（控制理论与控制工程专业论文）基于智能体的化工企业多层优化新策略.pdf

浙江人学| 尊十学位论文 摘要 面对激烈竞争的全球市场环境和加入世贸组织后的各种挑战，化工企业必须 动态地合理选购原料、优化产品方案、优化装置操作，以降低生产成本、提高产 品质量和缩短市场响应时问，获取更好的经济效益，从而保持在竞争中的优势。 从一十t ! t i 2 ) t 十年代以来，人们对化工企业优化方面的课题做了大量的工作，并 取得了许多成果。但由于化工企业自身属于复杂大系统的特点，以及受计算机条 件的限制，当前对化工企业优化的研究都把整个复杂的大系统分成几个层次，分 层进行优化。这种方法尽管可以减少求解的工作难度，但根据各层次的优化结果 并不见得能得出整个系统的全局最优解，所以近年来企业的整体优化越来越受人 们的重视。 化一1 ：企业的优化从整体角度考虑，很明显是一个变量较多的m 1 n l p 蜘题。 对此类问题常见的解法是对函数进行局部线性化并把整数约束化成非整数约束， 通过反复的试差、迭代求解。这种情况下用许多常用而有效的优化方法往往难以 求解。即使采用在一般优化问题中行之颇为有效的遗传算法g a ，对约束问题也不 易求解。现也有人提出采用约束规划( c p ) 来求解，但这方面取得成功的文献尚不多 见。对一个m i n l p 问题来说，困难在于约束的处理，我们注意到近年来在人：智 能领域迅速发展起来的智能体技术，经过对它的特点的分析消化，本文探索采用 智能体以避丌复杂的约束，把问题变成无约束寻优，其中产生的矛盾则由智能体 来协调。另一方面，作为置身于市场环境中的一个化工企业，优化的目标往往不 止一个，采用传统的数值方法处理很容易顾此失彼，而智能体则有可能较好地均 衡考虑多重不同目标。再者，每个化工企业或多或少都对某几个子系统进行过优 化研究，如果已经解得的各子系统的优化结果不能得到利用，会造成很大的资源 浪费，也需要一种将老技术融入新系统的方法。鉴于此，本文引入了智能体技术， 用以求解化l 企业多层次优化问题，并可利用已有各层次的优化结果，通过智能 体柏互协调，以获取化工企业大系统的全局最优解。 ， 本文的研究主工作要包括f 列内容： ( 1 ) 对“j i 狩化i 企业各个层次优化做了个全面的规划。包括经营方案优化、 ，l j “蜗瘦优化、装爵操作优化等，并给出厂。个化【企业多层优化框架。村符层 次1 i j 订十1 ：影响的变 j 主和参数进行了具体分机，以确定各层次进 r f d , 渊的，埔e 浙江人学博十学位论文 性。 f 2 ) 讨论了化工企业优化研究中常用的优化算法，如单纯形法、迭代动态规划 算法、遗传算法、模拟退火算法等。 ( 3 ) 对智能体的定义、分类、心智模型、基本结构、智能体相互问的通信语言 一k o m l 进行了详细的讨论。 ( 4 - ) 在化一1 企业多层框架的基础上，引入智能体技术，研究了智能体的组织， 各个智能体的作用以及智能体的设计与实现。 ( 5 ) 结合某氯碱总厂的实际情况，丌发了一个基于智能体的整体优化系统，并 给出了计算结果。 关键词：化工企业多层优化框架智能体技术优化模型优化算法协调机 制 v 浙江人学搏十学付论文 a b s t r a c t f a c i n gt h ec o m p e t i t i o ni nw o r l d w i d e m a r k e ta n dt h ec h a l l e n g eo fj o i n i n g t h e w t o ，t h e c h e m ic a lc o m p l e x m u s t o p t i m i n z e r a wm a t e r i a l ，p e r c h a s in g p r o d u c t i o ns c h e d u l i n g ，a n dt h ee q u i p m e n to p e r a t i o ni no r d e rt or e d u c ec o s t s i m p r o v eq u a l it yo fp r o d u c t sb yr e s p o n s i n g t om a r k e t c h a n g e s a sf a s td s p o s s i b l e ，s u c h t h a ti tc a ni m p r o v ee c o n o m i ep e r f o r m a n c ea n dr e m a i nt h e s u p e r i o r i t yo fc o m p e t e n c e s i n c e1 9 8 0 s ，al o t o fr e s e a r c h e si nt h ef i e l d o fo p t i m i z i n gc h e m i c a lc o m p l e xh a v eb e e nm a d ea n dm a n yr e s u l t sh a v eb e e n o b t a i n e d c o n v e n t i o n a l l y ，t h eo p t i m i z a t i