基于差分进化的流程工业生产过程操作优化

A series of new production-process operations optimization problems with highly nonlinear characteristics arises from the production processes of typical process industry such as the steel production etc.. For the operations optimization problems, taking the production processes of the steel production as a research background, theory analysis, modeling methods and solving methods based on mathematical programming and intelligent optimization are investigated. The major contents include: research on features, classification and theoretical framework for new operations optimization problems; study on the theory based on the geometric programming and the improved differential evolution algorithms and their applications; research on the steady-state operations optimization based on both the mathematical programming model and subspace data-driven method with subspace respectively; research on the dynamic operations optimization based on both optimization model with differential-algebra equations and optimal learning with knowledge gradient. The proposed theories and methods will be applied to the hot and cold rolling, reheating furnace and steelmaking processes and so on. Embedded the above theories and methods the operations optimization software system with owned intellectual property rights will be developed and provide new solutions for production-process operations optimization in the process industry.

针对以钢铁生产为代表的典型流程工业生产过程中提炼出的一系列带有高度非线性特征的新型生产过程操作优化问题，探索生产过程操作优化理论、建模方法与求解问题的数学规划方法和智能优化方法，并以钢铁生产过程为背景进行应用研究。研究内容包括：新型生产过程操作优化的分类和理论框架与特征研究；基于几何规划的生产过程操作优化理论研究；差分进化算法改进及其混合算法研究以及在求解操作优化中问题中的应用研究；基于数学规划模型的生产过程稳态操作优化研究；基于微分-代数最优化模型的动态操作优化研究；基于子空间数据驱动的稳态操作优化研究；基于最优学习和知识梯度的动态操作优化研究。将所提出的生产过程操作优化理论与方法在热轧、冷轧、炼钢、加热炉等典型生产过程中进行应用研究，开发具有我国自主知识产权的生产过程操作优化软件系统，为解决流程工业生产过程操作优化难题提供新的解决方案，并形成系统的操作优化理论与方法。

该项目以流程工业的生产过程为背景，从生产实际中提炼出一系列新型操作优化问题，在操作优化理论、基于机理的操作优化、基于数据解析的操作优化、工程应用研究四个方面进行了系统的研究。.针对生产过程操作优化共性科学问题，提出如下操作优化理论：1）基于几何规划与凸优化的静态操作优化；2）基于计算智能和自由导数的黑盒操作优化；3）基于群论的带有时空动态特征的操作优化；4）基于凸优化的随机鲁棒操作优化；5）基于矩阵几何的离散事件动态系统操作优化；6）基于马尔可夫决策过程的动态操作优化。.针对典型生产过程，提出基于物理化学反应机理的操作优化方法：1）考虑烧损和能耗的加热炉操作优化；2）考虑板型的热轧操作优化；3）考虑负荷分配的冷轧操作优化；4）考虑燃气消耗的连退操作优化；5）考虑安全的多目标连退操作优化。.针对机理模型难以获得的生产过程，提出基于数据解析的黑盒操作优化方法：1）基于卡尔曼滤波的高炉料面预测解析；2）基于机理与数据融合的铁水温度预测解析；3）基于数据补偿机理的加热炉操作优化；4）基于最小二乘支持向量机的转炉炼钢操作优化；5）基于数据子空间的冷轧操作优化；6）基于时间序列的全流程绩效操作优化。.针对钢铁、有色、石化工业典型生产过程，进行了工程应用研究：1）连退带钢跑偏监测与诊断解析；2）高炉布料操作优化；3）连退生产过程操作优化；4）有色金属锗品位预测解析与操作优化；5）石化热裂解操作优化。.围绕以上研究内容，在IEEE Transactions on Evolutionary Computation、Computers & Chemical Engineering、Computers & Operations Research、Information Science等国际期刊发表和录用论文17篇。项目负责人担任7个国际控制与优化领域SCI期刊副主编。获授权国家发明专利12项。主要成果获国家技术发明二等奖、教育部技术发明奖一等奖、国际运筹学IFORS Prize提名奖、国际工业与系统工程旗舰期刊IIE Transactions “最佳应用论文奖”。.在国际合作与交流方面，与9名海外学者进行合作，举办2个国际学术会议，项目组成员14人次出国合作交流和参加国际会议。培养了8名博士和20名硕士。