改进的油田配电调度工作流时间着色Petri网模型

任伟建，娄洪亮，霍凤财，康朝海，赵月娇

(1.东北石油大学 电气信息工程学院，黑龙江 大庆163318;2.大庆油田有限责任公司 第二采油厂，黑龙江 大庆163414)

0 引言

当下，工作流管理得到了十分迅速的发展，绝大部分的工作流管理系统是通过直观的图形化的过程演变方法来实现对过程的建模[1]，工作流模型的描述则是通过带箭头的图形化工具来实现的。国外学者Winograd与Flores提出了一种新的工作流模型[2]，该模型基于 Client和 Service之间的对话，在Client和Service之间的语言行为相互交互基础上实现对工作流过程管理的定义。而研究人员Fakas等基于面向对象的方法对过程进行定义，提出了面向对象的工作流模型，该建模方法的首要任务是对其相关元素进行实例化[3]。尽管工作流模型已有很多，但这些模型各自都有不足[4－5]。由于过程模型并不是一成不变的，因而经常需要根据实际情况做相关的改动，而在面对复杂模型时由人为原因导致的错误很难完全避免[6]。另外工作流模型的性能很难得到严谨的科学分析验证，判断性能优劣的标准是该模型是否能满足企业实际生产中的需要。要提高企业的生产效率，则需建立并优化高效率的模型[7]。Petri网建模方法十分适用于对复杂过程模型的描述，主要鉴于其具备如下特点:形象的图形化表示、优良的分析方法及能够准确描述离散并行系统等[8－10]。为解决传统的 Petri网在复杂系统建模时容易出现的状态空间爆炸问题，提出基于Petri网时间着色的工作流模型，在工作流系统建模中应用时间着色Petri网，利用可达图与状态方程实现对改进的时间着色Petri网的静态性能和动态性能的分析，其中可达图可以判断出工作流中是否存在死锁或者陷阱，从而避免了工作流管理过程中产生溢出这类情况。同时利用改进的Petri网进行建模，实现对工作票、操作票内容生成过程的全面分析，建立规则信息库，并通过实例进行验证。

1 油田配电调度审批模型的建立

1.1 传统的电力调度系统Petri网模型

采油厂电力系统的审批过程主要包含新建任务、提交给上级、批复等部分。典型的采油厂电力变电所第一种工作票审批流程如图1所示。

第一种工作票的审批工作需要通过3个部门的核实才能通过，首先工作票上的内容是由拟票人部门确定的，然后该工作票会依次交由专工审核部门、运行组审核部门、电力调度审核部门进行相关的审核过程，通过这些审核后，现场进行相应的操作，并将具体的工作内容记录在工作票上，最后将数据归档到网络数据库中，至此流程结束。

图1 第一种工作票审批流程Fig.1 The first working ticket flow chart for examination and approval

根据Petri网的定义可以得到采油厂电力系统数据库所集为

式中:PA、PB、PC、PD分别为拟票部门、线路专工审核部门、运行专工审核部门以及调度审核部门;P1指新建的工作票而没有提交;P2、P4、P6是部门审核同意没有提交;P3、P5、P7则是审核不通过没有返回。因此审核过程中的变迁集合T为

式中:T1、T2分别表示新建工作票与修改工作票;T3、T7、T11表示将工作票提交至下一部门，T4、T8、T13表示审核同意后返回，T5、T9、T14表示审核不同意被返回，T6、T10、T12表示进行审核。

根据上述的采油厂电力审核的具体流程，可得出电力系统工作票的Petri网模型，如图2所示。

图2 审批工作流的Petri网模型Fig.2 The examination and approval workflow Petri nets model

传统的Petri网模型结构繁琐，缺乏通用性与可扩展性[11]，所以一旦采油厂电力系统的相关流程出现一丝改变，比如审核部门数量的增加等，都需要对其进行重新建模。

因此，上面给出的是一个单任务的审批工作流Petri网模型，他一次仅能完成单一的任务，同时任务属性信息需要利用多个库所和变迁的集合来表示，其后果就是改进的Petri网将会变成一张相当繁琐的大规模网，非常不利于辨识与分析，同时还容易出现Petri网的溢出与状态爆炸等情况。

1.2 改进的工作流程模型和Petri网模型

电力调度系统的工作流主要由专业工程师审批和修改流程组成。采油厂调度审批流程具有典型的串行式特征，其特点就是当审批人员完成审批工作之后，流程才能继续。因此一旦流程中间某个环节出现停滞，后续的流程将无法继续，直接导致审批工作无法完成。因此在这种审批流程下的工作效率不会高。在此给出改进后的审批流程，如图3所示。改进的地方就是并行处理了专工审核、运行审核、操作票设计和设计审核，从而提高了工作效率。

图3 改进后的工作流模型Fig.3 The improved workflow model

图4 为改进后的工作流模型的Petri网模型，在分支t2与t4处，一旦审批未能通过，库所中的托肯回至库所p1处，从而停止任务，使流程跳出并行框架，同时分支t3与 t5的任务也被终止，使得流程重新开始。

图4 审批工作流模型的时间着色Petri网模型Fig.4 The examination and approval workflow model of time coloring Petri nets model

1.3 审批工作流Petri网模型分析

由Petri网的原理可知模型初始状态 M0=[1，0，0，0，0，0，0，0，0，0]，目标状态 Mr=[0，0，0，0，0，0，0，0，0，1]，而其状态方程为

