具有若干工廠的過程網絡的制作方法
1.本發明涉及用于生成過程網絡的問題特定表示以實現監測和或控制具有至少兩個工廠的過程網絡的系統和計算機實現的方法。該系統還涉及問題特定表示的用例。
背景技術：
2.化工生產是高度復雜的環境。特別是當涉及兩個或更多個生產工廠時。化工廠通常包括用于生產化學產品的多種資產。存在多種純組分或混合物的進料，并且在各個階段提供或提取能量。多個傳感器分布在此類工廠中，用于監測和控制目的并收集數據。因此，化工生產是數據密集型環境。然而，迄今為止，對互連的工廠進行監測和控制具有挑戰性。
3.在過程工程中，流程圖模擬器包括用于模擬化工廠的圖結構。這種流程圖模擬器中的模型通常是為解決給定問題而構建的，并且不能輕易遷移到其他問題。具體來說，這種模擬器是靜態的，并且不能容易地調整。此外，模型設計繁瑣且耗時。具體來說，流程圖模型中使用的每個塊/節點都具有很大程度上固定的，盡管可能是參數化的，但是數量未知，因此需要特定數量的規范或額外的約束/方程。
4.preisig提出了使用圖論來描述單個工廠(copmuter and chemical engineering,33(2009),598-604)。
5.preisig等人在sims 2004，丹麥哥本哈根，2004年9月23-24日，pp 413-420和computers and chemical engineering 33(2009)598-604中描述了基于實現世界的物理視圖來構建建模器。它以具有兩個細化級別的拓撲的形式構建抽象過程表示。首先定義過程所占用的空間及其相關環境的物理視圖，其為物理拓撲。通過添加工廠中存在的種類，第一細化被視為拓撲的著。最后，第二細化添加了描述拓撲的各個組件行為的變量和方程。preisig描述的建模器旨在保證結構上可解決的模擬問題，即指數為1的微分代數方程。建模器允許生成針對問題的模型，包括動態模擬、優化和控制設計。然而，構建過程的物理拓撲不是自動過程，而是設計過程，這需要對被建模的過程有深入的了解。
6.mccabe等人描述了化學工程中單元操作的概念(“unit operations of chemical engineering”，mc graw hill，2004年10月，第7版)
7.現有的建模器是靜態的，并生成針對用戶指定問題定制的一組方程。這些模型不是動態的，因為它們可以自動適應例如不同的優化問題。此外，過程組件或多個工廠之間的相互依賴關系難以捕捉并導致結果不太可靠。
8.本發明的目的涉及用于生成兩個或更多個互連的工廠的問題特定表示以實現控制或監測具有至少兩個工廠的過程網絡的系統和方法。該系統還涉及問題特定表示的用例。
技術實現要素：
9.提出的解決方案為過程模擬提供了一種更靈活的方法。具體來說，過程以如下方式被映射和準備，該方式使得模型或優化能夠很容易地根據過程用戶的特定需求進行定
制。此外，通過將基于經典平衡方程的模型與捕獲例如基于物理定律的嚴格模型中沒有體現的環境影響的數據驅動模型相結合，可以提高準確性。
10.提出的解決方案特別適用于監測、規劃或控制工廠網絡中的過程，例如包括下游和上游工廠的化學生產園區、包括煉油廠的能源生產綜合體。它允許更靈活的方法來生成網絡模型并取決于當前條件調整網絡模型。例如，如果網絡中的一個工廠出現故障，則可以相應地調整網絡模型，并且仍然可以為監測或者甚至控制工廠網絡提供準確的預測。
11.提出了一種用于生成具有至少兩個互連的化工廠的過程網絡的模型表示以實現控制或監測過程網絡的計算機實現的方法，所述方法包括以下步驟：
[0012]-提供所述過程網絡的數字表示，所述數字表示包括：
[0013]
o每個工廠的數字過程表示，
[0014]
o該工廠與其他工廠的連接(通過本說明書中的質量流或能量流實現的)以及設置在所述過程網絡中的傳感器元件，
[0015]-基于所述第一數字表示生成圖結構，所述圖結構包括：
[0016]
o表示單元操作的頂點，
[0017]
o表示物理化學量的邊，其中，所述物理化學量包括質量流、能量流和組分流，邊連接頂點，其中，所述邊包括用于每個所表示的物理化學量的可測量標簽，所述可測量標簽指示所述物理化學量是否可以在過程網絡中被測量，或者所述物理化學量是否不可以被測量；
[0018]-將可以在所述過程網絡中測量的物理化學量分類為可觀察的物理化學量，
[0019]-將可以從頂點周圍的平衡方程計算出的物理化學量分類為可觀察的物理化學量，
[0020]-通過將具有不可觀察的物理化學量的邊折疊成經折疊的頂點，基于所述圖結構生成經折疊的圖結構，
[0021]-所述經折疊的圖結構包括，
[0022]
·
表示虛擬單元操作的經折疊的頂點，
[0023]
·
表示單元操作的頂點
[0024]
o僅表示可觀察的物理化學量的邊，該邊連接經折疊的頂點和/或頂點，
[0025]-針對每個頂點周圍的每個質量流、能量流或組分流推導一組平衡方程，所述一組平衡方程對所述工廠網絡進行建模，所述一組平衡方程可用于監測、控制、生產計劃、預測模型，
[0026]-將所述一組平衡方程提供給控制設備、監測設備、生產計劃設備和/或預測模型生成器。
[0027]
過程網絡可以被理解為至少兩個化工廠的網絡。化工廠是在其中發生至少一種化學反應的工廠。
[0028]
至少兩個工廠可以互連。這種互連可以通過從一個工廠到另一個工廠的能量交換、從一個工廠到另一個工廠的大規模傳輸以及在極少數情況下經由表達式捕獲的工廠或其控制系統之間的信息交換來實現。過程網絡可以位于一個地點。過程網絡可以可替代地跨至少兩個地點定位，每個地點包含一個或多個互連的化工廠。
[0029]
每個工廠的數字過程表示可以是工廠的管道和儀表圖(p&id)表示或從p&id推導
出。
[0030]
過程網絡的數字表示還可以包括從過程中提取的離線測量的種類和位置、在線和/或離線數據之間的已知相關性以及圖中的其他變量—即表達式/模型。
[0031]
數字表示還可以包括信號，這些信號可以以三種主要實現形式出現：
[0032]
·
在線信號可以由直接安裝在工廠中的傳感器提供
[0033]
·
數字表示還可以包括離線信號，例如，實驗室數據和專家知識。例如，實驗室數據可以與在實驗室中離線確定的濃度有關。
[0034]
·
數字表示也可以包括表達式。表達式是將一個或多個信號與另一個物理量連接的關系。
[0035]
·
數字表示還可以包括模型。模型可以經由api獲得，并且可以將任意數量的可用信號連接到可能與物理量相關的任意數量的新信號。
[0036]
更詳細地說，過程網絡的第一數字表示可以包括每個工廠的智能管道和儀表圖，包括工廠組件，組件特性(如物理尺寸和布局)，操作條件(如操作參數)，工廠組件之間的總質量流連接，傳感器組件(包括位置和測量的量)，以及與化學性質有關的化學數據，例如，每個工廠的分子量和反應、熱力學方面的專業知識，或者簡化的熱力學關系(如液-液分離器中已知的組分拆分)。
[0037]
單元操作可以表示塔、反應器、泵、熱交換器、結晶器以及可以安裝在工廠中的其他已知設備件。單元操作還可以包括運輸，運輸定義了工廠之間的連接，運輸可以包括(管道、輪船、卡車、火車、用于升降機，或在單元操作之間移動物質的任何裝置)。反映特定單元操作的過程步驟的模型可以反映在相對應的頂點中。該模型可以是嚴格模型、簡單函數或數據驅動模型或混合模型。這些模型可以需要與相應單元操作相關的物理量作為輸入參數。具體而言，化學反應可以發生在單元操作中，并且化學反應可以被建模。更具體地說，兩個連接的化工廠的過程網絡可以包括其中發生反應的至少一個單元操作，相對應頂點可以包括將物理化學量從一個連接邊轉換為另一連接邊上的物理化學量的模型。
[0038]
頂點還可以表示頂點元數據，包括連接到相應單元操作的物理量，例如體積、直徑或內部數據—例如多管反應器中管道的數量和形狀。
[0039]
通過提供表示頂點元數據的頂點(該頂點元數據包括連接到相應單元操作的物理量)，以非常高效的方式提供了與相應單元操作的過程步驟相關的模型的輸入參數。訪問被加速，因為圖結構是自包含的，使得它包含相關信息。加速訪問導致方法步驟的更快執行，這反過來又能夠更快地提供一組平衡方程。這導致生成過程網絡模型的時間減少。這也減少了監測和/或控制的時間。較短的延遲時間對于監測和/或控制具有至少兩個互連工廠的過程網絡至關重要。
[0040]
