智能工程与过程系统

1、智能工程与过程系统地集成优化钱宇张培荣 王克峰(华南理工大学化学工程研究所，广州,510641)摘要系统科学和信息技术地迅速发展为工业过程地计算机集成系统提供了基础，而以模糊专家系统和神经网络为代表地 人工智能技术为解决过程工程中许多技术难题开辟了道路.本文 着重讨论过程系统集成优化地概念，并重点论述人工神经网络. 模糊专家系统.进化算法等智能辅助地系统优化技术.关键词计算机集成过程系统(CIPS) 智能辅助过程工程(IAPE)系统优化引 言随着过程工业企业向大型化集成化和连续化方向发展，人们对生 产过程优质高产低消耗安全和环境等方面提出了更高地要求，特别是 在当前能源和资源紧缺，国际市场竞争

2、激烈地情况下，如何实现生产过 程地最优化，最大限度地提高生产效率，是过程工业面临地严峻挑 战.经典地化学工程学以单元操作和“三传一反”为基础，着重研究各 个单元过程和设备地特性，积累了丰富地知识和经验.而对由多种单元 过程和装置组成地综合系统，如大型石油化工企业和多品种牌号地精 细化工过程地整体综合特性，则研究较少.二十世纪科学技术发展地 一个重要特征，是各个学科领域地相互渗透和相互支撑.过程系统工 程作为化学工程中地一个新兴交叉子学科，是在系统工程.化学工程. 过程控制.信息技术.计算机技术等学科发展地基础上萌生并发展起来 地.一方面，它对化工流程中化学反应.分离过程.能量交换过程等各 单元

3、子过程追求集成和优化，寻求最佳地技术经济目标；另一方面，它 采用数学模拟和物理模拟相结合地方法，从信息.任务.和方法等多种 角度地集成对过程系统进行最优设计，实施最优操作.最优控制，实现*联系人及第一作者：钱宇，男，41岁，教授、博士导师。E-mail: ceyuqian 国家自然科学基金资助项目(No.).过程系统地综合整体优化其中，工艺设计与过程控制已相对较为成 熟，而对企业生存和发展至关重要地经营管理技术和生产运行地全过 程全生命周期地集成优化，是目前过程系统工程 领域地最新研究前 沿，有待于深入开拓1过程系统集成优化八十年代初期，在计算机自动化信息技术迅速发展地推动下， 工业系统工程界

4、提出一种新地组织企业生产地哲理和运行模式 计算 机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System, CIMS),利用计算机进 行信息集成，对生产过程地各子系统实施综合集成，以缩短新产品研 制.产品生产和交货周期，提高产品质量，降低成本.国际学术界和工程 界将此视为21世纪占主导地位地新型生产方式.过程工业大多属连续式物料反应和加工过程，与机电行业地工件 型离散生产模式有所不同，其生产地组织和调度也有很大差别.与优 质低耗有关地优化操作问题，以及与安全生产和环境风险控制有关地 过程运行控制问题，是过程系统工程中两大特点和难点.为此，过程工 业界引入

5、CIMS概念时提出了一种分级分布式自动化管理和计算机控制 一体化地综合性过程系统,称为计算机集成过程系统(Computer In tegrated Process System, CIPS). CIPS地目标就是要将从基础地过程控制和操作直到公 司高层管理决策集成在一起，形成一个管理一控制一体化地高效能高 柔性地智能生产系统1,这将成为二十一世纪过程系统工程领域最 具活力地研究方向之一其基本方法是：从生产运营整体出发，将企业 地生产营销和管理地各种信息集成起来；将人员设备材料资金及 信息等资源合理组织有效利用，同时综合分析系统内部和外界因素地 变化，借此不断地调整企业内部地活动以适应这些变化，

6、使过程系统达 到设计.运行和经营管理地最优目标近 二 十 年 来 , 人 们 开 发 了 化 工 过 程 运 行 中 各 种 局 部 功 能 地 计 算 机 辅 助 运 行 (Computer-Aided Process Operation, CAPO) 系 统 2 , 如 调 度 排 产 . 数据采集和校正在线模拟故障诊断运行调优等.CAPO介于最 基 础 地 过 程 控 制 和 最 上 层 地 计 算 机 管 理 信 息 系 统 (MIS) 以 及 决 策 支 持 系 统 (DSS) 之 间 地 广 大 领 域 ,是 连 接 过 程 控 制 和 决 策 管 理 之 间 地 桥 梁 它们分别

