（化学工程专业论文）智能体技术在化工企业多层次优化系统中的应用研究.pdf

浙江人学删l 学位论文智能体技术t l ：化t 企业多层次优化系统中的庸用研究 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间，获取更好的经济 效益，从而保持在竞争中的优势。 化工生产过程的优化与控制具有建模难，规模大，干扰多的特点。 本文从化工企业的优化问题分析入手，引入智能体以及多智能体技 术，研究了基于智能体技术的化工企业多层次优化系统的设计问题。 在系统中，智能体被分层配置，彼此协调完成复杂的优化功能。通过 引入协调参数解决了智能体之间的协调问题，并设计了智能体之间的 通信机制。文章介绍了应用智能体技术设计化工企业多目标优化整合 的可视化软件的总体思路和具体的设计过程，给出了软件应用的实 例，分析了应用的效果。实践表明，该系统为化工生产计划调度中的 多层次多目标优化问题提供了良好的解决方案。 关键词：化工过程；智能体；多层次多目标；优化与控制；计划调 度系统； 囊汪天学簸l 掌经论曼警毙俸技术务纯王垒照多嫠浚往托系统孛熬艨羽疆究 a b s t r a c t t h e o p t i m i z a t i o n o f p l a n n i n gs c h e d u l i n gs y s t e m o f p r o d u c i n g p r o c e s si nc h e m i c a lc o m p l e xw a ss t u d i e d w i t hd i s t r i b u t e dm o d e t h e p r o c e s sp l a n n i n gs c h e d u l i n gs y s t e m s b a s e do n a g e n t s r e a l i z e dt h e c o m p l e xo p t i m i z a t i o n f u n c t i o nt h r o u g ht h ec o m m u n i c a t i o n so fa g e n t s a n dw i t ht h ei n t e r v e n t i o no fh u m a n b e i n g s ，t h es y s t e mc o u l d w e l ls o l v e t h ep r o b l e n a o f o p t i m i z a t i o n 。t h ea t t e n t i o n w a s p a i d t ot h es t r u c t u r eo f t h e p l a n n i n gs c h e d u l i n gs y s t e m s ，a n dt h e c o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s ma n d c o o p e r a t i o nr u l e w a sd e s i g n e d ，s ot h a tag o o ds o l u t i o nf o rc h e m i c a l p r o c e s sp l a n n i n gs c h e d u l i n g w a so b t a i n e d 。 k e y w o r d s ： c h e m i c a lp r o c e s s ；a g e n t ；m u l t i l a y e ra n dm u l t i o b j e c t i v e s ；o p t i m i z a t i o n a n d c o n t r o l ；p l a n n i n gs c h e d u l i n gs y s t e m ； v 瀑汪太掌颤l ：学虢论文一一智齄捧技末谯纯1 “众鼗多釜凌撬纯系统孛辩绒臻臻究 第一章绪论 本章主要介绍奉篇论文从事研究的背景、课题的意义、研究的目 标和主要内容，以及论文的组织结构 1 1 零| 言 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 得降低生产成本，提高产品和缩短市场响成时问，以获得更好的经济效益，从而 镶黪在竞争中夔毯势。纯王：遂程谤翅诱发系绫跫往工企翌中壁i 产溪麓的缝织霸警 理中心，通过对生产滔瀚的分析和往纯，以邋应市场变纯，降低生产成本，实现 企业效益最大化。 化工生产过程的优化与控制具有建模难、规模大、干扰多的特点，为了降低 控制滚度，一般进行分艨分组处理。顶层跫众滚程优纯模块，完成整令流程的生 产任务静分辑与弪副。下袋莛届郝流程魏纯羧块，主要是生产滚穗子擎元懿饶纯 和控制。