CN110764750B - 一种基于个体模型的能源经济仿真系统开发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于个体模型的能源经济仿真系统开发方法，包括步骤：1)选择支持多线程和分布式开发的编程语言和开发框架；2)基于所选择的编程语言，设计并开发具有通用性的个体抽象模型；3)根据个体抽象模型进行拓展，并基于数据模型读写框架建立个体的详细数据模型；4)基于所选择的通信框架，根据个体仿真步长和输入输出关系，实现个体之间的信息交互；5)基于所选择的图形交互界面框架，设计并开发用户界面，通过可视化图形技术显示个体模型和展示仿真结果。本发明将通用个体模型作为解决能源经济系统中模型复杂多样的一种有效手段，能够有效解决系统建模通用性差的问题，推动建模仿真系统发展，具有实际推广价值。

Description

一种基于个体模型的能源经济仿真系统开发方法

技术领域

本发明涉及建模与仿真的技术领域，尤其是指一种基于个体模型的能源经济仿真系统开发方法。

背景技术

能源革命需要相关能源技术作为支持，而能源经济仿真是能源技术的重要研发手段。因此研究适用于能源经济技术的仿真方法成为了能源公司、科研院所、高等院校等单位必须解决的一个课题。

目前我国主要的能源经济仿真工具包括：1)电力系统暂态、稳态分析程序。2)热力系统仿真程序。3)天然气管网仿真软件。4)基于代理的能源市场仿真程序。由于我国能源系统中，各种形式的能源规划与运行相对独立，每个形式的能源领域都拥有适用于自身特点的仿真方法与工具。但是，能源革命背景下，多种能源相互耦合、综合利用、协同规划以及市场化机制的引入，使得上述已有的仿真工具无法适应生产与研究的需要。因此迫切需要一种更加适用于能源经济仿真系统的开发方法。

本发明提供一种基于个体模型的能源经济仿真系统开发方法，基于建模与仿真理论通过数学形式论对仿真模型进行形式化描述，使得仿真开发方法具有规范、统一、可推广、易拓展的特点，并提供实用、方便、可行的技术开发路线。从而有效解决能源革命背景下能源经济仿真系统的开发问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于个体模型的能源经济仿真系统开发方法，突破传统能源经济仿真系统开发方法通用性不强的问题，通过建立通用的个体抽象模型并基于该抽象模型进行具体个体详细模型数据配置，并基于个体详细模型实现个体之间的交互。结合可视化图形界面展示个体模型与仿真结果，从而形成一个规范、通用、易用的能源经济仿真系统开发方法，解决现有方法存在的问题。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于个体模型的能源经济仿真系统开发方法，包括以下步骤：

1)选择支持多线程和分布式开发的编程语言和开发框架，所述开发框架包括通信框架、数据模型读写框架和图形交互界面框架；

2)基于所选择的编程语言，设计并开发具有通用性的个体抽象模型，个体抽象模型包含输入集、输出集、静态模型、状态集和函数集；

3)根据个体抽象模型进行拓展，并基于数据模型读写框架建立个体的详细数据模型；

4)基于所选择的通信框架，根据个体仿真步长和输入输出关系，实现个体之间的信息交互；

5)基于所选择的图形交互界面框架，设计并开发用户界面，通过可视化图形技术显示个体模型和展示仿真结果。

在步骤1)中，考虑到Java语言具有跨平台运行、多线程和分布式的开发特性，选取Java语言作为编程语言；

所述通信框架是个体之间进行信息交互所依赖的技术框架，选择由TelecomItalia(意大利电信)开发的JADE(Java Agent DEvelopment Framework)，能为分布式系统提供点对点异步消息传递；

所述数据模型读写框架采用Dom4J来处理描述个体模型的XML数据文件，处理操作包括读XML数据文件与写XML数据文件；

所述图形交互界面框架包含JGraph和JFreeChart；其中，所述JGraph是一个开源的、兼容Swing的基于MVC体系结构图形组件，主要用于可视化建模界面，借助该JGraph用户能够通过对界面上的元件进行拖拽实现模型的建立；所述JFreeChart是Java平台上的一个开放的图表绘制类库，借助于该JFreeChart能够生成多种图表，包括饼图、柱状图、散点图、时序图、甘特图，从而实现对个体内部状态指标的视图描述。

