（系统工程专业论文）开放架构的复杂过程系统建模与优化.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 当 代过程系统朝着更大规模、 更复杂更精确的方向发展。 应承这种趋势， 计 算机建模与优化计算成为系统模拟与分析、过程仿真与优化应用的关键技术之 一，并随着计算机软硬件与网络技术的飞速发展不断完善。 在主流建模技术中， 传统的 序贯模块法在计算与 优化求解方面存在不足， 随 着计算数学理论的发展和计算机软硬件性能的不断提高， 基于严格机理的开放方 程技术逐步成为工业建模研究的发展趋势。 在方程建模理论逐步完善过程中， 如 何结合工业与当前软件技术特点， 更有效的发展方程建模技术及其应用， 成为业 界广泛关注的研究热点。 本文以开放方程建模为背景， 从现有过程工业应用软件技术与工具入手，以 更有效的工程应用为目 标， 在深入分析实际应用中的特点和困难基础上， 探讨如 何结合现代软件技术与过程工业领域的前沿探索， 更迅速有效的把方程建模理论 与实际相结合，使相关软件工具更好更高效的为应用服务。 本文的主要研究工作包括: 1 )系统介绍了当 代复杂过程工业生产特点与 模型化需求， 分析比 较目 前两 种主流建模技术，综述开放方程建模技术的前景与发展趋势，结合当前 过程工业应用现状与现代软件技术，提出 三种把建模与优化计算理论与 工具更有效的与广泛需求结合起来的解决方案. 2 )把结构化与面向 对象思想引入方程建模， 通过h a s h 、内 存镜像等相关技 术辅助，以ma t l a b为平台实现了方程建模工具包o ms m a t ，并以精 馏塔建模实例展示其结构化建模过程。把开放方程建模思想引入当前的 成熟软件工具中， 较好实现了方程建模技术应用扩展。 3 )介绍了当 前应用软件发展的主流方向 基于组件的开放架构， 及其面 向 分布式网 络应用的 面向 服务体系结构s o a 。 从建模优化过程的三个主 要方面技术人员、相关技术与软硬件和实际对象深入分析工业建模 优化软件的局限性与开放需求，提出面向服务的建模与优化计算模式。 a )把面向 服务思想引入目 前仍遵循传统应用模式的建模与优化计算工具 浙江大学硕士学位论文 中，从方程建模工具a s c e n d i v出发，以 新的面向服务的建模优化计 算模式为基础，以a u t o m a t i o n与c o m+ 技术为辅助， 对其进行应用 框架与源码的重构，实现建模优化计算服务引擎a s c e n d s e r v e r 及其分布 式 服务 解决 方案a s c e n d es c o m + ， 并通 过扬子 石 化p t a生产 过 程水系 统平衡数据调和计算实例来验证这种开放架构优化求解服务模式的有效 性。 5 )系统介绍了 过程工程模拟计算规范 c a p e - o p e n ，阐述其规范架构及优 势所在。从c a p e - o p e n还没有实现方程建模的单元操作模块通用化设 计的现状出发，针对方程模型自 身特点，设计了开放方程单元操作模块 接口，并讨论在软件a s c e n d中的集成步骤。 关键词:建模与优化， 开放方程， 面向 服务的开放架构， a s c e n d , c a p e - o p e n, 浙江大学硕士学位论文 ab s t r a c t n o w a d a y s , p r o c e s s s y s t e m s h a v e b e e n i n c r e a s in g l y c h a r a c t e r i z e d b y l a r g e - s c a l e , m o r e c o m p l e x ity a n d h i g h e r a c c u r a c y . wi t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r a n d n e t w o r k t e c h n o l o g y , m o d e l i n g a n d o p t im i z a t i o n t e c h n o l o g i e s h a v e g r o w n i n t o a p p r o p r i a t e m a t u r i ty a n d p l a y a n i m p o r t a n t r o le i n p r o c e s s d e s i g n a n d o p e r a t i o n . a m o n g t h e s e o p e n e q u a t i o n t e c h n i q u e b a s e d o n r i g o r o u s m o d e l in g i s w e l l r e c o g n i z e d a s s t a t e o f a r t s i n p r o c e s s s y s t e m e n g i n e e r i n g . h o w e v e r , l a c k o f o p e n