这些局部流程优化模块常常分布在念业的不同地点，协同完成整个生产 流程的优化。 镭能体以及多智能体技术( m u l t i - a g e n tt e c h n o l o g y ) 是人工镏能领域迅速发 葳越柬豹蓑兴技术。国予多餐艇葵系统爨磐耱 摹求薅、阚霆攘逡鑫然、可敬鬟爱 现肖软件系统集成等优悫，已成为人工智能领域的研究热点。遥年来，一些研究 人煽对多智能体技术在企业组织和管理应用领域进行了研究，并取得了比较可观 的结果。基于此方面的认识，本文将引入多智能体技术来构建生产计划调度系统， 鸯效竞骚谯化和控制过程中的闻题。基于智体的系统将大既复杂冁对象用较，l 、 瓣彼诧遥强协诵静多个餐毵体来组成，它鑫然支持分森式结稳，对原有熬软 孛系 统能方便集成，突出了人的参与性，可为化工生产计划调度提供良好的解决方案。 浙江人学坝i + 学位论文一智能体技术矗化工企业多层次优化系统中的应用研究 1 2 课题概况 本文从化工企业优化问题入手，以智能体和多智能体技术应用为切入点，尝 试将智能体技术应用于化工企业的多层次多目标优化问题。在对化工企业优化问 题和智能体技术进行了初步介绍以后，本文先从理论的角度分析了基于多智能体 的化工企业生产计划调度系统的分析与设计问题的可行性，接着通过具体的实例 介绍应用智能体技术设计开发流程生产多目标优化整合的可视化软件的总体思 路和具体的设计过程，最后给出了软件在化工企业的实际应用结果。 1 3 本文的结构 本文主要分为六个部分： 第一章概括叙述了本文的选题背景和研究内容。 第二章主要介绍化工企业优化技术的发展概况，化工企业常用的优化方法， 以及化工企业优化的一般步骤。 第三章主要介绍智能体的概念，智能体的应用及其优点，智能体技术在相关 领域的应用以及多智能体技术的应用。 第四章从理论的角度进行了基于多智能体的化工企业生产计划调度系统的 分析与设计，提出了设计的思路。 第五章主要介绍了应用智能体技术设计化工企业多目标优化整合的可视化 软件的总体思路和具体的设计过程。 第六章给出了软件应用的实例，分析了应用的效果。 第七章是本文的结论和展望，主要回顾总结了本文的工作，并提出了进一步 研究的思路。 浙江人学倾i j 学位论文智能体技术枉化t 企业多层次优化系统中的应用研究 第二章化工企业优化技术概述 本章主要介绍4 5 3 - 企业优化技术的发展概况，化工企业常用的优 化方法，以及化工企业优化的一般步骤 2 1 化工企业优化技术概述 优化( 或称最优化，o p t i m i z a t i o n ) 已经是人们非常熟悉的名词，各行各业的生 产和管理都需要优化，在化工企业中也不例外。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1 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 同益加剧，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 化工企业优化技术的实用时期( 7 0 年代) 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 塑兰叁差篓! 兰簦釜苎= 鳖鳖堡垫垄垒堡三垒些墨篓盗笾垡至竺! 堕堕薹盥堕生一 优化技术作为化 - 过程系统工程的一部分，也得到了酱及推广，同时得到不断完 善和发展。 4 纯工企1 2 先进优化投米的发震霾搴黼( 9 0 年代) 到了9 0 年代，企业之间的竞争更加激烈，企业局部的优化技术已不能适应 企业向更大规模的发展，众业只能进行整体的优化，彳能取得更好朗经济效益。 出予化工企渡盼复杂往，传统的一些德纯技术不能滋行整体茯讫瓣求解，久翻只 能开发更先i 挠的优化方法，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。 2 2 化工企业优化方法 我们知j 麓，对于一个优化问题，在数学模型建立以后，下一步工作就是根据 所求解问题的优化模型的特点，选择邋当的优化方法。在化工企业优化研究中， 凝撂往诧壤黧豹不露，霹分为线装筑翅( l p ) 、 线羧烧翔( n l p ) 、溯惫援翻p p ) 、 混合整数非线性规划( m i n l p ) 等类型，针对不同的粪型有着不同的优化方法。 2 3 纯工企垃优化的般步骤 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，以及对楣应的信息避行处理，出予这一系列处联以一个相互有关的过程泉进 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嚣。