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为实现工业企业能源消耗过程行为和结构特性的分析，在企业能耗过程模型的基础上，研究了与模型相关的动态性质与结构性质，并有针对性地分析了网系统的能量守恒性。为实现生产中各物质流的动态逻辑关系以及工艺流程静态拓扑结构的描述，提出了动态与静态关联矩阵的概念并分别给出定义；分别研究了与动态行为有关的动态平衡量、稳态运行区间等性质；在模型加权守恒性研究的基础上，提出了一种基于S不变量的网系统能量守恒性计算方法并延伸出对设备与产品能效的分析计算。分析表明，方法有助于实际能源消耗过程中物料平衡性、产品或原料积压以及产品能效等特性的分析与检查。马福民,张腾飞:企业能耗过程性质判定及能量守恒性分析2010,46(27)203个EEC-FEN在初始时刻=0,有一个初始标识M。,指在生产过程中所消耗的那种不作原料使用、也不进入产品,则由M可决定1≥0时v(的表达式,从而由定义4对运行区制取时又需要消耗能源的工作物质;而企业的各种成品与半间的定义及基本关系dM(t)成品又是在对这些一次能源、二次能源以及能耗工质消耗或v()()可决定第1个运行区间加工转化的情况下所得到的物质。这些能源与非能源物质都0,41),再由M(1)可决定t2t1时w()的表达式,从而同样可决存在着相应的能源等价值,二次能源的等价值是指生产单位定第2个运行区间[1,2)。数量的二次能源所消耗的一次能源量;而能耗工质和各种个313有界性业产品的能源等价值则分别是指生产单位数量的能耗工质和定义5P∈P,若存在非负实数L,使得M()∈企业产品所消耗的一次能源量;在计算它们的能源等价值时Mt≥0.M(0)=M;均有M()≤L,则称模糊库所P,为有界可分别折算为一次能源的规定的统一单位吨标准煤。的,并称sup{M(o)}为模糊库所P的界,记作L(P)=由此可知,在企业能源消耗系统中无论是·次能源、二次能源还是能耗工质以及个业的各种原料与产品,其本身都是p{M(O};如果每个模糊库所P∈P都是有界的,则称载能体,它们所消耗的都来自一次能源,在分析企业和产品的EEC-FEPN为有界的,并称max{L(P)P∈P}为其界。能源利用情况应以全能耗(或资源)为基础。对丁整体能耗系定理1对vP∈P,设B、()为t时刻 EEC-FEPN关于模糊统而言,无论能源的流向与转化情况如何,从能量守恒的角度库所P1的动态平衡量,如果在任意时刻t都有B()≤0,那么整体系统都存在着能量守恒的特性。也就是说,在生产过程中所消耗掉的能量,可以看作是间接地转移至各类产品上,设模糊库所P一定为有界的供入的各种能源或物料折算为供入能量,而设备所产出的证叨设vP∈P,在t时刻有M(),由公式(3)可知产品折算为有效能量,设备所排放的废物等其他非产品物质Mr dM, (t)折算为损失能量。d tB(),t≥0,从而dt=B/()dt,即M()-M(O)基于这种思路,为了分析企业的综合能耗以及设备的能B(d,t≥0。因为B)≤0,所以M()≤M(O),故模糊库效,本节将在前述模型动、静态关联矩阵以及网结构加权守恒所P为有界的。性定乂的基础上,提岀一种基于S不变量的模型加权守恒性如果在 EEC-FEPN中,定义了模糊库所P的最大容量值计算方法。K,该最大容量值及使能规则的定义将会保证P以及EEC-4.2基于S不变量的网系统能量守恒计算及能效分FEPN在运行时的有界性。析方法模型的有界性可用于分析模型在不同的初始原料分配方由定义1静态关联矩阵给出模型的S不变量定义案下是否会出现产品或原料“积压”等现象,测试生产的瓶颈如下所在,及时调整相应时间段内各物料或产品的额定生产量定义7当且仅当Cmxn:12x1=0,m=7|,n=P且向量r32模型的结构性质中的任一元素均为非负实数,则称n×1列向量I是 EEC-FEPN结构特性和行为特性最基本的差别在于其是否依赖于初网系统的S不变量。始标识,结构特性是独立于初始标识的特性,并且依赖于EEC另外,由动态关联矩阵可计算模型运行时任意时刻的网FEPN浏的拓扑结构。就是说,无论初始标以、模糊变迁的激络标识,即:发序列如何变化,其结构特性始终不变,网的结构特征可由前M(O=M(-d)+)+.)dw-d)(4)述静态关联矩阵C表示。这里重点介绍模型的加权守恒性定义6一个 EEC-FEPN,若存在一个m(n=P维非负实这里,M()和M(-d)分别表示当前时刻和上一时刻的恻络数权向量I={1),/(2).…,(),使得对 EEC-FEPN的任一初标识;d为该步的仿真步长,而W(-d)则是在运行区间d内模型的动态关联矩阵;σ()表示上一时刻与t时刻间每个离散始标识M和M(O∈{M彐t≥0,M()=M},都有∑M(ω)(=型模糊变迁的激发情况,与连续型模糊变迁的联立分量为0;ν(u)的分量表示与之相关联的连续型模糊变迁在时刻u的瞬∑M(0)(,即M()I=M,则称 EEC-FEPN为加权守恒的。时激发速度,与离散型模糊变迁的联立分量为0有关加权守恒性的意义及其判定方法详见42节能量守由定义1和定义2可以看出,模型的静态关联矩阵C和动恒性分析。态关联矩阵W1)是同型矩阵,如果在任意时刻都存在x使得xC=W(),那么由上式(4)可得下式(5):4基于网结构加杈守恒特性的企业能耗过程能量+dt(+dn)=M()+{o(+d1)+,vm)dujw(O)=守恒性分析(5)M(t+[o(t+dt)+ v(u)duJX,C41载能体及能量守恒性企业能源消耗系统屮存在着一次能源二次能源能耗工这里,若有x·C=W(),则有质以及企业的原料和各种产品等能源与非能源物质。