智 能 工 程 與 過 程 系 統(tǒng)

1、智 能 工 程 與 過 程 系 統(tǒng) 的 集 成 優(yōu) 化 *聯(lián) 系 人 及 第 一 作 者： 錢 宇， 男，41 歲， 教 授、 博 士 導(dǎo) 師 。E-mail: ceyuqian 國 家 自 然 科 學(xué) 基 金 資 助 項(xiàng) 目 (No. 29576239 ). 錢 宇 張 培 榮 王 克 峰 ( 華 南 理 工 大 學(xué) 化 學(xué) 工 程 研 究 所 ， 廣 州 ，510641)摘 要 系 統(tǒng) 科 學(xué) 和 信 息 技 術(shù) 的 迅 速 發(fā) 展 為 工 業(yè) 過 程 的 計(jì) 算 機(jī) 集 成 系 統(tǒng) 提 供 了 基 礎(chǔ) ， 而 以 模 糊 專 家 系 統(tǒng) 和 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 為 代 表 的 人 工 智 能

2、 技 術(shù) 為 解 決 過 程 工 程 中 許 多 技 術(shù) 難 題 開 辟 了 道 路 。 本 文 著 重 討 論 過 程 系 統(tǒng) 集 成 優(yōu) 化 的 概 念 ， 并 重 點(diǎn) 論 述 人 工 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 、 模 糊 專 家 系 統(tǒng) 、 進(jìn) 化 算 法 等 智 能 輔 助 的 系 統(tǒng) 優(yōu) 化 技 術(shù) 。關(guān) 鍵 詞 計(jì) 算 機(jī) 集 成 過 程 系 統(tǒng) (CIPS) 智 能 輔 助 過 程 工 程 (IAPE) 系 統(tǒng) 優(yōu) 化 引 言隨 著 過 程 工 業(yè) 企 業(yè) 向 大 型 化 、集 成 化 和 連 續(xù) 化 方 向 發(fā) 展 ，人 們 對(duì) 生 產(chǎn) 過 程 優(yōu) 質(zhì) 、高 產(chǎn)、低 消 耗 、安 全 和

3、 環(huán) 境 等 方 面 提 出 了 更 高 的 要 求 ，特 別 是 在 當(dāng) 前 能 源 和 資 源 緊 缺 ，國 際 市 場(chǎng) 競(jìng) 爭(zhēng) 激 烈 的 情 況 下 ，如 何 實(shí) 現(xiàn) 生 產(chǎn) 過 程 的 最 優(yōu) 化 ，最 大 限 度 地 提 高 生 產(chǎn) 效 率 ， 是 過 程 工 業(yè) 面 臨 的 嚴(yán) 峻 挑 戰(zhàn) 。經(jīng) 典 的 化 學(xué) 工 程 學(xué) 以 單 元 操 作 和 “ 三 傳 一 反 ” 為 基 礎(chǔ) ， 著 重 研 究 各 個(gè) 單 元 過 程 和 設(shè) 備 的 特 性 ，積 累 了 豐 富 的 知 識(shí) 和 經(jīng) 驗(yàn) 。而 對(duì) 由 多 種 單 元 過 程 和 裝 置 組 成 的 綜 合 系 統(tǒng) ， 如

4、大 型 石 油 化 工 企 業(yè) 和 多 品 種 牌 號(hào) 的 精 細(xì) 化 工 過 程 的 整 體 綜 合 特 性 ，則 研 究 較 少 。 二 十 世 紀(jì) 科 學(xué) 技 術(shù) 發(fā) 展 的 一 個(gè) 重 要 特 征 ， 是 各 個(gè) 學(xué) 科 領(lǐng) 域 的 相 互 滲 透 和 相 互 支 撐 。 過 程 系 統(tǒng) 工 程 作 為 化 學(xué) 工 程 中 的 一 個(gè) 新 興 交 叉 子 學(xué) 科 ，是 在 系 統(tǒng) 工 程 、 化 學(xué) 工 程 、過 程 控 制 、信 息 技 術(shù) 、 計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 等 學(xué) 科 發(fā) 展 的 基 礎(chǔ) 上 萌 生 并 發(fā) 展 起 來 的。 一 方 面 ， 它 對(duì) 化 工 流 程 中 化 學(xué)