n e s s a n d fl e x i b i l ity h a s b e e n p r o h ib i t i n g s o ft w a r e a n d t o o ls fr o m c o o p e r a t i n g s m o o t h ly a n d e ff e c t iv e l y in f a c e o f l a r g e - s c a l e p r o b l e m s . s o m e n e w a n d e f f i c i e n t a p p r o a c h e s t o m a k e t h e m c o m m u n i c a t i n g a n d w o r k i n g t o g e t h e r e a s i l y a r e h e a v i l y d e m a n d e d . i n t h i s t h e s i s , w e f o c u s o n i n t e g r a t i n g m o d e m s o ft w a re t e c h n o l o g y w i t h m o d e l i n g a n d o p t i m i z a t i o n s o ft w a r e f o r m o re o p e n n e s s , m o re e ff e c t i v e n e s s a n d m o r e fl e x i b i l i ty . t h e ma i n c o n t r i b u t i o n s c o u l d b e s u mma ri z e d a s f o l l o ws : 1 ) t h e m o d e l i n g c h a r a c t e r i s t i c s a n d r e q u i re m e n t s f o r m o d e m p r o c e s s i n d u s t r i e s a re d e s c ri b e d . a n d t h e n t w o p r i m a ry m o d e l i n g t e c h n o l o g i e s a r e d i s c u s s e d a n d c o m p a r e d w i t h e a c h o t h e r . t h e s t a t e o f t h e a r t o f p r o c e s s m o d e l i n g a n d o p t i m i z a t i o n s o f t w a r e i s r e v i e w e d . i t s p o i n t e d o u t t h a t o p e n a r c h i t e c t u r e i s a k e y t o s o l v i n g c o m p l e x p r o b le m s w i t h p r a c t i c a l n e e d s , a n d e ff e c t i v e c o l l a b o r a t i o n b e t w e e n s o ft w a r e i s o f g r e a t i m p o r t a n c e . 2 ) o m s ma t ( o p e n m o d e l i n g s y s t e m t o o l b o x f o r m a t l a b ) w a s d e s i g n e d a n d i m p l e m e n t e d b a s e d o n o b j e c t - o r i e n t a t i o n , h a s h a n d m e m o ry m i r ro r t e c h n o l o g y . s o m e i m p o r t a n t i s s u e s c o n c e rn i n g d e s i g n o f e q u a t i o n - b a s e d s y s t e m , c o n s t r u c t i o n o f a t o m m o d e l , m o d u l e b u i l d i n g , i n h e ri t a n c e , r e u s a b l e c a p a b i l i t y a n d f a s t s e a r c h i n g o n v a r i a b l e s a n d e q u a t i o n s a r e d i s c u s s e d . i t s v a l i d i ty , u s a b i l i ty , e ffic i e n c y a r e i l l u s t r a t e d in s t r u c t u r e d m o d e l in g o f a d i s t i l l a t i o n c o l u mn . 