7、对局部层次地运行优化起到了积极地作用然而，CAPO地加和 不等于系统集成，局部优化不一定全局最优故此有必要将各CAPO功能 块 集 成 起 来 , 形 成 计 算 机 集 成 过 程 运 行 系 统 (Computer Integrated Process Operation System, CIPOS) 3 这 里 所 强 调 地 “集 成 ”包 括 以 下 三 个 方 面 ： 信息集成：信息集成是CIPOS地关键能对过程工业这一复杂 大 系 统 进 行 准 确 和 完 整 地 信 息 应 该 包 括 过 程 数据 模 型和经 验等多种表 达 形 式 地 知 识 信 息 分 为 局 部 信

8、息 和 全 局 信息 两种 为 保持系统地 一 致 性 , 并 使 不同 地 管 理 开 发 和 使 用 人 员 共享 信息 ,必须 对全局信息 实 现 集 成 , 保 证系 统 地 开 发 效 率 和 运 行 性 能 (2) 任 务 集 成 ：C I P O S 中 各 部 分 优化 任 务 是 相 互 关 联 地 ,它们应 该被 置 于 一 个 统 一地 集 成 地 框 架 之 中, 使 不 同 地 决 策 过程能 够协调一 致 , 从 而 保 证 整 体 决 策 地 全 面 和 有 效 (3) 方 法 集 成 ：为 实 现 各 种 任 务 和决 策 , 需 各 种 优化工 具和方法 ,如

9、 何实 现 对 适 当 问 题 和 适 当 步 骤 采 用适 当 地 方 法 , 以及如 何避免因 引 入 地 各 种 方 法 导致 不 同 地 求 解 模 块 之 间 地 沟 通 障 碍 , 也 是 必 须 认 真 解 决 地 问 题 尽管计算机已在过程模拟和分析设备选型和评价.分离序列和能 量 系 统 地 合 成 操 作 优 化 及 生 产 调 度 等 各 方 面 发 挥 着 重 要 地 作 用 , 但 计 算 机通常被理解 成“计 算机 器 ”而被 认 为 它 解 决 地 是“一组方程地 数值 解 ”随着过程系 统 日 益 庞 大 和 复杂 程 度 增 加 , 计算 机 系统把握过 程全

10、 局 地能力显得日 益 薄 弱 另 一 方面 , 过 程 系 统 地物 理 和化学机理 地解 析 模型越来越难 以 获 得 这 给 过 程 系 统 工 程 界 提出 了 一个严峻地 问题 ：当 我 们 对 系 统 地 认 识 不 足 以 构 造 清 晰 地 数 字 模 型 时,如 何 运 用 领 域 专家多年积累地经验和知识对系统有正确地把握，使计算机能正确处 理这些定性地和半定量地信息，建立适合于过程地模型以使系统安 全正常优质地运行？基于知识地系统地不断发展，开辟了一个新地研 究方向 将人工智能地技术引入化工过程系统，使CIPOS不但具有“数 值计算”地能力，还有人类常识专业知识和专家推理

11、判断地“智能”，从 而使系统更多地具有人类专家地素质和性能来运行企业地生产过程2 智能辅助地过程系统优化八十年代以来，人工智能和系统科学迅速发展，出现了一个新地交 叉学科和工程技术领域一智能辅助过程工程(In tellige nce-Aided Process En gi neeri ng, IAPE ) 4, 5.它将人工智能和系统科学地最新成果应用于过程 系统地设计.合成.建模优化.管理和控制，研究常规数据与信息一致 性表述和处理地途径，充分利用专家知识，回归模型方程操作经验.事故 案例等非结构化知识和模糊信息，改进和扩展现有地模型化方法优化 算法和控制策略，提高工业过程模型化和集成优化地

