流程工业.docx
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流程工业
“985工程”
流程工业综合自动化科技创新平台
学术方向建设《项目指南》（第一批）
学术方向：
流程工业生产过程管理与决策
责任教授：
汪定伟
流程工业综合自动化科技创新平台
二ΟΟ六年五月二十八日
一、引言
钢铁、石油化工和有色冶金等流程工业是国民经济的支柱行业。
流程工业综合自动化的实现对于提高这些行业的核心竞争力有着十分重大的意义。
生产管理与经营决策是综合自动化的一个核心内容。
“管理与决策”将设备级的底层自动化系统与企业面临的产品、原料两个市场联系起来，使企业成为一个“资源配置合理、物料流动有序，生产井井有条”有机的整体，在整个综合自动化中起着“提纲挈领”的作用。
近年来，随着知识经济和信息技术的发展，流程工业的管理与决策的研究中出现了一些新的研究方向。
绿色制造、知识工程、供应链管理、物流优化等新的管理理念都在流程工业的管理与决策的研究中出现。
为了支持这些新的研究方向，促进流程工业的科技创新，经广大科研人员反复讨论，提出了本方向支持的主要研究领域，并凝炼出7具体的科学问题作为首批资助的建议课题。
这些课题围绕流程企业的核心业务，覆盖了逆向物流系统、供应链控制策略、知识协同管理、产品数据管理、钢铁物流优化、动态生产调度、设备大修调度等多个研究领域。
但是，这些课题显然还不能完全覆盖本方向主要支持的各个研究领域，本方向将在以后的资助计划中支持剩余领域的研究课题。
通过这些课题的支持，势必能够促进管理与决策方向的科技创新，为解决流程工业企业的实际问题奠定理论基础，并培养出一批有很高学术造诣的，理论联系实际的优秀科技创新人才。
二、研究方向支持的主要领域
本方向主要支持以下研究领域的科学问题及与其紧密相关的问题的研究：
1）流程工业的“绿色制造”理论、管理方法；逆向制造与逆向物流的管理；工业污染的控制与治理的策略，以及其它相关问题的研究；
2）流程工业的供应链管理，物流控制策略，原料采购，产品发运，生产存储管理，物流优化，基于射频识别技术（RFID）的物流管理等问题的研究；
3）流程工业中的生产计划与调度的模型与方法，包括间歇式生产计划，动态调度与重调度，钢铁生产一体化调度等问题的建模与优化方法的研究；
4）流程工业的产品生命周期管理（PLM），生产工艺与设计资源的管理的研究；
5）流程工业的质量管理、质量监控与统计分析、产品质量功能展开、质量管理系统等问题和方法的研究；
6）流程工业中的知识工程，包括数据挖掘、知识发现、知识协同等方法的研究；
7）流程工业中项目管理问题，包括工厂扩建、技术改造、设备大修等项目的管理与优化调度方法的研究；
8）流程工业中的突发事件，包括突发性自然灾害、人为破坏、重大事故等的救援预案和救援过程的管理及其信息支持技术的研究；
9）与以上研究领域的工作紧密相关的理论方法的研究，如QFD方法、大规模领域搜索技术、动态进化计算、案例推理技术、企业绩效评价的路论与方法等。
三、研究方向建设的总体目标
本研究方向建设的总体目标是：
针对流程工业管理与决策的科技创新需要，培养一支高水平的研究队伍，创造一批高质量的研究成果，发表一批有影响的学术论文。
具体建设指标
1）人才建设方面：
国家杰出青年科学基金获得者4人、教育部新世纪人才4人、博士研究生50人、硕士研究生80人；
2）科研获奖方面：
国家自然科学奖1项、省部级自然科学奖4项、其它科研奖励10项；
3）科研项目方面：
国家自然科学基金重点项目2项、国家自然科学基金青年和面上项目8项，973计划、863计划和国家科技攻关计划项目2项，流程工业企业应用项目20项；
4）学术论文方面：
国际杂志论文24篇，国内杂志论文80篇，论文被SCI收录24篇，EI收录40篇，出版学术专著或教材5部。
四、建议课题
课题1：
流程工业动态调度的进化计算方法的研究
1.1研究目的与意义：
