化 工 过 程 现 代 集 成 系 统 关 键 技 术 的 研 究.doc

国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 化 学 科 学 部 关 于 化 学 / 化 工 学 科 前 沿 和“ 十 五 ”优 先 资 助 领 域 的 意 见 书 化 工 过 程 现 代 集 成 系 统 关 键 技 术 的 研 究 华 南 理 工 大 学 化 工 学 院 ( 执笔：钱 宇 ) 一 . 前 言化 学 工 程 是 研 究 物 料 以 工 业 规 模 发 生 物 理 或 化 学 状 态 变 化 的 过 程 与 装 置 的 设 计 与 操 作 的 一 门 技 术 科 学。 作 为 化 工 类 各 学 科 的 应 用 基 础， 化 学 工 程 的 研 究 进 展 对 石 油 加 工、 化 工、 轻 工、 材 料 加 工、 冶 金 等 过 程 工 业 的 发 展 将 有 重 要 作 用。 进 入 21 世 纪 的 化 学 工 业 应 改 变 以 往 化 工 行 业 大 量 消 耗 资 源 和 能 源 及 污 染 环 境 的 形 象 ， 将 重 点 研 究 使 过 程 工 业 优 质 、 低 耗 、 高 效 、 经 济 和 安 全 无 公 害 地 生 产 ， 为 改 善 和 提 高 人 类 生 活 质 量 提 供 各 种 化 学 品。 为 此 在 继 续 研 究 各 单 元 操 作 的 三 传 一 反 过 程 的 同 时， 更 要 针 对 化 工 生 产日 益 大 型 化、集 成 化 和 复 杂 化 而 深 入 研 究 过 程 系 统 特 性， 如 大 型 石 化 企 业 和 多 品 种 多 牌 号 精 细 化 工 过 程 的 整 体 综 合 特 性， 及 对 企 业 生 存 和 发 展 至 关 重 要 的 经 营 管 理 技 术 和 生 产 运 行 全 过 程 全 生 命 周 期 的 系 统 集 成 技 术。 二 十 世 纪 下 半 叶 以 来 ，科 学 技 术 发 展 的 一 个 重 要 特 征 ， 是 各 个 学 科 领 域 的 相 互 渗 透 和 相 互 支 撑。 过 程 系 统 工 程 作 为 化 学 工 程 中 的 一 个 新 兴 交 叉 子 学 科，是 在 系 统 工 程 、 化 学 工 程 、过 程 控 制 、信 息 技 术、 计 算 机 技 术 等 学 科 发 展 的 基 础 上 萌 生 并 发 展 起 来 的。 一 方 面 ， 它 对 化 工 流 程 中 化 学 反 应 、 分 离 过 程 、 能 量 交 换 过 程 等 各 单 元 子 过 程 追 求 集 成 和 优 化 ， 寻 求 最 佳 的 技 术 经 济 目 标 ； 另 一 方 面 ，它 采 用 数 学 模 拟 和 物 理 模 拟 相 结 合 的 方 法，从 信 息 、 任 务、 和 方 法 等 多 种 角 度 的 集 成 对 过 程 系 统 进 行 最 优 设 计， 实 施 最 优 操 作 、最 优 控 制 ， 实 现 过 程 系 统 的 综 合 整 体 优 化。近 十 年 来，现 代 信 息 技 术 (特 别 是 网 络 技 术) 的 飞 跃 发 展， 使 人 们 能 在 数 秒 之 间 完 成 与 世 界 上 任 何 地 方 的 通 信， 从 而 使 地 球 变“ 小 ”了 许 多。 这 样 便 导 致 世 界 市 场 的 形 成， 并 带 来 激 烈 的 市 场 竞 争： 产 品 的 生 命 周 期 越 来 越 短；用 户 对 产 品 质 量、 品 种 和 价 格 的 要 求 越 来 越 高。 每 个 企 业 都 面 临 着 求 生 存、 争 发 展 的 严 峻 考 验。同 时， 日 趋 严 峻 的 资 源、 环 境 及 安 全 等 方 面 的 约 束，要 求 过 程 工 业 企 业 必 须 利 用 先 进 的 信 息、 控 制 与 系 统 技 术， 改 善 生 产 和 管 理。 在 这 种 情 况 下， 九 十 年 代 初 借 鉴 于 在 机 械、 电 子 等 制 造 行 业 得 到 蓬 勃 发 展 的 CIMS 概 念，对 于 流 程 工 业 提 出 了 CIPS (Computer Integrated Process System) 概 念1。 其 目 的 是 采 用 计 算 机 技 术、 通 讯 技 术、 自 动 化 技 术 以 及 有 关 生 产 技 术， 建 立 全 企 业 或 全 厂 的 包 括 经 营 决 策、 管 理 信 息、 生 产 调 度、 监 督 控 制 和 直 接 控 制 在 内 的 管 理 及 控 制 全 部 生 产 活 动 的 综 合 系 统， 从 而 达 到 提 高 企 业 经 济 效 益 和 竞 争 能 力 的 目 的； 其 核 心 是“ 集 成 ”， 即 通 过 多 种 技 术 的 综 合， 从 而 达 到 全 企 业 或 全 厂 的 信 息 集 成、 任 务 集 成、 工 具 (或 方 法) 集 成 和 人 机 的 协 同 工 作。 在 国 内，近 年 来 CIPS 已 经 开 始 起 步。 