改進的油田配電調度工作流時間著色Petri網模型

任偉建，婁洪亮，霍鳳財，康朝海，趙月嬌

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

0 引言

當下，工作流管理得到了十分迅速的發展，絕大部分的工作流管理系統是通過直觀的圖形化的過程演變方法來實現對過程的建模[1]，工作流模型的描述則是通過帶箭頭的圖形化工具來實現的。國外學者Winograd與Flores提出了一種新的工作流模型[2]，該模型基于 Client和 Service之間的對話，在Client和Service之間的語言行為相互交互基礎上實現對工作流過程管理的定義。而研究人員Fakas等基于面向對象的方法對過程進行定義，提出了面向對象的工作流模型，該建模方法的首要任務是對其相關元素進行實例化[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]。由于過程模型并不是一成不變的，因而經常需要根據實際情況做相關的改動，而在面對復雜模型時由人為原因導致的錯誤很難完全避免[6]。另外工作流模型的性能很難得到嚴謹的科學分析驗證，判斷性能優劣的標準是該模型是否能滿足企業實際生產中的需要。要提高企業的生產效率，則需建立并優化高效率的模型[7]。Petri網建模方法十分適用于對復雜過程模型的描述，主要鑒于其具備如下特點:形象的圖形化表示、優良的分析方法及能夠準確描述離散并行系統等[8－10]。為解決傳統的 Petri網在復雜系統建模時容易出現的狀態空間爆炸問題，提出基于Petri網時間著色的工作流模型，在工作流系統建模中應用時間著色Petri網，利用可達圖與狀態方程實現對改進的時間著色Petri網的靜態性能和動態性能的分析，其中可達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程中產生溢出這類情況。同時利用改進的Petri網進行建模，實現對工作票、操作票內容生成過程的全面分析，建立規則信息庫，并通過實例進行驗證。

1 油田配電調度審批模型的建立

1.1 傳統的電力調度系統Petri網模型

采油廠電力系統的審批過程主要包含新建任務、提交給上級、批復等部分。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3個部門的核實才能通過，首先工作票上的內容是由擬票人部門確定的，然后該工作票會依次交由專工審核部門、運行組審核部門、電力調度審核部門進行相關的審核過程，通過這些審核后，現場進行相應的操作，并將具體的工作內容記錄在工作票上，最后將數據歸檔到網絡數據庫中，至此流程結束。

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Petri網的定義可以得到采油廠電力系統數據庫所集為

式中:PA、PB、PC、PD分別為擬票部門、線路專工審核部門、運行專工審核部門以及調度審核部門;P1指新建的工作票而沒有提交;P2、P4、P6是部門審核同意沒有提交;P3、P5、P7則是審核不通過沒有返回。因此審核過程中的變遷集合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表示進行審核。

根據上述的采油廠電力審核的具體流程，可得出電力系統工作票的Petri網模型，如圖2所示。

圖2 審批工作流的Petri網模型Fig.2 The examination and approval workflow Petri nets model

傳統的Petri網模型結構繁瑣，缺乏通用性與可擴展性[11]，所以一旦采油廠電力系統的相關流程出現一絲改變，比如審核部門數量的增加等，都需要對其進行重新建模。

因此，上面給出的是一個單任務的審批工作流Petri網模型，他一次僅能完成單一的任務，同時任務屬性信息需要利用多個庫所和變遷的集合來表示，其后果就是改進的Petri網將會變成一張相當繁瑣的大規模網，非常不利于辨識與分析，同時還容易出現Petri網的溢出與狀態爆炸等情況。

1.2 改進的工作流程模型和Petri網模型

電力調度系統的工作流主要由專業工程師審批和修改流程組成。采油廠調度審批流程具有典型的串行式特征，其特點就是當審批人員完成審批工作之后，流程才能繼續。因此一旦流程中間某個環節出現停滯，后續的流程將無法繼續，直接導致審批工作無法完成。因此在這種審批流程下的工作效率不會高。在此給出改進后的審批流程，如圖3所示。改進的地方就是并行處理了專工審核、運行審核、操作票設計和設計審核，從而提高了工作效率。

圖3 改進后的工作流模型Fig.3 The improved workflow model

圖4 為改進后的工作流模型的Petri網模型，在分支t2與t4處，一旦審批未能通過，庫所中的托肯回至庫所p1處，從而停止任務，使流程跳出并行框架，同時分支t3與 t5的任務也被終止，使得流程重新開始。

圖4 審批工作流模型的時間著色Petri網模型Fig.4 The examination and approval workflow model of time coloring Petri nets model

1.3 審批工作流Petri網模型分析

由Petri網的原理可知模型初始狀態 M0=[1，0，0，0，0，0，0，0，0，0]，目標狀態 Mr=[0，0，0，0，0，0，0，0，0，1]，而其狀態方程為

式中:M0為初始向量，表示庫所中的初值托肯;Mr為目標向量，表示變遷之后的托肯;U為變遷的序列，表示進行推理時使用規則的典型情形;C為關聯矩陣，如果矩陣中的元素值為－1，表示由規則庫所指向變遷，如果元素值為1，則表示由變遷指向庫所，而當元素值為0時，則表示庫所與變遷之間沒有聯系。根據上述狀態方程，可推算出關聯矩陣為

