有色金屬行業(yè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化算法庫(kù)開(kāi)發(fā)技術(shù)規(guī)范

3有色金屬行業(yè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化算法庫(kù)開(kāi)發(fā)技術(shù)規(guī)范本文件規(guī)定了有色金屬工業(yè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化算法的分類體系、命名與編碼規(guī)則和封裝要求。本文件適用于指導(dǎo)有色金屬工業(yè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化算法的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，可為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供優(yōu)化算法準(zhǔn)入的依據(jù)。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T11457-2006信息技術(shù)軟件工程術(shù)語(yǔ)GB/T36455-2018軟件構(gòu)建模型3術(shù)語(yǔ)和定義GB/T11457-2006和GB/T36455-2018界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。3.1算法algorithm對(duì)解決問(wèn)題的方案準(zhǔn)確而完整的描述，是一系列解決問(wèn)題的清晰指令，代表著用計(jì)算機(jī)能夠理解的的方法來(lái)描述解決問(wèn)題的策略機(jī)制。3.2編碼encoded用預(yù)先規(guī)定的方法將文字、數(shù)字或其它對(duì)象編成指定的數(shù)據(jù)格式，方便計(jì)算機(jī)讀取或使用。3.3封裝package隱藏對(duì)象的屬性和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，僅對(duì)外公開(kāi)接口，訪問(wèn)者無(wú)權(quán)修改其內(nèi)部?jī)?nèi)容。以此來(lái)保證對(duì)象的完整性和獨(dú)立性，只要使用的輸入輸出標(biāo)準(zhǔn)相同，封裝后的對(duì)象可以在任何環(huán)境下使用。3.4優(yōu)化算法架構(gòu)optimizationalgorithmframework有關(guān)優(yōu)化算法整體結(jié)構(gòu)與組件的抽象描述，用于指導(dǎo)優(yōu)化算法各個(gè)方面的設(shè)計(jì)。3.5算法內(nèi)核algorithmkernel算法的主要內(nèi)容和實(shí)質(zhì)，是算法真正發(fā)揮作用的部分，包含了算法解決問(wèn)題所使用策略的全部信息。4優(yōu)化算法分類體系設(shè)計(jì)有色金屬工業(yè)動(dòng)態(tài)大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)優(yōu)化算法，首先應(yīng)面向生產(chǎn)過(guò)程建模、控制和優(yōu)化等不同設(shè)計(jì)有色金屬工業(yè)動(dòng)態(tài)大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)優(yōu)化算法，首先應(yīng)面向生產(chǎn)過(guò)程建模、控制和優(yōu)化等不同應(yīng)用場(chǎng)景需求；進(jìn)而，在具體應(yīng)用場(chǎng)景中，對(duì)相應(yīng)的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)應(yīng)用場(chǎng)景需求；進(jìn)而，在具體應(yīng)用場(chǎng)景中，對(duì)相應(yīng)的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行形式化數(shù)學(xué)描述；最終，根據(jù)優(yōu)化數(shù)學(xué)問(wèn)題的特點(diǎn)，采取特定求解算法對(duì)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解。學(xué)問(wèn)題的特點(diǎn)，采取特定求解算法對(duì)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解。4其中，應(yīng)在應(yīng)用場(chǎng)景、優(yōu)化問(wèn)題形式、優(yōu)化求解算法三個(gè)維度上思考問(wèn)題，因此，可以在這三個(gè)維度上設(shè)計(jì)優(yōu)化算法分類體系，具體標(biāo)準(zhǔn)如圖1。圖1有色金屬工業(yè)過(guò)程優(yōu)化算法進(jìn)階式分類標(biāo)準(zhǔn)體系4.1應(yīng)用場(chǎng)景分類優(yōu)化算法分類體系中的應(yīng)用場(chǎng)景維度可根據(jù)有色金屬工業(yè)生產(chǎn)的層級(jí)關(guān)系再細(xì)分為過(guò)程數(shù)據(jù)層、模型層、控制層和運(yùn)行優(yōu)化層等多個(gè)部分，分類標(biāo)準(zhǔn)如圖2。