改進(jìn)的油田配電調(diào)度工作流時(shí)間著色Petri網(wǎng)模型

任偉建，婁洪亮，霍鳳財(cái)，康朝海，趙月嬌

(1.東北石油大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶163318;2.大慶油田有限責(zé)任公司 第二采油廠，黑龍江 大慶163414)

0 引言

當(dāng)下，工作流管理得到了十分迅速的發(fā)展，絕大部分的工作流管理系統(tǒng)是通過(guò)直觀的圖形化的過(guò)程演變方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程的建模[1]，工作流模型的描述則是通過(guò)帶箭頭的圖形化工具來(lái)實(shí)現(xiàn)的。國(guó)外學(xué)者Winograd與Flores提出了一種新的工作流模型[2]，該模型基于 Client和 Service之間的對(duì)話，在Client和Service之間的語(yǔ)言行為相互交互基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)工作流過(guò)程管理的定義。而研究人員Fakas等基于面向?qū)ο蟮姆椒▽?duì)過(guò)程進(jìn)行定義，提出了面向?qū)ο蟮墓ぷ髁髂Ｐ停摻７椒ǖ氖滓蝿?wù)是對(duì)其相關(guān)元素進(jìn)行實(shí)例化[3]。盡管工作流模型已有很多，但這些模型各自都有不足[4－5]。由于過(guò)程模型并不是一成不變的，因而經(jīng)常需要根據(jù)實(shí)際情況做相關(guān)的改動(dòng)，而在面對(duì)復(fù)雜模型時(shí)由人為原因?qū)е碌腻e(cuò)誤很難完全避免[6]。另外工作流模型的性能很難得到嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)分析驗(yàn)證，判斷性能優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是該模型是否能滿足企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中的需要。要提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，則需建立并優(yōu)化高效率的模型[7]。Petri網(wǎng)建模方法十分適用于對(duì)復(fù)雜過(guò)程模型的描述，主要鑒于其具備如下特點(diǎn):形象的圖形化表示、優(yōu)良的分析方法及能夠準(zhǔn)確描述離散并行系統(tǒng)等[8－10]。為解決傳統(tǒng)的 Petri網(wǎng)在復(fù)雜系統(tǒng)建模時(shí)容易出現(xiàn)的狀態(tài)空間爆炸問(wèn)題，提出基于Petri網(wǎng)時(shí)間著色的工作流模型，在工作流系統(tǒng)建模中應(yīng)用時(shí)間著色Petri網(wǎng)，利用可達(dá)圖與狀態(tài)方程實(shí)現(xiàn)對(duì)改進(jìn)的時(shí)間著色Petri網(wǎng)的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能的分析，其中可達(dá)圖可以判斷出工作流中是否存在死鎖或者陷阱，從而避免了工作流管理過(guò)程中產(chǎn)生溢出這類情況。同時(shí)利用改進(jìn)的Petri網(wǎng)進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作票、操作票內(nèi)容生成過(guò)程的全面分析，建立規(guī)則信息庫(kù)，并通過(guò)實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

1 油田配電調(diào)度審批模型的建立

1.1 傳統(tǒng)的電力調(diào)度系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型

采油廠電力系統(tǒng)的審批過(guò)程主要包含新建任務(wù)、提交給上級(jí)、批復(fù)等部分。典型的采油廠電力變電所第一種工作票審批流程如圖1所示。

第一種工作票的審批工作需要通過(guò)3個(gè)部門的核實(shí)才能通過(guò)，首先工作票上的內(nèi)容是由擬票人部門確定的，然后該工作票會(huì)依次交由專工審核部門、運(yùn)行組審核部門、電力調(diào)度審核部門進(jìn)行相關(guān)的審核過(guò)程，通過(guò)這些審核后，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行相應(yīng)的操作，并將具體的工作內(nèi)容記錄在工作票上，最后將數(shù)據(jù)歸檔到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)中，至此流程結(jié)束。

圖1 第一種工作票審批流程Fig.1 The first working ticket flow chart for examination and approval

根據(jù)Petri網(wǎng)的定義可以得到采油廠電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)所集為

式中:PA、PB、PC、PD分別為擬票部門、線路專工審核部門、運(yùn)行專工審核部門以及調(diào)度審核部門;P1指新建的工作票而沒(méi)有提交;P2、P4、P6是部門審核同意沒(méi)有提交;P3、P5、P7則是審核不通過(guò)沒(méi)有返回。因此審核過(guò)程中的變遷集合T為