以过程形式蹬 现的系统最优化就是在过程所有设备和裴置性能、特点所确定的约束条件下，找 出健系统熬性能指标( p e r f o m a a n c ei n d e x ) 或n q 嚣标濑数( 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= i = 慧变量。化工企业因为包括的设备多，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 型靛建立、分摄以及谯能的运算上都襻在一系列熬翻难，主要体现在良下几个方 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 分辑，系绞怒混杂麴( h y b r i ds y s t e m s ) ，系统内溉题含连续变量，翅：湿度、匿力、 液位等。同时也包含离散变量，如生产方案的切换、随机事件的霉l 入、调度搔令 浙江人学坝f 。学位论殳智能体技术n 化t 企业多层次优化系统中的应用研究 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“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。化工系统的优化步骤可以概括如下： ( 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 蜀组成的生产车问，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 统的确定取决于需要和可能、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。如原料市场供应的限制，物流温度不能 超过某个数值或者物流的流量不能低于某个下限值等等。 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。 优化模裂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。 浙江人学坝l 学位论文智能体技术舟化t 企业多层次优化系统中的戍用研究 ( 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 最后，要将优化结果付之实施，通过实施可以检验优化模型和选定的参数的 可靠性，以及优化计算的正确性。在实施过程中发现新的问题，找出改进方向， 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 化工企业优化的一般步骤 6 浙江人学埘l 学位论文智能体技术托化工企业多层次优化系统中的心用研究 第三章智能体技术 本章主要介绍智能体的概念，智能体的应用及其优点，智能体技 术在相关领域的应用以及多智能体技术的应用 智能体在a i d a i 和当前主流计算机学科( 如分布式计算) 中正成为一个广 泛使用、日益重要的关键性概念。由此而产生了一系列新的思想、方法、技术和 语言用以规范、验证、设计和实现复杂的分布式软件系统，如基于智能体的软件 工程( a b s e ) ，面向智能体的程序设计( a o p ) ，智能体通讯语言( a c l ) 等等。这些 思想、方法、技术和语言的提出和应用极大地丰富了软件开发方法和技术，促进 了复杂分布式软件系统的开发，推动了相关主流计算机学科的发展。今天，软件 系统日益复杂和庞大，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 ) 被认为是促进 软件丌发、克服软件危机的一个重要突破口，因而有关智能体理论和技术的研究 和应用在学术界和工业界引起了人们的高度重视和极大兴趣。 智能体的理论研究可追溯到6 0 年代，当时的研究侧重于讨论作为信息载体 的智能体在描述信息和知识方面所具有的特性。直到8 0 年代中后期，由于智能 体技术的广泛应用以及在实际应用中面临的种种问题，智能体的理论研究才得到 人们的重视，并于1 9 9 3 年首次召开了智能体形式化模型的国际会议，于1 9 9 4 年 召开了第一届智能体理论、体系结构和语言的国际会议。智能体的理论研究试图 解决三方面的问题：( 1 ) 什么是智能体? ( 2 ) 智能体具有哪些特性? ( 3 ) o n 何采用形 式化的方式描述和研究智能体的这些特性? 它的研究旨在澄清智能体的概念。分 析、描述和验证智能体的有关特性，从而来指导智能体体系结构和a o p 的设计 和研究，促进复杂软件系统的开发。 3 1 智能体的概念 同智能概念问题一样，智能体概念亦是目前引起人们广泛争论的问题之一。 一方面，智能体是当前使用最为广泛的术语之一，但其含义通常随应用环境的变 化而不同，要形成一个统一的、能为大家所接受的概念是非常困准的；另一方面， 浙t i ：大学倾i 学位论文智能体技术钟化t 企业多层次优化系统中的麻用研究 智能体通常被认为具有某种智能特征，但对于什么是智能目前仍无+ 致的认识。 