权衡电价与任务执行时间因素的多重工业网络组件速率调整方法

1.本发明涉及多重网络下的基于多重网络的组件速率调整系统的构建，具体来说，该系统可以应对电网的电力价格变化调整网络层内执行任务组件的调度方案，同时对节省电力成本与剩余任务执行时间两者进行权衡，在任务完成时间内尽可能降低任务成本。


背景技术：

2.随着多重网络情境的普遍性，工业系统中的组件速率调整会受到多重耦合关系的影响，而已有工业系统模型只考虑单一网络层的组件速率调整策略，忽略了网络层间的关联关系，导致缺乏关联协作的缺陷。
3.对于以往单一网络层下的组件速率调整问题，一个有效的解决方法可以概述如下：组件在电价升高时将组件执行任务的速率大幅降低或将组件关闭，并在低电价时大幅提升组件的速率，由于减少了高电价时的用电量，这个方法有效地降低了组件执行任务时的成本，成为很多单一工业任务下组件速率调整策略的基本思想。
4.在多重网络情境下，单一的网络层不仅需要关注自身的任务执行成本，还应当考虑到和其他网络层的关联关系，例如整体任务的总执行时间是一定的，如果上层网络执行任务时花费了过长的时间将导致下层网络没有足够的时间完成任务，进而导致任务失败。一个解决上述问题的组件速率调整方法应考虑如下事实：一、组件执行任务时电价是波动的，因此为达到节省成本的目标，每一网络层内的组件运行速率应当是可以调度的，且调度发生时组件的运行速率改变应当是即时的，且不存在调度成本；二、任务到来时，每一网络层所需执行的任务量应当是可确定的，即对于到来的任务，每一网络层都会知晓任务时间内的任务量；三、任务时间内的电价变化在任务到来时是确定的；四、任务的成本指组件执行任务时所花费的电力成本；五、任务需要在任务时限内完成，否则认为任务失败。


