专利名称：一种用来控制资源交换设备的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种其中包括供给设备、消耗设备和缓冲设备在内的多个系统被经由交换设备而互相连接的资源交换系统的用法，更确切地说，涉及一种用来控制资源交换设备以便在每个子系统尽可能独立运行的约束条件下通过控制供给设备、交换设备或消耗设备而使整个交换系统容易运行的装置。
例如，如在朝仓书店出版的黑泽所著《水资源规划》中145-146页所指出的那样，在日本清水供给和污水处理系统已经作为诸如城、镇或乡村之类的地方性组织的事业建立并经营。于是，这些水系统目前由诸如城、镇或乡村之类的地方性组织独立经营，并且由于对现有的装置和收费制度的评估的差异，很难发展成一种广大地区的经营。
而且，正如在朝仓书店出版的黑泽所著《水资源规划》中119页所指出的那样，虽然混杂有不同需水特性的中熟、早熟和晚熟作物，但因为灌溉水调节系统是不完善的，所以开始出现必须在每个分区里保证高峰需水量的问题。
而且，在冷却水贮水箱中的冷却水需水特性是不同的，取决于究竟需求是来自24小时工作的计算机房还是来自白天工作的工厂。
如上所述，资源交换运行目前尚不普遍，因为即使在资源的利用可以通过在子系统之间的资源交换而作为整体高效地进行的场合，也尚未提供交换设备或尚未建立交换方法。
该资源交换不普遍的一个原因在于交换设备本身不完善，而另一个原因在于交换方法不完善。后一个原因起源于刚好相反的原则，一方面一个子系统必须靠自身取得必要的资源，就是说要求尽可能少地交换资源;另一方面资源的利用可以通过更主动的交换而作为整体高效地进行，就是说要求尽可能多地交换资源。
本发明的目的在于给出一种用来控制资源交换设备装置，该装置虽然要遵守子系统必须靠自身得到必要的资源的原则，但通过主动的交换运行能够使资源高效率地被利用。
诸特点之一，第一个特点是本发明在一种用来控制资源交换设备的装置-该装置包括多个由用来供给实物资源的供给设备、用来临时贮存该供给设备所供给的实物资源的缓冲设备及用来消耗临时贮存在该缓冲设备中的实物资源的消耗设备组成的子系统，连接于每个子系统的缓冲设备以便在各个子系统之间交换资源的交换设备，以及一个用来控制资源的交换量控制系统-中提供一个用来决定目标交换量以便在预定的时间内使每个子系统实物资源的供给与消耗之间的平衡符合目标平衡的装置，及一个用来从控制该实物资源用的交换量控制系统向交换设备发出实物资源的目标交换量诸指令的装置。
以及，第二个特点是在一种用来控制资源交换设备的装置-该装置包括多个由用来供给实物资源的供给设备、用来临时贮存该供给设备所供给的实物资源的缓冲设备及用来消耗临时贮存在缓冲设备中的实物资源的消耗设备组成的子系统，连接于每个子系统的缓冲设备以便在各子系统之间交换与贮存在缓冲设备中的实物资源量相对应的该资源的交换设备，以及一个用来控制该资源的交换量控制系统-中提供一个用来决定目标供给量以便在预定的时间内使每个子系统中实物资源的供给与消耗之间的平衡符合目标平衡的装置，及一个用来从控制实物资源用的交换量控制系统向供给设备发出实物资源目标供给量指令的装置。
以及，第三个特点是在一种用来控制资源交换设备的装置-该装置包括多个由用来供给实物资源的供给设备、用来临时贮存该供给设备所供给的实物资源的缓冲设备及用来消耗临时贮存在缓冲设备中的实物资源的消耗设备组成的子系统，连接于每个子系统的缓冲设备以便在各子系统之间交换与贮存在缓冲设备中的实物资源量相对应的该资源的交换设备，以及一个用来控制该资源的交换量控制系统-中提供一个用来决定目标消耗量以便在预定的时间内使每个子系统中实物资源的供给与消耗之间的平衡符合目标平衡的装置及一个用来从控制实物资源用的交换量控制系统向消耗设备发出实物资源目标消耗量指令的装置。
此外，第四个特点是在一种用来控制资源交换设备的装置-该装置包括由多个用来供给实物资源的供给设备、用来临时贮存该供给设备所供给的实物资源的缓冲设备及用来消耗临时贮存在缓冲设备中的实物资源的消耗设备组成的子系统，以及连接于每个子系统的缓冲设备以便在各子系统之间交换与贮存在缓冲设备中实物资源量相对应的该资源的第一交换设备-中提供一种与第一交换设备并行布置的第二交换设备及一个用来通过探则第一交换设备的交换量而向第二交换设备发出目标交换量指令的装置。
在本发明中，问题被明确地表达为“使供给量、消耗量或交换量尽可能接近于在约束条件下的各目标值，即在预定时间内使交换平衡小得可以忽略不计。”并通过求解该问题得到资源交换法。可以指出，通过交换资源而使交换平衡接近于小得可以忽略不计的量，子系统能供给自身所消耗的资源并且通过使供给、消耗或交换量接近于目标值而使交换系统的运行变得更容易。尤其是，通过主动地交换那些常常引起需求与供给失衡的随机噪声分量资源，可以获得对随机噪声的抵销效应，从而使保持需求与供给的平衡变得较容易。