5、 反 應(yīng) 、 分 離 過 程 、 能 量 交 換 過 程 等 各 單 元 子 過 程 追 求 集 成 和 優(yōu) 化 ， 尋 求 最 佳 的 技 術(shù) 經(jīng) 濟(jì) 目 標(biāo) ； 另 一 方 面 ，它 采 用 數(shù) 學(xué) 模 擬 和 物 理 模 擬 相 結(jié) 合 的 方 法，從 信 息 、 任 務(wù) 、 和 方 法 等 多 種 角 度 的 集 成 對(duì) 過 程 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 最 優(yōu) 設(shè) 計(jì)， 實(shí) 施 最 優(yōu) 操 作 、最 優(yōu) 控 制 ， 實(shí) 現(xiàn) 過 程 系 統(tǒng) 的 綜 合 整 體 優(yōu) 化 。 其 中 ， 工 藝 設(shè) 計(jì) 與 過 程 控 制 已 相 對(duì) 較 為 成 熟 ， 而 對(duì) 企 業(yè) 生 存 和 發(fā) 展 至 關(guān)

6、重 要 的 經(jīng) 營 管 理 技 術(shù) 和 生 產(chǎn) 運(yùn) 行 的 全 過 程 全 生 命 周 期 的 集 成 優(yōu) 化 ， 是 目 前 過 程 系 統(tǒng) 工 程 領(lǐng) 域 的 最 新 研 究 前 沿 ，有 待 于 深 入 開 拓 。1 過 程 系 統(tǒng) 集 成 優(yōu) 化 八 十 年 代 初 期 ， 在 計(jì) 算 機(jī) 、 自 動(dòng) 化 、 信 息 技 術(shù) 迅 速 發(fā) 展 的 推 動(dòng) 下 ，工 業(yè) 系 統(tǒng) 工 程 界 提 出 一 種 新 的 組 織 企 業(yè) 生 產(chǎn) 的 哲 理 和 運(yùn) 行 模 式 ¾ 計(jì) 算 機(jī) 集 成 制 造 系 統(tǒng) (Computer Integrated Manufacturing S

7、ystem, CIMS) ， 利 用 計(jì) 算 機(jī) 進(jìn) 行 信 息 集 成 ， 對(duì) 生 產(chǎn) 過 程 的 各 子 系 統(tǒng) 實(shí) 施 綜 合 集 成 ，以 縮 短 新 產(chǎn) 品 研 制 、產(chǎn) 品 生 產(chǎn) 和 交 貨 周 期 ，提 高 產(chǎn) 品 質(zhì) 量，降 低 成 本 。 國 際 學(xué) 術(shù) 界 和 工 程 界 將 此 視 為 21 世 紀(jì) 占 主 導(dǎo) 地 位 的 新 型 生 產(chǎn) 方 式 。過 程 工 業(yè) 大 多 屬 連 續(xù) 式 物 料 反 應(yīng) 和 加 工 過 程 ， 與 機(jī) 電 行 業(yè) 的 工 件 型 離 散 生 產(chǎn) 模 式 有 所 不 同 ， 其 生 產(chǎn) 的 組 織 和調(diào) 度 也 有 很 大 差 別 。 與

8、 優(yōu) 質(zhì) 低 耗 有 關(guān) 的 優(yōu) 化 操 作 問 題 ， 以 及 與 安 全 生 產(chǎn) 和 環(huán) 境 風(fēng) 險(xiǎn) 控 制 有 關(guān) 的 過 程 運(yùn) 行 控 制 問 題 ， 是 過 程 系 統(tǒng) 工 程 中 兩 大 特 點(diǎn) 和 難 點(diǎn) 。 為 此 ， 過 程 工 業(yè) 界 引 入 CIMS 概 念 時(shí) 提 出 了 一 種 分 級(jí) 分 布 式 自 動(dòng) 化 管 理 和 計(jì) 算 機(jī) 控 制 一 體 化 的 綜 合 性 過 程 系 統(tǒng) ，稱 為 計(jì) 算 機(jī) 集 成 過 程 系 統(tǒng) (Computer Integrated Process System, CIPS)。 CIPS的 目 標(biāo) 就 是 要 將 從 基 礎(chǔ) 的

9、 過 程 控 制 和 操 作 直 到 公 司 高 層 管 理 決 策 集 成 在 一 起 ， 形 成 一 個(gè) 管 理 ¾ 控 制 一 體 化 的 高 效 能 高 柔 性 的 智 能 生 產(chǎn) 系 統(tǒng) 1 , 這 將 成 為 二 十 一 世 紀(jì) 過 程 系 統(tǒng) 工 程 領(lǐng) 域 最 具 活 力 的 研 究 方 向 之 一 。 其 基 本 方 法 是 ： 從 生 產(chǎn) 運(yùn) 營 整 體 出 發(fā)， 將 企 業(yè) 的 生 產(chǎn)、 營 銷 和 管 理 的 各 種 信 息 集 成 起 來 ; 將 人 員 、 設(shè) 備 、 材 料、 資 金 及 信 息 等 資 源 合 理 組 織 、有 效 利 用 ，同 時(shí) 綜

