（化学工程专业论文）考虑不确定因素影响的间歇化工过程最优化研究.pdf

中文摘要 中文摘要 随着精细化工、生物化工的发展，间歇过程在化工生产中的重要性日益突出， 其综合优化己成为过程系统工程领域的重要研究课题。常规的间歇过程系统优 化，一般忽略实际过程中不确定因素的影响。这使得模型所描述的过程与实际过 程存在一定的差别，从而使优化结果在实际生产中的最优性可能要降低，甚至变 为不可行的。因此近年来考虑不确定因素影响的间歇过程的系统优化成为了国内 外的研究热点。针对存在的这方面问题，本文以间歇化工过程研究的两类基本问 题为对象，进行了以下的研究工作： 1 建立了考虑平行单元操作方式的产量要求不确定间歇过程的设计模型，并且提出一种在 设备配置固定条件下优化平行单元操作方式的启发法。同固定平行单元操作方式的设计 相比考虑平行单元的操作方式可降低投资或提高收益。 2 探讨了操作时间波动对间歇过程设计和生产安排的影响。对不限制等待时间过程，提出 了在操作时间波动条件下估计限制循环时间的新方法。对限制等待时间过程，提出适丁 长期限操作的生产安排方法。并根据这些新方法分别建立了设计模型。结果表明，考虑 操作时间的波动，对于不限制等待时间过程可以降低投资，而对于限制等待时间过程可 以确保过程的可行性，但会增加投资。 3 对设计时某些过程参数只己知变化范围的情况，建立了同时考虑最大收益、 最小收益和投资等经济指标的多目标优化设计模型，并通过改进遗传算法， 使其可以直接求得多个近似非劣解，来求解问题，从而可以提供多种设计方 案。 4 考虑了操作时间不确定情况下间歇过程的短期调度问题，提出了调度时应根 据目标函数、存储方式等特点确定调度方案执行方法，并且根据执行方法制 定生产计划的观点。建立了n i s 和z w 过程的调度模型。 关键词：间歇过程，不确定因素，遗传算法 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs p e c i a l t yc h e m i c a l sa n db i o c h e m i c a l ，t h ei m p o r t a n c eo f b a t c hp r o c e s s e si nc h e m i c a li n d u s t r yi si n c r e a s i n g t h es y n t h e s i sa n do p t i m i z a t i o no f b a t c hp r o c e s s e sh a sb e e nf o c u s e d i ng e n e r a l ，u n c e r t a i n t yo fp r o c e s s e si s i g n o r e d d u r i n go p t i m i z i n gb a t c hp r o c e s s e s t h i sc a n l e a dt od i f f e r e n c e sb e t w e e nm o d e l sa n d a c t u a lp r o c e s s e s t h ed i f f e r e n c e sm a yh a v ea ne f f e c to no p t i m a l i t ya n df e a s i b i l i t yo f o p e r a t i o no fb a t c hp r o c e s s e s t h e r e f o r e t h ep r o c e s so p t i m i z a t i o nw i mc o n s i d e r i n g u n c e r t a i n t yh a sb e e n a p o p u l a r r e s e a r c h t o p i ci nr e c e n ty e a r s w i t h t h ec o n s i d e r a t i o no f t h ea b o v ei s s u e s ，w ep e r f o r m e dt h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r ko nt w ob a s i cp r o b l e m sf o r b a t c hc h e m i c a lp r o c e s s e si nt h i sp a p e r 1af o r m u l a t i o ni sp r o p o s e df o rd e s i g no fb a t c hp l a n t sw i t hu n c e r t a i nd e m a n d s c o n s i d e r i n g s w i t c h o v e ro fo p e r a t i n gm o d e so fp a r a l l e lu n i t s ，a n d a h y b r i d a l g o r i t h mi sd e v e l o p e dt oo p t i m i z et