式中:T1、T2分別表示新建工作票與修改工作票;T3、T7、T11表示將工作票提交至下一部門，T4、T8、T13表示審核同意后返回，T5、T9、T14表示審核不同意被返回，T6、T10、T12表示進(jìn)行審核。

根據(jù)上述的采油廠電力審核的具體流程，可得出電力系統(tǒng)工作票的Petri網(wǎng)模型，如圖2所示。

圖2 審批工作流的Petri網(wǎng)模型Fig.2 The examination and approval workflow Petri nets model

傳統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)繁瑣，缺乏通用性與可擴(kuò)展性[11]，所以一旦采油廠電力系統(tǒng)的相關(guān)流程出現(xiàn)一絲改變，比如審核部門數(shù)量的增加等，都需要對(duì)其進(jìn)行重新建模。

因此，上面給出的是一個(gè)單任務(wù)的審批工作流Petri網(wǎng)模型，他一次僅能完成單一的任務(wù)，同時(shí)任務(wù)屬性信息需要利用多個(gè)庫(kù)所和變遷的集合來(lái)表示，其后果就是改進(jìn)的Petri網(wǎng)將會(huì)變成一張相當(dāng)繁瑣的大規(guī)模網(wǎng)，非常不利于辨識(shí)與分析，同時(shí)還容易出現(xiàn)Petri網(wǎng)的溢出與狀態(tài)爆炸等情況。

1.2 改進(jìn)的工作流程模型和Petri網(wǎng)模型

電力調(diào)度系統(tǒng)的工作流主要由專業(yè)工程師審批和修改流程組成。采油廠調(diào)度審批流程具有典型的串行式特征，其特點(diǎn)就是當(dāng)審批人員完成審批工作之后，流程才能繼續(xù)。因此一旦流程中間某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)停滯，后續(xù)的流程將無(wú)法繼續(xù)，直接導(dǎo)致審批工作無(wú)法完成。因此在這種審批流程下的工作效率不會(huì)高。在此給出改進(jìn)后的審批流程，如圖3所示。改進(jìn)的地方就是并行處理了專工審核、運(yùn)行審核、操作票設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)審核，從而提高了工作效率。

圖3 改進(jìn)后的工作流模型Fig.3 The improved workflow model

圖4 為改進(jìn)后的工作流模型的Petri網(wǎng)模型，在分支t2與t4處，一旦審批未能通過(guò)，庫(kù)所中的托肯回至庫(kù)所p1處，從而停止任務(wù)，使流程跳出并行框架，同時(shí)分支t3與 t5的任務(wù)也被終止，使得流程重新開始。

圖4 審批工作流模型的時(shí)間著色Petri網(wǎng)模型Fig.4 The examination and approval workflow model of time coloring Petri nets model

1.3 審批工作流Petri網(wǎng)模型分析

由Petri網(wǎng)的原理可知模型初始狀態(tài) M0=[1，0，0，0，0，0，0，0，0，0]，目標(biāo)狀態(tài) Mr=[0，0，0，0，0，0，0，0，0，1]，而其狀態(tài)方程為

式中:M0為初始向量，表示庫(kù)所中的初值托肯;Mr為目標(biāo)向量，表示變遷之后的托肯;U為變遷的序列，表示進(jìn)行推理時(shí)使用規(guī)則的典型情形;C為關(guān)聯(lián)矩陣，如果矩陣中的元素值為－1，表示由規(guī)則庫(kù)所指向變遷，如果元素值為1，則表示由變遷指向庫(kù)所，而當(dāng)元素值為0時(shí)，則表示庫(kù)所與變遷之間沒(méi)有聯(lián)系。根據(jù)上述狀態(tài)方程，可推算出關(guān)聯(lián)矩陣為

由狀態(tài)方程可以得到Petri網(wǎng)模型的可達(dá)圖，具體情形如圖5所示。

圖5 審批流程的時(shí)間著色Petri網(wǎng)的可達(dá)圖Fig.5 The examination and approval process time coloring Petri nets weigh up to figure

