（化学工程专业论文）the+modeling+and+optimization+of+chemical+processes+using+gene+expression+programming.pdf

ab s t r a c t g e n ee x p r e s s i o np r o g r a m m i n g ( g e p ) i sa l le v o l u t i o n a r ya l g o r i t h mt h a tc o m b i n e st h e c h a r a c t e r i s t i c so fg e n e t i ca l g o r i t h ma n dg e n e t i cp r o g r a m m i n gb yi n c o r p o r a t i n gg e n o t y p e a n dp h e n o t y p er e p r e s e n t a t i o n si ni t sc h r o m o s o m e a l t h o u g hm a n ym e t h o d s 喇8 tf o r m o d e l i n ga n do p t i m i z a t i o n ，n o n ec a n b ec o n s i d e r e du n i v e r s a l ，h e n c et h e r el san e v e re n d - i n gs e a r c hf o ra l g o r i t h m sa n dm e t h o d s t h a tc a nb ea p p l i e di nc h e m i c a lp r o c e s sm o d e l l n g a n do p t i m i z a t i o n t h em a j na i mo ft h i st h e s i si st oe x p l o r et h ep o s s i b i l i t yo fa p p l y i n gg e p t oc h e m i c a lp r o - c e 8 sm o d e l i n ga n do p t i m i z a t i o n h a v i n gb e e ni n v e n t e di nt h er e c e n tp a s t ，t h e r ei s an e e d t oi n v e s t i g a t ei t sa p p l i c a b i l i t yt ov a r i o u sf i e l d s t h i st h e s i sp r e s e n t sp r a c t i c a le x a m p l e s o fs t e a d y - s t a t em o d e l i n go fs t y r e n e - b u t a d i e n er u b b e r ( s b r ) f o r m u l a t i o n ，c o n c r e t em f o 瑚u l a t i o na n da ne t h y l b e n z e n ed e h y d r o g e n a t i o nr e a c t o ru s i n gg e p i ta l s op r e s e n t s r e 8 u l t 8o b t a i n e df r o mt h eg l o b a lo p t i m i z a t i o no fb e n c h m a r kp r o b l e m s ( b o t hn l pa n d m i n l p ) i nb o t hc a s e st h er e s u l t so b t a i n e ds h o wt h a tg e p c a na l s ob ea p p l i e dt o c h e m i c a lp r o c e s sm o d e l i n ga n do p t i m i z a t i o n l i s to f f i g u r e s 2 1g e n e r a le v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o np r o c e s s 5 2 2ag pi n d i v i d u a lw i t ham a x i m u md e p t ho f5g e n e r a t e du s i n gt h eg r o w m e t h o d 9 3 1al i n e a rg e pi n d i v i d u a ls h o w i n gt h eh e a da n dt h et a i l 1 3 3 2 e x a m p l eo fag e p i n d i v i d u a lg e n es h o w i n gt h eg e n o t y p ea n dt h ep h e n o t y p e1 4 3 3a ni n d i v i d u a lu n d e r g o i n gt w op o i n tm u t a t i o n 1 7 3 4a ni n d i v i d u a lu n d e r g o i n gi n v e r s i o n 1 8 3 5a ni n d i v i d u a lu n d e r g o i n g 俗t r a n s p o s i t i o n 1 9 4 1 e x p r e s s i n go fag e n ef o rg e po p t i m i z a t i o nw i t hr n c 2 5 4 2t w or e a c t o rs e l e c t i o np r o b l e m 3 7 5 1a c t u a la n dp r e d i c t e dv a l u e sf o rt h ee t h y l b e n z e n ed e h y d r o g e n a t i o nr e a c - t o re x p e r i m e n t 4 5 5 2f i t n e s st r e n d sf o rt h ee t h y l b e n z e n ed e h y d r o g e n a t i o nr e a c t o re x p e r i m e n t 4 6 5 3t h ee v o l u t i o np r o c e s sf o rp r o b l e m8o fn l po p t i m i z a t i o n 4 7 5 4t h ee v o l u t i o np r o c e s sf o rp r o b l e m9o fm i n l po p t i m i z a t i o n 4 8 l i s to f 乃b l e s 2 1 a n a l o g yb e t w e e nn a t u r a le v o l u t i o na n dp r o b l e ms o l v i n g 4 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 4 8 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 b 1 b 2 b 3 g e pp a r a m e t e rv a l u e sg e n e r a lt oa l lt h em o d e l i n ge x p e r i m e n t s 2 8 m i x t u r ec o m p o n e n t sa n dp r o p e r t i e sf o rs b rr u b b e rf o r m u l a t i o