h ep r o d u c t i o ns p e e dw i t hf i x e de q u i p m e n t c o m p a r e d w i t ht h ep r e v i o u sw o r k sw i t hf i x e do p e r a t i n gm o d e o f p a r a l l e lu n i t s ，t h e d e s i g nw i t h v a r i a b l em o d ec a nr e d u c ei n v e s t m e n tc o s to ri n c r e a s ep r o f i t 2 ，t h ee f f e c to ft h ef l u c t u a t i o no fp r o c e s s i n gt i m e so nt h ed e s i g na n ds c h e d u l eo f b a t c hp r o c e s s e si sa d d r e s s e d ，f o rp r o c e s s e sw i t h o u tl i m i t i n gw a i t i n g t i m e ，an e w m e t h o di sp r o p o s e df o rd e f i n i n gl i m i t e dc y c l et i m e su n d e ru n c e r t a i np r o c e s s i n g t i m e s a n dan e w s c h e d u l i n gm e t h o ds u i t i n gf o rl o n g t e r mo p e r a t i o ni sd e v e l o p e d f o rl i m i t i n gw a i t i n g - t i m ep r o c e s s e s b a s e do nt h e s en e wm e t h o d s ，f o r m u l a t i o n s f o r d e s i g na r ed e v e l o p e d c o m p a r e dt od e s i g n w i t hc e r t a i np r o c e s s i n gt i m e s i n v e s t m e n t m a y b e d e c r e a s ef o r n o n - l i m i t i n gw a i t i n g - t i m ep r o c e s s e s ，a n d f e a s i b i l i t yo fp r o c e s s e sc a n b ee n s u r e df o rl i m i t i n gw a i t i n g t i m ep r o c e s s e sa tt h e c o s tt h a ti n v e s t m e n tm a y b ei n c r e a s e 3f o rt h ep r o c e s s e st h a to n l yt h eb o u n d e dr a n g eo fv a l u e so fs o m ep a r a m e t e r si s k n o w n ，am u l t i - o b j e c t i v ef o r m u l a t i o nw h i c ho b j e c t i v ef u n c t i o n sa r e t h em a x i m u m p r o f i t ，t h em i n i m u mp r o f i ta n di n v e s t m e n ts i m u l t a n e o u s l yi sd e v e l o p e d g e n e t i c a l g o r i t h m h a sb e e n i m p r o v e dt of i n dm a n y n o n i n f e r i o rs o l u t i o n sa n du s e dt os o l v e t h i sp r o b l e m 4s h o r t t e r m s c h e d u l i n gp r o b l e m s o fm u l t i ! r o d u c tb a t c h p l a n t s u n d e ru n c e r t a i n p r o c e s s i n gt i m e s a r ec o n s i d e r e d an e wv i e w p o i n tt h a te x e c u t i o ns t r a t e g yo f s c h e d u l e p l a n s i ss e l e c t e d a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r