本发明涉及一种用于运行如下技术系统的方法，所述技术系统具有多个能在包括多个优化时间段的控制时间段期间借助于控制参量控制的组件。本发明还涉及一种用于执行这种方法的计算机程序产品以及一种用于运行如下技术系统的设备，所述技术系统具有多个能在包括多个优化时间段的控制时间段期间借助于控制参量控制的组件。
背景技术：
为了运行技术系统，诸如供水网或能量供应网络，常常使用优化算法或数学优化方法。优化算法被用于实现预先确定的目标，尤其是使目标函数最小或最大。针对供水网的示例，目标函数例如可以涉及使用于抽水和处理水的能耗最小。借助于优化算法来优化确定的控制参量，所述控制参量用于调节技术系统的可控制的组件，例如调节供水网的泵和阀门。借助于优化，可以常常在相对短的优化时间段、例如24小时的优化时间段内生成针对在网络状系统中的所有可控制的过程或组件的控制计划。
为了可以提供适合的控制计划，优化算法要考虑几个技术方面的边界条件或附加条件，例如针对可控制的组件、如泵或阀门的确定的极限值。为此的其它示例是系统参量的最小值或最大值，诸如供水网的示例的针对水的处理步骤的容量的预先确定的阈值或者储存器的最小或最大料位。这些条件中的多个条件可以直接被评估或者也可以在例如24小时的短的优化时间段之内被评估。不过，也存在边界条件或附加条件，所述边界条件或附加条件造成更大的观察滚动（beobachtungshorizont），例如几周、几个月或几年的观察滚动。这种长时间附加条件的示例是生产目标，如每个月的确定的水流量或者泵的每个月或每年的最大运行时间。这种长时间附加条件不能在与此相应地较短的优化时间段之内通过传统的边界条件来建模。为了考虑长时间附加条件的一个简单的方案是将优化时间段延长到所述长时间的时间段。不过，这不利地导致优化算法的实施时间延长，所述实施时间例如在一些应用中也可能过长。
为了处理长时间附加条件的另一传统的方案是在较短的优化时间段之内将这些长时间附加条件转换成简单的硬性边界条件。这可以通过简单的数学运算或者随机分布来实现。不过，这些方案具有如下缺点：不总是能够在整个控制时间段内提供针对供水网的运行的最好的解决方案。
技术实现要素：
在该背景下，本发明的任务在于，改善技术系统、诸如供水网的运行。
因此，提出了一种用于运行如下技术系统的方法，所述技术系统具有多个能在包括多个优化时间段的控制时间段期间借助于控制参量控制的组件。该方法包括如下步骤：
确定至少一个在优化时间段中的每个优化时间段优化的控制参量，用来使系统的目标函数最小或最大，使得至少一个系统参量满足多个预先确定的、关于该控制时间段的附加条件，其中所述确定包括：
-针对所述附加条件中的每个附加条件设立评价函数，用于基于系统参量的在优化时间段开始时的当前值、系统参量的关于附加条件并且在控制时间段内可达到的最大斜度以及系统参量的关于附加条件并且在控制时间段内可达到的最小斜度来评价系统参量在优化时间段结束时的变化，以及
-在使用所设立的评价函数的情况下，应用优化算法来使目标函数最小或最大，其中所述至少一个系统参量被确定为对可控制的组件的至少一个优化的控制参量的系统响应；而且
调节至少一个所确定的优化的控制参量，用来运行所述可控制的组件。
该技术系统例如是网络状系统，如供水网或能量供应网络。这些可控制的组件、例如供水网的可控制的组件尤其是泵和阀门。优化算法的优化时间段也可以被称作优化滚动（optimierungshorizont）。对于供水网的示例来说，该优化时间段例如可以为24小时。控制时间段也可以被视为观察时间段或观察滚动而且例如为30天。对于该示例来说，控制时间段包括30个优化时间段。
例如，对于供水网来说，系统参量是在供水网的确定的位置处、例如在泵处的累积的水流量。接着，借助于控制参量来操控泵。
关于控制时间段的附加条件由于其涉及到明显大于优化时间段的控制时间段而也可以被称作长时间附加条件。
按照本方法，针对长时间附加条件设立评价函数、尤其是具有在0到1之间的函数值的评价函数，其中针对相应的评价函数能设立惩罚函数（penaltyfunction），所述惩罚函数能作为加数简单地被加到目标函数。
