【正文】 包括： 基于過程數(shù)據(jù)、知識和模型的故障診斷和故障預(yù)報(bào)的控制系統(tǒng)安全分析方法 ； 一體化控制軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)過程中的安全性分析和安全性驗(yàn)證方法 ； 運(yùn)行控制、運(yùn)行優(yōu)化與指標(biāo)分解轉(zhuǎn)化軟件的實(shí)時(shí)協(xié)同運(yùn)行平臺與協(xié)同引擎 ； 運(yùn)行控制、運(yùn)行優(yōu)化與指標(biāo)分解轉(zhuǎn)化軟件中的數(shù)據(jù)庫、模型庫、算法庫的表達(dá)、統(tǒng)一管理和運(yùn)行機(jī)制 ； 針對最終用戶的友好、安全、易用的人機(jī) 交互方法 ； 開發(fā) 具有安全性、協(xié)同性、易用性的一體化控制軟件系統(tǒng) ，完成 仿真平臺的體系架構(gòu)與功能設(shè)計(jì) ，提出生產(chǎn)制造全流程仿真建模與仿真方法 ，建立一體化控制系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺，為進(jìn)行生產(chǎn)制造全流程一體化控制系統(tǒng)研究提供實(shí)驗(yàn)平臺；完成一體化控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和一體化控制系統(tǒng)在該平臺上的有效性驗(yàn)證。包括： 不同類型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通訊限制下，信息采集、信號傳輸與處理過程對對控制系統(tǒng)的不確定性因素分析與描述 ； 通訊限制所造成的隨機(jī)延時(shí)特性的建模與估計(jì) ； 隨機(jī)延時(shí)對運(yùn)行指標(biāo)模型的不確定性影響分析與建模方法 ； 不同類型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的信息處理的若干基礎(chǔ)理論 與關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ) ； 多層次不同類型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行控制方法 ； 不同類型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下不確定性對控制系統(tǒng)性能的影響分析 。 主要研究內(nèi)容包括： a) 仿真平臺的體系架構(gòu)與功能設(shè)計(jì) b) 生產(chǎn)制造全流程仿真建模與仿真方法研究 c) 一體化控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真軟硬件平臺的研制 （ 4） 復(fù)雜生產(chǎn)制造全流程一體 化控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 以冶金工業(yè)的典型復(fù)雜生產(chǎn)過程（如選礦過程）為背景，從工業(yè)現(xiàn)場獲得大量的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，建立實(shí)際的典型生產(chǎn)過程的全流程動態(tài)模型并進(jìn)行模型校驗(yàn)，開展對復(fù)雜生產(chǎn)制造全流程一體化控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于虛擬生產(chǎn)流程仿真包含面向流程的生產(chǎn)指標(biāo)分解模型和面向不同單元的多種工藝設(shè)備模型，它們的表現(xiàn)形式不 同、建模分辨率不同，并且分布在多臺計(jì)算機(jī)上協(xié)同運(yùn)行，因此需要開展生產(chǎn)制造全流程的混雜、多分辨率、分布式仿真的協(xié)同方法與一致性校驗(yàn)的研究。傳統(tǒng)的基于單機(jī)的、針對特定層面對象模型的仿真方法難以反映出一體化過程控制的內(nèi)涵和需求。 主 要研究內(nèi)容包括： a) 基于過程數(shù)據(jù)、知識和模型的故障診斷和故障預(yù)報(bào)的控制系統(tǒng)安全分析 方法 b) 一體化控制軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)過程中的安全性分析和安全性驗(yàn)證方法 c) 運(yùn)行控制、運(yùn)行優(yōu)化與指標(biāo)分解轉(zhuǎn)化軟件的實(shí)時(shí)協(xié)同運(yùn)行平臺與協(xié)同引 擎研究 d) 運(yùn)行控制、運(yùn)行優(yōu)化與指標(biāo)分解轉(zhuǎn)化軟件中的數(shù)據(jù)庫、模型庫、算法庫 的表達(dá)、統(tǒng)一管理和運(yùn)行機(jī)制的研究 e) 針對最終用戶（管理者、工藝工程師、操作員）的友好、安全、易用的 人機(jī)交互方法 f) 具有安全性、協(xié)同性、易用性的一體化控制軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā) （ 3） 一體化控制系統(tǒng)的半 實(shí)物仿真平臺的研究與開發(fā) 復(fù)雜生產(chǎn)制造全流程一體化控制系統(tǒng)的應(yīng)用遵循總體設(shè)計(jì)、分布實(shí)施的原則。