化 工 过 程 现 代 集 成 系 统 关 键 技 术 的 研 究.doc

1、国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 化 学 科 学 部关 于 化 学 / 化 工 学 科 前 沿 和 “ 十 五 ”优 先 资 助 领 域 的 意 见 书化 工 过 程 现 代 集 成 系 统 关 键 技 术 的 研 究华 南 理 工 大 学 化 工 学 院 ( 执笔：钱 宇 ) 一 . 前 言化 学 工 程 是 研 究 物 料 以 工 业 规 模 发 生 物 理 或 化 学 状 态 变 化 的 过 程 与 装 置 的 设 计 与 操 作 的 一 门 技 术 科 学 。 作 为 化 工 类 各 学 科 的 应 用 基 础 ， 化 学 工 程 的 研 究 进 展 对 石 油 加 工 、

2、化 工 、 轻 工 、 材 料 加 工 、 冶 金 等 过 程 工 业 的 发 展 将 有 重 要 作 用 。 进 入 21 世 纪 的 化 学 工 业 应 改 变 以 往 化 工 行 业 大 量 消 耗 资 源 和 能 源 及 污 染 环 境 的 形 象 ， 将 重 点 研 究 使 过 程 工 业 优 质 、 低 耗 、 高 效 、 经 济 和 安 全 无 公 害 地 生 产 ， 为 改 善 和 提 高 人 类 生 活 质 量 提 供 各 种 化 学 品 。 为 此 在 继 续 研 究 各 单 元 操 作 的 三 传 一 反 过 程 的 同 时 ， 更 要 针 对 化 工 生 产 日 益 大

3、 型 化 、 集 成 化 和 复 杂 化 而 深 入 研 究 过 程 系 统 特 性 ， 如 大 型 石 化 企 业 和 多 品 种 多 牌 号 精 细 化 工 过 程 的 整 体 综 合 特 性 ， 及 对 企 业 生 存 和 发 展 至 关 重 要 的 经 营 管 理 技 术 和 生 产 运 行 全 过 程 全 生 命 周 期 的 系 统 集 成 技 术 。 二 十 世 纪 下 半 叶 以 来 ， 科 学 技 术 发 展 的 一 个 重 要 特 征 ， 是 各 个 学 科 领 域 的 相 互 渗 透 和 相 互 支 撑 。 过 程 系 统 工 程 作 为 化 学 工 程 中 的 一 个 新

4、 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 的 基 础 上 萌 生 并 发 展 起 来 的 。 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 子 过 程 追 求 集 成 和 优 化 ， 寻 求 最 佳 的 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 的 方 法 ， 从 信 息 、 任 务 、 和 方 法 等 多 种 角 度 的 集 成 对 过

5、 程 系 统 进 行 最 优 设 计 ， 实 施 最 优 操 作 、 最 优 控 制 ， 实 现 过 程 系 统 的 综 合 整 体 优 化 。近 十 年 来 ， 现 代 信 息 技 术 (特 别 是 网 络 技 术 ) 的 飞 跃 发 展 ， 使 人 们 能 在 数 秒 之 间 完 成 与 世 界 上 任 何 地 方 的 通 信 ， 从 而 使 地 球 变 “ 小 ”了 许 多 。 这 样 便 导 致 世 界 市 场 的 形 成 ， 并 带 来 激 烈 的 市 场 竞 争 ： 产 品 的 生 命 周 期 越 来 越 短 ； 用 户 对 产 品 质 量 、 品 种 和 价 格 的 要 求 越

6、来 越 高 。 每 个 企 业 都 面 临 着 求 生 存 、 争 发 展 的 严 峻 考 验 。 同 时 ， 日 趋 严 峻 的 资 源 、 环 境 及 安 全 等 方 面 的 约 束 ， 要 求 过 程 工 业 企 业 必 须 利 用 先 进 的 信 息 、 控 制 与 系 统 技 术 ， 改 善 生 产 和 管 理 。 在 这 种 情 况 下 ， 九 十 年 代 初 借 鉴 于 在 机 械 、 电 子 等 制 造 行 业 得 到 蓬 勃 发 展 的 CIMS 概 念 ， 对 于 流 程 工 业 提 出 了 CIPS (Computer Integrated Process System)

