（计算机应用技术专业论文）内蒙古地区资源型产业优化控制方法研究.pdf

中文摘要 资源型产业是以矿产、生物、气候、土地等自然资源的勘探、保护、开发、 更新等为基础，依托资源的开采、利用、加工而形成的对自然资源极度依赖的生 产、经营、服务体制。如何在“模型一数据一知识 可计算模式下，从控制系统 观点，提高资源型产业的知识管理水平，实现管控体化，是近年来计算机应用 技术与自动化领域的一个热点研究方向。由于空间状态参数取值以及计算模式选 择不合理，直接影响了资源型产业管理与控制计算结果的可靠性。围绕以上问题， 结合若干应用实例，本文对资源型产业运行特征形式化的模型生成算法与信息感 知交互方式进行了深入的理论、技术及应用研究，主要包括以下几个方面的内容： 针对资源型产业动态特征信息的随机性、模糊性和不完备性，研究了模糊逻 辑在系统信息不完备条件下的诊断应用问题，设计了一种可实现运行过程动态特 征模糊推理诊断模型，给出在已知部分特征信息条件下的求解算法，以响应实际 运行环境下不可预见的动态扰动事件，从而有效解决运行中的调控问题。该方法 成功用于内蒙古地区主要农作物病虫害的远程诊断。 针对资源型产业运行的实时监控，实现资源型产业运行证据的定量描述，研 究了利用高密度离散灰色建模方法解决动态参数预测问题，扩展设计了一种基于 多变量离散灰色模型的预测控制算法。该算法成功用于内蒙古东部地区田间地表 层的菌核量预测。 针对资源型产业综合评判中存在的特征信息多目标、多维、模糊和不完备等 特性，利用模糊综合评判方法研究了多目标适应性评判问题，设计了一种多级多 因素模糊综合评判决策模型，给出在已知部分信息条件下的求解算法。该算法成 功用于内蒙古地区饲用作物种植业生产规划备选方案的综合优选评价决策。 针对“模型一数据一知识”混合可计算条件下，资源型产业系统的信息感知 与交互需求，利用硬件在系统可实现技术，研究了系统智能化信息感知与交互方 式，设计了一种模糊推理在系统并行可重构实现方案。仿真结果表明了该方法实 现模糊感知推理的有效性。 论文的研究工作丰富和拓宽了信息化技术与综合自动化技术的理论及应用 领域，提高了智能算法解决实际优化控制问题的能力，为实现内蒙古地区资源型 产业管控一体化，提升内蒙古地区资源型产业信息化研究的水平，开发具有地区 特色的资源型产业信息化服务产品，满足新型工业化建设要求，提供了科学依据 和系统集成方法。 关键词：资源型产业综合生产指标计算智能运行优化控制优化控制系统 a b s t r a c t t h er e s o u r c e b a s e di n d u s t r yi sb a s e do nt h ee x p l o r a t i o n ，p r o t e c t i o n ，r e n e w a l ，a n d u t i l i z a t i o no ft h em i n e r a l ，b i o t e c h n o l o g y , c l i m a t e ，l a n da n do t h e rn a t u r a lr e s o u r c e s ， a n di ti sa l s oap r o d u c t i v e ，o p e r a t i o n a la n ds e r v i c es y s t e mr e l y i n go nt h ee x p l o i t a t i o n a n dp r o c e s s i n go fr e s o u r c e s ，e s p e c i a l l yn a t u r a lr e s o u r c e s t oa c h i e v et h ei n t e g r a t i o no f m a n a g e m e n ta n dc o n t r o l ，h o wt oi m p r o v et h el e v e lo fk n o w l e d g em a n a g e m e n tf r o m t h es y s t e m a t i cc o n t r o lu n d e rt h e “m a t h e m a t i c a lm o d e l b a s e d ，d a t a b a s e d ，a n d k n o w l e d g e b a s e d c o m p u t a b l ec o n d i t i o n sh a sb e c o m eah o ts p o ti nt h ef i e l d so f c o n t r o ls c i e n c ea n d e n g i n e e r i n gr e s e a r c h i nr e c e n t y e a r s s i n c e t h ei n d u s t r i a l m a n a g e m e n ta n dt h er e l i a b i l i t yo ft h ec o n t r o l l i n gc o m p u t e dr e s u l t si se f f e c t e dd i r e c t l y b