軟件系統(tǒng)的易操作、易理解、易學(xué)習(xí)對于提高其使用效率至關(guān)重要，對控制軟件的易用性提出了更高的要求。一體化控制軟件系統(tǒng)需要協(xié)同運(yùn)行控制軟件、運(yùn)行優(yōu)化軟件與指標(biāo)分解轉(zhuǎn)化軟件，實(shí)現(xiàn)企業(yè)全局優(yōu)化，這就需要以各種網(wǎng)絡(luò)通訊為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫等平臺軟件與運(yùn)行控制軟件、運(yùn)行優(yōu)化軟件、指標(biāo)分解轉(zhuǎn)化軟件的互通和互操作，開展協(xié)同性研究。由于一體控制軟件系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、算法復(fù)雜，增加了開發(fā)一體化控制軟件系統(tǒng)過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能，加上錯(cuò)誤的發(fā)生具有離散特點(diǎn)，傳統(tǒng)的系統(tǒng)安全分析技術(shù)不能直接應(yīng)用到一體化控制軟件開發(fā)過程中的安全性分析。 一體化控制系統(tǒng)的管理軟件、運(yùn)行優(yōu)化軟件、回路控制軟件通過系統(tǒng)集成支撐軟件和不同類型網(wǎng)絡(luò)相互協(xié)作，達(dá)到對復(fù)雜生產(chǎn)制造全流程進(jìn)行一體化控制的目的。故障預(yù)報(bào)與故障診斷是提高系統(tǒng)安全運(yùn)行不可缺少的重要部分。為了消除與減少多種網(wǎng)絡(luò)所造成的通訊限制對一體化控制系統(tǒng)的影響，開展如下研究。在通訊限制下，信息傳輸往往會產(chǎn)生不確定性因素，影響控制系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)是一個(gè)包含連續(xù)信 27 號與離散信號的混雜系統(tǒng)，使得生產(chǎn) 制造全流程的運(yùn)行控制變得非常困難。 課題承擔(dān)單位： 浙江大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 錢積新教授 學(xué)術(shù)骨干： 邵 之江教授、吳俊教授、李平教授、高福榮教授 課題經(jīng)費(fèi)比例： % 課題 4：具有安全性、協(xié)同性、易用性的一體化控制系統(tǒng)的若干技術(shù)基礎(chǔ)與半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺的研究 （ 1） 網(wǎng)絡(luò)化復(fù)雜系統(tǒng)控制基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究 復(fù)雜生產(chǎn)制造過程一體化控制系統(tǒng)涉及到具有不同結(jié)構(gòu)和協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)（如工業(yè)以太網(wǎng)和設(shè)備網(wǎng)等）。將結(jié)合過程機(jī)理分析，在超大規(guī)模動態(tài)過程建模與求解方法、高維低自由 度過程系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算的簡約空間內(nèi)點(diǎn)算法、面向?qū)崟r(shí)操作運(yùn)行的動態(tài)優(yōu)化快速收斂方法方面形成原創(chuàng)性強(qiáng)的研究成果；結(jié)合過程在線運(yùn)行數(shù)據(jù)，提出數(shù)據(jù)調(diào)和與參數(shù)估計(jì)一體化算法、動態(tài)模型的實(shí)時(shí)修正和精度估計(jì)方法；探索控制優(yōu)化一體化閉環(huán)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法，將數(shù)值優(yōu)化與非線性模型預(yù)測控制相結(jié)合，形成適應(yīng)大范圍工況變化的生產(chǎn)過程在線動態(tài)運(yùn)行優(yōu)化算法，以及相應(yīng)的軟件原型。 課題預(yù)期目標(biāo) ： 以復(fù)雜流程生產(chǎn)過程節(jié)能降耗為目標(biāo)，針對工業(yè)過程大范圍設(shè)備負(fù)荷變化、經(jīng)常性產(chǎn)品規(guī)格變化、間歇性生產(chǎn)狀態(tài)變化的特點(diǎn)，提出動態(tài)系統(tǒng)機(jī)理建模、求解與在線修正方法，提出適于實(shí)時(shí)運(yùn)行的動態(tài)優(yōu)化快速收斂方法、過程經(jīng)濟(jì)性能模型的驗(yàn)證方法，建立控制優(yōu)化一體化閉環(huán)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法，并在化工和石化生產(chǎn)過程關(guān)鍵裝置中進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。