在步骤2)中，所述个体是指系统中不同规模的对象，包括物理设备、市场成员；个体抽象模型是指由五个元素组成的形式化描述结构，这五个元素分别是输入集、输出集、静态模型、状态集、函数集，个体抽象模型包含了描述个体固有属性及行为的接口数据。

在步骤3)中，建立个体的详细数据模型，包括个体的输入集、输出集、静态模型、状态集、函数集五个元素的详细数据模型，该步骤中，个体的详细数据模型是步骤2)中个体抽象模型的具体实现，利用面向对象编程技术进行开发，具体实现包括：采用XML文件编写模型文件和实现个体抽象模型中接口方法；其中，接口包含三个关键函数，分别为时间推进函数、输出函数和状态转移函数，所述时间推进函数是逻辑时间推进到下一仿真时刻的方法，对于等步长模型，t_next＝t_current+step，t_next为下一仿真时刻，t_current为当前仿真时刻，step为仿真步长，所述输出函数是当前状态下决定个体对外输出值的方法，所述状态转移函数是确定在t时刻个体的状态的方法，个体在t时刻所处的状态只能是状态集中的一个。

在步骤4)中，实现个体之间的信息交互，包括以下步骤：

4.1)根据个体仿真步长，计算交互时间；

任意两个个体间的交互时间，即个体i和个体j的交互时间t，应该满足t％T_i＝0且t％T_j＝0，其中，T_i和T_j分别表示个体i和个体j的仿真步长，％表示取模运算；

4.2)对于仿真交互时间t，确定交互内容以及交互顺序；

交互内容封装为数据对象或者数据包；交互顺序是指某个个体向其他个体发送交互信息的先后顺序；在交互时间t到来时，首先由发起者发出交互信息，然后由响应者进行响应并发出交互信息；需要说明的是，如果响应事件是条件事件，则判断条件是否满足，如果满足则进行响应，否则不响应。

在步骤5)中，设计并开发用户界面，设计的界面包括以下内容：

a、菜单栏和工具箱，包含用户建立个体模型的基本工具，同时也包含保存或打开模型文件的可视化操作菜单及工具；

b、模型建立区，是个体的图形化展示区域；

c、元件库，包含缺省的元件模型，通过图标进行显示；

d、模型数据配置面板，包含配置个体模型的基本面板，能对个体模型中的元素进行详细设置；

e、仿真监控视图，监视个体的内部指标以及外部输出指标的变化情况；

f、JADE管理界面，管理个体之间的通讯，并能够监视个体之间的通讯情况。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明首次实现了基于个体模型的能源经济仿真系统的开发方法，突破传统仿真方法实用性不强和仿真流程繁琐的缺点。

2、本发明首次实现了能源经济系统中异质个体的仿真，更利于研究异质系统之间的交互影响。

3、本发明设计了个体模型中的抽象接口，使得仿真系统具有较好的拓展性和重用性。

4、本发明实现了模型的分布式、并行仿真，可提升仿真速度。

5、本发明提出了技术实现路线，增加了方法的现实可行性。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为本发明个体抽象模型示意图。

图3为本发明仿真系统界面示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例所提供的基于个体模型的能源经济仿真系统开发方法，使用了JADE框架、XML文件、图形交互界面框架等，其包括以下步骤：

1)选择编程语言以及开发框架

选择支持多线程和分布式开发的Java语言。选择Telecom Italia(意大利电信)开发的JADE(Java Agent DEvelopment Framework)作为通信框架，选择JFreeChart和JGraph作为图形显示和图形建模框架，选择Dom4J作为XML文件读写的数据模型读写框架。其中，所述JGraph是一个开源的、兼容Swing的基于MVC体系结构图形组件，主要用于可视化建模界面，借助该JGraph用户可以通过对界面上的元件进行拖拽实现模型的建立；所述JFreeChart是Java平台上的一个开放的图表绘制类库，借助于该JFreeChart能够生成饼图、柱状图、散点图、时序图、甘特图等多种图表，从而实现对个体内部状态指标的视图描述。