yt h es p a c es t a t ep a r a m e t e r sa sw e l la st h eu n r e a s o n a b l ec o m p u t i n gm o d e ，t h i sp a p e r h a sd i s c u s s e da n ds t u d i e dd e e p l yo nt h eg e n e r a t i n gm o d e la l g o r i t h mt ot h eo p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ei n t e r a c t i v em e t h o d so fi n f o r m a t i o n a w a r eb a s e do nt h ea b o v e p r o b l e m sw i t hs e v e r a la p p l i c a t i o ne x a m p l e s ，i n c l u d i n gt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s t l y , t h ed y n a m i ca p p l i e ds t u d yo nt h ef u z z yl o g i ci sa c h i e v e du n d e rc o n d i t i o n s o ft h es t o c h a s t i c ，f u z z ya n di n c o m p l e t ei n f o r m a t i o n ，a n dt h ed i a g n o s i sm o d e lo ff u z z y i n f e r e n c eh a sb e e nd e s i g n e dt or e a l i z et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e nt h ea l g o r i t h m i sg e n e r a t e di nt h ek n o w nc h a r a c t e r i s t i c st or e s p o n dt ot h ed y n a m i ca n du n f o r e s e e n d i s t u r b a n c ee v e n t si nt h ea c t u a l p r o d u c t i o na n dt a k e c o n t r o l se f f e c t i v e l ya n d d y n a m i c a l l y t h i sm e t h o di su s e ds u c c e s s f u l l yt ot h er e m o t ed i a g n o s i so fp l a n t d i s e a s e sa n di n s e c tp e s t si nt h ei n n e rm o n g o l i a s e c o n d l y , t om o n i t o rt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r si n r e a l t i m ea n dd e s c r i b e q u a n t i t a t i v e l yo nt h ei n d u s t r y , t h er e s e a r c hi sm a d et op r e d i c td y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o fp a r a m e t e r sb yt h ea p p r o a c ho ft h eh i g h d e n s i t yd i s c r e t eg r a ys y s t e m a t i cm o d e l i n g ， a n dap r e d i c t i v ec o n t r o la l g o r i t h mh a sb e e nd e s i g n e db a s e do nt h em u l t i - v a r i a b l ea n d g r a y - b a s e dd i s c r e t em o d e l i n g t h ea l g o r i t h mi sa p p l i e do np r e d i c t i n gt h es c l e r o t i u m n u m b e ri nt h ee a s t e r np a r to fi n n e rm o n g o l i ai ns u c c e s s n e x t ，am u l t i l e v e lc o m p r e h e n s i v ef u z z ye v a l u a t i o ni nd e c i s i o n - m a k i n gm o d e li s e s t a b l i s h e da n dt h ec o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h mt os o m ei n f o r m a t i o ng i v e ni sm a d et ot h e i s s u eo fm u l t i o b j e c t i v ea d a p t i v ea s s e s s m e n ti nt h el i g h to ft h em u l t io b j e c t i v ea n d d i m e n s i o n a l ，v a g u ea n di n c o m p l e t ep r o p e r t i e se x i s t i n g i nt h e c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o no nr e s o u r c e b a s e di n d u s t r i e s t h ea l g o r i t h mi sa d o p t e ds u c c e s s f u l l yi nt h e o p t i m a ld e c i s i o n - m a k i n go nt h ep l a n n i n ga n dp r o d u c t i o no p t i o n su s e df o rt h ea n i m a l f e e do fi n n e rm o n g o l i af a r m i n g f i n a l l y , t h ei n t e l l i g e n ti n f o r m a t i o n a w a r ea n di n t e r a c t i v ei ss t u d i e da n da r e c o n f i g u r a b l ep a r a l l e lp r o g r a mi s p r o p o s e d o nt h ep e r c e p t i o na n di n t e r a c t i o n d e m a n d su n d e rt h e “m a t h e m a t i c a lm o d e l b a s e d ，d a t a b a s e d ，a n dk n o w l e d g e b a s e d ， c o m p u t a b l ec o n d i t i o n s ，u s i n gt h eh a r d w a r et e c h n o l o g yb e i n gr e a l i z e di ns y s t e m t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c t i v eo ft h em e t h o do na c h i e v i n gt h ef u z z y p e r c e p t i o na n dr e a s o n i n g i ng e n e r a l ，t h es t u d i e si nt h ep a p e re n r i c h e sa n db r o a d e n st h e t h e o r ya n d a p p l i c a t i o n so ft h ei n f o r m a t i o n b a s e dt e c h n i q u ea n dt h ec o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i c t e c h n i q u ef u a h e r ，a n di m p r o v e st h ec a p a b i l i t yo fs o l v i n gt h ep r a c t i c a lc o n t r o la n d d e c i s i o n - m a k i n gp r o b l e m sb yt h ei n t e l l i g e n ta l g o r i t h m a n dt h e nas c i e n t i f i cb a s i sa n d s o m es y s t e m a t i ci n t e g r a t i o nm e t h o d sa r ep r o v i d e dw i t hr e a l i z i n gt h ei n t e g r a t i o n so f m a n a g e m e n ta n dc o n t r o li ni n n e rm o n g o l i a ，e n h a n c i n gt h el e v e lo fi n d u s t r i a li n f o r e s e a r c ha n dd e v e l o p