【5】過程系統工程的現狀及展望

自60年代過程系統工程成為一門獨立學科以來，在各種期刊雜志以及3年一度的過程系統工程國際會議上發表了大量的文章。在本文中筆者并不打算引用并評述這些浩如煙海的參考文獻，而只是想從戰略的角度對過程系統工程的現狀及今后的展望提出一些個人粗淺看法。

一、過程系統工程的定義

盡管過程系統工程這門學科已有近30年的歷史，但至今尚未形成一個明確的定義。一方面是由于過程系統工程是在系統工程、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，它與這些學科之間難以劃分出明確的界限；另一方面也由于例如過程綜合、人工智能、失效分析、計算機集成制造系統、柔性制造系統等新內容不斷出現，過程系統工程本身也在不斷發展之中。

過程系統工程的研究對象是過程系統，即處理物質—能量流的系統，過去的研究主要集中于過程單元及中小型系統(多半是過程單元的鏈狀集合及環狀集合)，而目前所研究的系統則有越來越大的趨勢，包括過程單元的樹狀集合、網狀集合及立體集合等中型、大型甚至巨型的系統，有些巨型系統可以包括成千上萬個過程單元。

過程系統工程的核心功能是系統的組織、計劃、協調、控制及管理。眾所周知，系統越大，其內部的關系就越復雜，因此上述功能也就更加重要。為了充分發揮上述功能，對信息流的處理似乎也應當予以充分的重視。

過程系統工程的應用領域是過程工業，即物流型工廠(Flow Shop)，它是與工件型工廠(Job Shop)相對而言的。但是隨著物流型工廠的間歇化及工件型工廠的連續化，這兩種類型之間的界限已變得模糊起來，例如過程系統工程中柔性制造系統的概念就是從工件型工廠中借鑒過來的。

應用過程系統工程的目的是在總體上達到技術上及經濟上的最優化，例如最優設計、最優操作、最優控制和最優管理等。今后對經濟上的最優化將會給予更多的重視，在評價縮短流程、提高收益率、降低能耗等方案時將更加注重效益及代價之間的平衡。

綜上所述，可以認為過程系統工程是一門綜合性的邊緣學科，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。

二、過程系統工程的方法

過程系統工程的基本方法是過程模擬，即過程系統的模型化與求解。它包括過程單元模擬及過程系統模擬兩個層次。經過幾十年的努力，在過程模擬上取得大的進展。

在過程單元的模擬方面，對那些只處理流體的過程單元(如吸收、蒸餾、液—液萃取等)的模擬技術已基本成熟，除了傳統的平衡級模型外，已出現了直接利用速率方程及傳遞物性的非平衡模型(其商品化軟件的一例是Aspen Tech1990推出的RateFrac)。對那些處理固體或固體—流體的單元，雖然在多相催化反應、吸附、過濾、煤氣化、礦石浮選等方面的模擬取得了較好的進展，但由于其復雜性較高，有不少問題尚待解決，例如固體粒子集合的表征(涉及粒子形狀、大小及粒度分布)、固—液體系的流變性能、固體—流體間的相平衡及化學平衡等。至于生物化工過程單元的模擬技術目前還很不成熟，它將成為今后研究的重點。

在過程系統的模擬方面，采用序貫模塊法的模擬系統已經歷了三代發展，從60年代的Flexible Flowsheet(美國Kellogg)到70年代的FLOWTRAN(美國Monsanto公司)，再到80年代的ASPEN(美國麻省理工學院)、PROCESS(美國Simulation Science公司)等，至今已日趨成熟。但隨著過程系統的增大、循環回路的增多以及非線性化特征的增強，采用聯立模塊法的模擬系統近年來發展較快，例如ASCEND(美國CainegieMellon大學)、SPEEDUP(英國帝國大學與ICI公司)等。

在過程模擬的基礎上，就可以進行過程系統的分析、綜合與優化。本文不再敘述這三方面的細節，只從方法論的角度來探討以下幾個問題。

1.過程系統的表征

筆者建議用下列三個參數來表達一個過程系統的特征。

(1)過程系統的模型(簡稱SIZ)。

式中，N_i為第I個過程單元處進出流股數的總和；n為系統所包含的過程單元數。

(2)過程系統的復雜性(簡稱COM)。

COM=(n_f+2n_s+4n_b)/n

式中，n_f、n_s、n_b分別為系統中所包含的只處理流體、處理固體或固體—流體和處理生物體的過程單元的數目。

(3)過程系統的透明度(又稱白度，簡稱TRA)。

TRA=n_d/n

式中，nd為系統中能通過過程機理分析而建立數學模型的過程單元數。

筆者建議用下列三個參數來表達一個過程系統的特征。

顯然，對于規模較大、復雜性較高、透明度較低的過程系統，其模擬就越困難。

2.基礎數據的收集

過去在基礎數據的收集方面多半著重于物性數據，因為物性數據的準確與否在很大程度上影響著過程模擬的準確度。但在過程系統的綜合及優化時還需要有關的試驗及(或)操作數據，以及產品需求、售價預測、原材料和設備價格等經濟數據，對這些數據需要加以篩選及關聯，并建立數據庫。