7、 概 念 1。 其 目 的 是 采 用 计 算 机 技 术 、 通 讯 技 术 、 自 动 化 技 术 以 及 有 关 生 产 技 术 ， 建 立 全 企 业 或 全 厂 的 包 括 经 营 决 策 、 管 理 信 息 、 生 产 调 度 、 监 督 控 制 和 直 接 控 制 在 内 的 管 理 及 控 制 全 部 生 产 活 动 的 综 合 系 统 ， 从 而 达 到 提 高 企 业 经 济 效 益 和 竞 争 能 力 的 2目 的 ； 其 核 心 是 “ 集 成 ”， 即 通 过 多 种 技 术 的 综 合 ， 从 而 达 到 全 企 业 或 全 厂 的 信 息 集 成 、 任 务 集

8、成 、 工 具 (或 方 法 ) 集 成 和 人 机 的 协 同 工 作 。 在 国 内 ， 近 年 来 CIPS 已 经 开 始 起 步 。 据 报 道 ， 中 国 石 化 总 公 司 在 齐 鲁 石 化 炼 油 厂 、 辽 化 化 纤 厂 、 茂 明 乙 烯 工 业 公 司 、 福 建 炼 油 厂 等 进 行 CIPS 试 点 ， 在 信 息 集 成 方 面 已 取 得 了 初 步 经 验 。 在 理 论 研 究 方 面 ， 近 几 年 有 不 少 关 于 CIPS 的 探 索 性 文 献 23 ， 提 出 了 过 程 工 业 CIPS 的 体 系 结 构 。 该 功 能 结 构 模 型

9、体 现 了 递 阶 控 制 的 思 想 和 多 层 跨 平 台 概 念 ， 各 功 能 层 次 所 涉 及 的 内 容 、 范 围 不 同 ， 因 而 实 现 的 系 统 平 台 也 不 相 同 。二 . 化 工 过 程 现 代 集 成 系 统 近 年 来 随 着 敏 捷 制 造 (Agile Manufacture)、 并 行 工 程 (Concurrent Engineering )、 精 良 生 产 (Lean Production)、 人 件 (Humanware)、 生 命 周 期 (Life Cycles)、 企 业 再 造 (Reengineering) 等 一 系 列 新 的

10、概 念 、 技 术 或 方 案 的 提 出 ， 使 集 成 制 造 的 思 想 得 到 了 进 一 步 丰 富 和 发 展 。 并 行 工 程 ， 是 在 信 息 集 成 的 基 础 上 实 现 过 程 的 重 构 、 集 成 和 优 化 ， 即 过 程 集 成 。 并 行 工 程 是 一 种 系 统 工 程 的 方 法 ， 将 产 品 的 设 计 过 程 、 制 造 过 程 及 各 种 支 持 过 程 集 成 起 来 ， 并 行 地 协 调 处 理 。 从 一 开 始 就 能 考 虑 产 品 从 概 念 设 计 到 消 亡 的 整 个 生 命 周 期 的 所 有 因 素 ， 其 目 标 是

11、提 高 整 个 制 造 过 程 (从 设 计 、 工 艺 、 制 造 到 服 务 ) 的 质 量 ， 降 低 产 品 生 命 周 期 费 用 ， 缩 短 产 品 研 究 开 发 周 期 。 对 于 流 程 工 业 来 说 针 对 不 同 的 角 度 同 时 存 在 三 个 生 命 周 期 4： 从 工 厂 及 其 设 备 的 角 度 看 其 生 命 周 期 经 历 了 设 计 、 安 装 、 运 行 和 废 弃 几 个 阶 段 ； 从 生 产 过 程 的 角 度 看 其 生 命 周 期 经 历 了 开 车 、 稳 定 运 行 和 停 车 几 个 阶 段 ； 从 经 营 管 理 的 角 度 看

12、其 生 命 周 期 经 历 了 市 场 分 析 、 产 品 设 计 、 过 程 设 计 、 设 备 选 型 、 购 买 和 安 装 、 运 行 和 维 护 几 个 阶 段 。 对 于 流 程 工 业 这 样 一 个 存 在 多 生 命 周 期 的 复 杂 过 程 ， 要 实 施 并 行 工 程 有 相 当 的 难 度 。 其 关 键 的 技 术 在 于 两 点 ： (1) 如 何 建 立 一 个 贯 穿 整 个 生 命 周 期 的 产 品 数 据 模 型 以 便 于 处 于 不 同 生 命 周 期 阶 段 的 开 发 人 员 进 行 信 息 共 享 和 交 换 ； (2) 以 及 如 何 建