然后，相应地考虑在每个优化时间段应用优化时的长时间附加条件。尤其是，在不必扩大或延长优化时间段的情况下考虑长时间附加条件。由此，在本方法中，所需的计算花费也几乎没有增加。出于该原因，对于线上应用来说也保证了当前情况下的优化的可行性。
不同于传统的方案，在本方法中，长时间附加条件没有被分解到较小的优化时间段，例如没有通过简单的数学运算、如没有通过均匀分布被分解到较小的优化时间段。相对于这种传统的方案，本发明明显更灵活。此外，在当前情况下，通过所设立的评价函数来提供与优化算法的简单的接口，因为评价函数尤其是只具有要被交给优化算法的在0到1之间的函数值。出于该原因，不需要修改优化算法。如上面已经列举的那样，只有基于所设立的评价函数的惩罚函数被加给目标函数。因此，只需要如下准备步骤，所述准备步骤将评价函数转换成有利的惩罚函数，所述惩罚函数满足预先确定的并且算法特定的框架条件。优化算法的一个示例是sqp算法（sqp；sequentialquadraticprogramming（序列二次规划））。
针对每个长时间附加条件（以及必要时累积的值）设立评价函数。在此，设立系统参量的最大和最小斜度，尤其是借助于根据技术和逻辑边界条件的求导来设立系统参量的最大和最小斜度。例如，扣除维护时间，泵可以每天最高24小时运行。另一示例是，如果泵在24小时内不停地运行，那么经过该泵的最大水流量是水的总和。除了这种线性的并且恒定的斜度之外，也可能的是预测任意的进展的非线性极限。如果例如计划在确定的时间点进行维护的确定的时长，那么斜度可以被建模为该时长的水平线。
相应的评价函数在控制时间段开始时优选地被设立一次，以便接着被用于在控制时间段之内的优化时间段中的每个优化时间段。
按照一个实施方式，评价函数的值域在0到1之间。
按照另一实施方式，系统参量描述了在控制时间段内累积的值。
按照另一实施方式，评价函数被设立为：基于在优化时间段内累积的系统参量的变化来评价（评估）长时间附加条件。
在这种情况下，引入评价函数，以便评价或评估系统参量在相应当前的短时间的优化时间段结束时的累积的值。
按照另一实施方式，在设立评价函数之前，排除系统参量的如下这种变化，所述变化造成系统参量的基于系统参量的在控制时间段内可达到的最大斜度以及基于系统参量的在控制时间段内可达到的最小斜度所确定的值，所述值不满足长时间附加条件。
经此，确定了系统参量的变化的有利的分布。如果系统参量的分布或值与将来的优化步骤无关地导致了不再能够满足条件的情况，那么所述系统参量的分布或值如上面所列举的那样是不利的。
按照另一实施方式，该方法包括：
以所设立的评价函数作为依据（argument）来设立惩罚函数，
使目标函数扩展所设立的惩罚函数，而且
将优化算法应用到被扩展的目标函数上。
按照另一实施方式，评价函数被设立为使得：如果基于系统参量的可达到的最大斜度并且基于系统参量的可达到的最小斜度保证了附加条件从当前的时间点起直至控制时间段结束时被满足，那么评价函数的函数值等于0。
按照另一实施方式，评价函数被设立为使得：如果基于系统参量的可达到的最大斜度并且基于系统参量的可达到的最小斜度保证了附加条件从当前的时间点起直至控制时间段结束时能继续满足，那么所述评价函数的函数值大于0并且小于等于1。
按照另一实施方式，评价函数被设立为使得：如果基于系统参量的可达到的最大斜度并且基于系统参量的可达到的最小斜度保证了附加条件从当前的时间点起直至控制时间段结束时不（再）能满足，那么所述评价函数的函数值等于1。
按照另一实施方式，针对最小值问题的评价函数通过如下公式来设立：
其中v表示系统参量，δv表示系统参量的变化，t0表示当前的时间点，topt表示优化时间段，v0表示系统参量在优化时间段开始时的当前值，v1表示系统参量的在控制时间段内可达到的最大斜度而v2表示系统参量的在控制时间段内可达到的最小斜度。
按照另一实施方式，除了引入评价函数之外，还补充如下硬性边界条件：
按照另一实施方式，针对最大值问题的评价函数通过如下公式来设立：
按照另一实施方式，除了引入评价函数之外，还补充如下硬性边界条件：
按照另一实施方式，该技术系统是网络状设施、能量供应网络或供水网。
