省级电力计量中心生产计划预测软件系统的模型和方法

省级电力计量中心生产计划预测软件系统的模型和方法
【专利摘要】本发明公开了一种构建省级电力计量中心生产计划预测软件系统的模型和算法。鉴于生产过程与水流中涌浪的相似性，采用仿真自然方法，为生产工作场景建立形式化模型并设计计划预测算法，作为开发计划预测软件系统的技术方法基础。模型以水池、容器、容量描述计划及其中的产品和数量；涵洞和涵洞流量表示生产环节及产品生产能力；外部水池、容器及容量表示库存和产品及数量；计划预测以需求月度计划为驱动源，若某生产环节无约束，说明生产能力能满足上一个环节计划需求，则按照正向涌浪方向生成主计划，反之则产生反向驱动计划生成。本发明解决了由于各种计划复杂的互相依赖和制约关系造成的算法设计难题，使预测软件开发、测试、维护变得简洁明了。
【专利说明】省级电力计量中心生产计划预测软件系统的模型和方法

【技术领域】
[0001] 本发明属电力计量领域，更准确地说本发明涉及一种基于网络技术、软件编程技 术、数据库技术的面向省级电力计量中心生产计划预测的数学模型和计算机算法。

【背景技术】
[0002] 1应用背景
[0003] 本发明的应用背景是电力企业省级计量中心生产调度计划的制定环节。
[0004] 生产调度是就是组织执行生产进度计划的工作。生产调度以生产进度计划为依 据，生产进度计划要通过生产调度来实现。生产调度问题是在时间上优化分配各种资源给 相互竞争的计划。
[0005] 在电力企业的省级计量中心，生产的主要任务是检定工作，生产调度主要是根据 制定的各种生产相关生产计划（需求计划、采购计划、配送计划、检定计划、到货计划），以 及突发的生产计划（临时计划）进行生产调度的。
[0006] 正在开发建设的省级计量中心生产调度平台系统中，已设计有支持管理各种生产 计划（需求计划、采购计划、配送计划、检定计划、到货计划）的人工编辑功能，但这种方式 的计划的制定存在一些不足，主要可以归纳如下：
[0007] 1)缺乏对数学模型与算法的利用，难以保证计划制定的正确性或科学性；
[0008] 2)缺乏对历史数据的深度分析与利用，主要依赖计划的制定对工作人员的经验；
[0009] 3)各种计划之间的存在相互制约因素，使得生产调度非常复杂，人工制定计划难 度较大。
[0010] 随着信息技术的发展，业界趋向于在大型软件系统中，引入数学模型及的算法，在 充分利用历史数据的基础上，提高软件系统处理业务问题的自动化、科学化处理问题水平。 对于具体业务领域，如何建立领域的数学模型、如何设计高效算法、如何利用历史数据等问 题，成为有挑战性的研究与开发工作。
[0011] 2与本发明相关的现有技术
[0012] 2.1现有技术的技术方案
[0013] 省级电力计量中心生产调度平台是全面支撑省级计量中心生产调度工作的信息 系统。目前已有软件系统能支持生产调度工作的全部功能，在计划环节，主要由计划制定者 根据经验编辑制定生产计划。
[0014] 通过"生产"、"计划"、"计量中心"等词的多种组合检索，在CNKI(自1995年6月5 号-2013年6月25)系统中没有检索到与本发明相近似的理论与技术；只检索有一定相关 性的7篇文献，其中3篇期刊论文和4篇学位论文：
[0015] 论文《省级计量中心生产调度平台的设计》提出了平台的整体方案，包括设计了业 务模型、平台架构、功能设计以及关键技术四个方面。而在业务模型实现了三个方面主要功 能：一是与营销业务应用系统、RFID资产识别系统、物流配送系统等外部系统进行连接；二 是协调智能化仓储系统和自动化检定流水线系统完成电能表的全自动检定；三是支撑生产 管理、生产监控和生产分析等计量工作具体业务。其缺点是没有给出电力公司省级计量中 心生产计划相关的数学预测模型与算法。
[0016] 论文《计量生产调度平台标准化设计业务模型分析》提出的调度平台业务模型设 计主要分为1)检定方案管理；2)检定计划；3)样品比对；4)全性能试验。在检定计划中侧 重于各种检定计划的制定。但只提到根据到货情况、检定情况进行检定计划的编制，没有对 各种计划的制定建立数学预测模型和算法。
[0017] 论文《电能计量器具零库存管理的实现》提出了零库存的业务计划模型，并设计了 零库存管理形式化模型，它的设计与实现是以库存管理和需求管理为中心。而电力计量中 心生产的中心工作是检定，它没有提供检定计划功能，没有提供检定计划及其它相关计划 生成所需的数学预测模型和算法。
[0018] 论文《天津市电力公司电能计量管理信息系统研究》、《电能计量管理信息系统的 设计与开发》、《电能计量设备管理信息子系统的研究》重点研究了电能计量管理信息系统 的整体设计以及各个业务子系统的关键技术，没有对生产计划提供有效的数学预测建模和 算法。
[0019] 论文《天津电力电能计量管理业务的体系完善研究》对电能计量管理相关业务流 程进行需求分析，详细分析了业务环节中各种计划制定过程中考虑的相关因素，没有研究 业务流程中各种计划的相互约束、相互关联，没有给出有效的解决方法、模型和算法。
[0020] 总体来说，在电力企业省级计量中心领域中，现有的研究工作与应用系统开发虽 都取得一定成果，但都没有在如何建立数学预测模型并设计相应算法、如何对历史数据进 行深度分析与利用方面开展有价值的研究与开发工作。
[0021] 2.2现有技术的缺点
[0022] 目前在已建设和在建设的电力系统省级计量中心的生产调度系统，都是以生产调 度的工作流程和基本业务处理和为中心，以关系数据库技术、计算机网络技术、B/S软件系 统构架技术、流程管理技术（BPM)等软件系统实现技术为基础，设计、开发能支持省级计量 中心日常业务工作的信息管理系统。基于现有技术开发的软件系统的主要特点是将人工管 理提升为基于网络的信息化管理，实现了生产调度过程的信息化管理。
[0023] 基于现有技术构建的软件系统的主要缺点是：
[0024] 1)只考虑对现有业务及工作流程的信息化管理，没有设计数学模型及算法来提高 管理科学性；
[0025] 2)计划制定只支持计划编辑功能，计划制定对工作人员工作经验的依赖程度高， 没有引入充分利用历史数据来减轻工作难度的模型或技术。