技术实现要素：

5.技术问题：本发明的目的是提出一种考虑多重工业网络中不同网络层间约束关系的组件速率调整方法，该方法中调度的目标为各网络层中的组件的运行速率，调度方法中存在着一个基本的约束，即任务总体完成时间的约束，基于此的调度方法可以在任务时限内完成任务。该方法解决了多重工业网络情境下各网络层内的组件速率调整策略与网络层间的关联关系(任务总时间是一定的)产生矛盾导致任务完成时间超时造成失败的问题，并在此基础上优化任务执行成本，获得一个近似的全局最优解。
6.技术方案：在一个多重网络情境下的工业系统中，每一个网络层都承担着对应类型的工业任务，由于在执行任务过程中电力价格会发生波动，导致组件执行任务成本变化，同时不同网络层间存在着关联耦合关系，此时引入考虑不同网络层间约束的组件速率调整策略对组件的运行速率进行合理规划，通过任务执行的总时间是有上限的这一约束，合理限制各网络层内的组件执行任务的时间，该组件速率调整方法的主要技术方案如下：
7.当新的工业任务到来时，初始阶段确定对应该任务s的各网络层所需完成任务量s
p
，以及任务的总时间限制s
t
。
8.当任务开始时，任务先从最先执行的网络层开始，按照自上而下的物料流动顺序，依次经过所有网络层，且在上层网络执行完任务前，其下层的网络内的组件不会开始运行，当上层网络执行完任务后，其相邻的下层网络将会立即开始执行自身所分配的任务，以此类推，直至任务执行完毕。当网络层执行任务时，会根据对应该网络层的组件速率调整策略对层内组件的运行速率进行调度，直至该网络层任务执行完毕。
9.有益效果：
10.(1)降低各个工业子系统的生产耗费自适应的组件速率调整策略，可以结合整个系统各网络层间约束关系确定网络层内的组件速率调整策略，可以解决每一网络层内组件的调度。
11.(2)减少系统完成任务总耗费动态调整系统各网络层的组件速率调整策略，整个系统根据电价随时间的变化制定针对每一网络层的调度策略，可以解决以往只考虑单一网络组件速率调整策略的调度结果陷入局部最优的问题，达到在有效时间内达到任务总耗费的全局最优。
12.(3)增强工业系统的稳定性和安全性在工业系统中，由不同网络层间的约束关系造成的某些网络内的部分组件在特定时刻的运行功率过高会导致该组件的稳定性和安全性降低，可能会导致由于组件不稳定而造成的系统故障；而考虑了不同网络层间约束的组件速率调整策略可以使每个网络层内的组件运行速率处于合适的范围内，提高了整个系统的稳定性和安全性。
附图说明
13.图1是以循环工业产业园区中的天然气生产网络为例展示天然气产出简易流程示意图。
14.图2是本发明主要原理图。
具体实施方式
15.(1)初始阶段对多重网络、网络层内组件、网络层间关联关系以及未来电价变化情况进行感知：多重网络感知过程感知各网络层的各项属性以及工业任务的各项属性；网络层内组件感知过程感知各组件的各项属性；网络层间关联关系感知过程需要感知相邻网络层间的物料流动速率限制因素；未来电价变化感知过程需要感知从当前到任务完成时段电价的变化情况。在初始阶段，我们依次对这四个感知对象及感知过程进行描述：
16.·
多重网络感知过程：在初始阶段，首先需要对具体的多重工业网络情境进行分析。多重工业网络l由多个工业网络l
p
∈n构成,每个工业网络l
p
由同构的工业组件组成。在多重工业网络情境下的工业系统中，各网络层所完成的任务均不同，所以我们还应该得到任务的基本信息，对于工业任务s可以用s＝{s
p
,t
p
,s
t
}来刻画，其中s
p
表示网络层l
p
对应任务s所需执行的任务量，t
p
表示网络层l
p
完成任务所花费时间，s
t
表示任务的最大完成时间。
17.·
网络层内组件感知过程：在对网络结构进行分析后，需要对每个组件进行具体
的分析。网络层l
p
中任意组件可以由一个三元组表示：其中表示网络层l
p
中组件对应电价等级k的运行速率，表示电价等级k下网络层l
p
中组件的运行时间。
18.·
网络层间关联关系感知过程：对组件进行具体分析后，接下来需要对个网络层间的关联关系进行分析，由于在多重网络情境下任务的完成时间具有限制，所以我们需要得知每个网络层的最大运行速率根据这一速率，我们可以到处每一网络层的最小任务完成时间后续层间约束关系部分将给出具体的网络层间约束关系。
19.·