na n dt h e i r a c t u a lv a l u e s 2 9 p a r a m e t e rv a l u e su s e dd u r i n gs b rr u b b e rf o r m u l a t i o ne x p e r i m e n t 2 9 d a t af o rc o n c r e t em i xf o r m u l a t i o np r o b l e m 2 9 p a r a m e t e rv a l u e su s e dd u r i n gc o n c r e t em i xf o r m u l a t i o n 3 0 d a t af o rt h ee t h y l b e n z e n ed e h y d r o g e n a t i o nr e a c t o re x p e r i m e n t 3 1 g e pp a r a m e t e rv a l u e sg e n e r a lt oa l lt h en l po p t i m i z a t i o ne x p e r i m e n t s 3 1 g e pp a r a m e t e rv a l l l e sg e n e r a lt oa l lt h em i n l po p t i m i z a t i o ne x p e r i m e n t s 3 6 r e s u l t so ft h es b rr u b b e rf o r m u l a t i o ne x p e r i m e n t r e s u l t so ft h ec o n c r e t em i xf o r m u l a t i o ne x p e r i m e n t r e s u l t so ft h ee t h y l b e n z e n ed e h y d r o g e n a t i o nr e a c t o re x p e r i m e n t r e s u l t so ft h en l pg e po p t i m i z a t i o ne x p e r i m e n t s r e s u l t so ft h em i n l pg e po p t i m i z a t i o ne x p e r i m e n t s 4 4 4 4 4 5 4 6 4 7 p r e d i c t e dp r o p e r t yv a l u e sf o rs b rr u b b e rf o r m u l a t i o ne x p e r i m e n t ( f r o m b o t hr u n s ) 5 2 p r e d i c t e dc o n c r e t ec o s ta n dc o m p r e s s i v es t r e n g t hf o rc o n c r e t em i xf o r - m u l a t i o ne x p e r i m e n tf f r o mb o t hr u n s ) 5 7 p r e d i c t e dp r o d u c t i o nr a t e sf o re t h y l b e n z e n ed e h y d r o g e n a t i o nr e a c t o re x - p e r i m e n tf f r o mb o t hr u n s ) 5 9 a b b r e v i a ti o n s e a se v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m ( s ) e ce v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o n e t s e x p r e s s i o nt r e e ( s ) g a g e n e t i ca l g o r i t h m g e pg e n ee x p r e s s i o np r o g r a m m i n g g pg e n e t i cp r o g r a m m i n g m i n l pm i x e di n t e g e rn o n l i n e a rp r o g r a m m i n g m a em e a na b s o l u t ee r r o r n l pn o n l i n e a rp r o g r a m m i n g o r ，f s o p e nr e a d i n gf r a m e s r m s er o o tm e a ns q u a r e de r r o r rp e a r s o np r o d u c tm o m e n tc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t r n cr a n d o mn u m e r i c a lc o n s t a n t s x s y m b o l s 马e n i n g 位 聊 。e 岛e 僦 见一。 忍n t ， 忍。 研。 岛t r 1 r 见一1 ， r 2 r 玩一2 ， r 研。 厶n 。 r d c m t o t a ln u m b e ro fg e n e r a t i o n s n u m b e ro fi n t e r v a l s n u m b e ro fg e n e r a t i o n si ne a c hi n t e r v a l n u m b e ro fi n d i v i d u a l si nap o p u l a t i o n n u m b e ro fg e n e si na ni n d i v i d u a l r a n g eo fn u m b e ro fg e n e si na ni n d i v i d u a l r a t eo fm u t a t i o n r a t eo fs e l e c t i v em u t a t i o n r a t eo fi n v e r s i o n r a t eo fi n s e r t i o nt r a n s p o s i t i o n r a t eo fr o o tt r a n s p o s i t i o n r a t eo fg e n et r a n s p o s i t i o n r a t eo fo n e - p o i n tr e c o m b i n a t i o n r a t eo fs e l e c t i v eo n e - p o i n tr e c o m b i n a t i o n r a t eo ft w o - p o i n tr e c o m b i n a t i o n r a t eo fs e l e c t i v et w o - p o i n tr e c o m b i n a t i o n r a t eo fg e n er e c o m b i n a t i o n r m l g eo f t h er n c l e n g t ho fe a c hr n cs e q u e n c e r a n g eo fd cm u t a t i o n r r n c mr a n g eo fr n cm u t a t i o n 见札t e 9 e r mr a n g eo fi n t e g e rm u t a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 期：21 2 ：竺! 