本课题的研究目的是以流程工业中的动态调度问题为背景，采用国际上90年代末兴起的动态环境下的进化计算方法为主要理论，研究流程工业动态调度中的关键理论问题和计算方法，使研究成果达到国际前沿水平，为动态调度优化提供理论支持和计算工具。
进化计算方法在许多优化问题中获得了广泛的应用，但由于在种群进化中耗费时间较长，往往难于应用于动态优化问题。
近年来，国际上对动态环境下的进化计算的研究已经成为一个新的热点。
其基本思想是，如何利用种群的多样性和记忆能力，使得当环境变化时能够部分使用原有的进化信息，而不用完全初始化种群，从而大大节省进化计算的时间。
目前，国际上重要的有关进化计算的会议中都列有动态进化计算的谈论专题，并有一大批相关学术论文发表，但是国内这方面的研究还基本上是一片空白。
流程制造业主要特点是生产的连续性和时变性，这就对生产调度的实时性要求很高，即所谓的动态调度问题。
比如，化工企业的间歇式生产调度问题，钢铁工业中的炼钢计划，浇次计划，连铸调度，轧制计划等调度问题中，紧急订单的到达，炉况的变化，轧辊的变形，温度的变化，事故的发生，等等，都不可避免的带来调度方案不得不经常调整，即所谓的重调度（Rescheduling）问题，本质上就是动态调度问题。
由于重调度问题的复杂性和实时性，目前大多是凭人的经验来修正，或是用启发式方法来解决。
这种做法显然是不能适应流程工业管理现代化的需要。
本项研究的目的就是要针对流程工业动态调度问题的需要，运用并研究国际上新兴的动态进化计算的理论，设计开发解决多个典型动态调度问题的动态进化算法。
这项研究不仅能为我国流程工业计划调度的科学化提供关键技术，同时也能为填补我国在动态进化计算方法的学术研究相对滞后留下的空白。
预期目标：
（1）在科学研究上，重点研究流程工业动态调度的动态进化计算方法的关键理论与技术，争取在国内一级杂志上发表6篇学术论文，全部EI检索；在国际权威杂志上发表4篇学术论文，全部SCI检索。
（2）在技术开发上，与工业界进行合作开发一套实验性动态调度软件系统，为提高流程工业管理信息化和决策科学化水平提供解决方案。
（3）在人才培养上，凝集和培养一批具有创新精神与合作精神的优秀青年教师，形成年龄和素质结构更趋合理、团结进取的教学和科研梯队。
培养一批基础理论扎实、科研能力强的创新型硕士（4名）和博士人才（4名）。
1.2主要研究内容
动态进化计算的理论研究近年来是国际学术界十分活跃和具有挑战性的研究领域之一。
需要进一步研究以下理论问题：
（1）动态进化计算中，测试环境变化，增加种群多样性的方法研究；
（2）针对周期变化环境，引入记忆策略，调用保留信息的方法研究；
（3）针对环境变化的超级变异和随机迁徙策略的组合运用方法的研究；
（4）采用原－对偶策略的动态遗传算法（PDGA）和动态粒子群优化（PDPSO）方法的研究；
（5）新的适应动态环境的计算策略的设计和开发，标准动态测试问题的验算和比较研究；
（6）以宝钢炉况变化下的炼钢计划的重调度问题为背景研究问题求解的动态进化计算方法；
（7）以宝钢轧辊变化和紧急订单到达下的轧制计划的重调度问题为背景研究问题求解的动态进化计算方法；
（8）基于动态进化计算方法的实验性动态调度软件的设计与开发。
1.3研究期限：
3年（2005/01-2007/12）
1.4拟支持经费：
20万元
课题2：
铁水物流优化调度研究
2.1研究目的与意义：
本课题的研究目的是以钢铁生产中的铁水运输为背景，研究流程制造业实时运输调度中的关键理论问题，使研究成果达到国际前沿水平，为铁水运输编制实时调度提供理论支持。
流程制造业主要特点是物流以连续生产为主，对生产调度的实时性要求较高。
运输是物流管理中的一个关键环节，有效的运输调度对于提高物流工作效率有着重要的意义，能够为生产工序之间的物料传送得到运输上的保障。
在钢铁企业，高炉产生的铁水在炼钢之前，需要经过铁水预处理阶段进行脱磷和脱硫工序。