i n gt h el o c a ls e r v i c e s p r o d u c t sc h a r a c t e r i s t i c a l l y f o rt h e r e s o u r c e - b a s e di n f oi n d u s t r y k e yw o r d s r e s o u r c e b a s e di n d u s t r i a l ，m u l t i p l eg l o b a lp r o d u c t i o ni n d i c e s ， c o m p u t i n gi n t e l l i g e n c e ，o p e r a t i o n a lo p t i m a lc o n t r o l ，o p t i m a lc o n t r o ls y s t e m 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，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤叠盘堂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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢睫袭签字嘲哆年夕月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘堂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： 乏 1 f 筏享 导师签名： 竽字日期：x 哆年夕月弓日 签字日期：年月b 第一章绪论 1 1 研究背景与研究意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论 内蒙古自治区地处北国边疆，矿产、土地等自然资源富集，构建能源及农牧 业等资源型产业优势明显，发展潜力巨大。 随着技术创新、市场需求、资源消耗和生态环境等方面的综合需求能力不断 增强，节能降耗已成为我国国民经济战略的一项长期发展方针。 党的十六大报告明确指出：“实现工业化仍然是我国现代化进程中艰巨的历 史性任务。信息化是我国加快实现工业化和现代化的必然选择。坚持以信息化带 动工业化，以工业化促进信息化，走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗 低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子。 党的十七大报告也明确指出：“加强能源资源节约和生态环境，增强可持续 发展能力”，“发展现代化产业体系，大力推进信息化与工业化融合一。 大力推进新型工业化建设，是内蒙古自治区第八次党代会明确提出的战略部 署。目前，内蒙古自治区在关系国计民生的农牧业生产和农村牧区经济工作中， 确立了建设社会主义新农村、大力发展农牧业产业化经营的发展思路，着重抓好 产业化布局、产业化龙头企业和产业化基地建设三个重要环节，从而能够有效带 动地区农牧业生产的发展、农牧业结构的调整、农牧民的致富。 因此，借助信息化与新型工业化的有机融合，是构建和提高资源型产业竞争 力的必然选择。 信息化与新型工业化有机融合的关键，是合理采用信息技术，围绕资源型产 业生产运行过程的知识与信息进行规划和组合，通过运行过程控制与运行管理的 智能化和集成优化，提高资源型产业的知识生产力，实现运行指标的优化控制和 管理水平的提升。2 0 0 5 年，第十六届国际自动控制联合会大会特邀报告指出：“为 适应变化的经济环境，减少消耗，降低成本，提高生产效率，提高运行安全性， 必须对控制、优化、计划与调度以及生产过程管理实现无缝集成”1 2 。因此，如 何借助信息化技术与综合自动化技术，提高资源型产业的知识管理水平，实现管 控一体化，是近年来计算机与自动化应用领域的一个热点研究方向1 1 2 5 6 1 。 从控制系统的观点，资源型产业属于复杂过程控制范畴。资源型产业是一个 第一章绪论 受人类活动、天文、气候和气象等各类资源环境因素综合影响，具有分散性、区 域性、时变性、经验性、可控性和稳定性等弱质产业特征，同时存在时、空、量、 序变化的复杂系统 7 1 ，通过与环境的物质、能量和信息交换，处于不断发展变化 之中。由于多种现象交织在一起，使系统的运行过程存在大量随机的、模糊的不 确定因素，且各因素之间的关系是复杂的、不清晰的，生产中表现出一定程度的 随机性、偶然性和盲目性，加上突发性动态因素的影响，难以完整建立或无法建 立传统意义下描述系统运行过程的精确数学模型，给直接应用以模型可计算为基 础的控制理论和方法，实现资源型产业生产规划和运行调控带来一定困难，需要 综合考虑其它控制与优化模式【卜1 0 】。 综上所述，如何因地、因时、因物构建资源型产业系统，是实现资源型产业 管理科学化、生产精细化、信息数字化，达到对生产有评判预测，对管理有控制 决策，对结果有调控对策的资源型产业精细化生产的关键；而在构建这一系统过 程中需要解决的关键问题之一，是如何用计算程序来客观描述资源型产业系统的 控制模式。