3.白色模型與灰色模型

到目前為止，在過程模擬中所建立的數學模型幾乎都是白色模型(即通過機理分析而建立的，各因素間有確定映射關系的數學模型)，但對于復雜的固體處理及生化過程單元，采用建立灰色模型的方法或許更為有效。

4.穩態模擬與動態模擬

雖然動態模擬的發展幾乎比穩態模擬晚了近20年，但它在裝置操作、開停車、過程控制、操作人員培訓、安全性及可靠性研究等方面起著重要的作用，在大系統的綜合及優化中，動態模擬也是不可缺少的一個環節。

5.連續過程與間歇過程

以往過程系統工程的研究多半著重于連續過程的模擬，近年來，隨著產品需求的多樣化，能夠靈活改變產品品種及產量的間歇過程受到了越來越多的重視。到目前為止，研究的重點主要是多產品間歇生產裝置的排程(Scheduling)及計劃，今后應當研究多產品多裝置的排程、模糊排程以及柔性制造系統(FMS)。

6.定性分析與定量分析

對于規模龐大、復雜性高、透明度低的過程系統，難以完全采用定量的方法進行分析，如能輔之以定性分析的方法，加強人工干預，往往能取得較好的效果。目前的趨勢是引入人工智能，利用專家系統或模式識別的方法與傳統的方法配合，已經取得了一定的成效。

7.過程分析與過程綜合

過程分析是對于確定的過程系統，進行物料及熱量衡算、設備計算、投資與成本計算等，它可以在給定的輸入下求解輸出變量，也可以在給定的輸出下求解輸入變量。而過程綜合則是在給定的目標下來構筑一個過程系統，包括選擇工藝路線、選定流程(過程單元的集合及各過程單元之間的順序及連接)、選擇設備及操作條件等。過程綜合技術的成熟程度要比過程分析差得多，目前只是在換熱網絡、反應途徑、分離序列的選擇等方面取得了一些進展，大系統的全流程綜合基本上尚未實現。今后需要在過程綜合的方法上取得突破，大體方向應當是采用從定性到定量的綜合集成方法，自下而上、由微觀向宏觀、從矛盾到協同那樣進行綜合。

8.過程預測與過程評價

在過程綜合中，我們必須預測所構筑的過程系統能達到怎樣的性能，并評價這些性能是否符合預定的目標，所構筑的過程系統在技術上及經濟上是否可行。這就首先要建立過程系統的評價指標體系，通常包括物料轉換效率、能量利用效率、操作性能、經濟性等方面的指標；其次要確立這些指標的衡量方法及衡量結果的表達方法；第三步要確立這些指標的質量判定標準及判定結果的表達方法；最后要確定這些評價結果的綜合表達方法。

9.硬約束與軟約束

在過程優化中通常采用無約束或有約束的優化方法。當涉及經濟優化問題時，通常是有約束的，但以前多采用帶有硬約束的優化方法，如線性規劃、整數規劃、非線性規劃等，今后應當研究多目標、軟約束的優化方法(例如目標規劃)，以便在復雜的情況下求得滿意解。

10.可靠性與風險性

過程系統的可靠性是指該系統在一定時間內和給定允許偏差的條件下實現其功能的概率。在大型系統的綜合中，必須要進行其可靠性分析，另一方面還必須進行風險分析，這不僅是靈敏度分析，還應考慮由數據可靠性及技術成熟程度等因素所帶來的風險。

三、過程系統工程的應用

過程系統工程在國外已得到了廣泛的應用，在國內也取得了一些可喜的應用成果。過程系統工程的應用可歸結為以下幾個主要方面：

1.過程開發

過程開發是將實驗室研究成果實現工業化的必要步驟，其難度很大，至今仍多采取逐級經驗放大的方法。近年來提出了“預放大—縮小—放大”的方法，即先將實驗室研究結果通過概念設計預放大到預定的工業生產規模，再根據概念設計縮小進行過程研究(模擬試驗或中間試驗)，然后再根據過程研究的結果放大，做出工業生產裝置的基礎設計。這種方法中的關鍵環節是概念設計，其主要目的是找出最好的工藝流程(即選擇各過程單元及這些過程單元之間的聯系)，并估計最優的設計條件。顯然，運用過程系統工程的方法可以更有效及高效率地完成概念設計。1988年出版了第一本這方面的專著——《化學過程中的概念設計》(Douglas，JM著)。