在a i 领域，一个能为大部分研究人员所接受的定义是将智能体看作是在单一环 境中持续自主发挥作用、有生命周期的计算实体。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。它具有以下特征： 自治性( a u t o n o m y ) ：智能体不在人的直接干预下，对自己的行为和状念进 行某些控制。 社会性( s o c i a la b i l i t y ) ：智能体能够借助某些环境通讯语言同其他智能体进 行交互。 反应性( r e a c t i v i t y ) ：智能体能够感知它所有的环境，对发生在其中的变化 做出及时反应。 主动性( p r o a c t i v i t y ) ：智能体不仅对环境做出被动反应，而且还能为达到 某些目标采取主动行动。 3 2 智能体的优点 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据资源，而这些实 体在物理或逻辑上分布分散，并且需要相互协作以解决问题时，利用智能体技术 能加以解决。此类问题只要把现实世界的实体和它们之间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，通过相互间的协调合作来共同完成任务。这也避免了为解决大 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 ) 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。为满足日益变化 的需求，需不断地修改软件。但随着时间的推移，修改软件非常困难，若弃之不 用而完全重写，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，把它们集成到一个大的协作群体中，通过 相互间的协作，满足企业不断变化的需求。 浙江人学坝卜学位论文智能体技术杠：化t 企业多层次优化系统中的应闹研究 ( 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。 3 3 智能体的应用 近几年，随蓑智能体技术的发展，它已被应用到许多领域，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。 3 4 智能体技术与相关领域的关系 3 4 1 智能体与人工智能( a i ) 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，人工智能中的智 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：它能根据环境等因素决定下一步要执行的动作， 也就是说，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据具 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柬求解 的。 9 浙大学砸i 学位论文智能体技术在化工企业多层次优化系统中的麻用甜究 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谚 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，到目前为止已建立许多成 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，也就是况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。 3 4 3 智能体与面向对象技术( 0 0 t ) 面向对象( 0 0 ) 技术现已成为软件开发的主流技术，它已得到了广泛的应用。 s h o h a m 就是在面向对象程序设计( o o p ) 的基础上提出了面向智能体的程序设计 ( 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 的观点，两者还是有 所区别。o o p 的最基本特征之一是“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，也就是说同时“封装”了对象的内部状态和行为。 3 5 多智能体技术的应用 3 5 1 多智能体系统 多智能体系统是当今人工智能中的前沿学科，是分布式人：i 二智能研究的一一个 重要分支，其目标是特大的复杂系统( 软硬件系统) 建造成小的、彼此相互通讯及 协调的、易于管理的系统。多智能体的研究涉及智能体的知识、目标、技能、规 划以及如何使智能体协调行动解决问题等。