在并行设置两个交换设备单元的场合，可以设置一个局部控制系统来控制各个第二交换设备，以便由第二个单元来交换第一和第二单元二者的目标交换流量与检测到的第一单元的交换流量之差，于是，并行设置的第一和第二单元可以像一个单元似地对待并由一个控制整个交换设备系统的全局控制系统来控制，从而使整个交换控制系统容易控制。
图1是表示其中交换设备被直接控制的一个实施例的系统结构图;
图2(a)表示子系统1中预测实物资源消耗量的曲线图;
图2(b)表示子系统2中预测实物资源消耗量的曲线图;
图2(c)表示子系统3中预测实物资源消耗量的曲线图;
图3(a)表示子系统1中预测的和想要的实物资源供给量的曲线图;
图3(b)表示子系统2中预测的和想要的实物资源供给量的曲线图;
图3(c)表示子系统3中预测的和想要的实物资源供给量的曲线图;
图4(a)表示子系统1中目标交换量的曲线图;
图4(b)表示子系统2中目标交换量的曲线图;
图4(c)表示子系统3中目标交换量的曲线图;
图5(a)表示子系统1中目标交换量和交换量计划的曲线图;
图5(b)表示子系统2中目标交换量和交换量计划的曲线图;
图5(c)表示子系统3中目标交换量和交换量计划的曲线图;
图6(a)表示子系统1中预测消耗、想要的供给及供给计划的曲线图;
图6(b)表示子系统2中预测消耗、想要的供给及供给计划的曲线图;
图6(c)表示子系统3中预测消耗、想要的供给及供给计划的曲线图;
图7(a)表示交换设备104中目标交换量指令的曲线图;
图7(b)表示交换设备105中目标交换量指令的曲线图;
图8(a)表示子系统1中预测的和实际的消耗量的曲线图;
图8(b)表示子系统2中预测的和实际的消耗量的曲线图;
图8(c)表示子系统3中预测的和实际的消耗量的曲线图;
图9(a)表示子系统1中在线修正之前和之后目标交换量的曲线图;
图9(b)表示子系统2中在线修正之前和之后目标交换量的曲线图;
图9(c)表示子系统3中在线修正之前和之后目标交换量的曲线图;
图10(a)表示子系统1中计划和目标交换量的曲线图;
图10(b)表示子系统2中计划和目标交换量的曲线图;
图10(c)表示子系统3中计划和目标交换量的曲线图;
图11(a)表示子系统1中老的和新的计划交换量的曲线图;
图11(b)表示子系统2中老的和新的计划交换量的曲线图;
图11(c)表示子系统3中老的和新的计划交换量的曲线图;
图12(a)表示交换设备104中在线修正后的交换量的曲线图;
图12(b)表示交换设备105中在线修正后的交换量的曲线图;
图13是表示其中供给设备被直接控制的一个实施例的系统结构图;
图14(a)表示子系统1中包括随机噪声分量的实物资源消耗量的曲线图;
图14(b)表示子系统2中包括随机噪声分量的实物资源消耗量的曲线图;
图14(c)表示子系统3中包括随机噪声分量的实物资源消耗量的曲线图;
图15是表示含有第一和第二交换设备的交换系统的系统结构图;
图16是表示由交换量控制系统和含有第一和第二交换设备的交换系统组成的整个系统的系统结构图;
图17(a)是表示用于交换设备401的控制系统的系统结构图;
图17(b)是表示用于交换设备402的控制系统的系统结构图;
图18(a)是表示在晚稻栽培的一年之中日减水量变化图;
图18(b)是表示在中稻栽培的一年之中日减水量变化图;
图18(c)是表示在早稻栽培的一年之中日减水量变化图;
图19是表示用于水稻栽培的由交换量控制系统和交换系统组成的整个系统的系统结构图;
图20是表示用于给水排水系统的由交换量控制系统和交换系统组成的整个系统的系统结构图;
图21(a)是表示地区A内电力需求变化特性示例图;
图21(b)是表示地区B内电力需求变化特性示例图;
图22是表示用于电力供给系统的由交换量控制系统和交换系统组成的整个系统的系统结构图;
图23(a)是表示商用热水需求变化特性的示例图;
图23(b)是表示民用热水需求变化特性的示例图;
图24是表示用于热水供给系统的由交换量控制系统和交换系统组成的整个系统的系统结构图;
图25(a)是表示24小时工作的计算机房冷却水需求变化特性的示例图;
图25(b)是表示白天工作的工厂冷却水需求变化特性的示例图;
图26是表示用于冷却水供给系统的由交换量控制系统和交换系统组成的整个系统的系统结构图。
下面根据诸实施例对照附图解释本发明的细节。
首先，利用图1解释本发明的用来控制资源交换设备的系统的总体结构。一个交换系统100包括子系统101、102和103，以及交换设备104和105。虽然该交换系统一般来说有多个经由交换设备互相连接的子系统，为便于理解，在图1中示出一个由三个子系统和两个交换设备单元组成的例子。
子系统101由供给设备101a、缓冲设备101b和消耗设备101c组成，子系统102由供给设备102a、缓冲设备102b和消耗设备102c组成。而子系统103由供给设备103a、缓冲设备103b和消耗设备103c组成。而且，供给设备101a向缓冲设备101b供给实物资源量101d，供给设备102a向缓冲设备102b供给实物资源量102d，而供给设备103a向缓冲设备103b供给实物资源量103d。而且，缓冲设备101b向消耗设备101c供给实物资源量101e，缓冲设备102b向消耗设备102c供给实物资源量102e，而缓冲设备103b向消耗设备103c供给实物资源量103e。