其中X,CC )=w(C次能源是指自然界中以天然形式存在并没有经过加工或转X,(CC)(CC)=w(C(CC)换的能量和资源,如:原煤、天然气、水能等;一次能源是为了由此知,X,C=W(0有解的条件是方阵CC的逆存在,即满足生产需要,由次能源直接或间接转换为其他种类和形CC1≠0式的人工能源,如:电能、各种石油制品、煤气等;能耗下质是出于Ⅰ是模型的S不变量,即C·I=0。因此,当CC≠02042010,46(27)Computer Engineering and Applications计算机工程与应用时,有:M(t+dt)·IP.M(1)·I+[o(+d0)+l=u()dXC·I=M()I(6)P由上述推导过程,根据3.2节中对模型守恒性的定义(定义6),可以得知模型加权守恒性的判定条件,如下定理2。P定理2当且仅当模型的静态关联矩阵C满足CC|≠0P时,模型具冇加权守恒性,且其加权矩阵为S不变量Ⅰ。从上述推导可以看出,S不变量中各分量的值就是所对应模糊库所的加权值,各模糊库所屮的标认数乘以相应的权值图1某高压反应的部分 EEC-FEPN模型图后所得加权和在网系统运行过程中保持不变,也就是说,对于100000000111000切可达的标识集合RD(M)={M1≥0,M()=M},集合中00000011的任一M()都满足M()I=M0I00001010100010100001对应于企业能源消耗过程,这种加权守恒特性表明了企0-1-1-11业能源消耗过程模型的能量守恒性,在任意的时刻,模型屮各00资源或产品的数量乘以其加权值后得到的加权和恰为能耗过00-10-1程屮所蕴含的总能量值。对于能耗设备来说,一段时间内该从而可得CC=76≠0依定义7可知:C·J=(0,已知原料A、原料B以及电能(当量)设备所对应模型变迁的各输入模糊库所中减少的标识数乘以的折标煤系数为1.42、0.81、0.123,而模糊库所P、P仅反映供其相应的加权值后,所得加权和即为该设备的供入能量,对应电状态,其权重理应为0,由此计算可得,该网系统的S不变量为产品仓厍的输出模糊库所乘以其加权值后所得加权和即为设备的有效能量,而对应为设备所产废物的输出模糊库所乘=[1.420.810.12322302.35300],根据文献3中以其加权值后所得加权和则为设备的损失能量,即,将设备的的定义,模型的初始标识M。=[503028000001,有效能量以加权值的形式转移到产品上,而其损失的能量以那么,依据文献3]的仿真方法,经过15的伤真,网络标识变加权值的形式转移到相应的排放物上化为M15=[202740.51231205930。此时,计算基于上述分析,企业能耗系统所蕴含的总能量值为可得MⅠ=129.74,M1;=129.7405,出此可见M0·≈M3I,从而验证了定理2的有效性。∑M()(。假设某终端能耗设备所对应的模糊变迁为r那么设备的供入能量为5结束语Q=∑M(t+d)(-∑MI((7)本文在文献[B3]对企业能源消耗过程模型研究的基础上研究了与模型相关的动态性质与结构性质,并给出了一些判设备的有效能量为:定方法;针对普通关联矩阵无法刻画模型动态特征的局限性,Q,=∑M(0)e)-∑M(-d)le(8)提出了静态关联矩阵和动态关联矩阵的概念:有针对性地分P∈{TP∈{T}析了模型的能量守恒性,提出了基于S不变量的网系统能量其中,P表示设备输出产品的仓库;而设备的损失能量为守恒计算并通过实例进行了验证分析。这种基于模型的企业Qs=∑M()I(2)-∑M(t-d)r(e)=g-Q(9)能耗过程性能分析方法,将有助于对 EEC-FEPN所模拟实际PCFTP EIT系统的特性检查,这对于工业企业动态能耗系统可靠性设计其中,P表示设备排放物的仓库,因此可得该设备的能量利与分析是非常重要的。用率n。=QyQ。同样,如果某生产的最终产品数据为对于网系统物料平衡性的分析,主要是通过动态平衡量M(),P2表示生产结束后所剩中间产品仓库,那么该产品的随时间的变化趋势来实现的。而对于企业能耗过程中局部与综合能效为全局能量流与物料流平衡分析方法的研究,将是下一步研究M()(e)的重点M()I()-∑M2(0)(2)参考文献:43实例分析[]杨浩模型与算法Ⅰ]北京:北方交通大学出版社,2002:10-25.为验进网系统能量守恒性计算方法的有效性,以及定理22]马福民,王坚面向企业能源消耗过程的模糊Peti网模型研究门的合理性,通过文献[3]中的部分实例,即高压反应流程的部分计算机集成制造系统,2007,13(9):1679-1685[3]马福民,王坚支持企业能效评估的能源消耗过程仿真方法[计EEC-FENN模型(如图1所示)来分析其网系统的能量守恒性。算机集成制造系统,2008,14(12):2361-2368图1中模型元素的含义及相关约束条件参见文献[3],由[4] Peterson J Petri net theory and the modeling of systems[M].En前述定义1可知,图1模型的静态关联矩阵C=C-C,其中:gle-wood Cliffs, N J: Prentice-Hall, 1981000100001[5] Murata T.Pctri ncts: Propcrtics, analysis and applications[J]. Pro-000000000100ceedings of the IEEE, 1989, 77(4): 541-5800000000(下转237贞)