调控流图建模原理与应用.pdf

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书籍描述

编辑推荐
这是关于调控流图建模的第一本专著;其中结合了作者多年的学术成果,列举了三大方面的建模实例并进行了分析。
本书最重要的是提供了一种建模思路和应用范例,让读者能够举一反三。

作者简介
王耘,北京中医药大学,教授,博士生导师,主要研究方向为中药信息融合与利用,主讲《生物信息学》、《计算药物分析》、《生物统计学》课程。现任中国系统工程学会医药卫生系统工程专业委员会常务委员,世界中医药学会联合会信息专业委员会理事,中医药信息研究会中医药信息数字化专业委员会委员,世界中医药学会联合会中药系统科学与工程专业委员会筹备组成员,国际中文期刊《临床医学进展》副主编,国际期刊《TANG》编委。发表学术论文80余篇。2007年被授予“北京青年榜样”称号,2011年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。

目录
第1章绪论
11复杂系统建模与仿真方法概述
111复杂系统建模与仿真研究现状
112复杂过程建模常用方法
12复杂过程故障诊断
121动态系统故障诊断
122化工过程故障诊断
第2章实体语法系统
21实体语法系统基本概念
22实体语法系统与数学、复杂系统的关系
23实体语法系统与涌现性
第3章调控流图建模方法
31调控流图的定义
311调控流图的形式化定义
312定性调控流图的形式化定义
32调控流图的建模方法
321基于工艺流程图的调控流图建模方法
322基于数学模型的调控流图建模方法
323调控流图建模与相关建模方法的差异
33CSTR系统的调控流图建模
第4章基于调控流图的定性仿真
41调控流图定性仿真系统
411定性仿真系统的基本原理
412调控流图定性仿真系统的形式化定义
413调控流图定性仿真系统中的推理规则
42基于调控流图的CSTR定性仿真系统
第5章基于调控流图的故障诊断
51故障诊断与复杂系统涌现性的关系
52基于调控流图的故障诊断系统
521基于实体语法系统的故障诊断策略
522调控流图故障诊断系统的形式化定义
523调控流图故障诊断系统中的假设集成
53基于调控流图的CSTR故障诊断
第6章调控流图量化方法
61调控流图量化的基本原理
611基于S系统的调控流图量化方法
612调控流图通用动力学方程
613基于数据的调控流图量化方法
62调控流图量化的步骤
621基本步骤
622用于调控流图自动学习的粒子群算法
63调控流图量化方法在CSTR系统中的应用
631CSTR系统仿真
632CSTR系统调控流图的S系统方程
633CSTR系统调控流图的通用动力学方程
634基于观测数据的CSTR的调控流图模型
635基于调控流图通用动力学方程的CSTR故障监测
第7章调控流图的动态人工神经网络
71人工神经网络
711人工神经网络的发展阶段
712常用人工神经网络
713人工神经网络与一些算法的联合使用
72基于调控流图的动态人工神经网络模型
73动态神经网络建模平台
731平台设计思路
732平台模块构建
733平台的功能及应用
第8章调控流图在TE过程故障监测中的应用
81TE过程
82建模方法
821基本思路
822模型的拓扑结构
823模型的参数估计
83基于模型的TE过程故障监测
第9章调控流图在原油蒸馏故障诊断中的应用
91原油蒸馏工业过程
911技术背景
912原油蒸馏工艺流程
913原油蒸馏工业过程仿真系统
92原油蒸馏过程的调控流图建模
921建模思路
922建模的基本原则
923原油蒸馏过程的调控流图模型
93基于调控流图模型的原油蒸馏过程故障诊断
931原油蒸馏中的故障与故障诊断思路
932调控流图的定性仿真与简化
933故障诊断模型
第10章调控流图在系统生物学中的应用
101系统生物学
1011系统生物学提出的背景
1012系统生物学中的定性仿真技术
1013数据挖掘相关的Dependency Network与决策树
102糖尿病调控流图建模
1021糖尿病的病理机制
1022糖尿病调控流图模型
103糖尿病调控流图模型的应用
1031糖尿病病理过程定性仿真
1032糖尿病关键靶点的识别
第11章调控流图在中药作用机理解析中的应用
111中药作用机理研究
1111中药作用机理的复杂性
1112中药作用机理研究现状
1113中药作用机理研究与系统生物学的关系
1114中药作用机理研究存在的问题
112中药作用过程的调控流图模型
1121建模思路
1122中药作用机理调控流图模型
113中药作用机理解析平台的构建
1131系统基本架构
1132数据库建立
1133推理引擎的建立
1134平台网站建立
第12章调控流图研究与应用展望
附录附录1常见化工过程单元的调控流图模型
附录2原油蒸馏仿真系统对故障的仿真数据
参考文献

