Petri网在变电站设备的火灾应急流程建模优化分析①

赵厚群, 孙 霞, 朱上运, 彭海瑞

(安徽理工大学电气与信息工程学院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

近年来,物联网技术在各个领域得到了发展和应用。自提出智能电网以来,物联网技术在变电站得到了广泛应用。变电站是火灾易发地,因此应用物联网技术对变电站设备进行火灾监测成为当前研究的热点之一。[1]多数变电站设备的火灾报警系统都能够满足防火要求,能够响应智能化、精准化和快速化的发展。但在火灾报警系统报警后,变电站工作人员的应急工作流程存在着处理不合理的问题。[2]因此,精准的应急处理操作成为变电站管理工作中的一个重要环节。[3]Petri网是一种分布式系统的建模和分析工具,其业务流程模型可以应用于多种场景。[4]在处理实际流程问题时,在不合理或者不适用的情况下,可以借助Petri网的相关性质和行为轮廓进行建模和优化。[5-6]基于上述背景和Petri网的行为轮廓,提出了变电站设备的火灾应急流程的优化模型。[7-8]

1 基本概念

定义1(网)三元组N=(S,T;F),如果满足下列三个条件,就成为Petri网,简称网如(1)-(3):

其 中,dom（F）=｛x|∃y:（x,y）∈F｝,cod（F）=｛y|∃x:（x,y）∈F｝。S为 库 所(place),T为变迁(transition),两者均为集合,且S与T无公共元,S和T至少一个不是空集。F为流关系(flow relation),即S与T的联系,“×”表示为笛卡尔积。

定义2(变迁发生规则)四元组Σ=(S,T;F,M0)是一个Petri网,满足下列变迁发生规则如(1)-(3):

(1)N=(S,T;F)为一个网,是Σ的基

(2)M是N的标识或状态函数,M'对于变迁是初始标识或者初始状态

(3)变迁发生规则

若变迁t∈T可以发生,则t在M有发生权的条件是∀s=.t:M(s)≥1,则称t在M使能,记作M[t＞1。

若t在M有发生权,则t可以发生并将M改为新的表示M',记作M[t＞M',则有

定义3(行为轮廓)设(N,M0)是一个网,初始标识为M0。将所有关系的集合称为网系统的行为轮廓,记作BP={→,→-1,+,||},对任给的变迁对(t1,t2)∈(T×T)满足下列关系如(1)-(4):

(1)若t1＞t2且t2≯t1,则称严格序关系,记作t1＞→t1

(2)若t1≯t2且t2＞t1,则称严格逆序关系,记作t1→-1t2

(3)若t1≯t2且t2≯t1,则称排他关系,记作t1+t2

(4)若t1＞t2且t2＞t1,则称交叉序关系,记作t1||t2[9]

2 变电站设备的火灾应急流程建模优化分析

目前,我国的变电站设备的火灾报警系统大多采用物联网的形式进行搭建。火灾报警系统主要有3层结构:感知层、网络层和应用层。具体工作流程为:感知层的多个传感器模块采集变电站设备运行的环境参数信息与位置信息,利用通讯基站通过网络层的通讯模块上传到应用层的控制管理中心的上位机,上位机接收感知层传送的数据,进行信息的预处理,分析是否达到设置的火灾阈值,并记录数据。若存在火灾发生风险或者已经发生火灾,火灾报警系统就会通过警报进行火灾预警或者火灾后的应急处理。火灾报警系统报警后,工作人员在收到警报信息后,立即赶赴报警地点进行处理。然而,在工作人员按照传统应急流程进行应急处理的模式下,存在着安全隐患排查不具体、不精确和过于单一的问题。如果工作人员精准、明确和细化处理操作,就能排除安全隐患,达到及时止损的目标,提高预防效果,将损失降到最低。下面利用Petri网对这种变电站设备的火灾应急流程进行建模和分析。

