计算机在化学化工中的应用综述

1、第1讲 绪论计算机在化学化工中的应用综述本章内容安排n教学资源n概述n计算机在化学中的应用n计算机在化工中的应用n计算机在教学中的应用n课程安排n教学相关1.1 教学资源n教学网站 http:/ http:/ n其他资源 1.2 计算机的特点n高速度n高精确度n智能性，主要通过软件实现n软件的可继承性n更新换代快1.3 计算机在化学中的应用n文字处理n图形图像处理n实验数据处理n插值n拟合n实验设计n实验结果分析n图形处理n分子模拟n药物筛选n合成路径选择n量子化学计算n催化机理研究n仪器分析n其他图形图像处理插值与拟合-202468101214161820050100150200Y X 02

2、4681005101520Y X 正交实验设计图形处理分子模拟乙烯的轨道图像仪器分析红外光谱核磁共振二维分子式绘制NNNHNNH2OHOOOHPOOHOHOHOOP131498101712111516756HH1423HHHOOHHHOHHHOHOHHOH三维分子结构-苯三维分子绘制炭疽病毒分子结构DNA结构实验流程绘制1.4 计算机在化工中的应用n过程模拟n稳态模拟n动态模拟n仿真实习n辅助设计n过程优化n生产管理n生产计划n生产调度n化工数据查询n化工计算n线性方程组求解n非线性方程求解n非线性方程组求解nCFD计算Computational Fluid Dynamicsn反应过程n传质过

3、程n传热过程1.4.1 化工过程模拟简介过程模拟的用途n新装置设计n旧装置改造n新工艺、新流程的开发研究n生产过程调优n疑难问题诊断n仿真培训等 过程模拟的内容n稳态模拟连续化工过程的模拟。其特点是参数只随空间变化，不随时间变化。n动态模拟用于解决稳态模拟无法解决的工程问题，同时考虑空间和时间因素。n开车方案n持液量的计算n间歇精馏过程稳态模拟示例稳态模拟的输出Report稳态模拟的输出PFD稳态模拟的输出Tower Profile 1稳态模拟的输出Tower Profile 2稳态模拟的输出Tower Profile 3过程稳态模拟实例n濮阳化肥厂合成氨装置模拟动态模拟示例：间歇精馏动态模拟

4、示例：间歇精馏操作条件动态模拟的输出结果Report动态模拟的输出结果PFD动态模拟的输出结果1动态模拟的输出结果21.4.2 过程仿真过程仿真的用途n辅助培训与教育n理论教学n实践教学n实习教学n辅助设计n辅助生产n辅助研究n计算流体力学n分子模拟n工艺研究1.4.3 计算机辅助设计nCADnCAMnCAI工艺流程图设备布置图设备图零件图管道布置图三维管道图计算机辅助制造计算机虚拟装配计算机辅助分析和优化设计1.4.4生产管理-生产计划n生产计划是企业生产运营优化的核心。通过把集成供应链的思想引入生产计划，企业可以对供应、生产、销售、存储等各环节进行综合优化，以合理配置各种资源，充分发挥企业

5、的生产能力，提高经济效益和社会效益。中药企业生产计划的特点l中药企业生产计划应是基于供应链思想的集成的生产计划l由人工依靠经验编制生产计划过渡到以数学模型为基础的计算机辅助生产计划l中药企业生产计划应为滚动式编制的多周期生产计划l中药企业生产计划应充分考虑不确定性对生产计划的影响基于确定性规划的中药企业供应链模型1. 目标函数tpktpktpkttQpsPpInINOUTINxf)(maxCFCOCOTCICTCSCPCUCMOUTTAXxfNP)(ttxtxxtQvRxTaxTAX2. 周期内系统约束l 工艺约束l 市场约束l 能力约束u 加工能力约束u 运输能力约束u 库存能力约束3. 各

6、周期间产品、原料、能源的平衡关系4. 指标性约束5. 非负约束l对各周期末产品、原料、能源库存的约束l对各周期可用采购资金的约束不确定条件下的中药企业生产计划模型1. 中药企业生产运营中的不确定性l 产品需求与价格的不确定性l 原料供应与价格的不确定性l 能源供应与价格的不确定性l 运输的不确定性l 管理、操作人员决策的不确定性l 2. 不确定性的表达三角模糊数uUMMUUMMLLMLLdxdxdddxddxdxddddxdxxA010)(dL ：最小值；dM：中间值；dU：最大值3. 不确定条件下中药企业的供应链模型 考虑以下不确定性：l 产品需求的不确定性l产品价格的不确定性l原料供应的不