在不同的層次下，優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)需求、模型形式、模型粒度、時(shí)空復(fù)雜度、求解精度和響應(yīng)速度均有不同，需要設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的優(yōu)化算法。例如，在數(shù)據(jù)層，針對(duì)數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)缺失補(bǔ)全優(yōu)化算法；針對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)多重時(shí)滯分布問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)空配準(zhǔn)優(yōu)化算法。圖2優(yōu)化算法應(yīng)用場(chǎng)景分類標(biāo)準(zhǔn)4.2優(yōu)化問(wèn)題形式化描述分類考慮設(shè)計(jì)優(yōu)化算法設(shè)計(jì)的一般流程：面向有色金屬工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中某一特定優(yōu)化需求，考慮一系列有關(guān)的限制條件（約束），選擇一組合適的參數(shù)（變量），控制這組參數(shù)以使設(shè)計(jì)指標(biāo)（目標(biāo)）達(dá)到最優(yōu)。其中，面向有色金屬工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中某一特定優(yōu)化需求對(duì)應(yīng)著“應(yīng)用場(chǎng)景”維度，剩下的約束、變量、目標(biāo)分別對(duì)應(yīng)著約束條件、優(yōu)化變量和目標(biāo)函數(shù)這三個(gè)要素。因此，優(yōu)化問(wèn)題形式化描述的數(shù)學(xué)模型可以從圖3所示的三個(gè)要素維度進(jìn)行分類。5圖3優(yōu)化問(wèn)題形式化描述模型分類要素具體要求如表1~表3所示。表1優(yōu)化問(wèn)題變量要素分類要求表2優(yōu)化問(wèn)題目標(biāo)要素分類要求1>1表3優(yōu)化問(wèn)題約束要素分類要求型無(wú)有題化化化化化化化4.3優(yōu)化求解算法分類在確定了應(yīng)用場(chǎng)景和優(yōu)化問(wèn)題形式化描述后，需要設(shè)計(jì)具體的算法來(lái)控制優(yōu)化變量，使得優(yōu)化目標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。優(yōu)化算法的類別有許多種，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和優(yōu)化問(wèn)題形式化描述要選擇不同的的優(yōu)化算法來(lái)進(jìn)行控制，具體的分類標(biāo)準(zhǔn)如圖4和表4所示。6圖4優(yōu)化求解算法分類標(biāo)準(zhǔn)表4優(yōu)化算法分類示例…約束條件：能質(zhì)平衡等式約束和工目標(biāo)函數(shù)：收率、費(fèi)用、時(shí)間等優(yōu)化變量：連續(xù)型處理時(shí)間、整數(shù)型爐群數(shù)量、連續(xù)型原料分配……數(shù)據(jù)層時(shí)空配準(zhǔn)場(chǎng)景—>不等式約束條件下整數(shù)型單目標(biāo)非線性數(shù)據(jù)層魯棒數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)場(chǎng)景—>混合約束條件下連續(xù)型單目標(biāo)非線性優(yōu)優(yōu)化層物料配方優(yōu)化—>混合約束條件下混合整數(shù)多目標(biāo)非線性…5優(yōu)化算法命名與編碼規(guī)則每個(gè)優(yōu)化算法名由應(yīng)用場(chǎng)景、優(yōu)化問(wèn)題形式、優(yōu)化求解算法三部分標(biāo)簽組成，每一部分標(biāo)簽按照相應(yīng)的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行細(xì)粒度劃分，在上述分類標(biāo)準(zhǔn)體系下，每一個(gè)優(yōu)化算法完整的進(jìn)階層級(jí)描述為：應(yīng)用場(chǎng)景維度(特定任務(wù)場(chǎng)景)—>優(yōu)化問(wèn)題形式化描述維度(優(yōu)化變量關(guān)鍵詞.優(yōu)化目標(biāo)關(guān)鍵詞.優(yōu)化約束關(guān)鍵詞)—>優(yōu)化算法維度（算法關(guān)鍵詞）確定算法命名規(guī)范后便可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的編碼表，將算法名映射為算法編碼，示例如下圖所示圖5優(yōu)化算法編碼示例6優(yōu)化算法封裝要求6.1優(yōu)化算法架構(gòu)優(yōu)化算法的封裝從軟件化、通用性、組態(tài)化等功能角度進(jìn)行考慮和設(shè)計(jì)，將優(yōu)化算法分解為算法封裝外殼和算法封裝內(nèi)核兩部分。其中，算法封裝內(nèi)核由算法本體模塊和算法標(biāo)簽?zāi)K組成，優(yōu)化算法架構(gòu)如圖6所示。模型封裝技術(shù)路線如圖7所示。