式中:M0为初始向量，表示库所中的初值托肯;Mr为目标向量，表示变迁之后的托肯;U为变迁的序列，表示进行推理时使用规则的典型情形;C为关联矩阵，如果矩阵中的元素值为－1，表示由规则库所指向变迁，如果元素值为1，则表示由变迁指向库所，而当元素值为0时，则表示库所与变迁之间没有联系。根据上述状态方程，可推算出关联矩阵为

由状态方程可以得到Petri网模型的可达图，具体情形如图5所示。

图5 审批流程的时间着色Petri网的可达图Fig.5 The examination and approval process time coloring Petri nets weigh up to figure

由图5可知，每个变迁节点均处于Petri网的某个分支中，每个库所均存在托肯变迁，所有流程中都不存在陷阱、死锁等情形，是可执行完成的。该Petri网是有界的，因为图中不存在w(当Petri网中库所标识树无限增长时，定义标识向量中的分量为w)，而整个可达图中节点的状态值只可能为0或1，这表示该改进的Petri网安全可靠，而且全部的变迁过程都有托肯改变的情形，表明此变迁是“活的”，其中不含有死锁、冗余现象。

2 配电调度规则信息库的建立

2.1 电网操作规则的Petri网表示方法

规则表示其实就是形式化地对规则进行恰当的描述[12]。立足于产生式规则形式上，可分析得出操作规则多呈现离散型特征。而从组织形式出发，由于产生式规则系统由多个独立规则组成，因而不能展现他们中的相关性，同时规则系统的缺陷多数是因为缺失有效组织结构[13]，所以操作规则的核心部分是合理有效的规则组织形式。各条规则间的联系体现在下一条规则的条件中，即由前一条规则得出的结果，依靠这种链条式的连接关系，最终组成一个整体的规则网。基于上述分析，可知Petri网能够较准确合适地对规则进行描述，规则的条件通过库所的形式来描述，而各种规则可以通过变迁的形式来表示，规则条件是否满足则由库所中的托肯来表述。根据Petri网运行原理可以对规则间变迁发生过程进行描述[14－15]，这些可以展示出各条规则间的相互关系。另外各规则的动态变化环节可以由添加、删除以及修改相应的库所与变迁来实现。

变压器的运行转检修规则的事件和表示符号如表1所示。

表1 变压器运行转检修事件和表示符号Table 1 Transformer operation maintenance events and said symbols

变压器的运行转检修规则为:

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题式逻辑形式为:

由以上的逻辑形式可得出其Petri网模型，如图6所示。

图6 变压器运行转检修的Petri网模型Fig.6 The maintenance of the transformer operation Petri nets model

2.2 配电网操作规则的实现

通过遍历Petri网来实现操作规则，即从初始状态下就可触发的变迁开始，由于其始状态发生改变，剩余的变迁也会触发，最终达到其目标状态。

以变压器检修为例，其初始状态可表示为M0=[1，1，1，1，0，0，1，0，0，0，0]，而其目标状态则可表示为 Mr=[1，0，0，0，1，0，0，0，1，1，1]，可得出开关停电的状态矩阵为

Petri网模型的推理流程如图7所示。

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

通过推理全部电网的操作内容可得到操作规则的信息，再对这些规则信息进行分析和分类，最后将其全部录入到数据库中，可以形成规则库表。

2.3 配电网操作任务的生成

变电操作票可以分成两部分，一部分为安全措施令票，另一部分为综合令票。程序的具体流程为:首先输入指定的开关号，通过此开关号就可以读取此开关在关联数据库的开关表中的相关数据等，接着区分其类型的种类，转到不同的表单中。类型主要有母线、所用变、线路、母联、电机、互感器、电容器、避雷器、线所等。表单包括母线表单、一型表单、二型表单和三型表单。根据上述的4种类型的表单可以选取其相关的操作选项，通过后台程序数据库调用相关数据，从而生成工作票。不同的表单中包含不同操作选项，但是每台设备的操作都比较复杂，要形成所有设备的操作规则，数据库将会十分巨大。通过对所有操作任务的操作规则进行分析，得出许多共性的部分，然后利用前台程序和数据库编程的相互结合，使操作规则得以实现。具体的操作票流程如图8所示。

图9为北II－2变6 kV母线的小车开关32201的线路，下面以他为例来说明规则的实现步骤。

首先对32201开关进行停电操作，在程序的界面中输入相应的开关号后，即可读取开关32201在数据库里的相关信息，比如对应的变电所信息、名称、开关号、类型、安措信息以及在段信息等。图10为开关32201的相关信息。网络拓扑的搜索也在同时处理，图11为关联数据库里户外表搜索的最终结果。操作任务就是对北II－2变6 kV母线中的小车开关32201进行停电操作。最终得到输出结果，安全措施令票流程如图12所示，综合令票流程如图13所示。

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

图9 北II－2变6 kV母线线路Fig.9 North II－2 6 kV substation bus route map

图10 开关32201参数Fig.10 Switch 32201 parameters

图11 关联数据中户外表搜索的最终结果Fig.11 Related data of outdoor table search the final outcome

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

图13 综合令票流程Fig.13 The flow chart of comprehensive ticket

3 结语

在油田配电调度系统工作流建模过程中利用了时间着色Petri网相关理论，建立了配电调度系统的审批工作流模型和其时间着色Petri网模型，并实现了对工作流系统的建模分析。在时间着色Petri网中能够完成多任务的调度管理，从而使效率得到提升，同时通过可达图实现对工作流模型性能的检验，使系统更安全可靠。利用Petri网模型来描述操作规则，并设计出数学形式化的推理方法，在所有规则分析完成之后进行分类，并录入数据库，进而形成规则信息库。这对操作票内容的自动形成十分有利，对配电调度管理系统的灵活性能起到了提升作用。

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