o no fc h e m i c a lc o m p l e xs y s t e mis u s u a l l yd e c o m p o s e d i n t os e v e r a l s u b s y s t e m s d u et ot h ec o n s t r a i n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g y a n d t h e c o m p l e x it yo f o b j e c t s y s t e m 、i j ! t i 一l e v e o p t i m i z a t i o nr e d u c e st h ed i f f i c u l t y ，b u ti t i sh a r dt og e tg l o b mo p t i m u m b yc o n v e n t i o n a lo p t i m i z a t i o nm e t h o d s t h ep r a c t i c a lp r o b l e m st e a c hm o r e r e s e a r c h e r st e a l i z et h ec r i t i c a li m p o r t a n c eo ft h e9 1 0 b a lo p t i m i z a t i o no f c h e m i c a c o m p l e x f r o mt h ep o in to fg e n e r a l i z e dv i e w ，t h ep r o b l e mo ft h eo p t i m iz a t io no i 、 c h e m i c a lc o m p l e xi sac l a s so fm i n l pa n di n v o l y e sal a r g en u m b e ro fv a r i a b l e s t h eu s u a lw a yo fs o l v i n gt h i sk i n do fp r o b l e m sist op a r t l y1 i n e a r i z ea n d c o n v e r t et h ei n t e g e rc o n s t r a i n t si n t ot h en o n i n t e g e rc o n s t r a i n t s ，t h e n r e p e a t i n gs u c c e s s i v ei t e r a t i o nt og e to p t i m u mr e s u l t h o w e v e r ，i nt h i sw a y ， i t i sn o te a s yt os o l v et h ep r o b l e mb ya p p l i n gc o n v e n t i o n a l m e t h o d ，a n d e v e ni fu s i n gg e n e t i ea l g o r i t h m ( g a ) c a ns c a r e c e l yh e l p w ek n o wt h a tt h e d i f f i c u l t yt os o l v em i n l pi st oh a n d l el o t so fc o n s t r a i n t s i nt h isw o r k ， w ep r o p o s e dt oe m p l o yt h ei n t e l l i g e n ta g e n t t e c h n i q u et os o lv et h isk i n d o t p r o b l e mt h r o u g hc o n v e r t i n g t h e c o m p i c a r e dc o n s t r a i n t s t o s i m p l e o p t i m iz a t jo nw i t h o u tc o n s t r a i np r o b l e m t h ec e n t t a d i c t io no fm u l t j l a y e r e d o p t i m iz a t i o nw i1 1 b ee l i m i n a t e db yt h ec o o p e r a t i o no fs e v e r a l in t e l1 ig e n t a g e n ts s e c o n d ly ，t h e c h e m i c a l e o m p e x e l t e nh a sm u j t i o p t i m iz a t i ( ) n o b j e c t s s ot h a tj lisd i f f i c u l tt or e s o lv e b yt r a d i t io d d l o p t in l iz u ti ( ) n v f 浙江人学博十学位论文 m e t h o d s 1 na d d i t i o n ，t h eo p t i m i z a t i o n o fs o m es u b s y s t e m si nm a n yc h e m i c a l c o m p l e x e s h a sb e e nr e s e a r c h e d i t w o u l dp r o d u c er e s o u r c ew a s t e ift h e a l r e a d va t t a i n e dr e s u l t sc o u i dn o tb ep r o p e r l y u t i l i z e d b a s e du p o nt h e a b o v ec o n s i d e r a t i o n s ，i nt h i st b e s i s ，t h ei n t e l l i g e n ta g e n tt e c h n i q u ew a s p r o p o s e d t os o l v et h ep r o b le mo fm u l t i l e v e lo p t i m iz a t i o n f o rc h e m i c a l c o m p l e x i no l d e l lt og e tg l o b a o p t i m u mr e s u l t t h er e s e a r c hw o r ko ft h i st h e s i sc o n s i s t se l t h ef o l l o w i n gm a j o rp a r t s ： 1 e a c hl e v e l o p t i m i z a t i o n o fc h e m i c a l c o m p l e x i s c o m p r e h e n s i v e ly a n a l y e d ，i n c l u d i n g t h e o p t i m i z a t i o n o f p u r c h a s e a n ds a l e s c h e m e ， o p t i m i z a t i o no fp r o d u c t i o np l a n ，o p t i m i z a t i o no fe q u i p m e n to p e r a t i o n ，e t c 0 nt h eo t h e rh a n d t h ef r a m e w o r ko fm u l t i l e v e lo p t i m i z a t i o no f c h e m i c a l c o m p l e xi sa l s op r o p o s e d i n t e r a e t i v ev a r i a b l e s a n dp a r a m e t e r sb e t w e e n 1 a y e r sw v , r e a n a l y z e d i no r d e rt oc o n f i r mt h ep o s s i b i1i t yo fc o 。p e r a t i o q b e t w e e n1a y e r s 2 t h em a i nm e t h o d so fo p t i m i z a t i o nc o n v e n t i o n a l l ye m p l e y e di nt h e o p t i m i z a t i o no fc b e m i c a lc o m p l e xw e r ee x a m n e ds u c ha s ：s i m p l e xm e t h o d ， i t e r a t i v ed y n a m i cp r o g r a m m l n g ，g e n e t i ea 1 9 0 r i t h m ，s i m u l a t e da n n e a l i n g ， e t c 3 t h ed e f i n i t i o no fi n t e l l i g e n ta g e n t ，c l a s s j f i c a t i o n ，m e t a lm o d e 】， b a s i cs t r u c t u r e ，c o m m u n i c a t i o nl a n g u a g eo fe a c hi n t e l l i g e n t a g e n tw e r e d i s c u s s e di nd e t a i l 4 0 nt h eb a s eo ft h ef r a m eo fm u l t i l e v e lo p t i m i z a t i o n t h ei n t e l1i g e n t a g e n tt e c h n i q u ew a sa d o p t e