分布式并行遺傳算法在強(qiáng)耦合分離過程綜合優(yōu)化中的應(yīng)用.pdf

1、分離過程是過程工程中重要的操作之一,通常也是能量和資源消耗的主要環(huán)節(jié),為了節(jié)約能量和資源,熱集成和水集成技術(shù)已逐漸得到推廣和應(yīng)用,這使得分離過程中的各單元之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的耦合關(guān)系,給分離系統(tǒng)的最優(yōu)綜合帶來了很大的困難.如何有效的對強(qiáng)耦合分離過程進(jìn)行綜合優(yōu)化一直是過去和現(xiàn)在研究的熱點(diǎn).絕大部分的研究集中于分離序列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表示以及對數(shù)學(xué)模型的求解.為了保證數(shù)學(xué)問題的收斂,研究者往往對分離系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化或提供接近最優(yōu)解的初值.然而,前

2、者對優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性將產(chǎn)生影響,后者較難實(shí)現(xiàn).同時,上述提出的方法和模型實(shí)現(xiàn)過程過于繁瑣,需要耗費(fèi)大量的時間和精力,難于在實(shí)際中應(yīng)用. 針對過程集成導(dǎo)致的強(qiáng)耦合分離過程綜合優(yōu)化困難的問題,本文提出了一種便于過程工程師在企業(yè)環(huán)境中使用的有效方法--基于PC以太網(wǎng)絡(luò)的分布式并行遺傳算法與過程模擬軟件結(jié)合的優(yōu)化方法.與之前提出的各種用于優(yōu)化分離系統(tǒng)的MINLP問題的優(yōu)化方法相比,本方法具有以下優(yōu)點(diǎn):過程模擬軟件的應(yīng)用使優(yōu)化問題化工過程模型的建

3、立容易實(shí)現(xiàn)和方便修改,有利于工程師在實(shí)際工程中應(yīng)用;嚴(yán)格的計算模型和目標(biāo)函數(shù)使得計算結(jié)果更加可信;并行計算提高了本方法的時效性;基于PC以太網(wǎng)絡(luò)的分布式環(huán)境使得并行計算平臺易于組建和維護(hù). 本文首先從編碼方式、選擇、交叉和變異等遺傳算子對遺傳算法進(jìn)行分析說明,詳細(xì)解釋了本論文所采用的二進(jìn)制和實(shí)數(shù)混合編碼方式、連續(xù)化遺傳算子.為了提高遺傳算法的優(yōu)化效率,本文采用了自適應(yīng)交叉、變異率.在計算過程中發(fā)現(xiàn):遺傳算法在進(jìn)化的前幾代就可以把

4、搜索范圍縮小在一個很小的范圍內(nèi)且容易陷入局部最優(yōu)解.為解決這個問題,本文引入了逐級進(jìn)化策略.此外,通過對單個個體計算時間分布的分析,發(fā)現(xiàn)單個個體的計算時間分布在一個很大的范圍內(nèi),由此可知減少多數(shù)節(jié)點(diǎn)計算機(jī)的等待時間是提高并行遺傳算法的計算速度的關(guān)鍵,并根據(jù)計算結(jié)果引入了負(fù)載平衡機(jī)制.對于約束條件采用常用的罰函數(shù)法.本文采用了以下方式完成了分布式并行遺傳算法的具體實(shí)現(xiàn):采用標(biāo)準(zhǔn)主從式網(wǎng)絡(luò)模型,由VC++6.0和VB6.0在windows

5、2000機(jī)群環(huán)境下組建并行計算平臺;采用.ASPEN PLUS作為流程模擬工具,ASPEN PLUS的調(diào)用由VB6.0環(huán)境下編寫的程序完成. 為了驗(yàn)證本文提出的優(yōu)化方法的實(shí)用性和有效性,本文以一個用常規(guī)方法難以得到優(yōu)化結(jié)果的具有熱集成和水集成的強(qiáng)耦合的甲醇精餾工藝過程為算例,以最小化系統(tǒng)的年費(fèi)用為目標(biāo),對本文提出的優(yōu)化方法進(jìn)行驗(yàn)證.算例表明,采用負(fù)載平衡機(jī)制和自適應(yīng)交叉、變異率可以大幅度減少傳統(tǒng)遺傳算法的時間開銷和改善優(yōu)化效率,

6、CPU計算時間可以縮短48.3﹪.針對早熟問題,采用自適應(yīng)交叉、變異率使遺傳算法的確定性和效率都有了不同程度的提高.大規(guī)模計算結(jié)果表明,本文提出的方法可以有效的對強(qiáng)耦合分離過程進(jìn)行優(yōu)化.與文獻(xiàn)值相比,本文的提出的優(yōu)化方法得到的精餾最優(yōu)設(shè)計的年消耗費(fèi)用比其設(shè)計的年費(fèi)消耗用低23.1﹪. 本文還進(jìn)一步分析了計算機(jī)臺數(shù)、群體規(guī)模對優(yōu)化結(jié)果和計算時間的影響,發(fā)現(xiàn)在本文算例中,群體規(guī)模為140-160時,優(yōu)化效率比較高,且可以有效減小遺傳