本发明属于制造工业系统建模，具体地说是一种信息流、能量流和物料流多流融合的制造工业系统分层建模方法及系统。
背景技术：
1、工业负荷作为能源系统的重要负荷，是能源系统中能源消耗占比最高的负荷，也是耗能种类较多的负荷。随着包括电力在内的综合能源系统的发展，新能源占比的升高需要能源系统具有更强的灵活性来进行消纳和平衡。除了大力发展综合能源系统，提高能源利用的效率和灵活性之外，还可以发掘工业负荷的灵活性。
2、在工业生产中，有不同类型的装配生产线，不同的装配生产线产出不同的物料，装配生产线之间还存在着耦合关系，具备一定的调节潜力，因此，在系统运行层面，可以合理利用能源系统中工业负荷的可调节能力来为能源系统提供更大的灵活性。为了提升综合能源系统整体的灵活性，需要对高耗能工业用户的用能方式和工业负荷的工艺流程进行耦合建模；同时，随着能源互联网的发展，综合能源系统中通信基础设施建设不断完善，信息网络日趋复杂，使得综合能源系统演变为典型的信息物理系统，即不仅存在电、气、热等多种能源形式以及物料流程的耦合，还存在与信息网络的耦合，从而给制造工业系统的建模造成了很大的困难。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种信息流、能量流和物料流多流融合的制造工业系统分层建模方法及系统，可以得到能源供应系统中的能量转换关系以及工业生产过程中消耗的能量、物料和产出的物料之间的关系，可以为综合能源系统整体灵活性的挖掘提供基础，也可以应用在优化调度中，指导高耗能工业用户的用能和生产，提高经济效益，保障可再生能源消纳。
2、为此，本发明采用如下的技术方案：一种多流融合的制造工业系统分层建模方法，其步骤如下：
3、步骤1，将制造工业系统按功能划分为工业生产层、信息传输层和控制中心层，基于能量/物料平衡方程，将能源转换设备和生产环节统一表示为拓展的能源枢纽模型；
4、步骤2，考虑能源转换设备和生产环节的运行约束，使用拓展的能源枢纽模型描述工业生产层中能量流和物料流的耦合，得到制造工业系统的工业生产层模型；
5、步骤3，通过建立工业生产层中能源转换设备和生产环节运行数据的信道模型及连接工业生产层与控制中心层的接口模型，建立信息传输层模型；
6、步骤4，建立用于能源和生产管理的控制中心层模型，从而得到实现多流融合的制造工业系统分层模型。
7、进一步地，在所述步骤1中，能源枢纽模型包括能源的输入和输出，拓展的能源枢纽模型的输入和输出不限于能量流，还包括物料流，输入和输出之间满足一定的平衡关系，在同一能源转换设备中，能量输出的总和等于能量输入的总和乘以能量转换效率，在同一生产环节里，能源和原材料的消耗与产量之间存在线性或分段线性的关系。
8、更进一步地，在所述步骤1中，拓展的能源枢纽模型的输入输出关系表示为：
9、，
10、式中，代表以制造工业系统的能量/物料流为变量构建的支路变量集合，代表能量/物料的转换矩阵；是常数项，在能源转换设备中等于0，在生产环节中代表能源/物料消耗与产量之间线性关系的常数项。
11、进一步地，在所述步骤2中，运行约束包括能源转换设备的容量限制约束、生产环节的生产调整约束和生产目标约束。
12、更进一步地，所述的容量限制约束为：
13、在用能过程中，支路上的能量流受到能源转换设备容量的限制：
14、，
15、式中，表示能量流的集合，和分别表示能源转换设备限制的能量流的最小值和最大值；
16、所述生产环节的生产调整约束如下：
17、对于单个生产环节来说，其产量受到最大产量和最小产量的约束：
18、，
19、式中，表示各生产环节产量的集合，和分别表示生产环节的最小产量限制和最大产量限制；
20、在整个生产周期内，工业生产必须满足预定的总生产量；对于生产环节，在时刻的现有库存加上后续周期的最大产量应大于等于计划生产量加上后续生产环节在后续周期中消耗的生产量，工业生产的生产目标约束表示为：
21、，
22、式中， t1是生产周期的总时间，是生产环节的总数；
23、综合能量/物料平衡方程和运行约束，使用拓展的能源枢纽模型描述的制造工业系统的工业生产层模型总结为：
24、；
25、定义工业生产层的网络拓扑结构矩阵，表征能量/物料流网络支路的拓扑关系，为对角元素为0的 n阶矩阵， n为工业生产层能源转换设备节点、能量母线节点和生产环节节点的总数，=1表示存在从节点到节点的能量/物料流，=-1表示存在从节点到节点的能量/物料流，=0表示不存在支路；
26、因此，工业生产层支路的矩阵表示式为：
27、，
28、定义为节点注入能量/物料的列向量，工业生产层矩阵形式的能量/物料流模型表示为：
29、，
30、式中，括号中为列向量时表示以该向量元素为对角元素的对角矩阵。
31、进一步地，在所述步骤3的信道模型中，
32、信息传输层的信道包括上传信道和下传信道，分别负责将各能源输入、能源转换设备运行数据以及生产环节运行数据由远程控制终端传感器上传至通信子站，以及负责将控制中心层的命令由通信子站下传至远程控制终端执行器；定义上传信道矩阵和下传信道矩阵分别描述示上传信道和下传信道，两个信道矩阵的维度均为工业生产层能源转换设备、能量母线和生产环节的总数，矩阵里的元素由1和0组成，元素为1表示对应工业生产层各节点或支路的远程控制终端与通信子站之间存在上传或下传信道，元素为0表示不存在该信道。