12、水平.工程师可灵活运用定性或粗略定量地信息作出决策而不必经过复 杂地数学计算其中经验式推理是应用得最为广泛地一种人类专家 能够在很大地弹性范围内运用已有地知识和经验寻求解决方案 一个 对企业运行和生产有意义地决策，从来就不可能仅仅依靠数学模型地 求解而无视人类专家地分析论证意见计算机应该而且可以学习人类 专家地这种能力，将不同形式地知识变成计算机处理步骤以适应广泛 复杂地问题智能技术包括知识库系统模糊逻辑人工神经网络仿生 优化算法等，如图1所示它们已成功地解决了许多实际工程问题以 下将主要结合作者地研究工作介绍几个方面地应用人 工神 经网络 模 仿 人 类 通 过 大 脑 感 知 认 识 复

13、杂 问 题 地具体过程特征 , 经 反复 学习和“试 错 ”, 从 而 最 终 把 握 过 程 系 统 地 输 入 输出关系特征 . 采 用人 工神经 网 络 表 明 了 在 认 知 和 表 达 复 杂 系 统 时 机 理模型地局限 性 ,是 一 种 对 认 知 方 式 地“返 朴 归 真 ”.过 程 系 统 优 化 通 常 是 通 过 非 线 性 数 学 规 划 方 法 来 求 解 .由于常规地 数 学 规 划 方 法 需 要 精 确 完 备 地 数 学 模 型 并 进 行 大 量 地 搜 索和计算,计算 方 法 较 为 复 杂 . 计 算 时 间 很 长 , 实 际 上 很 难 用 于 工

14、 业 过 程 在 线 调 优 . 当 过 程 变 量 之 间 没 有 完 整 地 数 学 模 型 时 , 优 化 就 更 为 困 难 .神 经 网 络 可 用 于 机 理 复 杂 且 难 以 认 识 清 楚 , 但 输 入/ 输 出数据容易获 得 地 过 程 系 统 地 建 模 和 仿 真 问 题 .作 为 黑 箱 模 型 ,神 经 网 络地建立不依 赖 于 先 验 知 识 . 研 究 表 明,网 络 地 输 入 输 出 结 构 是 可 变 地 ,可不同于实际 系 统 地 输 入 输 出 结 构 . 许 多 研 究 者 将 神 经 网 络 用 于 过 程系统地仿真 . 我 们 曾 采 用 前

15、馈 神 经 网 络 对 纸 浆 制 浆 过 程 建 模 和 优 化 .使网络从工厂DCS系统地实际运行记录中学习知识，节省了大量地劳动去开发机 理 模型或 基于规 则 地 专 家 系 统 . 在 此 基 础 上 , 我 们 提出了一种新地神经 网络输 入输出 结 构 6,它 与 实 际 系 统 地 结 构 不 同 , 可将需要控制地变量 参数设 为网络 地 输 入 , 而 操 作 控 制 变 量 则 作 为 网 络 地 输 出 .在一定地范 围 内 , 网 络 经 过 学 习 后 , 可 根 据 实 际 系 统 地 要 求 直 接 调 节 操 作 变 量 , 使 神经网 络模型 可 直 接 用

16、 于 优 化 计 算 . 这 为 开 发 应 用现场数据地过程调 优. 咨 询 系 统 开 辟 了 新 地 途 径 . 对动 态 模 拟 和 稳 态操作优化两种方案 进 行 地 模 型 考 察 均 表 明 该 方 法 可 取 得 满 意 地 结 果 6, 7 .人 工 神 经 网 络 还 可 以 用 来 作 过 程 系 统 地 最 优 设 计,文献 8用人工神经 网络作加 氢 反 应 器 优 化 设 计, 文 献 9 将 人 工 神 经 网络用于催化剂组分 地设计,文 献 10 将 Hopfield 网 用 于 换 热 网 络 地 最 优 设 计 ,将能量函数地 最优值与 问 题 地 最 小

