【2】综合集成 整体优化
——论我国过程系统工程的发展方向

过程系统工程(Process System Engineering，PSE)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一门综合性学科，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。

过程系统工程大约是在20世纪60年代开始形成一门独立学科的，此后得到了迅速的发展，在各种期刊杂志上及三年一度的过程系统工程国际会议上发表了大量的文章，其中一些关键技术，如过程模拟、过程分析、过程综合、过程预测、过程评价、过程可靠性分析等日益成熟，应用领域也不断扩展，已经成为过程工业发展中不可缺少的一门高技术。

近二十多年来，我国学者及工程技术人员在努力学习国外先进技术的基础上，在实践中积累了不少经验，在技术上也有一些发展。但由于彼此之间缺乏联系及交流，在过程系统工程方面尚未能形成一支强大的人才队伍，有不少好的成果得不到应有的推广。在我国著名系统工程专家钱学森教授及一些有志之士的推动下，中国系统工程学会过程系统工程专业委员会(简称PSESC)于1991年宣告成立。

PSESC成立8年以来，通过各种学术活动及出版物交流了我国学者及实际工作者的科研与实践成果，对我国过程系统工程的发展起到了一定的促进作用。过程系统工程在下一世纪究竟应朝什么方向发展，这是国内外许多学者都在关心的问题。笔者在1995年于大连召开的中国系统工程学会过程系统工程专业委员会上的主体报告中就已指出，“综合集成，整体优化”是过程系统工程的新潮流，并提出了以模型为核心实现综合集成、软技术模型与硬技术模型相结合等思路。在1998年于九江召开的过程系统工程学术讨论会上，笔者又作了《依靠过程系统工程促进企业集约化》的主题报告。本文拟进一步就“综合集成，整体优化”发表一些笔者个人的意见，希望能对有关人士起到一定的参考作用。

依靠综合集成实现整体优化

所谓综合集成是指自下而上地将系统的各个部分组织起来，形成合理的层次结构及功能结构，使系统能适应环境而发挥最优的功能。在进行综合集成时要将科学理论、经验知识、专家判断和企业系统内外的有关信息相结合，建立起尽可能符合实际的模型，并用此模型来指导系统的集成。即可用此模型在不同的情况下进行模拟及优化，从而得出最优的集成方案。

所谓整体优化是指为达到系统的整体战略目标而合理地配置系统的资源。企业系统的整体战略目标包括三类：一是企业利益目标，例如增长速度、利润、劳动生产率等；二是用户利益目标，如价格、质量、交货期、售后服务等；三是社会利益目标，如保护环境、社会服务等。这三类目标是密切联系的，而且随着社会的进步和经济的发展，后两类目标的重要性将日益增加。

综合集成与整体优化是不可分割的，综合集成必须在整体优化的目标指导下进行，而整体优化则只能在综合集成的基础上实现。因此可以认为，依靠综合集成实现整体优化，就是过程系统工程应当遵循的发展方向。

综合集成应当以模型为核心

企业是一个由许多紧密联系并相互作用的单元所组成的、具有不同层次结构和功能结构的、与外部环境有物质、能量及信息交换的、不断发展变化的系统，而有关物质、能量、资金、人员等方面的情况都可以化为信息来处理。故可以用有关企业系统各部分及其相互联系的信息来构成一个虚拟的企业系统，通过人机交互的方式在计算机上对其在不同条件下的运行情况进行模拟，从而得出能实现整体优化的方案。

所谓虚拟的企业系统实际上就是以企业整体模型为核心而建立的企业模型系统，它应当具备以下几个特点：

(1)尽可能贴近企业的实际。

建立企业模型实质上就是对企业的结构和运营进行抽象化，在此过程中必然要舍弃一些次要的因素和组分，从而使得模型与企业的实际之间有一些差异。因此在建模时就必须兼顾模型的简化性与精确性，在技术和经济允许的前提下尽可能使模型贴近企业的实际。

(2)能在计算机上运行。

所建立的企业模型应当是能在计算机上运行的，这首先就要能将定性变量用适当的方法量化，其次还要能编制出模型的算法程序，最后还要通过试算证明可以在合理的时间内得出一定的解(即其解具有收敛性和唯一性)。