3 ) t h e i d e a o f s o a ( s e r v i c e o r i e n t e d a r c h i t e c t u r e ) i s p r e s e n t e d . b a s e d c o m p o n e n t t e c h n o l o g y , o p t i m i z a t i o n w i t h s o a a n e w a p p l i c a t i o n m o d e o f m o d e l i n g i s p r o p o s e d , w h i c h e n h a n c e s c a p a b i l i t i e s a n d c o l l a b o r a t i o n b e t w e e n s o ft w a r e , a n d m a k e s i n t e g r a t i o n o f a v a r i e ty o f t o o l s . t h e i n t e r f a c i n g p o s s i b l e s e a m l e s s 浙江大学硕士学位论文 4 ) a s c e n d ( a d v a n c e d s y s t e m f o r c o m p u t a t i o n s i n e n g i n e e r i n g d e s i g n ) w as c h o s e n as t h e b as e f o r e q u a t i o n - o r i e n t e d m o d e l i n g . i t s i n h e r e n t s t r u c t u r e , d a t a fl o w , w o r k i n g m o d e a n d c o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e w e r e r e d e f in e d a n d r e c o n s t r u c t e d . w i t h t h e s u p p o rt f r o m a u t o m a t i o n a n d c o w t e c h n o l o g y , a s c e n d s e r v e r a n d a s c e n d c o m + w e r e b u i l t a s t h e c o re s e r v ic e p r o v i d i n g m o d e l i n g a n d o p t i m iz a t i o n f u n c t i o n a l i t i e s . s o m e k e y i s s u e s , s u c h a s c o m p o n e n t i z a t io n , i n t e r f a c e d e s i gn, c o o r d i n a t i o n b e t w e e n p r o c e s s e s a n d c o w a p p l i c a t i o n c o n f ig u r a t i o n a n d d e p l o 外 n g a re d i s c u s s e d i n d e t a i l s . a d a t a r e c o n c i l i a t i o n s y s t e m o f w a t e r c o n s u m p t i o n b a l a n c i n g f o r y a n g z i p e t r o le u m c o m p a n y i s g i v e n t o v e r i f y t h e e ff i c i e n c y a n d f u n c t io n a l i t i e s o f t h e n e w o p e n s t r u c t u r e s e r v i c e 5 ) c a p e - o p e n ( c o m p u t e r - a i d e d p r o c e s s e n g i n e e r i n g o p e n s i m u l a t i o n e n v i r o n m e n t ) , t h e n e x t g e n e r a t i o n o f p ro c e s s s i m u l a t i n g a p p l i c a t i o n s t a n d a r d , i s i n t r o d u c e d . i n c a p e - o p e n 1 .0 v e r s i o n , t h e s p e c i f i c a t i o n