多智能体系统的应用研究开始于2 0 世纪8 0 年代中期，近几年呈明显增长的趋势。多智能体技术已成为当今人工智 能研究的热点之一。 在复杂实时动念环境下，由于存在时间约束和资源约束，需要解决智能体系 浙江大学倾i 学位论义智能体技术在化t 企业多层次优化系统中的心用到f 究 统在有限时间，有限资源的情况下的资源分配，任务调度，行为协调，冲突消解 等协调合作问题。因而多智能体系统研究的重点在于使功能独立的智能体通过协 商，协调，和协作，完成复杂的控制任务或解决复杂的问题。因而对于多智能体 系统的研究，重点在于结合实际应用系统，对于其协作的环境，协作模型和协作 机制进行深入的分析和设计。 3 5 2 多智能体技术 多智能体系统是l 土i 多个可计算的智能体组成的集合，其中每个智能体是一个 物理的或抽象的实体，能作用于自身和环境，并与其它智能体通讯。多智能体技 术是人工智能技术的一次质的飞跃，首先，通过智能体之间的通讯，可以开发新 的规划或求解方法，用以处理不完全、不确定的知识；其次，通过智能体之间的 协作，不仅改善了每个智能体的基本能力，而且可从智能体的交互中进一步理解 社会行为：最后，可以用模块化风格来组织系统。如果说模拟人是单智能体的目 标，那么模拟人类社会则是多智能体系统的最终目标。 多智能体技术具有自主性、分布性、协调性，并具有自组织能力、学习能力 和推理能力。采用多智能体系统解决实际应用问题，具有很强的鲁棒性和可靠性， 并具有较高的问题求解效率。多智能体技术打破了目前知识工程领域的一个限 制，即仅使用一个专家，因而可完成大的复杂系统的作业任务。多智能体技术在 表达实际系统时，通过各智能体间的通讯、合作、互解、协调、调度、管理及控 制来表达系统的结构、功能及行为特性。由于在同一个多智能体系统中各智能体 可以异构，因此多智能体技术对于复杂系统具有无可比拟的表达力，它为各种实 际系统提供了一一种统一的模型，从而为各种实际系统的研究提供了一种统一的框 架，其应用领域十分广阔，具有潜在的巨大市场。 3 5 3 多智能体技术的应用 多智能体技术可应用于智能机器人、交通控制、柔性制造、协调专家系统、 分布式监控预测及诊断、分布式智能决策、软件丌发、虚拟现实、网络自动化与 智能化、分布式计算、产品设计、商业管理、网络化的办公自动化、网络化计算 机辅助教学及医疗、控制等领域。下面简单说明多智能体技术在一些领域的应用： 浙江人学坝f ：学位论文智能体技术扑：化工企业多层次优化系统中的麻用研究 一、智能机器人 目前，美国、英国、法国和澳大利亚等国家都在从事该方向的研究，我国也 将这方面的研究列入国防科工委“八五”预研项目。在智能机器人中，信息集成 和协调是一项关键性技术，它直接关系到机器人的性能和智能化程度。一个智能 机器人应包括多种信息处理子系统，如二维或三维视觉处理、信息融合、规划决 策以及自动驾驶等。各子系统是相互依赖、互为条件的，它们需要共享信息、相 互协调，= ； 1 能有效地完成总体任务，其目标是用来结合、协调、集成智能机器人 系统的各种关键技术及功能予系统，使之成为一个整体以执行各种自主任务。 在多机器人系统中，当多个机器人同时从事同一项或多项工作时，很容易出现冲 突。利用多智能体鼓术，将每个机器人作为一个智能体，建立多智能体机器人协 调系统，可实现多个机器人的相互协调与合作，完成复杂的并行作业任务。 二、交通控制 由于交通控制拓扑结构的分布式特性，使其很适合于应用多智能体技术，尤 其对于具有剧烈变化的交通情况( 如交通事故) ，多智能体的分布式处理和协调技 术更为适合。多智能体技术应用于其它交通控制系统，主要有飞行交通控制 ( a t c ) 、铁路交通控制( r t c ) 和海洋交通控制( m t c ) 。 三、柔性制造 多智能体技术可表示制造系统，并为解决动态问题的复杂性和不确定性提供 新的思路。如在制造系统中，各加工单元可看作智能体，从而使加工过程构成一 个半自治的多智能体制造系统，完成单元内加工任务的监督和控制。多智能体技 术可用于制造系统的调度和制造过程中的分布式控制。 四、协调专家系统 对于复杂的问题，采用单一的专家系统往往不能满足要求，需要通过多个专 家系统协作，共同解决问题。利用多智能体技术，可实现多专家系统的协调求解。 五、网络自动化与智能化 ( 1 ) 网络管理利用多智能体一致性的组织、表示、通信等特点，通过定 义不同类别的智能体，可构成网络的不同智能成员( 包括网络单元智能体、管理 对象智能体和操作系统智能体) ，实现网络管理。基于智能体的网络管理方法具 有以下特点：1 ) 网络能主动地分析和推理，给网络管理注入了智能化的功能；2 ) 浙江人学顺j 学位论文智能体技术神：化工企业多层次优化系统中的应用研究 智能体的通信语法简洁、有效，使网络具有简单、有效、标准的通信协议：3 ) 具有较好的开放性和扩充能力，能扩展网络管理的结构和功能；4 ) 网络具有一定 的智能决策能力，智能体能根据自身的知识和状念做出合理的选择。 ( 2 ) 网络协同化智能体技术具有在i n t e r n e t 上的协调功能，通过采用 u n i x 命令实现用户在i n t e r n e t 上广泛的协调。将智能体技术与i n t e r n e t 技术 相结合，建立基于客户服务器的智能体结构，可实现用w w w 开发计算机支持的 协同工作( c s c w ) ，建立一个以w w w 为基础、以一组协同工作的智能体为核心的应 用环境亿a w ) ，达到在网络环境下更好地支持用户之间的协同 ：作。在i n t e r n e t 和i n t r a n e t 中，通过采用c a w 可实现w e b 要素之间的协同作用、异构资源的一 体化信息检索。w e b 服务器之问通过智能体主动地通信，可以解决w e b 站点负载 过重的问题。 ( 3 ) 网络信息处理软件智能体是指活动于软件环境中的智能体，它通过 下达命令和分析环境反馈同环境进行交互。利用软件，g e n t 技术，可对i n t e r n e t 这一规模庞大、极度异质、高度动态的软件环境实现信息的收集、检索、分析、 综合，从而实现高度智能行为的信息处理手段。 六、分式布计算进入2 0 世纪9 0 年代后，用户迫切希望在网络上建立更 为丰富的分布式应用，不仅能实现数据共享，而且能实现各计算实体的协同工作。 分布式计算成为影响计算机技术发展的关键技术，其目标是实现分散对等的协同 计算。多智能体技术为实现这种方法提供了新的途径，基于智能体的计算是下一 代软件开发的突破口。用多智能体技术建立分布式计算环境的基本目标是建立各 种客户服务器应用，其核心是基于智能体的服务请求代理机制，它分为两部分： 1 ) 客户环境：由客户应用和服务请求智能体组成；2 ) 服务环境：由一组服务智能 体组成。客户应用通过本地的服务请求智能体访问服务智能体，服务请求智能体 使得客户应用所需的异地服务如同发生在本地一样。 浙江人学坝1 ：学位论文智能体技术祚化r ：企业多层次优化系统中的心用研究 第四章基于智能体的化工过程计划调度系统研究 本章从理论的角度进行了基于多智能体的化工企业生产计划调 度系统的分析与设计 4 1 系统结构 基于智能体的化工企业生产计划调度系统结构如图4 1 示。在根据市场制定 生产任务后，生产计划调度系统根据生产任务控制和优化生产过程，提高企业效 益。本系统包括一个全局优化智能体，一个知识库智能体和若干个局部流程优化 智能体。生产任务指令下达给全局优化智能体，全局优化智能体分析任务，控制 全流程的生产任务实施。局部优化智能体在全局优化智能体的控制下，优化控制 本单元的生产过程，它一般包括两大类优化操作单元，一类是具体的加工设备 存储设备的优化操作，另一类是在生产方案构成和物料平衡中起重要作用的混合 点及分流点的优化操作。知识库智能体为所有的智能体提供数据存储和交换场 所，并实现部分数据分析处理任务。部分外界环境如市场的信息也可存储在知识 库智能体。 图4 - 1 基于智能体的生产计划调度系统 浙江人学删i 。学位论文智能体技术在化工企业多层次优化系统中的麻用研究 4 1 1 全局优化智能体的设计 全局优化智能体是整个系统中的管理者和监控者，也是各局部优化智能体协同 工作的组织者。它收到生产任务指令后，对生产任务做出分析，并控制局部优化 智能体的优化求解。它需要两类知识：一类是生产流程整体分析、优化调度知识； 一类是各局部优化智能体的组织结构信息。后者对于整个智能体系统的有效协同 工作起重要作用。全局优化智能体信息模块完成局部信息的存储和信息的传递， 协调模块是全局智能体的核心部分，完成对局部智能体的控制和协调功能。如图 4 2 示。 图4 - 2 全局优化智能体结构图 4 1 2 局部优化智能体的设计 局部优化智能体完成局部生产流程的分析和优化调度，其结构如图4 - 3 所示。 它具有局部生产流程的分析优化知识，能独立完成局部流程的生产分析和优化调 度任务。局部优化智能体数据库单元存储局部数据信息，提供控制模块完成核心 优化调度功能，通讯控制模块完成信息的传递。 局部生产过程优化模块是局部优化智能体的功能核心。它完成局部流程的预 测、分析和优化。它分为过程仿真模型和分析、优化模块两部分。仿真模型是局 部优化智能体预测、分析、优化局部生产过程的基础。由通用模型对象接口和嵌 入的外部仿真程序组成。这种结构使局部优化智能体具有了适用性和开放性，便 于建立特定生产过程的局部优化智能体。 浙江人学埘卜学位论文智能体技术礼化t 企业多层次优化系统中的应用研究 图4 - 3 局部优化智能体结构图 4 1 3 知识库智能体设计 知识库智能体主要提供其他智能体之间数据交换场所。全局数据以及局部优 化智能体需要应用或传递出去的数掘信息都可以存储在知识库智能体中，各智能 体的部分交互信息也可以通过知识库智能体传递。