基于空间数据的、科学的、实用的、面向实际问题的模拟分析和表达 方法，能够最大限度地揭示事物与现象的本质和演变规律，进而为所研究的问题 奠定扎实的理论基础，推动科学研究的不断深入，促进资源型产业的可持续发展。 1 1 2 国内外研究现状及发展动态 空间数据是人类认识自然、改造自然的重要数据，也是描述和表达地物、地 物属性、地物关系等资源型产业位置及空间实体的首选载体，在工农业生产和社 会发展的实践活动，以及人们日常生活所接触和利用的现实世界数据中，大约有 8 0 与空间状态分布有关【1 1 1 2 】。在人与自然和谐共存发展的过程中，空间数据具 有越来越重要的作用。随着科学技术的进步，各种宏观与微观传感器或设备的使 用，以及常规的参数测量、产业资源调查、地图扫描、统计图表等空间数据获取 手段的更新和提高，计算机、网络、全球定位系统、遥感和遥测系统、控制及决 策等技术的逐步成熟，使得以空间数据为基础、多种学科交叉融合的综合自动化 技术近年来得到迅速发展，凭借其在直观的空间状态和强大的分析功能等方面巨 大的优势，在工农业生产、交通、城市公共设施建设等方面得到越来越广泛的应 用，显示出非常好的应用潜力。空间数据的数量、大小和复杂性及其传输的速度 都在飞快增长，空间数据的膨胀速度极大地超出了常规的事务型数据。 以空间数据为基础的优化控制可以看作是一种决策支持过程【l 引，由此而交互 映射出的基本知识类型是规则和例外，理论方法的好坏将直接影响到所发现知识 的优劣。已经使用或发展了的理论方法，根据面对的空间数据对象不同，可以分 为基于确定数据的和基于不确定数据的。主要包括规则归纳、聚类分析、空间分 第一章绪论 析、模糊集、粗集、神经网络、遗传算法、决策树等，并都取得了一定的成果【l 3 。 g e o r g ec o n t o r 的确定集合论是现代数学的基础。基于确定集合理论，概率论 4 j 和空间统计学1 1 5 1 研究含随机性的空间数据处理。规则归纳、聚类分析和空间 分析是空间统计学的延伸【l6 1 7 】。聚类算法主要分为基于分割、基于层次或基于 位置的三类【l 引，根据类别信息需要与否，可分为监督法和非监督法【19 1 。 空间数据处理的扩展集合论方法主要包括模糊集、粗集，用于研究不能精确 描述的空间实体。1 9 6 5 年，z a d e h t 2 0 】创立的模糊集，把经典集合的值域从 0 ，1 ) 扩充为【0 ，1 】、将特征函数发展为模糊隶属函数。模糊集的基础为模糊隶属度， 在空间数据处理中，它把对经典集合中元素的计算转换为对模糊集中模糊隶属度 的运算，解决了“似是而非 的模糊性问题。1 9 9 1 年，p a w l a k 2 l 】提出的粗集， 使用一对精确的上、下近似集来研究“不完备性问题，通过己知背景知识近似 逼近未知不确定性。2 0 0 5 年，李德毅【2 2 】在模糊集基础上提出的云模型，兼容了 模糊性和随机性，使用自然语言描述人的思维，实现定量和定性的自由相互转换， 提供了一个可以实施多种空间数据处理算法的理论框架。 ”神经网络【2 3 j 和遗传算法【2 4 】是基于空间数据发现和获取知识的仿生学方法。 很多学者对这些理论方法的成果及时予以总结。李德仁掣1 2 】系统地概述了基于空 间数据映射信息、发现知识的产生和发展，研究了基于空间数据映射信息、发现 知识的含义、可发现的空间关联、特征、分类和聚类等知识，以及它与机器学习、 人工智能等相关学科的关系，分析了基于空间数据发现知识的应用开发，讨论了 可用于此的理论和方法，并展望了基于空间数据发现知识的研究和应用前景。 基于空间数据获取信息、发现知识的成功算法和应用系统在很大程度上影响 着综合自动化技术的研究与应用进展。空间数据作为构建资源型产业优化控制系 统的一个重要组成部分，为决策者提供极有价值的知识，用于市场策略制定、企 业决策支持、生产规划与运行调控等，带来巨大的经济和社会效益1 2 孓3 0 1 。 随着科学技术和经济社会的进步，利用空间数据发现知识的技术创新成果日 益增多，成果的应用范围也正在日益扩大，逐步渗透到装备制造、资源管理、交 通运输、机器人等广泛使用空间数据的诸多领域【3 1 1 ，为空间知识获取以及基于空 间知识的资源环境目标识别、资源产业运行优化等开辟了一个崭新的途径。 1 1 3 研究意义 资源型产业的持续稳定发展取决于对资源的合理开发利用和对环境的保护。 由“空间数据采集一信息获取一知识发现”所组成的立体检测综合评判系统在资 源环境调查、灾害监测、产业化管理与优化控制等方向有着巨大的应用价值和难 以估量的应用潜力，而面向空间数据的目标识别和综合自动化技术的研究与应 第一章绪论 用，更是成为构建资源型产业可持续运行发展模式的关键理论和核心技术基础。 在资源型产业中运用综合自动化技术，就是运用优化产业进程的优化控制技 术，其内涵是在市场需求、社会需求、生态需求等约束条件下，通过优化决策产 生反映综合生产能力的指标，产生优化的运行指标，以及产生优化的运行控制指 标，进而实现资源型产业的综合产业化指标优化。 资源型产业系统所具有的结构非线性、行为多样性、信息不完备等复杂特征， 造成各种反映和描述资源型产业运行特征的指标数据，不仅具有空间、位置、时 间、多维、海量等复杂性特点，还包含多源、变粒度等不确定性特点，使得空间 数据的复杂性、模糊性和难以表达性急剧增加。