o f t h e i n t e r f a c e s n e c e s s a ry f o r a c a p e - o p e n e q u a t i o n - o r i e n t e d u n i t o p e r a t i o n s c o m p o n e n t h as n o t b e e n p ro v i d e d . c a p t u r i n g t h e p h i l o s o p h y o f c a p e - o p e n , u n i t o p e r a t i o n in t e r f a c e o f o p e n - e q u a t i o n a p p r o a c h w a s d e f in e d , a n d i t s i m p l e m e n t a t i o n o n a s c e n d w as d e s i gne d . k e y w o r d s : m o d e l i n g a n d o p t i m iz a t i o n , o p e n - e q u a t i o n , s e r v i c e - o r i e n t e d o p e n a r c h i t e c t u r e , a s c e n d , c a p e - o p e n , ma t l a b 本文工作得到国家重点基础研究发展规划项目 “ 复 杂生产制造过程实时、智能控制与优化理论和方法研 究”( 课题编号: 2 0 0 2 c b 3 1 2 2 0 0 ) 和国家8 6 3 计划/ 现代集 成制造系统技术主题 “ 生产过程操作优化技术及软 件”( 课题编号:2 0 0 2 a a 4 1 2 1 1 0 ) 的联合资助。 致谢 三年的研究生生涯， 短暂却十分充实，一直以来我得到导师邵之江教授给予 的学习上的悉心指导和生活上的热情关怀。 导师敏锐的探索力、 广博的知识、 严 谨的治学态度、 勤恳的工作作风和对新事物新方法孜孜不倦的追求热情一直影响 和激励着我， 这些将使我受益终生。 在本文即将完成之际， 谨向我的恩师表示最 衷心的感谢和最诚挚的敬意飞 我要深深感谢我的家人，尤其是我的母亲，是她一直以来给予的无私理解和 支持，才能使我全身心的投入到学习和工作中。 由衷感谢钱积新教授给予的亲切关心和支持. 衷心感谢王永铭、张仲广、杨洪峰、蒋维、郑小青和邵泉敏等同一课题组的 同学们， 他们与我进行了 许多有益的交流和讨论， 并提出了不少宝贵的意见和建 议。 衷心感谢王慧教授、梁军教授、马龙华副教授、赵均副教授、陈曦副教授、 周立芳副教授、赵豫红副教授和李平教授等诸位老师对我一向的关心和帮助。 感谢邓赤女士在工作和生活上所给予的帮助。 好友杨帆、谷应妮、朱韬析、 夏森纬、陈正源、高枫多年来对我的学习和生 活提供了很大的帮助，在此一并致谢。 感谢同实验室的同学杨洪峰、吴浩、吴军强、 李田鹏、 杨丽莎、王明兴、张 敏惠和熊丽， 两年多来我们共同创造了 和谐的集体氛围， 为本文的工作提供了舒 适的环境。 谨以此文献给所有关心和帮助过我的老师、同学、朋友和家人1 陈韬 2 0 0 5 年3 月 于求是园 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 摘要综述当代复杂过程工业生产特点与过程模型化需求，分析比较目 前的两种主 流建模技术，并讨论现有建模软件的 应用现状、趋势与不足， 最好提出全文的工作 内容 如何结合相关技术，改进现有方程建模工具，推动建模与优化计算与实际 应用更有效的结合，并提出三种可行方案。 1 . 1过程工业发展特点与模型化需求 随着系统工程、综合自 动化及其相关技术的不断进步，当代工业朝着综合生 产， 装置集成与自 动化方向发展。 在过程工业特别是复杂流程系统的发展研究中， 针对过程的建模与优化技术是开展流程模拟、 先进控制和优化的关键技术。 经过 7 , 8 0年代理论与方法的不断完善以及 9 0年代计算机技术的飞速发展，基于计 算机辅助的复杂系统分析和综合成为可能， 过程系统的模型化与优化成为现有装 置设备基础上提升流程工艺效率与性能的主要手段， 也是当前综合应用各个领域 的技术， 对生产进行更好的模拟、 控制与优化， 实现小投资获得大经济效益的有 效途径。 1 . 1 . 1当代过程工业发展的主要特点 当前过程工业包括了石油、化工、 轻工、 制药、 造纸、钢铁等十多个在国民 经济中占主导地位的行业，进 3 0 年来都得到突飞猛进的发展。总的来说，现代 过程工业的发展有如下三个特点: 1 )生产规模更大，对象复杂程度更高。一方面，随着现代生产规模扩大， 工艺和设备复杂程度日益提高，模拟分析与求解所面对的工艺对象规模 越来越庞大，结构更加复杂。以大型乙烯装置为例，仅针对冷区分离序 列采用联立方程技术建立稳态数学模型， 其维数就达到3 8 0 0 0 维以上。 这对建模优化软件的功能、 性能都提出了 更高的要求( k i r k a n d r e a b b o tt , 1 9 9 6 ) 。 