產(chǎn)品牌號切換意味著工藝條件的變化，憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作往往會在 26 工況變化中產(chǎn)生大量不合格的產(chǎn)品，造成大量原料、能量的浪費(fèi)。研究在大范圍工況變化情況下動態(tài)運(yùn)行優(yōu)化系統(tǒng)的性能分析方法和震蕩消除方法，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)動態(tài)運(yùn)行過程存在負(fù)荷大范圍變化、產(chǎn)品種類頻繁切換等情況下的優(yōu)化運(yùn)行目標(biāo)。利用過程相似性原理，提出并建立動態(tài)過程的模型實(shí)時(shí)修正理論與方法。 主要研究內(nèi)容包括： a) 結(jié)合過程機(jī)理分析的超大規(guī)模動態(tài)過程建模與求解方法 b) 用于高維低自由度過程系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算的簡約空間內(nèi)點(diǎn)算法 c) 面向?qū)崟r(shí)操作運(yùn)行的動態(tài)優(yōu)化快速收斂方法 （ 2） 基于有限測量信息的高解析度過程模型修正方法 本課題擬結(jié)合測量數(shù)據(jù)和過程機(jī)理，采用動態(tài)數(shù)據(jù)調(diào)和、滾動時(shí)域估計(jì)等方法，研究如何將模型狀態(tài)變量的還原和估計(jì)問題轉(zhuǎn)化為固定時(shí)域長度的優(yōu)化問題的方法，并在高維低自由度框架下研究基于簡約空間內(nèi)點(diǎn)方法的模型求解算法。針對關(guān)于動態(tài)運(yùn)行優(yōu)化的實(shí)時(shí)性和精度要求，采用收斂深度取代傳統(tǒng)剛性、靜態(tài)的優(yōu)化計(jì)算收斂準(zhǔn)則，研究有效的優(yōu)化計(jì)算適時(shí)終止方法。 課題承擔(dān)單位： 清華大學(xué)、杭州電子科技大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 劉民教授 學(xué)術(shù)骨干： 吳澄教授、周東華教授、秦泗釗教授、周彤教授、薛安克教授 課題經(jīng)費(fèi)比例： 30% 課題三：基于過程模型的生產(chǎn)全流程在線動態(tài)運(yùn)行優(yōu)化理論和方法研究 課題主要研究內(nèi)容包括： （ 1） 基于機(jī)理模型的大規(guī)模動態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算方法 本課題將結(jié)合過程機(jī)理分析的多尺度時(shí)空結(jié)構(gòu)，從不同層次研究動態(tài)過程的時(shí)空多尺度建模理論和方法，具體研究微 分 代數(shù)混合方程系統(tǒng)的完全離散化和部分離散化方法，并針對過程模型的超大規(guī)模、多尺度動態(tài)特性，研究模型解耦序貫求解方法和多尺度變步長智能求解方法。 課題預(yù)期目標(biāo)： 針對難以建立過程模型的復(fù)雜生產(chǎn)制造過程，提出復(fù)雜生產(chǎn)制造全流程基于數(shù)據(jù)和知識的實(shí)時(shí)智能運(yùn)行優(yōu)化理論和方法。應(yīng)用上述理論和方法研究成果，研發(fā)難以建立過程模型的典型工業(yè)過程（如鋼鐵工業(yè)）運(yùn)行優(yōu)化系統(tǒng)，為一體化控制系統(tǒng)研究提供基礎(chǔ)。目前，煉鋼 —連鑄生產(chǎn)過程運(yùn)行優(yōu)化處于人工操作狀態(tài)，造成能耗高、制造周期長、質(zhì)量不穩(wěn)定。 本課題首先利用泛傳感器網(wǎng)絡(luò)（包括模糊傳感器、精確傳感 器、人工在線判斷信息等）在線檢測所得到的包含定性和定量信息的相關(guān)多源異類數(shù)據(jù)，采用支持多類型變量的廣義神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊推理、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或模糊聚類算法對定性/定量、不確定、不完備的多源異類數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，并進(jìn)行融合效果的分析與評估，從而為關(guān)鍵工藝參數(shù)的在線檢測提供技術(shù)基礎(chǔ)?；跀?shù)據(jù)融合的檢測技術(shù)是解決上述難題的有效方法。 