7、确定性l原料价格的不确定性该模型是目标函数和约束中都存在模糊数的模型，因而具有普遍意义。目标函数：为第t周期产品p在销售市场k的价格，采用三角模糊数，上标L、M、U表示市场价格的悲观值、可能值、乐观值。CFCOCOTCICTCSCPCUMCNIxfMax)(tkptkptkpttQpspPnINI),(UtpkMtpkLtpktpkpPpPpPpPtqtqjtqjttQmbmPmCMC)(为销售收入为原材料采购费用),(UtqjMtqjLtqjtqjmPmPmPmP为第t周期从供应市场j采购原料q的价格，采用三角模糊数，上标L、M、U表示市场价格的悲观值、可能值、乐观值。系统约束l 工艺约束l

8、 市场约束MaxtpktpkpsQQpsl能力约束MaxtqjtqjmbQQmb),(MaxUtpkMaxMtpkMaxLtpkMaxtpkpsQpsQpsQpsQ),(MaxUtqjMaxMtqjMaxLtqjMaxtqjmbQmbQmbQmbQ各周期间产品、原料、能源的平衡关系指标性约束非负约束求解策略1. 目标函数的清晰化对如下问题：XCZXCZXCZULM321maxmaxmaxXXCZMPIS|max1XXCZLPIS|max2XXCZUPIS|max3定义NISNISNISZZZ321、为其他两个目标取最优值时目标的较小值。 各目标函数的隶属度为：NISiPISiNISiNISiP

9、ISiNISiPISiiZXfZXfZZZZXfZXf)(0)()()(1),min(max321新的目标函数为：2. 约束条件的清晰化定义为资源隶属度，0，1 。资源隶属度表示了决策者对于模糊资源所采取的冒险程度。较大的值表示决策者倾向于更加积极的决策以获得更大的利润，较小的值则表示决策者倾向于更加保守的决策。原市场约束转化为：MaxtpktpkpsQQpsMaxtqjtqjmbQQmbMaxLtpktpkMaxUtpktpkMaxtpkQpspQpsppsQ)1 (MaxLtqjtqjMaxUtqjtqjMaxtqjQmbmQmbmmbQ)1 (3. 模型求解方法计算结果确定性规划与模糊规

10、划的结果比较 资源隶属度对计划的影响 资源隶属度 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 NISZ1 1,759,591 1,846,797 1,932,792 2,021,632 2,105,723 PISZ1 1,837,444 1,961,563 2,081,499 2,208,197 2,328,267 NISZ2 275,617 299,884 317,000 339,442 359,647 PISZ2 296,193 321,453 346,238 372,559 397,224 NISZ3 3,354,585 3,513,996 3,670,898 3,832,908 3,986

11、,550 PISZ31 3,520,844 3,756,769 3,985,444 4,223,536 4,451,453 利润(正常值) 1,813,605 1,920,308 2,031,561 2,149,100 2,251,522 1 0.694 0.641 0.664 0.683 0.655 利润（悲观值） 289,205 313,570 335,583 361,717 383,670 2 0.66 0.635 0.636 0.673 0.639 利润（乐观值） 3,466,602 3,666,232 3,875,571 4,096,145 4,286,509 3 0.674 0.6

12、27 0.651 0.674 0.645 ),min(321 0.66 0.627 0.636 0.673 0.639 生产计划计划生产量(kg) 计划生产量(kg) 产品 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 产品 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 甘草 1050 1350 1450 1350 1550 1400 黄芩 200 450 300 200 450 400 茯苓 700 1050 950 850 1050 900 金银花 400 300 250 600 300 350 黄芪 550 500 850 700 850 700 陈皮 250 400 500 900

13、 0 400 柴胡 450 500 600 550 700 550 薏苡仁 300 350 300 400 450 400 白芍 400 500 700 550 700 550 川芎 300 350 500 350 450 300 丹参 350 750 700 700 900 600 赤芍 250 250 350 300 400 300 当归 500 500 550 500 600 600 蒲公英 150 400 300 350 300 250 生地 450 400 650 500 600 500 山药 300 200 400 350 400 350 白术 400 500 650 500 60

14、0 500 白花舌草 250 250 300 300 350 200 党参 450 300 650 400 400 450 连翘 150 300 250 200 300 300 产品销售与库存计划计划销售量(kg) 计划期末产品库存(kg) 产品 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 甘草 1374 962 1306 1479 1336 1441 962 1350 1494 1365 1579 1538 茯苓 808 683 1033 972 848 922 688 1055 972 850 1052 1030 黄芪 725 500 5

15、07 851 701 734 525 525 868 717 866 832 柴胡 605 401 494 595 575 580 415 514 620 575 700 670 白芍 590 392 474 722 554 572 392 500 726 554 700 678 丹参 652 488 734 701 712 612 503 765 731 730 918 906 当归 566 354 499 550 499 600 367 513 564 514 615 615 生地 540 360 395 657 485 500 365 405 660 503 618 618 白 术 52

