浅论化工批处理过程调度的建模与优化

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1、浙江大学博士学位论文化工批处理过程调度的建模与优化姓名：杨勇申请学位级别：博士专业：控制理论与控制工程指导教师：胡上序20030401浙江大学博士学位论文摘要面对激烈竞争的全球市场环境和加入世贸组织的各种挑战，我国的化工行业必须实施信息化建设，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，从而在竞争中保持优势。在综合行业技术、经济和管理特征的基础上实施计算机集成制造系统(ComputerIntegratedManufacturingSystem，cnMs)日益受到人们的重视，在理论研究和应用技术方面也得到了不断深入的发展。然而在流程行业

2、中相应的计算机集成制造系统(ComputerIntegratedProcessingSystem，CIPS)的发展却相对比较缓慢，本文的目标就是在这方面做一些探索。在流程行业实现企业信息化、实现企业各系统的信息集成和过程集成的综合自动化系统工程中，在宏观层面上，生产调度问题是首先要碰到的一个关键问题。而相对于连续生产，化工批处理生产过程的自动化和生产管理问题比较复杂，所以到目前还有许多尚待解决的问题。近年来，对这方面的研究成为自动化领域的一个热点研究问题，并正在不断取得新的研究成果。由于现代各行各业生产和消费方面需要的产品在品种、规格和性能等方面呈现出极大多

3、样化的趋势，致使多品种、多规格、小批量的生产需求有明显的增长，相应的批处理生产在整个化工行业中所占的份额日益增大，因此对化工批处理过程调度问题的研究不仅具有学术意义，而且具有经济效益。本文研究的工作主要有以下内容：l、利用Petri网对化工批处理生产过程建模。Petri网作为一种图形和数学工具，为离散事件动态系统的建模、性能分析和设计提供了一个统一的环境。本文探讨并总结了多产品和多目的批处理生产过程的赋时Petri网模型，为改进Petri网描述节点过多的缺点，利用抽象和层次模拟等技术对其进行简化。基于面向对象的思想利用有色赋时Petri网首次提出了一个多目的

4、批处理过程的通用模型。对批处理过程进行系统建模后，就可以利用各种有效的数学分析工具检测系统的性能，进行系统仿真。2、集成化建模是CIPS的一个关键问题。分解合成和分层递阶是常见的Petri网构造方法，本文根据这两种构造方法的基本理论，提出了一种基于消息传递机制的分层递阶的构造方法，建立化工批处理过程调度的框架模型。通过一个示例表明合理划分层次，不同的层次可以用不同类型的Petri网描述，不仅仅批处理过程调度模型的结构更加清晰，而且可以简化某类化工批处理调度问题的优化计算。3、调度的目的就是通过优化管理而追求更大的效益。近些年来一些随机性优化算法在化工批处理调

5、度问题中得到了某些较好的应用结果，但是所得解的优浙江大学博士学位论文化程度不易判断，优化算法尚有待于进一步的改进。蚁群算法作为一种较新的随机性算法在离散组合领域取得了较好的效果，本文对这种算法进行了研究，并提出了一种改进的蚁群算法。本文还基于蚁群算法的思想，将这种优化算法拓展到求解连续空间问题上，取得了令人鼓舞的结果。由于蚁群算法与人工智能中的强化学习算法之间有着某种联系，同时强化学习近年来也应用于求解调度问题，因此本文也涉及到了一些强化学习的主要算法。4、利用以上的建模与优化方法对一些化工批处理过程的调度问题进行了分析，提出了一些新的观点和调度算法。对于静

6、态调度问题，考虑生产中的随机性因素，在安排生产时间表时引入了概率理论，可以有效地解决加工过程中的时间冲突问题。对于动态调度问题，提出了两个新的调度算法，一个是结合预测修改法和利用备用设备的在线调整算法，另一个利用强化学习建立了智能调度系统，通过一个具有自主学习能力的智能体动态选择调度规则。关键词：化工批处理过程，调度，集成化建模，优化浙江大学博士学位论文AbstractFacingthecompetitioninworldwidemarketandthechallengeofjoiningtheWTO，thechemicalcomplexesinourcou

7、ntrymustmakethebestUSeofinformationtechnologyinordertOreducecosts，improvequalityofproductsbyrespondingtomarketchangesasfastaspossible，suchthatitCanimproveeconomicperformance，remainthesuperiorityofcompetence．Onthebasisofanalysingthecharacteristicsofproductioneconomyandmanagement，com

8、puterintegratedmanufacturi