10、 合 分 析 系 統(tǒng) 內(nèi) 部 和 外 界 因 素 的 變 化 ，借 此 不 斷 地 調(diào) 整 企 業(yè) 內(nèi) 部 的 活 動(dòng) 以 適 應(yīng) 這 些 變 化 ，使 過 程 系 統(tǒng) 達(dá) 到 設(shè) 計(jì)、 運(yùn) 行 和 經(jīng) 營 管 理 的 最 優(yōu) 目 標(biāo) 。 近 二 十 年 來 ， 人 們 開 發(fā) 了 化 工 過 程 運(yùn) 行 中 各 種 局 部 功 能 的 計(jì) 算 機(jī) 輔 助 運(yùn) 行 (Computer-Aided Process Operation, CAPO) 系 統(tǒng) 2 ， 如 調(diào) 度 排 產(chǎn) 、 數(shù) 據(jù) 采 集 和 校 正 、 在 線 模 擬 、 故 障 診 斷 、 運(yùn) 行 調(diào) 優(yōu) 等 。CAPO 介 于

11、 最 基 礎(chǔ) 的 過 程 控 制 和 最 上 層 的 計(jì) 算 機(jī) 管 理 信 息 系 統(tǒng) (MIS) 以 及 決 策 支 持 系 統(tǒng) (DSS) 之 間 的 廣 大 領(lǐng) 域 ，是 連 接 過 程 控 制 和 決 策 管 理 之 間 的 橋 梁 。 它 們 分 別 對(duì) 局 部 層 次 的 運(yùn) 行 優(yōu) 化 起 到 了 積 極 的 作 用 。 然 而 ，CAPO 的 加 和 不 等 于 系 統(tǒng) 集 成 ，局 部 優(yōu) 化 不 一 定 全 局 最 優(yōu) 。故 此 有 必 要 將 各 CAPO 功 能 塊 集 成 起 來 ， 形 成 計(jì) 算 機(jī) 集 成 過 程 運(yùn) 行 系 統(tǒng) (Computer Integ

12、rated Process Operation System, CIPOS) 3。 這 里 所 強(qiáng) 調(diào) 的 “ 集 成 ” 包 括 以 下 三 個(gè) 方 面 ： (1) 信 息 集 成 ：信 息 集 成 是 CIPOS 的 關(guān) 鍵 。 能 對(duì) 過 程 工 業(yè) 這 一 復(fù) 雜 大 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 準(zhǔn) 確 和 完 整 的 信 息 應(yīng) 該 包 括 過 程 數(shù) 據(jù) 、 模 型 和 經(jīng) 驗(yàn) 等 多 種 表 達(dá) 形 式 的 知 識(shí) 。 信 息 分 為 局 部 信 息 和 全 局 信 息 兩 種 。 為 保 持 系 統(tǒng) 的 一 致 性 ， 并 使 不 同 的 管 理 。 開 發(fā) 和 使 用 人 員 共 享 信

13、 息 ， 必 須 對(duì) 全 局 信 息 實(shí) 現(xiàn) 集 成 ，保 證 系 統(tǒng) 的 開 發(fā) 效 率 和 運(yùn) 行 性 能 。 (2) 任 務(wù) 集 成 ：C I P O S 中 各 部 分 優(yōu) 化 任 務(wù) 是 相 互 關(guān) 聯(lián) 的 ， 它 們 應(yīng) 該 被 置 于 一 個(gè) 統(tǒng) 一 的 集 成 的 框 架 之 中， 使 不 同 的 決 策 過 程 能 夠 協(xié) 調(diào) 一 致 ， 從 而 保 證 整 體 決 策 的 全 面 和 有 效 。 (3) 方 法 集 成 ： 為 實(shí) 現(xiàn) 各 種 任 務(wù) 和 決 策 ，需 各 種 優(yōu) 化 工 具 和 方 法 ， 如 何 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 適 當(dāng) 問 題 和 適 當(dāng) 步 驟 采 用 適

14、 當(dāng) 的 方 法 ， 以 及 如 何 避 免 因 引 入 的 各 種 方 法 導(dǎo) 致 不 同 的 求 解 模 塊 之 間 的 溝 通 障 礙 ， 也 是 必 須 認(rèn) 真 解 決 的 問 題 。 盡 管 計(jì) 算 機(jī) 已 在 過 程 模 擬 和 分 析、設(shè) 備 選 型 和 評(píng) 價(jià)、 分 離 序 列 和 能 量 系 統(tǒng) 的 合 成 。 操 作 優(yōu) 化 及 生 產(chǎn) 調(diào) 度 等 各 方 面 發(fā) 揮 著 重 要 的 作 用 ， 但 計(jì) 算 機(jī) 通 常 被 理 解 成“ 計(jì) 算 機(jī) 器 ” 而 被 認(rèn) 為 它 解 決 的 是“ 一 組 方 程 的 數(shù) 值 解 ”。 隨 著 過 程 系 統(tǒng) 日 益 龐 大 和