口 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研亮生( 签名) ：h 劝忒导师( 签名) ：御哆埠期： a c k n o w l e d g e m e n t s f i r s ta n df o r e m o s t ，1w o u l dl i k et ot h a n kt h ek e n y a na n dc h i n e s eg o v e r n m e n t s ( t h r o u g h t h ec h i n as c h o l a r s h i pc o u n c i l ) w h oo f f e r e dm et h es c h o l a r s h i pt os t u d yf o ram a s t e r s d e g r e e 1w o u l dl i k et ot h a n km ys u p e r v i s o rp r o f l i e x i a n gy a hw h oi n t r o d u c e dm et o t h ef i e l do fe v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o na n da l s of o r h i sc o n s t a n ta d v i c ea n dg u i d a n c e t h i sr e s e a r c ha n dt h e s i sw a sp r e p a r e dm a i n l yu s i n gf r e ea n do p e ns o u r c et o o l s s p e c i a l t h a n ky o ut oa l lt h ed e v e l o p e r so f t h e s et o o l s 1w o u l da l s ol i k et ot h a n ka l lm yt e a c h e r sf r o mn u r s e r ys c h o o lt ot h ep r e s e n td a yw h o h a v eb e e ni n s t r u m e n t a lt om ye d u c a t i o n a ld e v e l o p m e n t s p e c i a lt h a n k sa l s ot ot h ei n t e r n a t i o n a lo f f i c ew u h a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yw h o p r o v i d ei n v a l u a b l ea s s i s t a n c ea n dg u i d a n c et of o r e i g ns t u d e n t sd u r i n gt h e i rs t a ya tt h e u n i v e r s i t y l a s t l y , s i n c e r eg r a t i t u d et om yf a m i l ya n df r i e n d sf o rt h e i ru n d e r s t a n d i n g ，s u p p o r ta n d p a t i e n c ew h i l eu n d e r t a k i n gt h er e s e a r c ha n dw r i t i n go ft h i st h e s i s c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n m o d e l i n ga n do p t i m i z a t i o na r ea ni m p o r t a n ta s p e c to fc h e m i c a le n g i n e e r i n gp r o c e s s e s m o d e l so fp r o c e s ss y s t e m sa r eu s e di nd e s i g n ，o p e r a t i o n sa n dt r o u b l e 8 h o o t i n g t h e y c a na l s ob eu s e di np r e d i c t i n gf u t u r ep e r f o r m a n c ea n dt h u sa s s i s ti np l a n n i n ga n ds a f e t y o p e r a t i o n s am a t h e m a t i c a lm o d e lc a nb ed e f i n e da s ar e p r e s e n t a t i o no f t h ee s s e n t i a l a s p e c t so fa ne x i s t i n gs y s t e m ( o ras y s t e mt ob ec o n s t r u c t e d ) w h i c hp r e s e n t sk n o w l e d g e o ft h a ts y s t e mi nau s a b l ef o r m 【1 】o p t i m i z a t i o na se x p l a i n e di n 【2 】i st h eu s eo fs p e c i f i c m e t h o d st od e t e r m i n et h em o s tc o s t e f f e c t i v ea n de f f i c i e n ts o l u t i o nt oap r o b l e mo rd e s i g n f o rap r o c e s s o p t i m i z a t i o na i m sa tr e d u c i n gc o s t s ，m a x i m i z i n gp r o f i t s ，s a f ea n de f f i c i e n t o p e r a t i o n s m o d e l sc a ne i t h e rb eb a s e do nt h ep h y s i c a lt h e o r yo re m p i r i c a ld e s c r i p t i o n so ft h e s y s t e m m o d e l sb a s e do nt h ep h y s i c a lt h e o r ya l s or e f e r r e dt oa st h e o r e t i c a lm o d e l s r e l yo nt h eu n d e r s t a n d i n go ft h eu n d e r l y i n gp h y s i c a la n dc h e m i c a ll a w sg o v e r n i n ga p a r t i c u l a rp r o c e s s f o rs i m p l ep r o c e s s e st h i sa p p r o a c hi s t h eb e s ta n dc a l la l s ob e t h em o s ta c c u r a t e ，b u tm o s tp r o c e s ss y s t e m sa r eh i g h l yc o m p l e xa n dt h u st h eu s eo f p u r e l yt h e o r e t i c a lm o d e l i n ga p p r o a c h e sb e c o m e sd i f f i c u l t e m p i r i c a lm o d e l sr e l yo nt h e i n p u t o u t p u td a t ao ft h ep r o c e s