dt og e tg l o b a lo p t i m u m i nt h i st h e s is ，t h e o r g a n i z a t i o n ，t h ef u n c t i o n ，t h ed e s i g na n d t h ei m p l e m e n t a t i o no fa g e n t s w e f ed is c u s s e d 5 t h ep r o p o s e da p p r o a c hw a sv e r if l e db yap r a c t i c a l s a m p l ep r o b l e m ， r e a s o n a b 】er e s u 】t sw e r ea b t a j n e d ， k e y w o r d s ：c h e m ic a c o m p le x t l g ( ! n tt e c h n o l o g y ，m o d e lo o i c o o p e r a t io n f r a m eo fm u l t i v 1 e v e o p t i m iz a t jo d ，in t e l 】i g e n l m e t h o de l o p t i m i z a ti o n ，m o t h o d 浙江人学博十学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 当前世界经济全球化的进程明显加快，知识经济初见端倪，一方面以信息技 术为中心的高新技术产业迅猛发展，另一方面信息技术融入传统行业后拉动企业 的发展也己很明显。特别是我国加入世贸组织基本已成定局，加入世贸组织后化 工企业产品的进口关税会进一步降低：非关税壁垒也将逐步取消；国外公司将拥 有分销权等。这些较大限度地放宽市场准入限制和较大幅度地开放国内市场的承 诺将对化工企业带来各种挑战和机遇。面对激烈竞争的全球市场环境和加入世贸 组织后的各种挑战，化工企业必须动态地合理选购原料、优化产品方案、优化装 置操作，以降低生产成本、提高产品质量，并最大限度地缩短i j i 场响应刑阳j ，获 取更好的经济效益，从而保持在竞争中的优势。从二十世纪八十年代以来，人们 对化工企业优化方面的课题做了大量的工作，并取得了许多成果。但出于化工企 业自身属于复杂大系统的特点，以及受计算机条件和数学方法的限制，当前对化 工企业优化的许多研究都把整个复杂的大系统分成几个层次，分层进行优化。所 谓分层，可以从不同的角度去分析。例如，从物理角度，对个丈企业而。未可 以分层为： ( 1 ) 全公司的优化； ( 2 ) 各分厂的优化； ( 3 ) 各车间的优化； ( 4 ) 各设备的优化； 而从经济管理的角度，可以分为以下几层，如图( 卜1 ) 。 ( 1 ) 经营方案优化：根据企业外部市场需求，原料的价格变动，以及内部生产 经营状况，以最大的经济效益为目标，合理制定生产与经营策略( 包括原 料和产品的合理选定) 。 ( 2 ) 生产调度优化：根据企业自身的生产能力，合理安排生产计划。 ( 3 ) 生产装置的操作优化：使生产装置在控制稳定的条件下，处于最优的操作 条件。 系统从其它角度所作的层次分析，将在后文有必要时述及。 1 浙江人学博十学位论文 系统分解为几个层次，分层进行优化求解，尽管减少了求解的工作难度，但 各层次的优化结果的迭加并不见得能得到整个系统的全局最优解，而现代企业早 已远离传统的粗放型管理模式，同益注重精确追求经济效益，所以近年来企业的 整体优化越来越受人们的重视。杨少华等在文献1 提出了“综合集成，整体优化” 的概念。综合集成是指将过程系统的硬技术系统与软技术系统结合起来，使过程 系统形成合理的层次结构及功能结构，使系统能适应环境而发挥最优的功能。综 合集成包括三方面的集成：一是系统内部的集成，二是系统与环境的集成，三是 系统内外的有关信息与人的经验知识的集成。所谓整体优化是指为达到系统的整 体战略目标而合理地配置资源。企业系统的整体战略目标包括三类：一是企业目 图1l 化l ：企业典型的多层次优化结构图 标，：是用户利益目标，三是社会利益目标。这三类目标是密切联系的，而且随 着社会的进步和经济的发展，后两类目标的重要性将同益增加。 化工企业从整体考虑，很明显是一个大型m i n l p 问题，变量较多，相互关系 复杂，约束条件繁复。对此类问题常见的解法是对函数进行局部线性化和把整数 约束转化成非整数约束，通过反复的试差迭代求解。在这种情况下，许多优化方 法都失去了它们的有效性，即使采用在般优化问题中行之颇为有效的遗传算法 g a ，对约束问题也不易求解。现也有人提出采用约束规划( c p ) 来求解，但这方面 取得成功的文献尚不多见。对一个m i n l p 问题来说，困难在于约束的处理，由此 促使我们考虑采用人工智能技术以避丌复杂的约束，把问题变成简单约束寻优， 产生的矛盾由人工智能部分来协调。其次，作为一个置身于市场环境中的一个化 工企业优化的闷标应当不止一一个，例如，化工一首先是要以经济利益最大化为f j 标，i 司州兼顾环境凼索，还要考虑不能盈利情况f 是有必要确定最低：产负街， 以保持殴备运行，维持j ：人的u 】作，这些目标采用传统的数值方法处理鄙有些媾 ， 浙江人学博十。