一种基于流程网络的图模库一体化建模方法

摘要

本发明公开一种基于流程网络的图模库一体化建模方法，包括如下内容：将实际系统中的各种能源介质的产生、传输、转换、存储和消耗环节进行抽象，形成流程网络的通用的结点模型，建立系统的流程网络模型；通过画图、填库、验证、发布的实时数据库生成机制，实现了图模库一体化建模；在模型的形成过程中，自动确定能源介质在流程网络中的流动方向，并实现了流程网络的拓扑分析。此种建模方法通过建立基于流程网络的通用拓扑模型，采用图模库一体化技术，实现钢铁企业各种能源介质流程网络模型的建立，设备模型与流程网络的自动映射，并根据钢铁冶炼过程的运行动力学行为确定能源介质在流程网络中的流动方向及流程网络的拓扑分析。

说明书

技术领域

本发明属于冶金流程工程领域，特别涉及一种基于流程网络的图模库一体化建模方法。

背景技术

冶金企业是高能耗、高污染、高排放的产业。节能降耗一直是钢铁行业面临的最严峻问题之一。随着一次能源的紧缺和新节能技术的提高，如何能更合理地使用钢铁生产过程中的各种能源介质，并实现多种能源介质的综合优化分析，是节约能源的有效途径。以钢铁企业为例，其需要关注的能源介质很多，如煤气（高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气、天然气等）、蒸汽（高压、中压、低压、蒸汽冷凝等）、电力（220kV、110kV、35kV、10kV、400V、自备电厂、余热余能发电）、技术气体（氧气、氮气、氩气、氢气等）、水（生活用水、生产用水）等。这些不同的能源介质有一个共同的特点，那就是它们都具备完整的流程网络，有产生端、传输过程、转换过程、缓冲环节、消耗用户，符合流程工程学中的动力行为特征，都可以用相同的抽象模型来进行系统建模。

殷瑞珏在《冶金流程工程学》一书中指出，冶金流程工程是建立在制造（生产）流程层次上的大尺度的整体集成性理论，是以物质和能量转换为基础建立起来的开放的、远离平衡的、不可逆的复杂流程体系。冶金制造流程是由性质不同的诸多工序组成的，是一种多因子的“物质流”按一定的“程序”在一个复杂网络结构（流程系统框架）中流动运行现象。为了能更好地将钢铁制造流程中的能源介质的产生、传输、转换、消耗整个过程直观地体现出来，需要建立一种通用的拓扑模型对冶金流程工程学中的流程网络进行描述，以适应不同能源介质的需求。

中国专利申请“CN201110214243.1”提出了流程网络模型的建立方法，用来表达流程工业中物质流、能量流在节点间的流动，但其并没有抽象出适合冶金流程网络的通用的模型，也没有实现图模库一体化技术。

中国专利申请“CN200710179970.2”建立了应用于流程工业过程控制系统的共享平台，该平台实现了对过程控制级设备信息的采集和分析，并没有建立真正的能源介质流程网络系统模型。

通过以上分析，目前尚没有一种完整的流程网络建模方法，基于此种需求，本案由此产生。

本发明涉及的名词定义如下：

流：泛指在某一网络（流程）中某种资源、某类事件在众多结点和连结器之间的运行和流动。

结点：可以对应为生产企业里的不同工序、各种装置之间、各反应器之间及各车间（分厂）之间用于物料、能源流动的运输线路、运输设备、起重装置或反应器之间某些管道、存储容器等等。

连结器：可以对应为生产企业里各种工序之间、各装置之间、各反应器之间及各车间（分厂）之间用于物料、能源流动的运输线路、运输设备、起重装置或反应器之间某些管道、存储容器等。

流程网络：在流程制造业的工程中对应的往往是制造（生产）流程，也可以体现为总平面布置图等。

端点：结点模型与其它结点模型相连的触点。

连接点：将两个结点模型的端点连接起来后形成的逻辑节点，该节点包含两个端点，节点与端点之间是非共生关系。

序：是各种形式的序、规则、策略和途径的集合。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种基于流程网络的图模库一体化建模方法，其通过建立基于流程网络的通用拓扑模型，采用图模库一体化技术，实现钢铁企业各种能源介质流程网络模型的建立，设备模型与流程网络的自动映射，并根据钢铁冶炼过程的运行动力学行为确定能源介质在流程网络中的流动方向及流程网络的拓扑分析。