此外，交换设备104管理缓冲设备101b与102b之间的交换设备的流量104f，而交换设备105管理缓冲设备102b与103b之间的交换设备的流量105f。
在该实施例中，用一个交换量控制系统110来控制该交换系统100。该交换量控制系统110包括一个实物资源供给量预测部分111、一个实物资源消耗量预测部分112、一个目标交换量设定部分113、一个目标平衡设定部分114、一个交换计划部分115及一个交换设备的流量计划部分116。实物资源供给量预测部分111产生供给设备101a-103a中的实物资源供给量101d-103d的诸预测值121d-123d。实物资源消耗量预测部分112产生消耗设备101c-103c中的实物资源消耗量101e-103e的诸预测值121e-123e。
作为实现实物资源供给量预测部分111和实物资源消耗量预测部分112的一种装置，例如，在电气书院出版的关根所著的《电力系统工学》中169-197页所提到的方法或启发式预测方法可能适用。这些预测功能不是必不可少的，如果下文提到的目标交换量设定部分113和交换量计划部分115不需要预测功能，那就不采用。
目标交换量设定部分113设定各子系统101-103的诸目标交换量131-133。目标平衡设定部分114在需要时使用各预测值121d-123d和121e-123e而在不需要时不使用它们。该目标平衡设定部分114设定预定时间内各子系统101-103的交换平衡的各目标值。交换量计划部分115在保持目标平衡141-143的约束条件下制定尽可能接近于目标交换量131-133的交换量计划151-153。交换设备的流量计划部分116拟定交换设备流量指令104g和105g并把它们送往各交换设备104和105。
(第一实施例)下面用具体的例子解释本发明。首先，实物资源供应量预测部分111产生供给设备101a-103a中的实物资源供给量101d-103d的预测值121d-123d。作为需要实物资源供给预测部分111的例子可举出靠风力发电的电力供给厂或可利用反向潮汐流的热电联供系统。至于由不是一种设施而是一种自然结构的雨水供给的水库，则应取得降雨量的预测。在该实施例中，假定各供给设备101a-103a可以在一定程度上自由地控制，以便总是能及时供给资源。根据这项假定，实物资源供给量预测部分111被弃置不用。
实物资源消耗量预测部分112产生实物资源消耗设备101c-103c中实物资源消耗量101e-103e的预测值121e-123e。作为需要实物资源消耗量预测部分112的例子，可举出冷却水或电力的消耗量预测。于是，假定该实物资源消耗被实物资源消耗预测部分112预测成如图2(a)-2(c)所示。
该目标交换量设定部分113设定各子系统101-103的各目标交换量131-133。设定每个目标交换量时仅考虑每个子系统各自的便利而不管诸如“交换是从那个子系统发出的？”或“使用哪个交换设备？”之类的条件。于是，假定实物资源供给量101d-103d，为了供给设备101a-103a的方便起见，并不及时改变而且最好希望被弄成如图3(a)-3(c)中实线161-163所示。此外，假定缓冲设备101b-103b的各容量很小并且要求它们在每个时刻和在每个子系统中都保持消耗与供给之间的平衡。该假定适用于一个供热系统中的锅炉难以迅速改变而其热水贮存箱的容量又小的场合。
考虑到上述假定，目标交换量设定部分113，按照图3(a)-3(c)中所示的实线161-163与虚线121e-123e之间的差异在每个时刻和在每个子系统中都被交换所覆盖的策略，设定各子系统的各目标交换量，如图4(a)-4(c)中曲线131-133所示。下述未用于该实施例的诸方法也可用作被目标交换量设定部分113所采用的一种方法。一个方法是，如果由于供给设备101a-103a的能力限制而使各供给量101d-103d不能迅速改变的话，则仅把从预测值121e-123e中提取的各缓慢变化分量设定为目标交换量131-133。作为这样一种方法，可以作为例子举出在日本理光出版会出版的竹村所著的《系统技术手册》中384-386页所描述的移动平均法或指数平滑法。另一种方法是由人凭化的经验作出综合判断来启发式地决定目标交换量131-133的方法。
该目标平衡设定部分114设定子系统101-103中交换平衡的各目标值141-143。在该实施例中该预定时间相当于诸曲线图中从第一时刻到第四时刻的时间间隔。在该实施例中，按照每个子系统供给它自身所消耗的资源的策略，把各目标平衡141-143设定为零。这样一种策略可用于当带有一个供热系统的三座大楼分由不同的公司管理并配备了用来在大楼之间交换热水的带有泵的管道时，希望把每日的热水平衡设定为O的场合。于是，虽然在运用本发明时一般不一定对所有的子系统都设定目标平衡，但是在该实施例中对所有三个子系统都设定了目标平衡141-143。