16、0 343 484 660 508 515 360 517 683 523 615 600 党参 423 318 409 457 435 530 427 409 650 593 558 478 黄芩 295 256 279 375 392 400 413 607 627 452 510 510 金银花 374 265 241 423 397 389 379 414 423 600 503 464 陈皮 385 242 397 502 411 400 242 400 503 901 490 490 薏苡仁 368 183 296 369 386 392 198 365 369 400 464 4

17、72 川芎 359 266 322 492 370 321 266 350 528 386 466 445 赤芍 316 241 234 365 285 388 252 261 377 312 427 339 蒲公英 221 192 312 319 371 261 199 407 395 426 355 344 山药 387 217 234 399 338 350 251 234 400 351 413 413 白花舌草 248 223 244 277 287 232 223 250 306 329 392 360 连翘 215 203 211 229 281 300 203 300 339

18、310 329 329 ? 7630 10140 12235 11391 12570 12131 甘草原料价格、供应、存储计划生产调度中药企业生产调度的定义 中药企业生产调度的特点l具有多产品厂的生产特点l生产特点是多品种、小批量、多批次l生产切换频繁l多目标问题中药企业生产调度问题描述在给定生产计划中包括N种产品，各产品的生产量为Qi。每种产品均遵循相同的生产工艺，需要经过M道生产工序，产品i在工序j的加工时间tij、批加工能力Capij已知。求出这N种产品的一个加工序列，使得生产这些产品所需的总目标最小。生产调度问题应遵循以下假设：生产调度问题应遵循以下假设：1.所有产品遵循

19、相同的生产工序，区别仅在于不同产品在各工序的加工时间不同。2.所有产品采用连续加工方式。生产过程是严格顺序的，即当上一道工序完工后，才能送下一道工序。不允许跳过某一工序直接进行下一道工序的加工。3.每道工序的加工过程不允许中断。4.产品在某一工序加工完成后可以暂时存储等待下一工序的加工，允许某一工序等待下一个产品的加工。5.每道工序由一个单元操作过程或设备完成，每个单元操作过程或设备只负责一道工序的生产。6.每道工序同一时刻只能加工一种产品。7.产品i在每道工序j的加工时间tij与批加工能力Capij已知，且仅与产品加工工艺有关。设备清洗、进出料时间等包含在加工时间内。中药企业生产调度问题的目

20、标分析 中药企业生产调度目标1.0缩短总加工时间0.2568满足产品优先级0.4183保证产品供应0.1818降低库存成本0.1431l最小化生产时间l满足不同产品的生产优先级l保证药品供应l降低库存损失中药企业生产调度问题的目标权重分析调度目标 (A) (B) (C) (D) 最小化生产时间 (A) 5 2 7 7 满足产品优先级 (B) 8 5 9 9 满足安全库存 (C) 3 1 5 7 降低库存成本 (D) 3 1 3 5 两两对比矩阵 19 9 24 28 最小化生产时间 (A) 0.2632 0.2222 0.2917 0.2500 满足产品优先级 (B) 0.4211 0.555

21、6 0.3750 0.3214 满足安全库存 (C) 0.1579 0.1111 0.2083 0.2500 降低库存成本 (D) 0.1579 0.1111 0.1250 0.1786 归一化矩阵 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 相对权重 0.2568 0.4183 0.1818 0.1431 中药企业生产调度问题的启发式调度规则1. 评价指标NjijNjijTittj11l 产品优先级指标Oil 加工时间指标Til 需求紧迫程度指标Si00iexptSiiiiSiSSSFl 库存费用指标CiiCiC12. 评价指标的无因次化minmaxmax,jjjijji3. 排

22、序因子的计算)1431. 01818. 04183. 02568. 0CiSiOiTii以第i种产品的排序指标i作为调度排序依据，按i非增的顺序排列产品加工次序。对i相等的产品，依次以Oi 、 Ti 、 Si 、 Ci为排序依据进行排序。静态调度流程动态调度流程计算结果表7 - 6 第一周生产调度结果 T a b l e 7 - 6 S c h e d u l i n g r e s u l t s i n t h e f i r s t w e e k 提取 浓缩 干燥 制剂 包装 产品名称 开始时间 结束时间 开始时间 结束时间 开始时间 结束时间 开始时间 结束时间 开始时间 结束时间