7圖6優(yōu)化算法架構(gòu)(1)優(yōu)化算法本體模塊根據(jù)算法輸入采用一定的算法計(jì)算得到優(yōu)化算法輸出，優(yōu)化算法本體的細(xì)節(jié)根據(jù)需要可以隱藏和封裝，算法本體應(yīng)采用面向?qū)ο缶幊田L(fēng)格編寫(xiě)為函數(shù)形式；(2)優(yōu)化算法應(yīng)用場(chǎng)景標(biāo)簽?zāi)K則對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景功能需求下等屬性進(jìn)行描述，為算法管理、互調(diào)用、檢索提供所需信息；優(yōu)化求解算法標(biāo)簽主要是針對(duì)優(yōu)化問(wèn)題形式化數(shù)學(xué)描述后，根據(jù)優(yōu)化求解精度、時(shí)空復(fù)雜度、求解速度等要求選擇適當(dāng)?shù)那蠼馑惴ㄟM(jìn)行求解。(3)優(yōu)化算法封裝內(nèi)核從模塊化的角度對(duì)優(yōu)化算法本體、應(yīng)用場(chǎng)景標(biāo)簽和優(yōu)化求解算法標(biāo)簽進(jìn)行封裝，對(duì)優(yōu)化算法按照輸入輸出等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行封裝，形成優(yōu)化算法文件，利于優(yōu)化算法管理，考慮優(yōu)化算法的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保密問(wèn)題，算法本體模塊可將封裝為動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)等格式，標(biāo)簽?zāi)K可保存為數(shù)據(jù)庫(kù)/數(shù)據(jù)表等形式，一個(gè)優(yōu)化算法對(duì)應(yīng)一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件和二個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件/數(shù)據(jù)表，其他編程語(yǔ)言均可以調(diào)用；(4)優(yōu)化算法封裝外殼從軟件復(fù)用的角度對(duì)算法封裝內(nèi)核進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)算法的跨平臺(tái)應(yīng)用，算法互調(diào)用等功能；8圖7優(yōu)化算法封裝技術(shù)路線6.2優(yōu)化算法內(nèi)核開(kāi)發(fā)規(guī)范>應(yīng)用場(chǎng)景標(biāo)簽：優(yōu)化算法應(yīng)用場(chǎng)景屬性及具體內(nèi)容>算法形式化數(shù)學(xué)模型：包含優(yōu)化變量、優(yōu)化約束和優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型>求解算法標(biāo)簽：用于求解優(yōu)化數(shù)學(xué)問(wèn)題的特定尋優(yōu)算法標(biāo)簽(1)算法標(biāo)簽?zāi)０?數(shù)據(jù)庫(kù)等形式存放)：屬性名稱數(shù)據(jù)層.魯棒數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)—>連續(xù)型優(yōu)化變量.單目標(biāo)非線性函數(shù).等式不等式混合約束—>狀態(tài)轉(zhuǎn)移算法編號(hào)0000.0011.0001.0010.0000.0000.0011功能描述數(shù)據(jù)層魯棒數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)函數(shù)名functiony=data_reconciliation(app_scena,opt_model,solve_algrithm,x,para)輸入接口實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)輸出接口協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)值函數(shù)操作根據(jù)過(guò)程機(jī)理和能質(zhì)平衡等對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)校正開(kāi)發(fā)語(yǔ)言matlab開(kāi)發(fā)者張三開(kāi)發(fā)時(shí)間2020.05.09版本號(hào)(2)優(yōu)化算法聲明與實(shí)現(xiàn)模板(封裝為動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)等形式：//模型編號(hào)：0000.0011.0001.0010.0000.0000.0011//功能描述、輸入、輸出、開(kāi)發(fā)者......functiony=data_reconciliation(app_scena,opt_model,solve_algrithm,x,para)%%采用狀態(tài)轉(zhuǎn)移算法計(jì)算校正值9[y]=sta(@opt_model,x,para,initial);end6.3優(yōu)化算法內(nèi)核封裝規(guī)范優(yōu)化算法內(nèi)核封裝需提供下述三個(gè)文件：(1)文件1：優(yōu)化算法屬性說(shuō)明文件(數(shù)據(jù)庫(kù)文件,xml)優(yōu)化算法說(shuō)明文件對(duì)優(yōu)化算法類別進(jìn)行描述和定義。(2)文件2：優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)文件(程序/動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件)優(yōu)