时滞弱耦合制造系统能源产需平衡理论与协调优化方法研究

In the energy-intensive industries such as tyre and ceramics et al., the external energy which manufacturing system can use directly is mainly electrical energy, as other energies (such as thermal energy) and subsidiary products need to be produced by the special internal devices (such as boiler and compressor).However, there have been very little scientific reports of the energy resource planning for these manufacturing systems including self-supplied energy. Moreover, it plays an important role in the energy-saving and greenhouse gas reduction in industry..The internal energies and subsidiary products are characterized by their time-delayed and weak-coupled features in producing and consuming processes, this project is inspired from these points. First, it setups the process model for the energy consuming, where the equivalent Petri Net model is constructed by characterizing the time-delay feature in energy production/conversion segments and weak-couple feature in energy consuming segment; Second, the equilibrium of energy production and demand is expressed by mathematical equations, and the function mechanism of endogenous/ exogenous variables to the balance is investigated. Third, to deal with the large scale of the proposed complex manufacturing system, the ATC (Analytical Target Cascading) strategy is introduced to perform hierarchical decomposition and collaborative optimization, with the purpose of improving the systematic energy efficiency..The innovation points of this project are: from the view of production-demand equilibrium, it setups the theory, models, and algorithms for dynamical coordination and optimization of energy resource by introducing the Petri net and ATC strategy.

在轮胎和陶瓷等高能耗行业，制造过程可直接利用的外部能源主要为电能，其他形式能源（如热能）和辅助产品（如高温蒸汽、压缩空气）需要由系统内部专用设备（如锅炉、压缩机）自行生产。目前对此类存在自产自足能源形式的制造系统的能源产需规划研究尚不多见，而其对实现制造业节能减排起到关键作用。.制造系统内部能源和辅助产品在生产和消耗过程中具有时滞和弱耦合特征，本项目以此为出发点，首先建立制造系统能源消耗的过程模型，对能源生产和转换中的时滞现象、使用过程中的弱耦合关系进行刻画，构建等效Petri网模型；其次建立能源产需平衡的数学方程，研究影响平衡关系的外生变量和内生变量作用机理；最后针对复杂制造系统规模过于庞大的特点，引入ATC方法对其进行分层分解、协调优化，达到提高系统能效的目标。.本项目的创新之处为：从产需平衡视角出发，引入Petri网和ATC策略，建立能源资源动态协调优化的理论、模型和求解方法。

近些年来随着国家在政策、法律和科技方面的大力推动，我国节能减排事业取得显著成果。但由于制造业体量大、底子薄，其仍然面临较大环保压力。目前从设备和工艺等层面已经难以挖掘制造业节能潜力，必须借用系统而科学的管理方法和优化技术来实现更深层次的目标。本项目即在此背景下，牢牢抓住高能耗制造系统通常具有的时滞和弱耦合特征，开展相应学术研究和应用实践。. 研究中对陶瓷生产车间高能耗工艺能耗因素进行深入的分析，针对其能流特性，建立高能耗工艺的生产过程模糊Petri网模型，该模型详细的描述其生产工艺过程、能源消耗的形式和产生能流变化的部位，更加清晰地展示工艺过程的能耗分布。项目提出了典型制造系统能源结构的划分方案，设计了一种节能型设备加工参数智能调节方法与装置，可根据计划期内的生产任务，综合各个待加工零部件的参数规划模型，以零部件规格参数、工序重要性和设备运行状态为输入变量，通过智能算法计算设备最佳节能运行的参数组合。建立了以加工速度为变量，协调产品质量和生产能耗的调度模型，并为此设计一种三阶段分解算法，另外也针对时间效率和能源效率两个目标建立启动时间与设备状态相关的协调优化模型，并提出一种改进的遗传算法，基于此算法同样进行了模拟现实生产过程的仿真实验。以上模型分别来自于陶瓷抛光过程和轮胎硫化过程，算法及实验均基于合作企业中的现实数据，其结果可指导相关行业的精细化生产和节能减排工作。. 本项目从加工路径、设备状态和能源供应等多个层面理清高能耗制造系统能耗机理，并建立系列模型和算法对质量、时效和能效等多个因素开展协调优化研究。项目首次针对启动时间与状态相关、产品质量和生产能耗与加工速度相关等调度问题开展了研究，提出三阶段分解方法、改进遗传算法和模糊运算工具包，开发能源管理平台，项目成果在陶瓷和轮胎等行业得到应用，对我国制造业节能减排起到积极推动作用。