15、 復(fù) 雜 程 度 增 加 ，計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 把 握 過 程 全 局 的 能 力 顯 得 日 益 薄 弱 。 另 一 方 面 ，過 程 系 統(tǒng) 的 物 理 和 化 學(xué) 機(jī) 理 的 解 析 模 型 越 來 越 難 以 獲 得 。 這 給 過 程 系 統(tǒng) 工 程 界 提 出 了 一 個(gè) 嚴(yán) 峻 的 問 題 ：當(dāng) 我 們 對(duì) 系 統(tǒng) 的 認(rèn) 識(shí) 不 足 以 構(gòu) 造 清 晰 的 數(shù) 字 模 型 時(shí)，如 何 運(yùn) 用 領(lǐng) 域 專 家 多 年 積 累 的 經(jīng) 驗(yàn) 和 知 識(shí) 對(duì) 系 統(tǒng) 有 正 確 的 把 握 ，使 計(jì) 算 機(jī) 能 正 確 處 理 這 些 定 性 的 和 半 定 量 的 信 息 ， 建 立

16、 適 合 于 過 程 的 模 型 以 使 系 統(tǒng) 安 全 、 正 常 優(yōu) 質(zhì) 地 運(yùn) 行？ 基 于 知 識(shí) 的 系 統(tǒng) 的 不 斷 發(fā) 展 ， 開 辟 了 一 個(gè) 新 的 研 究方 向 ¾ 將 人 工 智 能 的 技 術(shù) 引 入 化 工 過 程 系 統(tǒng) ， 使 CIPOS 不 但 具 有“ 數(shù) 值 計(jì) 算” 的 能 力 ， 還 有 人 類 常 識(shí) 、 專 業(yè) 知 識(shí) 和 專 家 推 理 判 斷 的“ 智 能 ”， 從 而 使 系 統(tǒng) 更 多 地 具 有 人 類 專 家 的 素 質(zhì) 和 性 能 來 運(yùn) 行 企 業(yè) 的 生 產(chǎn) 過 程 。2 智 能 輔 助 的 過 程 系 統(tǒng) 優(yōu) 化八

17、十 年 代 以 來 ， 人 工 智 能 和 系 統(tǒng) 科 學(xué) 迅 速 發(fā) 展 ， 出 現(xiàn) 了 一 個(gè) 新 的 交 叉 學(xué) 科 和 工 程 技 術(shù) 領(lǐng) 域 ¾ 智 能 輔 助 過 程 工 程 (Intelligence-Aided Process Engineering, IAPE ) 4, 5 。 它 將 人 工 智 能 和 系 統(tǒng) 科 學(xué) 的 最 新 成 果 應(yīng) 用 于 過 程 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 、 合 成 、 建 模、 優(yōu) 化 、管 理 和 控 制 ， 研 究常 規(guī) 數(shù) 據(jù) 與 信 息 一 致 性 表 述 和 處 理 的 途 徑 ，充 分 利 用 專 家 知 識(shí) ，回 歸 模 型

18、 方 程 、操 作 經(jīng) 驗(yàn)、事 故 案 例 等 非 結(jié) 構(gòu) 化 知 識(shí) 和 模 糊 信 息 ，改 進(jìn) 和 擴(kuò) 展 現(xiàn) 有 的 模 型 化 方 法 、優(yōu) 化 算 法 和 控 制 策 略 ， 提 高 工 業(yè) 過 程 模 型 化 和 集 成 優(yōu) 化 的 水 平。工 程 師 可 靈 活 運(yùn) 用 定 性 或 粗 略 定 量 的 信 息 作 出 決 策 而 不 必 經(jīng) 過 復(fù) 雜 的 數(shù) 學(xué) 計(jì) 算 。 其 中 經(jīng) 驗(yàn) 式 推 理 是 應(yīng) 用 得 最 為 廣 泛 的 一 種 。 人 類 專 家 能 夠 在 很 大 的 彈 性 范 圍 內(nèi) 運(yùn) 用 已 有 的 知 識(shí) 和 經(jīng) 驗(yàn) 尋 求 解 決 方 案 。一