据 报 道，中 国 石 化 总 公 司 在 齐 鲁 石 化 炼 油 厂、 辽 化 化 纤 厂、 茂 明 乙 烯 工 业 公 司、 福 建 炼 油 厂 等 进 行 CIPS 试 点， 在 信 息 集 成 方 面 已 取 得 了 初 步 经 验。 在 理 论 研 究 方 面， 近 几 年 有 不 少 关 于 CIPS 的 探 索 性文 献23 ， 提 出 了 过 程 工 业 CIPS 的 体 系 结 构。该 功 能 结 构 模 型 体 现 了 递 阶 控 制 的 思 想 和 多 层 跨 平 台 概 念， 各 功 能 层 次 所 涉 及 的 内 容、 范 围 不 同， 因 而 实 现 的 系 统 平 台 也 不 相 同。二 . 化 工 过 程 现 代 集 成 系 统 近 年 来 随 着 敏 捷 制 造 (Agile Manufacture)、 并 行 工 程 (Concurrent Engineering )、 精 良 生 产 (Lean Production)、 人 件 (Humanware)、 生 命 周 期 (Life Cycles)、 企 业 再 造 (Reengineering) 等 一 系 列 新 的 概 念、 技 术 或 方 案 的 提 出， 使 集 成 制 造 的 思 想 得 到 了 进 一 步 丰 富 和 发 展 。 并 行 工 程 ， 是 在 信 息 集 成 的 基 础 上 实 现 过 程 的 重 构、 集 成 和 优 化， 即 过 程 集 成。并 行 工 程 是 一 种 系 统 工 程 的 方 法， 将 产 品 的 设 计 过 程、 制 造 过 程 及 各 种 支 持 过 程 集 成 起 来， 并 行 地 协 调 处 理。 从 一 开 始 就 能 考 虑 产 品 从 概 念 设 计 到 消 亡 的 整 个 生 命 周 期 的 所 有 因 素 ，其 目 标 是 提 高 整 个 制 造 过 程 (从 设 计、 工 艺、 制 造 到 服 务) 的 质 量 ， 降 低 产 品 生 命 周 期 费 用， 缩 短 产 品 研 究 开 发 周 期。 对 于 流 程 工 业 来 说 针 对 不 同 的 角 度 同 时 存 在 三 个 生 命 周 期4： 从 工 厂 及 其 设 备 的 角 度 看 其 生 命 周 期 经 历 了 设 计、 安 装、 运 行 和 废 弃 几 个 阶 段；从 生 产 过 程 的 角 度 看 其 生 命 周 期 经 历 了 开 车、 稳 定 运 行 和 停 车 几 个 阶 段； 从 经 营 管 理 的 角 度 看 其 生 命 周 期 经 历 了 市 场 分 析、 产 品 设 计、 过 程 设 计、 设 备 选 型、 购 买 和 安 装、 运 行 和 维 护 几 个 阶 段。 对 于 流 程 工 业 这 样 一 个 存 在 多 生 命 周 期 的 复 杂 过 程， 要 实 施 并 行 工 程 有 相 当 的 难 度 。 其 关 键 的 技 术 在 于 两 点 ： (1) 如 何 建 立 一 个 贯 穿 整 个 生 命 周 期 的 产 品 数 据 模 型 以 便 于 处 于 不 同 生 命 周 期 阶 段 的 开 发 人 员 进 行 信 息 共 享 和 交 换 ；(2) 以 及 如 何 建 立 一 种 信 息 并 行 协 调 处 理 的 机 制 。 敏 捷 制 造 即 企 业 集 成，其 基 本 思 想 是 通 过 动 态 灵 活 的 企 业 联 盟、 先 进 的 柔 性 生 产 技 术 和 高 素 质 的 人 员 的 全 面 集 成， 使 企 业 快 速 响 应 市 场 变 化， 获 取 长 期 的 经 济 效 益。 敏 捷 制 造 的 特 征 之 一 就 是 多 企 业 在 信 息 集 成 的 基 础 上 的 合 作 与 竞 争， 根 据 客 户 需 要 和 社 会 经 济 效 益 组 成 企 业 动 态 联 盟 (Virtual Organization)。 敏 捷 制 造 的 核 心 是 企 业 间 的 动 态 集 成， 是 产 品 开 发 生 产 过 程 的 动 态 集 成， 是 生 产 管 理 全 过 程 仿 真 集 成。 并 行 工 程 、 敏 捷 制 造、 企 业 动 态 联 盟 等 现 代 化 的 生 产 经 营 哲 理 和 思 想， 越 来 越 强 调 技 术 与 人、 组 织、 管 理 的 集 成。 因 而 国 外 许 多 大 公 司 基 于 这 些 思 想 进 行 企 业 再 造 (Reengineering)， 以 提 高 企 业 对 瞬 息 万 变 的 市 场 的 响 应 能 力 及 响 应 速 度， 提 高 企 业 的 竞 争 能 力。 据 美 国幸 福杂 志 统 计 全 世 界 排 名 前 1000 名 的 大 企 业 中， 有 68 进 行 了 企 业 再 造5。 由 此 可 以 看 出， 进 入 90 年 代 以 来，CIMS/CIPS 在 其 实 施 和 发 展 过 程 中， 围 绕 着 其 总 目 标 的 实 现 在 不 断 吸 收 新 技 术、 新 思 想、 新 概 念； CIMS 的 发 展 分 为 信 息 集 成、 过 程 集 成 和 企 业 集 成 三 个 阶 段 6。