目前，基于空间数据的优化控制 模式及方法的研究和应用取得了一定的成果，但是仍然存在诸多期待解决的技术 难点【3 2 1 ，这些技术难点在基于空间数据的信息获取和知识发现过程中，可能会直 接影响空间知识计算结果的准确性和可靠性，给发现、评判和解释一些重要的知 识带来困难。正确解决和使用这些技术难点，在基于空间数据的资源型产业优化 运行中，可能避免因利用错误信息而导致的控制与决策失误【”】。 空间数据不确定性对信息支持度的度量，可以反映从对空间数据的理解所得 知识的置信水平【3 4 1 。在对空间数据的分析与理解中，如果忽视数据源、数据清理、 数据泛化、定性与定量数据之间的映射与转化，以及知识表达、理解和评判中含 有的空间数据不确定性，那么即使综合使用了各种理论、算法和技术来总结和归 纳空间知识，也可能因利用错误的空间数据，而得到可靠性较低的、残缺的、甚 至错误的知测3 5 j 。因此，有必要在动态、实时、在线、智能化处理方面对基于空 间数据的复杂问题优化控制模式及方法进行进一步、深入的研究。 综上所述，本文将立足于内蒙古自治区的农牧业资源型产业优势，致力于面 向空间数据的农牧业资源型产业优化控制研究，结合产业运行中的实际问题，探 索系统形式化的模型生成与转化理论及其解决复杂问题的新模式，进一步完善处 理复杂问题的实时优化控制性能。它对于实现内蒙古地区资源型产业多目标适应 性优化控制，提升内蒙古地区资源型产业信息化技术与综合自动化技术理论及应 用研究的水平，开发具有地区特色的资源型产业信息化服务产品，满足内蒙古地 区特殊的资源型产业生产和生活需求，有着重要的意义。 1 2 资源型产业的定义和主要技术特征 1 2 1 资源型产业的定义 资源型产业，也称资源产业，这里的资源一般指自然资源。在外文文献中一 第一章绪论 般称为“r e s o u r c e i n d u s t r y ”、“r e s o u r c e b a s e di n d u s t r y 、“r e s o u r c e s o r i e n t e d i n d u s t r y 或“r e s o u r c ei n t e n s i v ei n d u s t r y 。关于资源型产业系统的概念，目前尚 没有统一的定义，根据国内有关部门提供的资料和研究学者的分析论述 3 6 - 3 8 ，在 此将其总结归纳为： 资源型产业，是以矿产、生物、气候、土地等自然资源的勘探、保护、开发、 更新等为基础，依托资源的开采、利用、加工，而形成的对自然资源极度依赖的 产业；通过以国内外市场为导向、以提高经济效益为中心，综合考虑包括地球表 面非生物、生物的各种资源环境因素及其相互关系的总和，对区域内的支柱产业 和主导产品实行区域化布局、专业化生产、一体化经营、社会化服务、企业化管 理，把产供销、贸工农、经科教紧密结合起来，形成一条龙的生产经营运行体制； 充分发挥整体效应、聚合效应，合理使用资源、高效使用资源、尽最大可能减少 浪费，逐步实现资源型产品生产的精细化、专业化、商品化和社会化。 从控制系统观点，资源型产业综合生产经营运行体制，可以视为一个社会 活动一生态资源型复杂系统，其运行体制的系统结构如图1 一l 所示。 优化控制决策信息感知与交互 图1 - 1资源型产业运行体制优化控制系统结构 资源型产业的系统建模，就是将实际资源型产业问题进行归纳、简化、抽象、 翻译，明确变量、系数和参数，充分利用信息技术获取大量相关数据，基于数据 完成对知识的总结和归纳，再根据某种规律、规则或经验建立变量、系数和参数 之间的形式关系，解析地或数值地求解并加以解释、验证和应用的一个多次迭代 的过程，即用数学公式、符号、图表等来刻画和描述一个资源型产业实际问题， 然后经过数学的处理一一计算、迭代等得到定量的结果，以供人们对资源型产业 问题进行分析、评判、控制和决策。 第一章绪论 资源型产业优化控制主要包括两方面的含义，一是资源型生产活动极度依赖 于自然资源，以资源为主体；二是资源型生产可以产业化运行，以质量、安全、 市场、社会、生态等需求为约束，以多目标、适应性为导向，把握和解决生产活 动中出现的问题。 资源型产业优化控制的目标，就是努力使资源型产业系统按照“任务规 划一生产一指标采集一综合评判一调整 的优化运行程序，在市场、社会、生态 以及实际可行性等多项因素的综合约束下，通过优化控制产生反映综合生产能力 的指标，产生优化的运行指标，产生优化的运行控制指标，进而实现资源型产业 的综合产业化指标优化。 1 2 2 资源型产业的分类 自然资源从不同角度可以分为不同类别，如表1 1 所示【3 6 】。 表1 1自然资源分类 分耗作回 竭用 收陆地海洋 大气与太空 类 度 度 度 可土地海洋森林 再森林生物海洋生物 生 水产海洋水产 耗 可 金属矿物海底金属矿藏 竭回 不 非金属矿物 海底非金属矿藏 自 性收 可 然 再不 资 煤炭海底煤炭 生可 源 石油海底石油 回 天然气海底天然气 收 非 核能海底核能太阳能 耗 水能 海底动力能风能 竭 气候海底气候降雨 性 第一章绪论 不同的资源型产业在构成方式、发展过程、动力机制等方面又有细微的差别。 