19、 個(gè) 對(duì) 企 業(yè) 運(yùn) 行 和 生 產(chǎn) 有 意 義 的 決 策 ， 從 來 就 不 可 能 僅 僅 依 靠 數(shù) 學(xué) 模 型 的 求 解 而 無 視 人 類 專 家 的 分 析 論 證 意 見 。 計(jì) 算 機(jī) 應(yīng) 該 而 且 可 以 學(xué) 習(xí) 人 類 專 家 的 這 種 能 力 ， 將 不 同 形 式 的 知 識(shí) 變 成 計(jì) 算 機(jī) 處 理 步 驟 以 適 應(yīng) 廣 泛 復(fù) 雜 的 問 題 。智 能 技 術(shù) 包 括 知 識(shí) 庫 系 統(tǒng) 、模 糊 邏 輯 、人 工 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 、仿 生 優(yōu) 化 算 法 等 , 如 圖 1 所 示 。 它 們 已 成 功 地 解 決 了 許 多 實(shí) 際 工 程 問 題

20、 。 以 下 將 主 要 結(jié) 合 作 者 的 研 究 工 作 介 紹 幾 個(gè) 方 面 的 應(yīng) 用 。OutputBi-direction Data BusKnowledge & Data InputMachine LearningArtificial Neural NetworkFuzzy SystemExpert SystemEvolutionary AlgorithmsRough and/or Fuzzy Data PreprocessingProcedural Post-processingFigure 1 A schematic of intelligent systems 2

21、.1 人 工 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 在 過 程 系 統(tǒng) 優(yōu) 化 中 的 應(yīng) 用人 工 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 模 仿 人 類 通 過 大 腦 感 知 認(rèn) 識(shí) 復(fù) 雜 問 題 的具 體 過 程 特 征 ，經(jīng) 反 復(fù) 學(xué) 習(xí) 和“ 試 錯(cuò) ”， 從 而 最 終 把 握 過 程 系 統(tǒng) 的 輸 入 輸 出 關(guān) 系 特 征 。 采 用 人 工 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 表 明 了 在 認(rèn) 知 和 表 達(dá) 復(fù) 雜 系 統(tǒng) 時(shí) 機(jī) 理 模 型 的 局 限 性 ，是 一 種 對(duì) 認(rèn) 知 方 式 的“ 返 樸 歸 真 ”。過 程 系 統(tǒng) 優(yōu) 化 通 常 是 通 過 非 線 性 數(shù) 學(xué) 規(guī) 劃 方 法 來 求 解 。 由 于 常 規(guī)

22、的 數(shù) 學(xué) 規(guī) 劃 方 法 需 要 精 確 完 備 的 數(shù) 學(xué) 模 型 并 進(jìn) 行 大 量 的 搜 索 和 計(jì) 算，計(jì) 算 方 法 較 為 復(fù) 雜 、 計(jì) 算 時(shí) 間 很 長 ，實(shí) 際 上 很 難 用 于 工 業(yè) 過 程 在 線 調(diào) 優(yōu) 。當(dāng) 過 程 變 量 之 間 沒 有 完 整 的 數(shù) 學(xué) 模 型 時(shí) , 優(yōu) 化 就 更 為 困 難 。神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 可 用 于 機(jī) 理 復(fù) 雜 且 難 以 認(rèn) 識(shí) 清 楚 ， 但 輸 入/ 輸 出 數(shù) 據(jù) 容 易 獲 得 的 過 程 系 統(tǒng) 的 建 模 和 仿 真 問 題 。作 為 黑 箱 模 型 ，神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 的 建 立 不 依 賴 于 先 驗(yàn) 知

23、識(shí) 。 研 究 表 明，網(wǎng) 絡(luò) 的 輸 入 輸 出 結(jié) 構(gòu) 是 可 變 的 ，可 不 同 于 實(shí) 際 系 統(tǒng) 的 輸 入 輸 出 結(jié) 構(gòu) 。 許 多 研 究 者 將 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 用 于 過 程 系 統(tǒng) 的 仿 真 。 我 們 曾 采 用 前 饋 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 對(duì) 紙 漿 制 漿 過 程 建 模 和 優(yōu) 化 。使 網(wǎng) 絡(luò) 從 工 廠 DCS 系 統(tǒng) 的 實(shí) 際 運(yùn) 行 記 錄 中 學(xué) 習(xí) 知 識(shí) ，節(jié) 省 了 大 量 的 勞 動(dòng) 去 開 發(fā) 機(jī) 理 模 型 或 基 于 規(guī) 則 的 專 家 系 統(tǒng) 。 在 此 基 礎(chǔ) 上 ， 我 們 提 出 了 一 種 新 的 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 輸 入 輸 出