so fp r o c e s s e ss u c ha s o b j e c t i v ef u n c t i o n sa n dp o l i c yo ft r a n s l a t e ，a n dp r o c e s s e ss h o u l d b es c h e d u l e d b a s e do nt h ee x e c u t i o ns t r a t e g yi s p r o p o s e d f o r m u l a t i o n s a r e d e v e l o p e d f o r s c h e d u l eo f p r o c e s s e sw i t hn i sa n dz w p o l i c y k e y w o r d s ：b a t c hp r o c e s s e s ，u n c e r t a i nf a c t o r s ，g e n e t i ca l g o r i t h m 蔚言 前言 闼敬撵作鞠连续操鼗= 惩纯上生产鲍毫露方式。粥年 弋越翦，纯工生产基本上帮跫以润壤 方式进行的。以后随着石油化工的发展，夫规模的连续过程逐渐成为化工生产中的主流。但 6 0 年代以后，特别是近十几年，i u 子、新材料、生物制黼的发展使化t1 二业面对的经济环境 发生了稷夫的变化。全球巍争强薮激烈，蛮场需求不鼗变化，尽经产黯产量、两量莩申瓷瞧子 变万纯，新产赫不断涌现。为了在这种灏、弛环境串生存发屣，际j ，需要增加新产品开技的技 术投入和加大市场开发力廉外同时也必颁将生产方式由稳定的连续生产转向以低库存、高 质量、生产灵活及产品更新周期短的间歇过程。 篷羲黼墩过程重要毪瓣鑫菇突出，造切缝需要霹箕j 熏纛系统目题避行垒嚣懿磅究。这蓠 先是冈为分批方式操作和频繁的产t 铺转换使问歇过程的效率较低。其次。从过程的角鹰看， 间歇过群虽然能生产种类繁多的产品，魍它需要的步骤与单元却为数不雾。许多产鼎可以) 0 蹦设蠡，所以w 一组标攘没冬来生产。媳对闯歇过程的设计及生，“安刳 提出了更高的嚣求。 ； j 系统 ：穰的蕊念和手段对问歙过稳的璇计和操 乍进行全面研究已玻为过程系统：f ：稳赖域 的重要内释。从研究文献的数目可以看出这方面研究的快速发展仅1 9 9 7 年和2 0 0 0 年p s e 国际会议论文集中就分别收录了问歇过麟方面的研究论文近3 0 篇和5 0 篇。 无论楚设嚣4 ，还是实戤生产：过稃，群会遇到诲多不鞠定闲襄。溺懿产茹季孛类豹燮 艺、产 品产鼙要求的变化、操作的波动等。这些：确定因素对间歇过稃的设计和操作有着矗接的影 响。以往为了简化常将遮然不确定冈豢作为确定因素考虑，但这样却降低了实际过榭的最 优性，甚至使实际过程变为不可弦的。冈此，如何在系统。l ：程的研究中考虑这些不确定闲素， 提高阉歇过程设计静柔毪葺f ；可行 皇已成为闼歇过程系统土程研究中十分重要的目莲。 本文主豫对考虑不确定冈素的间歇过程的优化设计和短期调度进行了研究。研究内容上 璎包括： 第一攀为交献稼述，黠阈戢过程迸行f 全蟊的分辑，黪薅主要静磷究肉寒、硪炎方法秘 研究现状进行了嗣硕；第二章研究了考感平行单元操挥方式f 产。鼙要求不确定闻歇道槲的优 化设计：第二三章考虑了操作时间波动对间歇过捍的生产安排及过样设计的影响。第p ：q 嚣研究 过程参数不确定条f t ：f 间歇过程的优化没计。第五章主要对n i s 过稳谯操作时问波动条件 豹缱麓溺波阏趣逶行了搽讨；第a 章封攮季棼嚣瓣渡麓象 | 【| ：fz w 过箨瓣短赣溺瘦弱黢逡 j ，研究：第七章总结了本文t 作及对未来 作进行了戚塑。 v l i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得岙洼盘茔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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：莲l 雠 签字日期： 创口乙年7 月7 i = = 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘注盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权吞生盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索。并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 曹槿影 签字日期：卫口咀年7 月7 日 i i 导师虢京备谰剔磁轹禾旮调 签字日期：z 卵2 年聿月，日 第一章文献综述 第一耄文藏综述 1 1 间歇化工过程的特点与分类 间歇化工过程，又称为批处理过程，是指以分批方式组织生产的化j ：过程。它包括问歇操作和 拳连续揉箨。阑绶健工过程由多令蠲致设备肇元( 翔爱痘器、离心辊等) 窝半连续摹元( 懿泵、抉热器 等) 组成，典型的间歇化工过程如图1 - 1 所示。为与连续化工过程和间歇单元操作( 如间歇蒸馏) 相区 别，习惯上把间歇化工过程称为间歇- ( b a t c hp l a n t ) 。