该交换量计划部分115在保持目标平衡141-143的约束下拟定尽可能接近于目标交换量131-133的交换量计划151-153。该交换量计划是用来决定需要在各子系统之间交换的实物资源量的计划。这时，在交换量计划中尚未决定一个子系统向或从哪个系统发送或接收实物资源。该实施例运用下述方法。就是说，把交换量计划问题明确地表达为以下的方程组1并把方程组1的解用作该交换量计划151-153。
方程组1问题是要获得使性能函数最小的Xij(i＝1-T，j＝1-N)。
性能函数Σj=1NΣi=1T(Xij-Aij)2---(1)]]>以及，第一约束Σj=1NXij=0(i=1-T)---(2)]]>第二约束Σj=1NXij=Bj(j=1-N)---(3)]]>式中N子系统数(三个子系统)T预定时间(四个时刻)Xij第j个子系统在第i时刻的交换量计划(151-153)Aij第j个子系统在第i时刻的目标交换量(131-133)Bj第j个子系统的目标平衡(皆为0)方程组1的问题可用日本理光出版会的竹村所著的《系统技术手册》中244-248页所述的待定因子拉格朗日法来求解。在该方程组中，性能函数代表应使交换量151-153尽可能接近目标交换量131-133这一要求。而且，第一约束相当于基尔霍夫定律。第二约束是使子系统101-103中的交换量计划151-153的平衡符合该目标平衡的约束。
于是，得到方程组1的解，即如图5(a)-5(c)所示的交换量计划151-153。图5(a)-5(c)表明，得到了接近于目标交换量131-133的交换量计划151-153。在实物交换系统是设置在多座大楼中的多个供热系统的场合，各解对应着各大楼之间交换热水的计划值。在该计划值里虽然尚未规定向或从哪座大楼交换热水，但由于考虑了基尔霍夫定律，整个楼群中交换资源的平衡是有保证的。作为参考，在执行交换量计划151-153时得到的每个供给量用图6(a)-6(c)中各实线171-173表示，而且它们接近于各想要的供给量161-163。考虑到如果不进行交换的话应向消耗设备供给预测消耗量121e-123e这一事实，可以清楚地理解交换的影响。下文里，该值171-173称为计划供给量。
交换设备的流量计划部分116拟定交换设备流量指令104g和105g以便交换设备104和105执行上面提到的交换量计划151-153，就是说，它决定每个要在一对子系统之间交换的实物资源量。该实施例用下述方法作为用于交换设备流量计划部分116的解题方法。就是说，交换设备流量计划问题被明确表达为下列方程组2并把方程组2的解用作交换设备流量计划104g和105g。
方程组2问题是要获得使性能函数最小的Yijk(i＝1-T，j＝1-N，k＝1-N)。
性能函数Σj=1NΣk=1NΣi=1TYijk2---(4)]]>以及，
第一约束(i＝1-T，j＝1-N)…(5)第二约束Yijk＝-Yijk(i＝1-T，j＝1-N，k＝1-N)…(6)第三约束Yijk＝0(7)(如果没有直接连接第j个子系统和第k个子系统的交换设备的话)式中N子系统数(三个子系统)T预定时间(四个时刻)Xij第j个子系统在第i时刻的交换量计划(151-153)Yijk为在第i时刻交换资源从第j个子系统向第k个子系统而对交换设备发出的交换设备流量指令(104g，105g)方程组2的问题像方程组1一样，也可以用日本理光出版会出版的竹村所著的《系统技术手册》中244-248页所述的待定因子拉格朗日法来求解。在方程组2中，性能函数代表交换设备流量指令104g和105g应尽可能小这一要求。第一约束是为了使每个交换设备流量之和符合子系统101-103中的各交换量计划151-153而设的。第二约束是为了在考虑各交换设备流的方向时保持物理一致性而设的。第三约束表示控制指令当然不能向不存在的交换设备发出。如果交换系统不包含环形结构，则仅从这些约束即可唯一地得到由方程组2给出的问题的解。由于图1所示的结构不包含环形结构，故仅从约束即可唯一地得到交换设备流量指令104a和105g，其结果如图7(a)和7(b)所示。在交换系统是用于由带泵的管道互相连接的多座大楼的总供热系统的场合，则要在带泵的管道中流动的热水由上述解给出。为了使像Xij之类的带下标的参数与像151-153之类的数字之间的关系更明确，把Aij方面的关系汇总描述于表1，Bj方面的关系汇总描述于表2，Xij方面的关系汇总描述于表3而Yijk方面的关系汇总描述于表4。而且，第二约束和第二约束的诸关系是明显的，故省略。
表 1 目标 交换 量 Aij
<p>表 2 目标 平衡 Bj
表 3 交换量计划
<p>4 交换设备流量指令 Yijk(Yijk:为了使资源从第j个子系统流向第k个子系统而对交换设备发出的交换设备流量指令)<
>该方程组的第二约束是关于计划交换量的总和的约束，如果交换量的特性随时间而不同的话，则该总和可以用量Xij乘以加权因子得出。在该情况下，上述方法也可用来求解问题。