24、 結(jié) 構(gòu) 6，它 與 實(shí) 際 系 統(tǒng) 的 結(jié) 構(gòu) 不 同 ，可 將 需 要 控 制 的 變 量 參 數(shù) 設(shè) 為 網(wǎng) 絡(luò) 的 輸 入 ，而 操 作 控 制 變 量 則 作 為 網(wǎng) 絡(luò) 的 輸 出 。 在 一 定 的 范 圍 內(nèi) ，網(wǎng) 絡(luò) 經(jīng) 過 學(xué) 習(xí) 后 ，可 根 據(jù) 實(shí) 際 系 統(tǒng) 的 要 求 直 接 調(diào) 節(jié) 操 作 變 量 ， 使 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 模 型 可 直 接 用 于 優(yōu) 化 計(jì) 算 。 這 為 開 發(fā) 應(yīng) 用 現(xiàn) 場(chǎng) 數(shù) 據(jù) 的 過 程 調(diào) 優(yōu) 、 咨 詢 系 統(tǒng) 開 辟 了 新 的 途 徑 。 對(duì)動(dòng) 態(tài) 模 擬 和 穩(wěn) 態(tài) 操 作 優(yōu) 化 兩 種 方 案 進(jìn) 行 的 模 型 考

25、察 均 表 明 該 方 法 可 取 得 滿 意 的 結(jié) 果 6, 7。人 工 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 還 可 以 用 來 作 過 程 系 統(tǒng) 的 最 優(yōu) 設(shè) 計(jì)， 文 獻(xiàn) 8 用 人 工 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 作 加 氫 反 應(yīng) 器 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì)， 文 獻(xiàn) 9 將 人 工 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 用 于 催 化 劑 組 分 的 設(shè) 計(jì)， 文 獻(xiàn) 10 將 Hopfield 網(wǎng) 用 于 換 熱 網(wǎng) 絡(luò) 的 最 優(yōu) 設(shè) 計(jì) ， 將 能 量 函 數(shù) 的 最 優(yōu) 值 與 問 題 的 最 小 值 相 對(duì) 應(yīng) ， 使 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 的 輸 出 與 問 題 的 解 相 對(duì) 應(yīng) ， 網(wǎng) 絡(luò) 運(yùn) 行 的 穩(wěn) 定 解 即 為 最

26、優(yōu) 解 。2.2 基 于 模 糊 邏 輯 的 專 家 系 統(tǒng) 在 過 程 系 統(tǒng) 優(yōu) 化 中 的 應(yīng) 用 專 家 系 統(tǒng) 通 常 是 由 一 組 規(guī) 則 組 成 的 知 識(shí) 庫 系 統(tǒng) 。 它 包 含 有 特 定 領(lǐng) 域 的 專 家 經(jīng) 驗(yàn) 和 專 門 知 識(shí) ， 并 運(yùn) 用 這 些 知 識(shí) 解 決 過 程 的 實(shí) 際 問 題 。 早 期 的 專 家 系 統(tǒng) 采 用 了 符 號(hào) 運(yùn) 算 和 序 貫 推 理 策 略 ， 難 以 解 決 含 有 大 量 數(shù) 量 運(yùn) 算 的 工 程 問 題 。 近 來 的 發(fā) 展 方 向 是 基 于 模 糊 邏 輯 的 專 家 系 統(tǒng) ， 用 模 糊 集 表 述 人

27、 類 語 言 形 式 的 知 識(shí) 和 信 息 ， 以 及 工 程 問 題 中 大 量 存 在 的 不 精 確 的 數(shù) 量 概 念 和 數(shù) 據(jù) 。 經(jīng) 模 糊 集 表 征 的 知 識(shí) 和 規(guī) 則 將 為 專 家 系 統(tǒng) 的 量 化 分 析 和 平 行 推 理 開 辟 廣 闊 的 前 景 ?；?于 模 糊 邏 輯 的 小 型 專 家 系 統(tǒng) 用 于 電 子 裝 置 以 及 工 業(yè) 過 程 中 單 元 裝 置 的 控 制， 在 文 獻(xiàn) 11 中 已 有 詳 細(xì) 的 介 紹 。 作 者 開 發(fā) 的 基 于 模 糊 邏 輯 的 分 離 過 程 合 成 設(shè) 計(jì) 專 家 系 統(tǒng) 也 獲 得 了 滿 意 的

28、結(jié) 果 12 。模 糊 系 統(tǒng) 理 論 在 模 型 方 程 的 建 立 、評(píng) 價(jià) 和 篩 選 中 承 認(rèn) 和 接 受 模 型 方 程 的 不 精 確 性 ，并 引 入 相 應(yīng) 的 處 理 方 法 。 這 更 接 近 于 人 類 專 家 在 進(jìn) 行 工 程 技 術(shù) 工 作 中 所 采 用 的 多 方 案 比 較 、定 性 分 析 和 定 量 比 較 并 舉、綜 合 評(píng) 判 的 模 式 。 這 使 得 建 模 過 程 利 用 更 多 的 信 息 量 。過 程 工 業(yè) 生 產(chǎn) 的 原 材 料 組 成 復(fù) 雜 ，操 作 波 動(dòng) 性 大 ，變 量 關(guān) 系 復(fù) 雜 。從 生 產(chǎn) 現(xiàn) 場(chǎng) 采 集 或 由 實(shí)