未来电价变化感知过程：在给出整体的网络层及层间关系、层内属性的定义后，接下来需要对整个系统的外部变量电力价格进行感知，我们假定在多重工业网络情境下使用的电力能源分为峰点、平电、谷电，我们分别定义它们的价格为gi(i＝1、2、3)。
20.在初始阶段的最后，需要根据电价的变化决定各网络层内的组件速率调整策略，系统最终的目标为在成功执行任务的基础上最大限度地优化执行任务的成本。
21.(2)层间约束关系(任务总时间限制)：
22.当任务开始时，我们需要对网络层间的约束关系进行确定，由于任务的总完成时间是一定的，则对于任务s，各网络层的任务执行时间存在如下关系：
[0023][0024][0025][0026]
其中，约束(1)表示网络层必须在任务限定时间内完成任务；约束(2)表示网络层的最大执行任务时间为总任务时间减去上层网络执行完任务所消耗的时间再减去下层网络执行任务所需的最小时间；约束(3)表示了网络层执行任务花费的最小时间。
[0027]
(3)优化目标表示：
[0028]
网络层间的约束确定完成后，就需要确定网络层内的必要约束并表示出我们的优化目标——组件执行成本的函数表示。对于网络层运行时间内不同电价(峰电、平电、谷电)的持续时间，可以得出
[0029][0030]
网络层还需完成自身所分配的任务，所以我们可以得出网络层任务完成量的约束
[0031][0032]
其中，约束(4)表示网络层电价类型分为三种类型，即峰电、平电、谷电；
[0033]
约束(5)表示网络层需要完成自身被分配的任务量。
[0034]
最终我们可以得出网络层l
p
完成任务所花费的任务成本
[0035][0036]
则最终完成整个任务的成本为
[0037][0038]
则最终求解目标为
[0039][0040]
设该目标函数的解集为
[0041][0042]
则解集str
p
为网络层l
p
的组件速率调整策略，表示网络层l
p
将会根据该策略自适应地调整组件的运行速率，最终系统将会在不超过任务时限的基础上根据策略str
p
对各网络层的组件进行运行速率的调度，以达到最小化整体任务成本的目标。
[0043]
(4)权衡电价与剩余任务执行时间组件速率调整过程
[0044]
依据电价的组件速率调整过程：当目标函数求解结果确定后，网络层l
p
内的根据电价的组件速率调整计划即可根据求解结果确定，即当任务开始，电价为g1时，组件的运行速率将会置于并设定在该速率下组件运行的持续时间为当电价由g1变化至g2时，网络层执行组件速率调整，将组件的运行速率由调度至并设定在该速率下组件运行的持续时间为当电价由g2变化至g3时，网络层再次执行组件速率调整，将组件的运行速率由调度至并设定在该速率下组件运行的持续时间为当网络层l
p
内的组件速率调整计划执行完毕时，该层内的任务也就随之完成，网络层l
p+1
将立即开始执行本层内的任务，同时根据策略执行组件网络层l
p+1
内的组件速率调整直至执行完成本层所分配的任务量。依此类推，直到网络层ln执行完所有的组件速率调整计划后，即表示任务s执行完毕，且在任务时限内最小化了执行成本。
[0045]
由于任务的执行时间不一定满足所有网络层依据电价的组件速率调整策略的总时间，所以我们在确定了如何根据求得的依据电价的组件速率调整策略来进行组件速率调整的同时，我们应当对这个策略和任务剩余时间进行权衡。
[0046]
权衡电价与任务剩余时间的组件速率调整过程：已知执行完任务的网络层l
p
实际所消耗的时间为t
p
，网路层l
p
的最小执行任务所需时间为那么当那么当时，则表示任务剩余时间已不满足基于电力成本的组件速率调整的条件，余下尚未执行任务的网络层l
p+1
到ln将不考虑电价变化并以最大速率完成剩余所有被分配的任务，当成立时，表示任务剩余时间满足网络层l
p+1
基于电力成本的组件速率调整的条件，网络层l
p+1
将继续执行考虑本层电力成本最优的组件速率调整策略str
p+1
进行层内的组件速率调整。网络层l
p+1
执行完本层任务后，系统需要继续判断任务的剩余时间是否满足下一网络层l
p+2
基于电力成本的组件速率调整的条件，若满足，则继续执行基于电力成本的组件速率调整计划，否则剩余尚未执行任务的网络层将以最大速率执行完成剩余所有任务，依此类推，直至任务结束。