铁水调度的主要任务是根据生产过程机实时监视的物流和设备状态等信息，确定铁水的工艺路线和在各工序的时间表。
当一炉新的铁水需要出炉或铁水在运输过程中，下游生产线上的个别设备出现故障时，由于铁水是高温液态的，其停留、运输和等待都将引起温降，当温降超过容忍程度时，将严重影响最终钢的质量，因此产生铁水运输调度的时间有严格的限制，这是一个典型的实时调度问题。
铁水运输调度实时性要求高，如果只凭调度员的经验来编制作业调度，不但产生调度的时间长，而且调度的方案也不能保证其科学性，使铁水产生的温降增加，从而增加能耗和成本。
随着信息和网络技术的发展，流程制造业的过程计算机能够实时跟踪和管理生产物流信息，如何利用实时信息科学地编制生产调度成为调度领域的一个新的研究方向。
预期目标：
1）在科学研究上，重点研究铁水运输实时调度方面的关键理论与技术，争取在国内一级杂志上发表3篇学术论文，全部EI检索；在国际权威杂志上发表2篇学术论文，全部SCI检索;
2）在技术开发上，与工业界进行合作开发一套实时调度软件系统，为提高企业管理信息化和决策科学化水平提供解决方案，从而有助于企业优化运行，提高企业竞争力，为国家经济建设作贡献;
3）在人才培养上，凝集和培养一批具有创新精神与合作精神的优秀青年教师，形成年龄和素质结构更趋合理、团结进取的教学和科研梯队。
培养一批基础理论扎实、科研能力强的创新型硕士（6名）和博士人才（3名）。
2.2主要研究内容
实时调度的理论研究近年来是国际学术界十分活跃和具有挑战性的研究领域之一。
需要进一步研究以下理论问题：
（1）带有工件截止日期和调度截止日期双重约束的硬实时调度问题研究；
（2）带有时间窗口的软实时调度问题研究；
（3）约束符合（CSP）搜索与软计算方法（Soft-computing）的融合技术的渐进迭代策略求解非模型化的实时调度问题的研究；
（4）以宝钢铁水生产工艺为背景研究铁水运输实时调度中的若干关键问题；
（5）基于优化算法的铁水实时运输调度仿真系统实施中的关键技术。
2.3研究期限：
3年（2005/01-2007/12）
2.4拟支持经费：
10万元
课题3：
产品数据、流程和资源管理技术
3.1研究目的与意义：
产品数据定义了产品的成份和内在关联，是流程企业和离散企业经营生产的依据。
信息技术和制造技术的结合极大促进了制造业的发展，也提出了许多挑战性问题。
描述产品生命周期的各个阶段的数据和它们之间的逻辑关系，可以使得企业内各个部门（甚至不同企业之间）正确理解产品的市场销售、设计、制造和服务支持等业务过程。
产品数据交换技术可以支持人们在各种应用系统和异构计算机平台之间传递和共享不同编码形式的信息。
研究产品数据、设计流程、参数控制、设计资源的管理技术，对于提高企业协同水平、综合竞争力、经营效率具有重要意义。
是相关技术领域的学术前沿课题，也是制造企业迫切需要解决的问题。
预期目标：
（1）发表4篇EI检索学术论文；在国际杂志上发表3篇学术SCI检索论文；
（2）开发实用软件系统一套，获得软件著作权一项；
（3）获得国家发明专利一项；
（4）获得省部级科技进步奖一项；
（5）获得国家863计划、国家自然科学基金和国家国防基金等2项以上；
（6）在国防重点型号工程应用，产生显著的效益；
（7）凝集和培养一批具有创新精神与合作精神的优秀青年教师，形成年龄和素质结构更趋合理、团结进取的教学和科研梯队（10人以上）。
培养一批基础理论扎实、科研能力强的创新型硕士（4名）、博士人才（4名）和博士后（2人）。
3.2主要研究内容
（1）研究产品概念模型，描述产品生命周期各阶段的数据和它们的逻辑关系；
（2）研究产品设计的流程建模和管理技术；
（3）研究基于XML产品结构模型描述方法多种格式数据的转换技术；
（4）研究产品模型参数的映射方法；
（5）研究企业设计资源的管理方法；
3.3研究期限：
3年（2005/01-2007/12）
3.4拟支持经费：
50万元
课题4：