33、进一步地，在所述步骤3的接口模型中，
34、信息传输层的接口包括与工业生产层的接口以及与控制中心层的接口，前者代表能源转换设备、能量母线和生产环节是否配置远程控制终端，后者代表通信子站与信息控制中心之间是否存在监控调度关系；
35、定义信息传输层与工业生产层的接口矩阵和信息传输层与控制中心层的接口矩阵；接口矩阵的维度与信道矩阵的维度一致，且都由1和0组成，接口矩阵中元素为1表示对应能源转换设备、能量母线和生产环节装有远程控制终端，元素为0表示未安装；接口矩阵中元素为1表示对应的通信子站可被信息控制中心监控调度，元素为0则表示不能。
36、进一步地，所述步骤4的具体实现方法如下：
37、控制中心层接收电、热、气和物料的流动信息和拓扑信息以及能源转换设备和生产环节的运行信息，形成能量流和物料流的信息接收矩阵和网络拓扑接收矩阵，根据工业生产层模型和信息传输层模型推导的两个矩阵的表达式为：
38、，
39、，
40、式中，⊙表示矩阵对应位置元素相乘；表示工业生产层的网络拓扑结构矩阵；表示工业生产层矩阵形式的能量/物料流模型；
41、控制中心层根据获得的和，在所述的工业生产层运行约束下，按照指定的优化目标进行优化决策，定义制造工业系统的广义优化决策函数为，通过调节量调节能源输入及各能源转换设备的功率/流量，各生产环节的注入物料以及支路分合闸状态，达到目标函数的最优化，所述的调节量表示为：
42、，
43、式中，的对角元素表示能源转换设备和能量母线的节点注入能量调节命令或/和生产环节的节点注入物料调节命令；的非对角元素表示工业生产层网络支路的分合闸命令。
44、进一步地，控制中心层的命令通过下传信道由通信子站传至工业生产层的远程控制终端执行器，工业生产层最终执行控制命令，促使整个工业生产层的能量流、物料流和网络拓扑发生变化，根据能量/物料平衡方程，能源网络潮流和工业物料流动进行重新分布；工业生产层最终执行的控制命令表示为：
45、，
46、，
47、式中，为能源转换设备、能量母线和生产环节经控制中心层调节后的节点注入能量/物料；为工业生产层的支路分合闸命令；为对角元素为0，其余元素为1的 n阶矩阵。
48、本发明采用的另一种技术方案为：一种多流融合的制造工业系统分层建模系统，其包括：
49、拓展能源枢纽模型获取单元：将制造工业系统按功能划分为工业生产层、信息传输层和控制中心层，基于能量/物料平衡方程，将能源转换设备和生产环节统一表示为拓展的能源枢纽模型；
50、工业生产层模型获取单元：考虑能源转换设备和生产环节的运行约束，使用拓展的能源枢纽模型描述工业生产层中能量流和物料流的耦合，得到制造工业系统的工业生产层模型；
51、信息传输层模型建立单元：通过建立工业生产层中能源转换设备和生产环节运行数据的信道模型及连接工业生产层与控制中心层的接口模型，建立信息传输层模型；
52、控制中心层模型建立单元：建立用于能源和生产管理的控制中心层模型。
53、本发明具有的有益效果是：
54、本发明考虑到高耗能制造工业内部的生产流程和物料流能量流的互补，建立能量-物料集成模型统一描述能量流和物料流，使能量转换设备和工业生产环节的建模得到统一，可以得到能源供应系统中的能量转换关系以及工业生产过程中消耗的能量、物料和产出的物料之间的关系，并在信息物理融合的背景下考虑信息流和能量流、物料流的交互，实现高耗能制造工业的数据采集和就地控制，可以应用于工业的用能和生产安排等领域，有效提高高耗能工业用户的灵活性和促使可再生能源的消纳。
1.一种多流融合的制造工业系统分层建模方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的多流融合的制造工业系统分层建模方法，其特征在于，在所述步骤1中，能源枢纽模型包括能源的输入和输出，拓展的能源枢纽模型的输入和输出不限于能量流，还包括物料流，输入和输出之间满足一定的平衡关系，在同一能源转换设备中，能量输出的总和等于能量输入的总和乘以能量转换效率，在同一生产环节里，能源和原材料的消耗与产量之间存在线性或分段线性的关系。
3.根据权利要求1所述的多流融合的制造工业系统分层建模方法，其特征在于，在所述步骤1中，拓展的能源枢纽模型的输入输出关系表示为：
4.根据权利要求3所述的多流融合的制造工业系统分层建模方法，其特征在于，在所述步骤2中，运行约束包括能源转换设备的容量限制约束、生产环节的生产调整约束和生产目标约束。
5.根据权利要求4所述的多流融合的制造工业系统分层建模方法，其特征在于，所述的容量限制约束为：
6.根据权利要求5所述的多流融合的制造工业系统分层建模方法，其特征在于，在所述步骤3的信道模型中，
7.根据权利要求6所述的多流融合的制造工业系统分层建模方法，其特征在于，在所述步骤3的接口模型中，
8.根据权利要求7所述的多流融合的制造工业系统分层建模方法，其特征在于，所述步骤4的具体实现方法如下：
9.根据权利要求8所述的多流融合的制造工业系统分层建模方法，其特征在于，控制中心层的命令通过下传信道由通信子站传至工业生产层的远程控制终端执行器，工业生产层最终执行控制命令，促使整个工业生产层的能量流、物料流和网络拓扑发生变化，根据能量/物料平衡方程，能源网络潮流和工业物料流动进行重新分布；工业生产层最终执行的控制命令表示为：
10.一种多流融合的制造工业系统分层建模系统，其特征在于，包括：