在圖結構中，邊連接單元操作。邊可以表示至少物理化學量。表示至少物理化學量可以包括守恒的物理化學量流入和流出單元操作。守恒物理化學量是遵循守恒定律的物理化學量。另一個術語可以是守恒量。物理化學量也可以包括變量和約束。守恒量可以與在自包含系統中守恒的量有關。這些可以是物理守恒量，例如總質量流、能量流和組分流。守恒量可以與可以從物理定律推導出守恒的量有關。此外，本構方程與守恒量和這些量沿邊不變的知識(例如，濃度之和等于一)有關。因此，邊還可以包括本構定律。
[0041]
組分流與過程網絡中某個組分的質量流有關。例如，當包含兩個組分x和y的反應
產生新的組分z時，進入反應器的總質量流為mass_total＝mass_x+mass_y，而x的組分流為mass_x。
[0042]
例如，總質量流可以被理解為所有組分流的總和。
[0043]
邊元數據也可以包括在每個邊上。邊元數據可以包括物理化學量并且可以作為信號被提供。物理化學量還可以包括完全描述守恒的物理化學量所需的物理化學量。物理化學量可以包括溫度、壓力、重量、質量、能量、濃度、濃度、活性。
[0044]
可以為邊上的每個物理化學量提供可測量的標簽，當物理化學量可以通過傳感器在過程網絡中被測量時，標簽可以是“測量的”，當物理化學量可能未被測量時，可以不關聯標簽或可以關聯標簽“未知”。測量的物理化學量可以直接從傳感器信號提供，或者可以通過專家知識或表達式從傳感器信號推導出。可以離線或在線提供物理化學量。換句話說，經測量的意味著物理化學量將在過程網絡中可用，或者來自內聯測量結果，其為來自傳感器的數據、離線數據，例如，實驗室數據、專業知識或表達式。
[0045]
表達式可以是在線或離線數據與物理化學量之間的簡單數學關系，例如單位換算。
[0046]
當可以在過程網絡中測量某個物理化學量時，該所選擇的物理化學量可以被認為是可觀察的，可以根據頂點周圍的平衡方程計算或可以被測量和計算。如果某個物理量的值可以根據物理定律從其他測量的物理化學量推導出，則該物理量被認為是計算的。平衡方程基于相應物理化學量的守恒定律。
[0047]
基于圖結構生成經折疊的圖結構，頂點表示虛擬單元操作、邊連接虛擬單元操作，該邊表示至少物理化學量，其中邊包括表示可觀察的物理化學量的邊元數據，以及它們與頂點的關系，確保圖結構中所有剩余的物理化學量都是可觀察的。可觀察性對于推導可解的一組平衡方程至關重要。與頂點的關系可以理解為物理化學量是一個頂點的輸出參數和下一個頂點的輸入參數。
[0048]
基于圖結構生成經折疊的圖結構(其中在邊上只有可觀察的物理化學量及其與頂點的關系)可以包括生成新頂點的步驟，這些新頂點是表示虛擬單元操作的經折疊的頂點，并且可以包括幾個單元操作，其中連接到該頂點的所有所選擇的物理量都是可觀察的。然后可以將這個新頂點理解為虛擬單元操作。可以生成反映該新虛擬單元操作的過程步驟的新模型并將其反映在相對應頂點中。該模型可以是嚴格模型、簡單函數或數據驅動模型或混合模型。這些模型可以需要與相應單元操作連接的物理量作為輸入參數。以一種具象的方式，這些折疊的頂點是通過將單元去除邊與不可觀察的物理化學量相結合并將相對應的頂點折疊成一個折疊的頂點來生成的。這可以重復，直到只有
[0049]
現在，從圖結構推導出的一組平衡方程是可解的，并且因此圖結構能夠針對任何特定問題提取平衡方程。這大大降低了數字表示的復雜度。這種簡化的表示是問題特定的，因為經折疊的圖僅包含問題特定的物理化學量。這實現了控制或監測具有至少兩個互連的化工廠的過程網絡。如果不簡化為完全描述工廠網絡的一組平衡方程并不提供這些方程和物理化學量，則控制和監測將是不可能的。計算時間大大減少，因為只需要求解平衡方程。這進一步允許以易于理解的方式來描述復雜的工廠網絡，從而實現預測和生產計劃。
[0050]
可以測量和確定的物理量可以被標記為冗余。
[0051]
在第一數字表示的級別上定義表達式可以是有益的。這增加了可以被標記為測量
的物理化學量的數量。這提高了生成經折疊的圖的速度。這然后允許更快地提供一組平衡方程和物理化學量。這導致監測和/或控制的滯后時間減少。較短的延遲時間對于監測和/或控制具有至少兩個互連工廠的過程網絡至關重要。
[0052]
基于第一數字表示生成圖結構的步驟還可以包括：通過將標簽歸于所有所選擇的物理化學量而生成收斂的圖結構，標簽是取決于物理化學量是測量的物理化學量、是確定的物理化學量、是測量和確定的物理化學量，還是既非測量的物理化學量也非確定的物理化學量的物理化學量來被歸于所有所選擇的物理化學量。既非測量的物理化學量也非確定的物理化學量的物理化學量可能被標記為不可觀察。
[0053]
可以被確定和測量的物理量可以被標記為冗余。提供這樣的標簽允許一致性檢查。
[0054]
當物理化學量冗余時，可以將測量的物理化學量與確定的物理化學量進行比較。將測量的物理化學量與相應確定的所選擇的物理化學量進行比較可以描述為一致性檢查。
[0055]
只有當兩個物理化學量等同時，才能確認一致性。等同意味著它們在誤差容限內是等同的，或者當各個所選擇的物理化學量之間的殘差低于閾值時，或者當各個選擇量之間的殘差僅顯示隨機噪聲時。
[0056]
標簽可以作為經折疊的圖結構的屬性提供。在經折疊的圖級別提供這些標簽是提供信息的一種非常高效的方式。這加速了經標記的信息的可訪問性。加速訪問導致方法步驟的更快執行，這反過來又能夠更快地提供一組平衡方程和物理化學量。這導致監測和/或控制的滯后時間減少。較短的延遲時間對于監測和/或控制具有至少兩個互連工廠的過程網絡至關重要。
[0057]
標簽可以被提供給一組平衡方程。為一組平衡方程提供這些標簽進一步加速了信息的可訪問性。加速訪問導致方法步驟的更快執行，這反過來又能夠更快地提供一組平衡方程。這導致監測和/或控制的滯后時間減少。較短的延遲時間對于監測和/或控制具有至少兩個互連工廠的過程網絡至關重要。本質上，不需要在單獨的數據庫中查信息。現在的數據庫通常位于云環境中，與現場取回數據相比，這使得訪問速度較慢。
[0058]
為了標簽的目的，可以執行可觀察性和冗余度分析。
[0059]
可以通過應用kretsovalis等人公開的算法(comput.chem.engng,vol 12,no7,pp 671-687和689-703,1988)來執行冗余度和可觀察性分析。
[0060]
生成收斂圖的步驟可以包括定義物理化學量之間的表達式，該表達式可以存儲在圖中。在圖中存儲表達式可以減少從收斂圖中取回信息的時間。
[0061]
在基于圖結構生成經折疊的圖結構的步驟之前，可以將包括不可觀察的物理化學量的邊折疊成頂點。通過對圖結構進行折疊，可以生成新的頂點。這些新頂點與不再需要反映從第一數字表示推導出的單元操作相關。虛擬單元操作可以是不再需要反映從第一數字表示推導出的單元操作或者反映從第一數字表示推導出的單元操作的單元操作。
[0062]
這導致了這樣的圖：其中所有守恒量都可以基于測量的所選擇的物理特性推導出。經折疊的圖表示所有已知數據中可用的最大信息。可以對其進行進一步折疊以降低可以推導出的任何一組平衡方程的復雜度，同時仍然保證推導出的系統的結構可解性。這大大降低了數字表示的復雜度。這種簡化的表示是問題特定的，因為經折疊的圖僅包含問題特定的物理化學量。這實現了控制或監測具有至少兩個互連化工廠的過程網絡。如果不簡
化為完全描述工廠網絡的一組平衡方程并提供這些方程，則控制和監測將是不可能的。計算時間大大減少，因為只需要求解平衡方程。這進一步允許以易于理解的方式來描述復雜的工廠網絡，從而實現預測和生產計劃。
[0063]
生成經折疊的圖結構可以包括針對每個守恒量生成經折疊的圖結構，例如，針對總質量流的經折疊的圖結構和針對能量流的單獨經折疊的圖結構。如果每個守恒量的可觀察量不在等同的邊上，則可能需要這樣做。針對每個守恒量生成經折疊的圖結構可以保存圖中的最大可能信息。對于控制和/或監測，保持盡可能多的信息是有益的。
[0064]
一組平衡方程可以存儲在圖中，或者也可以存儲在單獨的數據庫中。
[0065]
這具有以下優點：每次提供針對監測和/或控制工廠網絡的請求時，不需要生成新的一組平衡方程。
[0066]
在基于圖結構生成經折疊的圖結構的步驟之前，可以將包括不可觀察的物理化學量的邊折疊成頂點，在上述步驟之后，可以基于目標，將具有可觀察的物理化學量的邊進一步折疊成頂點。
[0067]
對于某些特定問題，減少的一組信息就足夠了。這些具體問題可以被定義為一個目標，圖可以基于該目標被進一步折疊。
[0068]
可以通過將頂點和邊聚合成新的經折疊的頂點來執行折疊。
[0069]
然后可以將這個新的經折疊的頂點理解為新的折疊單元操作。可以生成反映該新的特定單元操作的過程步驟的新的經折疊的模型并將該新的經折疊的模型反映在相對應的經折疊的頂點中。該模型可以是嚴格模型、簡單函數或數據驅動模型或混合模型。這些模型可以需要與相應單元操作連接的物理量作為輸入參數。