由圖5可知，每個(gè)變遷節(jié)點(diǎn)均處于Petri網(wǎng)的某個(gè)分支中，每個(gè)庫(kù)所均存在托肯變遷，所有流程中都不存在陷阱、死鎖等情形，是可執(zhí)行完成的。該P(yáng)etri網(wǎng)是有界的，因?yàn)閳D中不存在w(當(dāng)Petri網(wǎng)中庫(kù)所標(biāo)識(shí)樹無(wú)限增長(zhǎng)時(shí)，定義標(biāo)識(shí)向量中的分量為w)，而整個(gè)可達(dá)圖中節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)值只可能為0或1，這表示該改進(jìn)的Petri網(wǎng)安全可靠，而且全部的變遷過(guò)程都有托肯改變的情形，表明此變遷是“活的”，其中不含有死鎖、冗余現(xiàn)象。

2 配電調(diào)度規(guī)則信息庫(kù)的建立

2.1 電網(wǎng)操作規(guī)則的Petri網(wǎng)表示方法

規(guī)則表示其實(shí)就是形式化地對(duì)規(guī)則進(jìn)行恰當(dāng)?shù)拿枋鯷12]。立足于產(chǎn)生式規(guī)則形式上，可分析得出操作規(guī)則多呈現(xiàn)離散型特征。而從組織形式出發(fā)，由于產(chǎn)生式規(guī)則系統(tǒng)由多個(gè)獨(dú)立規(guī)則組成，因而不能展現(xiàn)他們中的相關(guān)性，同時(shí)規(guī)則系統(tǒng)的缺陷多數(shù)是因?yàn)槿笔в行ЫM織結(jié)構(gòu)[13]，所以操作規(guī)則的核心部分是合理有效的規(guī)則組織形式。各條規(guī)則間的聯(lián)系體現(xiàn)在下一條規(guī)則的條件中，即由前一條規(guī)則得出的結(jié)果，依靠這種鏈條式的連接關(guān)系，最終組成一個(gè)整體的規(guī)則網(wǎng)。基于上述分析，可知Petri網(wǎng)能夠較準(zhǔn)確合適地對(duì)規(guī)則進(jìn)行描述，規(guī)則的條件通過(guò)庫(kù)所的形式來(lái)描述，而各種規(guī)則可以通過(guò)變遷的形式來(lái)表示，規(guī)則條件是否滿足則由庫(kù)所中的托肯來(lái)表述。根據(jù)Petri網(wǎng)運(yùn)行原理可以對(duì)規(guī)則間變遷發(fā)生過(guò)程進(jìn)行描述[14－15]，這些可以展示出各條規(guī)則間的相互關(guān)系。另外各規(guī)則的動(dòng)態(tài)變化環(huán)節(jié)可以由添加、刪除以及修改相應(yīng)的庫(kù)所與變遷來(lái)實(shí)現(xiàn)。

變壓器的運(yùn)行轉(zhuǎn)檢修規(guī)則的事件和表示符號(hào)如表1所示。

表1 變壓器運(yùn)行轉(zhuǎn)檢修事件和表示符號(hào)Table 1 Transformer operation maintenance events and said symbols

變壓器的運(yùn)行轉(zhuǎn)檢修規(guī)則為:

1)if B0AND B1AND B2AND B3，then B4;

2)if B1AND B2AND B4，then B5;

3)if B5AND B6，then B7;

4)if B5AND B7，then B8;

5)if B8，then B9;

6)if B8AND B9，then B10。

由此可得出上述的命題式邏輯形式為:

由以上的邏輯形式可得出其Petri網(wǎng)模型，如圖6所示。

圖6 變壓器運(yùn)行轉(zhuǎn)檢修的Petri網(wǎng)模型Fig.6 The maintenance of the transformer operation Petri nets model

2.2 配電網(wǎng)操作規(guī)則的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)遍歷Petri網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)操作規(guī)則，即從初始狀態(tài)下就可觸發(fā)的變遷開始，由于其始狀態(tài)發(fā)生改變，剩余的變遷也會(huì)觸發(fā)，最終達(dá)到其目標(biāo)狀態(tài)。

以變壓器檢修為例，其初始狀態(tài)可表示為M0=[1，1，1，1，0，0，1，0，0，0，0]，而其目標(biāo)狀態(tài)則可表示為 Mr=[1，0，0，0，1，0，0，0，1，1，1]，可得出開關(guān)停電的狀態(tài)矩陣為