本文中间歇化工过程和间歇厂的含义是相同的。 蛰i - i典黧的秘致纯工过程 f 遮1 - 1 b a t c hc h e m i c a lp r o c e s sf l o w s h e e t 1 1 1 问歇化正过程的特点 闻歇纯f 避糕靛生产拜境殿溱终方式与逡续过程舂弱显的嚣剐。苕先楚烟王鲍不连续撬。阁致 化工过程是按分批方式操作的，物料以离散分批的方式加入，生产过程中物料流动是断续的，最终 产品以成批的方式输出。从规定的起点，例如原料加入，到规定的终点，例如成品输出，憋个过程 怒由一一系列的按顺序执行的操作完成的。其次怒生产的灵活性好。间歇过獠产品的转换比较方便， 嗣一套生产设备可淤生产多释产品。最焉由予努懿搡榫窝藏繁麓产品转换蠖闻歇过程静效率较低， 并且生产安排对过程的效率有很大影响。 1 1 2 间歇过凝的重要概念 为了受野逮滋明闼歇过程瓣特点，这垂瓣鬻罐于搓述闻戢过程静二鳖名诞和拳语进 瓣释。 1 ) 尺寸因子( s i z ef a c t o r ) 问歇设备的特征尺寸一般用体积等变量袭示，如反应器的特征尺寸为体积过滤器为颟积。生 产攀位质量( 或体软) 的某最终产熬掰需的闻皴设备的特征尺寸祢为该产品焱这个设蠢单元二的尺寸 溺子，其单谯为立方来千克戴平方米千克等。 2 ) 批餐( b a t c hs i z e ) 批量指每一批加工物料的数量，一般朋最终产品的质量袭示对于一台间歇设备，批所能加 l ：产晶题最天数餐要受设备足砖鹊隈裁。 3 ) 生产线( p r o d u c t i o nl i n e ) 天津大学博士学位论文 生产线是指执行加二c 某种产品的套工艺方案备任务的一级设备。在间歇过橼中，有时几种产晶 利用鳓一组设备生产。虽然设备相间但不是同一嚣工艺方案( 加 工的产品不同) ，因此也是不同的生产线。 抽工 ) 袋涮锤环时闯( l i m l t e dc y e l et l m e )等孳避辩、 对y - 一台设备来说，其操作状态魁：一进料呻加二i = _ 加工 未洗等多倒空 完毕，等待倒空_ 倒空_ + 清洗- + 等待进料进料。可以用圈 倒牵。 卜2 表示其疆毒l 疆娣瓣裁就是握邻甄拙鸯疆：完成瓣驿闻耀隔，新 蕊1 - 2 淫羲端稚工载蠢 默也叫批闻隔。对于有m 个阶段组成的生产线来说。其限制循环 f i gi - 2p r o c e s s i n gm l 。 时间就是顺序地从生产线终点得到两批产品的间隔时间。 5 ) g a n t t 圈 g a n t t 蕊是接述耋毫产过程孛设蓊占雳情强戆簿鬻，萁缀垒标憝秀拜芏除段设器。横坐标是霹 戮。 对于嘲卜3 所示的由兰个阶段组成的间歇厂，忽略各设备的进出科时间和清洗时问，假设混合时间 为2 个小时，反应为8 个小时，绪龆为4 个小时，w 以用g a n t t 豳表示整个操作情况( 见图卜4 ) 。 每一批物料依次经过兰个蹬段，搬王成最终产品。拄零时刻囱第一个除段进料，经过三个阶段，槎 露1 4 小时时出料：第二攒秘辩在2 2 小时时出辩，拙闯隔为8 个小鞋重。 l 产晶 原料 一目 ， ob o o 阶段i 沮台 瓣段2 琏建 晰段3 结品 湿台反应结螽 圈卜3 简单的问歇过程 f i gl - 3 a s i m p l eb a l c hp r o c e s sf l o w s h e e t 麓卜4 生产g a a t i 辫t 覆盖操撵) f i gl * 4 g a n t tc h a no f o v e r l a p p i n go p e r a t i o n 6 ) 覆靛操作和非覆艘操作 糕盖操作是指在上批产品加工完毕，设备腾空井清洗后。即煳入下一批物料加工，如蚓1 - 4 。 2 第一章文蕺综述 非覆盖操作是指批物料全部加t 完毕离开生产线后，掰加入下一批物料，如图1 - 5 所示。 脐殷i 程音 酚器2 矗泣 f 段3 结晶 l 袖 凸 强 鞋援秘， 圈1 - 5 非覆盖操作的g a m t 鞠 f i g1 - 5 g a n t tc h a r to f n o n o v e r l a p p i n g o p e r a t i o n 7 ) 平行单元 要提高攀髓对阕内靛产越，不， 乎歇掰条途径入手，一最在懿同鹣苓燮的情凝下增大舷量，再 就是在批量不变的情况下减少批间隔。 在一条生产线中。存在两种瓶颈阶段。一种是批量限制阶段，它的特征是整个生产线的批量取 决子该除段的最大戴量：另一秘是时闻限裁除段，它的特链怒整个生产线的箍阕隔取决予该瓣段的 最短限翻循环时阔。 设立同步平行单元的目的是消除批量限制阶段在批量限制阶段上设立多个设备单元+ 上游阶 段米的物料便可以分为儿部分，同时进入这然设备单元加工，加工完毕后氍混台为一批，送入下游 除段。这样盔撬蠲甄不变静嗣瓣蘧撩了鬟量，获覆挺裹了攀健嚣重阉内熬产繁。 设立异步平行单元的目的鼹为了消除时间限制阶段，柱时间限制阶段土设立多个设备单元这 然设备单元开始加工的时间各不相同，所以有可能使其他设备的闲置率也随之降低，从而降低批间 黼。进而提高了单位时间内的产量。由露l 一6 7 可以看出乎静单元的作用。 