方程组1和2中的性能函数可以自由设定，而如果该问题不能用解析方法求解的话，则用岩波书店出版的西川所著的《最优化》中61-67页所述的非线性优化法求解。
上述实施例是个例子，其中先预测实物资源消耗的预测值121e-123e，然后把交换设备流量指令104g和105g计划成与预测值121e-123e相符合。此过程也适用于这样的场合，即先预测实物资源供给的预测值121d-123d，然后把交换设备流量指令104g和105g计划成与预测值121d-123d相符合。
如上所述，有可能把供给量平滑成如图6(a)-6(c)中曲线所示并且每个子系统都能得到这样的交换设备流量，即该子系统靠自身供给它的消耗量变化。
(第二实施例)此实施例是一个例子，即虽然在第一实施例中所提供的计划被执行到时刻2，但由于实际实物资源消耗量201e-203e与预测实物资源消耗量121e-123e之间的差别被扩大，故需要修正计划。
在图8(a)-8(c)中，表示了直到时刻2的实际实物资源消耗量201e-203e。就是说，在时刻2，在子系统101中实际结果比预测值高40，在第2子系统中实际结果比预测值高20，和在第3子系统中实际结果比预测值低20。于是，假定实物资源供给量101d-103d和交换设备流量104f与105f分别依次从计划供给量171-173和交换设备流量指令104g与105g。在此情况下，通过增加或减少临时贮存在缓冲设备101b-103b中的资源来补偿实际实物资源消耗量201e-203e与预测实物资源消耗量121e-123e之间的差额。在每个缓冲设备的容量不大的场合，由于不希望增加或减少临时贮存在缓冲设备中的资源，需要在时刻3和时刻4把每个缓冲设备的量恢复到各原始量。于是，目标交换量设定部分113把每个目标交换量分别设定成图9(a)-9(c)中所示的实线211-213。目标交换量211-213被修正成在时刻3仅修正实际结果与预测值之间的差异而在时刻4保留交换设备流量指令104g和105g刚好与以前一样。
该目标平衡设定部分114在时刻3到时刻4期间修正各目标平衡。为了使时刻1到时刻4期间的目标平衡为零，需要在时刻3到时刻4期间设定如图9(a)-9(c)和表5所示的目标平衡。设定目标交换量和表5所示目标平衡的目的是要恢复缓冲设备的临时贮存资源，正象它们在时刻1到时刻4期间使总交换量为零的约束下的情况一样。
表5 目标平衡bj
该交换量计划部分在保持目标平衡的约束下拟定尽可能接近于目标交换量211-213的交换量计划221-223。在此实施例中像第一实施例一样也把解用作交换量计划221-223。
方程组3问题是要获得使性能函数最小的Xij(i＝3-T，j＝1-N)。
性能函数Σj=1NΣi=3T(Xij-aij)2---(8)]]>以及，第一约束Σj=1NXij=0(i=3-T)---(9)]]>
第二约束Σi=3TXij=bj(j=1-N)---(10)]]>式中N子系统数(三个子系统)T预定时间(四个时刻)Xij第j个子系统在第i时刻的交换量计划(221-223)aij第j个子系统在第i时刻的目标交换量(211-213)bj第j个子系统的目标平衡(如表5所示)通过求解由方程组3所给出的问题，得到交换量计划221-223，如图10(a)-10(c)所示。新得到的交换量计划221-223和原始的交换量计划131-133都示于图11(a)-11(c)中，这些图仅表示交换量计划151-153在时刻3和时刻4的计划。在把图11(a)中所示的修正后的新交换量计划221与原始的老交换量计划231相比较时可以看到，支出交换量221在时刻3减少而支出交换量221在时刻4增加。支出交换量在时刻3减少是因为系统在时刻2消耗了超过预测量的临时贮存资源，需要在时刻3减少支出资源来不减少临时贮存在缓冲设备中的资源。支出交换量在时刻4增加是因为支出量在时刻3减少，为使交换平衡为零而需要增加支出交换量。图11(b)和11(c)中所示的其他曲线的趋势表明，正如系统行为的以上分析所示，交换计划的修正是合理的。
用于执行修正的交换量计划221-223的交换设备流量指令204g和205g示于图12(a)和12(b)。
按照上述实施例，有可能通过考虑实际结果与预测消耗之间的差异而修正交换量并合理地调整这些交换量。
(第三实施例)通过向供给设备101a-103a发出供给量指令101h-103h来控制交换设备流量104f和105f的这样一个系统的构成如图13中所示。假定交换量计划像在第一实施例中一样地获得，则问题被定义为拟定供给量计划101h-103h以实现图5(a)-5(c)中所示的计划。数字301-303表示贮存在缓冲设备101b-103b中的实物资源。并且，预先假定子系统101-103的交换量311-313由下式决定。