[0070]
通過進一步折疊，不必要的信息被刪除。這會產生不太復雜的圖。因此，一組平衡方程也不太復雜，但是足以解決該特定問題。
[0071]
因此，能夠更快地求解所提供的用于監測和/或控制的一組平衡方程。這導致監測和/或控制的滯后時間減少。較短的延遲時間對于監測和/或控制具有至少兩個互連工廠的過程網絡至關重要。當兩個頂點之間的邊與控制和/或監測無關并且只有流入第一頂點和流出第二頂點的平衡方程相關時，可能會出現這種特定問題。
[0072]
生成收斂的圖結構的方法步驟還可以包括接收觸發信號，其中生成收斂的圖結構的方法步驟在觸發信號的評估之后被啟動。
[0073]
觸發信號可以由看門狗設備提供。看門狗設備可以監測過程網絡以檢測過程網絡中的變化。在檢測到過程網絡中的變化時，可以啟動生成收斂的圖結構。
[0074]
過程網絡的變化可以導致物理化學量的可觀察性發生變化，一些可觀察量可能變得不可觀察，這進而又會導致方程組不再可解。因此，將不再啟用監測和/或控制。
[0075]
通過接收觸發信號，其中，生成收斂的圖結構的方法步驟在觸發信號的評估時被啟動，這些變化將被反映在以下步驟中：通過將標簽歸于所有物理化學量而生成收斂的圖結構，該標簽取決于物理化學量是測量的物理化學量、是確定的物理化學量、是測量和確定的物理化學量，還是既非測量的物理化學量也非確定的物理化學量的物理化學量來被歸于所有物理化學量。
[0076]
物理化學量的可觀察性的變化將反映在生成的經折疊的圖結構中。從經折疊的圖結構推導出一組平衡方程的步驟也將反映過程網絡的變化。從而使得過程網絡中的變化也
將反映在所提供的一組平衡方程中。
[0077]
這種動態方法產生了一種用于生成問題特定的表示以實現控制或監測具有至少兩個互連化工廠的過程網絡的更穩健的方法。
[0078]
過程網絡中的這些變化可以是傳感器故障或其他錯誤。
[0079]
第一方面也體現在以下條款中：
[0080]
1、一種用于生成具有至少兩個互連的化工廠的過程網絡的模型表示以實現控制或監測過程網絡的計算機實現的方法，所述方法包括以下步驟：
[0081]-提供所述過程網絡的數字表示，所述數字表示包括：
[0082]
o每個工廠的數字過程表示，
[0083]
o該工廠與其他工廠的連接(通過本說明書中的質量流或能量流實現的)以及設置在所述過程網絡中的傳感器元件，
[0084]-基于所述第一數字表示生成圖結構，所述圖結構包括：
[0085]
o表示單元操作的頂點，
[0086]
o表示物理化學量的邊，其中，所述物理化學量包括質量流、能量流和組分流，該邊連接頂點，其中，所述邊包括用于每個所表示的物理化學量的可測量標簽，所述可測量標簽指示所述物理化學量是否可以在過程網絡中被測量，或者所述物理化學量是否不可以被測量；
[0087]-將可以在所述過程網絡中測量的物理化學量分類為可觀察的物理化學量，
[0088]-將可以從頂點周圍的平衡方程計算出的物理化學量分類為可觀察的物理化學量，
[0089]-通過將具有未被分類為可觀察的物理化學量的邊折疊成經折疊的頂點，基于所述圖結構生成經折疊的圖結構，
[0090]-所述經折疊的圖結構包括，
[0091]
·
表示虛擬單元操作的經折疊的頂點，
[0092]
·
表示單元操作的頂點
[0093]
o僅表示可觀察的物理化學量的邊，其連接經折疊的頂點和/或頂點，
[0094]-針對每個頂點周圍的每個質量流、能量流或組分流推導一組平衡方程，所述一組平衡方程對所述工廠網絡進行建模，所述一組平衡方程可用于監測、控制、生產計劃、預測模型，
[0095]-將所述一組平衡方程提供給控制設備、監測設備、生產計劃設備和/或預測模型生成器。
[0096]
2、根據條款1所述的方法，其中，所述頂點還表示頂點元數據，該頂點元數據包括連接到所述相應單元操作的物理量。
[0097]
3、根據任意前述條款所述的方法，其中，生成經折疊的圖結構包括：針對每個物理化學量生成經折疊的圖。
[0098]
4、根據條款3所述的方法，其中，從所述經折疊的圖結構提供一組平衡方程包括：針對每個守恒量提供一組平衡方程。
[0099]
5、根據前述條款中任意條款所述的方法，其中，在對邊進行折疊的步驟之后是：
[0100]-選擇經由邊連接的至少兩個頂點
[0101]-折疊所述至少兩個頂點之間的邊，從而創建虛擬頂點。
[0102]
6、根據前述條款中任意條款所述的方法，其中，基于所述第一數字表示生成圖結構的步驟還包括：通過將標簽歸于所有物理化學量而生成收斂的圖結構，標簽是取決于物理化學量是測量的物理化學量、是確定的物理化學量、是測量和確定的物理化學量，還是既非測量的物理化學量也非確定的物理化學量的物理化學量來被歸于所有物理化學量的。
[0103]
7、根據條款7所述的方法，還包括接收觸發信號，其中，生成收斂的圖結構的方法步驟是在所述觸發信號的評估時被啟動的，所述觸發信號指示。
[0104]
8、一種用于生成過程網絡的問題特定表示以實現控制或監測具有至少兩個互連化工廠的過程網絡的系統，所述系統包括：
[0105]-處理器，其被配置用于
[0106]
o執行根據條款1-7中任意條款所述的方法步驟，
[0107]-輸出接口，其用于提供
[0108]
o用于監測和/或控制過程網絡的操作的所述一組平衡方程。
[0109]
9、一種計算機程序產品，當該計算機程序產品在計算機上運行時執行根據方法條款1-7中任意方法條款所述的方法步驟。
[0110]
10、一種用于生成具有至少兩個互連的化工廠的過程網絡的模型表示以實現控制或監測過程網絡的計算機實現的建模系統，所述方法包括處理器和通信接口，所述處理器被配置為執行以下步驟：
[0111]-經由通信接口向所述處理器提供所述過程網絡的數字表示，其包括：
[0112]
o每個工廠的數字過程表示，
[0113]
o該工廠與其他工廠的連接(通過本說明書中的質量流或能量流實現的)以及設置在所述過程網絡中的傳感器元件，
[0114]-在所述處理器處基于所述第一數字表示生成圖結構，所述圖結構包括：
[0115]
o表示單元操作的頂點，
[0116]
o表示物理化學量的邊，其中，所述物理化學量包括質量流、能量流和組分流，該邊連接頂點，其中，所述邊包括用于每個所表示的物理化學量的可測量標簽，所述可測量標簽指示所述物理化學量是否可以在過程網絡中被測量，或者所述物理化學量是否不可以被測量；
[0117]-使用所述處理器將可以在所述過程網絡中測量的物理化學量分類為可觀察的物理化學量，
[0118]-使用所述處理器將可以從頂點周圍的平衡方程計算出的物理化學量分類為可觀察的物理化學量，
[0119]-通過將具有未被分類為可觀察的物理化學量的邊折疊成經折疊的頂點，使用所述處理器基于所述圖結構生成經折疊的圖結構，
[0120]-所述經折疊的圖結構包括，
[0121]
·
表示虛擬單元操作的經折疊的頂點，
[0122]
·
表示單元操作的頂點
[0123]
o僅表示可觀察的物理化學量的邊，該邊連接經折疊的頂點和/或頂點，
[0124]-使用所述處理器針對每個頂點周圍的每個質量流、能量流或組分流推導一組平
衡方程，所述一組平衡方程對所述工廠網絡進行建模，所述一組平衡方程可用于監測、控制、生產計劃、預測模型，
[0125]-經由所述通信接口將所述一組平衡方程提供給控制設備、監測設備、生產計劃設備和/或預測模型生成器。
[0126]
在第二方面，提出了一種用于監測具有至少兩個工廠的過程網絡的方法，所述方法包括以下步驟：
[0127]-經由輸入接口接收針對至少一個過程網絡操作參數的請求
[0128]-經由所述輸入接口從所述過程網絡的經折疊的圖結構中取回一組平衡方程，
[0129]-從數據庫中取回與測量的物理化學量相關的歷史數據以及與至少一個過程網絡操作參數相關的元數據，
[0130]-接收與可觀察的物理化學量相關的當前數據和可觀察的物理化學量的元數據，
[0131]-通過基于所述歷史數據和所述當前數據求解所述一組平衡方程來確定所述至少一個過程網絡操作參數的值，
[0132]-經由輸出接口提供至少一個過程網絡操作參數的所述值。
[0133]
該組平衡方程來自通過第一方面的條款1至7中任意條款的方法推導出的過程網絡的經折疊的圖結構。
[0134]
輸入接口可以是物理接口(例如鍵盤、鼠標、觸摸屏、觸摸板)或非物理接口(例如函數調用、api)，也可以是物理接口和非物理接口的組合。
[0135]
輸出接口可以是物理接口(例如屏幕、監視器)或非物理接口(例如函數調用、api)，也可以是物理接口和非物理接口的組合。
