【2】綜合集成 整體優化
——論我國過程系統工程的發展方向

過程系統工程(Process System Engineering，PSE)是在系統工程、化學工程、過程控制、計算數學、信息技術、計算機技術等學科的邊緣上產生的一門綜合性學科，它以處理物料—能量—信息流的過程系統為研究對象，其核心功能是過程系統的組織、計劃、協調、控制和管理，它廣泛地用于化學、冶金、建材、食品等過程工業中，目的是在總體上達成技術上及經濟上的最優化。

過程系統工程大約是在20世紀60年代開始形成一門獨立學科的，此后得到了迅速的發展，在各種期刊雜志上及三年一度的過程系統工程國際會議上發表了大量的文章，其中一些關鍵技術，如過程模擬、過程分析、過程綜合、過程預測、過程評價、過程可靠性分析等日益成熟，應用領域也不斷擴展，已經成為過程工業發展中不可缺少的一門高技術。

近二十多年來，我國學者及工程技術人員在努力學習國外先進技術的基礎上，在實踐中積累了不少經驗，在技術上也有一些發展。但由于彼此之間缺乏聯系及交流，在過程系統工程方面尚未能形成一支強大的人才隊伍，有不少好的成果得不到應有的推廣。在我國著名系統工程專家錢學森教授及一些有志之士的推動下，中國系統工程學會過程系統工程專業委員會(簡稱PSESC)于1991年宣告成立。

PSESC成立8年以來，通過各種學術活動及出版物交流了我國學者及實際工作者的科研與實踐成果，對我國過程系統工程的發展起到了一定的促進作用。過程系統工程在下一世紀究竟應朝什么方向發展，這是國內外許多學者都在關心的問題。筆者在1995年于大連召開的中國系統工程學會過程系統工程專業委員會上的主體報告中就已指出，“綜合集成，整體優化”是過程系統工程的新潮流，并提出了以模型為核心實現綜合集成、軟技術模型與硬技術模型相結合等思路。在1998年于九江召開的過程系統工程學術討論會上，筆者又作了《依靠過程系統工程促進企業集約化》的主題報告。本文擬進一步就“綜合集成，整體優化”發表一些筆者個人的意見，希望能對有關人士起到一定的參考作用。

依靠綜合集成實現整體優化

所謂綜合集成是指自下而上地將系統的各個部分組織起來，形成合理的層次結構及功能結構，使系統能適應環境而發揮最優的功能。在進行綜合集成時要將科學理論、經驗知識、專家判斷和企業系統內外的有關信息相結合，建立起盡可能符合實際的模型，并用此模型來指導系統的集成。即可用此模型在不同的情況下進行模擬及優化，從而得出最優的集成方案。

所謂整體優化是指為達到系統的整體戰略目標而合理地配置系統的資源。企業系統的整體戰略目標包括三類：一是企業利益目標，例如增長速度、利潤、勞動生產率等；二是用戶利益目標，如價格、質量、交貨期、售后服務等；三是社會利益目標，如保護環境、社會服務等。這三類目標是密切聯系的，而且隨著社會的進步和經濟的發展，后兩類目標的重要性將日益增加。

綜合集成與整體優化是不可分割的，綜合集成必須在整體優化的目標指導下進行，而整體優化則只能在綜合集成的基礎上實現。因此可以認為，依靠綜合集成實現整體優化，就是過程系統工程應當遵循的發展方向。

綜合集成應當以模型為核心

企業是一個由許多緊密聯系并相互作用的單元所組成的、具有不同層次結構和功能結構的、與外部環境有物質、能量及信息交換的、不斷發展變化的系統，而有關物質、能量、資金、人員等方面的情況都可以化為信息來處理。故可以用有關企業系統各部分及其相互聯系的信息來構成一個虛擬的企業系統，通過人機交互的方式在計算機上對其在不同條件下的運行情況進行模擬，從而得出能實現整體優化的方案。

所謂虛擬的企業系統實際上就是以企業整體模型為核心而建立的企業模型系統，它應當具備以下幾個特點：

(1)盡可能貼近企業的實際。

建立企業模型實質上就是對企業的結構和運營進行抽象化，在此過程中必然要舍棄一些次要的因素和組分，從而使得模型與企業的實際之間有一些差異。因此在建模時就必須兼顧模型的簡化性與精確性，在技術和經濟允許的前提下盡可能使模型貼近企業的實際。

(2)能在計算機上運行。

所建立的企業模型應當是能在計算機上運行的，這首先就要能將定性變量用適當的方法量化，其次還要能編制出模型的算法程序，最后還要通過試算證明可以在合理的時間內得出一定的解(即其解具有收斂性和唯一性)。