一种基于流程网络的图模库一体化建模方法，包括如下内容：将实际系统中的各种能源介质的产生、传输、转换、存储和消耗环节进行抽象，形成流程网络的通用的结点模型，建立系统的流程网络模型；通过画图、填库、验证、发布的实时数据库生成机制，实现了图模库一体化建模；在模型的形成过程中，自动确定能源介质在流程网络中的流动方向，并实现了流程网络的拓扑分析。

上述结点模型由发生结点模型、中间结点模型、汇集结点模型、终止结点模型和连结器模型五类模型组成，不同模型间通过端点和连接点将其连接起来，形成能源介质的流程网络模型；结点模型与流程网络中的实际设备及工序模型，采用了自动映射的方式来实现二者的一一对应。

上述建模方法所包含的模型有流程系统模型、流程网络模型、模型设备索引、发生结点模型、中间结点模型、汇集结点模型、连结器模型、终止结点模型、结点设备、连接点、端点、输入参数表、输出参数表和设备参数表；发生结点、中间结点、汇集结点、终止结点是能源介质流程网络中的结点。

上述发生结点模型和终止结点模型均是单端点模型；中间结点模型具有两个端点；汇集结点模型是多端点模型，端点个数根据图元的定义来自动生成；连结器模型是两端模型；结点模型间的联系通过“端点”和“连接点”来建立，一个“连接点”包含了两个不同设备的一个“端点”。

上述流程系统模型与流程网络模型之间是一对多非共生关系，而流程网络模型和模型设备索引是一对多共生关系。

上述模型设备索引用于建立结点模型与结点设备之间的对应关系，流程网络是能量流、物质流或信息流的表达，通过流程网络将同一流程中的设备连接成一个整体。

根据建立的上述流程网络模型，在数据库中采用设备类型索引和设备下标索引来生成流程网络模型与设备及工序的实际设备模型的映射关系；该映射关系的建立将实现模型间输入、输出及模型参数的交互和共享。

上述图模库一体化建模有画图、填库、验证、发布四个步骤：

1）画图：

根据现场设备或工序的示意图来生成结点模型的图元，绘制能源介质的流程网络图；

2）填库：

调用填库程序，在逻辑数据库中生成流程网络模型；

3）验证：

对流程网络模型的完整性及关键的模型参数进行验证；

4）发布：

在验证成功的前提下，将逻辑数据库中的模型发布到实时运行数据库中。

上述的四个步骤具体为：

1）首先根据能源介质的流程过程中包含的环节绘制结点模型的图元，在图元中定义结点模型的量测点信息，并与结点模型进行映射；

2）绘制能源介质的流程网络图，流程网络图上的设备及工序用相应的结点模型的图元表示，用连结器将结点模型连接起来，形成完整的流程网络图；

3）对流程网络图进行检查，检查图中是否有空挂，是否有结点模型没有接入流程网络模型中；如果存在画面检查程序会给出提示信息，根据提示信息进行修改，直到画面中不存在模型的空挂，保存画面生成画面信息文件；

4）启动填库程序，根据流程网络的画面信息文件内容在逻辑数据库中生成流程网络模型；

5）对流程网络模型的完整性和重要参数进行检查，如果检查不通过，则给出提示信息，进行修改，直到检查验证成功为止；

6）数据库发布，为了不影响在线运行的相关应用程序，流程网络模型建立的整个过程采用了离线维护的方式，所有操作都在逻辑库中完成；当模型建立完成，通过验证后，通过发布的方式，将逻辑库中的内容更新到物理库中。

上述确定能源介质在流程网络中的流动方向的方法是：根据实际系统中的生产流程的运行动力学中“推力”和“拉力”的作用过程，分别以发生结点和终止结点为起点对整个流程网络进行搜索遍历，确定流程网络中的结点模型的端点方向，并结合能源介质的实测值对各结点模型的不同运行状态进行判断。

首先通过连接点和端点之间的关系，获取与各端点相连的对端的结点模型信息；由于发生结点模型和终止结点模型分别代表着能源介质的发生单元和消耗单元，因此它们的方向是确定的，以它们为出发点对流程网络进行深度优先搜索，确定路径中的结点模型中能源介质的流向；为防止遍历进入死循环，设定循环遍历的最大次数，当所有端点的方向都被确定后，则流程网络中的结点模型的能源介质流向就都被确定，则完成整个遍历过程；如果遍历达到最大次数时，还有端点的方向没有被确定，则需要给出提示信息，进行手工设置。