对资源型产业进行分类有助于了解不同种类的资源型产业的形成和表现方式，有 助于根据它所依赖的自然资源的特征分析资源型产业系统形成和发展的影响因 素，从而采取相应调控对策。 根据资源的类型，可以把资源型产业分成矿产类资源型产业、生物类资源型 产业和环境类资源型产业。其中矿产类资源型产业包括煤炭、石油、天然气等能 源矿藏类，铁、金、银、铜、铝等金属矿藏类，石墨、水晶、玉石、盐、陶瓷土 等非金属矿产类；生物类资源型产业包括草地、森林、水产、农作物、养殖动物 等的保护、再生、种植、养殖、捕捞等产业；环境类资源型产业包括野生生物、 水、土地、气候等的保护、再生、开发等1 7 6 | 。 根据人类活动对资源的作用程度，可以把资源型产业分成资源的再生产业、 资源的开发产业和资源的接续产业。其中资源的再生产业包括对自然资源的勘 察、保护、恢复、再生等活动；资源的开发产业包括对生物资源的种养殖、采伐、 采掘、放牧、捕捞以及水利、供水、供热等；资源的接续产业包括对已开发的自 然资源的加工利用等产业，如粮食加工产业、乳制品产业、皮革纺织产业、装备 制造产业、能源化工产业等。 1 2 3 资源型产业的主要技术特征 从系统观点，资源型产业与一般系统具有本质的区别，主要表现为1 5 d 0 1 ： 1 生产规模庞大，占有的空间大，经历的时间长，涉及的范围广，具有分 散性，复杂的信息模型及其引起的分布式数据采集、数据模式、数据量、计算量 急剧增加。 2 系统结构复杂，系统中具有“人一物 、“人一人 、“物物”之间的多 种复杂关系，信息处理方式复杂性增加，描述模型增多。 3 影响因素增多，复杂问题的演变过程往往是多变量、多输入、多输出、 多目标、多参数、多干扰，不仅有“物”的因素，还有“人 的因素，不仅有技 术因素，还有经济因素、社会因素，造成资源型产业系统精确机理建模日益困难。 4 不确定因素增多，不确定因素如资源条件动态变化、环境动态变化、输 入信息中的噪声、干扰与误差大，造成信息的不确定性、不确知性增大。 5 系统功能综合，资源型产业的生产目标是多层次、多样的，包括技术的、 经济的、社会的、生态的等等，这就必然要提出多层次、多任务的综合性控制与 决策要求，例如产品安全、质量控制、经济管理、资源配置、环境保护等，做到 协调有序地发展生产的同时，还能保护生态环境不被破坏。 第一章绪论 1 2 4 资源型产业的数据特点 资源型产业系统运行中所表现出的复杂特征，同样会在描述运行指标的空间 数据中反映出来。由于空间数据中大量存在的非线性、多维、模糊和不完备等特 性，因而可能会导致空间状态参数的取值及计算模式选择不合理，直接影响资源 管理与控制计算结果的可靠性。目前国内外解决这些问题的主要方法是利用计算 智能技术和探索新的计算模式【1 矗8 3 2 3 8 。5 0 】，但是仍然存在诸多期待解决的技术 难点，主要有以下几个方面的问题： 1 系统所处的环境或条件时时刻刻都在发生变化，当这种变化超过一定的 范围，就形成了另一个问题，导致对空间数据的分析、识别与理解经常会遇到数 据的不完备、动态变化、噪声、冗余和稀疏等技术难题。对于出现的新问题，如 何快速及时地获得最优决策方案去控制问题的进程，这是处理资源型产业动态控 制及决策问题的关键环节。 2 数据采样的近似和数学模型的抽象，综合造成空间数据的不确定性，难 以用确定性定量模型来进行描述和求解，需要选择合理的、面向空间数据的信息 感知与理解方式，完成基于空间数据的信息感知与交互，这也是实现可计算条件 下优化控制的一个技术难点。 3 复杂问题各组成单元之间的联系广泛而密切，构成一个多级、多因素、 多层次结构，每一单元的变化都会受到其他单元变化的影响，并引起其他单元的 变化。因此，复杂问题求解过程中，普通的线性叠加原理已不适用，需要面向问 题选取合适的分析角度，完成在不同认知层次上对数据的理解和把握，进而提高 决策的客观性与控制的可行性。 4 空间数据结构的非线性特性和环境的不确定因素的存在，造成人们对复 杂问题的认识和掌握的知识总是不完备的。 综上所述，资源型产业系统具有多种形式的复杂性。在整体结构上，表现为 非线性、不确定、多维、多源、异构等；在被处理的信息上，表现为数据信息的 不确定、随机和不完全、定性知识及定量计算的混合等。这使得传统的、常规的 优化控制与决策方法难以直接运用。因此，对于资源型产业系统优化控制问题的 研究，不能完全以控制对象为研究主体，还应考虑以控制模式为研究主体，从软 件和硬件两个方面，针对资源型产业系统复杂控制问题的信息感知交互方式、系 统建模与求解等难点，结合控制问题的结构与计算特性，开展进一步深入的优化 控制模式研究。综合运用人工智能和控制理论的逻辑推理、启发式知识、自学习 能力等技术优势来系统分析和解决资源型产业结构调整以及精细化生产作业中 存在的复杂性问题。 第一章绪论 1 3 资源型产业的发展趋势 1 3 1 农牧业资源型产业的发展趋势 农牧业生产经营运行体制属于资源型产业，也是目前内蒙古地区的一个支柱 产业。以关系国计民生的农牧业资源型产业为例，总结分析其呈现出的主要发展 趋势1 5 1 】： 1 由“平面型”向“空间型 发展。为在有限的土地资源条件上获得大量 生产产品，巧妙利用各类产品在生产过程中的“空间差 和“时间差”，进行错 落组合，综合搭配，构成多层次、多功能、多途径的高效生产系统。 2 由“工厂型”向“园林式发展。农牧业资源型产品的生产过程完全是 自然景色。