在 新 的 发 展 阶 段，CIMS 的 核 心 由 信 息 集 成 转 变 为 以 顾 客 / 用 户 的 需 求 为 核 心，CIMS 解 决 问 题 的 方 法 也 由 技 术 集 成 转 变 为 技 术、 经 营、 管 理 和 人 的 全 面 集 成。CIMS 的 未 来 发 展 具 有 并 行、 敏 捷 的 特 性。 现 在 CIMS 的 内 涵 已 经 远 远 超 出 了 计 算 机 集 成 制 造 系 统 的 概 念，中 国 863/CIMS 主 题 组 对 新 的 CIM 及 CIMS 理 念 进 行 重 新 概 括 如 下7：“CIM 是 一 种 人 / 组 织、 管 理 与 运 行 企 业 的 理 念， 它 将 传 统 的 制 造 技 术 与 现 代 信 息 技 术、 管 理 技 术、 自 动 化 技 术、 系 统 工 程 技 术 等 有 机 结 合， 借 助 计 算 机 (软、 硬 件)， 使 企 业 产 品 全 生 命 周 期 各 阶 段 中 有 关 的 组 织、 经 营 管 理、 技 术 三 要 素 及 其 信 息 信 息 流、 物 流、 价 值 流 有 机 集 成 并 优 化 运 行， 实 现 企 业 创 造 活 动， 以 达 到 产 品 上 市 快、 高 质、 低 耗、 服 务 好、 环 境 清 洁， 进 而 提 高 企 业 的 柔 性、 健 壮 性，使 企 业 赢 得 市 场 竞 争 主 动 权。” 基 于 上 述 的 CIM 及 CIMS 理 念， CIMS 的 中 英 文 取 为 现 代 集 成 制 造 系 统 (Comtenporary Integrfited Manufacturing System)。 现 代 的 含 义 是 信 息 化、 智 能 化、 计 算 机 化。集 成 的 含 义 是 企 业 产 品 全 生 命 周 期 活 动 中 三 要 素、 三 流 集 成； 集 成 的 各 阶 段 是 信 息 集 成、 过 程 集 成 及 企 业 集 成。 针 对 现 代 集 成 制 造 系 统 的 概 念， 对 于 过 程 工 业 我 们 应 相 应 提 出 现 代 集 成 过 程 系 统 (Contemporary Integrated Process System) 的 概 念，CIPS 概 念 的 提 出 可 以 大 大 扩 展 过 程 系 统 工 程 的 研 究 领 域， 并 能 够 给 过 程 系 统 工 程 的 研 究 注 入 新 的 活 力。对 于 过 程 工 业 而 言，CIPS 包 含 若 干 关 键 技 术 的 集 成， 其 中 包 括： 测 量 数 据 的 采 集 和 压 缩 技 术、 过 程 数 据 的 筛 选 与 校 正、 实 时 数 据 库、 过 程 模 型 化 与 模 拟 技 术、 过 程 优 化 算 法、 过 程 监 测 技 术、 故 障 诊 断 与 侦 破、 生 产 的 计 划 和 调 度 排 序、 先 进 过 程 控 制 (APC) 、 可 靠 性 分 析 及 维 修 管 理 系 统 、 质 量 控 制 与 管 理 、 人 工 智 能 技 术 的 应 用 等 。三 . 面 临 的 问 题 与 分 析 总 体 而 言 发 展 我 国 化 工 过 程 现 代 集 成 系 统 主 要 面 临 以 下 问 题 ：1. 近 二 十 年 来 ， 人 们 开 发 了 化 工 过 程 运 行 中 各 种 局 部 功 能 的 计 算 机 辅 助 运 行 (Computer-Aided Process Operation, CAPO) 系 统， 如 调 度 排 产 、 数 据 采 集 和 校 正、 在 线 模 拟、 故 障 诊 断、 运 行 调 优 等。CAPO 介 于 最 基 础 的 过 程 控 制 和 最 上 层 的 计 算 机 管 理 信 息 系 统 (MIS) 以 及 决 策 支 持 系 统 (DSS) 之 间 的 广 大 领 域 ，是 连 接 过 程 控 制 和 决 策 管 理 之 间 的 桥 梁 。 它 们 分 别 对 局 部 层 次 的 运 行 优 化 起 到 了 积 极 的 作 用 。 然 而， 但 是 这 些 系 统 往 往 是 独 立 开 发 的，缺 乏 整 体 考 虑 各 个 系 统 均 有 各 自 专 用 的 数 据 格 式， 使 得 各 个 系 统 间 的 信 息 难 以 相 互 衔 接 和 协 调，形 成 了 过 程 工 厂 中 的 各 个“信 息 孤 岛”， 不 能 做 到 全 企 业 或 全 厂 的 信 息 集 成， 严 重 妨 碍 了 CIPS 的 实 现。2. 尽 管 计 算 机 已 在 过 程 模 拟 和 分 析、设 备 选 型 和 评 价、 分 离 序 列 和 能 量 系 统 的 合 成 。 操 作 优 化 及 生 产 调 度 等 各 方 面 发 挥 着 重 要 的 作 用 ， 但 随 着 过 程 系 统 日 益 庞 大 和 复 杂 程 度 增 加 ，计 算 机 系 统 把 握 过 程 全 局 的 能 力 显 得 日 益 薄 弱 。 另 一 方 面 ，过 程 系 统 的 物 理 和 化 学 机 理 的 解 析 模 型 越 来 越 难 以 获 得 。 