[0136]
可觀察的物理化學量的元數據可以指與可觀察的物理化學量相關的附加信息(例如傳感器的位置、時間戳)。
[0137]
至少一個過程網絡操作參數是指旨在被監測的操作參數。該過程網絡操作參數可以是經折疊的圖結構中的任何可觀察的所選擇的物理量或者是可以從這些所選擇的可觀察的物理化學量推導出的任何性能度量。至少一個過程網絡操作參數可以反映在特定時間點的操作參數，這可以是當前的操作參數，并且在過程網絡中的特定點，例如，特定單元操作。至少一個過程網絡操作參數可以是溫度、濃度、總質量流或由此推導出的任何性能度量。
[0138]
所提出的方法提供了一種快速且可靠的方法來監測具有至少兩個工廠的過程網絡，否則這是不可能的。所提供的一組平衡方程大大降低了生成合適模型的復雜度。通過指定主要關注的量，可以將模型簡化為用于觀察這些量的最不復雜的可行模型。因此，計算時間大大減少，因為只需要求解平衡方程。這導致監測的滯后時間減少。較短的延遲時間對于監測和/或控制具有至少兩個互連工廠的過程網絡至關重要。
[0139]
歷史數據可以指從最近到歷史的數據，這意味著足夠的數據能夠執行重要的平穩性測試。
[0140]
提供一組平衡方程的步驟還可以包括提供經折疊的圖結構。通過這種方式，可以從當前經折疊的圖結構生成一組平衡方程。這在經折疊的圖結構變化的環境中可以是有益的。
[0141]
僅當至少一個過程網絡操作參數的值不能作為可觀察值直接從數據庫取回時，才
可以執行從經折疊的圖提供一組平衡方程。這提高了確定至少一個過程網絡操作參數值的速度，因為該值可以直接確定。
[0142]
與至少一個過程網絡操作參數相關的可觀察量和元數據是確定至少一個過程網絡操作參數的值所需的可觀察量和元數據。
[0143]
從數據庫中取回與可觀察的物理化學量相關的歷史數據以及與至少一個過程網絡操作參數相關的元數據的步驟可以包括取回時間序列數據。
[0144]
通過求解一組平衡方程來確定至少一個過程網絡操作參數的值可以通過將一組平衡方程求解為優化問題來執行。將一組平衡方程求解為優化問題包括：使反映特定平衡方程中與零的偏差的誤差最小化。可以針對每個守恒量提供一組平衡方程。然后可以為相應守恒量針對每組平衡方程定義誤差。然后優化問題是使所有組平衡方程的所有誤差最小化。
[0145]
將一組平衡方程求解為優化問題具有優點，并且考慮了可觀察的物理化學量的不確定性。這些不確定性可以是例如傳感器噪聲、傳感器故障、錯誤元數據等的結果。因此，該方法更加穩健。
[0146]
該方法還可以包括對來自數據庫的與至少一個過程網絡操作參數相關的可觀察的所選擇物理化學量和元數據執行平穩性測試。
[0147]
levente等人描述了一種對時間序列數據執行平穩性測試的算法。(aiche journal,2018,vol.00,no.00,p 1-12)。
[0148]
以平衡方程的形式描述過程網絡的概念只適用于過程網絡處于平穩狀態的情況。應用平穩性測試具有僅考慮平穩狀態的優點。應用平穩性測試具有進一步的優點以確保要監測的系統當前處于平穩狀態。如果平穩性測試表明過程網絡的當前狀態不是平穩的，則可以生成信號。該信號可以是警報信號并且可以被提供給工廠網絡控制中心。警報信號可以關閉一個工廠或觸發過程網絡的關閉。
[0149]
平穩性測試包括基于波動性(來自金融的典型模型)或活動(從接近零方差測試推導出的自定義度量，通過應用超對數算法可擴展)的時間序列分析。基于從歷史數據集推導出的模型，執行額外的測試以檢測異常值和異常。
[0150]
取回與至少一個過程網絡操作參數相關的可觀察數據和元數據的步驟還可以包括步驟數據協調和/或粗差檢測。
[0151]
例如，yuan yuan等人描述了用于數據協調和/或粗差檢測的方法(aiche journal,vol.61,no.10,p.3232-3248)。
[0152]
數據協調解決了可觀察的物理化學量上的隨機噪聲，這可以是用于確定或測量相應可觀察的物理化學量的傳感器信號的波動或噪聲的結果。
[0153]
數據協調的使用具有以下優點：提取關于過程網絡狀態的準確和可靠的信息，以及表示過程網絡的最可能狀態的單個一致數據集。
[0154]
使用粗差檢測還具有以下優點：提取關于過程網絡狀態的準確和可靠的信息，以及表示過程網絡的最可能狀態的單個一致數據集。
[0155]
粗差檢測具有另外的優點，即粗差可以變得明顯并且因此可以被檢測到。對粗差的檢測可以生成粗差信號。
[0156]
粗差信號可以被提供給過程網絡的控制中心。
[0157]
粗差信號可以進一步觸發生成收斂的圖結構。
[0158]
粗差信號可以直接作為觸發信號。
[0159]
或者，可以將粗差信號提供給隨后生成觸發信號的看門狗設備。
[0160]
允許執行一致性檢查的步驟。評估所取回的與可觀察的物理化學量相關的歷史數據以及與至少一個過程網絡操作參數相關的元數據是否可以被確認為一致。
[0161]
只有當兩個物理化學量等同時，才能確認一致性。等同意味著它們在誤差容限內是等同的，或者當各個所選擇的物理化學量之間的殘差低于閾值時，或者當各個選擇量之間的殘差僅顯示隨機噪聲時。可以取決于一致性檢查的結果生成一致性信號。
[0162]
一致性檢查可以由看門狗設備執行，并且一致性信號可以用作觸發信號，該觸發信號隨后可以用于觸發收斂的圖結構的生成。
[0163]
或者，可以將一致性檢查信號提供給隨后生成觸發信號的看門狗設備。
[0164]
觸發信號可以由看門狗設備提供。看門狗設備可以監測過程網絡以檢測過程網絡中的變化。在檢測到過程網絡中的變化之后，可以啟動生成收斂的圖結構。
[0165]
第二方面也反應在以下條款中：
[0166]
1、一種用于監測具有至少兩個工廠的過程網絡的方法，所述方法包括以下步驟：
[0167]-經由輸入接口接收針對至少一個過程網絡操作參數的請求
[0168]-使用邊上的可觀察的物理化學量及其與頂點的關系，經由所述輸入接口從所述過程網絡的經折疊的圖結構中取回一組平衡方程，
[0169]-從數據庫中取回與可觀察的物理化學量相關的歷史數據以及與至少一個過程網絡操作參數相關的元數據，
[0170]-通過基于所述歷史數據和所述當前數據求解所述一組平衡方程來確定所述至少一個過程網絡操作參數的值，
[0171]-經由輸出接口提供至少一個過程網絡操作參數的所述值。
[0172]
2、根據條款1所述的方法，包括執行平穩性測試的步驟。
[0173]
3、根據前述條款中任意條款所述的方法，包括數據協調和/或粗差檢測的步驟。
[0174]
4、根據前述條款中任意條款所述的方法，包括一致性檢查的步驟。
[0175]
5、根據前述條款中任意條款所述的方法，其中，所述至少一個過程網絡操作參數包括至少兩個或更多個過程網絡操作參數。
[0176]
6、根據條款5所述的方法，其中，經由輸出接口提供所述至少兩個或更多個過程網絡操作參數的所述值。
[0177]
7、根據任意前述條款所述的方法，還執行以下步驟：接收與可觀察的物理化學量相關的當前數據以及與所述至少一個過程網絡操作參數相關的元數據。
[0178]
8、一種用于監測具有至少兩個工廠的過程網絡的系統，所述系統包括：
[0179]-輸入接口，其用于
[0180]
o接收針對至少一個過程網絡操作參數的請求
[0181]
o使用邊上的可觀察的物理化學量及其與頂點的關系，從所述過程網絡的經折疊的圖結構中取回一組平衡方程，
[0182]
o從數據庫中取回與可觀察的物理化學量相關的歷史數據以及與至少一個過程網絡操作參數相關的元數據，
[0183]-輸出接口，其用于
[0184]
o提供至少一個過程網絡操作參數的所述值，以及
[0185]-處理器，其用于執行根據條款1至7中任意條款所述的方法步驟。
[0186]
9、一種計算機程序產品，所述計算機程序產品當在計算機上運行時，執行根據方法條款1-7中任意方法條款所述的方法步驟。
[0187]
在第三方面，提出了一種用于控制具有至少兩個工廠的過程網絡的方法，所述方法包括以下步驟：
[0188]-通過指定要被優化的至少一個過程參數，經由輸入接口接收針對至少一個優化目標的請求。
[0189]-使用邊上的可觀察的物理化學量及其與頂點的關系，經由所述輸入接口從所述過程網絡的經折疊的圖結構中取回一組平衡方程，
[0190]-從數據庫中取回歷史數據以及與所述要被優化的至少一個過程網絡操作參數相關的元數據，所述歷史數據與可觀察的物理化學量相關，，
[0191]-通過求解所述一組平衡方程確定所述要被優化的至少一個過程網絡操作參數的值
[0192]-經由輸出接口提供至少一個過程網絡操作參數的所述值。