Petri網(wǎng)模型的推理流程如圖7所示。

圖7 基于Petri網(wǎng)的推理流程Fig.7 The reasoning flow chart based on Petri nets

通過(guò)推理全部電網(wǎng)的操作內(nèi)容可得到操作規(guī)則的信息，再對(duì)這些規(guī)則信息進(jìn)行分析和分類，最后將其全部錄入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以形成規(guī)則庫(kù)表。

2.3 配電網(wǎng)操作任務(wù)的生成

變電操作票可以分成兩部分，一部分為安全措施令票，另一部分為綜合令票。程序的具體流程為:首先輸入指定的開關(guān)號(hào)，通過(guò)此開關(guān)號(hào)就可以讀取此開關(guān)在關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)的開關(guān)表中的相關(guān)數(shù)據(jù)等，接著區(qū)分其類型的種類，轉(zhuǎn)到不同的表單中。類型主要有母線、所用變、線路、母聯(lián)、電機(jī)、互感器、電容器、避雷器、線所等。表單包括母線表單、一型表單、二型表單和三型表單。根據(jù)上述的4種類型的表單可以選取其相關(guān)的操作選項(xiàng)，通過(guò)后臺(tái)程序數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)，從而生成工作票。不同的表單中包含不同操作選項(xiàng)，但是每臺(tái)設(shè)備的操作都比較復(fù)雜，要形成所有設(shè)備的操作規(guī)則，數(shù)據(jù)庫(kù)將會(huì)十分巨大。通過(guò)對(duì)所有操作任務(wù)的操作規(guī)則進(jìn)行分析，得出許多共性的部分，然后利用前臺(tái)程序和數(shù)據(jù)庫(kù)編程的相互結(jié)合，使操作規(guī)則得以實(shí)現(xiàn)。具體的操作票流程如圖8所示。

圖9為北II－2變6 kV母線的小車開關(guān)32201的線路，下面以他為例來(lái)說(shuō)明規(guī)則的實(shí)現(xiàn)步驟。

首先對(duì)32201開關(guān)進(jìn)行停電操作，在程序的界面中輸入相應(yīng)的開關(guān)號(hào)后，即可讀取開關(guān)32201在數(shù)據(jù)庫(kù)里的相關(guān)信息，比如對(duì)應(yīng)的變電所信息、名稱、開關(guān)號(hào)、類型、安措信息以及在段信息等。圖10為開關(guān)32201的相關(guān)信息。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞乃阉饕苍谕瑫r(shí)處理，圖11為關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)里戶外表搜索的最終結(jié)果。操作任務(wù)就是對(duì)北II－2變6 kV母線中的小車開關(guān)32201進(jìn)行停電操作。最終得到輸出結(jié)果，安全措施令票流程如圖12所示，綜合令票流程如圖13所示。

圖8 操作票流程Fig.8 Operation ticket process flow

圖9 北II－2變6 kV母線線路Fig.9 North II－2 6 kV substation bus route map

圖10 開關(guān)32201參數(shù)Fig.10 Switch 32201 parameters

圖11 關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)中戶外表搜索的最終結(jié)果Fig.11 Related data of outdoor table search the final outcome

圖12 安全措施令票流程Fig.12 The flow chart of safety measures ticket

圖13 綜合令票流程Fig.13 The flow chart of comprehensive ticket

3 結(jié)語(yǔ)

在油田配電調(diào)度系統(tǒng)工作流建模過(guò)程中利用了時(shí)間著色Petri網(wǎng)相關(guān)理論，建立了配電調(diào)度系統(tǒng)的審批工作流模型和其時(shí)間著色Petri網(wǎng)模型，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作流系統(tǒng)的建模分析。在時(shí)間著色Petri網(wǎng)中能夠完成多任務(wù)的調(diào)度管理，從而使效率得到提升，同時(shí)通過(guò)可達(dá)圖實(shí)現(xiàn)對(duì)工作流模型性能的檢驗(yàn)，使系統(tǒng)更安全可靠。利用Petri網(wǎng)模型來(lái)描述操作規(guī)則，并設(shè)計(jì)出數(shù)學(xué)形式化的推理方法，在所有規(guī)則分析完成之后進(jìn)行分類，并錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而形成規(guī)則信息庫(kù)。這對(duì)操作票內(nèi)容的自動(dòng)形成十分有利，對(duì)配電調(diào)度管理系統(tǒng)的靈活性能起到了提升作用。

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