这 给 过 程 系 统 工 程 界 提 出 了 一 个 严 峻 的 问 题 ：当 我 们 对 系 统 的 认 识 不 足 以 构 造 清 晰 的 数 字 模 型 时，如 何 运 用 领 域 专 家 多 年 积 累 的 经 验 和 知 识 对 系 统 有 正 确 的 把 握 ，使 计 算 机 能 正 确 处 理 这 些 定 性 的 和 半 定 量 的 信 息 ， 建 立 适 合 于 过 程 的 模 型 以 使 系 统 安 全 、 正 常 优 质 地 运 行 ？ 基 于 知 识 的 系 统 的 不 断 发 展 ， 开 辟 了 一 个 新 的 研 究方 向 将 人 工 智 能 的 技 术 引 入 化 工 过 程 系 统 ， 使 CIPS 不 但 具 有“ 数 值 计 算” 的 能 力 ， 还 有 人 类 常 识、 专 业 知 识 和 专 家 推 理 判 断 的“ 智 能”， 从 而 期 望 系 统 更 多 地 具 有 人 类 专 家 的 素 质 和 性 能 来 运 行 生 产 过 程 。3. 在 当 前 技 术 发 展 迅 速 、 市 场 竞 争 激 烈 、 环 境 保 护 、 安 全 生 产 日 益 强 烈 的 形 势 下 ， 世 界 化 学 工 业 的 结 构 正 在 发 生 着 剧 烈 的 变 化 。 如 何 赢 得 市 场 和 技 术 的 优 势 ，是 各 国 政 府 、 企 业 界 和 科 技 界 共 同 关 心 的 问 题 。 面 对 时 有 发 生 的 化 工 灾 难 性 事 故 及 其 造 成 的 严 重 人 员 伤 亡、 环 境 污 染 和 经 济 损 失 ， 社 会 公 众 越 来 越 多 地 关 注 与 化 工 和 安 全 相 关 的 问 题 ， 诸 如 化 学 品 的 贮 存 、 运 输 和 生 产 安 全 问 题 ；过 程 工 业 生 产 中 恶 性 事 故 风 险 防 范问 题 ； 化 工 过 程 风 险 评 价 ， 化 工 事 故 早 期 预 警 以 及 灾 害 应 急 、 应 变 、 救 援 策 略 等 问 题 。 这 些 问 题 如 解 决 不 好 ， 将 成 为 现 代 化 学 工 业 发 展 进 一 步 发 展 的 严 重 障 碍 。 如 石 油 化 工 行 业 ， 已 建 成 20 多 个 大 型 和 特 大 型 石 化 企 业 ，石 化 事 业 的 发 展 为 国 家 创 造 了 巨 大 的 财 富 ，与 此 同 时 安 全 风 险 也 不 断 增 加 。 对 化 工 装 置 进 行 运 行 风 险 分 析 ；建 立 灾 害 性 事 故 早 期 诊 断 、预 警 系 统 并 推 荐 处 理 措 施 则 显 得 更 为 重 要。4. 化 工 行 业 技 术 水 平 参 差 不 齐 ， 总 体 水 平 仍 落 后 发 达 国 家 15 20 年 。 为 了 缩 短 这 种 差 距， 一 方 面 是 要 靠 加 大 投 入 ， 二 是 靠 加 大 引 进 力 度 ， 但 存 在 资 金 不 足 的 问 题 。 另 外 花 费 大 量 外 汇 引 进 的 多 项 成 套 设 备 和 技 术 ， 包 括 国 际 先 进 的 工 艺 技 术 和 设 备 乃 至 信 息 ( 软 硬 件 ) 技 术 ， 尚 未 形 成 集 约 化 的 、 有 中 国 特 色 的 系 统 技 术 。四 . 亟 待 研 究 的 课 题目 前 国 内 外 CIPS 研 究 开 发、 推 广 应 用 和 取 得 的 成 效 都 明 显 落 后 于 CIMS。CIPS 目 前 更 多 的 是 技 术 的 集 成， 仍 处 于 企 业 内 部 的 信 息 集 成 阶 段， 还 没 有 达 到 过 程 集 成 的 阶 段。 针 对 国 内 外 CIPS 的 研 究 应 用 现 状， 我 们 建 议 对 CIPS 中 若 干 关 键 技 术 进 行 重 点 研 究 和 集 中 攻 关 。 从 科 学 发 展 和 我 国 国 民 经 济 长 远 发 展 的 需 求 的 角 度 推 进 这 一 领 域 的 基 础 技 术 研 究 ， 争 取 在 应 用 基 础 研 究 方 面 有 所 创 新 和 突 破 。 这 方 面 亟 待 研 究 的 主 要 课 题 有 ： 分 布 式 计 算 机 系 统 及 网 络 技 术 、 分 布 式 数 据 库 技 术、计 算 机 辅 助 实 时 监 控、 实 时 故 障 检 测 及 故 障 诊 断、系 统 建 模 仿 真 技 术 及 系 统 综 合 平 衡 与 优 化。1. 计 算 机 辅 助 实 时 监 控、故 障 检 测 及 故 障 诊 断化工 过 程 监 视 、故 障 诊 断 技 术 的 研 究 是 近 年 来 国 际 过 程 工 程 学 术 界 研 究 热 点 ， 经 过 多 年 研 究 该 领 域 的 研 究 者 提 出 了 操 作 过 程 监 视 与 故 障 诊 断 系 统 的 框 架 ： 将 数 据 检 验 和 校 正 、 故 障 侦 破 、 故 障 诊 断 等 功 能 通 过 现 代 信 息 技 术有 机 地 结 合 在 一 起 形 成 故 障 诊 断 计 算 机 辅 助 运 行 系 统 ； 在 技 术 上 将 人 工 智 能 领 域 的 各 种 工 具 ( 信 号 图 、模 式 识 别 、 基 于 规 则 的 专 家 系 统、模 糊 逻 辑 、 定 性 模 拟 、 神 经 网 络 或 归 纳 决 策 树 等 ) 与 数 学 统 计 方 法 ( 假 设 检 验 、 主 组 分 析 法 等 ) 及 系 统 辨 识 方 法 ( 观 测 器 、 广 义 Kalman 滤 波 器 、 信 号 分 析 等 ) 集 成 在 一 起 构 成 混 杂 智 能 系 统 应 用 于 过 程 故 障 诊 断 。 