13、立 一 种 信 息 并 行 协 调 处 理 的 机 制 。敏 捷 制 造 即 企 业 集 成 ， 其 基 本 思 想 是 通 过 动 态 灵 活 的 企 业 联 盟 、 先 进 的 柔 性 生 产 技 术 和 高 素 质 的 人 员 的 全 面 集 成 ， 使 企 业 快 速 响 应 市 场 变 化 ， 获 取 长 期 的 经 济 效 益 。 敏 捷 制 造 的 特 征 之 一 就 是 多 企 业 在 信 息 集 成 的 基 础 上 的 合 作 与 竞 争 ， 根 据 客 户 需 要 和 社 会 经 济 效 益 组 成 企 业 动 态 联 盟 (Virtual Organization)。 敏

14、 捷 制 造 的 核 心 是 企 业 间 的 动 态 集 成 ， 是 产 品 开 发 生 产 过 程 的 动 态 集 成 ， 是 生 产 管 理 全 过 程 仿 真 集 成 。 并 行 工 程 、 敏 捷 制 造 、 企 业 动 态 联 盟 等 现 代 化 的 生 产 经 营 哲 理 和 思 想 ， 越 来 越 强 调 技 术 与 人 、 组 织 、 管 理 的 集 成 。 因 而 国 外 许 多 大 公 司 基 于 这 些 思 想 进 行 企 业 再 造 (Reengineering)， 以 提 高 企 业 对 瞬 息 万 变 的 市 场 的 响 应 能 力 及 响 应 速 度 ， 提 高

15、企 业 的 竞 争 能 力 。 据 美 国 幸 福 杂 志 统 计 全 世 界 排 名 前 1000 名 的 大 企 业 中 ， 有 68 进 行 了 企 业 再 造 5。3由 此 可 以 看 出 ， 进 入 90 年 代 以 来 ， CIMS/CIPS 在 其 实 施 和 发 展 过 程 中 ， 围 绕 着 其 总 目 标 的 实 现 在 不 断 吸 收 新 技 术 、 新 思 想 、 新 概 念 ； CIMS 的 发 展 分 为 信 息 集 成 、 过 程 集 成 和 企 业 集 成 三 个 阶 段 6。 在 新 的 发 展 阶 段 ， CIMS 的 核 心 由 信 息 集 成 转 变 为

16、 以 顾 客 / 用 户 的 需 求 为 核 心 ， CIMS 解 决 问 题 的 方 法 也 由 技 术 集 成 转 变 为 技 术 、 经 营 、 管 理 和 人 的 全 面 集 成 。 CIMS 的 未 来 发 展 具 有 并 行 、 敏 捷 的 特 性 。 现 在 CIMS 的 内 涵 已 经 远 远 超 出 了 计 算 机 集 成 制 造 系 统 的 概 念 ， 中 国 863/CIMS 主 题 组 对 新 的 CIM 及 CIMS 理 念 进 行 重 新 概 括 如 下 7： “CIM 是 一 种 人 / 组 织 、 管 理 与 运 行 企 业 的 理 念 ， 它 将 传 统 的

17、制 造 技 术 与 现 代 信 息 技 术 、 管 理 技 术 、 自 动 化 技 术 、 系 统 工 程 技 术 等 有 机 结 合 ， 借 助 计 算 机 (软 、 硬 件 )， 使 企 业 产 品 全 生 命 周 期 各 阶 段 中 有 关 的 组 织 、 经 营 管 理 、 技 术 三 要 素 及 其 信 息 信 息 流 、 物 流 、 价 值 流 有 机 集 成 并 优 化 运 行 ， 实 现 企 业 创 造 活 动 ， 以 达 到 产 品 上 市 快 、 高 质 、 低 耗 、 服 务 好 、 环 境 清 洁 ， 进 而 提 高 企 业 的 柔 性 、 健 壮 性 ， 使 企 业