按照另一实施方式，所述多个可控制的组件包括阀门和/或泵。
按照另一实施方式，所述多个可控制的组件包括变流器、变压器、发电站和/或变电所。
此外，还提出了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品在程序控制装置上促使如上面所阐述的那样的方法的执行。
计算机程序产品、诸如计算机程序装置例如可以作为存储介质（诸如存储卡、usb记忆棒、cd-rom、dvd）或者也可以以网络中的服务器的能下载的文件的形式来提供或者供应。这例如可以在无线通信网络中通过利用计算机程序产品或者计算机程序装置传输相对应的文件来实现。
此外，还提出了一种用于运行如下技术系统的设备，所述技术系统具有多个能在包括多个优化时间段的控制时间段期间借助于控制参量控制的组件。该设备包括第一单元和第二单元。第一单元被设立为确定至少一个在优化时间段中的每个优化时间段优化的控制参量，用来使系统的目标函数最大或最小，使得至少一个系统参量满足多个预先确定的、关于控制时间段的附加条件，其中所述确定包括：针对这些附加条件中的每个附加条件设立评价函数，用于基于系统参量的在优化时间段开始时的当前值、系统参量的关于附加条件并且在控制时间段内可达到的最大斜度以及系统参量的关于附加条件并且在控制时间段内可达到的最小斜度来评价系统参量在优化时间段结束时的变化；以及在使用所设立的评价函数的情况下，应用优化算法来使目标函数最小或最大，其中所述至少一个系统参量被确定为对可控制的组件的至少一个优化的控制参量的系统响应。第二单元被设立用于调节至少一个所确定的优化的控制参量，用来运行可控制的组件。
相应的单元、例如第一单元可以以硬件技术方式和/或也可以以软件技术方式来实现。在以硬件技术方式的实现方案中，相应的单元可以构造为装置或者构造为装置的部分，例如可以构造为计算机或者构造为微处理器或者构造为车辆的控制计算器。在以软件技术方式的实现方案的情况下，相应的单元可以被构造为计算机程序产品、被构造为函数、被构造为例程、被构造为程序代码的部分或者被构造为可实施的对象。
针对所提出的方法描述的实施方式和特征相对应地适用于所提出的设备。
本发明的其它可能的实现方案也包括之前或者在下文关于实施例所描述的特征或者实施方式的没有明确提到的组合。在此，本领域技术人员也将把单个方面作为改善方案或补充方案添加到本发明的相应的基本形式。
附图说明
本发明的其它有利的设计方案和方面是从属权利要求的以及本发明的在下文所描述的实施例的主题。在下文中，本发明依据优选的实施例参考随附的附图进一步予以阐述。
图1示出了用于运行技术系统的方法的第一实施例的示意性流程图；
图2示出了用于图解说明系统参数在控制时间段内的最小值问题的图表；
图3示出了用于图解说明系统参数在控制时间段内的最大值问题的图表；
图4是示出了用于图解说明系统参数在控制时间段之内的优化时间段期间的变化的可能的值的图表；
图5示出了用于图解说明系统参数、系统参数的可达到的最大斜度和系统参数的可达到的最小斜度在控制时间段内的时间变化过程的图表；
图6示出了用于图解说明针对系统参数的可达到的最小斜度的附加条件的评价函数的图表；
图7示出了用于运行技术系统的方法的第二实施例的示意性流程图；而
图8示出了用于运行技术系统的设备的示意性方框图。
在所述附图中，只要不另作说明，相同的或者功能相同的要素就已经配备有相同的附图标记。
具体实施方式
在随后的附图中，本发明时常依据作为技术系统的供水网的示例来描述，所述供水网具有泵和阀门作为可控制的组件的示例。例如，系统参量是在供水网的确定的位置处、例如在泵处的在控制时间段内累积的水流量。借助于控制参量来操控该泵。
在图1中示出了用于运行技术系统1的方法的第一实施例的示意性流程图，所述技术系统具有多个能在包括多个优化时间段topt的控制时间段ts期间借助于控制参量控制的组件21-25（参见图8）。
如上面已经列举的那样，技术系统1例如是供水网，而可控制的组件例如包括阀门和/或泵。系统参量v(t)例如描述了在供水网的确定的位置处的水流量的在控制时间段ts内累积的值。