当 前 研 制 事 故 诊 断 系 统 的 技 术 关 键 是： 异 常 状 态 的 检 测 及 特 征 提 取 技 术。 为 了 把 结 果 及 症 状 的 对 应 关 系 搞 清 楚， 需 要 研 究 高 水 平 的 测 定 器 及 敏 感 元 件 将 初 始 信 号 加 工 成 清 晰 度 高 的 信 号 处 理 技 术。 信 息 处 理 技 术。 从 症 状 推 断 引 起 的 原 因， 目 前 人 工 智 能 专 家 系 统 法 用 于 事 故 诊 断 领 域 得 到 迅 速 发 展， 因 为 这 与 医 疗 专 家 诊 断 系 统 类 似。 但 是， 专 家 系 统 的 知 识 是 有 限 的， 有 时 碰 到 罕 见 症 (尤 其 是 新 厂 开 车 等) 就 无 能 为 力 了， 所 以 有 必 要 采 用 模 拟 系 统 鉴 别 系 统 有 无 故 障。2. 过 程 模 型 化 与 模 拟 技 术 一 个 可 靠 的 机 理 模 型 (动 态、 静 态) 可 大 大 缩 短 工 业 过 程 的 设 计 周 期。 但 是 严 格 机 理 建 模 在 很 大 程 度 上 是 依 靠 科 研 和 工 程 开 发 人 员 对 实 际 工 业 过 程 的 理 论 认 识 和 化 学、 物 理 过 程 原 理， 由 于 实 际 过 程 的 复 杂 性 和 不 确 定 性， 对 于 一 些 化 工 过 程 (如 反 应 过 程) 建 立 严 格 机 理 模 型 十 分 困 难， 所 花 费 的 时 间 和 资 金 很 多。近 年 来， 有 研 究 者采 用 人 工 智 能 领 域 中 的 概 念 、 技 术 和 方 法 ， 如 ： 人 工 神 经 网 络 8 、 模 糊 逻 辑 9、仿 生 算 法 10 等，结 合 来 自 生 产 实 际 的 数 据 和 经 验 知 识 试 图 建 立 过 程 数 学 模 型。然 而 这 些 方 法 尚 有 待 进 一 步 研 究 和 发 展 之 处：人 工 神 经 网 络 和 仿 生 算 法 模 型 是 一 种 黑 箱 模 型， 其 所 依 据 的 是 从 实 际 系 统 中 采 集 到 的 数 据， 但 是 这 些 数 据 常 常 包 含 着 噪 声， 不 够 精 确 甚 至 不 完 整， 采 用 这 些 数 据 生 成 的 模 型 其 准 确 性 值 得 探 讨； 另 外 由 于 黑 箱 模 型 不 具 有 外 推 性 使 其 在 实 际 应 用 中 受 到 许 多 限 制。模 糊 逻 辑 建 模 方 法 所 依 据 的 是 生 产 过 程 中 经 验 知 识 以 及 对 过 程 的 理 论 认 识， 是 处 理 不 确 定 信 息 的 方 法 之 一， 但 这 种 方 法 需 要 有 效 数 据 的 附 加 信 息 或 先 验 知 识， 如 模 糊 隶 属 度 函 数 等， 而 这 些 信 息 有 时 并 不 容 易 得 到； 另 外 生 产 过 程 中 的 经 验 知 识 其 可 靠 性 和 完 整 性 均 有 疑 问。 这 样 便 限 制 了 该 方 法 的 应 用。在 过 程 工 业 的 实 际 生 产 过 程 中， 一 方 面 由 于 DCS (集 散 控 制 系 统) 的 广 泛 应 用， 保 存 了 大 量 的 实 际 生 产 数 据； 另 一 方 面 现 场 的 工 程 技 术 人 员 由 于 长 期 与 生 产 过 程 接 触 对 生 产 过 程 有 许 多 经 验 性 的 知 识。应 用 这 些 来 自 生 产 实 际 的 数 据 和 经 验 知 识 并 结 合 对 过 程 的 科 学 实 验 和 理 论 认 识 建 立 过 程 可 靠 数 学 模 型 即 ： 化 工 过 程 混 合 建 模 技 术， 是今 后 几 年 内 过 程 建 模 领 域 大 有 希 望 的 研 究 方 向。 3. 过 程 系 统 集 成 优 化过 程 工 业 的 主 要 特 征 是 生 产 规 模 的 大 型 化 和 生 产 过 程 的 连 续 化 。 在 市 场 经 济 的 激 烈 竞 争 中 ， 要 保 证 生 产 高 效 稳 定 运 行 ， 以 获 取 最 大 的 经 济 效 益 ， 原 来 简 单 的 、 甚 至 是 局 部 的 优 化 已 不 能 满 足 现 代 化 生 产 的 需 要 。八 十 年 代 以 来 ， 人 工 智 能 和 系 统 科 学 迅 速 发 展 ， 出 现 了 一 个 新 的 交 叉 学 科 和 工 程 技 术 领 域 智 能 辅 助 过 程 工 程 (Intelligence-Aided Process Engineering, IAPE )。 