[0193]
該組平衡方程來自通過第一方面的條款1至7中任意條款的方法推導出的過程網絡的經折疊的圖結構。
[0194]
提供一組平衡方程的步驟還可以包括提供經折疊的圖結構。通過這種方式，可以從當前經折疊的圖結構生成一組平衡方程。這在經折疊的圖結構頻繁變化的環境中可以是有益的。
[0195]
通過求解一組平衡方程來確定要被優化的至少一個過程網絡操作參數的值的步驟之前可以是定義優化目標函數。優化目標函數可以是要被優化的至少一個過程網絡操作參數的值或要被優化的至少一個過程網絡操作參數的值與目標值的偏差。
[0196]
然后，通過求解一組平衡方程來確定要被優化的至少一個過程網絡操作參數的值的步驟可以被簡化為：使用在邊上的可觀察的物理化學量及其與頂點的關系，通過使目標函數最小化并用作平衡方程得到最佳滿足的約束，從過程網絡的經折疊的圖結構來求解一組平衡方程。在書籍中描述了優化問題的解決方案(例如https://www.springer.com/de/book/9780387303031)。
[0197]
接收與可觀察的物理化學量相關的當前數據以及與要被優化的至少一個過程網絡操作參數相關的元數據的步驟實現了工廠網絡的過程控制。
[0198]
與要被優化的至少一個過程網絡操作參數相關的可觀察量和元數據是確定通過求解一組平衡方程而要被優化的至少一個過程網絡操作參數的值所需的可觀察量和元數據。
[0199]
從數據庫中取回與可觀察的物理化學量相關的歷史數據以及與至少一個過程網絡操作參數相關的元數據的步驟可以包括取回時間序列數據。
[0200]
通過求解一組平衡方程來確定要被優化的至少一個過程網絡操作參數的值可以通過將一組平衡方程求解為優化問題來執行。將一組平衡方程求解為優化問題包括：使反映特定平衡方程中與零的偏差的誤差最小化。可以針對每個守恒量提供一組平衡方程。然
后可以為相應守恒量的每一組平衡方程定義誤差。然后優化問題是使所有組平衡方程的所有誤差最小化，即違反約束。
[0201]
將一組平衡方程求解為優化問題具有可以考慮了可觀察的物理化學量的不確定性的優點。這些不確定性可能是傳感器噪聲、傳感器故障、錯誤的元數據(例如，錯誤的計量單位)等導致的結果。因此，該方法更加穩健。
[0202]
該方法還可以包括對來自數據庫的與要被優化的至少一個過程網絡操作參數相關的可觀察的所選擇物理化學量和元數據執行平穩性測試。
[0203]
levente等人描述了一種用于對時間序列數據執行平穩性測試的算法。(aiche journal,2018,vol.00,no.00,p 1-12)。
[0204]
以平衡方程的形式描述過程網絡的概念只適用于過程網絡處于平穩狀態的情況。應用平穩性測試的優點是僅考慮了平穩狀態。應用平穩性測試具有進一步的優點以確保要被監測的系統當前處于平穩狀態。如果平穩性測試表明過程網絡的當前狀態不是平穩的，則可以生成信號。該信號可以是警報信號并且可以被提供給工廠網絡控制中心。警報信號可以關閉一個工廠或觸發過程網絡的關閉。
[0205]
平穩性測試包括基于波動率(來自金融的典型模型)或活動的時間序列分析，從而，基于從歷史數據集推導出的時間常數的動態來檢測異常值和異常。
[0206]
取回與要被優化的至少一個過程網絡操作參數相關的可觀察數據和元數據的步驟還可以包括步驟數據協調和/或粗差檢測。
[0207]
例如，yuan yuan等人描述了用于數據協調和/或粗差檢測的方法(aiche journal,vol.61,no.10,p.3232-3248)。
[0208]
數據協調解決了可觀察的物理化學量上的隨機噪聲，該隨機噪聲可以是用于確定或測量相應可觀察的物理化學量的傳感器信號的波動或噪聲的結果。
[0209]
數據協調的使用具有以下優點：提取關于過程網絡狀態的準確和可靠的信息，以及表示過程網絡的最可能狀態的單個一致數據集。
[0210]
使用粗差檢測還具有以下優點：提取關于過程網絡狀態的準確和可靠的信息，以及表示過程網絡的最可能狀態的單個一致數據集。
[0211]
粗差檢測具有另外的優點，即粗差可以變得明顯，并且因此可以被檢測到。對粗差的檢測可以生成粗差信號。
[0212]
粗差信號可以被提供給過程網絡的控制中心。
[0213]
粗差信號可以進一步觸發生成收斂的圖結構。
[0214]
粗差信號可以直接作為觸發信號。
[0215]
或者，可以將粗差信號提供給隨后生成觸發信號的看門狗設備。
[0216]
允許執行一致性檢查的步驟。評估所提供的所取回的與可觀察的物理化學量相關的歷史數據以及與至少一個過程網絡操作參數相關的元數據是否可以被確認為一致。
[0217]
只有當測量的和確定的物理化學量等同時才能確認一致性。等同意味著它們在誤差容限內是等同的，或者當各個所選擇的物理化學量之間的殘差低于閾值時，或者當各個選擇量之間的殘差僅顯示隨機噪聲時。可以取決于一致性檢查的結果來生成一致性信號。
[0218]
一致性檢查可以由看門狗設備執行，并且一致性信號可以用作觸發信號，該觸發信號隨后可以用于觸發收斂的圖結構的生成。
[0219]
或者，可以將一致性檢查信號提供給隨后生成觸發信號的看門狗設備。
[0220]
觸發信號可以由看門狗設備提供。看門狗設備可以監測過程網絡以用于檢測過程網絡中的變化。在檢測到過程網絡中的變化之后，可以啟動生成收斂的圖結構。
[0221]
要被優化的過程參數可能包括工廠產量、能源消耗、co2排放。
[0222]
為一組平衡方程指定進一步約束目標的步驟。具有可以在優化問題中使用更多可用信息的優點。添加附加信息將增加控制的可靠性。
[0223]
當一組平衡方程的進一步約束目標包括工廠網絡的至少一個工廠的模型時，這具有額外的優點。
[0224]
通過在約束的評估下求解一組平衡方程從取回到的可觀察量確定優化目標的經優化的操作參數還可以包括由數據驅動模型或混合模型提供的進一步約束。可以根據第四方面的方法來生成數據驅動模型。
[0225]
過程網絡可能受到物理限制。通過為與過程的物理限制相關的一組平衡方程添加進一步的約束目標，這可以反映在優化步驟中。過程網絡的物理限制可以包括進料能力、存儲能力、冷卻能力、安全限制。
[0226]
通過指定要被優化的至少一個過程參數的至少一個優化目標可以包括要被優化的至少兩個或更多個過程參數。
[0227]
第三方面也反映在以下條款中：
[0228]
1、一種用于控制具有至少兩個工廠的過程網絡的方法，所述方法包括以下步驟：
[0229]-通過指定要被優化的至少一個過程參數，經由輸入接口接收針對至少一個優化目標的請求，
[0230]-使用邊上的可觀察的物理化學量及其與頂點的關系，經由所述輸入接口從所述過程網絡的經折疊的圖結構中取回一組平衡方程，
[0231]-從數據庫中取回歷史數據，所述歷史數據與可觀察的物理化學量相關以及與所述要被優化的至少一個過程網絡操作參數相關的元數據相關，
[0232]-通過求解所述一組平衡方程來確定所述要被優化的至少一個過程網絡操作參數的值
[0233]-經由輸出接口提供所述要被優化的至少一個過程網絡操作參數的所述值。
[0234]
2、根據條款1所述的方法，還包括以下步驟：接收與可觀察的物理化學量相關的當前數據以及與所述要被優化的至少一個過程網絡操作參數相關的元數據。
[0235]
3、根據前述條款中任意條款所述的方法，其中，如果之后是執行平穩性測試的步驟，則取回可觀察量和元數據。
[0236]
4、根據前述條款中任意條款所述的方法，其中，取回可觀察量和元數據包括數據協調和/或粗差檢測的步驟。
[0237]
5、根據前述條款中任意條款所述的方法，其中，所述方法還包括為所述一組平衡方程指定進一步約束目標的步驟。
[0238]
6、根據前述條款中任意條款所述的方法，其中，所述一組平衡方程的進一步約束目標包括工廠網絡中至少一個工廠的模型。
[0239]
7、根據條款6所述的方法，其中，所述工廠網絡的所述至少一個工廠的所述模型包括數據驅動模型或基于數據驅動模型和嚴格模型的混合模型。
[0240]
8、根據條款7所述的方法，其中，所述模型將工廠或過程網絡的所述輸入與工廠或過程網絡的輸出相關。
[0241]
9、根據條款5所述的方法，其中，所述一組平衡方程的進一步約束目標與所述過程的物理限制相關。
[0242]
10、根據前述條款中任意條款所述的方法，其中，通過指定要被優化的至少一個過程參數的至少一個優化目標包括要被優化的至少兩個或更多個過程參數。
[0243]
11、一種用于控制具有至少兩個工廠的過程網絡的系統，所述系統包括：
[0244]-輸入接口，其用于
[0245]
