【5】过程系统工程的现状及展望

自60年代过程系统工程成为一门独立学科以来，在各种期刊杂志以及3年一度的过程系统工程国际会议上发表了大量的文章。在本文中笔者并不打算引用并评述这些浩如烟海的参考文献，而只是想从战略的角度对过程系统工程的现状及今后的展望提出一些个人粗浅看法。

一、过程系统工程的定义

尽管过程系统工程这门学科已有近30年的历史，但至今尚未形成一个明确的定义。一方面是由于过程系统工程是在系统工程、化学工程、过程控制、计算数学、信息技术、计算机技术等学科的边缘上产生的，它与这些学科之间难以划分出明确的界限；另一方面也由于例如过程综合、人工智能、失效分析、计算机集成制造系统、柔性制造系统等新内容不断出现，过程系统工程本身也在不断发展之中。

过程系统工程的研究对象是过程系统，即处理物质—能量流的系统，过去的研究主要集中于过程单元及中小型系统(多半是过程单元的链状集合及环状集合)，而目前所研究的系统则有越来越大的趋势，包括过程单元的树状集合、网状集合及立体集合等中型、大型甚至巨型的系统，有些巨型系统可以包括成千上万个过程单元。

过程系统工程的核心功能是系统的组织、计划、协调、控制及管理。众所周知，系统越大，其内部的关系就越复杂，因此上述功能也就更加重要。为了充分发挥上述功能，对信息流的处理似乎也应当予以充分的重视。

过程系统工程的应用领域是过程工业，即物流型工厂(Flow Shop)，它是与工件型工厂(Job Shop)相对而言的。但是随着物流型工厂的间歇化及工件型工厂的连续化，这两种类型之间的界限已变得模糊起来，例如过程系统工程中柔性制造系统的概念就是从工件型工厂中借鉴过来的。

应用过程系统工程的目的是在总体上达到技术上及经济上的最优化，例如最优设计、最优操作、最优控制和最优管理等。今后对经济上的最优化将会给予更多的重视，在评价缩短流程、提高收益率、降低能耗等方案时将更加注重效益及代价之间的平衡。

综上所述，可以认为过程系统工程是一门综合性的边缘学科，它以处理物料—能量—信息流的过程系统为研究对象，其核心功能是过程系统的组织、计划、协调、控制和管理，它广泛地用于化学、冶金、建材、食品等过程工业中，目的是在总体上达成技术上及经济上的最优化。

二、过程系统工程的方法

过程系统工程的基本方法是过程模拟，即过程系统的模型化与求解。它包括过程单元模拟及过程系统模拟两个层次。经过几十年的努力，在过程模拟上取得大的进展。

在过程单元的模拟方面，对那些只处理流体的过程单元(如吸收、蒸馏、液—液萃取等)的模拟技术已基本成熟，除了传统的平衡级模型外，已出现了直接利用速率方程及传递物性的非平衡模型(其商品化软件的一例是Aspen Tech1990推出的RateFrac)。对那些处理固体或固体—流体的单元，虽然在多相催化反应、吸附、过滤、煤气化、矿石浮选等方面的模拟取得了较好的进展，但由于其复杂性较高，有不少问题尚待解决，例如固体粒子集合的表征(涉及粒子形状、大小及粒度分布)、固—液体系的流变性能、固体—流体间的相平衡及化学平衡等。至于生物化工过程单元的模拟技术目前还很不成熟，它将成为今后研究的重点。

在过程系统的模拟方面，采用序贯模块法的模拟系统已经历了三代发展，从60年代的Flexible Flowsheet(美国Kellogg)到70年代的FLOWTRAN(美国Monsanto公司)，再到80年代的ASPEN(美国麻省理工学院)、PROCESS(美国Simulation Science公司)等，至今已日趋成熟。但随着过程系统的增大、循环回路的增多以及非线性化特征的增强，采用联立模块法的模拟系统近年来发展较快，例如ASCEND(美国CainegieMellon大学)、SPEEDUP(英国帝国大学与ICI公司)等。

在过程模拟的基础上，就可以进行过程系统的分析、综合与优化。本文不再叙述这三方面的细节，只从方法论的角度来探讨以下几个问题。

1.过程系统的表征

笔者建议用下列三个参数来表达一个过程系统的特征。

(1)过程系统的模型(简称SIZ)。

式中，N_i为第I个过程单元处进出流股数的总和；n为系统所包含的过程单元数。

(2)过程系统的复杂性(简称COM)。

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

式中，n_f、n_s、n_b分别为系统中所包含的只处理流体、处理固体或固体—流体和处理生物体的过程单元的数目。

(3)过程系统的透明度(又称白度，简称TRA)。

TRA=n_d/n

式中，nd为系统中能通过过程机理分析而建立数学模型的过程单元数。

笔者建议用下列三个参数来表达一个过程系统的特征。

显然，对于规模较大、复杂性较高、透明度较低的过程系统，其模拟就越困难。

2.基础数据的收集

过去在基础数据的收集方面多半着重于物性数据，因为物性数据的准确与否在很大程度上影响着过程模拟的准确度。但在过程系统的综合及优化时还需要有关的试验及(或)操作数据，以及产品需求、售价预测、原材料和设备价格等经济数据，对这些数据需要加以筛选及关联，并建立数据库。