【发明内容】

[0026] 发明目的
[0027] 本发明的目的是：
[0028] 本发明主要聚焦于如何通过软件技术手段利用网络数据库中的历史数据、通过数 学模型和计算机算法，对目前电力企业省级计量中心的计划制定工作面临的众多问题提供 新的技术解决方案。具体来说，主要解决的技术问题有：1)如何在计算机系统中借助软件 数据分析技术对历史数据进行分析与处理，达到预测未来需求的目标；2)如何通过数学模 型和计算机算法解决各计划相互制约和相互影响问题，其中设计数学模型和计算机算法以 实现各种计划预测与生成是本发明的主要目的。本发明可以在不影响业务系统的正常运营 的前提下，通过软件技术对计划的预测与生成，实现计划制定的工作模式的转变（从人工 制定转为计算机算法生成），建立高效、科学的企业计划制定的技术机制，为生产调度提供 较科学的辅助决策支持。
[0029] 本发明采用的技术方案
[0030] 一种省级电力计量中心生产计划预测软件系统的模型和方法，其特征是，
[0031] 仿真自然界水流过程建立省级电力计算中心生产计划预测模型：
[0032] 以水池描述计划，水池中容器的容量用来表示计划中的产品及数量；涵洞表示生 产环节，其中子涵洞及其最大流量用来表示该生产环节对某产品的处理约束及能力；外部 水池表示库存，外部水池的容器及容量表示库存中的产品及数量；
[0033] 当水池中某个容器中液体在某段时间内的存量，大于其可流经的子涵洞在相同时 间下的最大流量与外界涵洞的中对应容器存量之和，说明子涵洞的容量有余量，对应于生 产能力大于生产计划要求，只产生正向涌浪即生产计划能完成；反之将产生能力约束，有多 余的液体不能通过，相当于计划任务不能完成，将产生反向涌浪；
[0034] 从需求月度计划开始，若各个生产环节无约束，能满足上一个环节计划的数量要 求，贝1J按照正向涌浪主计划生成方向，通过计划驱动生成配送计划、检定计划、到货计划；当 在某个生产环节的计划制定环节中遇到能力瓶颈时，贝1J产生反向计划生成驱动。
[0035]本发明的主要原理说明如下：
[0036] 采用时间序列预测模型及算法，通过对历史数据的分析与应用，预测并生成下一 年度的年度需求计划，并根据对下年度每月计划的预测，根据月度计划比例将年度需求计 划分解成月度需求计划；
[0037] 以下年的月度需求计划为基础，根据双向涌浪模型及算法，正向分步生成配送、检 定、到货和采购等月度计划；
[0038] 在某一阶段的计划产生约束时（超出实际工作能力），产生反向计划生成的驱动 (反向涌浪算法），对前一阶段的计划产生影响。通过双向驱动的方法，产生能平衡各种约 束条件的各种生产计划；
[0039] 通过汇通总最后的月度计划，生成相应的年度计划。
[0040] 效果和优点
[0041] 本专利首次提出了一种面向电力企业省级计量中心生产调度相关的计划预测生 成的模型和算法，并通过软件实现了本专利的技术方案，在本领域属技术首创。本发明具备 的优点是：
[0042] 1)建立一种双向涌浪模型及相应算法，简化各种计划的互相依赖、互相制约的关 系，提供了一种新的、可自动生成预测计划的新模式和新机制；
[0043] 2)能充分利用历史数据，结合模型和算法，减少计划制定工作对工作人员的工作 经验依赖程度；
[0044] 3)在计划制定工作中，能综合平衡各种计划之间约束关系，使生产计划制定的更 合理性、更科学；
[0045] 4)能将人工经验与基于数据的预测相结合，在充分利用历史数据基础上，使得计 划与实际生产情况的吻合度逐渐提高，提高计划可用性，减小生产调度的复杂性；
[0046] 5)本发明在软件实现中设计了算法库，可以在软件系统使用过程中根据实际情况 研究新的算法，以程序约定的方式加入算法，不需要更改主体软件构架及程序，支持算法能 力的进化。