18、赢 得 市 场 竞 争 主 动 权 。 ” 基 于 上 述 的 CIM 及 CIMS 理 念 ， CIMS 的 中 英 文 取 为 现 代 集 成 制 造 系 统 (Comtenporary Integrfited Manufacturing System)。 “ “现 代 “ 的 含 义 是 信 息 化 、 智 能 化 、 计 算 机 化 。 “集 成 “ 的 含 义 是 企 业 产 品 全 生 命 周 期 活 动 中 三 要 素 、 三 流 集 成 ； 集 成 的 各 阶 段 是 信 息 集 成 、 过 程 集 成 及 企 业 集 成 。针 对 现 代 集 成 制 造 系 统 的 概 念

19、， 对 于 过 程 工 业 我 们 应 相 应 提 出 现 代 集 成 过 程 系 统 (Contemporary Integrated Process System) 的 概 念 ， CIPS 概 念 的 提 出 可 以 大 大 扩 展 过 程 系 统 工 程 的 研 究 领 域 ， 并 能 够 给 过 程 系 统 工 程 的 研 究 注 入 新 的 活 力 。 对 于 过 程 工 业 而 言 ， CIPS 包 含 若 干 关 键 技 术 的 集 成 ， 其 中 包 括 ： 测 量 数 据 的 采 集 和 压 缩 技 术 、 过 程 数 据 的 筛 选 与 校 正 、 实 时 数 据 库 、

20、 过 程 模 型 化 与 模 拟 技 术 、 过 程 优 化 算 法 、 过 程 监 测 技 术 、 故 障 诊 断 与 侦 破 、 生 产 的 计 划 和 调 度 排 序 、 先 进 过 程 控 制 (APC) 、 可 靠 性 分 析 及 维 修 管 理 系 统 、 质 量 控 制 与 管 理 、 人 工 智 能 技 术 的 应 用 等 。三 . 面 临 的 问 题 与 分 析 总 体 而 言 发 展 我 国 化 工 过 程 现 代 集 成 系 统 主 要 面 临 以 下 问 题 ：1. 近 二 十 年 来 ， 人 们 开 发 了 化 工 过 程 运 行 中 各 种 局 部 功 能 的 计

21、算 机 辅 助 运 行 (Computer-Aided Process Operation, CAPO) 系 统 ， 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 的 过 程 控 制 和 最 上 层 的 计 算 机 管 理 信 息 系 统 (MIS) 以 及 决 策 支 持 系 统 (DSS) 之 间 的 广 大 领 域 ， 是 连 接 过 程 控 制 和 决 策 管 理 之 间 的 桥 梁 。 它 们 分 别 对 局 部 层 次 的 运 行 优 化 起 到 了 积 极 的 作 用 。 然

22、而 ， 但 是 这 些 系 统 往 往 是 独 立 开 发 的 ， 缺 乏 整 体 考 虑 各 个 系 统 均 有 各 自 专 用 的 数 据 格 式 ， 使 得 各 个 系 统 间 的 信 息 难 以 相 互 衔 接 和 协 调 ， 形 成 了 过 程 工 厂 中 的 各 个 “信 息 孤 岛 ”， 不 能 做 到 全 企 业 或 全 厂 的 信 息 集 成 ， 严 重 妨 碍 了 CIPS 的 实 现 。2. 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 的 合 成 。 操 作 优 化 及 生 产 调 度 等

23、 各 方 面 发 挥 着 重 要 的 作 用 ， 但 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 局 的 能 力 显 得 日 益 薄 弱 。 另 一 方 面 ， 过 程 系 统 的 物 理 和 化 学 机 理 的 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 的 问 题 ： 当 我 们 对 系 统 的 认 识 不 足 以 构 4造 清 晰 的 数 字 模 型 时 ， 如 何 运 用 领 域 专 家 多 年 积 累 的 经 验 和 知 识 对 系 统 有 正 确

24、的 把 握 ， 使 计 算 机 能 正 确 处 理 这 些 定 性 的 和 半 定 量 的 信 息 ， 建 立 适 合 于 过 程 的 模 型 以 使 系 统 安 全 、 正 常 优 质 地 运 行 ？ 基 于 知 识 的 系 统 的 不 断 发 展 ， 开 辟 了 一 个 新 的 研 究 方 向 将 人 工 智 能 的 技 术 引 入 化 工 过 程 系 统 ， 使 CIPS 不 但 具 有 “ 数 值 计 算 ” 的 能 力 ， 还 有 人 类 常 识 、 专 业 知 识 和 专 家 推 理 判 断 的 “ 智 能 ”， 从 而 期 望 系 统 更 多 地 具 有 人 类 专 家 的 素