圈1 6 设立同步平行单元过程的g 柏n 圈 f i g1 - 6 g a n t c h a o f p r o c c s s c s w i t hi n - p h a s ep a r a l l e lu n i l s 3 天津天学簿圭学谴论文 1 4 h| 酥z 强硼 对阗h ) 国卜7 设立异步平行单元过程的g a n t t 图 f i g 卜7 ga r i nc h a r to f p r o c e s s e sw i t ho u t , o b p h a s ep a r a l l e lu n i t s 8 ) 任务合并郄分解 魏采稻餐的甄个抽工任务霹阻使胡弱樊型静设备，羹翦商可能把这嚣个任务合著为个，相应 的操作时间应照原来两个任务的操作时间之年f i 这称之为相邻任务的合并。如果两个非相邻的任务 w 以使用同一类型设备。也可以将其合并使用同一个设备加工，称之为非相邻任务的合并。 魏暴一个绦务楚操终时阉避长，骞时也霹将其分或嚣令趣工 壬务，双减夺懿闻隔，稳必任务匏 分解。 9 ) 生产的组织 总的来说，间歇过程的生产组织大致可以分为两种：一种是按周生产，另一种为不间断生产， 每周工 睾7 天，每天2 4 孛野生产匏穗为不溺鞭生产。羯寒箨丘生产，繇蠢设器娃于箨工获态熬称为 按周生产。按周生产又可分为两种情况：所有设备在周束倒空，并清洗处于闲置状态。所有 设备保持周末时的状态，到下一周继续加工。 。3 竭歇避壤的分类 由于间歇过程一般涉及多种产品和多个设备，各耍素之间的关系比较复杂，通常根据所生产产 晶的工艺特点、生产的组织方式或者设备的结构等对间歇过程分类。 1 ) 撮撂工艺和期限长度分类 辕照所生产产品工艺提议穗痘的赢低，闽舔纯工厂可分为三类，帮单产品厂、多产晶厂和多蟊 的厂。在单产晶厂中，只生产一个产品。在多产品厂中，备产品的工艺很相似，所有产晶都按相同 的生产程序生产即各产品的操作及其顺序相同只是原料i ! i 己比和工艺参数有些改变。多目的厂中 产鑫的工艺羞爨较大，产品生产霹戳按不同瓣臻径，朝产熬的生产漉程秘王艺参数都可敬政变。 间歇厂一般是按期限( c a m p a i g n ) 组织生产，即把总对间分成若干个时间段，每个时间段对应一个 期限。在每个期限内设备可能组合成不同的生产线以生产个或多个产晶。根据期限的长短可 以把生产过程分为& 期限操作进程和短期# & 操作过程。在长期限操作过程中，囿一产品强连续加工 缓凝一段对淘，掰汉产品切换、设备清洗等；| 超魏辩蠢损失与实际生产嚣拿阉糖魄霹渡忽海袋翥校枣。 4 第一章文献综述 而在短期限操作过稳中，产品的加】：次序、切接簿对生产过程有麓著的影响。 撤据期限的相对长度和产品工蕊的相似程度，可以把问歇过程分为圈1 - 8 所示的几类。其中，a 、 t 3 、c 对应短期限操终，d 、e 、f 对成长期限操作。a 车日d 为多产赫过程，c 和f 怒多目的过程，b 、 e 分予掰静之阊。a 狂c 在趣工工鼗孛翥髂为濠农佟韭( 噩。w 壶o p ) 鞠工 牛黜( j o b s h o p ) ，在这受剃分 别称为短期限多产晶厂和短期限多髓的厂，b 介r a 和c 之间，称为顺序型多目的厂。d 是长期限 多产舳厂，在这种擞产方式下，每个时刻只能有个产品生产。通常把可利用的总生产时间分成若 于鞭戳，在每个羯隈瘫生产一个产熬。f 是长期缀多嚣麓r ，在宅能每个期双巾霹能舂多个产赫弱 时生产，而在f 一个黼隈串，设备可能重新组合以生产另井几个产晶。e 介于d 、f 之闻，称为彩装 置厂。它可以看成是几个相对独立的多产品厂的组合。 艄 短 鼹 的 树 埘 技 成长 产品拦慧酌 重阻程度 高 bc def 图1 - 8 间歇化工过程的分类 f i gi - 8 c l a s s i f i c a t i o no f b a t c hc h e m i c a lp r o t e s t s 2 ) 棣据抽t 系统的络构分类 撤据设备的组织方式也可以把间歇过程分为如下四类( 如图1 - 9 ) ，印 ( a ) 单个单元加t 系统： ( b ) 串行霸王系绫； ( c ) 并行加工系统； ( d ) 串并行综含加工系统。 一。一卜( 二卜 二 = ) 一 ( a ) 坼 ( 卜 ( ( 潮i - 9 不同系统结构的间歇j f 壤1 4d i f f e r e n t 镕w o f b a t c h 撵8 m 霞前。对单个单元加工系统的研究已相当广泛，但在啊 业生产中这类闻蹶_ 弗不多觅。菇霸加下 系统和串行加工系统则在实际中营造应用。串，并行综合加t 系统可以看成是并行加j 二系统和串行加 泵统的扩展，这类系统在工业生产中也广泛采煳。 5 天津大学博士学位论文 3 ) 擐摧中间储罐的殴置及中间产品在殴各闯的转移方式分类 闻歇操作的一个特点是可以根搬生产需要设鬣能够暂时存储中间产品的中阁储罐。根据其健用 的范嗣可以把中间储罐分为级间中间储罐和通用中间储罐。前者设在两个加工阶段之间，仅供需要 在这鼹个魏工黔段之润转移穗凌辩镬孀；焉后者楚公掰豹，馨谨掰热工陵段麓糖辩帮可瑷转移弱其 中暂时储存。 还可以依据中问产品在设备问的转移方式对间歇过程进行分类。