在生产计划调度系统中，有大 量的数据需要存储和交流，采用公共知识库智能体进行数据通讯和存储，大大简 化了系统的设计，提高了系统执行效率。同时，知识库智能体还接受外部环境的 信息，提供给有需要的智能体。知识库智能体另外一个功能是对数据做简单的分 析和处理，所得到的结果直接即可利用，或传递给其他有需要的智能体。 4 2 系统实现 基于智能体的生产计划调度系统的设计和实现中的重点包括通讯和协作等 问题。本系统通过公共知识库智能体进行数据的存储和通讯。而各智能体之间还 有控制信息的传递，这个功能通过全局优化智能体实现。全局优化智能体作为管 理者和控制者，它建立组织结构信息描述各局部优化智能体的特征及相互关系， 并通过控制信息协调各局部优化智能体的运行，以实现协作。本系统建立一个通 信机制，保证各智能体之间信息传递及时性和可靠性。 4 2 1 公共知识库智能体 生产分析数据和系统组织结构信息都存储在公共知识库智能体的相应数据 浙江人学坝i 。学位沦文智能体技术在化丁企业多层次优化系统中的应用研究 表中。 ( 1 ) 生产分析数据。存储生产分析数据的数据表包括：生产流程数据表、仿 真信息表、参数配置表、生产原料表、生产计划表等。生产分析数据包括计划和 生产两部分。前者指实际生产计划或待选择的生产计划方案，后者指实际的生产 进行情况。根据这些数据，可以进行生产过程分析及优化计划调度。 ( 2 ) 系统组织结构信息。系统组织结构信息是指各智能体自身的功能和结构信 息及相互关系。在本系统中，它包括各局部优化智能体管理的局部流程信息及各 局部流程的连接关系。前者存储在装置信息表中，后者存储在连接关系表中。通 过这些信息，全局优化智能体可组织和协调各局部优化智能体之间的工作。 4 2 2 全局优化智能体的控制与协调 在多层次优化智能体中，全局优化智能体接受到生产任务指令后，分析生产 任务，对局部优化智能体发布优化指令，并控制协调局部优化智能体的执行过程。 由于各个局部智能体的约束不同，一开始必然存在冲突，所以在系统中，全局优 化智能体需要协调各局部智能体，实现全局最优目标。协调是一种决策制定过程， 在协调中，各个智能体对优化问题反复求解，然后通过全局优化智能体评价结果， 并控制进一步的寻优过程。本系统的协调机制规定了在协调过程中，智能体的反 应和行为。 图4 - 4 协调参数的确定 ( 1 ) 冲突解决规则 局部优化智能体的冲突需要相互妥协，以达到全局最优的目标。各智能体之 间的妥协，实际上是改变各自的优化目标，反复进行求解，直到实现全局最优。 优化目标的改变，通过引入协调参数尼( f _ 1 ，2 ，n ) 来实现，如图4 。在 激谈大学礁l j 学位论义智能体技术挺纯】一垒监多联玖德纯系统中的敷菸 垮 巍 智能体生产计划调度系统的优化求解过程中，协调参数的确定起到关键的作用。 铷调参数选撵的好坏将直接影响到系统求解的可靠性收敛性。 设系统中香n 个局部伉亿管能体，务个智能僖的傀纯蟊标为z ( i - - - l ，2 ， n ) 。若各个岗郜优化智能体的结果不能达到全局最优，全局优化智能体将改变他 锭豹戎纯嚣狐为z ，舅豹计簿知式予( 1 ) ，然蓐遥戋羹务个爨邦伉豫餐能薅重裁逡 行计算，赢到优化结果达到要求。 z = z 矗 i = 1 ，2 ，n ( 1 ) 由于各个局部优侄餐能体静优化鹜标在整个圭奠产流程总酶伐傀中占貔魄纛 不一样，所以每个智能体对应的a 值是不一样的，它将取决于其在整个优化目标 中占豹篦萋。另羚，它氇跟各令餐裴髂谯纯结朵懿蓑髯程发商关。绥调参数最熬 初始值根据疑验确定，每次系统求解成功之后，把当时的层作为疑验值保存到臀 理携调智能体的知识痒中，供下次求娜蹲使用。 ( 2 ) 各智熊体之闯的通信 化工生产过程计划调度系统中，各个智能体可能分布在不同的地方，而且运 行熬嚣凌霹熊不一撵，聚软各个魏化饔戆薅呈裹瘦舞溪牲。在这秘壤凌下，各个 智能体间的交互显得尤为艇要，交互的内容、频率、信息量、类型以及持续时间 等都会影响智能体间的协调质量和最艏的优化结果。为了确保憋个过程的可靠 经、毽确憋，本系绞逶；霪全爨霞疆餐熊薅完残逶售瓿龋戆款行。 在多智能体系统中，需要在网络中进行通信的消息有：任务发布消息、响成 消息、任务分派消息、任务承诺消息、任务启动消息和结果反馈消息。每种消息 豢需要长撂接受善、发遴黉、游塞类黧、 壬务缡号，貉式摇下： t o ( 接受者) ： f r o m ( 发送者) ： t y p e ( 消息豢型) ： t a s kl a b e l ( 任务编号) ： “接受器”楚爨壤受滚怠弱餐熊髂，它可戳楚零个餐麓薄，墩毒臣是系绕中 渡1 葭久学鹾| ：学位论文智鼗髂技术番像工垒韭多箍次 荛纯系绕孛熬绒委l 球院 所有的智能体。“发送者”是指发送消息的智能体。“消息类型”指明了发送消恩 豹功能。“任务编号”用以标识任务。 4 , 3 系统的工作过程 4 。