另一方面， 新领域、 交叉学科不断拓展， 对系统工程的研究不断 浙江大学硕士学位论文 深入，面向综合集成的企业级模型系统对建模提出更高的要求。它把建 模对象从过去的工艺设备、物理流程扩展到包括人、软硬件以及大系统 环境各因素在内的综合，把过程看作是系统各个部分共同作用的结果。 它的精髓在于强调综合作用， “ 企业”一词旨在说明对象范围的 “ 大、 并不局限于传统意义上的企业单位( c . l i n d h e i m e t a l ., 1 9 9 6 ) 挪威国 家石油公司在其下属气过程车间实施的基于企业模型以节约操作消耗为 目 标的 大 型流 程 重 构， 成 为该 领 域 大型 实 践 探 索 之一 ( c h ri s t e n s e n e t a l ., 1 9 9 5 ) 。 但不难看到， 综合集成对模型集成、 大系统模型求解和计算机辅 助分析模拟与优化提出了更高的要求，复杂程度大大超过以往。其他在 诸如神经网络、模糊预测领域研究中也都存在类似困 难。 2 )更高的精确度要求。传统工业粗放型生产已经被淘汰，在目 前硬件设备 条件有限情况下，通过模拟仿真、优化技术进行更合理的资源管理、控 制与分配，从而提高精确度与利用率最终提升效益和质量，成为当前工 业应用研究的热点问题。 在离线优化技术稳步发展的同时，在线实时优 化的可靠性与实用性也得到很大发展，开始被企业逐步采纳并应用。福 建炼油化工有限公司常压塔上不仅实现了在线优化，而且采用了复杂的 原油蒸馏模型( 张亚乐，1 9 9 7 ) 即是一个典型应用。但由于化工过程高度 复杂，高度非线性以及约束条件复杂，传统方法往往通过大量近似来简 化模型与优化，这给精确度造成了 人为的限制。不断发展现有模型化与 优化技术以适应工业应用需求的现状，对相应的软、硬件也提出了更高 要求。 3 )成熟计算机技术的引入。计算机技术在近2 0 年得到了突飞猛进的发展。 以硬件、软件与网络为核心的计算机应用架构为现代工业的发展提供了 很好的支持。以往必须依靠工业机与大型机的关键环节如今正逐步被性 能优秀的p c 、小型服务器与集群所取代。 在硬件与网络方面， 计算机技 术能适应高精确高稳定要求的核心管理控制环节，也适用于普通办公应 用与技术研发，目 前己经逐渐渗透到不同工业企业的各个部门，计算机 的应用与普及正是企业自 动化与信息化的基础。在软件方面，软件领域 的各项研究成果被广泛应用到各个学科，也成为工业应用领域近年来发 浙江大学硕士学位论文 展的原动力之一。基于计算机的建模与优化、科学计算、 信息集成、 办 公自 动化等软件技术的不断发展，给工业生产提供了更好的研究和应用 软件环境，使得探索与解决更大更深入的问题成为可能。 1 . 1 . 2建模与优化在过程工业中的重要性 从工业特别是过程工业发展趋势我们不难看出， 建模与优化是过程系统工程 领域的核心研究内容 ( 杨友麟， 1 9 8 9 ) ， 也是企业综合自 动化实施中的关键一环。 随着研究的不断深入与产品、 设备工艺的不断更新， 生产的飞速发展与传统的通 过相似模拟、 逐级放大进行过程模拟不能满足需求的矛盾日 益突出。 仅对过程系 统而言，进行数学建模有如下优点: 1 )试验的经济性。在计算机上通过数学模型的模拟与仿真进行试验，可以 省略大量设备和物料消耗，因而比实际装置上试验更加迅速、经济。同 时， 模拟可以 压缩或放大时间刻度，从而使系统特性更易于被观察; 2 )缩短从试验结果放大到生产装置的过程， 减少了一些中间试验环节，大 大缩减新产品、新工艺投入生产的周期; 3 )外延性。在实际系统上有些输入参变量不能变化，或者由 于计量困难不 易于测准，或者某些变化条件实际难以做到。在数学模型上改变或增加 参变量就很方便， 而且可以 计算某些极端条件下的性能， 得到外延信息; 4 )互换性。可以将新的因素或单元操作引进系统而替换老的，以便观察系 统是否协调，提供多方案比较或验证某些对于系统的架设; 5 )研究稳定性与灵敏度。 在数学模型计算中便于实现这些操作，为设计和 生 产 操作某 些 化1 装置 提 供 依 据( i g n a c io e g r o s s m a n n e t a l ， 2 0 0 0 ) 0 通过合理的抽象与数学描述， 实际流程的模型化过程是实现后续分析、 模拟、 控制与优化的前提。 同时由于过程工业的复杂性， 借助计算机技术辅助完成一系 列工作成为必然趋势， 特别是随着工业不断发展至今， 无论在模型化理论研究还 是新技术的应用上，这种需求更加明显。 1 . 2建模相关技术综述 由前所述， 建模与优化技术在过程工业理论研究与实际应用中都具有十分重 浙江大学硕士学位论文 要地位， 对过程进行全面、 准确的建模是进行优化和改造的重要前提。 随着应用 优化技术的发展，通过计算机软件对工业对象进行模拟与优化的优势越来越明 显，工业建模优化技术的研究与应用也日益广泛深入。经过几十年的发展应用， 序贯模块法与方程法成为当前过程工业建模的主要方法。 1 .2 . 1序贯模块法及其软件工具 在两种方法中，序贯模块法( s e q u e n t i a l m o d u l a r m e t h o d ) 经过几十年发展 己 较成熟稳定。 