23、蒲公英 1月1日0 : 0 0 1月1日8 : 0 0 1月1日8 : 0 0 1月1日1 8 : 0 0 1月1日1 8 : 0 0 1月2日3 : 0 0 1月2日3 : 0 0 1月2日6 : 0 0 1月2日6 : 0 0 1月2日1 0 : 0 0 蒲公英 1月1日8 : 0 0 1月1日1 6 : 0 0 1月1日1 8 : 0 0 1月2日4 : 0 0 1月2日4 : 0 0 1月2日1 3 : 0 0 1月2日1 3 : 0 0 1月2日1 6 : 0 0 1月2日1 6 : 0 0 1月2日2 0 : 0 0 茯苓 1月1日1 6 : 0 0 1月2日0 : 0 0 1月2

24、日4 : 0 0 1月2日1 2 : 0 0 1月2日1 3 : 0 0 1月2日2 2 : 0 0 1月2日2 2 : 0 0 1月3日2 : 0 0 1月3日2 : 0 0 1月3日5 : 0 0 茯苓 1月2日0 : 0 0 1月2日8 : 0 0 1月2日1 2 : 0 0 1月2日2 0 : 0 0 1月2日2 2 : 0 0 1月3日7 : 0 0 1月3日7 : 0 0 1月3日1 1 : 0 0 1月3日1 1 : 0 0 1月3日1 4 : 0 0 茯苓 1月2日8 : 0 0 1月2日1 6 : 0 0 1月2日2 0 : 0 0 1月3日4 : 0 0 1月3日7 : 0

25、 0 1月3日1 6 : 0 0 1月3日1 6 : 0 0 1月3日2 0 : 0 0 1月3日2 0 : 0 0 1月3日2 3 : 0 0 茯苓 1月2日1 6 : 0 0 1月3日0 : 0 0 1月3日4 : 0 0 1月3日1 2 : 0 0 1月3日1 6 : 0 0 1月4日1 : 0 0 1月4日1 : 0 0 1月4日5 : 0 0 1月4日5 : 0 0 1月4日8 : 0 0 甘草 1月3日0 : 0 0 1月3日6 : 0 0 1月3日1 2 : 0 0 1月3日2 2 : 0 0 1月4日1 : 0 0 1月4日9 : 0 0 1月4日9 : 0 0 1月4日1 3

26、 : 0 0 1月4日1 3 : 0 0 1月4日1 7 : 0 0 甘草 1月3日6 : 0 0 1月3日1 2 : 0 0 1月3日2 2 : 0 0 1月4日8 : 0 0 1月4日9 : 0 0 1月4日1 7 : 0 0 1月4日1 7 : 0 0 1月4日2 1 : 0 0 1月4日2 1 : 0 0 1月5日1 : 0 0 甘草 1月3日1 2 : 0 0 1月3日1 8 : 0 0 1月4日8 : 0 0 1月4日1 8 : 0 0 1月4日1 8 : 0 0 1月5日2 : 0 0 1月5日2 : 0 0 1月5日6 : 0 0 1月5日6 : 0 0 1月5日1 0 : 0

27、 0 甘草 1月3日1 8 : 0 0 1月4日0 : 0 0 1月4日1 8 : 0 0 1月5日4 : 0 0 1月5日4 : 0 0 1月5日1 2 : 0 0 1月5日1 2 : 0 0 1月5日1 6 : 0 0 1月5日1 6 : 0 0 1月5日2 0 : 0 0 甘草 1月4日0 : 0 0 1月4日6 : 0 0 1月5日4 : 0 0 1月5日1 4 : 0 0 1月5日1 4 : 0 0 1月5日2 2 : 0 0 1月5日2 2 : 0 0 1月6日2 : 0 0 1月6日2 : 0 0 1月6日6 : 0 0 黄芪 1月4日6 : 0 0 1月4日1 2 : 0 0

28、1月5日1 4 : 0 0 1月5日2 3 : 0 0 1月5日2 3 : 0 0 1月6日8 : 0 0 1月6日8 : 0 0 1月6日1 1 : 0 0 1月6日1 1 : 0 0 1月6日1 5 : 0 0 黄芪 1月4日1 2 : 0 0 1月4日1 8 : 0 0 1月5日2 3 : 0 0 1月6日8 : 0 0 1月6日8 : 0 0 1月6日1 7 : 0 0 1月6日1 7 : 0 0 1月6日2 0 : 0 0 1月6日2 0 : 0 0 1月7日0 : 0 0 黄芪 1月4日1 8 : 0 0 1月5日0 : 0 0 1月6日8 : 0 0 1月6日1 7 : 0 0 1月6日1 7 : 0 0 1月7日2 : 0 0 1月7日2 : 0 0 1月7日5 : 0 0 1月7日5 : 0 0 1月7日9 : 0 0 柴胡 1月5日0 : 0 0 1月5日8 : 0 0 1月6日1 7 : 0 0 1月7日0 : 0 0 1月7日2 : 0 0 1月7日1 2 : 0 0 1月7日1 2 : 0 0 1月