o通過指定要被優化的至少一個過程參數，接收針對至少一個優化目標的請求。
[0246]
o使用邊上的可觀察的物理化學量及其與頂點的關系，從所述過程網絡的經折疊的圖結構中取回一組平衡方程，
[0247]-輸出接口，其用于
[0248]
o提供所述要被優化的至少一個過程網絡操作參數的所述值
[0249]-處理器，其被配置為
[0250]
o執行根據條款1-10中任意條款所述的方法步驟。
[0251]
12、一種計算機程序產品，所述計算機程序產品當在計算機上運行時，執行根據方法條款1-10中任意方法條款所述的方法步驟。
[0252]
在第四方面，提出了一種用于生成混合模型以監測和/或控制具有彼此連接的至少兩個工廠的過程網絡的方法，所述方法包括以下步驟：
[0253]-使用邊上的可觀察的物理化學量及其與頂點的關系，從所述過程網絡的經折疊的圖結構提供一組平衡方程，
[0254]-經由輸入接口接收至少一個目標，該至少一個目標指定要被訓練的至少一個過程參數依賴性，
[0255]-經由輸入接口取回具有彼此連接的至少兩個工廠的過程網絡的歷史數據，
[0256]-訓練混合模型，包括一組平衡方程和基于所述歷史數據和指定要被訓練的至少一個過程參數依賴性的所述至少一個目標的數據驅動模型，
[0257]-經由輸出接口提供經訓練的混合模型。
[0258]
該一組平衡方程來自通過來自第一方面的條款1至7中任意條款的方法推導出的過程網絡的經折疊的圖結構。
[0259]
取回具有彼此連接的至少兩個工廠的過程網絡的歷史數據可以包括：僅取回與指定要被訓練的至少一個過程參數依賴性的至少一個目標相關的歷史數據。與完整的歷史數據集相比，這導致精簡的數據集。這減少了取回數據的時間，因為只取回了可用數據的子集。這進而導致更快的訓練過程。
[0260]
在生產過程環境中，很難提供實現數據驅動模型的可靠訓練的大型數據集。所需數據集的大小隨著要學習的依賴項的數量而增加。經由輸入接口接收指定要訓練的至少一個過程參數依賴性的至少一個目標的步驟解決了該問題。通過接收指定要訓練的至少一個過程參數依賴性的至少一個目標，訓練過程的范圍受到限制，因此可以使用精簡的訓練數據集，并且從而更快地訓練混合模型。
[0261]
取回確定相關數據的一種方法是從經折疊的圖結構開始，經折疊的圖結構完全描
述了具有所有可觀察量的系統。在下一步中，可以去除測量的信號。在下一步中，可以對所有所選擇的物理量進行標記。只要所有物理化學量保持可觀察，就可以重復此操作。由此，根據指定要訓練的至少一個過程參數依賴性的至少一個目標來得到用于訓練混合模型所需的最小數據集。
[0262]
對于機器學習，需要提供歷史數據。該數據可以從數據庫中取回。每個工廠的數據可以單獨存儲在每個工廠的相對應數據庫中。或者，所有工廠的數據都可以存儲在企業數據庫中，該企業數據庫可以作為云服務提供。
[0263]
歷史數據可以包括測量值和/或觀測量的時間序列。通常，歷史數據包括生產工廠或生產工廠網絡的各種狀態。這些狀態可以包括穩定狀態、啟動狀態、關閉狀態和錯誤狀態以及其他。
[0264]
該方法還可以包括以下步驟：對來自數據庫的可觀察的物理化學量和與至少一個過程網絡操作參數相關的元數據執行平穩性測試。
[0265]
以平衡方程的形式描述過程網絡的概念只適用于過程網絡處于平穩狀態的情況。向歷史數據應用平穩性測試的優點是僅考慮了平穩狀態。
[0266]
levente等人描述了一種對時間序列數據執行平穩性測試的算法。(aiche journal,2018,vol.00,no.00,p 1-12)，其公開了在連續制造過程的背景下系統地確定平均平穩性的統計框架。
[0267]
對于監測和/或控制工廠或工廠網絡，穩定狀態是主要關注點。因此，需要確定與生產過程的穩定狀態相關的時間序列數據。
[0268]
這可以通過平穩性或事件分析來完成。平穩性數據與生產過程的穩定狀態相關。這允許檢查時間序列數據并將數據分類為平穩和非平穩的，非平穩數據可能與斜升狀態、斜降狀態、開/關狀態或錯誤狀態有關，并被相應地標記。具體來說，可以獨立分析過程的幾個部分，并將標簽聚合到工廠級別。因為該過程的一部分實際上可能是靜止的，而另一部分則不是。取決于所針對的至少一個過程網絡操作參數，對于過程的某些部分可以放寬對平穩性的約束。然后將根據它們的標簽來分離時間序列數據。然后可以將每個標簽的數據集進一步分成各自的訓練數據集和測試數據集。
[0269]
由于平衡方程需要平穩系統，因此只有平穩數據點是有用的。在此過濾所有在平穩操作條件下記錄的數據集。數據集中的任何異常關閉時段或其他非平穩片段都將被刪除。平穩性測試可以包括基于波動率(來自金融的典型模型)或活動的時間序列分析，基于從歷史數據集推導出的時間常數的動態來檢測異常值和異常。這種平穩性分析允許將歷史數據集減少為表示過程網絡中正常操作條件的數據。這將歷史數據限制為平穩和/或循環平穩操作條件。
[0270]
在平穩性測試之后，歷史數據集可以通過數據驗證和數據協調得到進一步增強。這進一步鞏固了歷史數據集。最后，只有經鞏固的歷史數據集可用于訓練混合模型。
[0271]
以這種方式準備歷史數據提供了反映過程網絡中真實過程條件的干凈數據集。非平穩運行條件、粗差或隨機差錯的任何影響都會降低。因此，任何基于此類干凈數據而訓練的混合模型都不會受到此類影響。
[0272]
提供經訓練的混合模型可以包括提供基于物理化學定律的嚴格模型和提供基于歷史數據的數據驅動模型。
[0273]
將來自圖結構數據庫的靈活模型與數據驅動模型組合成混合模型的主要優點在于：
[0274]-靈活的圖結構允許嚴格模型適應過程網絡的當前狀態，包括考慮錯誤，同時保持經訓練的模型。因此，即使在過程網絡出現錯誤的情況下，模型的重新訓練仍然非常不必要。
[0275]-由于嚴格模型無法考慮諸如季節性影響等環境影響，數據驅動部分增加了嚴格模型的準確性，并且從而糾正了任何缺陷
[0276]-取決于混合模型的輸入/輸出結構，圖數據庫和所提取的模型可用于計算混合模型的輸入部分上的缺失數據點
[0277]-建模方法可進一步擴展，并可經由完整的一體化或工廠綜合體從多個工廠擴展到價值鏈
[0278]-一旦生成混合模型，它就可以密切(例如按天)控制整個過程網絡。
[0279]
過程網絡的組件之間的依賴關系可以經由基礎圖結構輕松捕獲，從而實現更準確的預測。
[0280]
混合模型的使用是為如何操作過程網絡提供建議。例如，混合模型可以為特定目標提供關于工廠流的建議。從這些流可以確定工廠級別的具體操作參數。
[0281]
此外，混合模型可用于基于實時傳感器數據來檢測異常。在這種情況下，可以將混合模型的輸出與實時傳感器數據進行比較。如果存在顯著差異，則可以在受影響的工廠中觸發通知或警報，或者可以將其用于根本原因分析。
[0282]
相反，隨著時間的推移，混合模型輸出和實時傳感器數據之間檢測到的任何差異都可以提供對模型漂移的指示。如果檢測到這種漂移，則可以基于更近期的歷史數據重新訓練模型，或者更新基礎圖結構的元素以構建考慮到這種變化的新的嚴格模型。
[0283]
以下描述涉及上述系統、方法、計算機程序、計算機可讀存儲介質。具體而言，系統、計算機程序和計算機可讀存儲介質被配置為執行上文所述和下文進一步描述的方法步驟。
[0284]
在本發明的上下文中，工廠可以指制造特定產品或產生電力的任何設施。
[0285]
在本發明的上下文中，化工廠是指基于化學過程的任何制造設施，例如，使用化學過程將原料轉化為產品。與離散制造相比，化學制造基于連續或間歇過程。相應地，化工廠的監測和/或控制是時間相關的，并且因此基于大型時間序列數據集。化工廠可能包括超過1000個傳感器，每幾秒鐘產生測量數據點。這樣的規模導致需要在用于控制和/或監測化工廠的系統中處理數萬億字節的數據。小型化工廠可能包括幾千個傳感器，每1到10秒產生一些數據點。為了比較，大型化工廠可能包括幾萬個傳感器，例如10.000至30.000個，每1到10秒產生一些數據點。將此類數據進行上下文化會導致處理數百千兆字節到數萬億字節的數據。
[0286]
化工廠可以經由一種或多種化學過程生產產品，經由一種或多種中間產品將原料轉化為產品。優選地，化工廠提供生產產品的封裝設施，該產品可用作價值鏈中后續步驟的原料。化工廠可以是大型工廠，如石油和天然氣設施、氣體凈化廠、二氧化碳捕集設施、液化天然氣(lng)工廠、煉油廠、石化設施或化學設施。例如，石化工藝生產中的上游化工廠包括蒸汽裂解裝置，從石腦油開始加工成乙烯和丙烯。然后可以將這些上游產品提供給進一步