它 将 人 工 智 能 和 系 统 科 学 的 最 新 成 果 应 用 于 过 程 系 统 的 设 计 、 合 成 、 建 模、 优 化 、管 理 和 控 制 ， 研 究常 规 数 据 与 信 息 一 致 性 表 述 和 处 理 的 途 径 ，充 分 利 用 专 家 知 识 ，回 归 模 型 方 程 、操 作 经 验、事 故 案 例 等 非 结 构 化 知 识 和 模 糊 信 息 ，改 进 和 扩 展 现 有 的 模 型 化 方 法 、优 化 算 法 和 控 制 策 略 ， 提 高 工 业 过 程 模 型 化 和 集 成 优 化 的 水 平。在 很 多 情 况 下，工 程 师 可 灵 活 运 用 定 性 或 粗 略 定 量 的 信 息 作 出 决 策 而 不 必 经 过 复 杂 的 数 学 计 算 。 其 中 经 验 式 推 理 是 应 用 得 最 为 广 泛 的 一 种 。 即 使 对 一 个 问 题 的 认 识 尚 未 透 彻 ，信 息 并 不 完 整 精 确 ， 工 程 师 能 够 在 很 大 的 弹 性 范 围 内 运 用 已 有 的 知 识 和 经 验 寻 求 解 决 方 案 。一 个 对 企 业 运 行 和 生 产 有 意 义 的 决 策 ， 从 来 就 不 可 能 仅 仅 依 靠 数 学 模 型 的 求 解 而 无 视 人 类 专 家 的 分 析 论 证 意 见 。 计 算 机 应 该 而 且 可 以 学 习 人 类 专 家 的 这 种 能 力 ， 将 不 同 形 式 的 知 识 变 成 计 算 机 处 理 步 骤 以 适 应 广 泛 复 杂 的 问 题。智 能 技 术 包 括 知 识 库 系 统、模 糊 逻 辑 、人 工 神 经 网 络 、仿 生 优 化 算 法 等。过 程 系 统 优 化 通 常 是 通 过 非 线 性 数 学 规 划 方 法 来 求 解 。 由 于 常 规 的 数 学 规 划 方 法 需 要 精 确 完 备 的 数 学 模 型 并 进 行 大 量 的 搜 索 和 计 算，计 算 方 法 较 为 复 杂 、 计 算 时 间 很 长 ，实 际 上 很 难 用 于 工 业 过 程 在 线 调 优 。当 过 程 变 量 之 间 没 有 完 整 的 数 学 模 型 可 以 表 示 时 , 优 化 就 更 为 困 难 。神 经 网 络 可 用 于 机 理 复 杂 且 难 以 认 识 清 楚 ，但 输 入/ 输 出 数 据 容 易 获 得 的 过 程 系 统 的 建 模 和 仿 真 问 题。作 为 黑 箱 模 型 ，神 经 网 络 的 建 立 不 依 赖 于 先 验 知 识 。 研 究 表 明，网 络 的 输 入 输 出 结 构 是 可 变 的 ，可 不 同 于 实 际 系 统 的 输 入 输 出 结 构 。 如 采 用 前 馈 神 经 网 络 对 纸 浆 制 浆 过 程 建 模 和 优 化 ，使 网 络 从 工 厂 DCS 系 统 的 实 际 运 行 记 录 中 学 习 知 识 ，可 节 省 开 发 机 理 模 型 或 基 于 规 则 的 专 家 系 统 大 量 的 劳 动。在 一 定 的 范 围 内，网 络 经 过 学 习 后，可 根 据 实 际 系 统 的 要 求 直 接 调 节 操 作 变 量，使 神 经 网 络 模 型 可 直 接 用 于 优 化 计 算。这 为 将 来 开 发 应 用 现 场 数 据 的 过 程 调 优、 咨 询 系 统 开 辟 新 的 途 径 。 专 家 系 统 通 常 是 由 一 组 规 则 组 成 的 知 识 库 系 统 。 它 包 含 有 特 定 领 域 的 专 家 经 验 和 专 门 知 识 ， 并 运 用 这 些 知 识 解 决 过 程 的 实 际 问 题。近 来 的 发 展 方 向 是 基 于 模 糊 逻 辑 的 专 家 系 统， 用 模 糊 集 表 述 人 类 语 言 形 式 的 知 识 和 信 息 ， 以 及 工 程 问 题 中 大 量 存 在 的 不 精 确 的 数 量 概 念 和 数 据 。 经 过 模 糊 集 表 征 的 知 识 和 规 则 将 为 专 家 系 统 的 量 化 分 析 和 平 行 推 理 开 辟 广 阔 的 前 景 11 。模 糊 系 统 理 论 在 模 型 方 程 的 建 立 、评 价 和 筛 选 中 承 认 和 接 受 模 型 方 程 的 不 精 确 性，并 引 入 相 应 的 处 理 方 法 。 这 更 接 近 于 人 类 专 家 在 进 行 工 程 技 术 工 作 中 所 采 用 的 多 方 案 比 较、定 性 分 析 和 定 量 比 较 并 举、综 合 评 判 的 模 式 。 这 使 得 建 模 过 程 利 用 更 多 的 信 息 量 。过 程 工 业 生 产 的 原 材 料 组 成 复 杂 ，操 作 波 动 性 大 ，变 量 关 系 复 杂 。从 生 产 现 场 采 集 或 由 实 验 测 定 的 数 据 ，以 及 由 此 得 出 的 经 验 关 联 式 或 计 算 模 型，都 有 不 同 程 度 的 误 差 和 冗 余。 来 自 不 同 研 究 者、 不 同 场 合 的 数 据、 模 型 亦 常 有 冲 突。 