25、质 和 性 能 来 运 行 生 产 过 程 。3. 在 当 前 技 术 发 展 迅 速 、 市 场 竞 争 激 烈 、 环 境 保 护 、 安 全 生 产 日 益 强 烈 的 形 势 下 ， 世 界 化 学 工 业 的 结 构 正 在 发 生 着 剧 烈 的 变 化 。 如 何 赢 得 市 场 和 技 术 的 优 势 ， 是 各 国 政 府 、 企 业 界 和 科 技 界 共 同 关 心 的 问 题 。 面 对 时 有 发 生 的 化 工 灾 难 性 事 故 及 其 造 成 的 严 重 人 员 伤 亡 、 环 境 污 染 和 经 济 损 失 ， 社 会 公 众 越 来 越 多 地 关 注 与

26、化 工 和 安 全 相 关 的 问 题 ， 诸 如 化 学 品 的 贮 存 、 运 输 和 生 产 安 全 问 题 ； 过 程 工 业 生 产 中 恶 性 事 故 风 险 防 范 问 题 ； 化 工 过 程 风 险 评 价 ， 化 工 事 故 早 期 预 警 以 及 灾 害 应 急 、 应 变 、 救 援 策 略 等 问 题 。 这 些 问 题 如 解 决 不 好 ， 将 成 为 现 代 化 学 工 业 发 展 进 一 步 发 展 的 严 重 障 碍 。 如 石 油 化 工 行 业 ， 已 建 成 20 多 个 大 型 和 特 大 型 石 化 企 业 ， 石 化 事 业 的 发 展 为 国 家

27、 创 造 了 巨 大 的 财 富 ， 与 此 同 时 安 全 风 险 也 不 断 增 加 。 对 化 工 装 置 进 行 运 行 风 险 分 析 ； 建 立 灾 害 性 事 故 早 期 诊 断 、 预 警 系 统 并 推 荐 处 理 措 施 则 显 得 更 为 重 要 。4. 化 工 行 业 技 术 水 平 参 差 不 齐 ， 总 体 水 平 仍 落 后 发 达 国 家 15 20 年 。 为 了 缩 短 这 种 差 距 ， 一 方 面 是 要 靠 加 大 投 入 ， 二 是 靠 加 大 引 进 力 度 ， 但 存 在 资 金 不 足 的 问 题 。 另 外 花 费 大 量 外 汇 引 进 的

28、 多 项 成 套 设 备 和 技 术 ， 包 括 国 际 先 进 的 工 艺 技 术 和 设 备 乃 至 信 息 ( 软 硬 件 ) 技 术 ， 尚 未 形 成 集 约 化 的 、 有 中 国 特 色 的 系 统 技 术 。四 . 亟 待 研 究 的 课 题目 前 国 内 外 CIPS 研 究 开 发 、 推 广 应 用 和 取 得 的 成 效 都 明 显 落 后 于 CIMS。 CIPS 目 前 更 多 的 是 技 术 的 集 成 ， 仍 处 于 企 业 内 部 的 信 息 集 成 阶 段 ， 还 没 有 达 到 过 程 集 成 的 阶 段 。 针 对 国 内 外 CIPS 的 研 究 应

29、用 现 状 ， 我 们 建 议 对 CIPS 中 若 干 关 键 技 术 进 行 重 点 研 究 和 集 中 攻 关 。 从 科 学 发 展 和 我 国 国 民 经 济 长 远 发 展 的 需 求 的 角 度 推 进 这 一 领 域 的 基 础 技 术 研 究 ， 争 取 在 应 用 基 础 研 究 方 面 有 所 创 新 和 突 破 。 这 方 面 亟 待 研 究 的 主 要 课 题 有 ： 分 布 式 计 算 机 系 统 及 网 络 技 术 、 分 布 式 数 据 库 技 术 、计 算 机 辅 助 实 时 监 控 、 实 时 故 障 检 测 及 故 障 诊 断 、 系 统 建 模 仿 真