为此，图2示出了用于图解说明累积的水流量的系统参量v(t)在控制时间段ts内的最小值问题vmin的图表。该最小值问题描述了：在控制时间段ts结束时累积的水流量v(t)必须至少为值vmin。
类似地，图3示出了用于图解说明系统参量v(t)在控制时间段ts内的最大值问题vmax的图表。附加条件vmax描述了：在控制时间段ts结束时累积的水流量v(t)允许最高为vmax的值。
概括来说，在控制时间段ts结束时v(t=ts)的值优选地大于等于vmin并且小于等于vmax。此外，图2和3示出了当前的优化时间段topt，所述优化时间段topt明显小于控制时间段ts。例如，优化时间段topt为24小时，而控制时间段ts为30天。
图1的方法的第一实施例具有方法步骤110和120。
在步骤110中，为了实现使系统1的目标函数最小或最大，一组在相应的优化时间段topt优化的控制参量被确定为使得系统参量v(t)满足两个附加条件vmin、vmax。作为系统1的供水网的目标函数例如是供水网1的最小能耗。在不限制一般性的情况下，在该示例中只讨论两个附加条件，即vmin和vmax。出于清楚的原因，如下阐述被简化到附加条件vmin上。对于附加条件vmax来说，该方法类似地被实施。
步骤110包括针对附加条件vmin、vmax中的每个附加条件的步骤111并且包括步骤112。步骤111在控制时间段ts开始时被实施一次。步骤112在控制时间段ts之内的每个优化时间段topt都在所有的附加条件vmin、vmax的情况下被实施。
如上面已经列举的那样，步骤111只针对附加条件vmin来阐述：
在步骤111中，针对附加条件vmin设立评价函数x(δv)，用于基于系统参量v(t)的在相应的优化时间段topt开始t0时的当前值v0、系统参量v(t)的关于附加条件vmin并且在控制时间段内可达到的最大斜度v1(t)（参见图5）以及系统参量v(t)的关于附加条件vmin并且在控制时间段ts内可达到的最小斜度v2(t)（参见图5）来评价系统参量v(t)在该优化时间段topt结束时的变化δv。
图1的步骤111可包括：在设立评价函数x(δv)之前，排除系统参量v(t)的如下这种变化，所述变化造成系统参量v(t)的基于系统参量v(t)的在控制时间段ts内可达到的最大斜度v1(t)以及基于系统参量v(t)的在控制时间段ts内可达到的最小斜度v2(t)所确定的值，所述值不满足长时间附加条件。
为此，图4示出了用于图解说明系统参量v(t)在优化时间段topt之后的变化δv的可能的值的图表。图4中的线条401图解说明了评价函数x(δv)只存在于该线条401上。评价函数x(δv)的值域在0到1之间。
为此，图5还示出了用于图解说明系统参量v(t)、系统参量v(t)的可达到的最大斜度v1(t)和系统参量v(t)的可达到的最小斜度v2(t)在控制时间段ts内的时间变化过程的图表。两个斜度v1(t)和v2(t)是关于在当前情况下讨论的附加条件vmin的。
如果在控制时间段ts期间的一个时间点，系统参量v(t)的函数值大于v2(t)（参见图5中的区域a），那么保证了附加条件vmin始终被满足并且不再能被打破。但是如果系统参量v(t)的函数值在控制时间段ts期间的一个时间点小于v1(t)，那么附加条件vmin不再能被满足（参见图5中的区域b）。
出于这些原因，评价函数x(δv)优选地按如下地设立：
评价函数x(δv)被设立为使得：如果基于系统参量v(t)的可达到的最大斜度v1(t)并且基于系统参量v(t)的可达到的最小斜度v2(t)保证了附加条件vmin从当前的时间点t0起直至控制时间段ts结束时被满足（参见图5中的区域a），那么评价函数的函数值等于0。
此外，评价函数x(δv)被设立为使得：如果基于系统参量v(t)的可达到的最大斜度v1(t)并且基于系统参量v(t)的可达到的最小斜度v2(t)保证了附加条件vmin从当前的时间点t0起直至控制时间段ts结束时能继续满足（参见图5中的区域c），那么评价函数的函数值大于0并且小于等于1。换言之，这里附加条件仍可满足，但是也可被打破。