空气新鲜，布局艺术，设计合理，和谐发展。 3 由“自然型”向“设施式 发展。未来的农牧业资源型产业的生产将会 采用大量现代化保护措施，以抗御自然灾害的侵袭，有效实施精细化作业或精准 化作业。 4 由“常规型向“生态型 发展。根据农牧业资源型产业在生态条件下 物质循环和能量转化规律建立起一个综合型生产结构，这必将是资源型产业的一 种最佳的生产方式。 5 由“单向型”向“综合型”发展。欧洲农业专家们建议把它作为未来的 农业主导方向。它既用有机肥、绿肥、桔杆还田，也配用无机态氮、磷、钾肥料。 此外，在杂草控制、病虫害防治等方面应进行科学的综合治理，充分发挥整体效 应、聚合效应。 6 由“机械化向“自动化”发展。随着计算机应用技术的发展，资源型 产业的机械化生产模式将进一步发展为自动化生产模式。据预测，今后超级智能 机器人将参与生产进程中的一切管理，并且帮助完成各种生产活动。 7 由“化学产业化 向“生物产业化”发展。目前农牧业生产中普遍使用 化肥、农药、除草剂和各种激素，因此而造成农业以及畜牧业产品安全、环境变 化等各方面的一系列问题。专家认为，随着基因工程等生物产业技术的发展，这 种局面正在发生变化。 1 3 2 制造业资源型产业的发展趋势 制造业也属于资源型产业。随着生产能力的不断提升，制造业也逐渐成为内 蒙古地区的支柱产业之一。以关系国民经济基础的制造业资源型产业为例，总结 分析其呈现出的主要发展趋势1 _ 6 】： 第一章绪论 1 全球经济一体化与全球市场的形成。2 0 世纪9 0 年代以来，信息技术飞 速发展所导致的重大变化之一就是全球经济一体化与全球市场的形成。这既推动 了社会生产力迅速发展，又给企业带来严酷的生存环境。例如，传统的“相对稳 定 的市场变化为“动态多变”的全球市场：卖方市场向买方市场转变；多品种 小批量生产比例增大；产品生命周期越来越短；知识构成了产品的主要价值，知 识将成为企业经营的重要资本和生产要素。 2 生态制造模式的出现。制造业创造了工业文明的同时，也带来了巨大的 负面效应，如环境污染、天气异常、灾害频繁和资源枯竭。有关研究专家借鉴生 态学原理和方法，提出了一种称之为生态制造的新型生产模式。生态制造在对一 个企业进行研究的同时，还考虑环境的相互作用，其特征是运用生态系统高效、 和谐优化原理，建立起低耗、高产、优质、无污染、高效益的生态与经济相协调 的发展模式。 3 生产、制造过程自动化。c a d c a e c a p p c a m ( 计算机辅助设计计算机 辅助工程计算机辅助工艺设计计算机辅助制造) 等技术产品已经比较成熟，这些 产品正从孤立的单元产品向以p d m ( 产品数据管理) 为中心的可集成的工具集方 向发展。发展智能化、敏捷化的d f x ( 面向技术、制造等的设计) 、数控系统及 底层设备等等，是生产、制造过程自动化的发展方向。 4 制造产业信息化。产品设计和制造过程智能化和数字化，必须使用数字 化信息流，实现企业运作信息化，才能迅速反应市场需求。随着信息技术、计算 机技术的迅速发展，未来的制造业必然成为一种信息产业。信息将成为制造业的 决定因素，用信息化技术促进未来制造业的发展已成为时代潮流。 5 优化生产管理与控制模式。近代制造系统的演进和功能要求解决众多不 同类型约束下的规划和优化问题。在生产实际中，这些问题都具有相当的规模， 它们的解算一般属于非多项式规模，采用传统的运筹学方法在解决这些问题时不 能保证求解结果的质量和解算效率。 随着先进制造技术进一步向更高水平发展，出现了虚拟制造、精益生产、敏 捷制造等新的概念和哲理。 制造哲理是一种制造观念和生产策略，是一种改进整个生产过程、提高企业 竞争力的战略技术手段，强调“市场生产服务”一体化。 图1 2 描述了各种制造哲理在活动空间和柔性范围方面的比较i l 6 】。 任何先进的制造哲理及建立在其上的先进制造系统，只有通过先进的生产管 理，才能使原材料流经制造系统并最终变为市场产品的过程中，取得最大的经济 效益。生产管理的作用是更有效地编制计划与控制企业的实际资源以满足生产的 需求，即对整个制造过程的计划与控制。计划与控制问题的有效解决依赖于多方 第一章绪论 面的因素，其中包括生产环境、生产策略、市场环境、自动化程度等等。 无论哪一种管理和哪一级的控制，其核心都是通过优化配置资源以取得最好 的经济和社会效益。 f m 卜柔性制造系统 c i m s 计算机集成制造系统 l p - - - - 精益生产 c 卜并行工程 a m 一敏捷制造 订一虚拟制造 图1 2 不同制造哲理的活动空间和柔性范围 6 网络化制造逐渐成为一种主导模式。随着互联网的普及，“信息化全球 化网络化”的制造和经营活动方式将成为新的重要发展趋势。 综上所述，伴随着资源型产业生产发展的需求，可以预见，以信息化技术、 综合自动化技术为重要技术支持手段的资源型产业建设，推广先进的生产管理技 术，是未来信息社会资源型产业生产领域发展的必然趋势。 1 4 本文的安排及主要工作 本文作为国家电子信息产业发展基金项目“内蒙古地区基于网络的农牧业生 产经营地理信息服务平台开发建设”( x b y 2 0 0 7 3 2 9 ) 、国家科技支撑计划项目 “马铃薯数字农业、经济、市场研究及信息服务体系的构建”( 2 0 0 7 b a d 4 9 8