7 ：何论文 度。再者，许多化工企业或多或少都对某几个子系统进行过优化研究，如果已经 解得的各予系统的优化结果没有得到利用，那么就造成很大的资源浪费。而利用 近年来在人工智能领域迅速发展起来的智能体( i n t e l i g e n ta g e n t ) 技术求解问 题，具有协作求解、问题描述自然、可以利用现有软件系统集成等优点。鉴于上 述种种方面，本文引入了智能体技术，研究化工企业多层次优化，可利t 【 j 已有各 层次的优化结果，通过智能体相互协调，以获取化工企、世大系统的全局最优解。 1 2 化工企业优化技术的发展 化工企业是典型的过程工业，对它的研究就是将系统工程学的理论和方法应用 于化工过程领域，化工企业优化技术只是化工过程系统工程学的一个分支。化工 企业优化技术是在系统工程、运筹学、化学工程、过程控制及计算机等学科的基 础上发展起来的，根据历史时期的不同大概可以分为以下几个阶段： 1 化工企业优化技术的理论准备时期( 6 0 年代) 。 在6 0 年代，由于化工企业生产装置的日趋大型化，再加上能源紧张、竞争f = 1 益加剧，传统的化学工程方法已明显不适应企业的发展。各个化工企业都要求实 现装置的最优化设计、最优控制和最优管理，但受当时客观条件的限制，化工企 业优化技术还只处于理论准备时期，并没有得到实用。 2 化上企业优化技术的实用时期( 7 0 年代1 。 7 0 年代随着计算机技术的普及，以及化工过程系统工程方法的应用，使得企 业优化技术得到了用武之地。另外，此时系统优化技术也有了较大的发展，有了 许多实用的优化技术，如单纯形法、动态规划等。 3 化工企业优化技术的普及推广时期( 8 0 年代) 。 8 0 年代是化工过程系统工程普及推广的时代，不仅在化工、石油、石油化工、 核工业和能源工业中得到广泛应用，而且向冶金、轻工、食品等连续加工过程工 业部门推广，有力地促进了这些部门生产技术的飞速发展，相应地，化工过程系 统工程学科在理论、方法和内容方面也在不断完善和发展。当然，化工企业优化 技术作为化工过程系统工程的一部分，也得到了普及推广，同时得到不断完善和 发艉。 4 化1 ：仓业先进优化技术的发展时期( 9 0 年代) 。 至0 了9 0 年代，企业之问的竞争更加激烈，企业局部的优化技术l 1 i 能通j 、t 余 浙江人学博十学忙论文 业向更大规模的发展，企业只能进行整体的优化，才能取得更好的经济效益。由 于化工企业的复杂性，传统的一些优化技术不能进行整体优化的求解，人们只能 开发更先进的优化方法，如遗传算法、模拟退火算法等。另外，有些科研工作者 也把其它领域的一些先进方法引入到化工企业优化研究中，如人工智能领域的智 能体技术。 1 3 智能体技术 1 3 1 智能体的概念 智能体最早提出是在6 0 年代，由于当时的硬件水平与计算机科学理论水平的 限制，智能体的能力不强，几乎没有什么实际应用方面的影响力。近年来，随着 网络技术，特别是i n t e g e r 技术的发展，整个计算环境正在发生深刻的变革，计算 机的软件技术( 特别是面向对象技术) ，硬件技术，并行计算和分布处理技术的研 究取得了很大进展，使得分布的，合作的多智能体系统研究有了一定的理论和物 质基础。有关智能体的理论和应用在计算机科学界，尤其是在人工智能( a i ) 领域中 越来越受到人们的关注，有关智能体的各项研究工作迅速地开展。基于智能体的 计算( a g e n t - b a s e dc o m p u t i n g ，a b c ) 被认为是软件丌发的下。个重要实破，面向智能 体的程序设计( a g e n t o r i e n t e dp i - o g r a n m i n a o p ) 也被认为是面向对象程序设计 ( o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，o o p ) i 擎j 一次革命。智能体技术的发展，为人工智能的 研究注入了新的活力，同时极大地丰富了软件开发方法和技术，被认为是促进软 件开发，克服软件危机的一个重大突破口。 那么什么是智能体呢? 智能体虽然是当前使用最为广泛的一个术语，但由于 其含义通常随应用环境的变化而不同，还没有形成一个统一的，能被大多数人所 接受的概念。在本文中我们对智能体给出以下的定义： 智能体是一类在特定环境下能感知环境，并能自治地进行工作，为其设计者 或使用者实现一系列预定目标的计算实体或程序。它具有以下特性： 自治t i 生( a u t o n o m y ) ：指智能体能不在人的直接干预下，对自己的行为和状态进 行某些控制的能力。 社会。t 生- ( s o c i a la b i l i t y ) ：指智能体能够借助菜此环境通玳语。1 ；i d g 它智能体逊行 交忆的能力。 4 浙江人学博 学何论文 反应性( r e a c t i v i t y ) 化做出及时反应的能力。 主动性( p r o - a c t i v i t y ) 些目标采取主动行动。 