主要研究內(nèi)容包括： a) 基于定量、半定量數(shù)據(jù)信息的復(fù)雜生產(chǎn)過程故障預(yù)報(bào)方法 b) 復(fù)雜生產(chǎn)過程異常工況的預(yù)報(bào)方法與診斷理論 c) 復(fù)雜生產(chǎn)過程基于故障預(yù)報(bào)的最優(yōu)維護(hù)時(shí)機(jī)確定方法 （ 5） 影響運(yùn)行指標(biāo)的關(guān)鍵參數(shù)在線檢測中的若干技術(shù)基礎(chǔ)研究 在復(fù)雜生產(chǎn)制造過程運(yùn)行優(yōu)化系統(tǒng)（包括實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度、動態(tài)操作優(yōu)化及故障預(yù)報(bào)和安全運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)等 ）中，需要對某些關(guān)鍵工藝參數(shù)（如鋼水含碳量、精煉爐阻抗、漿紗機(jī)上漿率等）進(jìn)行在線檢測。但是，復(fù)雜生產(chǎn)過程中擁有大量的生產(chǎn)過程運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，包含豐富的正常運(yùn)行工況信息及異常工況發(fā) 23 生和發(fā)展的案例，因此，本課題采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法研究復(fù)雜生產(chǎn)過程異常工況（或故障）預(yù)報(bào)與安全運(yùn)行維護(hù)理論和方法。異常工況是導(dǎo)致產(chǎn)品性能低下、能耗 /物耗高的主要原因之一。 本課題首先提出可融合部分機(jī)理模型的面向運(yùn)行優(yōu)化的知識表達(dá)方式，并基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)模糊推理、不確定基、線性嵌套等方法，建立面向運(yùn)行優(yōu)化的基于數(shù)據(jù)和知識的混合模型，采用系統(tǒng)仿真、攝動分析等方法，對上述混合模型的魯棒性、擴(kuò)展性等多方面的性能進(jìn)行分析，然后采用多目標(biāo)優(yōu)化、自適應(yīng)模糊推理、約束滿足與自適應(yīng)協(xié)調(diào)優(yōu)化相結(jié)合，研究操作變量設(shè)定值智能協(xié)調(diào)優(yōu)化理論和 方法，最終建立復(fù)雜生產(chǎn)制造過程基于數(shù)據(jù)和知識的實(shí)時(shí)智能運(yùn)行優(yōu)化方法。然而，在工業(yè)企業(yè)中，許多新型儀表、網(wǎng)絡(luò)化儀表和傳感技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)制造全流程中，獲得了大量的實(shí)時(shí)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)；生產(chǎn)線的操作專家也已積累了豐富的 系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化知識。 另外，為使本課題基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度相關(guān)成果具有更大的通用 22 性，本課題還將與 浙江大學(xué)電氣學(xué)院汪雄海教授研究團(tuán)隊(duì)、 杭州市排水有限責(zé)任公司合作，結(jié)合城市污水排放 過程 調(diào)度的特點(diǎn)進(jìn)一步研究基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度理論和方法。同時(shí)，在動態(tài)擾動下，采用基于問題結(jié)構(gòu)特征和新 的鄰域搜索機(jī)制的智能優(yōu)化算法及基于擾動分析的仿真優(yōu)化方法等，對現(xiàn)有調(diào)度策略進(jìn)行重調(diào)度。因此，有效地利用大量的生產(chǎn)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)和領(lǐng)域?qū)＜抑R，并結(jié)合調(diào)度問題特征分析，研究復(fù)雜生產(chǎn)制造過程調(diào)度模型、實(shí)時(shí)調(diào)度及重調(diào)度理論和方法，是 解決上述問題一種非常有效的途徑。為確保整個(gè)運(yùn)行優(yōu)化系統(tǒng)的高效協(xié)調(diào)運(yùn)行，需研究復(fù)雜生產(chǎn)制造全流程實(shí) 時(shí)智能運(yùn)行優(yōu)化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法。 課題預(yù)期目標(biāo)： 提出 復(fù)雜生產(chǎn)制造全流程 一體化控制系統(tǒng)整體控制策略和運(yùn)行控制方法，包括一體化控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、運(yùn)行指標(biāo)的智能優(yōu)化決策方法、運(yùn)行控制方法等， 并成功應(yīng)用于電熔鎂生產(chǎn)過程，取得節(jié)能降耗明顯成效。 本課題結(jié)合電熔鎂生產(chǎn)過程開展所提出運(yùn)行控制方法的應(yīng)用驗(yàn)證研究。