(3)有良好的人機界面。

系統能理解用戶用自然語言輸入的指令，允許用戶修改其目標及優先順序，模型提供各種參數的缺省值，并允許用戶在合理的范圍內修改，有經驗的用戶經特準后可對模型本身進行修改。

(4)能自適應和自學習。

系統應能適應用戶要求的變化，并能在模型的運行過程中通過吸收和學習專家的經驗，不斷改進模型的性能。

因此，綜合集成的目標就是要建立這樣一個虛擬的企業系統。其所采用的技術主要有以下幾種：

(1)模型化技術。

模型化是實現集成的基礎。通常系統的組元可用操作模型(例如表示輸入—輸出關系的黑箱模型)或運算模型(例如可進行數學運算或邏輯運算的模型)來表示；層次或功能模型可用數學規劃模型或微分方程組來表示；而整體模型可用大型數學規劃模型來表示。

(2)結構化技術。

所謂結構化技術就是從系統組元的操作或運算模型出發，構成系統各個層次及各項功能的模型，然后再綜合成整體模型。這樣構成的整體模型實際上就是一個網絡，每個組元都處在一定的層次上及一定的功能塊中。例如我們不應將各個工序中的換熱器僅僅看作是在其本工序中發揮換熱功能的設備，還應將其看成是整體系統中換熱功能塊中的一員。

(3)協同化技術。

所謂協同化技術就是在某一層次上同步集成其所應具備的各項功能，而不是等各項功能已分別集成后再加和起來。這時最重要的是將管理和控制的功能集成在一起，即在工序、車間、分廠和企業等層次上將軟技術模型(例如財務、采購、營銷、人事等)與硬技術模型(例如物性、產品、生態、過程等)集成起來。

(4)模型管理技術。

系統組元的操作或運算模型通常是以子程序的形式存儲在模型庫中，因此需要有模型的存取、調用、匹配、銜接等方面的技術。各個層次和各項功能的模型通常是以程序模塊的形式存儲，故應注意其易維修性、易裝配性及可移植性。整體模型規模十分龐大，故應注意其參數的匹配和校驗，以及易于維護和修改。

至于綜合集成中的一些技術關鍵，例如定性變量的量化技術，動態模擬與靜態模擬的關聯技術，企業系統總體表征技術，模型庫的構建及管理技術等，筆者在《依靠過程系統工程促進企業集約化》一文中已有探討，本文不再贅述。

整體優化的策略選擇與實施

整體優化應當在綜合集成的基礎上進行，并應將綜合集成的原則貫穿于整體優化的全過程，實現領域專家與系統工程專家的結合、定性分析與定量分析的結合，以及經驗決策與計算機輔助決策的結合。其實施過程大體上包括以下三個步驟。

(1)上機試算：

這一步的內容是按照既定的目標及選定的各項參數在計算機上對企業整體模型進行運算，得出其初始解。但由于企業整體模型的規模十分宏大，故要有適當的優化策略。通常有序貫模塊法、面向方程法及聯立模塊法等三種選擇。

對于難以整體進行優化計算的特大型企業模型，可以采用串行與并行計算相結合的方法，筆者稱之為協調優化法。其實質是先將各個子系統看成黑箱，僅將其輸入及輸出變量集中構成一個整體協調模型，然后將各個子系統分別進行優化運算，將其解輸入協調模型中進行總體優化，再將總體優化后所得的變量值返回至各子系統模型中重新進行優化計算，一直迭代至總體優化與子系統優化的結果基本一致為止。

(2)專家討論：

這一步的內容包括將上機試算的結果交給特定的一批有關專業領域的專家，請他們分別獨立地進行經驗判斷，然后再進行集體討論，找出試算結果中的不合理之處，并提出改進的意見。這時系統工程專家應與領域專家共同討論，以綜合各方面的意見，并對模型進行修改。在對領域專家的意見進行集成時既要注意防止某些專家過分強調本領域的傾向，也要注意防止某些權威人士的意見占過大的權重。

(3)求得最優解：

在經過若干次上機試算—專家討論—修改模型—上機運算的循環迭代后，直至大家認為基本上滿意時，即可認為所得的結果為最優解。

隨著科學技術的進步與經濟全球化的發展，我國過程工業企業將面臨越來越嚴峻的挑戰，過程系統工程也必然會起到越來越大的作用。筆者深愿我國的專家學者們能勤奮思考，勇于創新，努力實踐，為提高我國過程系統工程的學術水平和應用效果而作出更大的貢獻！

附注：本文系1995年在大連召開的“第二屆過程系統工程年會”的會議論文。