30、技 术 及 系 统 综 合 平 衡 与 优 化 。1. 计 算 机 辅 助 实 时 监 控 、 故 障 检 测 及 故 障 诊 断化 工 过 程 监 视 、 故 障 诊 断 技 术 的 研 究 是 近 年 来 国 际 过 程 工 程 学 术 界 研 究 热 点 ， 经 过 多 年 研 究 该 领 域 的 研 究 者 提 出 了 操 作 过 程 监 视 与 故 障 诊 断 系 统 的 框 架 ： 将 数 据 检 验 和 校 正 、 故 障 侦 破 、 故 障 诊 断 等 功 能 通 过 现 代 信 息 技 术 有 机 地 结 合 在 一 起 形 成 故 障 诊 断 计 算 机 辅 助 运 行 系

31、 统 ； 在 技 术 上 将 人 工 智 能 领 域 的 各 种 工 具 ( 信 号 图 、 模 式 识 别 、 基 于 规 则 的 专 家 系 统 、 模 糊 逻 辑 、 定 性 模 拟 、 神 经 网 络 或 归 纳 决 策 树 等 ) 与 数 学 统 计 方 法 ( 假 设 检 验 、 主 组 分 析 法 等 ) 及 系 统 辨 识 方 5法 ( 观 测 器 、 广 义 Kalman 滤 波 器 、 信 号 分 析 等 ) 集 成 在 一 起 构 成 混 杂 智 能 系 统 应 用 于 过 程 故 障 诊 断 。 当 前 研 制 事 故 诊 断 系 统 的 技 术 关 键 是 ： 异 常

32、 状 态 的 检 测 及 特 征 提 取 技 术 。 为 了 把 结 果 及 症 状 的 对 应 关 系 搞 清 楚 ， 需 要 研 究 高 水 平 的 测 定 器 及 敏 感 元 件 将 初 始 信 号 加 工 成 清 晰 度 高 的 信 号 处 理 技 术 。 信 息 处 理 技 术 。 从 症 状 推 断 引 起 的 原 因 ， 目 前 人 工 智 能 专 家 系 统 法 用 于 事 故 诊 断 领 域 得 到 迅 速 发 展 ， 因 为 这 与 医 疗 专 家 诊 断 系 统 类 似 。 但 是 ， 专 家 系 统 的 知 识 是 有 限 的 ， 有 时 碰 到 罕 见 症 (尤 其

33、是 新 厂 开 车 等 ) 就 无 能 为 力 了 ， 所 以 有 必 要 采 用 模 拟 系 统 鉴 别 系 统 有 无 故 障 。2. 过 程 模 型 化 与 模 拟 技 术 一 个 可 靠 的 机 理 模 型 (动 态 、 静 态 ) 可 大 大 缩 短 工 业 过 程 的 设 计 周 期 。 但 是 严 格 机 理 建 模 在 很 大 程 度 上 是 依 靠 科 研 和 工 程 开 发 人 员 对 实 际 工 业 过 程 的 理 论 认 识 和 化 学 、 物 理 过 程 原 理 ， 由 于 实 际 过 程 的 复 杂 性 和 不 确 定 性 ， 对 于 一 些 化 工 过 程 (如

34、反 应 过 程 ) 建 立 严 格 机 理 模 型 十 分 困 难 ， 所 花 费 的 时 间 和 资 金 很 多 。近 年 来 ， 有 研 究 者 采 用 人 工 智 能 领 域 中 的 概 念 、 技 术 和 方 法 ， 如 ： 人 工 神 经 网 络 8 、 模 糊 逻 辑 9、 仿 生 算 法 10 等 ， 结 合 来 自 生 产 实 际 的 数 据 和 经 验 知 识 试 图 建 立 过 程 数 学 模 型 。 然 而 这 些 方 法 尚 有 待 进 一 步 研 究 和 发 展 之 处 ： 人 工 神 经 网 络 和 仿 生 算 法 模 型 是 一 种 黑 箱 模 型 ， 其 所 依

35、 据 的 是 从 实 际 系 统 中 采 集 到 的 数 据 ， 但 是 这 些 数 据 常 常 包 含 着 噪 声 ， 不 够 精 确 甚 至 不 完 整 ， 采 用 这 些 数 据 生 成 的 模 型 其 准 确 性 值 得 探 讨 ； 另 外 由 于 黑 箱 模 型 不 具 有 外 推 性 使 其 在 实 际 应 用 中 受 到 许 多 限 制 。 模 糊 逻 辑 建 模 方 法 所 依 据 的 是 生 产 过 程 中 经 验 知 识 以 及 对 过 程 的 理 论 认 识 ， 是 处 理 不 确 定 信 息 的 方 法 之 一 ， 但 这 种 方 法 需 要 有 效 数 据 的 附 加