1 3 2 智能体的优点 指智能体能够感知它所有的环境，对发生存：其中的变 智能体4 i 仪对环境做出被动反应，而且还能为达到某 利用智能体技术进行求解问题，有以下优点： ( 1 ) 智能体的协作求解问题的能力 当所要解决的问题涉及大量不同领域的问题求解实体或数扼资源，而这些实 体在物理或逻辑上分和分散，并且需要相互协作以解决问题时，利片j 钳能体技术 能加以解决。此类问题只要把现实世界的突体和它们之问的关系直接映射成具有 自治问题求解能力的智能体，各个智能体有自己的资源、专家知识以及具有协作 求解问题的能力，通过相互问的协调合作来共同完成任务。这也避免r 为解决大 规模复杂问题而建立一个庞大知识库所引起的知识管理问题。 ( 2 1 现有软件系统的集成 目前各个企业都有大量的现有软件在企业中起着重要作用。为满足f 1 益变化 的需求，需不断地修改软件。但随着时；、日j 的推移，修改软件非常困难，若弃之1 i 用而完伞重写，又是对资源的浪费。对现有的软件包装一层“智能体外壳”形成 智能体，使其能与其它系统交互操作，把它们集成到1 一个大的协作群体中，通过 相互问的协作，满足企业不断变化的需求。 ( 3 ) 问题描述自然 因智能体可以使用一些自然人的概念来描述，所以利用智能体技术进行求解 问题时，可以适应使用者的习惯加以描述。 ( 4 ) 突出了人的参与性 在智能体系统中，利用智能体技术不是减弱了人的参与性，而是把人作为一 个超级智能体引入到系统中，利用人的优势来更好地求解问题。 浙江人学博十学位论文 1 3 3 智能体的应用 近几年，随着智能体技术的发展，它己被应用到许多领域，并取得了显著的成 绩。归纳各种应用情况，可将智能体的应用主要分为四大方面： ( 1 ) 工业应用，包括过程控制、工业控制、空中交通控制等。 ( 2 ) 商业应用，包括信息管理、电子商务、商务过程管理等。 ( 3 ) 医疗应用，包括患者监视、医疗保健等。 ( 4 ) 娱乐应用，包括游戏、交互式戏剧和电影等。 1 3 4 智能体技术与相关领域的关系 1 3 4 1 智能体与人工智能( a 1 ) 前面已提到，智能体技术来源于人工智能的研究工作，它是在分布式人工智 能技术的基础上发展起来的，它既继承了人工智能技术的优点，同时在技术上又 有了扩充，所以人工智能与智能体技术是有所区别的。首先，人 智能中的智能 与智能体技术中的智能有所不同。由于发展于不同历史条件下的特定要求，人工 智能中的智能着重注意开发的是推理功能，以后又扩充到学习功能等；在智能体 技术中，对智能的要求重点是：它能根掘环境等凼素决定f 一步要执行的动作， 也就是皖，它能与环境进行交互活动，至于是否需要具备学习的功能则要根掘具 体领域问题的要求而定。另外，智能体往往是通过与其它智能体共同协作来求解 的。 1 3 4 2 智能体与专家系统( e s ) 专家系统是利用人类专家的知识来解决某一特定领域的问题的系统，它是人工 智能向实用化方向发展的一个十分引人注目的领域，到目前为止己建立许多成功 的案例。专家系统与智能体系统一个重要区别是专家系统在本质上是非嵌入式的， 也就是说它不与环境发生直接的交互，它们不是自治地获取信息而是从用户获取 信息。另外，专家系统通常不要求操作的实时性。 1 3 4 3 智能体与面向对象技术( o o t ) 面向对象( 0 0 ) 技术现已成为软件丌发的差流技术，它已得到了广泛的应月j 。 s h o h a m 就足在面向对象程序设计( o o p ) 酐j 丛础i j 捉i bj - 商向智能体的样序设计 6 浙汕，人学搏十学位论文 f a o p ) 技术，并将a o p 视为一种特殊的o o p 。根据s o h a m 在文献 6 5 1 的观点，两 者还是有所区别。o o p 的最基本特征之+ 是“封装”，但只封装了对象的内部状态， 而没有封装其行为，它不是完全自治的。例如，若一个对象a 中包括有方法m 被 指定为可以被其它对象激活，则其它对象可在任何时候激活m ，对象a 对m 在何 时被执行没有控制权。而在智能体系统中的情形是这样的：若智能体a 想让智能 体b 执行动作k ，则b 有可能执行k ，也有可能不执行动作k 。智能体b 对其行为 具有完全的控制权，也就是况同时“封装”了对象的内部状态和行为。 1 4 本文的工作 本文从目前对化工企业优化研究的基础上，提出了化工企业多层次优化框架， 分析了化工企业各层次单独进行优化的局限性以及进行整体优化的必要性和困难 性。为了获取化工企业大系统的全局最优解，引入了人工智能领域迅速发展起来 的智能体技术，利用智能体之间的相互协调来加以解决。通过研究智能体的概：念、 特性以及其理论基础，然后提出了基于智能体的化工企业多层优化框架，并对涉 及的各个智能体进行设计与实现。 最后，结合某氯碱化工企业的实际情况，开发了一个基于智能体的整体优化系 统，并取得了满意的优化结果。 1 。5 本文的结构 本文首先在第二章对当前化工企业各个层次优化做了一个全面的介绍。包括购 销方案优化、生产调度优化、装置操作优化等，并给出了一个化工企业多层优化 框架。对各层次问有相互影响的变量和参数进行分析，以确定各层次问进行协调 的可能性。 第三章论述了化工企业优化研究中常用的优化算法，如单纯形法、迭代动态规 划算法、遗传算法、模拟退火算法等。 