統(tǒng)的各種性質(zhì)進(jìn)行分析。針對此,對鋼鐵企業(yè)能耗系統(tǒng)的形式化建模方法進(jìn)行研究,提出鋼鐵企業(yè)能耗系統(tǒng)混雜Petri網(wǎng)模型,采用Matlab中Stateflow對能耗系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型進(jìn)行仿真,可以得到現(xiàn)有工藝和技術(shù)條件下,一定時期內(nèi)的各種能耗指標(biāo),對能源管理者具有輔助決策的作用。此外,

7、給出該模型有關(guān)性質(zhì)以及沖突的定義,為進(jìn)一步利用混雜Petri網(wǎng)對能源消耗進(jìn)行分析奠定基礎(chǔ)。
　　 (5)描述層模型保證了對系統(tǒng)認(rèn)識的“完整性”,在此基礎(chǔ)上,得到對能耗系統(tǒng)更加深入的了解,需要通過規(guī)范的轉(zhuǎn)換機(jī)制使描述層模型轉(zhuǎn)換到形式化的分析層模型。本文首先研究兩層模型間的圖形轉(zhuǎn)換機(jī)制,在此基礎(chǔ)上,嘗試采用關(guān)聯(lián)矩陣對兩層模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換,并通過實(shí)例說明關(guān)聯(lián)矩陣轉(zhuǎn)換機(jī)制是有效的。
　　 (6)能源管理系統(tǒng)設(shè)計與能耗顯示功能實(shí)現(xiàn)。介

8、紹能源管理系統(tǒng)的設(shè)計思路和原則:結(jié)合實(shí)地調(diào)研,課題組在多視圖描述層模型的基礎(chǔ)上開發(fā)出多角度能耗顯示系統(tǒng)。經(jīng)過企業(yè)能源管理人員的初步確認(rèn),該系統(tǒng)可以比較好地滿足企業(yè)能源管理者的需求,提高管理效率。
　　 本文的主要創(chuàng)新點(diǎn)包括以下幾個方面:(1)提出鋼鐵企業(yè)雙層能源模型體系,從描述層到分析層的建模體系體現(xiàn)了逐步形式化建模思想。使鋼鐵企業(yè)能耗系統(tǒng)從整體上得以表述,并且通過兩層模型轉(zhuǎn)換,使該系統(tǒng)可以利用形式化的分析模型得以深層次地認(rèn)識,

9、在一定程度上彌補(bǔ)了現(xiàn)有能源模型的不足；(2)為了系統(tǒng)整體地描述企業(yè)能耗狀況,專門針對復(fù)雜的鋼鐵企業(yè)能耗系統(tǒng)特點(diǎn),并結(jié)合能源管理者的實(shí)際需求,提出多視圖建模思路,從多個角度對能耗狀況進(jìn)行把握,課題組根據(jù)此模型開發(fā)實(shí)現(xiàn)了多角度能耗顯示系統(tǒng),并得到企業(yè)認(rèn)可；(3)從半形式化描述層能源模型到形式化分析層能源模型的過渡需要通過轉(zhuǎn)換機(jī)制來實(shí)現(xiàn),針對此,提出關(guān)聯(lián)矩陣轉(zhuǎn)換機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了逐步形式化的過渡；(4)在分析層,應(yīng)用混雜Petri網(wǎng)對鋼鐵企業(yè)能耗系