面向钢铁工业的逆向物流系统的重用策略及优化方法研究
4.1研究目的与意义
本项目的研究目的是，以钢铁冶金工业生产流程中产生的各种废钢铁、废渣、废料等的回收和重用策略问题为背景，利用国际上模糊建模与软计算方法及逆向物流系统研究成果，研究面向钢铁冶金企业生产流程废弃物重用策略及其逆向物流系统的关键优化理论与技术，使研究成果达到国内领先、国际先进水平，在国际杂志上发表一批高水平的学术论文，推动我国运筹与管理学科的发展，扩大我校在国内管理科学界和国际上的影响力，为钢铁冶金企业实际的物流运作提供理论和方法支持。
逆向物流是对原材料、加工库存品、产成品，从消费地到起始地的相关信息的高效率、低成本的流动而进行有效地规划、实施和控制的过程。
随着经济的发展，资源的大规模开发与浪费造成全球性资源短缺，严重制约经济与社会的可持续协调发展，因而资源的回收与重用正日益受到人们的关注和重视。
在钢铁冶金工业中，涉及从原材料冶炼、重熔到半成品锻造、粗轧、热处理、精整、冷轧到成品出厂等多工序，生产过程十分复杂，既包含连续过程，也涉及离散制造加工过程。
在这样复杂的生产流程中，存在多种形式和类型的废钢铁、废渣、粉尘、废屑、污泥及各种边角料等。
每种废钢铁、废料、废渣等有不同的化学成分和组织性能，可以在多个不同工序流程中有多种处理和重用方式；每种处理方式和重用策略得到不同性能的中间产品和最终产品。
另外，从社会回收的碎屑和边角料、废钢材等也需要分类和预处理，以在生产中得到重用。
因此，如何针对不同的加工生产流程特点、多种类型的废钢铁、废渣等废弃物及可能的重用策略与方式，建立针对一般钢铁冶金工业流程的逆向物流系统的结构模型；研究针对不同生产工艺流程的不同重用策略及考虑重用策略下的生产计划与库存优化方法，不同重用策略下生产过程的工序成本计算方法与控制方法以及多元质量控制方法等，是流程工业逆向物流系统的优化理论和方法要解决的关键问题。
从国内外的文献检索中还没有相关研究成果的报道。
可以相信这些问题的解决对于流程工业企业如何利用生产过程中产生的各种废料和副产品提供理论和方法支持，对于降低流程企业的生产成本、提高资源利用率，节约单位产值能耗和资源，具有十分重要的意义。
预期目标：
（1）在相关研究领域发表国际杂志学术论文5-8篇，被SCI收录至少5篇，其中至少2篇在国际运筹与生产管理领域的前10名杂志上发表；
（2）申请人和学术梯队成员争取申报成功1~2项国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金青年基金、2-3项教育部/863计划和省市基金及人才计划项目；
（3）设计开发一套面向钢铁生产流程的质量信息决策支持系统;
（4）培养和凝聚一批有创新精神的优秀青年教师，特别是培养2-4名与国际水平接轨的优秀博士研究生。
4.2主要研究内容
（1）面向钢铁冶金工业的逆向物流系统的结构模型研究；
（2）典型钢铁冶金工业流程中的重用策略及其组合优化研究；
（3）考虑重用策略的钢铁生产流程效益的评价研究；
（4）不同重用策略对系统效率影响的仿真研究；
（5）不确定环境下废钢铁回收网络的优化设计研究；
（6）针对废料仓库和半成品仓库中不同的库存控制策略和不同生产策略下，考虑重用策略的生产计划与库存优化方法；
（7）不同重用策略下生产过程的工序成本计算与控制方法研究；
（8）钢铁工业流程中基于成本和田口质量损失函数的多元质量控制方法研究；
（9）针对典型轧制生产过程和冷轧辊生产过程的质量判定规则库及质量信息决策支持系统的设计与开发；
1.3研究期限：
3年（2005/01-2007/12）
1.4拟支持经费：
50万元人民币
课题5：
面向流程工业的知识协同理论与方法研究
5.1研究目的与意义
本课题的研究目的是以流程工业中的知识协同问题为背景，将国际上近年来最新发展的决策理论、知识管理理论与信息技术有机结合，研究面向流程工业的知识协同理论与方法，使研究成果达到国际前沿水平，为流程工业的知识协同实践提供理论、方法和技术支持。