第四章对智能体的定义、分类、心智模型、基本结构、智能体相互问的通信语 言k q m l 进行了详细的论述。 第l 章在化j ：企业多层框架的基础上，引入智能体技术，论述了智能体g j - f t f , l ， 各个智能体的作用以及智能体的设计- l 实现。 笫八荸结合某氯碱化l 企、止的实际情况，丌发，。个基j ：智能体的褴体优化系 浙江人学博十学位论文 统，并给出了计算结果。 第七章是本文的结论和展望，主要回顾本文的工作，阐述本文的创新之处，提 出存在的问题以及下一步需要进行的研究工作。 浙江人学博十学位论文 第二章化工企业多层优化框架 2 1 化工企业优化概述 优化( 或称最优化，o p t i m i z a t i o n ) 已经是人们。j 二常熟悉的名词，各行各业的g 二 产和管理都需要优化，在化工企业中也不例外。化工企业一般化的特征是对物质 和能量进行一系列的分配、输送、转换和储存，以及对相应的信息进行处理，由 于这一系列处理以一个相互有关的过程来进行，所以也可称为化工生产过程，整 个过程包括许多设备和装置。以过程形式出现的系统最优化就是在过程所有设备 和装置性能、特点所确定的约束条件下，找出使系统的性能指标p e r f o r m a n c ei n d e x ) 或叫目标函数( o b j e c tf u n c t i o n ) 达到最小( 或最大) 的设备参数或工艺变量。化上企 业凶为包括的设备多，工艺流程复杂，物料品种多，描述系统的参数维数高，所 以它是一个大规模复杂系统，在系统模型的建立、分析以及优化的运算上都存在 一系列的困难，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 建立化工企业大系统的数学模型有较大的困难。从变量的时间特征角度分 析，系统是混杂的( h y b r i ds y s t e m s ) ，系统内既包含连续变量，如：温度、压力、 液位等。同时也包含离散变量，如生产方案的切换、随机事件的引入、调度指令 的下达等。从系统整体结构看，系统是递阶的( h i e r a r c h i c a ls y s t e m s ) ，处于系统顶 层的“生产方案层”，往下分别有“生产调度层”、“装置操作层”。所以，整个系 统是一个具有递阶结构、有人参与、混杂的大系统。 ( 2 ) 对于规模的大化工系统，很难用数学形式准确地描述系统的目标函数。因 为，在化工企业中从不同的角度去考虑问题时，追求的性能指标可能不同，而这 些指标往往又不是那么协调。 ( 3 ) 目前的优化计算，大部分都是针对给定的外界条件、给定的状态参数而言 的，而实际上总是会遇到外界各种因素的干扰，出现各种不确定因素的影响，这 样就影响了优化计算的实用价值。 所以，为了降低求解难度，过去往往把化工企业大系统分成多个子系统，分 别进行求解。化：l 系统的优化步骤可以概括如下： 9 浙江人学1 尊r 十= 学伉论文 f 1 ) 确定系统 选定所研究的范围，也就是系统。它可以是一套生产装置，也可以是多套装 置组成的生产车间，还可以是一个工厂或一个公司。所选取系统的大小决定了优 化后得到的效益，同时也决定了优化求解的难易程度。系统越大，得到的效益就 越好，求解也就更困难。系统小，得到的效益虽小，但求解相对简单。所以，系 统的确定取决丁需要和司能、优化的目标以及当前优化技术的水平。 ( 2 ) 建立优化模型 前面已提到，系统的优化是指系统在满足一定的限制条件下，所要求的目标 达到最优。所以，系统的优化模型包括两个部分：约束方程和目标函数。约束方 程可以分为两类：一类是过程方程，就是对系统过程的描述，一般是根据物料平 衡、能量平衡、过程的物理及化学基本原理建立起来的机理关系式。另一类是由 外界客观原因的要求，加给系统的限制。如原料市场供应的跟制，物流温度不能 超过某个数值或者物流的0 ：量不能低。! 某个下限值等等。 目标函数是将追求的目标与系统的参数关联起来，将目标表示为系统的参数 的函数或泛函数。化工企业各种子系统的优化目标通常有两种：一是从系统得到 指定数量、质量的产品所花费的总费用最小，另一种是系统的总收益最大。 优化模型的建立是化工企业优化过程的关键一步。模型建立的好坏直接影响 优化的结果，所以一个成功的模型，一定要经得起实践的考验。 ( 3 ) 进行优化计算 根据优化模型的特点，选择适当的优化方法，求取在满足所有的约束条件下， 使系统性能指标达到最优的解。经过几十年的优化研究工作，目前常用的优化算 法有：线性规划、非线性规划、动态规划、混合整数线性规划、混合整数非线性 规划，另外对于变量维数多、过程复杂的大系统通常采用的算法有复合形法、随 机搜索法、遗传算法等。 ( 4 ) 优化结果分析 系统进行优化计算后，还需要对优化结果进行分析，主要是进行灵敏度分析。 灵敏度分析就是确定在外界的输入条件发生一定程度的变动时，系统的输出及性 能指标变化情况。一个能够稳定运行的系统一般要求是一个低灵敏度的系统。 ( 5 ) 实施和评价 i i 盍历，婴将优化结果付之实施，通过实施u r 以检验优化模，型和选定的参数的 川辘。以及优化计算的i 1 - 确性。在实施过程中发现新的叫题，找出改进力向， 1 n 浙江人学博十学位论文 进一步完善模型和计算方法，使过程系统取得更大的效益。 