【专利附图】

【附图说明】
[0047] 图1计划预测算法的工作机制与流程图；
[0048] 图2双向涌浪模型图。

【具体实施方式】
[0049] 1.生产计划预测算法的工作机制与流程
[0050] 根据省级电力计量中心生产调度平台系统中对电力计量中心生产调度的业务以 及生产计划制定的相关流程和本专利设计的双向涌浪算法，设计生产调度预测算法的计划 制定工作机制与流程如图1所示。
[0051] 流程涉及从需求计划的制定到采购计划、配送计划、检定计划、到货计划的制定 等。根据需求的历史数据，采用时间序列算法，生成年度需求计划，再由月度需求比例（通 过历史数据预测获得），利用分配算法，生成月度需求预测计划。以月度需求预测计划作为 双向涌浪算法的起点，根据库存信息情况、配送约束、检定约束、到货约束等对各种计划进 行预测。根据设计的正向涌浪算法，通过月度需求预测计划制定配送预测计划，通过配送预 测计划制定检定预测计划，通过检定预测计划制定到货预测计划，当在某个制定计划环节 中存在约束，则利用反向涌浪算法，进行反向生成。最后确定各种预测计划，再根据月需求 预测计划制定采购预测计划。
[0052] 2.双向涌浪计划预测模型
[0053] 1)模型概述
[0054] 生产计划的制定和执行过程（流程），与自然环境中水流的过程有很大的相似性， 在时间序列中形成了多个波，以各自特定的节奏向前涌浪，在遇到助力时产生反向涌浪。本 发明采用仿真自然环境进行数学建模，有利于模型的描述且较好理解，且便于最后的指导 软件编程技术实现。
[0055] 涌浪是液体在一特定时间通过一个特定空间的一组活动。在本发明的模型中，它 是发生源（水池中液体）流经涵洞（对液体的量有一种的约束，用于描述某种能力）时产生 的一组活动，水池中液体流经涵洞时产生一定节奏涌浪，并成为下一波涌浪的前提和基础， 液体的量可表示涌浪的大小。双向涌浪的模型如图2所示。
[0056] 水池可用来描述计划，水池中容器的容量用来表示计划中的产品及数量；涵洞表 示生产环节，其中子涵洞及其最大流量用来表示该生产环节对某产品的处理约束及能力； 外部水池表示库存,外部水池的容器及容量可表示库存中的产品及数量。
[0057] 当水池中某个容器中液体在某段时间内的存量，大于其可流经的子涵洞在相同时 间下的最大流量与外界涵洞的中对应容器存量之和，说明子涵洞的容量有余量（对应于生 产能力大于生产计划要求），只产生正向涌浪（生产计划能完成）；反之会产生能力约束，有 多余的液体不能通过（相当于计划任务不能完成），会产生反向涌浪。
[0058] 2)模型形式化描述
[0059]双向涌浪模型定义为八元组：
[0060]Bff={Ρ,Η,E,PHR,SPHR,SEHR,T,C} 〇 [0061]BW的元素间的关系：
[0062] &)?(?〇〇1)是水池的集合？(？1，？2，...汁11)。每个水池是容器的集合，？1 ::= (Pi1，Pi2, ...，Pim)。水池集合P与水池和容器的关系对应的矩阵来表示如下：
[0063]