29、 驗(yàn) 測(cè) 定 的 數(shù) 據(jù) ，以 及 由 此 得 出 的 經(jīng) 驗(yàn) 關(guān) 聯(lián) 式 或 計(jì) 算 模 型 ，都 有 不 同 程 度 的 誤 差 和 冗 余 。 來 自 不 同 研 究 者 、 不 同 場(chǎng) 合 的 數(shù) 據(jù) 、 模 型 亦 常 有 沖 突 。 常 規(guī) 的 模 擬 和 優(yōu) 化 技 術(shù) 不 能 接 受 冗 余 的 、沖 突 的 、模 糊 的 數(shù) 據(jù) 和 方 程 ，一 般 的 方 法 是 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 校 正 和 模 型 篩 選 ，確 定 一 套 協(xié) 調(diào) 的 數(shù) 據(jù) 和 一 組 適 定 的 方 程 ，由 此 作 為 模 擬 和 優(yōu) 化 的 基 礎(chǔ) 。 其 代 價(jià) 是 在 處 理 過 程 中 丟

30、失 了 大 量 有 價(jià) 值 的 信 息 ，從 而 使 模 擬 和 優(yōu) 化 的 結(jié) 果 與 實(shí) 際 過 程 的 誤 差 增 大 。作 者 13 提 出 用 模 糊 邏 輯 表 述 和 處 理 系 統(tǒng) 變 量 間 的 不 精 確 近 似 關(guān) 系 ，使 模 型 方 程 間 的 沖 突 和 不 協(xié) 調(diào) 性 趨 于 最 小 ，模 糊 目 標(biāo) 函 數(shù) 趨 于 最 大 ，將 模 型 求 解 問 題 和 優(yōu) 化 問 題 均 轉(zhuǎn) 化 為 隸 屬 度 函 數(shù) 的 極 值 問 題 。由 于 模 糊 優(yōu) 化 方 法 中 過 程 約 束 表 示 為“ 軟 約 束 ”， 操 作 靠 近 邊 界 時(shí)，隸 屬 度 函 數(shù) 迅

31、 速 降 低 ，優(yōu) 化 程 序 將 會(huì) 自 動(dòng) 迫 使 系 統(tǒng) 離 開 邊 界 ，這 種 方 法 能 較 好 地 運(yùn) 用 于 不 精 確 的 、認(rèn) 識(shí) 不 充 分 的 系 統(tǒng) 中。2.3 進(jìn) 化 算 法 在 系 統(tǒng) 優(yōu) 化 中 的 應(yīng) 用由 于 過 程 系 統(tǒng) 日 趨 大 型 化 、復(fù) 雜 化 ，系 統(tǒng) 模 型 空 間 時(shí) 常 呈 現(xiàn) 非 連 續(xù) 性 、 局 部 多 峰 性 、 以 及 離 散 變 量 等 。 這 對(duì) 常 規(guī) 優(yōu) 化 算 法 提 出 了 挑 戰(zhàn) 。 這 方 面 一 個(gè) 突 出 的 進(jìn) 展 是 仿 生 優(yōu) 化 算 法 。仿 生 優(yōu) 化 算 法 屬 于 隨 機(jī) 搜 索 算 法 ，

32、采 用 生 物 進(jìn) 化 論 中“ 優(yōu) 勝 劣 汰 ” 的 法 則 ，實(shí) 現(xiàn) 大 規(guī) 模 群 體 的 平 行 搜 索 演 進(jìn) ， 避 免 了 局 部 極 值 點(diǎn) 的 問 題 。比 較 流 行 的 有 遺 傳 算 法 、 進(jìn) 化 規(guī) 劃 等 。 作 者 12 根 據(jù) 遺 傳 算 法 的 原 理 ，在 對(duì) 不 精 確 系 統(tǒng) 的 優(yōu) 化 時(shí) 采 用 遺 傳 算 法 ， 問 題 歸 結(jié) 為 求 模 糊 模 型 隸 屬 度 函 數(shù) 的 最 大 值 ，即 模 糊 系 統(tǒng) 空 間 的 搜 索 問 題 。 由 于 遺 傳 算 法 僅 提 取 目 標(biāo) 函 數(shù) 值 的 信 息 ，因 而 對(duì) 模 糊 系 統(tǒng) 的 不