采用上述方案后，本发明具有以下优点：

（1）建立的基于流程网络的结点模型，可以建立钢铁企业各种介质的流程网络模型，模型简单，层次分明；

（2）成功地实现了冶金流程网络建模的图模库一体化技术，由人机界面的能源介质流程网络图设备模型和数据库模型，使得图形、结点模型和数据库模型间的关系更加紧密，方便维护，易于操作；

（3）结点模型与设备模型自动建立映射关系，实现了实时量测数据和设备模型参数的共享；

（4）采用循环遍历的方法，自动确定流程网络模型中流的流动方向；

（5）利用本发明不仅可以建立多能源介质的流程网络模型，而且可以建立多介质、多流态的系统综合模型，为实现多能源介质综合优化分析和调控提供重要的技术手段。

附图说明

图1是本发明中流程网络模型的层次结构示意图；

图2 是本发明中图模库一体化流程网络的建模过程流程图；

图3 是本发明中结点模型的端点方向确定程序框图；

图4是本发明应用于多能源介质的流程网络图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

图1给出了基于流程网络的模型的层次结构，该方法中包含的模型有流程系统模型、流程网络模型、模型设备索引、发生结点模型、中间结点模型、汇集结点模型、连结器模型、终止结点模型、结点设备、连接点、端点、输入参数表、输出参数表和设备参数表，其中，发生结点模型、中间结点模型、汇集结点模型、终止结点模型是能源介质流程网络中的结点模型。发生结点模型、终止结点模型是单端点模型；中间结点模型具有两个端点；汇集结点模型是多端点模型，端点个数根据图元的定义来自动检测；连结器模型是两端模型，如线路、管道、网线等，连接器模型还可将不同的、相关的流程网络模型连接到一起；结点模型间的联系通过“端点”和“连接点”来建立，一个“连接点”包含了两个不同设备的一个“端点”。从层次关系来看，流程系统模型是系统的最上层，它包含了流程网络模型和模型设备索引两个子类，流程系统模型与流程网络模型之间是一对多非共生关系，而流程系统模型和模型设备索引是一对多共生关系。模型设备索引用于建立结点模型与结点设备之间的对应关系，流程网络模型可以是能量流、物质流、信息流的表达，通过流程网络模型将同一流程中的设备连接成一个整体，从它的发生、传输、转换到消耗整个过程，都可以在模型上体现出来。

图2为图模库一体化流程网络建模过程：

1）首先根据能源介质的流程过程中包含的环节绘制结点模型的图元，在图元中定义结点模型的量测点信息，并与结点模型进行映射；

2）绘制能源介质的流程网络图，流程网络图上的设备及工序用相应的结点模型的图元表示，用连结器将结点模型连接起来，形成完整的流程网络图；

3）对流程网络图进行检查，检查图中是否有空挂，是否有结点模型没有接入流程网络模型中；如果存在画面检查程序会给出提示信息，根据提示信息进行修改，直到画面中不存在模型的空挂，保存画面生成画面信息文件；

4）启动填库程序，根据流程网络的画面信息文件内容在逻辑数据库中生成流程网络模型；

5）对流程网络模型的完整性和重要参数进行检查，包括孤立结点模型的检查、多余连结点的删除、参数输入正确性检查等。如果检查不通过，则给出提示信息，进行修改，直到检查验证成功为止；

6）数据库发布，为了不影响在线运行的相关应用程序，流程网络模型建立的整个过程采用了离线维护的方式，所有操作都在逻辑库中完成。当模型建立完成，通过验证后，可以通过发布的方式，将逻辑库中的内容更新到物理库中。

图3通过简单的循环遍历的方法实现了流程网络模型中流的方向的确定。首先通过连接点和端点之间的关系，获取与各端点相连的对端的结点模型信息；由于发生结点模型和终止结点模型分别代表着能源介质的发生单元和消耗单元，因此它们的方向是确定的，以它们为出发点对流程网络进行深度优先搜索，确定路径中的结点模型中能源介质的流向；为防止遍历进入死循环，设定循环遍历的最大次数，当所有端点的方向都被确定后，则流程网络中的结点模型的能源介质流向就都被确定，则完成整个遍历过程。如果遍历达到最大次数时，还有端点的方向没有被确定，则需要给出提示信息，进行手工设置。