图1为变电站设备的传统火灾应急流程模型图,变电站火灾报警系统实时监控T0变电站设备,T0发生后,T1,T2,T3和T4是并发关系,由感知层的T1温度传感器、T2光照传感器、T3烟雾传感器和T4GPS定位器多传感器模块采集设备运行时的环境参数与位置数据信息,T5发生,通过网络层将采集的数据信息上传至应用层的控制管理中心,进行信息的预处理,T6和T10是一个排他关系,若信息处理后危险系数不超过设定的阈值,T6至T8发生,等到无危险后,T9发生继续监控。若信息处理后的危险系数超过阈值,则T10到T13发生,随着工作人员的到来,确定是否为火警警报,即T14或T16发生,两者是一个排他关系。若确定为非火警警报,T15发生,T9发生继续监控。若确定为火警警报,T17至T20发生,待灭火完毕、无危险且解除警报后,T9发生继续监控。虽然传统火灾应急流程在发生火灾时会产生警报,工作人员也能及时赶到处理,但是处理操作流程不够详细,不能及时排除隐患、灭火以及止损,也不能起到预防效果,图1中各变迁符号及意义文字说明见表1。

图1 变电站设备的传统火灾应急流程模型图

表1 变电站设备的传统火灾应急流程模型图各变迁符号及意义文字说明

为了使工作人员明确精确处理,精准排患,及时止损,提高效率,图2给出了优化后的变电站设备的火灾应急流程模型,黑色虚线框标出来的两部分为增添相关活动变迁后的优化部分。对比于图1,优化后的火灾应急流程模型增添了T16至T19的结构模型,T16和T18一对排他关系,检查相应传感器或设备情况。T15发生后,若T16发生,则T17发生,T9发生继续监控;同理,若T18发生,则T19发生,T9发生继续监控。另外,优化后的火灾应急流程模型还增添了T22至T25的活动变迁,其中,T23和T25是一对排他关系。T22发生后,若T23发生,则T24发生,灭火完毕、无危险且解除警报后,T9发生继续监控。反之,若T25发生,则T26至T28发生,灭火完毕、无危险且解除警报后,T9发生继续监控。与图1相比,在优化后的火灾应急流程模型下,工作人员能够进行报警后的具体操作。

图2 变电站设备的火灾应急流程模型优化图

无论是否为火警,都可以对工作人员的应急处理操作进行具体安排。工作人员通过检查传感器或设备的运行状况,能够及时消除安全隐患,达到预防效果。同时,工作人员通过判断是否能自行灭火处理,能够提高效率,快速灭火,及时止损,而不是遇火就报警消防。通过对变电站设备的火灾应急流程模型的两处结构的优化,可以达到应急处理操作流程精准、排除隐患及时、预防效果明显以及灭火和止损快速及时的目的,图2中各变迁符号及意义文字说明见表2。

表2 变电站设备的火灾应急流程模型优化图各变迁符号及意义文字说明

3 用PIPE软件对优化后的模型进行实验仿真模拟

为了验证优化后的变电站设备的火灾应急流程模型Petri网结构图的正确性与可行性,在Petri网分析软件PIPE上绘制了优化后的模型图2,进行实验仿真模拟来验证其可行性,如图3。

图3 PIPE仿真模拟图

通过运行State Space Analysis函数,对优化后的模型进行验证。经验证,优化后的优化模型所有路径均能准确执行,结果如图4。

图4 PIPE仿真模拟结果图

4 结 语

在已有的基于Petri网的变电站设备的火灾应急流程模型的基础上,描述了一种火灾应急流程的优化方法。通过增添相关的活动变迁和库所,构建行为轮廓,升级了新的结构模型。优化后的火灾应急流程模型能够使工作人员做到明确精确处理,精准排患,提高效率的要求,使整个变电站设备运行火灾预防效果明显。火灾应急流程的优化方法是一种简单的流程优化方法,对于复杂的建模优化问题还需要进一步研究。