【权利要求】
1. 一种省级电力计量中心生产计划预测软件系统的模型和方法，其特征是， 仿真自然界水流过程建立省级电力计量中心生产计划预测模型： 以水池描述计划，水池中容器的容量用来表示计划中的产品及数量；涵洞表示生产环 节，其中子涵洞及其最大流量用来表示该生产环节对某产品的处理约束及能力；外部水池 表示库存，外部水池的容器及容量表示库存中的产品及数量； 当水池中某个容器中液体在某段时间内的存量，大于其可流经的子涵洞在相同时间下 的最大流量与外界涵洞的中对应容器存量之和，说明子涵洞的容量有余量，对应于生产能 力大于生产计划要求，只产生正向涌浪即生产计划能完成；反之将产生能力约束，有多余的 液体不能通过，相当于计划任务不能完成，将产生反向涌浪； 从需求月度计划开始，若各个生产环节无约束，能满足上一个环节计划的数量要求，则 按照正向涌浪主计划生成方向，通过计划驱动生成配送计划、检定计划、到货计划；当在某 个生产环节的计划制定环节中遇到能力瓶颈时，贝U产生反向计划生成驱动。
2. 根据权利要求1所述的省级电力计量中心生产计划预测软件系统的模型和方法，其 特征是，双向浪涌算法的模型为： Bff= {P,H,E,PHR,SPHR,SEHR,T,C} BW的各元素间的关系： P是水池集合（Pl，P2,. . .，Pn);每个水池是容器的集合，Pi: : = (Pil，Pi2,. . .，Pim);m、n均为正整数； H是涵洞的集合（Hl，H2，....Hk);每个涵洞j包含多个子涵洞，Hj: := (Hjl，Hj2，Hj3,...Hjl)； SPHR是容器与子涵洞关系的集合； SEHR是外界容器与子涵洞关系的集合； T表示一个时间序列，为年度或月度； C表示容器流经子涵洞以及外界因素时所受到的约束。
3. 根据权利要求2所述的省级电力计量中心生产计划预测软件系统的模型和方法，其 特征是，定义： Up:省级单位； Uc:第C个地市单位City; U。(demand):是地市需求管理机构； Demand:需求计划； Disp:配送计划； Detect:检定计划； Arrival:到货计划； Purchase:采购计划； 双向浪涌算法的具体步骤为： 涌浪顺序Seq::=[需求、配送、检定、到货] BW涌浪顺序（i) StepO:读取能力配置参数和算法选择参数； Stepl:选择涌浪第i个环节（1 <i< 4)的月度为数据源； Step2:如果Seq[i]= '需求'，转向Step3,否则转向Step5: Step3:调用正向涌浪算法C=PA(i); St印4:如果C!=0,则从第C个环节开始调用反向涌浪算法ND(C); 执行完成后转向Step8 ; Step5:如果Seq[i]= '到货'，则从第i个环节开始调用反向涌浪算法ND(C); 执行完成后转向Step8 ; Step6:如果Seq[i] !='需求'且Seq[i] !='到货'，调用正向涌浪算法C=PA(i);Step7:如果C= 0则K=i,否则K=C，从第K个环节调用反向涌浪算法NA⑷； St印8:调用年度计划生成算法YP0 ; St印9:调用年度采购计划生成算法PP0 ; SteplO:算法结束。
4.根据权利要求3所述的省级电力计量中心生产计划预测软件系统的模型和方法，其 特征是，正向涌浪顺序ro算法的具体步骤为： ro算法⑴： C = 0； Stepl:如果i= = 1 {执行正向配送算法0 ; i= 2 ； 如果有约束则C= 1 ;} Step2:如果i= =2{执行正向检定算法0 ; i = 3； 如果有约束则C= 2 ;} Step3:如果i= =3{执行正向到货算法0; 如果有约束则C=3;} Step4:返回C ;算法结束。