随着全球经济一体化和网络信息技术的发展,企业竞争逐渐加剧，面对动态变化的市场环境，企业需要做出快速响应并不断进行知识创新，因此企业需要对供应链、新产品开发以及制造流程等进行集成管理。
为使企业具有竞争力，需要在一些流程节点上由多个部门或伙伴共同参与管理与决策，并把多个伙伴的知识进行整合，从而降低成本，提高创新能力。
目前，如何加强企业内外部流程节点之间知识的合理流动、高效共享与快速整合，进而实现知识协同，是流程工业面临的一个重要问题。
知识协同是企业通过知识管理手段和方法，面向创新流程，动态集结企业内外部资源，实现流程、环境与知识资源整合与共享的一种组织模式。
目前，有关知识协同方面的研究已引起了国内外一些学者的关注，被认为是一个新的研究课题，但所见到的这方面研究成果甚少。
面向流程工业的知识协同问题主要有：
①协同产品商务（CPC）。
CPC面向产品的全生命周期，通过网络信息技术，把产品设计、工程、制造、采购、市场、销售、客户紧密地联系在一起，使产品相关的知识在一个易控制的、方便共享的平台上流动，以便于进行有效的获取、处理、传递和应用，并逐渐形成一个更广泛的知识网络。
②协同供应链管理。
通过供应链中的上下游企业的知识共享和交互，消除企业间因信息/知识不对称导致的牛鞭效应，进行协同营销、协同采购和协同规划，实现彼此间的和谐共赢发展；③协同决策。
企业在战略目标、伙伴选择、制定新产品开发计划、生产规划等方面，借助知识协同平台，通过知识共享与交互进行协同决策。
通过本课题的研究，主要解决流程工业的协同决策和知识协同平台构建等问题，为流程工业的知识协同实践提供具体的解决方案，具体包括：
①知识协同平台的构建问题。
构建支持整个流程管理过程的知识共享与信息交互平台，集成基于流程的知识分类、存储、检索、推送等功能，支持企业的协同决策活动。
②基于知识的协同决策问题。
借助知识协同平台，对决策者提供知识共享和知识推送等服务方式，并通过网络环境下的协同决策方式，提高决策的效率和效果。
预期目标：
（1）在科学研究方面，建立面向流程工业的知识协同理论与方法，重点研究面向流程工业的知识协同平台架构以及基于知识的协同决策模型等。
以流程制造业企业为实际背景，提出具有代表性的知识协同过程和知识共享方法。
争取在国内一级学术期刊上发表论文5篇，在国际重要学术期刊上发表论文3篇（被SCI检索）。
（2）在技术研究方面，针对具体的流程工业企业，重点研究知识推送技术以及构建企业知识协同平台的构建方法和关键技术。
（3）在人才培养上，凝集和建立一个具有创新精神、合作精神和知识结构合理的优秀教师学术团队。
培养一批基础理论扎实、独立科研能力强的硕士（3名）和博士人才（2名）。
5.2主要研究内容
以流程制造业企业为对象，对具有代表性的钢铁企业进行典型剖析，分析知识协同问题的实际背景与特征，归纳、提炼出具有一般性的若干理论研究问题。
主要研究内容包括：
（1）知识协同过程模型与知识协同效应的研究；
（2）基于知识的协同决策模型与方法的研究；
（3）知识协同平台模型与构建方法的研究；
（4）知识协同平台的实现方法与关键技术研究；
（5）知识协同绩效评价方法的研究。
5.3研究期限
3年（2005/01-2007/12）。
5.4拟支持经费：
10万元
课题6：
不确定环境下流程工业供应链智能控制策略的研究
6.1研究目的与意义
本课题的研究目的是以流程工业中的供应链控制问题为背景，结合国际上仅年代末兴起的排队网模糊控制和软计算与人工生命计算等主要理论，针对流程工业典型结构供应链研究不确定环境下流程工业供应链控制策略确定的关键理论问题和决策方法，使研究成果达到国际前沿水平，为不确定环境下供应链控制策略的研究提供理论支持和计算工具。
供应链控制策略的研究是供应链管理中的一项重要课题。