2.過程設計

過程設計一直是過程系統工程的主要應用領域，包括工藝流程選擇、物料及熱量平衡、設備尺寸計算、投資及成本估算等。采用過程系統工程這一工具有助于以較高的效率作出優化設計。目前計算機輔助化學工程(CACE)已日漸成熟，但要真正達到能夠依靠計算機完成擴大初步設計(或基礎工程設計)，還需要開發出整體化、智能化、多功能、高精度、省機時的計算機軟件。

3.過程優化

雖然在過程設計時已經進行了過程優化，但在將按照設計建成的裝置投入生產后仍然需要進行過程優化，這是因為在實際生產過程中有許多因素都會使實際的最優點偏離設計的最優點(例如原料組成、性質及價格的變化、控制儀表的精度及響應時間、操作人員的經驗、設備內的結垢、催化劑的失活等)，因此要在生產過程中不斷地調整操作條件，才能達到長周期、滿負荷、高效率、低消耗、質量合格、成本合理的目標。生產過程優化的技術通常稱為調優技術，目前采用的離線調優技術主要有四種，即模式識別法、統計調優法(簡稱EVOP法)、操作模擬分析法(簡稱OSA法)及裝置模擬與優化法(簡稱PSO法)，這幾種方法都曾在實際應用中取得較好的效果，但也各有其局限性。今后若能利用灰色系統理論，將這幾種方法綜合起來，并結合效益—代價分析，則應能形成一種更好的調優技術。

4.過程管理

嚴格地說，過程控制不應屬于過程系統工程的范疇，但由于現代控制理論采用矩陣方程式來描述系統，并將控制指標函數化，通過求極值來實現最優控制，在方法論上與過程系統工程日益接近，因此在過程系統工程的會議文集中也常常出現有關過程控制的文章。為了避免混淆，筆者建議采用“過程管理”一詞來表示過程控制在過程系統工程理論指導下的新發展，它比一般的過程控制目標高、范圍廣、功能強、集成度高。其中一個典型的例子就是計算機集成制造系統(CIMS)，它是在過程控制技術、制造技術及信息技術的基礎上，用計算機系統將企業的全部生產經營活動所需的信息與各個分散的控制系統及信息管理系統集成起來，以達到最優管理的目標。CIMS一般以數字控制回路的集成(通常形成分布式控制系統)為基礎，實現工廠自動化(FA)，再逐步結合計劃及管理技術、研究開發、財務、經營等功能，最后達到實現企業自動化的目標。這種控制與管理一體化的系統是過程工業自動化的必然趨勢。

四、過程系統工程的展望

綜上所述，可以對過程系統工程的發展提出以下幾點展望。

1.調優技術將得到更廣泛的應用

利用調優技術來改進現有的生產過程，往往能以較小的代價取得較高的效益，因此日益受到企業的重視與歡迎。目前四種離線調優技術都已開始在我國的企業中應用，今后將會在推廣應用中積累更多的經驗，并開發出更好的調優技術。

2.新一代的過程模擬系統將會出現

為了適應過程系統的規模變大、復雜性變高、透明度變低的趨勢及整體化、智能化、多功能、高精度、省機時的要求，將會開發出第四代過程模擬系統，可稱為整體化過程模擬系統(IPSS)。它有以下幾個主要特點。

(1)整體性強，集成度高，包括處理流體、固體、生物體等的各種過程單元，系統采用模塊結構，各單元之間具有柔性的接口。充分運用人工智能(專家系統及模式識別)來解決非結構化的問題，在模擬過程中可以方便地進行人工干預。

(2)有完備的物性數據庫、經濟數據庫、工藝數據庫及工程數據庫。采用以聯立模塊法為主、序貫模塊法為輔的方法，結合邏輯判斷與人工干預，盡量提高收斂速度。

(3)有具備各種優化模型、評價模型及預測模型的模型庫，特別是有具備多目標、軟約束的目標規劃模型。

(4)有強大的圖形生成及文字生成功能，能與CAD軟件結合自動繪制工藝流程圖、設備圖及平立面布置圖，并能自動打印出項目建議書、可行性研究報告及擴大初步設計說明書。

3.大型及巨型過程系統的綜合與優化問題將會得到較好的解決

隨著計算機硬件及軟件技術的進步，以及過程綜合與過程分析技術的發展，就有可能對大型過程系統(例如煉油—石油化工企業)及巨型過程系統(例如煤氣化—聯合循環發電—碳—化學合成—供熱—供煤氣—用煤渣制建筑材料的聯合企業)進行綜合及優化，并得到滿意的結果。與此同時，可靠性、風險分析、失效分析等技術也會得到較快的發展。

在未來30~50年內，過程工業在原料路線、生產技術、市場需求、工業結構等方面都面臨著巨大的轉變。過程系統工程必將在這一轉變中發揮重要的作用。筆者深信，通過眾多有識之士的努力，一定能使我國過程系統工程的研究及應用達到世界先進水平。

附注：本文發表于《化工進展》1992年第1期。