fi=-Si+(Σm=1N(Sm-dm)/N)---(11)]]>式中N子系统数fi第i个子系统的交换量(+平均收入)Si来自第i个子系统的供给设备的供给量di第i个子系统的消耗设备的消耗量把获得供给量指令的问题明确地表达为方程组4，并且把问题的解用作供给量指令101h-103h。
方程组4问题是要获得使性能函数最小的Xij(i＝1-T，j＝1-N)。
性能函数Σj=1NΣi=1T(Sij-dij)2(sij-dij)2---(12)]]>以及，
约束Xij=-Sij+(Σn=1N(Sim-dim)/N)(i=1-T)---(13)]]>式中，N子系统数(三个子系统)T预定时间(四个时刻)Xij第j个子系统在第i时刻的交换量计划(151-153)Sij第j个子系统在第i时刻的供给量(101h-103h)dij第j个子系统在第i时刻的消耗量(121e-123e)方程组4的问题可用待定因子的拉格朗日法解析求解;如果该问题不能用解析方法求解的话，则用岩波书店出版的西川所著的《最优化》中61-67页所述的非线性优化法求解。
通过运用上述实施例，有可能把供应量控制得使每个子系统的交换平衡都为零。
在下文，本发明处理其消耗量的改变如图2(a)-2(c)中曲线121e-123e所示的情况。即使随机噪声分量叠加于图2中曲线121e-123e所示的消耗量时，就是说，即使消耗量的变化如图14(a)-14(c)中曲线121e-123e所示时，上面所得到的解也适用，因为随机噪声的正负分量在一定的长时间互相抵销，所以随机噪声分量不影响交换平衡。因而，实物资源供给预测部分111和消耗预测部分112仅需要预测从其中扣除了随机噪声分量的供给量或消耗量的趋势。
(第四实施例)在如图15所示的实施例中，与可能不被交换设备流量指令直接控制的第一交换设备106和107并行设置了用来通过接收交换设备流量指令以控制交换量的第二交换设备108和109。
提供下述方法。第一交换设备106和第二交换设备108被当成一个交换设备组401来对待，而第一交换设备107和第二交换设备109被当成另一个交换设备组402来对待。在这种情况下，如图16中所示，通过把交换设备组401和402中的每一个当成一个交换设备单元来对待，则该交换系统可以像在第一和第二实施例中一样工作。以及，交换设备组401和402具有如图17(a)和17(b)中所示的结构，并且它们当中的每一个都需要把交换设备流量指令与第一交换设备的交换设备流量之差分摊给第二交换设备。如图17(a)和17(b)所示，一个用于第二交换设备的控制单元411接收交换设备流量指令401g，探测第一交换设备流量106f，和把交换设备流量指令401g与第一交换设备流量106f之差作为第二交换设备流量指令108g发出。一个用于另一个第二交换设备的控制单元412像用于第二交换设备的控制单元411一样工作。在不需要使交换平衡符合目标平衡的场合，交换量控制系统并不始终用于计划交换设备流量指令401g和402g。在这种场合，如果每个交换设备仅有如图17(a)和17(b)所示的结构，则可根据任意的交换设备流量指令401g或402g来控制每个交换设备。
按照上述实施例，即使不能直接控制原始交换量，也有可能通过使用交换设备流量指令来控制交换流量。
如果探测到的第一交换设备流量106f包括随机噪声分量，则通过扣除随机噪声分量而得到第二交换设备流量指令108g。其原因之一是随机噪声的正负分量在一定的长时间内互相抵销，所以随机噪声分量不影响交换平衡。另一个原因随着由许多子系统组成的交换数量变得更大，在多个子系统中随机噪声的影响在一段时间内更加互相抵销。这种影响，举例来说，在电气书院出版的关根所著《电力系统工学》中49页有描述。
(第五实施例)如在朝仓书店出版的黑泽所著《水资源规划》中118-120页所述，在水稻栽培中，由于有必要调整栽培水稻的和在水稻栽培之前或之后栽培的其他盈利性农作物的栽培时间，所以有时进行早稻或晚稻栽培中。在晚稻、中稻和早稻栽培中，每日减水量(需水量)季节图形是各不相同的，如图18(a)-18(c)中所示。如果降雨量季节图形与每日减水量季节图形相适应，则不会出现什么问题。然而，并不总会出现这种情况。晚稻、中稻和早稻栽培的选择受当前条件下降雨量季节图形的限制。
在本发明的这一应用领域中，如图19所示，降雨量501d-503d被当成实物资源供给量来对待，每日减水量501e-503e被当成实物资源消耗量来对待，而水库501b-503b被当成每个区段501-503中的缓冲设备来对待。在这些条件下，有可能在蓄水的水库之间设备带泵的交换设备504和505并建立本发明的交换设备控制系统，从而放宽在选择晚稻、中稻和早稻栽培方面的约束。
在运用此实施例时，可以根据预测的每日减水量501e-503e，或者预测的与探测到的每日减水量501e-503e之差来完成交换计划。
(第六实施例)近来，一个城市已分成工作区和生活区，正像生活区的环形开发现象的例子所表现的那样。至于说到给水排水系统中的需水量，在工作区里白天需求量大，而与此相反，生活区里夜间需求量大。然而，由于许多城、镇和乡村单独经营它们的清水和污水系统，上述白天和夜间的需求变化在目前的情况下是由每个城、镇和乡村单独地应付的。为了保持足够的水压，这些需求变化是不希望的。