目前关于供应链控制策略的研究主要是针对离散制造问题展开的，常常假设供应链资源、能力以及市场需求等信息是确定性的、精确的和非动态的，因而，在分析与优化过程中常常是采用基于精确数学模型的确定性方法。
然而， 流程工业的特点是以处理连续或间歇物料流、能量流为主，生产和加工方法主要有化学反应、分离、混合等等，这些都与离散制造工业有显著不同，其供应链控制存在大量具有模糊性的不确定性信息，比如，钢铁工业中炼钢过程的转炉出炉时间、连铸的浇铸时间、热轧的轧制时间、冷轧的酸洗时间等等，因此，其决策过程需要依赖于人的经验知识和思维推理来处理。
可见，这种情况下，基于精确数学模型的确定性方法已无能为力，如何对不确定环境下的流程工业供应链进行有效控制就成为流程工业生产过程管理与决策的一个迫切需要解决的关键问题，也是供应链控制策略研究中的一个空白点。
不确定环境下流程工业供应链控制策略的研究不仅能为我国流程工业供应链控制的科学化提供关键技术，从而提高我国流程工业综合自动化水平；而且，也能填补在不确定环境下供应链控制策略优化方面的研究空白，为实现全局优化和管理扁平化的流程工业综合自动化提供理论、方法和技术方面的保障。
预期目标：
1）在科学研究方面，在不确定环境下流程工业供应链智能控制策略的关键理论与技术方面取得重要突破，争取在国际期刊上发表学术论文5篇，全部被SCI收录，其中至少2篇为国际权威期刊；国内一级杂志上发表3篇学术论文，全部EI检索；
2）在技术开发方面，开发一套不确定环境下供应链智能控制实验性软件包，为提高流程工业管理信息化和决策科学化水平提供解决方案；
3）在人才培养方面，凝集和培养一批具有创新精神与合作精神的优秀青年教师，形成年龄和素质结构更趋合理、团结进取的教学和科研梯队；培养一批基础理论扎实、科研能力强的创新型硕士和博士人才；
4）在承担科研项目方面，争取申报成功1-2项国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金、1-2项教育部或省市基金及人才计划项目。
6.2主要研究内容
不确定环境下供应链智能控制策略的研究是近年来国际学术界十分活跃和具有挑战性的研究领域之一。
需要进一步研究以下问题：
（1）流程工业供应链的不确定因素分析及结构模型研究；
（2）具有时间不确定性的通用供应链控制模型的研究；
（3）具有路径不确定性的通用供应链控制模型的研究；
（4）具有故障不确定性的通用供应链控制模型的研究；
（5）基于通用供应链控制模型的单目标多约束供应链控制策略优化问题的建模、优化与仿真分析；
（6）基于通用供应链控制模型的多目标供应链控制策略优化问题的建模、优化与仿真分析；
（7）以宝钢炼钢、连铸和热轧供应过程为背景的供应链控制策略优化问题的建模、优化与仿真分析；
（8）不确定环境下流程工业供应链智能控制实验性软件的设计与开发。
6.3研究期限：
3年（2005/01-2007/12）
6.4拟支持经费：
50万
课题7：
流程制造企业大修项目管理与优化调度方法研究
7.1研究目的与意义
本课题的研究目的是以流程工业企业大型设备维护及大修项目为背景，研究非确定环境下项目管理与优化调度关键理论和方法，使研究成果达到国际前沿水平，为流程制造企业大修项目管理与优化调度提供理论支持。
由于流程工业产品的特殊生产工艺，其生产设备往往具有大型化、复杂化、异种设备连接、多种设备耦合的特点。
以钢铁企业热轧生产设备为例，整个生产线上加热炉、传送链、粗轧机组、精轧机组、层流冷却设备、卷取设备、平整设备、剪切设备相互连接，每类设备又有自身的执行机构、基础自动化装置和过程控制系统，有些设备还与生产计划系统相连。
为了保证生产安全、平稳地进行，满足用户对产品质量的需求，企业需要定期地在停产情况下对设备及其相关系统进行维护和大修。
每次设备大修都需要不同工种的人力资源协作、使用不同的检修设备和消耗不同的检修材料，整个设备大
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