技术特征：
1.一种多重工业网络中考虑不同网络层间约束的组件速率调整方法，其特征是：多重工业网络l由多个工业网络l
p
∈n构成，每个工业网络l
p
由同构的工业组件组成。在多重工业网络情境下的工业系统中，各网络层所完成的任务均不同，所以我们还应该得到任务的基本信息，对于工业任务s可以用s＝{s
p
，t
p
，s
t
}来刻画，其中s
p
表示网络层l
p
对应任务s所需执行的任务量，t
p
表示网络层l
p
完成任务所花费时间，s
t
表示任务的最大完成时间。2.根据权利要求2所述的一种多重工业网络中考虑不同网络层间约束的组件速率调整方法，其特征是：网络层l
p
中任意组件可以由一个三元组表示：其中表示网络层l
p
中组件对应电价等级k的运行速率，表示电价等级k下网络层l
p
中组件的运行时间。3.根据权利要求1所述的一种多重工业网络中组件高能效需求响应调度方法，其特征是：每个网络层的最大运行速率根据这一速率，我们可以到处每一网络层的最小任务完成时间4.根据权利要求3所述的一种多重工业网络中组件高能效需求响应调度方法，其特征是：在多重工业网络情境下使用的电力能源分为峰点、平电、谷电，我们分别定义它们的价格为g
i
(i＝1、2、3)。5.根据权利要求3所述的一种多重工业网络中组件高能效需求响应调度方法，其特征是：当任务开始时，我们需要对网络层间的约束关系进行确定，由于任务的总完成时间是一定的，则对于任务s，各网络层的任务执行时间存在如下关系：定的，则对于任务s，各网络层的任务执行时间存在如下关系：定的，则对于任务s，各网络层的任务执行时间存在如下关系：其中，约束(1)表示网络层必须在任务限定时间内完成任务；约束(2)表示网络层的最大执行任务时间为总任务时间减去上层网络执行完任务所消耗的时间再减去下层网络执行任务所需的最小时间；约束(3)表示了网络层执行任务花费的最小时间。6.根据权利要求5所述的一种多重工业网络中组件高能效需求响应调度方法，其特征是：网络层间的约束确定完成后，就需要确定网络层内的必要约束并表示出我们的优化目标——组件执行成本的函数表示。对于网络层运行时间内不同电价(峰电、平电、谷电)的持续时间，可以得出网络层还需完成自身所分配的任务，所以我们可以得出网络层任务完成量的约束其中，约束(4)表示网络层电价类型分为三种类型，即峰电、平电、谷电；约束(5)表示网络层需要完成自身被分配的任务量。最终我们可以得出网络层l
p
完成任务所花费的任务成本则最终完成整个任务的成本为
则最终求解目标为设该目标函数的解集为则解集str
p
为网络层l
p
的组件速率调整策略，表示网络层l
p
将会根据该策略自适应地调整组件的运行速率，最终系统将会在不超过任务时限的基础上根据策略str
p
对各网络层的组件进行运行速率的调度，以达到最小化整体任务成本的目标。7.根据权利要求6所述的一种多重工业网络中组件高能效需求响应调度方法，其特征是：当目标函数求解结果产生后，网络层l
p
内的组件速率调整计划即可根据求解结果确定，即当电价为g1时，组件的运行速率将会置于并设定在该速率下组件运行的持续时间为当电价由g1变化至g2时，网络层执行组件速率调整计划，将组件的运行速率由调度至并设定在该速率下组件运行的持续时间为当电价由g2变化至g3时，网络层继续执行组件速率调整计划，将组件的运行速率由调度至并设定在该速率下组件运行的持续时间为当网络层l
p
内的组件速率调整计划执行完毕时，该层内的任务也就随之完成，网络层l
p+1
将立即开始执行本层内的任务，同时根据策略将立即开始执行本层内的任务，同时根据策略执行组件网络层l
p+1
内的组件速率调整直至执行完成本层所分配的任务量。依此类推，直到网络层l
n
执行完所有的组件速率调整计划后，即表示任务s执行完毕，且在任务时限内最小化了执行成本。已知执行完任务的网络层l
p
实际所消耗的时间为t
p
，网路层l
p
的最小执行任务所需时间为那么当时，则表示任务剩余时间已不满足基于电力成本的组件速率调整的条件，余下尚未执行任务的网络层l
p+1
到l
n
将不考虑电价变化并以最大速率完成剩余所有被分配的任务，当完成剩余所有被分配的任务，当成立时，表示，任务剩余时间满足基于电力成本的组件速率调整的条件，网络层l
p+1
将继续执行考虑本层电力成本最优的组件速率调整策略str
p+1
进行层内的组件速率调整。每个网络层执行完本层任务后，系统均需判断任务的剩余时间是否满足下一网络层基于电力成本的组件速率调整的条件，若满足，则继续执行基于电力成本的组件速率调整计划，否则将以最大速率执行完成剩余所有任务，直至任务结束。由于任务的执行时间不一定满足所有网络层依据电价的组件速率调整策略的总时间，所以我们在确定了如何根据求得的依据电价的组件速率调整策略来进行组件速率调整的同时，我们应当对这个策略和任务剩余时间进行权衡。权衡电价与任务剩余时间的组件速率调整过程：已知执行完任务的网络层l
p
实际所消耗的时间为t
p
，网路层l
p
的最小执行任务所需时间为那么当
时，则表示任务剩余时间已不满足基于电力成本的组件速率调整的条件，余下尚未执行任务的网络层l
p+1
到l
n
将不考虑电价变化并以最大速率完成剩余所有被分配的任务，当成立时，表示，任务剩余时间满足网络层l
p+1
基于电力成本的组件速率调整的条件，网络层l
p+1
将继续执行考虑本层电力成本最优的组件速率调整策略str
p+1
进行层内的组件速率调整。网络层l
p+1
执行完本层任务后，系统需要继续判断任务的剩余时间是否满足下一网络层l
p+2
基于电力成本的组件速率调整的条件，若满足，则继续执行基于电力成本的组件速率调整计划，否则剩余尚未执行任务的网络层将以最大速率执行完成剩余所有任务，依此类推，直至任务结束。

技术总结
随着工业任务的日趋精细复杂，以往的工业任务从单层网络向多流程化网络发展，多个工业任务流程网络即多重工业网络下的组件速率调整策略，开始呈现复杂化、动态变化的特征。在当前的多重工业网络背景下，传统单一网络根据电价波动对组件的速率调整策略，已无法实现多个网络层协作的任务成本最优目标。仅考虑单层最优的组件速率调整策略会因为忽略网络层间的关联关系而导致整体任务超时的结果。本方法解决的技术问题是：提出一种解决多重工业网络下的组件速率调度方法，针对波动的电价，考虑网络层间的约束关系并给出各网络层组件的速率调整策略，对任务时限内的执行成本进行优化。对任务时限内的执行成本进行优化。


技术研发人员：蒋嶷川 蔡昕睿 狄凯 黎国华
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2022.04.11
技术公布日：2023/10/6