5.根据权利要求3所述的省级电力计量中心生产计划预测软件系统的模型和方法，其 特征是，反向涌浪顺序ND算法的具体步骤为： ND算法⑴： C = 0； Stepl:如果i= =3{执行反向配送算法0 ; i = 2 ；} Step2:如果i= = 2 {执行反向检定算法0 ; i= 1 ;} Step3:如果i= =1执行反向需求算法（）； Step4:算法结束。
6. 根据权利要求3所述的省级电力计量中心生产计划预测软件系统的模型和方法，其 特征是，配送计划正向生成算法： (1) 配送月度计划预测算法 配送主计划DispMain正向生成算法如下：
省级月度配送计划Disp_th(Up)以省级月度需求计划Demand_th(Up)为数据源，考虑配 送能力约束条件，根据月度配送计划生产算法n生成月度配送计划；如果需求计划量值过 大，超出配送能力，则产生配送量溢出ADisp_th(Up); 其中DispC(UP)是配送能力的约束参数和配送产品的配送资源要求参数； (2) 配送年度计划预测算法 省计量中心对下级供电单位配送年度计划预测算法
7. 根据权利要求6所述的省级电力计量中心生产计划预测软件系统的模型和方法，其 特征是，检定计划正向生成算法： (1) 检定月度计划预测算法 检定主计划DetectMain正向生成算法如下
省级月度检定计划DeteCt_th(Up)以省级月度配送计划Disp_th(Up)为数据源，考虑检 定能力约束条件和库存情况，根据月度检定计划生产算法V生成月度检定计划；如果配送 计划量值超出检定能力和已检库存数量之和，则产生检定量溢出ADeteCt_th(Up); 其中，DetectC(UP)是检定能力的约束参数和检定产品的对检定资源要求参数； (2) 检定年度计划预测算法 省计量中心检定年度计划预测算法
8. 根据权利要求7所述的省级电力计量中心生产计划预测软件系统的模型和方法，其 特征是，到货计划正向生成算法： (1)到货月度计划预测算法 到货主计划ArrivalMain正向生成算法描述如下：
省级月度到货计划Arrival_th(Up)以省级月度检定计划Detect_th(Up)为数据源，考 虑到货能力约束条件和库存情况，根据月度到货计划生产算法A生成月度到货计划；如果 检定计划量值超出到货能力和未检库存数量之和，则产生到货量溢出AArriVal_th(Up); 其中，ArriValC(UP)是到货能力的约束参数和到货产品的对到货资源要求参数； (2)到货年度计划预测算法 省计量中心到货年度计划预测算法
9.根据权利要求8所述的省级电力计量中心生产计划预测软件系统的模型和方法，其 特征是，反向涌浪主计划生成算法： 反向涌浪主计划生成算法是由到货计划向检定计划、配送计划、需求计划方向驱动； 1) 检定计划反向生成算法 检定月度计划预测算法如下： 省计量中心检定计划，由到货计划驱动生成，预测算法如下：
其中，DetectC(UP)是检定能力的约束参数和检定产品的对检定资源要求参数； 检定年度计划预测算法同其正向生成算法； 2) 配送计划反向生成算法 配送月度计划预测算法如下：
其中DispC(UP)是配送能力的约束参数和配送产品的配送资源要求参数； 配送年度计划预测算法同其正向生成算法； 3) 需求计划反向生成算法 需求月度计划预测算法如下：
其中Cts= {inventory begin(Up), inventorysafety (Up)}是期初库存和安全库存量；需求年
【文档编号】G06F9/44GK104484161SQ201410259225
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】徐石明, 李延满, 高春雷, 李天阳, 吴江, 曹志刚, 安泰, 龙孔操 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院, 国电南瑞科技股份有限公司, 国网浙江省电力公司