s ，f r o mw h i c ham a t h e m a t i c a lr e l a t i o n s h i pi sf o r m u l a t e d m a t h e m a t i c a lm o d e l i n g ( s o m e t i m e sa l s or e f e r r e dt o 嬲s y m b o l i cr e g r e s s i o n ) i st h u sa g o o dc h o i c ew h e nm o d e l i n gc o m p l e xs y s t e m s t h e t h i s m a y m o s tc o m m o nm e t h o df o rd e v e l o p i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l si sr e g r e s s i o na n a l y s i s i n v o l v e sf i t t i n go fc o e f f i c i e n t st oam a t h e m a t i c a lr e p r e s e n t a t i o no ft h es y s t e ma n d n e e ds o m eap r i o r ii n f o r m a t i o na b o u tt h es y s t e m b l a c kb o xm o d e l ss u c ha st h o s e c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 2 d e v e l o p e du s i n gn e u r a ln e t w o r k sc o n s i s to fl a r g es e t so fm a t h e m a t i c a lf u n c t i o n sw h i c h d e s c r i b et h ei n p u t - o u t p u td a t aw i t h o u tt h en e e df o rap r i o r ii n f o r m a t i o n o n eo ft h e d r a w b a c k so ft h e s em o d e l si st h ei n c r e a s e dc o m p l e x i t ya st h en u m b e ro fv a r i a b l e si n - g l o b a lo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e sc a nb ec l a s s i f i e da sd e t e r m i n i s t i co rs t o c h a s t i c【3 1 d e - t e r m i n i s t i cm e t h o d st a k ea d v a n t a g eo ft h em a t h e m a t i c a lf o r m u l a t i o n so ft h ep r o b l e m a n dt h u sa r en o tb e s ts u i t e df o rb l a c kb o xm o d e l s s t o c h a s t i cm e t h o d si n v o l v er a n d o m b u tg u i d e ds e a r c ho ft h es o l u t i o ns p a c ea n dt h u sc a na l s ob eu s e dw i t hb l a c kb o xm o d e l s f r o mt h ep r e v i o u sp a r a g r a p h si tc a nb en o t e d o p t i m i z a t i o no fp r o c e s ss y s t e m sv a ng e n e r a l l yb e o nt h eap r i o r ik n o w l e d g eo f t h es y s t e ma n dt h o s e t h a tm e t h o d su s e di nm o d e l i n ga n d c l a s s i f i e di n t ot h o s et h a tr e l yg r e a t l y t h a td on o t f o rc o m p l e xs y s t e m st h e l a t t e ra p p r o a c hi sc o n s i d e r e dt ob eag o o dc h o i c e e v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o n a lm e t h o d s s u c ha sg e n e t i ca l g o r i t h m sa n dg e n e t i cp r o g r a m m i n gh a v eb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt o t h eo p t i m i z a t i o n 【4 】a n dm o d e l i n g 【5 】5o fp r o c e s ss y s t e m s 1 1r e s e a r c hp e r s p e c t i v e t h ef o c u so ft h i st h e s i si so nt h ea p p l i c a t i o no far e c e n t l yi n t r o d u c e de v o l u t i o n a r yc o m - p u t a t i o nm e t h o dr e f e r r e dt oa sg e n ee x p r e s s i o np r o g r a m m i n g 【6 】t op r o c e s sm o d e l i n ga n d o p t i m i z a t i o n a l t h o u g ht h e r ee x i s tm a n ym e t h o d sf o rp r o c e s sm o d e l i n ga n do p t i m i z a - t i o n ，i ti sa l m o s ti m p o s s i b l et od e s i g n a t eo n ea sau n i v e r s a lm e t h o dw h i c hc a nb ea p p l i e d t oe v e r yp r o b l e me n c o u n t e r e d 【7 】d i f f e r e n tm e t h o d sb e h a v ed i f f e r e n t l yw h e na p p l i e dt o n e wp r o b l e m sa n dt h u sb ye x p l o r i n gt h ea p p l i c a b i l i t yo fg e n ee x p r e s s i o np r o g r a m m i n gt o p r o c e s sm o d e l i n ga n do p t i m i z a t i o n ，i ti sh o p e dt oi n c r e a s et h ep o o lo fm e t h o d sa v a i l a b l e t or e s e a r c h e r si nm o d e l i n ga n do p t i m i