化工企业优化的一般步骤如图2 1 所示。 图2 - 1 化l 企业优化的一般步骤 2 2 化工企业优化层次 结合化工企业本身的特点，以及当前化工企业优化的一些成果，从经济管理角 度出发，化工企业优化可以分为系统战略优化、经营方案优化、生产调度优化和 装置操作优化，其问关系如图2 2 。 ( 1 ) 系统战略优化 系统战略优化是指从战略角度出发，根据对市场的评估确定企业发展方向。 例如，确定企业的产品定向、调整企业的设备装置等等各种长期的效应。 ( 2 ) 经营方案优化 根掘企业外部市场需求，原料的价格变动，以及内部生产经营状况，以最大 的经济效益为目标，合理制定生产与经营策略( 包括原料和产品的合理选定) 。通 常指数周乃至数月的中期预测分析。 ( 3 ) 生产调度优化 根抛食业 身的生产能j ，合理安排生产计划。通常指一周或两：j 爿内的矩期 浙江人学博十学位论文 分析。 f 4 ) 装置操作优化 使生产装置在控制稳定的条件下，处于最优的操作条件。 从职能管理部门角度来说，各个优化层次分属于不同的管理部门。系统战略优 化由企业董事会负责，生产方案优化由总经理室、营销部、财务部负责，生产调 度优化由生产部负责，而装置操作优化由具体的生产车问负责。在化工企、当中， 各个部门处于不同的地理位置，企业通过局域网把各个部门联系在一起，这也为 各个优化层次之l 日j 相互通讯打下基础，也为它们之问的相互协调提供了叮能性。 化工企业优化层次的网络关系如图2 3 所示。 2 3 系统战略优化 面对激烈竞争的全球市场环境和加入世贸组织后的各种挑战，各行各、i | ，都加 快了行业调整的步伐，化工行业也不例外。化工企业总的发展思路为。“：旨在节能 降耗，提高装置水平的技术结构调整；扩大企业产品品种、提高应变能力的产品 结构调整；提高企业装置规模和劳动效率的规模结构调整。 ( 1 ) 技术结构调整 技术结构调整的一项重要内容是对传统技术的改造，包括传统技术、装备的 革新、改造，淘汰落后技术装备，通过技术引进和自主丌发，采用国际先进技术 或与国际先进技术水平相当的国内技术，使企业达到具有国际竞争力的经济舰模。 ( 2 ) 产品结构调整 产品结构调整主要指产品结构的多元化、多品种、高质量、深加工。如在氯 碱企业中，产品结构的多元化、多品种主要指在扩大有机原料型氯产品和耗氯精 细化工中间体耗氯比例的基础上，进行多元化、多品种、多品牌、系列化生产。 企业的主导氯产品都需根据市场变化，采用新技术，生产新产品，提高产品质量， 降低消耗。 ( 3 ) 规模结构调整 规模结构调整以企业联合重组、破厂兼并、优化资源配置为支撑点，增强企 业实力，形成能与国际大集团抗衡的有活力的特大型企业。它是技术结构调整和 产r 扎结构调整的基础。 浙 ! 叁堂竖主堂篁丝兰 于系统战略优化的内容涉及的知u 领域极宽，小文1 i j l 以研究。 陶2 - 2 化1 企业优化层次关系图 总经理室 争局优化 营销部 购销方案优化 牛产靴 生产优化 牛产车间 设备装置优化 图2 - 3 化：r 企业优化层次网络关系图 牛产乍问 设备筏置优化 浙江人学博十学位论文 2 4 经营方案优化 对于一个大型的化工企业来说，由于其流程相当复杂，因而产品与产品之间关 系复杂。选用不同的原料，生产不同的产品，所得到的经济效益相差很大。经营 方案优化的目的就是在化工企业捌有的生产资源、市场容量等主客观条件所限定 的范围内，合理选定原料和产品，使获取的经济效益最高。就窄义的角度而言， 也可以称之为购销方案的优化。 2 4 1 购销方案优化模型 针对某一化工企业，处于市场m 条件下，有n p 个化工过程i 种化学品j = l ，n c ，其总体优化目标为利润最大： t j = ( 乃s ：一，1 ，i ) j = 1t v 约束条件为： ( 1 ) 总物料平衡： p + b = s ：+ “吼 j = l ，n c ( 2 1 ) ( 2 2 ) 考虑到任一个化工过程中可能存在着物理变化和化学变化，所以将总物料平衡 建立在质量守恒的基础上，就可以统一写成同样形式，只需增加一个系数x 。表示 物料j 所属化学反应k 的规范计量系数。x ，。的具体形式在求解过程中按照物理过 程和化学过程分别考虑。 ( 2 ) 外购原材料和产品销售约束条件： p ls p isp i j 2 1 一，n c l m ( 2 - 3 ) s ：s j s j 2 4 2 购销方案优化算法 化工企业购销方案优化行之有效的方法为列昂捷夫投入产出法。所谓的投入是 指各种原料、辅助材料、燃料、动力、固定资产和劳动力等消耗：所谓的产出是 指产t 5 的乍广总曼及其分配使h 的去向和数鼍。把投入与产出按其纵横扮扫：张 平衡表l ：从而形成了一张投入产出表。算法的具体! 爻现町参见文献7 8 1 。 4 浙江人学博十学位论文 2 5 生产调度优化 生产调度，或者说是生产过程的组织、管理。工业企业的生产过程，既是产品 的使用价值的形成过程，也是产品价值在生产与增值的过程，要求产出大于投入， 这是工业销i 嚷以生存与发展的物质基础。因此需要对生产过程进行合理的组织、 管理。从这个意义上来说生产调度是指在生产活动范围内资源的分配和利用，就 是围绕企业生产经营目标，对