序言
自科学诞生以来,它以简洁、精炼和概括的特征,使无数最具智慧的科学家投身其中,构建起科学的大厦。科学之美,在于它透过表象,看清本质,对共性规律严谨、客观和可重现的表述方式,在于这些规律对人类生活的指导性价值。科学之所以能够达到这样的成就,在于它从众多现实体系中剥离、抽象出研究对象的方法论,在于促使这种抽象能够回归到现实世界的技术途径。然而,随着科学知识的增长,科学分科越来越细,科学研究越来越深入,研究结论的针对性越来越强,科学正向各个领域的细微处蔓延生长,人们越来越难以看清科学的全貌,不同领域之间的差异越来越大,不同领域之间的沟通越来越困难。在这种高度分化的同时,必然对集成融合的要求越来越高,因而出现了信息论、系统论、控制论等横断学科。横断学科不以某一领域的具体系统为研究对象,而研究存在于多个学科领域的抽象对象,研究成果亦具有广泛的适用性。这些横断学科的诞生和发展为很多领域注入了新的活力,相应的交叉学科如雨后春笋般蓬勃而出,并成为推动科学发展的新的动力。
系统论研究系统的一般模式、结构和规律,寻求并确立适用于一切系统的原理、原则和数学模型,是具有逻辑和数学性质的一门科学。对系统的数学建模与数学分析是其主要研究手段,建模方法的建立是系统科学的主要工具之一,也是系统科学的主要研究内容之一。尤其对于现代科学和工程所面对的复杂系统而言,建模和分析方法显得尤为重要。在这些复杂系统中,具有代表性的自然科学领域最为典型的有系统生物学领域、复杂化工过程领域和中医药现代化研究领域。系统生物学是系统论与生物学交叉产生的新兴学科,其目的在于研究生物系统的构成、特征与规律,其主要任务是在对生物信息融合集成的基础上建立生物系统模型,并借以分析和研究生物系统的动态特征与干预方式。随着人类基因组计划的完成,大量的信息亟需有整合能力的建模方法推动这一领域的发展。
复杂化工过程是系统论与化学工程交叉所产生的研究领域,其目的在于研究集物质流、信息流、能量流为一体的化工过程的动态规律,其任务包括对生产工艺的设计、优化和对生产过程的有效控制,保证化工生产的安全性、稳定性、经济性。随着化工生产规模的逐渐增长和信息化技术在化工领域的广泛应用,化工生产过程的复杂性对数学建模的需求更为突出。
中医药是我国传统医学,从系统科学的角度而言,它是一门处理临床复杂性问题的学问,不管是中医司外揣内的诊断模式,还是临床用药的遣药组方,都与中医基础理论所建立的阴阳五行、脏腑经络整体模型息息相关。虽然这种模型不是一种严格的数学模型,然而其所包含的过程和思想却有着深刻的数学内涵。如果能够利用系统建模的方法对中医药进行研究,将对中医药的发展产生重要影响。
三个学术领域,所研究的具体对象虽然不同,但都具有复杂系统的特征,都可以并且需要利用系统建模的方法进行研究。三个领域的研究对象都是由众多环节所组成的复杂过程。在系统生物学中,表现为生化反应过程;在复杂化工过程中,表现为物质、能量、信息的传递过程和化学反应过程;在中医药中,则表现为人体疾病、健康等状态的变化过程。三者在表达形式上具有共性的特征。从研究内容上,三者又有交叉,包括生物学与复杂化工过程交叉而产生的生物化工领域,中医药与生物学交叉而产生的中医药系统生物学领域,中医药与复杂化工过程结合的中药生产过程的质量控制领域。如果能够有效整合不同学科或领域的优势理念与技术,针对这些学科的共同特点,建立具有广泛适用性的建模方法,必将对各学科产生积极的影响,并将对学科的交叉与融合产生积极的推动作用。
基于上述考虑,本书从三个学科中抽提出过程的一种基本结构——调控流图。针对这一基本结构,构建了复杂过程的定性、定量相结合的调控流图建模方法和相应的应用技术,并以CSTR(Continuous Stirred Tank Reactor)过程、TE(Tennessee Eastman)过程、原油蒸馏过程等为研究载体,建立基于定量模型的故障监测技术、基于定性模型的故障诊断技术,并以糖尿病生物过程、中药作用过程为例探讨了调控流图建模方法在生物学、医学中应用的可能性。虽然这一建模方法的基本思想来源于三个不同的学科,但其实用性并不局限于这三个学科,在具有类似结构的其他学科应该也具有广泛的实用价值。
本书的研究工作得益于国家自然科学基金的支持,得益于北京化工大学王奎升教授、江波教授、钱才富教授,北京中医药大学乔延江教授,中国石油大学王德国教授,北京科技大学王立教授,北京航空航天大学徐国强教授,中国军事科学院曾宪钊教授等专家学者所提出的建设性意见,得益于北京化工大学张贝克教授在过程仿真工作中所给予的支持与帮助。成书过程中得到研究生骆四君、高长欣、于晓娜的大力协助,化学工业出版社的编辑对书稿的修改和完善提出了宝贵意见,在此一并表示衷心的感谢!
鉴于本书的研究跨越了不同学科,笔者的学识水平和实践能力是有限的,书中难免存在不妥之处,敬请广大读者批评指正。
郑娆王耘2013年9月于北京