的化工廠以衍生下游產品，例如聚乙烯或聚丙烯，它們可以再次用作衍生進一步下游產品的化工廠的原料。化工廠可用于制造離散產品。在一個示例中，可以使用一個化工廠來制造聚氨酯泡沫的前體。此類前體可提供給第二化工廠以制造離散產品，例如包含聚氨酯泡沫的隔離板。
[0287]
從各種中間產品到最終產品的價值鏈生產可以分散在不同的地點，或者也可以整合到一體化基地或化工園區。此類一體化站點或化工園區包括互連的化工廠網絡，其中一個工廠生產的產品可以作為另一工廠的原料。
[0288]
化工廠可以包括多種資產，例如熱交換器、反應器、泵、管道、蒸餾或吸收塔等，僅舉幾例。在化工廠中，某些資產可能是關鍵的。關鍵資產是那些在中斷時會嚴重影響工廠運營的資產。這可能導致制造過程受到損害。可能會導致產品質量下降甚至制造停止。在最壞的情況下，火災、爆炸或有毒氣體釋放可能是這種破壞的結果。因此，取決于所涉及的化學過程和化學品，此類關鍵資產可能需要比其他資產更嚴格的監測和/或控制。為了監測和/或控制化學過程和資產，可以在化工廠中嵌入多個參與者和傳感器。這樣的參與者或傳感器可以提供與例如單個資產的狀態、單個參與者的狀態、化學品的成分或化學過程的狀態相關的過程或資產特定數據。具體而言，過程或資產特定數據包括以下一種或多種數據類別：
[0289]-過程操作數據，例如給料或中間產品的組成，
[0290]-過程監測數據，例如流、物料溫度，
[0291]-資產操作數據，例如電流、電壓以及
[0292]-資產監測數據，例如資產溫度、資產壓力、振動。
[0293]
第四方面也反映在以下條款中：
[0294]
1、一種用于生成混合模型以監測和/或控制具有彼此連接的至少兩個工廠的過程網絡的方法，所述方法包括以下步驟：
[0295]-使用邊上的可觀察的物理化學量及其與頂點的關系，從所述過程網絡的經折疊的圖結構提供一組平衡方程，
[0296]-經由輸入接口接收至少一個目標，該至少一個目標指定要被訓練的至少一個過程參數依賴性，
[0297]-經由輸入接口取回具有彼此連接的至少兩個工廠的過程網絡的歷史數據，
[0298]-訓練混合模型，包括一組平衡方程和基于所述歷史數據和指定要被訓練的至少一個過程參數依賴性的所述至少一個目標的數據驅動模型，
[0299]-經由輸出接口提供經訓練的混合模型。
[0300]
2、根據條款1所述的方法，包括對所述過程網絡的所述歷史數據執行平穩性測試的進一步步驟。
[0301]
3、根據前述條款中任意條款所述的方法，包括數據協調和/或粗差檢測的進一步步驟。
[0302]
4、根據前述條款中任意條款所述的方法，其中，所述混合模型還包括反映物理化學規律的嚴格模型。
[0303]
5、一種用于生成混合模型以監測和/或控制具有彼此連接的至少兩個工廠的過程網絡的系統，包括：
[0304]-輸入接口，其用于接收一個目標，該目標指定要被訓練的至少一個過程參數依賴性，
[0305]-輸出接口，其用于提供經訓練的混合模型
[0306]-處理器，其被配置為執行
[0307]
o根據條款1-4中的任意條款所述的方法。
[0308]
6、一種計算機程序產品，所述計算機程序產品當在計算機上運行時，執行根據條款1-4中任意條款所述的方法。
[0309]
本公開內容適用于本文公開的系統、方法、計算機程序、計算機可讀非暫時性介質、計算機程序產品等。因此，系統、方法、計算機程序、計算機可讀非易失性存儲介質或計算機程序產品之間沒有區別。結合本文公開的系統、方法、計算機程序、計算機可讀非暫時性存儲介質和計算機程序產品公開了所有特征。
具體實施方式
[0310]
圖1示出了兩個工廠的過程網絡，其中，兩個工廠為第一工廠a10和第二工廠b 20，這兩個工廠通過產品運輸系統30互連。
[0311]
工廠a 10的簡化流程圖如圖2所示。這個簡單的流程圖是第一工廠a的數字過程表示。
[0312]
在這種情況下，工廠是簡化的氨生產工廠100。產品供應110向混合器120提供離析物，然后管道系統130將混合離析物流輸送到反應器140，在反應器140中發生反應。熱交換器140在分離之前對反應產物進行液化。在反應之后，在分離器150中將氨與殘余物分離。產品通過產品管道150提供給運輸系統30。殘余物經由殘余物管道170提供給分離器，殘余物管道170將殘余物的一部分提供回混合器，而殘余物的另一部分提供給進一步的位置。在該示例中，溫度傳感器180、壓力傳感器190和體積流傳感器195設置在殘余物管道170上。
[0313]
圖3示出了第一工廠的圖結構200。該圖結構中的每個頂點2xx表示單元操作。頂點210表示混合器的單元操作，頂點220表示反應器的單元操作單元操作，頂點320表示熱交換器的單元操作單元操作，頂點240表示分離器的單元操作單元操作，而頂點250表示分離器的單元操作單元操作。額外的頂點260(環境頂點)被添加到圖結構中。該頂點用作宿和源，并確保圖結構表示獨立的系統。將工廠描述為獨立的系統具有適用物理學守恒定律的優點。
[0314]
邊連接頂點。邊表示至少物理化學量以及表示至少物理化學量和可測量標簽的元數據。
[0315]
在邊415、425、435在單位頂點240周圍的情況下。這些物理化學量物理化學量包括進入頂點240的總質量流，其被表示為邊415上的所選擇的物理化學量，進入頂點240的總質量流等于由離開頂點240的邊425和435表示的質量流之和。
[0316]
邊415、425、435還包括表示至少選擇的物理量的元數據。
[0317]
邊415的元數據中表示的一個物理化學量是進入單元操作240的總質量流。邊435的元數據中表示的一個物理化學量是離開單元操作240的nh3的質量。邊425的元數據中表示的一個物理化學量是該示例中n2和h2的組合殘余物的質量。邊425的元數據中包括的表示的另外的物理化學量是來自溫度傳感器、壓力傳感器190和流傳感器195的值，即壓力p、
溫度t和殘余物的體積流f。
[0318]
元數據還包括可測量標簽。在邊425上，p、t和f將被標記為可測量的。
[0319]
由邊425表示的另一個物理化學關系是這樣的關系：殘余物的質量流可以根據p、t和f確定。
[0320]
在這種情況下，由邊415和邊435表示的質量流中只有一個質量流必須被測量以確定另一個。
[0321]
通過使用邊上的元數據評估所有物理化學量和所有物理化學量物理化學量，我們可以生成新圖。這種新的圖結構的一個示例如圖4a所示。
[0322]
300表示具有頂點310-350的圖。在該示例中，使用物理化學量物理化學量測量和/或確定所有邊上的一個物理化學量(假設總質量流)。
[0323]
這意味著這種物理化學量是可觀察的。
[0324]
如圖4b所示，生成的經折疊的圖結構400沒有改變。
[0325]
在圖5a和圖5b示出了另一種圖結構，其中僅在邊515、555上測量和/或確定一個物理化學量并且在邊525、535、545上保持未知的圖結構，然后生成經折疊的圖結構600，其僅包含邊，其中物理化學量是可觀察的。
[0326]
取決于從等同圖結構400和500開始的物理化學量，折疊的圖結構可以不同。因此，生成了針對每個物理化學量的經折疊的圖。
[0327]
圖6示出了工廠網絡，每個工廠被示為圖結構2000、3000。第一工廠的進料被示為2100、2200。河流4000用作冷卻水源。向表示單元操作的頂點2300提供冷卻水。在第一工廠中生成產品2900。第一工廠也生成廢物2800。第一工廠的廢物用作第二個工廠的進料。廢物被提供給頂點3200，第二進料3500被提供給第二工廠。第二工廠在3800處提供輸出產品。產品2900到廢物2800的分布可以取決于各種過程參數，這些過程參數進而影響3800處的產品輸出。在該示例中，要被訓練的過程參數與輸出3800處的質量流有關。輸出3800處的質量流是河流的水溫的函數。一般來說，這不是可以通過嚴格模型求解的關系。在這種情況下，可以基于第一工廠的歷史數據來訓練混合模型。
[0328]
圖7示出了第一方面的方法5000。
[0329]
在第一方法步驟5100處，提供過程網絡的第一數字表示，第一數字表示包括每個工廠的數字過程表示、每個工廠與其他工廠的連接以及設置在過程網絡中的傳感器元件。每個工廠的數字過程表示可以根據圖2。
[0330]
在步驟5200處，基于第一數字表示生成圖結構。圖結構包括：
[0331]
o表示單元操作的頂點，
[0332]
o連接表示守恒量的單元操作的邊，其中邊包括表示物理化學量的邊元數據，以及可測量標簽
[0333]
在步驟5300處，經折疊的圖結構包括：
[0334]
o表示虛擬單元操作的頂點，
[0335]