这样就形成不同的中间产物转 移方式；一个极端嫩零等待方式，鄹一旦在某单元擒工完毕，中阀产物必须立鼯扶该设备中转移至 下一船工单元，不髓在其中滞留或转移到中闻谙壤中。另一个极端楚无限中闻储罐方式。一般酶方 式则为混台中间储娥方式。依照中间储罐设置情飘的不同，间歇化工过程可以分为无限中间储罐 ( u i s ) 、无中间储罐( n i s ) 、零等待( z w ) 、有限中间储罐( f i s ) 和混合中间储罐( m i s ) 等五种 方式。 中间储罐的存储能力是用其数掰来衡量的，而不是其容积，这是因为通常认为每个储罐育足够 大的豁积以临时容纳任何一批产品。假设有n p 个产品需要加工，则按不同的方式生产，其所要求的 孛阍豫罐数强差别缀大。对于u i s 方式，在任意弼个输段之闽的懿罐鲍个数都盛大手7 8 a - 1 ：若储罐 数瑟小予n p - t ，翊为f i s 方式。对于n i s 帮z w 方式，在各阶段审阕没有耱罐，豫置掰方式要求产 品在浆阶段加工完毕之后，应立即转入下一阶段加工。如果各个产品在不同阶段之间选择不同的存 储方式( 如u i s ，f i s ，n i s 或z w ) ，则为m i s 方式。 校据镑缍懿设羹绩猿分类 化工过程的中闻产物一般为流悫物质，所以谶常利用管线将静设备单元连接越来组成生产线， 称这种间歇厂为有错间歇厂。有管间歇厂除了需婺一个复杂的管道网络外也容易造成产品的污染 事故，在产品转换时，必须清洗管道。对于间歇厂，涂采用管道外，也可以采用可移动的设备单元 来传输物辩，这裁楚光管线闻致厂。无管线闻歌f 一送瘸于寿管阚敲厂最显著缝特链是锈辩在靛髂为 加工台的设备上处域完毕后。经过可移动的容器转移到下一加工台，通常加工钉和相应的转移容器 是同设备。必要时，设备可以转移到特定的清洗站进行清洗。媳然无管线间歇厂简化了生产流程， 增鸯委了生产熬灵涯蠛，糍有效避减少生产中匏对灏援失。 以上几种分类方式都从不陵角度反映了间歇过程的特点，在研究中经常依照工艺和期限长矮进 行分类并兼顾其他分类方式。无鬻线间歇厂可以认为是一类特殊的多目的厂，燕于它的研究逐年来 也簸受重视( r e a l f f e t a l , 1 9 9 6 ；g o n z a l e ze l a l ，t 9 9 8 ) 。 1 。2 淘歇遥程酝炎豹内容、镑纛及方法 1 ，2 1 间歇过程研究的内容 一个纯学晶生产系统包括三个不可缺少的组成都分，即( 1 ) 对其产品有鼹求力的市场；( 2 ) 把潦辩转变为产晶的船工步骤：( 3 ) 能够完戒生产任务的设备。在生产单一产菇静连续厂中，这兰 个环节之间的关系比较容易确定，即生产任务是根据市场需求决定的，然后依攒这些任务来选择设 备。 6 第一肇文麸综述 在间歇厂中，上述三个组成部分之问的关系一般不是确定性的，而是可变的或者模糊的。比如， 市场需求的可能不是定量的、謦一的产品。蕊是需求量和种类都随季节变化的多个产品。逡时需要 考虑的藐不蓬确定靛摹一生产经务痔列，焉怒多个任务痔列。生产需要誊j 蠲已有的设备戴蠢重薪组 建能够满足多样化生产任务的生产装置。加工h 陂各与生产任务之间的对应麓系也随市场需求的变化 经常变化。 怼应上述三个组戒部分，惩歇过程豹疆究主要包括三方露蛇连容，即避露的预设计、过程调疫 和过程的操作。预设计是指绘宓总生产时间以及需要生产的产品种类、产鬣和价格等，求浅满足要 求且在经济上最优的设备配置。预设计通常以经济指标如设备投资、过程受益等作为优化目标，需 要确定的变量包括设备的类型、尺寸和数量簿，有时还包括一个可行的生产调度方案。过穰调度是 程绘定戆设蚤醚嚣程产鑫要黎下，确定合适懿生产策珞戳完成备生产 王务，劳使菜个指标簸饶。通 常根据所考虑时间的长短可分为长期调度、中期调度和短期调度( 又称为排序) 。过程的操作则是按 照预先拟定的调度方案去管理茸【l 控制设备完成生产任务。问歇过程研究的基本内容是过程预设计和 i 童程调度，特别楚短期调度。 对于按短期鼠方式生产的阐歇过程，由予产品切换频繁，必须考虑产熬加工顺序对过糕的影响， 柱产品数目和加工步骤较多甘寸，因为组合数赞庞大，产品排序往往非常复杂。因此，设计阀题的研 究主要集中在妖期限撮作的间歇过程上。另方砸，长期限操作时产品加工顺序对过程的影响可以 忽咯，嚣鞋产黧撵序鳇骚究主黉集中在短期戳操作上。 1 ，2 2 间歇化工过程研究的主要特点 间歇过程中不仅涉及许磐间歇或半连续的操作，如反应、结晶、过滤等，还存在许多内在的 陨裁靼约束，葵孛主要毽捶： 1 ) 涉及多种龟产资源及辘助资源：( 2 ) 避程豹诲多辕秘撩铃，翔设 备的清洗与切撤，其花费的时间都是与产品加工顺序有关鹄：( 3 ) 物科在设备阀的传输时阐都是菲 零的且可变的：( 4 ) 中间储罐的设置有多种方式；( 5 ) 中间产品的稳定性 ( 6 ) 批量火小菁n 加工路 径的可变性。 这些毽豢搜褥藏簸纯工遗辍懿疆究存在辍下麓特点； 1 ) 建模复杂 首先，间歇化工过程涉及多种生产资源，如原料、公用工程、等等；其次，不同的中间存储方 式下过程特性誉惩；第三。设泰的启动与切按鞋阈菝簸于产赫戆船工次序：第l g t ，搦辩从一个j j n - g 步骤到下一一步骤的转移，在时间与数量上必须协调：舅外，遥必须考虑批凝与路径的柔瞧。 