文摘
调控流图作为复杂过程的一种新的建模方法,它继承了实体语法系统的形式化特点,融合了系统动力学、SDG建模方法的优点,在一定程度上克服了上述建模方法的不足,并有效地集成了定性仿真技术、数据挖掘技术、参数估计方法,为复杂过程的故障监测与故障诊断提供了可行的技术方案。随着相关技术的进一步发展和在具体实践中的考验,相信该技术将为复杂系统建模技术在多个领域的应用产生积极的推动作用。
当然,调控流图在实际应用过程中仍有很多问题值得进一步深入研究。一方面可以从基于工艺流程图的调控流图自动建模方法研究展开。基于工艺流程图建立复杂化工过程的调控流图模型是调控流图的主要建模方法之一,但由于化工过程本身的复杂性,虽然本书提供了部分过程单元的调控流图模型,但对于建立一整套化工过程的调控流图模型仍然是一项并不容易的过程。这一问题在其他建模方法中也同样是一个亟待解决的问题。调控流图本身的模块化特点为这一问题的解决提供了可能,可以从化工过程流程图的规范和调控流图建模方法两个角度进行考虑,最终建立从复杂化工过程工艺流程图直接生成调控流图的技术。另一方面,应该推广此方法与实际生产过程的密切结合,在实际应用中进一步发现问题,完善基于调控流图的故障监测与诊断技术细节。
调控流图与实体语法系统的关系、基于调控流图的故障诊断与复杂系统涌现性的关系为调控流图的理论与应用技术的发展提供广阔了发展空间。相信随着这一方法与更多理论与技术的交叉将能够为调控流图的分析与应用提供更丰富的技术支持,从而推动其发展成为一个新的技术领域。

内容简介
《调控流图建模原理与应用》从各类复杂系统所表现出的共同特点出发,强调系统组成单元对系统过程单元的调节与控制关系,在实体语法系统形式化方法的基础上,提出调控流图建模方法,并建立了针对调控流图的定性仿真技术、故障诊断技术和模型量化方法。以CSTR过程、TE过程和原油蒸馏过程为例,介绍了调控流图建模与仿真在化工过程中的应用思路,以糖尿病生化过程建模和中药作用机理解析为例,介绍了调控流图建模与仿真在医药领域的应用思路。通过对不同实例的综合分析,总结出调控流图建模方法应用的一般思路。

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