图4是根据基于流程网络的图模库一体化建模方法建立的钢铁企业多能源介质流程网络模型，该流程网络模型中的各个能源介质产生、传输、存储、转换、消耗等环节都采用发生结点模型、中间结点模型、终止结点模型、汇集结点模型进行表述，其中汇集结点模型根据需要可以灵活定义端点的数量。

其中，发生结点模型对应的环节有：焦炭、动力煤、喷吹煤、外购电，它们是能源介质的最初状态；

中间结点模型对应的环节有：鼓风、水道、锅炉余热，起到能源介质的传输和缓冲的作用；

汇集结点模型对应的生产工序有：烧结、高炉、TRT、石灰石、转炉、连铸、中板线材热轧棒材、热电厂，不同的能源介质根据各个工序的生产要求汇集到一起，生成各个工序的主要产品，而在这个过程中会产生一些副产品，如自发电、蒸汽、技术气体、高炉煤气、转炉煤气，即二次能源。由高炉煤气分配器、转炉煤气分配器、氧氮氢氩分配器、电力分配器、蒸汽分配器这些汇集结点模型对这些二次能源进行重新优化分配和管理；

终止结点模型对应的是能源介质的终端用户或最终产品，如热风炉、氢气、供水系统、最终产品等；

用连结器模型将各种模型连接起来，形成一完整的流程网络模型。整个流程网络包含的工序有烧结、高炉、转炉、连铸、轧钢、棒材、热电厂、制氧厂等，涉及到的能源介质有焦炭、喷吹煤、动力煤、电力、蒸汽、水、技术气体（氧、氮、氢、氩）、高炉煤气、转炉煤气。该流程网络模型的建立，实现各种能源介质从产生、传输、转换、存储到消耗整个过程网络化，明确了各工序本身的输入输出，以及工序间能源介质的供需关系，为多能源介质的综合调度优化分析打下了坚实的基础。

本发明可用于钢铁企业煤气介质、蒸汽介质、电力负荷的流程网络模型的建立，并在此基础上可实现各种能源介质的优化分析；建立多种能源介质的流程网络模型，为实现多种能源介质的供需分析和优化调度提供了技术支撑。

综上，本发明一种基于流程网络的图模库一体化建模方法，提出了一种基于流程网络的通用拓扑模型，并采用图模库一体化技术，实现能源介质流程网络的建模，并根据钢铁冶金过程的运行动力学行为确定流程网络中流的流动方向，实现了动态流程网络模型的建立；其步骤可概括如下：

（1）流程网络模型的建立：根据钢铁企业不同能源介质的产生、传输、转换、存储、消耗的特点，建立包括发生结点模型、中间结点模型、汇集结点模型、连结器模型、终止结点模型这五类的流程网络模型。其中发生结点模型和终止结点模型是包含一个端点的模型；中间结点模型和连结器模型是包含两个端点的模型；而汇集结点模型的端点是不确定的，可以是任意个；

（2）画图－填库－验证－发布：根据能源介质的生产及消耗过程，定义结点模型的图元，绘制流程网络图，生成图形信息文件；然后调用填库程序读取图形文件的信息，将画面上的模型在数据库中生成；然后对生成的数据库中的模型进行验证；如果模型正确，将模型从逻辑库发布到物理库；

（3）流程网络中流的方向的确定：根据钢铁生产流程的运行动力学中“推力”和“拉力”的作用过程，采用循环遍历的方法来确定流程网络中结点模型中能源介质的流动方向；

（4）结点模型与设备模型的映射：根据结点模型的信息，在数据库中生成该结点的设备模型，该设备模型继承了结点模型的信息，除此其还可以进行个性化的定制，如输入参数个数、输出参数个数、模型参数等信息，通过模型设备索引建立两者的关系，并实现实时量测数据和设备模型参数的映射和共用；

（5）流程网络的拓扑分析：动态的流程网络模型应该是变化的，在流程网络中的不同设备模型处于不同的运行状态时，根据结点模型和设备模型的实时量测信息，通过不同的颜色配置和动态效果实现流程网络状态的动态变化。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。