36、 信 息 或 先 验 知 识 ， 如 模 糊 隶 属 度 函 数 等 ， 而 这 些 信 息 有 时 并 不 容 易 得 到 ； 另 外 生 产 过 程 中 的 经 验 知 识 其 可 靠 性 和 完 整 性 均 有 疑 问 。 这 样 便 限 制 了 该 方 法 的 应 用 。在 过 程 工 业 的 实 际 生 产 过 程 中 ， 一 方 面 由 于 DCS (集 散 控 制 系 统 ) 的 广 泛 应 用 ， 保 存 了 大 量 的 实 际 生 产 数 据 ； 另 一 方 面 现 场 的 工 程 技 术 人 员 由 于 长 期 与 生 产 过 程 接 触 对 生 产 过 程 有 许 多 经

37、 验 性 的 知 识 。 应 用 这 些 来 自 生 产 实 际 的 数 据 和 经 验 知 识 并 结 合 对 过 程 的 科 学 实 验 和 理 论 认 识 建 立 过 程 可 靠 数 学 模 型 即 ： 化 工 过 程 混 合 建 模 技 术 ， 是 今 后 几 年 内 过 程 建 模 领 域 大 有 希 望 的 研 究 方 向 。 3. 过 程 系 统 集 成 优 化过 程 工 业 的 主 要 特 征 是 生 产 规 模 的 大 型 化 和 生 产 过 程 的 连 续 化 。 在 市 场 经 济 的 激 烈 竞 争 中 ， 要 保 证 生 产 高 效 稳 定 运 行 ， 以 获 取 最

38、 大 的 经 济 效 益 ， 原 来 简 单 的 、 甚 至 是 局 部 的 优 化 已 不 能 满 足 现 代 化 生 产 的 需 要 。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 的 交 叉 学 科 和 工 程 技 术 领 域 智 能 辅 助 过 程 工 程 (Intelligence-Aided Process Engineering, IAPE )。 它 将 人 工 智 能 和 系 统 科 学 的 最 新 成 果 应 用 于 过 程 系 统 的 设 计 、 合 成 、 建 模 、 优 化 、 管 理 和 控 制 ， 研 究

39、 常 规 数 据 与 信 息 一 致 性 表 述 和 6处 理 的 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 的 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 的 水 平 。 在 很 多 情 况 下 ， 工 程 师 可 灵 活 运 用 定 性 或 粗 略 定 量 的 信 息 作 出 决 策 而 不 必 经 过 复 杂 的 数 学 计 算 。 其 中 经 验 式 推 理 是

40、应 用 得 最 为 广 泛 的 一 种 。 即 使 对 一 个 问 题 的 认 识 尚 未 透 彻 ， 信 息 并 不 完 整 精 确 ， 工 程 师 能 够 在 很 大 的 弹 性 范 围 内 运 用 已 有 的 知 识 和 经 验 寻 求 解 决 方 案 。 一 个 对 企 业 运 行 和 生 产 有 意 义 的 决 策 ， 从 来 就 不 可 能 仅 仅 依 靠 数 学 模 型 的 求 解 而 无 视 人 类 专 家 的 分 析 论 证 意 见 。 计 算 机 应 该 而 且 可 以 学 习 人 类 专 家 的 这 种 能 力 ， 将 不 同 形 式 的 知 识 变 成 计 算 机 处

41、理 步 骤 以 适 应 广 泛 复 杂 的 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 。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 的 数 学 规 划 方 法 需 要 精 确 完 备 的 数 学 模 型 并 进 行 大 量 的 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 业 过 程 在 线 调 优 。 当 过 程 变 量 之 间 没 有 完 整 的 数 学 模

42、 型 可 以 表 示 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 的 过 程 系 统 的 建 模 和 仿 真 问 题 。 作 为 黑 箱 模 型 ， 神 经 网 络 的 建 立 不 依 赖 于 先 验 知 识 。 研 究 表 明 ， 网 络 的 输 入 输 出 结 构 是 可 变 的 ， 可 不 同 于 实 际 系 统 的 输 入 输 出 结 构 。 如 采 用 前 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