33、 精 確 性 及 病 態(tài) 結(jié) 構(gòu) 并 不 敏 感 。 在 化 工 過 程 初 始 設(shè) 計(jì) 、 換 熱 網(wǎng) 絡(luò) 合 成 、 生 產(chǎn) 調(diào) 度 等 系 統(tǒng) 優(yōu) 化 問 題 中 ， 混 合 整 數(shù) 非 線 性 規(guī) 劃 (MINLP) 算 法 是 當(dāng) 今 研 究 的 熱 點(diǎn) 之 一 。 然 而 ，MINLP 模 型 的 建 立 有 賴 于 專 家 的 領(lǐng) 域 經(jīng) 驗(yàn) ， 而 MINLP 的 求 解 至 今 仍 未 有 成 熟 滿 意 的 方 法 。 作 者 14 最 近 針 對(duì) 換 熱 網(wǎng) 絡(luò) 同 步 最 優(yōu) 綜 合 的 問 題 提 出 了 一 種 新 的 優(yōu) 化 策 略， 提 出 了 改 進(jìn) 的 遺

34、傳 算 法 求 解 MINLP 問 題 。 可將 網(wǎng) 絡(luò) 結(jié) 構(gòu) 與 變 量 同 時(shí) 優(yōu) 化 。在 用 遺 傳 算 法 進(jìn) 行 優(yōu) 化 時(shí)， 采 取 了 連 續(xù) 化 遺 傳 因 子、多 樣 性 保 護(hù) 因 子 和 調(diào) 整 適 應(yīng) 值 的 方 法 ， 使 其 具 有 尋 找 全 局 最 優(yōu) 解 的 能 力 ， 在 處 理 大 規(guī) 模 換 熱 網(wǎng) 絡(luò) 綜 合 問 題 中 獲 得 成 功 。 這 為 MINLP 的 求 解 開 辟 了 一 條 新 的 途 徑 。3 結(jié) 束 語 化 學(xué) 工 程 學(xué) 在 其 發(fā) 展 的 100 年 時(shí) 間 中 ， 從 其 它 科 學(xué) 技 術(shù) 中 吸 取 了 豐 富 的

35、營 養(yǎng) 。當(dāng) 代 系 統(tǒng) 科 學(xué) 和 信 息 技 術(shù) 的 豐 碩 成 果 ，為 下 一 世 紀(jì) 過 程 系 統(tǒng) 工 程 的 迅 速 發(fā) 展 奠 定 了 堅(jiān) 實(shí) 的 基 礎(chǔ) 。人 工 智 能 的 思 想 和 方 法 應(yīng) 用 于 工 程 技 術(shù) 領(lǐng) 域 ，是 計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 應(yīng) 用 于 工 程 技 術(shù) 領(lǐng) 域 的 一 個(gè) 更 高 層 次 上 的 螺 旋 式 前 進(jìn) 。 然 而 ，有 必 要 指 出 ，人 工 智 能 本 身 是 人 類 智 能 的 產(chǎn) 物 ，是 輔 助 人 們 認(rèn) 識(shí) 和 改 造 客 觀 世 界 的 工 具 和 手 段 。 它 們 的 作 用 是 輔 助 性 的 而 非 決 定

36、 性 的， 真 正 起 決 定 作 用 的 是 人 類 專 家 。 針 對(duì) 我 國 過 程 工 業(yè) 調(diào) 優(yōu) 和 控 制 基 礎(chǔ) 較 差 的 現(xiàn) 狀 ， 在 推 行 計(jì) 算 機(jī) 集 成 過 程 系 統(tǒng) 中 應(yīng) 用 基 于 人 工 智 能 的 優(yōu) 化 方 法 ， 屬 于“ 軟 工 程 ” 的 范 疇 ， 對(duì) 現(xiàn) 有 工 業(yè) 裝 置 ， 測(cè) 量 和 控 制 儀 表 的 改 造 和 投 資 較 少 ，將 對(duì) 我 國 過 程 工 業(yè) 的 生 產(chǎn) 方 式 從 粗 放 型 向 集 約 型 轉(zhuǎn) 變 起 到 積 極 的 作 用 。參 考 文 獻(xiàn)1 Bassett M H, Dave P. Computers & Chemical Engineering, 1996, 20 (8):8218442 楊 友 麒 . 計(jì) 算 機(jī) 與 應(yīng) 用 化 學(xué) ，1995, 12 (3):1611693 楊 愛 東 . 基 于 對(duì) 象/Agent 的 計(jì) 算 機(jī) 集 成 過 程 運(yùn) 行 系 統(tǒng) 研 究 ： 學(xué) 位 論 文 . 大 連 ： 大 連 理 工 大 學(xué) ，19974 Astrom K J, McAroy T J. J Process Control, 1992, 2 (3):115127 5 錢 宇 . 化 工 進(jìn) 展 ，1997, 1:15206 Qian Y, Tes