如 采 用 模 糊 逻 辑 表 述 和 处 理 系 统 变 量 间 的 不 精 确 近 似 关 系，使 模 型 方 程 间 的 冲 突 和 不 协 调 性 趋 于 最 小 ，模 糊 目 标 函 数 趋 于 最 大 ，将 模 型 求 解 问 题 和 优 化 问 题 均 转 化 为 隶 属 度 函 数 的 极 值 问 题 。由 于 模 糊 优 化 方 法 中 过 程 约 束 表 示 为“ 软 约 束 ”， 操 作 靠 近 边 界 时，隶 属 度 函 数 迅 速 降 低 ，优 化 程 序 将 会 自 动 迫 使 系 统 离 开 边 界 ，这 种 方 法 将能 较 好 地 运 用 于 不 精 确 的 、认 识 不 充 分 的 系 统 中。 另 外，由 于 过 程 系 统 日 趋 大 型 化 、复 杂 化，系 统 模 型 空 间 时 常 呈 现 非 连 续 性、 局 部 多 峰 性、 以 及 离 散 变 量 等。 这 对 常 规 优 化 算 法 提 出 了 挑 战 。 这 方 面 一 个 突 出 的 进 展 是 仿 生 优 化 算 法。仿 生 优 化 算 法 属 于 随 机 搜 索 算 法 ， 采 用 生 物 进 化 论 中“ 优 胜 劣 汰 ” 的 法 则 ，实 现 大 规 模 群 体 的 平 行 搜 索 演 进 ， 避 免 了 局 部 极 值 点 的 问 题。比 较 流 行 的 有 遗 传 算 法、进 化 规 划 等。有 研 究 者11 根 据 遗 传 算 法 的 原 理 ，在 对 不 精 确 系 统 的 优 化 时 采 用 遗 传 算 法 ， 问 题 归 结 为 求 模 糊 模 型 隶 属 度 函 数 的 最 大 值 ，即 模 糊 系 统 空 间 的 搜 索 问 题 。 由 于 遗 传 算 法 仅 提 取 目 标 函 数 值 的 信 息 ，因 而 对 模 糊 系 统 的 不 精 确 性 及 病 态 结 构 并 不 敏 感 。 在 化 工 过 程 初 始 设 计 、 换 热 网 络 合 成 、 生 产 调 度 等 系 统 优 化 问 题 中， 混 合 整 数 非 线 性 规 划 (MINLP) 算 法 是 当 今 研 究 的 热 点 之 一 。 然 而 ，MINLP 模 型 的 建 立 有 赖 于 专 家 的 领 域 经 验 ， 而 MINLP 的 求 解 至 今 仍 未 有 成 熟 满 意 的 方 法。 有 研 究 者12 最 近 针 对 换 热 网 络 同 步 最 优 综 合 的 问 题 提 出 了 一 种 新 的 优 化 策 略 ，提 出 了 改 进 的 遗 传 算 法 求 解 MINLP 问 题 。 可将 网 络 结 构 与 变 量 同 时 优 化 。在 用 遗 传 算 法 进 行 优 化 时， 采 取 了 连 续 化 遗 传 因 子、多 样 性 保 护 因 子 和 调 整 适 应 值 的 方 法， 使 其 具 有 寻 找 全 局 最 优 解 的 能 力 ， 在 处 理 大 规 模 换 热 网 络 综 合 问 题 中 获 得 成 功 。 这 为 MINLP 的 求 解 开 辟 了 一 条 新 的 途 径。4. CIPS 的 产 品 数 据 交 换 标 准 CIPS 与 CIMS 一 样 其 基 本 的 特 征 是“集 成”。 标 准 化 是 系 统 集 成 的 重 要 基 础。 对 于CIMS 主 题， 标 准 化 工 作 应 为 统 一 术 语 定 义、 统 一 设 计 与 实 施 方 法、 统 一 体 系 结 构、 统 一 数 据 交 换 方 式、 统 一 信 息 分 类 编 码、 统 一 接 口 规 范、 统 一 支 撑 环 境， 以 便 于 系 统 集 成 和 资 源 共 享。 建 立 CIPS 的 统 一 产 品 数 据 交 换 标 准 的 目 的 是 建 立 一 个 面 向 对 象 的 过 程 工 厂 操 作 过 程 的 类 定 义， 以 便 于 各 计 算 机 辅 助 运 行 系 统 的 信 息 集 成 及 任 务 集 成。 建 立 一 个 过 程 数 据 管 理 系 统 对 于 过 程 工 业 来 讲 是 一 个 重 要 的 项 目， 在 八 十 年 代 美 国 国 家 标 准 局 启 动 了 计 算 机 辅 助 逻 辑 支 持 系 统 CALS (Computer Aided Logistic Support) 项 目， 该 项 目 至 今 仍 在 进 行。 它 的 目 的 是 通 过 企 业 的 信 息 集 成 使 企 业 运 作 更 加 快 速 有 效。 为 了 达 到 这 样 的 目 的 有 必 要 建 立 数 据 交 换 系 统 的 标 准， 目 前 对 于 制 造 业 已 建 立 了 STEP、IGES、SGML 标 准。 其 中 STEP (Standards for Exchange of Product model data) 是 一 工 业 产 品 数 据 (包 括 化 工 过 程 数 据) 的 交 换 标 准，STEP 的 目 标 是 研 究 完 整 的 产 品 模 型 数 据 的 交 换 技 术， 最 终 实 现 在 产 品 生 命 周 期 内 对 产 品 数 据 进 行 完 整 一 致 的 描 述 和 交 换。 