3.白色模型与灰色模型

到目前为止，在过程模拟中所建立的数学模型几乎都是白色模型(即通过机理分析而建立的，各因素间有确定映射关系的数学模型)，但对于复杂的固体处理及生化过程单元，采用建立灰色模型的方法或许更为有效。

4.稳态模拟与动态模拟

虽然动态模拟的发展几乎比稳态模拟晚了近20年，但它在装置操作、开停车、过程控制、操作人员培训、安全性及可靠性研究等方面起着重要的作用，在大系统的综合及优化中，动态模拟也是不可缺少的一个环节。

5.连续过程与间歇过程

以往过程系统工程的研究多半着重于连续过程的模拟，近年来，随着产品需求的多样化，能够灵活改变产品品种及产量的间歇过程受到了越来越多的重视。到目前为止，研究的重点主要是多产品间歇生产装置的排程(Scheduling)及计划，今后应当研究多产品多装置的排程、模糊排程以及柔性制造系统(FMS)。

6.定性分析与定量分析

对于规模庞大、复杂性高、透明度低的过程系统，难以完全采用定量的方法进行分析，如能辅之以定性分析的方法，加强人工干预，往往能取得较好的效果。目前的趋势是引入人工智能，利用专家系统或模式识别的方法与传统的方法配合，已经取得了一定的成效。

7.过程分析与过程综合

过程分析是对于确定的过程系统，进行物料及热量衡算、设备计算、投资与成本计算等，它可以在给定的输入下求解输出变量，也可以在给定的输出下求解输入变量。而过程综合则是在给定的目标下来构筑一个过程系统，包括选择工艺路线、选定流程(过程单元的集合及各过程单元之间的顺序及连接)、选择设备及操作条件等。过程综合技术的成熟程度要比过程分析差得多，目前只是在换热网络、反应途径、分离序列的选择等方面取得了一些进展，大系统的全流程综合基本上尚未实现。今后需要在过程综合的方法上取得突破，大体方向应当是采用从定性到定量的综合集成方法，自下而上、由微观向宏观、从矛盾到协同那样进行综合。

8.过程预测与过程评价

在过程综合中，我们必须预测所构筑的过程系统能达到怎样的性能，并评价这些性能是否符合预定的目标，所构筑的过程系统在技术上及经济上是否可行。这就首先要建立过程系统的评价指标体系，通常包括物料转换效率、能量利用效率、操作性能、经济性等方面的指标；其次要确立这些指标的衡量方法及衡量结果的表达方法；第三步要确立这些指标的质量判定标准及判定结果的表达方法；最后要确定这些评价结果的综合表达方法。

9.硬约束与软约束

在过程优化中通常采用无约束或有约束的优化方法。当涉及经济优化问题时，通常是有约束的，但以前多采用带有硬约束的优化方法，如线性规划、整数规划、非线性规划等，今后应当研究多目标、软约束的优化方法(例如目标规划)，以便在复杂的情况下求得满意解。

10.可靠性与风险性

过程系统的可靠性是指该系统在一定时间内和给定允许偏差的条件下实现其功能的概率。在大型系统的综合中，必须要进行其可靠性分析，另一方面还必须进行风险分析，这不仅是灵敏度分析，还应考虑由数据可靠性及技术成熟程度等因素所带来的风险。

三、过程系统工程的应用

过程系统工程在国外已得到了广泛的应用，在国内也取得了一些可喜的应用成果。过程系统工程的应用可归结为以下几个主要方面：

1.过程开发

过程开发是将实验室研究成果实现工业化的必要步骤，其难度很大，至今仍多采取逐级经验放大的方法。近年来提出了“预放大—缩小—放大”的方法，即先将实验室研究结果通过概念设计预放大到预定的工业生产规模，再根据概念设计缩小进行过程研究(模拟试验或中间试验)，然后再根据过程研究的结果放大，做出工业生产装置的基础设计。这种方法中的关键环节是概念设计，其主要目的是找出最好的工艺流程(即选择各过程单元及这些过程单元之间的联系)，并估计最优的设计条件。显然，运用过程系统工程的方法可以更有效及高效率地完成概念设计。1988年出版了第一本这方面的专著——《化学过程中的概念设计》(Douglas，JM著)。