2)设计并开发个体抽象模型

参见图2所示，个体模型(Individual)主要包含输入集(Input)、输出集(Output)、静态模型(Model)、函数集、状态集(State)信息。其中输入集(Input)和输出集(Output)统一称为IO，函数集是抽象方法的集合。IO包含能量流(Energy Flow)、信息流(InformationFlow)、资金流(Cash Flow)。个体分为市场个体(Market)、生产者个体(Producer)、消费者个体(Consumer)。个体抽象模型包含了描述个体固有属性及行为的接口数据。

3)建立能源经济系统中个体的详细模型，包括个体的输入、输出、静态模型、函数和状态信息，利用面向对象编程技术进行开发，具体实现包括：采用XML文件编写模型文件和实现个体抽象模型中接口方法；其中，接口包含三个关键函数，分别为时间推进函数、输出函数、状态转移函数。时间推进函数是逻辑时间推进到下一仿真时刻的方法。对于等步长模型，t_next＝t_current+step，t_next为下一仿真时刻，t_current为当前仿真时刻，step为仿真步长。输出函数是当前状态下决定个体对外输出值的方法。状态转移函数是确定在t时刻个体的状态的方法。个体在t时刻所处的状态只能是状态集中的一个。

4)实现个体之间的信息交互

根据个体仿真步长，计算交互时间，其中，所述个体仿真步长是指描述个体动态特性的仿真时间间隔，对于连续时间模型和离散时间模型来说分别指积分步长和规划/控制周期。交互时间至少有两个个体处于交互窗口。根据输入输出之间的耦合关系设计仿真交互流程，包括以下步骤：

4.1)根据个体仿真步长，计算交互时间：

任意两个个体间的交互时间，如个体i和个体j的交互时间t应该满足t％T_i＝0且t％T_j＝0。其中，T_i和T_j分别表示个体i和个体j的仿真步长，％表示取模运算。

4.2)对于仿真交互时间t，确定交互内容以及交互顺序：

交互内容可以封装为数据对象或者数据包。交互顺序是指某个个体向其他个体发送交互信息的先后顺序。在交互时间t到来时，首先由发起者发出交互信息，然后由响应者进行响应并发出交互信息。需要说明的是，如果响应事件是条件事件，则判断条件是否满足，如果满足则进行响应。

5)设计并开发用户界面，通过可视化图形技术显示个体模型和展示仿真结果；参见图3所示，设计的界面包括以下内容：

a、菜单栏和工具箱，包含用户建立个体模型的基本工具，同时也包含保存或打开模型文件的可视化操作菜单及工具；

b、模型建立区，是个体的图形化展示区域；

c、元件库，包含缺省的元件模型，通过图标进行显示；

d、模型数据配置面板，包含配置个体模型的基本面板，能对个体模型中的元素进行详细设置；

e、仿真监控视图，监视个体的内部指标以及外部输出指标的变化情况；

f、JADE管理界面，管理个体之间的通讯，并能够监视个体之间的通讯情况。

综上所述，在采用以上方案后，本发明为能源经济仿真系统开发提供了新的方法，将通用个体模型作为解决能源经济系统中模型复杂多样的一种有效手段，能够有效解决系统建模通用性差的问题，有效推动建模仿真系统发展，具有实际推广价值。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于个体模型的能源经济仿真系统开发方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)选择支持多线程和分布式开发的编程语言和开发框架，所述开发框架包括通信框架、数据模型读写框架和图形交互界面框架；