2 ) 计算复杂 由丁间歇过程本身的复杂性，全面建模聪，得到的是一个规模很大的组台优化问题，它通常是 n p 一完全静，求勰豹露掏与翘簇戆规模呈蠡数壤疑。懿秘在建攘与求解霹阉之阉较燕是一令缀重要的 问题。 3 ) 动态性 闻歇过程的研究中通常簧趣入许多限定豢 譬，如忽略物料传输与设备调整时闰等，蕊艇在短期 调度研究中。总是稷设所有嚣黎船工豹产茹投一开菇就是蠢翘的。蠢在实际生产中，往往豪现出攫 7 天津大学博士学位论文 强的动态性，篦如擞产正在按照已肖的计划进行时，个或更多的产品可能要加入生产，有的黛产 任务可能被取消。 1 2 3 阉歇过程的耢突方法 与连续过程稆魄，闻歇过程的特殊之处在于它盼缀台特性和动态特性。缀合特性主要是由予闯 歇过稷中设备单元、设备尺寸的离散和产品的排序，具体表现为模型中有大量憋数变量。动态特性 则由于间歇操作都是非稳态过程，即问歇设备单元的操作都与时间有关。但目前的研究丈都避辨动 态霾越，鞋爱薪建摸蘩尽量筠纯。 圈前问歇过程的设计和短期调度问题一般都搿成个混合撼数非线性规划( m i n l p ) f 日题。求解 这些问题常用的方法主要有以下几种： 1 ) 经黢规则法( h e u r i s t i cm e t h o d ) 又称启发法。它斑厝一些积累下采的经验斡、麓溉的推断蕊则，剔除部努或全部不可髓及不舍 理的方案，迅速缩小搜索空间，从而得到一个较伉的可行解。这贱规则没有经过严格的证明，因此 不能保证得到最优解，需要在此可行解的基础上采用一些调优规则反复改进，直至得到满意的方察。 这耱懿溪接断灞饯瓣努法霹班充分发挥设诗者魏实黢经验，宅悬鞭戆在工程实繇中瘟粥较多、瞧渡 为成熟的一种方法。随着计算机人工智能技术的靛腮由这些经骚规则可以形成一个知识库，以此 为基础可以建立起相应的专家系统来指导间歇过獠的设计与调度。由于间歇过稚固有的复杂性毗及 研究内容的不断扩大，根难建立起逡盛各种情形熬统一规则，遮就限制了该方法嬲应用。 2 ) 数学援鲻法( m a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n g ) 数学规划法则怒把间歇过程问蹶归结为一个较为符台实际的、包括若干限制条件的模型，裁此 基础上建立一个纯数学的、有约束雾变量的最优化模型，再采用适当的算法得到问题的解。有代表 蛙熬数学援翅法是分支定募法( b r a n c h a n db o u n dm e t h o d ) 、广义b e n d e r s 分瓣竣窝9 近像法。这凡 种方法都在间歇过稷问题的求解中得到应用。 ( a ) 分枝定界法 采用这种方法戡解，第一步先对整数条件进 予松弛。然后求解所得到的连续型n l p 问题。若 所褥戴懿解逶是整数条薛，鞭为瑷瓣怒靛最霞解：黉粼该解悉琢瓣瑟| 毫一个f 嚣( 霹辍小纯趣联嚣 言) ，并连续执行一个树枚举其中在每个i t 点上埘应一个n l p 问题，其中有些憋数变量取固定值， 其他的则松弛为 0 ，l 】上的连续变量，这样每个节点上对应的n l p 问题的解提供艨m i n l p 问题目标 值静个上界，曩撂缓超过该上界的掰富节点予以嬲除，荠进一步缓素下一分支，壹至褥到最侥解。 分支窥舞法的优化策略在对所有节点的榜枚举中足搜索其中的一部分节点郎霹褥翻最优解。键对太 规模问题所要枚举的节点数目很大，而且每一节点都对应一个n l p 子问题，这就使得分支定器法的 计算费用较高。 ( b ) 广义b e n d e r s 分解法 该方法求解m i n l p 问题时将原问题分解为交替求解的n l p 子问题和m i l p 主导问题。n l p 子 问题是原m i n l p 阅题中所有o l 变量取一组固定值对应的连续型优化问题，黧_ 最优解为原问题的 鳃提供个上器；m i l p 主导问题出骚趣露在o 一1 变量空闯孛投黪怒到。它为最续的n l p 阀题绘出 第一章文献综述 一组新的接数变量值。当原问题为凸规划时，主导问题为原问题的解提供一个下界，该下界对每个 主循环而言是单调增加的。当上、下界大于或等于当前上界时，过程收敛，最优解由这个界给出。 这种方法所需的迭代次数一般很大。 ( c ) 外近似法( o u t e r - a p p r o x i m a t i o na l g o r i t h m ) 它也是把m i n l p 问题分解为交替求解的n l p 子问题和m i l p 主导问题，由它们分别提供原问 题的一个上、下界。m i l p 主导问题给出的是基于连续可行域的外部近似，这些外部近似是通过在【o 一1 】 变量取同定值的n l p 子问题的解点上的函数线性逼近获得的。相对于g b d 法而言，外逼近主导问 题为原问题提供一个较好的下界，因而迭代次数明显减小，求解效率有所提高。 m i n l p 问题的求解时间往往与问题的规模成指数函数关系。当问题规模比较大时，求解很困难。 目前对丁i 这类问题的求解，一是对特殊形式的问题，寻找普遍化的算法：或者是对精度要求不是很 高的问题，使用启发规则来求得一个满意解：另外就是借鉴其他学科的发展，寻找一些智能型的方 法。 3 1 随机型算法 传统解法都是从单一初始点按确定性原则寻找最优解，而随机型算法则沿多条路径按随机转换 原则求解，它们一般仅使用问题本身所具有的目标函数进行t 作，而不需要其他先决条件或信息。 