2.过程设计

过程设计一直是过程系统工程的主要应用领域，包括工艺流程选择、物料及热量平衡、设备尺寸计算、投资及成本估算等。采用过程系统工程这一工具有助于以较高的效率作出优化设计。目前计算机辅助化学工程(CACE)已日渐成熟，但要真正达到能够依靠计算机完成扩大初步设计(或基础工程设计)，还需要开发出整体化、智能化、多功能、高精度、省机时的计算机软件。

3.过程优化

虽然在过程设计时已经进行了过程优化，但在将按照设计建成的装置投入生产后仍然需要进行过程优化，这是因为在实际生产过程中有许多因素都会使实际的最优点偏离设计的最优点(例如原料组成、性质及价格的变化、控制仪表的精度及响应时间、操作人员的经验、设备内的结垢、催化剂的失活等)，因此要在生产过程中不断地调整操作条件，才能达到长周期、满负荷、高效率、低消耗、质量合格、成本合理的目标。生产过程优化的技术通常称为调优技术，目前采用的离线调优技术主要有四种，即模式识别法、统计调优法(简称EVOP法)、操作模拟分析法(简称OSA法)及装置模拟与优化法(简称PSO法)，这几种方法都曾在实际应用中取得较好的效果，但也各有其局限性。今后若能利用灰色系统理论，将这几种方法综合起来，并结合效益—代价分析，则应能形成一种更好的调优技术。

4.过程管理

严格地说，过程控制不应属于过程系统工程的范畴，但由于现代控制理论采用矩阵方程式来描述系统，并将控制指标函数化，通过求极值来实现最优控制，在方法论上与过程系统工程日益接近，因此在过程系统工程的会议文集中也常常出现有关过程控制的文章。为了避免混淆，笔者建议采用“过程管理”一词来表示过程控制在过程系统工程理论指导下的新发展，它比一般的过程控制目标高、范围广、功能强、集成度高。其中一个典型的例子就是计算机集成制造系统(CIMS)，它是在过程控制技术、制造技术及信息技术的基础上，用计算机系统将企业的全部生产经营活动所需的信息与各个分散的控制系统及信息管理系统集成起来，以达到最优管理的目标。CIMS一般以数字控制回路的集成(通常形成分布式控制系统)为基础，实现工厂自动化(FA)，再逐步结合计划及管理技术、研究开发、财务、经营等功能，最后达到实现企业自动化的目标。这种控制与管理一体化的系统是过程工业自动化的必然趋势。

四、过程系统工程的展望

综上所述，可以对过程系统工程的发展提出以下几点展望。

1.调优技术将得到更广泛的应用

利用调优技术来改进现有的生产过程，往往能以较小的代价取得较高的效益，因此日益受到企业的重视与欢迎。目前四种离线调优技术都已开始在我国的企业中应用，今后将会在推广应用中积累更多的经验，并开发出更好的调优技术。

2.新一代的过程模拟系统将会出现

为了适应过程系统的规模变大、复杂性变高、透明度变低的趋势及整体化、智能化、多功能、高精度、省机时的要求，将会开发出第四代过程模拟系统，可称为整体化过程模拟系统(IPSS)。它有以下几个主要特点。

(1)整体性强，集成度高，包括处理流体、固体、生物体等的各种过程单元，系统采用模块结构，各单元之间具有柔性的接口。充分运用人工智能(专家系统及模式识别)来解决非结构化的问题，在模拟过程中可以方便地进行人工干预。

(2)有完备的物性数据库、经济数据库、工艺数据库及工程数据库。采用以联立模块法为主、序贯模块法为辅的方法，结合逻辑判断与人工干预，尽量提高收敛速度。

(3)有具备各种优化模型、评价模型及预测模型的模型库，特别是有具备多目标、软约束的目标规划模型。

(4)有强大的图形生成及文字生成功能，能与CAD软件结合自动绘制工艺流程图、设备图及平立面布置图，并能自动打印出项目建议书、可行性研究报告及扩大初步设计说明书。

3.大型及巨型过程系统的综合与优化问题将会得到较好的解决

随着计算机硬件及软件技术的进步，以及过程综合与过程分析技术的发展，就有可能对大型过程系统(例如炼油—石油化工企业)及巨型过程系统(例如煤气化—联合循环发电—碳—化学合成—供热—供煤气—用煤渣制建筑材料的联合企业)进行综合及优化，并得到满意的结果。与此同时，可靠性、风险分析、失效分析等技术也会得到较快的发展。

在未来30~50年内，过程工业在原料路线、生产技术、市场需求、工业结构等方面都面临着巨大的转变。过程系统工程必将在这一转变中发挥重要的作用。笔者深信，通过众多有识之士的努力，一定能使我国过程系统工程的研究及应用达到世界先进水平。

附注：本文发表于《化工进展》1992年第1期。