43、的 实 际 运 行 记 录 中 学 习 知 识 ， 可 节 省 开 发 机 理 模 型 或 基 于 规 则 的 专 家 系 统 大 量 的 劳 动 。 在 一 定 的 范 围 内 ， 网 络 经 过 学 习 后 ， 可 根 据 实 际 系 统 的 要 求 直 接 调 节 操 作 变 量 ， 使 神 经 网 络 模 型 可 直 接 用 于 优 化 计 算 。 这 为 将 来 开 发 应 用 现 场 数 据 的 过 程 调 优 、 咨 询 系 统 开 辟 新 的 途 径 。 专 家 系 统 通 常 是 由 一 组 规 则 组 成 的 知 识 库 系 统 。 它 包 含 有 特 定 领 域 的 专

44、家 经 验 和 专 门 知 识 ， 并 运 用 这 些 知 识 解 决 过 程 的 实 际 问 题 。 近 来 的 发 展 方 向 是 基 于 模 糊 逻 辑 的 专 家 系 统 ， 用 模 糊 集 表 述 人 类 语 言 形 式 的 知 识 和 信 息 ， 以 及 工 程 问 题 中 大 量 存 在 的 不 精 确 的 数 量 概 念 和 数 据 。 经 过 模 糊 集 表 征 的 知 识 和 规 则 将 为 专 家 系 统 的 量 化 分 析 和 平 行 推 理 开 辟 广 阔 的 前 景 11 。模 糊 系 统 理 论 在 模 型 方 程 的 建 立 、 评 价 和 筛 选 中 承 认

45、和 接 受 模 型 方 程 的 不 精 确 性 ， 并 引 入 相 应 的 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 的 多 方 案 比 较 、 定 性 分 析 和 定 量 比 较 并 举 、 综 合 评 判 的 模 式 。 这 使 得 建 模 过 程 利 用 更 多 的 信 息 量 。 过 程 工 业 生 产 的 原 材 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 的 数 据 ， 以 及 由 此 得 出 的 经 验 关 联 式 或 计 算

46、模 型 ， 都 有 不 同 程 度 的 误 差 和 冗 余 。 来 自 不 同 研 究 者 、 不 同 场 合 的 数 据 、 模 型 亦 常 有 冲 突 。 如 采 用 模 糊 逻 辑 表 述 和 处 理 系 统 变 量 间 的 不 精 确 近 似 关 系 ， 使 模 型 方 程 间 的 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 的 极 值 问 题 。 由 于 模 糊 优 化 方 法 中 过 程 约 束 表 示 为 “ 软 约 束 ”， 操 作 靠 近 边 界

47、 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 将 能 较 好 地 运 用 于 不 精 确 的 、 认 识 不 充 分 的 系 统 中 。7另 外 ， 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 的 进 展 是 仿 生 优 化 算 法 。 仿 生 优 化 算 法 属 于 随 机 搜 索 算 法

48、， 采 用 生 物 进 化 论 中 “ 优 胜 劣 汰 ” 的 法 则 ， 实 现 大 规 模 群 体 的 平 行 搜 索 演 进 ， 避 免 了 局 部 极 值 点 的 问 题 。 比 较 流 行 的 有 遗 传 算 法 、 进 化 规 划 等 。 有 研 究 者 11 根 据 遗 传 算 法 的 原 理 ， 在 对 不 精 确 系 统 的 优 化 时 采 用 遗 传 算 法 ， 问 题 归 结 为 求 模 糊 模 型 隶 属 度 函 数 的 最 大 值 ， 即 模 糊 系 统 空 间 的 搜 索 问 题 。 由 于 遗 传 算 法 仅 提 取 目 标 函 数 值 的 信 息 ， 因 而 对

49、 模 糊 系 统 的 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 规 划 (MINLP) 算 法 是 当 今 研 究 的 热 点 之 一 。 然 而 ， MINLP 模 型 的 建 立 有 赖 于 专 家 的 领 域 经 验 ， 而 MINLP 的 求 解 至 今 仍 未 有 成 熟 满 意 的 方 法 。 有 研 究 者 12 最 近 针 对 换 热 网 络 同 步 最 优 综 合 的 问 题 提 出 了 一 种 新 的 优 化 策 略 ， 提 出 了 改 进 的 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 的 方 法 ， 使 其 具 有 寻 找 全 局 最 优 解 的 能 力 ， 在 处 理 大 规 模 换