由于電熔鎂生產(chǎn)過程控制與運(yùn)行管理處于人工操作狀態(tài)，造成電耗高、電極等材料消耗大、產(chǎn)品質(zhì)量差、污染嚴(yán)重等 問題。電熔鎂是以菱鎂礦為主要原料，通過電熔鎂爐熔煉而成。建立復(fù)合閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、收斂性、魯棒性等系統(tǒng)性能分析方法。另外運(yùn)行控制的不同層次（設(shè)定控制與回路控制）運(yùn)行采用不同控制周期， 多速率的過程運(yùn)行控制是有待解決的問題之一。運(yùn)行控制指標(biāo)往往難于在線測 20 量，與底層控制回路的輸出密切相關(guān)，它們之間的動態(tài)特性常常具有強(qiáng)非線性、強(qiáng)耦合、難以用精確模型描述、隨工況運(yùn)行條件變化而變化的綜合復(fù)雜性，難以采用已有的模型預(yù)測控制方 法實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制。本課題將研究在市場需求、節(jié)能降耗、環(huán)保等約束條件下，實(shí)現(xiàn)企業(yè)效益最大化的生產(chǎn)過程運(yùn)行指標(biāo)的智能優(yōu)化決策方法。綜合生產(chǎn)指標(biāo)分解轉(zhuǎn)化過程的優(yōu)化涉及到多層次、多尺度、多目標(biāo)、多約束的非線性動態(tài)優(yōu)化難題。 主要研究內(nèi)容包括： a) 全流程一體化控制系統(tǒng)的 模型體系、模型結(jié)構(gòu)與功能 b) 復(fù)雜生產(chǎn)過程全流程一體化控制體系結(jié)構(gòu)與功能 （ 2） 在市場需求、節(jié)能降耗、環(huán)保等約束條件下，實(shí)現(xiàn)企業(yè)效益最大化的生產(chǎn)過程運(yùn)行指標(biāo)的智能優(yōu)化決策方法 要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜生產(chǎn)制造全流程一體化控制首先就要根據(jù)企業(yè)的綜合生產(chǎn)指標(biāo)確定其控制性能指標(biāo) ——生產(chǎn)制造全流程的運(yùn)行指標(biāo)。因此，如何建立一體化控制結(jié)構(gòu) 是對傳統(tǒng)的由反饋、前饋所構(gòu)成的控制系 統(tǒng)的挑戰(zhàn)。其一體化控制涉及到生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度部門、工藝技術(shù)部門、生產(chǎn)作業(yè)班、過程控制系統(tǒng)等，將企業(yè)綜合生產(chǎn)指標(biāo)分解轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)制造全流程運(yùn)行指標(biāo)過程，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為過程運(yùn)行控制指標(biāo)，然后轉(zhuǎn)化為過程控制系統(tǒng)設(shè)定值，是一個(gè)多層次、多尺度的運(yùn)行控制與管理過程。課題設(shè)置考慮了項(xiàng)目的主要內(nèi)容和研究目標(biāo)，課 題的設(shè)置覆蓋了主要研究內(nèi)容，上述四個(gè)課題一旦完成，即可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的預(yù)期目標(biāo)。課題四是針對上述三個(gè)課題所研究的一體化控制方法實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)展開研究，解決一體化控制系統(tǒng)的安全性、協(xié)同性、易用性，研制一體化控制系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺，驗(yàn)證上述三個(gè)課題所提出方法的有效性。上述三個(gè)課題研究的運(yùn)行控制和運(yùn)行優(yōu)化方法涉及到的三類對象基本上反映了具有不同特點(diǎn)的生產(chǎn)制造全流程。 課題一主要解決實(shí)現(xiàn)全流程的一體化控制的體系結(jié)構(gòu)和整體方案，產(chǎn)生生產(chǎn)制造全流程的運(yùn)行指標(biāo)；建立由多個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的生產(chǎn)設(shè)備（或過程）組成的生產(chǎn)過程的運(yùn)行控制理論和方法。 18 課題一 “復(fù)雜生產(chǎn)制造全流程一體化控制系統(tǒng)整體控制策 略與運(yùn)行控制方法研究 ”重點(diǎn)在于解決關(guān)鍵科學(xué)問題（ 1）；課題二 “復(fù)雜生產(chǎn)制造全流程基于數(shù)據(jù)和知識的實(shí)時(shí)智能運(yùn)行優(yōu)化理論和方法研究 ”主要解決關(guān)鍵科學(xué)問題（ 2）；課題三 “基于過程模型的生產(chǎn)全流程在線動態(tài)運(yùn)