(3)有良好的人机界面。

系统能理解用户用自然语言输入的指令，允许用户修改其目标及优先顺序，模型提供各种参数的缺省值，并允许用户在合理的范围内修改，有经验的用户经特准后可对模型本身进行修改。

(4)能自适应和自学习。

系统应能适应用户要求的变化，并能在模型的运行过程中通过吸收和学习专家的经验，不断改进模型的性能。

因此，综合集成的目标就是要建立这样一个虚拟的企业系统。其所采用的技术主要有以下几种：

(1)模型化技术。

模型化是实现集成的基础。通常系统的组元可用操作模型(例如表示输入—输出关系的黑箱模型)或运算模型(例如可进行数学运算或逻辑运算的模型)来表示；层次或功能模型可用数学规划模型或微分方程组来表示；而整体模型可用大型数学规划模型来表示。

(2)结构化技术。

所谓结构化技术就是从系统组元的操作或运算模型出发，构成系统各个层次及各项功能的模型，然后再综合成整体模型。这样构成的整体模型实际上就是一个网络，每个组元都处在一定的层次上及一定的功能块中。例如我们不应将各个工序中的换热器仅仅看作是在其本工序中发挥换热功能的设备，还应将其看成是整体系统中换热功能块中的一员。

(3)协同化技术。

所谓协同化技术就是在某一层次上同步集成其所应具备的各项功能，而不是等各项功能已分别集成后再加和起来。这时最重要的是将管理和控制的功能集成在一起，即在工序、车间、分厂和企业等层次上将软技术模型(例如财务、采购、营销、人事等)与硬技术模型(例如物性、产品、生态、过程等)集成起来。

(4)模型管理技术。

系统组元的操作或运算模型通常是以子程序的形式存储在模型库中，因此需要有模型的存取、调用、匹配、衔接等方面的技术。各个层次和各项功能的模型通常是以程序模块的形式存储，故应注意其易维修性、易装配性及可移植性。整体模型规模十分庞大，故应注意其参数的匹配和校验，以及易于维护和修改。

至于综合集成中的一些技术关键，例如定性变量的量化技术，动态模拟与静态模拟的关联技术，企业系统总体表征技术，模型库的构建及管理技术等，笔者在《依靠过程系统工程促进企业集约化》一文中已有探讨，本文不再赘述。

整体优化的策略选择与实施

整体优化应当在综合集成的基础上进行，并应将综合集成的原则贯穿于整体优化的全过程，实现领域专家与系统工程专家的结合、定性分析与定量分析的结合，以及经验决策与计算机辅助决策的结合。其实施过程大体上包括以下三个步骤。

(1)上机试算：

这一步的内容是按照既定的目标及选定的各项参数在计算机上对企业整体模型进行运算，得出其初始解。但由于企业整体模型的规模十分宏大，故要有适当的优化策略。通常有序贯模块法、面向方程法及联立模块法等三种选择。

对于难以整体进行优化计算的特大型企业模型，可以采用串行与并行计算相结合的方法，笔者称之为协调优化法。其实质是先将各个子系统看成黑箱，仅将其输入及输出变量集中构成一个整体协调模型，然后将各个子系统分别进行优化运算，将其解输入协调模型中进行总体优化，再将总体优化后所得的变量值返回至各子系统模型中重新进行优化计算，一直迭代至总体优化与子系统优化的结果基本一致为止。

(2)专家讨论：

这一步的内容包括将上机试算的结果交给特定的一批有关专业领域的专家，请他们分别独立地进行经验判断，然后再进行集体讨论，找出试算结果中的不合理之处，并提出改进的意见。这时系统工程专家应与领域专家共同讨论，以综合各方面的意见，并对模型进行修改。在对领域专家的意见进行集成时既要注意防止某些专家过分强调本领域的倾向，也要注意防止某些权威人士的意见占过大的权重。

(3)求得最优解：

在经过若干次上机试算—专家讨论—修改模型—上机运算的循环迭代后，直至大家认为基本上满意时，即可认为所得的结果为最优解。

随着科学技术的进步与经济全球化的发展，我国过程工业企业将面临越来越严峻的挑战，过程系统工程也必然会起到越来越大的作用。笔者深愿我国的专家学者们能勤奋思考，勇于创新，努力实践，为提高我国过程系统工程的学术水平和应用效果而作出更大的贡献！

附注：本文系1995年在大连召开的“第二届过程系统工程年会”的会议论文。