它的基本组成部分是模块， 模块可以 描述物性， 单元操作以及流 程的其他功能特性， 对于特定的对象系统， 可以由 模块像搭积木似的组合起来进 行描述。 序贯模块建模过程源于模块化思想， 模块模型与实际过程之间联系直观， 便于理解与使用; 模块的建立与维护十分方便， 具有较高的通用性、 扩展性和易 重用性，多年来己积累了丰富的单元模块;同时算法设计简单，内存要求低 ( 杨 友麟，1 9 9 5 ) ，发展至今相关技术已 相当成熟， 各种典型单元模块的序贯计算结 构较固定。 长期以来， 在流程模拟尤其是稳态模拟中， 它一直占 有主导地位， 是 目 前为 止应用最广的 模型 化方法( b i e g l e r , l . t . , 1 9 8 2 ) . 但其不足也十分明显:再循环引起的收敛迭代很费时，计算效率低;对于单 元模块来说， 信息的流动方向是固定的， 只能根据模块的输入流股信息计算输出 流股信息; 对于处理过程系统模拟问题， 可能含有三层嵌套迭代 ( 物性计算， 单 元模块计算，断裂流股收敛) ，可以接受的，但对于过程设计和优化问题，求解 过程的迭代循环嵌套高达5 层 ( 如图1 . 1 所示) ，因此序贯模块法在求解系统设 图1 . 1 序贯模块法的迭代循环圈 浙江大学硕士学位论文 计与优化问题时效率大为降低， 外层搜索过程也往往因导数信息严重退化而寻优 失败 ( 李翔，2 0 0 3 ) ， 不适合用于设计与最优化计算。 在目 前的 序贯 模块建 模软件工具中， 主 要包括 a s p e n公司的a s p e n p l u s ( a s p e n p l u s v l 2 , 2 0 0 4 )系列，p r o / i i ( p r o / i i v 7 .0 , 2 0 0 4 )等。 1 .2 .2开放方程法及其软件工具 基于联立方程的开放方程方法 ( e q u a t i o n o r i e n t e d m e t h o d ) ，其基本思想 是联立描述过程模型的主要方程 ( 物性物料、能量、 化学平衡方程， 单元间联结 方程等等) ，形成一大型残差方程组来描述具体对象。即: f ( x, u ) =z x 状态变量向量，包括所有的中间流股变量，产品流股变量等; l 一决策变量向量，包括过程单元设备参数，进料流股变量等: f 一系统模型方程组: z -残差向量。 与序贯模块建模相比较， 开放方程建模的优势主要体现在以 下几个方面: 1 )联立求解，省去嵌套迭代的时间，收敛速度相当快，特别适用于多回路 和 交 互 作 用比 较强的 情 况; 2 )变量指定灵活。只要满足一定的自由条件，未知变量、 独立变量和非独 立变量可以任意指定。同一个模型可以很容易地切换，以适用于不同的 求解需要， 如模拟、优化、 数据处理 ( 粗劣误差检测和数据调和) 、 模型 修正等: 3 )模型扩展容易。由于模型方程具有简单统一的形式，只需简单地加入残 差方程和变量定义即可。不但对于小规模模型适用，而且可以扩充为装 置级或者流程级模型，便于用户扩大模拟任务: 4 )与优化问题联系密切，使模拟问题和优化问 题同时实现，效率高; 5 )便于用统一的优化算法求解。软件接口 简洁，且可以实现模型方程与求 解算法的分离。在求解过程中可以充分利用方程的结构信息 ( 如稀疏性 和解析梯度信息) ， 故优化求解的效率很高， 特别适合与实时在线优化( 叶 峰，2 0 0 2 ) 。 浙江大学硕士学位论文 图1 . 2开放式方程联立解法的循环圈结构 近3 0 年来，开放方程法发展迅速，特别是随着计算机性能的提升与数学分 析、 优化技术的不断发展， 它被广泛讨论并逐渐被认为是复杂过程系统建模未来 发展的主流方向( b a i l e y j .k . e t a l . , 1 9 9 3 ; g a l l u n s . e . e t a l . , 1 9 9 2 ) . 1 9 9 4 年， a r th u r w . w e s t e r b e r g 教授等人从流程与建模方面详细分析了两种建模方法的优劣势， 并 指出 方程模型在高性能计算与优化中不可替代的 地位( a r t h u r w . w e s t e r b e r g e t a l . , 1 9 9 4 ) 。应承这种发展趋势，以开放方程法为主辅以序贯模块描述的建模方法己 经受到人们的 重视( t o l s m a , j .e . e t a l . , 2 0 0 1 ) ， 我们看到在目 前应用最广泛的 序贯 模块建模工具a s p e n p l u s 新版本中 也加入了 对联立方程建模与求解的支持。 近年 来， 人们对开放方程技术的研究与应用日 趋活跃， 不少优秀的方程建模求解工具 被推出，如:a s c e n d , s p e e d u p , q u a s i l i n , t i s f l o - i i 等( 杨冀宏，1 9 8 9 ) . 同时， 在实践中，开放方程建模技术也存在一些具体问题， 例如，形成通用 软件比较困难; 缺乏与实际流程的直观联系; 计算失败后难于诊断; 对初值要求 苛刻;要求计算机性能较高;需要相对可靠的大规模优化算法等。