2)基于所选择的编程语言，设计并开发具有通用性的个体抽象模型，个体抽象模型包含输入集、输出集、静态模型、状态集和函数集；

3)根据个体抽象模型进行拓展，并基于数据模型读写框架建立个体的详细数据模型；其中，建立个体的详细数据模型，包括个体的输入集、输出集、静态模型、状态集、函数集五个元素的详细数据模型，该步骤中，个体的详细数据模型是步骤2)中个体抽象模型的具体实现，利用面向对象编程技术进行开发，具体实现包括：采用XML文件编写模型文件和实现个体抽象模型中接口方法；其中，接口包含三个关键函数，分别为时间推进函数、输出函数和状态转移函数，所述时间推进函数是逻辑时间推进到下一仿真时刻的方法，对于等步长模型，t_next＝t_current+step，t_next为下一仿真时刻，t_current为当前仿真时刻，step为仿真步长，所述输出函数是当前状态下决定个体对外输出值的方法，所述状态转移函数是确定在t时刻个体的状态的方法，个体在t时刻所处的状态只能是状态集中的一个；

4)基于所选择的通信框架，根据个体仿真步长和输入输出关系，实现个体之间的信息交互；其中，实现个体之间的信息交互，包括以下步骤：

4.1)根据个体仿真步长，计算交互时间；

任意两个个体间的交互时间，即个体i和个体j的交互时间t，应该满足t％T_i＝0且t％T_j＝0，其中，T_i和T_j分别表示个体i和个体j的仿真步长，％表示取模运算；

4.2)对于仿真交互时间t，确定交互内容以及交互顺序；

交互内容封装为数据对象或者数据包；交互顺序是指某个个体向其他个体发送交互信息的先后顺序；在交互时间t到来时，首先由发起者发出交互信息，然后由响应者进行响应并发出交互信息；需要说明的是，如果响应事件是条件事件，则判断条件是否满足，如果满足则进行响应，否则不响应；

5)基于所选择的图形交互界面框架，设计并开发用户界面，通过可视化图形技术显示个体模型和展示仿真结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于个体模型的能源经济仿真系统开发方法，其特征在于：在步骤1)中，考虑到Java语言具有跨平台运行、多线程和分布式的开发特性，选取Java语言作为编程语言；

所述通信框架是个体之间进行信息交互所依赖的技术框架，选择由Telecom Italia开发的JADE，能为分布式系统提供点对点异步消息传递；

所述数据模型读写框架采用Dom4J来处理描述个体模型的XML数据文件，处理操作包括读XML数据文件与写XML数据文件；

所述图形交互界面框架包含JGraph和JFreeChart；其中，所述JGraph是一个开源的、兼容Swing的基于MVC体系结构图形组件，主要用于可视化建模界面，借助该JGraph用户能够通过对界面上的元件进行拖拽实现模型的建立；所述JFreeChart是Java平台上的一个开放的图表绘制类库，借助于该JFreeChart能够生成多种图表，包括饼图、柱状图、散点图、时序图、甘特图，从而实现对个体内部状态指标的视图描述。

3.根据权利要求1所述的一种基于个体模型的能源经济仿真系统开发方法，其特征在于：在步骤2)中，所述个体是指系统中不同规模的对象，包括物理设备、市场成员；个体抽象模型是指由五个元素组成的形式化描述结构，这五个元素分别是输入集、输出集、静态模型、状态集、函数集，个体抽象模型包含了描述个体固有属性及行为的接口数据。

4.根据权利要求1所述的一种基于个体模型的能源经济仿真系统开发方法，其特征在于：在步骤5)中，设计并开发用户界面，设计的界面包括以下内容：

a、菜单栏和工具箱，包含用户建立个体模型的基本工具，同时也包含保存或打开模型文件的可视化操作菜单及工具；

b、模型建立区，是个体的图形化展示区域；

c、元件库，包含缺省的元件模型，通过图标进行显示；

d、模型数据配置面板，包含配置个体模型的基本面板，能对个体模型中的元素进行详细设置；

e、仿真监控视图，监视个体的内部指标以及外部输出指标的变化情况；

f、JADE管理界面，管理个体之间的通讯，并能够监视个体之间的通讯情况。

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