对 于 过 程 工 业 来 讲，如 建 立 了 这 一 标 准 在 建 立 一 化 工 过 程 辅 助 运 行 系 统 的 时 候， 我 们 就 不 必 对 每 一 系 统 开 发 一 个 专 用 的 数 据 库。 产 品 数 据 的 标 准 化 还 解 决 了 各 辅 助 运 行 系 统 间 数 据 交 换 的 安 全 性 和 高 效 性 的 问 题，并 且 能 够 使 各 辅 助 运 行 系 统 建 立 在 一 个 标 准 的 数 据 库 系 统 之 上 。跨 国 大 公 司 根 据 CIPS 体 系 结 构 提 出 了 软 件 开 发 平 台 的 概 念，如 IBM 的 Enable，DEC 的 NAS 等， 但 对 于 过 程 工 业 而 言， 目 前 最 为 实 用 的 的 是 管 理 控 制 一 体 化 的 实 时 数 据 库 平 台；为 了 减 少 软 件 集 成 的 复 杂 接 口， 应 付 系 统 的 变 更 及 扩 充， 有 必 要 建 立 过 程 工 业 的 统 一 的 产 品 数 据 模 型 (STEP) 并 在 此 基 础 上 再 建 立 实 时 数 据 库 平 台，目 前 国 际 标 准 化 组 织 (ISO) 正 在 着 手 制 定 该 项 标 准， 我 国 应 积 极 参 与 到 该 标 准 的 制 定 工 作 中 去，跟 踪 其 发 展 并 着 手 建 立 我 国 自 己 的 实 时 数 据 库 系 统。 参 考 文 献 1 钱 宇. 化 工 进 展，1997，(1) : 2025 2 王 锦 标. 化 工 自 动 化 及 仪 表，1996，23(5) : 3034 3 李 峥. 计 算 机 与 应 用 化 学，1997，14 Supplement : 282288 4 Lu M. L., et. al. Computer Chem. Engng，1997，21 Supplement : S11S16 5 张 志 檩 等. 计 算 机 与 应 用 化 学，1997，14 Supplement : 1521 6 张 申 生. 中 国 机 械 工 程，1996，7(3) : 1721 7 Evans L. B., 1990, Chem. Eng. Prog., 86(10), 42 8 Dasaratha V. S. et. al., AIChE J., 42(9), 1996 9 钱 宇. 张 培 荣., Canadian J. Chemical Engng, 77(1), 199910 Willis M. et. al., Computer Chem. Engng, 21 Suppl., 199711 Qian Y, Lien K M. Computer Chem. Engng, 1995, 19 (11):1185120512 王 克 峰. 钱 宇 等, Computer Chem. Engng, 22(12), 19981999.2.25. 层 4： 经 营 决 策 层 商 务 决 策 系 统 层 3： 生产调度计划层 计 划 与 生 产 调 度、 工 艺 过 程 设 计、 培 训 层 2：过 程 监 控 层 度 层 先 进 控 制、 数 据 校 核、 故 障 诊 断、 装 置 优 化、 事 故 处 理 层 1：DCS 系 统 数 据 采 集、 常 规 控 制 生 产 过 程图 1 CIPS 功 能 层 次 图CAPO 的 加 和 不 等 于 系 统 集 成 ，局 部 优 化 不 一 定 全 局 最 优 。故 此 有 必 要 将 各 CAPO 功 能 块 集 成 起 来 ， 形 成 计 算 机 集 成 过 程 运 行 系 统 (Computer Integrated Process Operation System, CIPOS)8。如 果 考 虑 模 拟 对 象 所 要 求 的 特 性 与 时 间 的 关 系， 过 程 模 拟 可 分 为 稳 态 模 拟 和 动 态 模 拟。稳 态 模 拟 是 过 程 系 统 工 程 中 发 展 的 比 较 成 熟 的 技 术，80 年 代 已 成 为 工 艺 设 计 及 过 程 分 析 的 常 规 手 段， 它 的 内 容 包 括： 物 料 和 能 量 衡 算， 设 备 尺 寸 和 费 用 计 算， 以 及 过 程 的 技 术 经 济 评 价。 从 系 统 结 构 来 看， 稳 态 流 程 模 拟 一 直 沿 着 两 条 平 行 的 路 线 发 展， 即 贯 序 模 块 法 和 联 立 方 程 法(面 向 方 程 法)。从 实 用 角 度 出 发， 工 业 部 门 一 直 主 张 发 展 贯 序 模 块 法。自 1958 年 美 国 Kellogg 工 程 公 司 研 制 成 第 一 个 通 用 流 程 模 拟 软 件 FLEXIBLE FLOWSHEET 起，30 多 年 来 经 历 了 3 个 发 展 阶 段： 第 一 代 为 60 年 代， 模 拟 对 象 以 烃 加 工 过 程 为 主， 但 工 业 上 并 未 广 泛 使 用； 第 二 代 为 70 年 代 开 发 的 系 统， 模 拟 对 象 扩 大 到 气、 液 相 的 化 工 过 程， 成 为 化 工 及 石 油 化 工 公 司