但总的来说， 方程建模方法提出与投入实际应用较晚， 已 有功能模块的模型积累较少， 对计算 机性能与优化技术要求较高这些不足随着相关技术的发展与方法的更广泛应用 都将一步步得到解决。同时， 在传统联立方程法基础上引入其他技术元素， 改善 方程建模自 身的特点， 也成为目 前研究的热点问题， 例如， 通过引入结构化与模 块化思想， 方程模型与实际流程的 联系与易重用性都得到明显提升( t o l s m a , j .e ., 2 0 0 1 ) 。 1 .3建模与优化软件的应用现状、趋势与不足 计算机软件辅助建立和求解模型相关技术的发展主要受到以下几方面的影 浙江大学硕士学位论文 响。 一是人们对复杂问 题建模需求的增加， 二是计算机和求解算法技术的不断发 展， 三是问 题的决策者希望在短期内获得容易理解、 维护和检验的模型， 四是不 断发展的交互式用户图形界面。 这些因素极大促进了建模与优化软件的发展。 近 加 年来，工业自 动化方向下模型化与优化相关技术的进步，己 成为无论 是研究机构还是工业企业在传统工艺基础上消除瓶颈制约， 增效创收的主要环节 之一。 从理论研究与应用发展的角度来看， 在建模、 优化需求与计算机技术的推 动下，模型化与优化的理论与方法都得到了长足的进展，相关软件在功能完善、 新技术集成和用户界面上越做越好，其中优秀的代表有:基于模块建模的 a s p e n p l u s ，科学计算平台m a t l a b ，开放方程建模优化软件a s c e n d 与g a m s 等。 该类软件的主要功能包括: 可以 描述各种数学模型，并提供一种以上的求解 器进行求解和结果输出。 很多求解器都是针对特定的规划问题， 而建模系统则是 用来描述一般性的规划问题。目 前，大多数数学规划软件都有 wi n d o w s 操作系 统下的版本，人机界面友好，模型描述接近于人的自 然语言，很容易寻求帮助， 结果的输出有多种形式， 提供人们习惯的各种数学符号表达形式。 与f o r t r a n , c 十 十 等高级语言使程序员摆脱了繁琐枯燥的汇编码相仿， 建模与优化软件的发展 使建模人员从繁琐的数学表达中解放出来， 用更直观的， 符合人们思维习惯的模 型描述语句， 代替了冗长的数学符号与表达式集。 建模与优化软件的出现给用户 带来了直观， 简洁的建模环境，同时结合大规模优化算法的最新成果， 使用户可 以在不必了解诸多技术细节的情况下， 享受到大规模优化算法带来的巨 大好处。 目前，建模与优化软件的应用领域不断扩大，跨越多个行业与学科，逐渐成 为以 运筹学科为基础， 各个行业广泛投入的一个重要研究领域。 在国外， 此类软 件的开发应用倍受企业、 政府和机构的重视， 在美国至少有近百家不同的公司从 事相关的研究开发和应用 ( r o b e rt f o u r e r e t a l ., 2 0 0 1 ) , 数学规划理论、 算法方面 的最新研究成就与软件的商品化衔接得较好， 能尽快转化到实际应用中去。 遗憾 的是， 我国在商品化和产业化方面与国外相比存在较大差距， 还没有出现可与国 外产品抗衡的具有市场竞争力的工业或者专项流程模拟与过程优化的软件产品。 不过在成熟产品的应用上， 国内己 经开始逐步形成趋势， 也正在探索一条积极吸 收国外先进技术与软件， 适合本国与企业特点的研究与应用的道路。 例如， 福建 炼油化工有限公司常压塔上实现了在线优化， 并采用了复杂的原油蒸馏模型( 张 浙江大学硕士学位论文 亚乐， 1 9 9 7 ) ; 马 谦杰结合我国的 区 域经济的 物流情况， 利用l i n g 。 规 划软 件建 立了 综合的 物流系统优化模型 ( 马谦杰，1 9 9 6 ) ，张锦波使用a s p e n t e c h 公司开 发的p o l y m e r s p l u s 软 件建立h y p o l 工 艺 聚丙 烯 装置 的 静态 和 动态 模型， 较 全 面 地模拟了中国石化股份有限公司广州公司 7万吨/ 年聚丙烯装置的聚合过程和 主要流程， 并利用该模型于 2 0 0 2 年下半年及2 0 0 3 年明显提高了产量取得了较好 的经济效益( 张锦波等，2 0 0 4 ) 。 虽然建模计算软件自 身不断完善， 成熟模型积累日 益丰富， 优化算法发展稳 定并向 大规模与高精确度方向不断深入， 他们与实际工业过程、 科学研究相结合 的步伐仍然缓慢。 近十多年来， 虽然有了 一些成功的应用和工业实践， 但总的来 说结合的深度与广度都不够， 这就形成了一方面是各方面模型化、 优化与高性能 计算需求不断扩大， 而另一方面技术与软件自 身不断发展， 却没能很好适应需求 更广泛的投入到应用中去的矛盾。 其中的原因很多， 但主要是由大规模工业与复 杂过程系统自身特点决定的。构成一个完整建模优化解决方案的基本要素有三 点: 技术人员， 相关技术与软硬件， 实际对象。 因此在适应实际对象特点的基础 上， 我们应该从工具手段即相关技术与软硬件方面入手， 使问题在高质量基础上 更高效的解决。 第三章中我们将详细描述上述三点基本要素间关系与目 前的局限 性，并提出从根本上解决其不足的方案。 