17、值 相 对 应 , 使 神 经 网 络 地 输 出与问题地解相对应 , 网 络 运 行 地 稳 定 解 即 为 最 优 解 .2.2 基 于 模 糊 逻 辑 地 专 家 系 统 在 过 程 系 统 优 化 中 地 应 用专 家 系 统 通 常 是 由 一 组 规 则 组 成 地 知 识 库 系 统 . 它 包 含 有 特 定 领 域 地 专 家 经 验 和 专 门 知 识 , 并 运 用 这 些 知 识 解 决 过 程 地 实 际 问 题 . 早 期 地 专 家 系 统 采 用 了 符 号 运 算 和 序 贯 推 理 策 略 , 难 以 解 决 含 有 大 量 数 量 运 算 地 工 程 问

18、题 . 近 来 地 发 展 方 向 是 基 于 模 糊 逻 辑 地 专 家 系 统 , 用 模 糊 集 表 述 人 类 语 言 形 式 地 知 识 和 信 息 , 以 及 工 程 问 题 中 大 量 存 在 地 不 精 确 地 数 量 概 念 和 数 据 . 经 模 糊 集 表 征 地 知 识 和 规 则 将 为 专 家 系 统 地 量 化 分 析 和 平 行 推 理 开 辟 广 阔 地 前 景 . 基 于 模 糊 逻 辑 地 小 型 专 家 系 统 用 于 电 子 装 置 以 及 工 业 过 程 中 单 元 装 置 地 控 制, 在 文 献 11 中 已 有 详 细 地 介 绍 . 作 者

19、开 发 地 基 于 模 糊 逻 辑 地 分 离 过 程 合 成 设 计 专 家 系 统 也 获 得 了 满 意 地 结 果 12.模 糊 系 统 理 论 在 模 型 方 程 地 建 立 .评 价 和 筛 选 中 承 认 和 接 受 模 型 方 程 地 不 精 确 性 ,并 引 入相 应 地 处 理 方 法 . 这 更 接 近 于 人 类 专 家 在 进 行 工 程 技 术 工 作 中 所 采 用 地 多 方 案 比 较 . 定 性 分 析 和 定 量 比 较 并 举.综 合 评 判 地 模 式 . 这 使 得 建 模 过 程 利 用 更 多 地 信 息 量 .过 程 工 业 生 产 地 原 材

20、 料 组 成 复 杂 , 操 作 波 动 性 大 ,变 量 关 系 复 杂 . 从 生 产 现 场 采 集 或 由 实 验 测 定 地 数 据 ,以 及 由 此 得 出 地 经 验 关 联 式 或 计 算 模 型 ,都 有 不 同 程 度 地 误 差 和 冗 余 . 来 自 不 同 研 究 者 . 不 同 场 合 地 数 据 . 模 型 亦 常 有 冲 突 . 常 规 地 模 拟 和 优 化 技 术 不 能 接 受 冗 余 地 . 冲 突 地 .模 糊 地 数 据 和 方 程 ,一 般 地 方 法 是 进 行 数 据 校 正 和 模 型 筛 选 ,确 定 一 套 协 调 地 数 据 和 一 组

21、 适 定 地 方 程 ,由 此 作 为 模 拟 和 优 化 地 基 础 . 其 代 价 是 在 处 理 过 程 中 丢 失 了 大 量 有 价 值 地 信 息 ,从 而 使 模 拟 和 优 化 地 结 果 与 实 际 过 程 地 误 差 增 大 .作 者 13 提 出 用 模 糊 逻 辑 表 述 和 处 理 系 统 变 量 间 地 不 精 确 近 似 关 系 , 使 模 型 方 程 间 地 冲 突 和 不 协 调 性 趋 于 最 小 ,模 糊 目 标 函 数 趋 于 最 大 ,将 模 型 求 解 问 题 和 优 化 问 题 均 转 化 为 隶 属 度 函 数 地 极 值 问 题 . 由 于 模

22、 糊 优 化 方 法 中 过 程 约 束 表 示 为“软 约 束 ”, 操 作 靠 近 边 界 时 , 隶 属 度 函 数 迅 速 降 低 , 优 化 程 序 将 会 自 动 迫 使 系 统 离 开 边 界 , 这 种 方 法 能 较 好 地 运 用 于 不 精 确 地 .认 识 不 充 分 地 系 统 中.2.3 进 化 算 法 在 系 统 优 化 中 地 应 用由于过程系统日 趋大型 化 .复杂化 ,系统 模 型空间时常呈现非 连 续 性 . 局部多峰性 . 以 及离 散变量等 . 这对常规优 化算 法提出了挑 战 . 这 方面一个突出地 进展 是仿生 优化 算法 .仿生优化算法属于随机搜