3 。l 系统的工佟过程 全局优化智能体先启动，开始监听网络端1 3 ，再启动各局部优化智能体，完 戏窃始纯，蠢全嚣餐麓钵注麓，建立连接，至建系绞踺备完毕。警全嚣餐戆谚接 受到进行某一项任务的指令后，对生产任务做出分析，根据需要向各局部优化锶 能体发送指令，控制其协嗣工作，共同完成指定任务，并将中问数据和结果数据 存谑在公共魏簪 痒智裁钵中。 4 3 2 人机协作过程 系统中器智能体都怒程入枫协 乍下工作静。首先，监控久员可隧控制和调熬 相关信息。全局智能体的般控人员控制和调整与全局相关的信息，包括生产计划、 浚程方寨等。爱部优化锗缝抟豹监控人员可班控制与本届邦流程鞠关的薅息，镪 括同部流程的控制参数等。 其次，可以随时暂停系统运行过程，以便进行人工调整。在憋个过程中，备 誊能钵翊图形方式显示生产运行情况。懿果运行颁剥，爨| j 不需要黢控人员的任秘 干预。当出现异常状态时，系统暂停运行，通过人丰几交互进程调熬后继续运行。 如何进行逻辑分析，以及在什么情况下暂停运行，也由监控人员指定。 篮控人援还可以控割秘调整系统的智能分橱过鼷。知识痒智熊体包摇历史数 据，记录了各种调整对生产数据的影响，可以在需要调整时提供简单的决策支掩。 目前系统中的知识库和智能分析能力仍然有限，因此，有必要加入更多的模式识 潮积分援攥遴模块，激撬麓数挺靛徐蠛。 浙江人学碗f - 学位论殳捌能体技术在化工企业多层次优化系统中的应用研究 第五章智能体技术在化工企业多层次优化系统中的 应用 本章主要通过具体的实例说明应用智能体技术设计开发流程生 产多霹标优化整合的可视化软件的总体思路和具体的设计过程 瀵程生产多嚣耘饶纯整会靛可援德较咎开发颈瓣基在铃对滚强生产企皴 ( 包括化工、石化、生化、制蠲等企业) 在专业和生产运营方面的特性，建立 套可灵活缀装不阐工艺流程主蘩装置数学模型的仿真模板，实凌内部袋本效蕊、 能源消耗和环境影响等多方面的预测分析。同时还为实现过程系统优化整合建立 可视化计算软件平台。这一整套软件可为流程生产企业各级管避者作决策时提供 进行科学分析所需要的强有力现 弋化工具。 软件设计的总体目标是建立一套适用于流程生产企业的多目标分析与过程 馕纯整含( m u l t i p l eo b j e c t i v ep r o c e s so p t i m i z e di n t e g r a t i o n ，m o p o i ) 数功能齐全 的可视化软件。根据原料与产器的市场情况以及企业备套装置的生产擞荷、产晶 蒺量等绩篪，遴遥饶纯产品鹩麴王方案( 毽括肉部各装置与设备豹授溺，蔷甬，箨 用转用的整合、装置操作参数的二次憋定以及各装置生产负荷的匹配) ，优化原 料逸丽、原籽存储量及产品库稃，分析与关联影响经济效益的关键因素，达到预 测与优化企业下一阶段经济效箍的耳的。 5 1 总体设计 5 1 1 功能设置 软 牛设计的主要蹿的是为了构造一个灵活方便的可视化计算平螽，给用户 提供友好方便的操作环境阻便于辅助用户快速做出合理的决策，为此，采用了面 嗣图形对象鲍建模技术，根据化工企业翡经营特点巍生产决策螅一般燃震求为姣 掘进行研制丌发。为了达到一卜述目的，系统必须具备下述功能： 一、露褫诧镑粪平台 该软件系统通过流程图的方式提供用户可视化的模型表示，每幅流结构 塑翌叁兰堡! ：堂丝堕苎二塑壁堡垫查垄些三垒些兰星姿垡些墨竺主塑! 兰旦堕! ! 图、流程图都可以运行，而且还可柔性地任意组合所选定的工艺单元，然后进行 仿真运行。此外，可以对涉及到的各种生产过程和产品方案逐个进行快速的评价， 选择最合理的方案。整个仿真过程的组织和运行均通过可视化方式实现。同时， 各种经济分析和生产决策计算结果均实现可视化。 二、原料和产品数据库 建立一个丌放式的智能化原料数据库，可以存放目前国内外市场供应的各 种原料的规格和理化性质，以及动态价格和供货情况。同时，建立可存放各种产 品的库存量及市场价格动态数据库，作为制定宏观生产方案的依据。 三、装置模型库和工艺专家知识库 建立和管理主要工艺装置的自适应工艺模型。这些模型不仅适合常规工艺 流程计算，而且可以根据实际生产情况和产品要求，动态调整模型参数，计算出 装置的原料转化率和选择性，能耗和物耗等。建立一个有学习功能的知识库，存 有过去生产优化的一系列典型方案，并可以根据情况的发展变化进行扩充和学习 调整，以适应新的生产方案的制定和进一步决策。 四、优化计算方法库 包括常规的优化方法，诸如各种线性、非线性规划、混合整数规划等，还 包括一些新颖方法，比如适合于克服局部最优解的遗传算法和基于多维映射的多 目标决策方法等。在优选生产方案以及优化装置操作参数等计算过程中，可以根 据优化进程选择与集成不同的算法以期达到满意的效果。 生产规划和经济分析模块库 ( 1 ) 生产规划和预测模块组 根据原料一产品的市场动态变化情况，和现有工艺装黄的模型，进行数学规 划优化