在优化计算方面，单个处理器计算能力是有限的，不能满足大规模应用增长 的需要。 将已 有的串行算法改造为并行化设计， 或者重新构造并行算法， 是在硬 件条件有限情况下充分利用系统处理能力的一种有效解决方案。 同时， 网络技术 的成熟使工作站网络( 或集群) 以廉价的形态出现在并行处理系统行业， 伴随着需 求不断增长， 该领域得到迅速发展， 并成功与大规模优化计算相结合， 其中典型 的 应用 如基于i n t e r n e t 的n u g 3 0 问 题 ( m e t a n e o s 项目 ， 1 9 9 8 ) 、 候选病毒药 物计 算的d 2 0 l 项目( d 2 0 l 项目 ， 2 0 0 0 ) . r o b e rt f o u r e r 等于2 0 0 0 年对优化应用网 络化的发展做了全面的概括( r o b e rt f o u r e r e t a l ., 2 0 0 0 ) 。分布式计算引出的关键 技术难点就是大问题的分解与多节点上众多软件工具的协同合作， 而这两个问题 在现有的工业软件架构中实现起来相当困难。目 前， 移动计算开始引领人们进入 生活与计算的无缝时代，始于2 0 0 0 年由 美国国防部与m i t 计算实验室合作的大 型项目“ 氧气” 计划 ( p r o j e c t o x y g e n 项目， 2 0 0 0 ) ,旨 在实现 “ 计算无所不在” 浙江大学硕士学位论文 的美好未来。 这种复杂而美好的目 标， 正是各种相关的开放软、 硬件无缝协作的 完美架构，也预示着下一代优化计算软件的必将趋向更开放。 虽然在技术与应用上的不足还很多， 但综合现代建模与优化计算技术与计算 机、 软件与网 络相关技术为一体， 互补不足， 为各个领域特别是流程工业提供更 好更方便的服务是一种必然趋势。 而工业特别是过程工业的特点不允许我们盲目 集成， 必须以稳定为基础，高质量为保证，高效为目标层层推进。 这就给我们提 出了一个新的课题: 如何在现有技术与产业基础上， 结合计算机技术更好的发展 现有建模优化计算软件技术， 把模型化优化计算更有效的与需求结合起来， 解决 需求与实际应用间的矛盾，更好的把理论与实际相结合。 1 .4如何更有效的建模与优化 计算机技术在近 2 0年来的突飞猛进使其成为目 前各个学科领域不可缺少的 辅助工具。 而如何把它更好的结合到目 前逐渐稳定并迈向成熟的数学规划领域特 别是方程建模与优化技术中来， 使之更好的发展， 是值得深入探索的问题。 工业 领域的特点决定了每一步摸索和改进都比其他常规领域的技术淘汰更新消耗多 得多的时间与精力， 因此国内要在现有建模与优化软件研究与应用领域得到更好 地发展， 完全抛开国外已有先进成果而自 行开发是不现实的。 结合当前工业应用 特点与现代计算机软硬件技术的发展状况， 我们认为有三种有效的改进方式。 1 :41初级模式:把开放方程建模思想引入现有软件 由于开放方程建模技术的研究与应用起步较晚，目 前该领域的主流软件在用 户界面交互设计、 成熟模型积累以 及应用成功经验上都显得不足， 这也给更好的 推广带来困难。 已 有的序贯建模、 优化计算软件中不乏优秀之作并得到广泛使用 与认可， 主要的用户群已形成相当的使用习惯， 要引导大家接受新的建模思想与 软件工具有一定困难。 因此我们期望能够在己 有成熟软件中引入开放方程建模思 想，让用户在使用这类软件过程中接触并感受方程模型化与优化计算的优势所 在，并 最终接受 支持它。 在a s p e n p l u s 的 新版本中， a s p e n 公司已 经 在序贯建模 中引入了方程化思想， 并通过序贯模块与残差方程联合建模完成大的实例， 在整 个问题解决过程中突出了方程模型在求解与优化上的巨大优势， 是结合两种主流 浙江大学硕士学位论文 方法进行工业应用的典范， 同时也代表了主流序贯建模工具对方程模型技术的接 纳与肯定。 而在目 前主流建模优化与计算软件中引入方程建模的思想与工具包， 对该软 件有较强的开放性要求即要求该软件或所属公司能够提供开放的软件接口， 供他人主动编写可以简单与整个软件环境集成的工具包。 在诸多软件中， 科学计 算环境m a t l a b在开放需求与工程领域的广泛使用上都十分优秀，因此我们选 择 m a t l a b为实现平台，在第二章中重点讨论如何把开放方程建模思想引入 m a tl ab. 1 .4 .2高级模式:基于开放架构、面向服务的方程建模优化 当代软件技术正逐步向分布式、多层组件结构发展， 这也是适应计算机网络 日 益普及发展与大型的企业级应用需求不断扩大的必然趋势。 在开放架构软件设 计与实现技术中，面向服务的设计思想在企业级应用中得到有效验证并积极实 施，以i b m公司为代表的企业级软件服务应用解决方案提供商，已将面向服务 的体系结构s o a作为下一代软件产品的开发方向。 在建模优化与计算领域中， 依托网络技术的蓬勃发展， 以往不少局限于大型、 中型机以及高性能服务器的计算与建模优化任务，在相关技术的推动下在集群、 网格环境中得以解决， 而其中关键特性就是开放。 另一方面， 复杂算法与求解器 的价格昂贵， 而大部分有需要的用户对其的需求次数及其有限， 传统的授权方式 有待改变。 因 此从需求与技