此外，评价函数x(δv)被设立为使得：如果基于系统参量v(t)的可达到的最大斜度v1(t)并且基于系统参量v(t)的可达到的最小斜度v2(t)保证了附加条件vmin从当前的时间点t0起（在优化时间段topt开始时）直至控制时间段ts结束时不能被满足（参见图5中的区域b），那么评价函数的函数值等于1。
相对应地，针对最小值问题的评价函数x(δv)可以通过如下公式来设立：
其中v表示系统参量，δv表示系统参量的变化，t0表示当前的时间点，topt表示优化时间段，v0表示系统参量的当前值，v1表示系统参量的在控制时间段内可达到的最大斜度而v2表示系统参量的在控制时间段内可达到的最小斜度。
此外，除了引入评价函数x(δv)之外，还补充如下硬性边界条件：
图6示出了该评价函数x(δv)的图示。
在步骤111中，在使用所设立的评价函数的情况下，应用优化算法来使目标函数最小或最大，其中至少一个系统参量v(t)被确定为对至少一个优化的控制参量的系统响应。
在步骤120中，调节至少一个所确定的优化的控制参量来运行可控制的组件21-25。
在图7中示出了用于运行技术系统1的方法的第二实施例的示意性流程图，所述技术系统具有多个能在包括多个优化时间段topt的控制时间段ts期间借助于控制参量控制的组件21-25。
图7的方法包括（类似于图1的）步骤110和120，其中步骤110包括步骤111并且包括具有子步骤112a、112b和112c的步骤112。
在步骤110中，为了使系统1的目标函数最小或最大，一组在相应的优化时间段topt优化的控制参量被确定为使得系统参量v(t)满足两个附加条件vmin、vmax。作为系统1的供水网的目标函数例如是供水网1的最小能耗。
在步骤111中，针对附加条件vmin设立评价函数x(δv)，用于基于系统参量v(t)的在相应的优化时间段topt开始t0时的当前值v0、系统参量v(t)的关于附加条件vmin并且在控制时间段内可达到的最大斜度v1(t)（参见图5）以及系统参量v(t)的关于附加条件vmin并且在控制时间段ts内可达到的最小斜度v2(t)（参见图5）来评价系统参量v(t)在该优化时间段topt结束时的变化δv。
如上面列举的那样，步骤112包括子步骤112a、112b和112c：
在步骤112a中，以所设立的评价函数x(δv)作为依据来设立惩罚函数。
在112b中，目标函数被扩展了所设立的惩罚函数。尤其是，将惩罚函数作为加数添加给目标函数。步骤112a和112b针对每个评价函数x(δv)并且借此针对每个长时间附加条件来执行。
在步骤112c中，将优化算法应用到被扩展的目标函数上。
图8示出了用于运行技术系统1的设备10的示意性方框图，所述技术系统具有多个能在包括多个优化时间段topt的控制时间段ts期间借助于控制参量控制的组件21-25。技术系统1例如是供水网。可控制的组件21-25例如包括泵或阀门。此外，供水网1也可以包括不可控制的组件，如管道或诸如此类的。在不限制一般性的情况下，图8的系统1示出了五个可控制的组件21-25。这些可控制的组件21-25中的每个可控制的组件尤其是分配有一个或多个控制参量。
该设备10包括第一单元11和第二单元12。第一单元11被设立为确定至少一个在优化时间段topt中的每个优化时间段的控制参量，用来使系统1的目标函数最大或最小，使得至少一个系统参量v(t)满足多个预先确定的、关于控制时间段ts的附加条件vmin、vmax，其中所述确定包括：针对所述附加条件vmin、vmax中的每个附加条件设立评价函数x(δv)，用于基于系统参量v(t)的在优化时间段topt开始时的当前值v0、系统参量的关于附加条件vmin、vmax并且在控制时间段ts内可达到的最大斜度v1(t)以及系统参量的关于附加条件vmin、vmax并且在控制时间段内可达到的最小斜度v2(t)来评价系统参量v(t)在优化时间段topt结束时的变化；以及在使用所设立的评价函数x(δv)的情况下，应用优化算法来使目标函数最小或最大，其中所述至少一个系统参量v(t)被确定为对可控制的组件的至少一个优化的控制参量的系统响应。
第二单元12被设立用于调节至少一个所确定的优化的控制参量来运行可控制的组件。
尽管本发明是依据实施例来描述的，但是本发明能以各种各样的方式来修改。