在清水和污水系统中，如图20所示，各个城、镇和乡村的进水量601d-603d被当成实物资源供给量来对待，其供水量601e-603e被当成实物资源消耗量来对待，其净化床601b-603b被当成缓冲设备来对待。在这些条件下，有可能在城、镇和乡村的净化床之间设置带泵的交换设备604和605并建立一个本发明的交换设备控制系统，从而很容易保持足够的水压。必须用水费给交换量加权来对交换量计价，因为在每个城、镇和乡村里水费是不同的。
在运用此实施例时，可以根据预测的清水需水量，或者预测的与探测到的清水需水量之差来完成交换计划。
(第七实施例)
至于电力供给方面，每个地区的需求变化图形是不同的，如图21(a)和21(b)中所示。可以根据频率偏移探测出供给与需求的失衡。就是说，可以根据频率偏移来预测出电力需求。于是，如图22所示，发电机出力901d-903d被当成实物资源供给量对待，电力需求901e-903e被当成实物资源消耗对待，而电力系统901b-903b被当成缓冲设备对待。在这些条件下，有可能在地区电力系统之间设置交直流互联系统904和905并组成一个本发明的交换设备控制系统以便平滑需求变化并很容易地运行电力系统。在这样一种控制系统中，如在第四实施例中的解释的那样，可望按照原样交换其需求的随机噪声分量，从而在地区之间消除随机噪声分量。
在运用此实施例时，可以根据预测的电力需求，或者预测的与探测到的电力需求之差来完成交换计划。
(第八实施例)在热水供给系统中，如图23(a)-23(b)所示，需求图形取决于是商业用还是生活用。假定与中央大楼毗邻一侧有座商业大楼而另一侧有座住宅大楼，而且每座大楼都有个热水供给设备。于是，如图24所示，热水供给量701d-703d被当作实物资源供给量来对待，热水需求量701e-703e被当作实物资源消耗量来对待，而热水贮水箱701b-703b被当作缓冲设备来对待。在这些条件下，有可能在各大楼的热水贮水箱之间设置交换设备704和705并组成一个本发明的交换设备控制系统以便平滑需求变化并很容易地运行热水供给设备系统。
在运用此实施例时，可以根据预测热水需求，或者预测的与探测到的热水需求之差来完成交换计划。
(第九实施例)在一个冷却水供给系统中，如图25(a)和25(b)所示，需求变化图形取决于例如是一个24小时工作的计算机房还是一个白天工作的工厂。根据冷却水使用后的温度可以探测出对冷却水的需求。如果温度高则需求大，反之则小。
于是，如图26所示，冷却水输出801d-803d被当成实物资源供给量来对待，对冷却水的需求801e-803e被当成实物资源消耗量来对待，而冷却水贮水箱801b-803b被当成缓冲设备来对待。在这些条件下，有可能在各建筑物的冷却水贮水箱之间设置交换设备804和805并组成一个本发明的交换设备控制系统，以便平滑需求变化并很容易地运行冷却水供给设备系统。
在冷却水贮水箱没有很大的容量储备的场合，最好使用过的冷却水的收入量符合要用的冷却水的支出量。为此目的，最好并行设置两个交换设备以便供给两种不同的温度的冷却水。
在运用此实施例时，可以根据预测的冷却水需求，或者预测的与探测到的冷却水需求之差来完成交换计划。
虽然在上面解释的实施例中只提到控制供给设置或交换设备的情况，但本发明也可用于控制消耗设备的情况。
如上所述，按照本发明，有可能通过交换资源使每个子系统能供给被该子系统自身所消耗的资源量，从而交换平衡小得可以忽略不计，而且作为整个的系统可使需求变化平滑。
权利要求
1.一种用来控制资源交换设备的装置，包含多个由用来供给实物资源的供给设备、用来临时贮存由所述供给设备所供给的所述实物资源的缓冲设备及用来消耗临时贮存在所述缓冲设备中的所述实物资源的消耗设备组成的子系统，连接于每个子系统的所述缓冲设备以便在所述诸子系统之间交换所述实物资源的交换设备，以及一个用来控制所述实物资源的交换量控制系统，所述用来控制资源交换设备的装置包括一个用来决定目标交换量以便在预定时间内使每个子系统中实物资源的供给与消耗之间的平衡符合目标平衡的装置；以及一个用来从控制所述实物资源用的所述交换量控制系统向所述交换设备，发出所述实物资源的所述目标交换量的诸指令的装置。
2.根据权利要求1所述的用来控制资源交换设备的装置，进一步包括一个实物资源供给量预测部分，以预测从所述供给设备向所述缓冲设备供应的实物资源的供应数量。
3.根据权利要求2所述的用来控制资源交换设备的装置，其中根据实际供给的实物资源量与由所述实物资源供给量预测部分所预测的实物资源供给量之差，重新计划所述目标平衡和所述目标交换量。
4.根据权利要求1所述的用来控制资源交换设备的装置，进一步包括一个实物资源消耗量预测部分，以便预测从所述缓冲设备向所述消耗设备供给的实物资源消耗量。
5.根据权利要求4所述的用来控制资源交换设备的装置，其中根据实际消耗的实物资源量与由所述实物资源消耗量预测部分所预测的实物资源消耗量之差，重新计划所述目标平衡和所述目标交换量。