z a t i o n t h ea p p r o a c hu s e di nt h i st h e s i si st h eu s eo fd a t af r o mp u b f i s h e ds o u r c e sf o rt h e m o d e l i n gs t u d ya n dt h eu s eo fb e n c h m a r kp r o b l e m sf o rt h eo p t i m i z a t i o ns t u d y i ti s h o p e dt h a tt h i sa p p r o a c hw i l lg i v eac l e a rp i c t u r eo nt h eu s e f u l n e s so fg e pt op r o c e s s m o d e l i n ga n do p t i m i z a t i o n c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 3 1 2t h e s i sc o n t r i b u t i o n s t m st h e s i sm a k e st h ef o l l o w i n gc o n t r i b u t i o n s ： 1 d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rp r o g r a m sf o rt h ei m p l e m e n t a t i o no fg e pt om o d e l i n g a n do p t i m i z a t i o np r o b l e m s ； 2 a p p l i c a t i o no fg e p t op r a c t i c a lp r o c e s sm o d e l i n gp r o b l e m sw i t h i na c c e p t a b l ed e - g r e eo fa c c u r a c y ； 3 a p p l i c a t i o no fg e p t og l o b a lo p t i m i z a t i o no fc o n s t r a i n e dn l pa n de x t e n d i n gi t t om i n l pp r o b l e m s ；a n d 4 i d e n t i f i c a t i o no fc h a l l e n g e si nu s i n gg e pt om o d e l i n ga n do p t i m i z a t i o ns t u d i e s a n ds u g g e s t i o n si n t ot a c k l i n gt h e m c h a p t e r2 e v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o n e v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o na sd e f i n e di n 8 1 8 i sab r a n c ho fc o m p u t e rs c i e n c ed e d i c a t e dt o t h es t u d yo fac l a s so fa l g o r i t h m st h a ta r eb r o a d l yb a s e do nt h ed a r w i n i a np r i n c i p l e s o fn a t u r a ls e l e c t i o na n dd r a wi n s p i r a t i o nf r o mm o l e c u l a rg e n e t i c s e v o l u t i o n a r yc o m - p u t a t i o ne n c o m p a s s e sm e t h o d so fs i m u l a t i n ge v o l u t i o n ，m o s to f t e no nac o m p u t e r 9 1 e v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o ns e e k st of i n ds o l u t i o l mt ov a r i o u se n g i n e e r i n ga n ds c i e n t i f i c p r o b l e m sb ym i m i c k i n gt h ep r i n c i p l eo fs u r v i v a lo f t h ef i t t e s tf r o mn a t u r e i ne v o l u t i o n - a r yc o m p u t a t i o n ，t h es o l u t i o ns p a c et oap a r t i c u l a rp r o b l e mi se x p r e s s e da sap o p u l a t i o n o fi n d i v i d u a l s ( a l s or e f e r r e dt oa sc h r o m o s o m e s ) t h e s ei n d i v i d u a l su n d e r g ov a r i o u so p - e r a t i o n st h a tm i m i ct h en a t u r a la n db i o l o g i c a le v o l u t i o n t h e s ei n c l u d es e l e c t i o no f t h ef i t t e s ti n d i v i d u a l s ，m u t a t i o na n dr e p r o d u c t i o n ( a l s or e f e r r e dt oa s c o m b i n a t i o n l ) a st h ee v o l u t i o na d v a n c e s ，b e t t e rs o l u t i o n sa r eo b t a i n e df r o ml a t t e r g e n e r a t i o n so ft h ep o p u l a t i o no fi n d i v i d u a l s f i g u r e2 1s h o w st h eg e n e r a lp r o c e s so f e v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o nw h i l et a b l e2 1s h o w st h ea n a l o g yb e t w e e nn a t u r a le v o l u t i o n a n dp r o b l e ms o l v i n g i tm u s tb en o t e dt h a te v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o ns e e kt om i m i c r a t h e rt h a nr e c r e a t et h en a t u r a le v o l u t i o n a r yp r o c e s s 1 t h e s et e r m sw i l lb ea s s u m e dt oh a v et h es a m em e a n i n gi nt h i st h e s i s t a b l e2 1 ：a n a l o g yb e t w e e nn a