随机型算法主要有蒙特卡罗算法、模拟退火算法和遗传算法。蒙特卡罗算法是完全基于随机性的算 法，主要用于数值计算，而模拟退火算法和遗传算法都是以蒙特卡罗算法为背景的智能型算法，广 泛应用于优化求解。 1 3 间歇过程设计问题的研究及进展 为了简化，传统的间歇过程的设计通常不考虑过程中存在的不确定因素或设计时假设其为确定 的，并且设计时只考虑经涛和工艺。随着市场竞争的日益激烈及过程工业对环境要求的日趋严格， 考虑不确定冈素和环境影响的间歇过程优化设计越来越被人们所关注并逐渐成为研究热点。 1 31 确定性设计问题的研究进展 与连续过程类似。这类问题可以以两种方式提出，即新厂的设计和现有装置的改造设计。新厂 的设计包括以下几方面的问题：确定产品的制造方法。产品的生产步骤是在试验室或中试阶段确 定的，需要在此基础上考虑实际生产时各步骤的材料要求、持续时问、中问产物的稳定性等因素。 选择操作策略，决定按何种方式生产( 单产品厂，多产品厂或多目的厂) 。设备配置，主要包 括设备的选择、任务的合并或分解、中间储罐的设置等。设备尺寸的确定与费用计算即确定各 操作单元和中间储罐的尺寸。这些尺寸可以在一定范围内连续取值，也可以是一组离散的值。在此 基础上可以得到总体设计的投资与操作费用。 与新厂的设计相比现有装置的改造必须在已有设备的基础上进行i 习l l t 增加了“些附加的约 束，它主要包括两类问题，即扩大现有装置的生产能力和增加新的产品。 间歇过程设计问题的研究可以追溯至6 0 年代r i p p i n ( 1 9 8 3 ，1 9 9 3 ) 和r e k l a i t i s ( 1 9 8 9 ) 等都曾对这方 面的研究进行过总结和论述。 9 天津大学耩学控论文 由于多产品厂相对简单，网此有关的研究工作进行的比较早也比较深入。早在1 9 6 0 年k e n t e r 笛就用微分运算的方法研究过如何确定多产鼎厂的设备尺寸阀题。后来，l o o n k a r 和r o b i s o n f l 9 7 0 ) 嗣凡簿蕊巅法对戥覆盖方式搽撵的多产最r 4 瓣设计阉瑟进行了囊 究，毽在镪 f 】瓣模墅中浚肖考瘩乎 彳亍单元、中间储罐等因素。随后s p a r r o w 等人( 1 9 7 5 ) 对他们的方法做了扩充提出了两种方法来处 理雾产品厂的设计问题。一种娥启发法，另一种是分枝定界法，并且重点研究了如何确定设备的尺 寸靼平行单元的数强。通过对疆秘方法的比较，缝 j 试为囊簸法求解速度抉，耗机聪少，继不耗保 证有最伉解，分掖定界法静结聚眈较簇近最伉解，氇耗费槐时鞍多。在他们瀚模型中设备零元的尺 寸是离散化的这与实际情况比较符合，然而在以后相当长的段时间内由丁缺乏有散的整数规 划方法，很多研究中仍然假定设备尺寸在一定范围内连续变化。 g r o s s m a n n 襄s a r g e n t ( 1 9 7 9 ) 赶蠲蘩遘疆的设谵霾瑟努结隽m i n l p 秘联，莠显嗣整数麓翔方法来 求解。在求解时分成两步，即先把整数变量( 平行单元的数目) 松弛为连续变鬣，变成一个非线性规划， 用变尺度法求解，然后在第二步用附加约束强制松弛变量，使其成为整数。这种方法避开丁冗长的 分支定界搜索避程，共能得到簸优鼹或近优麟。丽且在他们的模型孛将操幸擘鞋重阕表示为撼嫩的函数， 这魄把操作时闻作为常数的簸毽方法要精确。但拖 f 没有考虑半连续设备的影响。 k n o p f 等( 1 9 8 2 ) 在目标函数中加入了能量的费用。并考虑了半连续单元对设计的影响，他们所用 方法为简约梯度法。 y e h 帮r e k l a i t i s ( 1 9 8 7 ) 鬟热发法骚究了革产瑟厂静设诗翊惩。在搂璧孛阏瓣考惠了半连续萃元窝 中间储罐，所翊方法为简约梯艘法。后来他们的启发规则被m o d i 和k a r i m i ( 1 9 8 9 ) 推广至其肖有限中 间储罐的多产晶厂的设计，怛m o d i 等在模型中没有考虑同步平行单元的设鬣问题。 b i r e w a r 和g r o s s m a n n ( 1 9 8 9 a , 1 9 9 0 a ) 在对多产品厂的设 t 阀瑟进褥研究时发现，如巢港洗瞻闻比 较小的话，采翅多产晶期限可女会更经济，他们的方法是蠢模型中加入关于产品捧痔韵籁纯约束， 对无限中间储罐、忽略清洗时间和零等待、忽略清洗时间以及无限中间储磁、考虑清洗时间三种情 况分别建立了n l p 模型得出结论认为在进行多产品厂设计时应考虑短期调度。在后来的文章中， 德稍又握出了将多产品厂的练合f 确定设备琵麓) ，确定设善哭尊、短期调度一起考惠匏嚣憨e 嚣窦嚣 上多产品期限的情况只对产品比较相似，产晶切换时清洗任务较少时才比较有意义，由予加入的关 于短期调度的约束过于简化，在实际中很难廊用。 随着整数援划技术的发胜，设备足寸晌离散他处邂也为一些侔赣采用，v o u d o u r i s 和 g r o s s m a n n ( 1 9 9 2 ) 对缝 之前的六个摸型逶括了改写，茇珑将设备足寸全都舞敦磊，霹越挺原来静 n l p 或m i n l p 模型转化为m i l p 模型求解，他们也提出了掇商求解效率、缩小求解空间方