o連接表示至少物理化學關系的虛擬單元操作的邊，其中這些邊包括表示可觀察的物理化學量及其與頂點的關系的邊元數據，是基于在步驟5200處生成的圖結構生成的。
[0336]
在步驟5400處，從經折疊的圖結構推導出一組平衡方程。
[0337]
在步驟5500處，提供用于監測和/或控制過程網絡的操作的一組平衡方程和物理
化學量。
[0338]
圖8示出了第二方面的方法6000。
[0339]
在步驟6100處，經由輸入接口接收針對至少一個過程網絡操作參數的請求。
[0340]
在步驟6200處，經由輸入接口取回一組平衡方程和經折疊的圖結構的物理化學量。
[0341]
在步驟6300處，從數據庫中取回與可觀察的物理化學量相關的歷史數據以及與至少一個過程網絡操作參數相關的元數據。
[0342]
在步驟6400處，通過基于歷史數據和當前數據求解一組平衡方程來確定至少一個過程網絡操作參數的值。
[0343]
在步驟6500處，經由輸出接口提供至少一個過程網絡操作參數的值。
[0344]
圖9示出了第三方面的方法7000。
[0345]
在步驟7100處，通過指定要被優化的至少一個過程參數，經由輸入接口接收針對至少一個優化目標的請求。
[0346]
在步驟7200處，經由輸入接口接收一組平衡方程和經折疊的圖結構的物理化學量。
[0347]
在步驟7300處，從數據庫中取回歷史數據，歷史數據與可觀察的物理化學量相關，以及取回與所述要被優化的至少一個過程網絡操作參數相關的元數據。
[0348]
在步驟7400處，通過求解一組平衡方程確定要被優化的至少一個過程網絡操作參數的值。
[0349]
在步驟7500處，經由輸出接口提供要被優化的至少一個過程網絡操作參數的值。
[0350]
圖10示出了第四方面的方法8000。
[0351]
在步驟8100處，經由輸入接口接收一組平衡方程和經折疊的圖結構的物理化學量。
[0352]
在步驟8200處，經由輸入接口接收至少一個目標，該至少一個目標指定要被訓練的至少一個過程參數依賴性。
[0353]
在步驟8300處，經由輸入接口取回具有彼此連接的至少兩個工廠的過程網絡的歷史數據。
[0354]
在步驟8400處，執行混合模型的訓練，包括一組平衡方程和基于歷史數據和指定要被訓練的至少一個過程參數依賴性的至少一個目標的數據驅動模型。
[0355]
在步驟8400處，經由輸出接口提供經訓練的混合模型。
技術特征：
1.一種用于生成具有至少兩個互連的化工廠的過程網絡的模型表示以實現控制或監測所述過程網絡的計算機實現的方法，所述方法包括以下步驟：-提供所述過程網絡的數字表示，所述數字表示包括：o每個工廠的數字過程表示，o所述工廠與其他工廠的連接(通過本說明書中的質量流或能量流實現的)以及設置在所述過程網絡中的傳感器元件，-基于第一數字表示來生成圖結構，所述圖結構包括：o表示單元操作的頂點，o表示物理化學量的邊，其中，所述物理化學量包括質量流、能量流和組分流，所述邊連接頂點，其中，所述邊包括針對所表示的物理化學量中的每個的可測量標簽，所述可測量標簽指示所述物理化學量是否能夠在所述過程網絡中被測量，或者所述物理化學量是否能夠不被測量；-將能夠在所述過程網絡中被測量的物理化學量分類為可觀察的物理化學量，-將能夠從頂點周圍的平衡方程計算出的物理化學量分類為可觀察的物理化學量，-通過將具有未被分類為可觀察的物理化學量的邊折疊成經折疊的頂點，基于所述圖結構來生成經折疊的圖結構，-所述經折疊的圖結構包括，
·
表示虛擬單元操作的經折疊的頂點，
·
表示單元操作的頂點o僅表示可觀察的物理化學量的邊，所述邊連接經折疊的頂點和/或頂點，-針對每個頂點周圍的每個質量流、能量流或組分流推導一組平衡方程，所述一組平衡方程對所述工廠網絡進行建模，所述一組平衡方程可用于監測、控制、生產計劃、預測模型，-將所述一組平衡方程提供給控制設備、監測設備、生產計劃設備和/或預測模型生成器。2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述頂點還表示頂點元數據，所述頂點元數據包括連接到相應單元操作的物理量。3.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其中，生成經折疊的圖結構包括：針對每個物理化學量生成經折疊的圖。4.根據權利要求3所述的方法，其中，根據所述經折疊的圖結構提供一組平衡方程包括：針對每個守恒量提供一組平衡方程。5.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其中，在對邊進行折疊的步驟之后是：-選擇經由邊連接的至少兩個頂點-折疊所述至少兩個頂點之間的邊，從而創建虛擬頂點。6.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其中，基于所述第一數字表示生成圖結構的所述步驟還包括：通過將標簽歸于所有物理化學量而生成收斂的圖結構，所述標簽是取決于是測量的物理化學量、是確定的物理化學量、是測量和確定的物理化學量，還是既非測量的物理化學量也非確定的物理化學量的物理化學量來被歸于所有物理化學量的。7.根據權利要求7所述的方法，還包括接收觸發信號，其中，生成收斂的圖結構的所述方法步驟是在對觸發信號的評估之后發起的，所述觸發信號指示物理化學量能夠不再被測
量。8.一種用于生成過程網絡的問題特定表示以實現控制或監測具有至少兩個互連的化工廠的過程網絡的系統，所述系統包括：-處理器，其被配置用于o執行根據權利要求1-8中的任一項所述的方法步驟，-輸出接口，其用于提供o用于監測和/或控制過程網絡的操作的一組平衡方程。9.一種計算機程序產品，所述計算機程序產品當在計算機上運行時，執行根據方法權利要求1-8中的任一項所述的方法步驟。10.一種用于監測具有至少兩個工廠的過程網絡的方法，所述方法包括以下步驟：-經由輸入接口接收針對至少一個過程網絡操作參數的請求-經由所述輸入接口取回一組平衡方程以及物理化學量的經折疊的圖，-從數據庫中取回與可觀察的物理化學量相關的歷史數據以及與所述至少一個過程網絡操作參數相關的元數據，-通過基于所述歷史數據和當前數據求解所述一組平衡方程來確定所述至少一個過程網絡操作參數的值，-經由輸出接口提供所述至少一個過程網絡操作參數的值。11.一種用于控制具有至少兩個工廠的過程網絡的方法，所述方法包括以下步驟：-通過指定要被優化的至少一個過程參數，經由輸入接口接收針對至少一個優化目標的請求，-經由所述輸入接口接收經由所述輸入接口取回一組平衡方程和物理化學量的經折疊的圖結構，其中，所述一組平衡方程是根據權利要求1至7中任一項所述的方法推導出的，-從數據庫中取回與可觀察的物理化學量相關的歷史數據，以及與要被優化的至少一個過程網絡操作參數相關的元數據，-通過求解所述一組平衡方程來確定所述要被優化的至少一個過程網絡操作參數的值-經由輸出接口提供所述要被優化的至少一個過程網絡操作參數的所述值。12.一種用于生成混合模型以監測和/或控制具有彼此連接的至少兩個工廠的過程網絡的方法，所述方法包括以下步驟：-經由所述輸入接口取回一組平衡方程和物理化學量的經折疊的圖結構，其中，所述一組平衡方程是根據權利要求1至7中任一項所述的方法推導出的，-經由輸入接口接收至少一個目標，所述至少一個目標指定要被訓練的至少一個過程參數依賴性，-經由輸入接口取回具有彼此連接的至少兩個工廠的過程網絡的歷史數據，-訓練混合模型，所述混合模型包括一組平衡方程以及基于所述歷史數據并且基于所述至少一個目標的數據驅動模型，所述至少一個目標指定要被訓練的至少一個過程參數依賴性，-經由輸出接口提供經訓練的混合模型。
技術總結
提出了一種用于生成過程網絡的問題特定表示以實現控制或監測具有至少兩個互連的化工廠的過程網絡的計算機實現的方法，所述方法包括以下步驟：提供所述過程網絡的第一數字表示，所述第一數字表示包括每個工廠的數字過程表示、每個工廠與其他工廠的連接以及設置在所述過程網絡中的傳感器元件；基于所述第一數字表示生成圖結構，所述圖結構包括表示單元操作的頂點、連接單元操作的邊，所述邊表示至少物理化學量，其中所述邊包括表示至少物理-化學量的邊元數據和可測量標簽；基于所述圖結構生成經折疊的圖結構，所述經折疊的圖結構包括表示虛擬單元操作的頂點、表示至少物理化學量的連接虛擬單元操作的邊，其中所述邊包括表示可觀察的物理化學量的邊元數據，以及它們與頂點的關系；根據所述經折疊的圖結構推導出一組平衡方程；提供所述一組一組平衡方程和物理化學量用于所提出的監測和/或控制過程網絡的操作。作。作。
