知识进化计算在化工动态改进中之应用研究

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1、知识进化计算在化工动态改进中之应用研究第1章绪论1.1引言自从人类学会钻木取火以来，化学工业的发展就一直对人类文明的发展过程有着不可忽视的巨大影响。客观来说，化学工业是我们人类用以认识和改造物质世界的主要手段以及方法之一，它是一类重要、历史悠久同时又富有活力的工业，它的发展与人类文明进步和社会发展息息相关[2]。化工工业的发展情况是不但是社会文明的重要标志，还是现代工业国家国力的一个重要的衡量指标。1.1.1化工优化技术概述化工工业能够使人类摆脱对环境的依赖和自然资源对人类发展的限制，学者和工程师们正努力在不同的空间与时间尺度和维度上研究物质形成和转换过程的本质和规律;创造新材料并预测这种材

2、料对生态影响。近年来，化工研究的主要方向在于设计高效、对环保友好和低能耗的生产工艺;此外绿色合成和原子经济学也是近期的发展热点。近年来化学工业的发展对人类生活方式的改变产生了巨大影响，本节将从以下几个方面进行介绍:①农业生产方面:绿色肥料的产生离不开化工工业的发展，在实际生产上已经初具规模;化工合成的新型绿色农药具有高效，低毒的特点，同时能够调节作物生长，抑制有害生物，对非指定性目标(特别是人类和进入食物链的家畜)不产生有害作用，不会长期存留在体内和土壤中。不但对人类健康有益，对生态平衡和环境保护也有好处。②人类保健方面:化工工业的发展使得化妆品向天然性，生物化，疗效性和功能性方向发展，新型

3、的化妆品采用人脸肤色设计;绿色化技术和绿色化生产工艺也是洗涤用品的发展方向。③应对气候变化方面:传统化工生产不可避免需要排出大量废物废气。新型化工能够通过开展清洁生产，降低生产的排放当量和推广绿色化学来避免对环境的破坏;辉瑞公司通过简化和改进生产工艺，使得新工艺的原料的消耗，三废的排放量都比老工艺更加环保，这项改革获得了美国的总统绿色化学挑战奖。除此以外，化学工业还是温室气体减排的助推剂:据统计，石化行业每减少一吨可以为其他的工业减少两吨的排放量。④安全生产方面:绿色化工的理论和采用安全环保的技术将使生产过程危险性大大降低甚至为零。化工工业技术的发展改进了化工生产过程，使得绿色化工生产成为可

4、能;新型绿色涂料的应用减少对环境的损害，增加安全系数;选择含NHO元素的无公害物质做原料制造高能炸药，改善工人生存环境。综上所述，化学工业作为当今世界规模最大及最重要的制造业，在传统产业进行高技术升级改造过程中，无疑是最有作为的领域。在应对未来人类所面临的挑战中，化工工业还会发挥巨大的作用，因而化工工业的技术发展理应得到社会和学界的重视。随着能源和环境问题对化工工业的要求日益提高，如何高效的利用现有资源已然成为社会发展和人类生存的新课题，这就造成化学工业更加依赖过程系统工程的发展，而过程优化技术是过程系统工程方面研究的重要课题之一。优化在近年来广泛应用于过程综合、设计、控制、调度和计划等各个

5、领域，同时绿色化工等新概念逐渐融入化工学科，使得化工多尺度建模也成为了目前热门的研究课题，这就造成了优化模型复杂化，因而根据模型设计高效的全局优化方法用以应对化工问题的特点(如组合、多目标、动态和不确定性)，必将是今后过程系统工程研究者函待解决的重要课题。1.1.2化工优化问题的特点及难点若化工优化问题的目标函数以及约束都较是线性函数或者凸凹性单调的，使用简单的优化方法就可以处理。然而在化工方面的优化问题并非此类理想情况下，模型中普遍存在非线性，优化变量不连续等。化工优化问题表现出以下一些特点和难点[7]:1.目标函数可能不是连续函数，特别是目标函数中含有绝对值函数、最值函数以及IF一THE

6、N逻辑表达式等;2.目标函数可能本身根本无法用显式表达，典型的有计划调度问题;3.目标函数或者约束对控制变量变化的敏感性过高或过低:Park-Ramirez生物反应器的目标函数和约束方程较为复杂，其控制曲线就有这一特征;4.难以引入各种规则和经验，造成不必要的计算代价的损失。实际工业生产中总结的知识经验和启发式规怯口很少能够应用于化工过程控制和过程优化。第2章优化方法的理论基础和算法概述优化方法就是运用数学方法研究各种系统的优化途径及方案，为决策者提供科学决策的依据，普遍存在于人类社会的方方面面:出行者总是在寻找一种出行方式组合，能够在尽快到达目的地的同时尽可能的节省费用;军方总是在寻找一种

7、合适的武器采购模式，使得保有武器的效用最大化、满足安全防卫需要的同时，能够尽可能的节省军费。投资银行总是在寻找一种安全高效的投资组合方式，在尽可能的获得高收益的同时可以尽可能的规避风险。工厂制定生产计划是，总是希望工厂能够在尽量减少原料储备和库存的同时维持工厂的正常高效运转。综上所述，优化理论是一门工程实用性很强的应用学科。2.1经典最优化理论2.1.1经典优化方法的历史沿革公元前500年毕达哥拉斯学派发现黄