由狀態方程可以得到Petri網模型的可達圖，具體情形如圖5所示。

圖5 審批流程的時間著色Petri網的可達圖Fig.5 The examination and approval process time coloring Petri nets weigh up to figure

由圖5可知，每個變遷節點均處于Petri網的某個分支中，每個庫所均存在托肯變遷，所有流程中都不存在陷阱、死鎖等情形，是可執行完成的。該Petri網是有界的，因為圖中不存在w(當Petri網中庫所標識樹無限增長時，定義標識向量中的分量為w)，而整個可達圖中節點的狀態值只可能為0或1，這表示該改進的Petri網安全可靠，而且全部的變遷過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、冗余現象。

2 配電調度規則信息庫的建立

2.1 電網操作規則的Petri網表示方法

規則表示其實就是形式化地對規則進行恰當的描述[12]。立足于產生式規則形式上，可分析得出操作規則多呈現離散型特征。而從組織形式出發，由于產生式規則系統由多個獨立規則組成，因而不能展現他們中的相關性，同時規則系統的缺陷多數是因為缺失有效組織結構[13]，所以操作規則的核心部分是合理有效的規則組織形式。各條規則間的聯系體現在下一條規則的條件中，即由前一條規則得出的結果，依靠這種鏈條式的連接關系，最終組成一個整體的規則網。基于上述分析，可知Petri網能夠較準確合適地對規則進行描述，規則的條件通過庫所的形式來描述，而各種規則可以通過變遷的形式來表示，規則條件是否滿足則由庫所中的托肯來表述。根據Petri網運行原理可以對規則間變遷發生過程進行描述[14－15]，這些可以展示出各條規則間的相互關系。另外各規則的動態變化環節可以由添加、刪除以及修改相應的庫所與變遷來實現。

變壓器的運行轉檢修規則的事件和表示符號如表1所示。

表1 變壓器運行轉檢修事件和表示符號Table 1 Transformer operation maintenance events and said symbols

變壓器的運行轉檢修規則為:

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網模型，如圖6所示。

圖6 變壓器運行轉檢修的Petri網模型Fig.6 The maintenance of the transformer operation Petri nets model

2.2 配電網操作規則的實現

通過遍歷Petri網來實現操作規則，即從初始狀態下就可觸發的變遷開始，由于其始狀態發生改變，剩余的變遷也會觸發，最終達到其目標狀態。

以變壓器檢修為例，其初始狀態可表示為M0=[1，1，1，1，0，0，1，0，0，0，0]，而其目標狀態則可表示為 Mr=[1，0，0，0，1，0，0，0，1，1，1]，可得出開關停電的狀態矩陣為

Petri網模型的推理流程如圖7所示。

圖7 基于Petri網的推理流程Fig.7 The reasoning flow chart based on Petri nets

通過推理全部電網的操作內容可得到操作規則的信息，再對這些規則信息進行分析和分類，最后將其全部錄入到數據庫中，可以形成規則庫表。

2.3 配電網操作任務的生成

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號，通過此開關號就可以讀取此開關在關聯數據庫的開關表中的相關數據等，接著區分其類型的種類，轉到不同的表單中。類型主要有母線、所用變、線路、母聯、電機、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。根據上述的4種類型的表單可以選取其相關的操作選項，通過后臺程序數據庫調用相關數據，從而生成工作票。不同的表單中包含不同操作選項，但是每臺設備的操作都比較復雜，要形成所有設備的操作規則，數據庫將會十分巨大。通過對所有操作任務的操作規則進行分析，得出許多共性的部分，然后利用前臺程序和數據庫編程的相互結合，使操作規則得以實現。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32201的線路，下面以他為例來說明規則的實現步驟。

首先對32201開關進行停電操作，在程序的界面中輸入相應的開關號后，即可讀取開關32201在數據庫里的相關信息，比如對應的變電所信息、名稱、開關號、類型、安措信息以及在段信息等。圖10為開關32201的相關信息。網絡拓撲的搜索也在同時處理，圖11為關聯數據庫里戶外表搜索的最終結果。操作任務就是對北II－2變6 kV母線中的小車開關32201進行停電操作。最終得到輸出結果，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32201參數Fig.10 Switch 32201 parameters

圖11 關聯數據中戶外表搜索的最終結果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 結語

在油田配電調度系統工作流建模過程中利用了時間著色Petri網相關理論，建立了配電調度系統的審批工作流模型和其時間著色Petri網模型，并實現了對工作流系統的建模分析。在時間著色Petri網中能夠完成多任務的調度管理，從而使效率得到提升，同時通過可達圖實現對工作流模型性能的檢驗，使系統更安全可靠。利用Petri網模型來描述操作規則，并設計出數學形式化的推理方法，在所有規則分析完成之后進行分類，并錄入數據庫，進而形成規則信息庫。這對操作票內容的自動形成十分有利，對配電調度管理系統的靈活性能起到了提升作用。

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