23、索 算 法 , 采 用 生 物 进 化 论 中“优 胜 劣 汰 ”地 法 则 , 实 现 大 规 模 群 体 地 平 行 搜 索演进 , 避免了局部极值点地问题 . 比较流行地有遗传算法 . 进化规划 等 . 作 者 12 根 据 遗 传 算 法 地 原 理 , 在 对 不 精 确 系 统 地 优 化 时 采 用 遗 传 算法 , 问题归结为求模糊模型隶属度函数地最 大值 ,即模糊系统空间地 搜索问题 . 由于遗传算法仅提取目标函数值地 信息 ,因而对模糊系统地 不精确性及病态结构并不敏感 .在 化工过程初始设计 . 换热网络合成 . 生产调度等系统优化问题 中 , 混 合 整 数 非 线 性

24、 规 划 (MINLP) 算 法 是 当 今 研 究 地 热 点 之 一 . 然 而,MINLP模型地建立有赖于专家地领域经验,而MINLP地求解至今仍未有 成熟满意地方法 . 作者14 最近针对换热网络同步最优综合地 问题提出 了一种新地优化策略, 提出了改进地遗传算法求 解 MINLP 问题 . 可将网 络结构与变量同时优化 .在用遗传算法进行优化时, 采取 了连 续化遗 传 因子.多样性保护因子和调整适应值地方法 , 使其具有寻找全局最优解 地能力，在处理大规模换热网络综合问题中获得成功这为MINLP地求 解开辟了一条新地途径 .3 结束 语化学工程学在 其发展地 100 年时间中 ,

25、从其它科学技术中 吸取了丰 富地营养 .当代系统科学和信息技术地 丰硕成 果 , 为下一世纪 过程系 统工程 地迅速发展奠定了坚实地基础 .人工智能 地思想和方法应用于 工程技术领域 ,是计算机科学应用于工程技术领域地一个更高层次上 地螺旋式前进 . 然而 ,有必要指出 ,人工智能 本身是人 类智能地产物 ,是 辅助人们认识和改造客观世界地工具和手段 . 它 们地作 用是辅助性地 而 非 决 定 性 地, 真 正 起 决 定 作 用 地 是 人 类 专 家 . 针 对 我 国 过 程 工 业 调 优 和 控制 基 础较 差 地现 状 , 在 推 行 计 算 机 集 成 过 程 系 统 中 应

26、用 基 于 人 工 智 能地 优 化方 法 , 属 于“软 工程 ”地 范畴 , 对 现有 工业 装 置 , 测 量 和 控 制 仪 表地 改 造和 投 资较 少 ,将 对 我 国过 程 工业 地 生 产 方 式 从 粗 放 型 向 集 约 型转 变 起到 积极 地 作 用 .参考文献1 Bassett M H, Dave P. Computers & Chemical Engineering, 1996, 20 (8):8218442 杨 友麒 . 计 算机 与应用 化学 ,1995, 12 (3):1611693 杨爱东. 基于对象/Age nt地计算机集成过程运行系统研究：学位论

27、文.大 连： 大 连理工大 学 ,19974 Astrom K J, McAroy T J. J Process Control, 1992, 2 (3):1151275 钱 宇 . 化 工进展 ,1997, 1:15206 Qian Y, Tessier P. Chem Eng Technol, 1995, 18 (5):3373427 Qian Y. Computers and Applied Chemistry, 1995, 4:991028 杨 林 昱 ,沈 静珠 . 第 七 届全 国化 学 工 程 论 文 报 告 会 论 文 集 . 北京 , 1994, 1113 11169 吴 肖 群 .第 七 届 全 国 化 学 工 程 论 文 报 告 会 论 文 集 . 北 京,1994, 1136113910 麻 德 贤. Computer Chem Monograph Series 4-Computers and Applied Chem, 1