6.根据权利要求1所述的用来控制资源交换设备的装置，进一步包括一个用来预测从所述供给设备向所述缓冲设备供给的实物资源的实物资源供给量预测部分，和一个用来预测从所述缓冲设备向所述消耗设备供给的实物资源的实物资源消耗量预测部分。
7.根据权利要求6所述的用来控制资源交换设备的装置，其中根据实际供给的实物资源量与由所述实物资源供给量预测部分所预测的实物资源供给量之差，及实际消耗的实物资源量与由所述实物资源消耗量预测部分所预测的实物资源消耗量之差，重新计划所述目标平衡和所述目标交换量。
8.一种用来控制资源交换设备的装置，包含多个由用来供给实物资源的供给设备、用来临时贮存由所述供给设备所供给的所述实物资源的缓冲设备及用来消耗临时贮存在所述缓冲设备中的所述实物资源的消耗设置组成的子系统，连接于每个子系统的所述缓冲设备以便在所述诸子系统之间交换与贮存在所述缓冲设备中的所述诸实物资源量相对应的所述实物资源的交换设备，以及一个用来控制所述实物资源的交换量控制系统，所述用来控制资源交换设备的装置包括一个用来决定目标供给量以便在预定时间内使每个子系统中实物资源的供给与消耗之间的平衡符合目标平衡的装置;以及一个用来从控制所述实物资源用的所述交换量控制系统向所述供给设备，发出所述实物资源的所述目标供给量的诸指令的装置。
9.根据权利要求8所述的用来控制资源交换设备的装置，进一步包括一个用来预测从所述缓冲设备供给所述消耗设备的实物资源消耗量的实物资源消耗量预测部分。
10.根据权利要求9所述的用来控制资源交换设备的装置，其中所述实物资源消耗量预测部分，通过从所述实物资源消耗量中减去其平衡在预定时间内变成小得可以忽略不计的诸分量，来预测所述诸实物资源消耗量。
11.一种用来控制资源交换设备的装置，包含多个由用来供给实物资源的供给设备、用来临时贮存由所述供给设备所供给的所述实物资源的缓冲设备及用来消耗临时贮存在所述缓冲设备中的所述实物资源的消耗设备组成的子系统，连接于每个子系统的所述缓冲设备以便在所述诸子系统之间交换与贮存在所述缓冲设备中的所述诸实物资源量相对应的所述实物资源的交换设备，以及一个用来控制所述实物资源的交换量控制系统，所述用来控制资源交换设备的装置包括一个用来决定目标消耗量，以便在预定时间内使每个子系统中实物资源的供给与消耗之间的平衡符合目标平衡的装置;以及一个用来从控制所述实物资源用的所述交换量控制系统向所述消耗设备，发出所述实物资源的所述目标消耗量的诸指令的装置。
12.根据权利要求11所述的用来控制资源交换设备的装置，进一步包括一个用来预测从所述供给设备供给所述缓冲设置的实物资源供给量的实物资源供给量预测部分。
13.根据权利要求12所述的用来控制资源交换设备的装置，其中所述实物资源供给量预测部分通过从所述实物资源供给量中减去其平衡在预定时间内变成小得可以忽略不计的诸分量，来预测所述实物资源供给量。
14.一种用来控制资源交换设备的装置，包含多个由用来供给实物资源的供给设备、用来临时贮存由所述供给设备所供给的所述实物资源的缓冲设备及用来消耗临时贮存在所述缓冲设备中的所述实物资源的消耗设备组成的子系统，以及连接于每个子系统的所述缓冲设备以便在所述诸子系统之间交换与贮存在所述缓冲设备中的所述诸实物资源量相对应的所述实物资源的第一交换设备，所述用来控制资源交换设备的装置包括与所述第一交换设备并行布置的第二交换设备;以及用来通过探测所述第一交换设备的诸交换量而向所述第二交换设备发出诸目标交换量指令的装置。
15.根据权利要求14所述的用来控制资源交换设备的装置，进一步包括用来决定目标交换量以便在预定时间内使每个子系统中实物资源的供给与消耗之间的平衡符合目标平衡的装置;以及用来把所述第一交换设备的所述诸目标交换量与所述诸探测到的交换量之差作为所述诸目标交换量的诸指令向所述第二交换设备发出的装置。
16.根据权利要求15所述的用来控制资源交换设备的装置，其中把所述诸探测到的所述第一交换设备的交换量分解成多个交换量分量，并把其平衡在预定时间内变成小得可忽略不计的一个分量定义为所述多个交换量分量中的一个可接受的分量，以及把从其中减去了所述可接受的分量的所述第一交换设备的所述诸检测到的交换量与所述诸目标交换量的差，作为所述诸目标交换量的诸指令被发送给所述第二交换设备。
全文摘要
用交换设备把带有供给设备、缓冲设备及消耗设备的诸子系统互相连接起来。用输出到该交换设备的对实物资源的诸交换设备流量的诸指令来控制诸交换设备流量。一个交换量控制系统具有决定诸交换设备流量的功能，以便在预定时间内使一个子系统中实物资源的供给与消耗之间的平衡符合预先设定的目标平衡。
文档编号G06Q50/00GK1104781SQ9410550
公开日1995年7月5日 申请日期1994年5月13日 优先权日1993年5月14日
发明者原田泰志, 田村滋, 工藤博之, 诸冈泰男, 下田诚 申请人:株式会社日立制作所