復雜系統的平行控制理論及應用研究

趙亮

摘 要：本文首先給出了復雜系統的定義，并探討了復雜系統的研究現狀及存在的問題，同時在此基礎上，提出了應對復雜系統問題的平行控制方法，闡述了其ACP思想、基本原理和優勢等，還闡述了平行控制理論的核心技術及其在乙烯生產和城市交通中的應用，描述了平行控制理論研究和應用實踐的前景與展望。

關鍵詞：復雜系統；人工系統；平行控制；應用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.193

0 引言

隨著社會的不斷發展和技術的不斷進步，工業系統愈加復雜，這種復雜性既體現在工程上，也體現在社會層面，具有交互性及動態開放性等特征，尤其是互聯網的興起，過去十分簡單的系統能夠迅速的聯網擴展，復雜化在所難免。現有控制理論未將將社會復雜性考慮在內，無法正確處置正常狀態下的各種變化和非正常狀態的應急事件。基于此，正視現有生產模式缺失，分析和探索復雜系統的控制，利用人工系統與實際系統并舉的平行系統方法，實現對復雜系統的管理與控制至關重要。

1 平行控制理論的基本思想

平行系統是由某一個自然的實際系統和對應的一個或多個虛擬或理想的人工系統所組成的共同系統。在現有控制理論無法控制復雜系統現象的驅使下，平行控制理論框架應運而生，平行控制理論框架下的ACP方法體系包括人工系統（Artiicial Sys tems）、計算實驗（Compu t ing Ex-pe r iments）和平行控制（Parallel Control）。

2 控制理論歷史回顧

任何理論都不是一蹴而就的，控制理論更是如此，它經過了長時間的發展和完善，逐漸成為現代科技事業核心技術之一。 控制理論的發展經過了三個階段：一是經典控制理論階段，發展時期是20世紀40-60年代；二是現代控制理論階段，發展時期是20世紀60-70年代；三智能控制理論階段。平行控制的研究將極大的促進控制理論向第四個階段發展，其將計算技術、科學實驗和理論研究三種科學研究手段結合起來，既是在研究方式上的創新，也是研究手段上的創新。

3 平行控制核心技術

（1）基于代理控制（ABC）技術。對于ACP平行控制層而言，基于代理控制（ABC）技術具有舉足輕重的作用，它直接影響著控制決策。ABC控制策略是基于代理實現的，現場設備從控制中心接收的控制命令是具有相對獨立性和智能性的代理個體。現階段基于代理控制（ABC）技術已經在諸多領域中得到了良好應用，比如智能交通系統、電力系統等，均取得了不錯的成績。

（2）自適應動態規劃（ADP）技術。自適應動態規劃（ADP）其實質上是一種增強式學習原理，它通過模擬人的學習思路來做出相應反應，一直被認為是一種十分接近人腦智能的方法。在當前的科學領域中，自適應動態規劃（ADP）技術主要優勢是能夠利用人工神經網絡等方法實現對近似性能指標函數的最優控制，具有良好的實用性、創新性和前沿性。

（3）語言動力系統。在平行控制理論中，人和社會因素的定量分析和評估是一個重要課題。語言動力系統將自然語言中的“詞”進行計算，捕捉其語言層次上的動態信息，并利用收集到的有效信息，把人類語言知識和計算機數字知識聯系起來，更直觀的描述系統，降低系統描述的復雜性。

（4）平行系統的并行計算技術。平行控制涉及計算量龐大，若僅采用人工系統進行計算，其工作量可想而知，勢必會影響到其工作效率，甚至工作質量，此時應借助高性能計算平臺，采取平行系統的并行計算技術，只有這樣才能將復雜龐大的工程簡單化，便于平行控制系統的良好管理和運行。

4 平行控制系統的實際應用

平行控制系統是在社會需要的推動下發展起來的，發展起來的平行控制系統能夠在工業、農業發揮巨大的作用，這是傳統控制系統所不能比的。隨著我國經濟體制的轉變，國內企業中復雜工業控制系統的出現，迫切的需要平行控制技術。平行控制理論在很多方面已有幫助，本文重點分析了平行控制系統在乙烯生產控制和城市交通控制中的應用，實踐證明，在復雜的工業過程中，一個良好的控制系統不僅能夠保證生產的需要，還能同時為廠家制造最大的經濟效益，同時還能節約資源，有利于我們國家的可持續發展。

（1）在乙烯生產控制中的應用。平行控制系統在乙烯生產控制中的應用時間已久，最早是在中國科學院和中國石化的資助下，為茂名乙烯相繼開發了三個子系統，即平行學習與培訓系統（PTS）、平行實驗與評估系統（PES）和平行控制與管理系統（PMS）。過去乙烯設備工藝多采用的是DCS，隨著乙烯生產需求和設備的更新，傳統的DCS已經無法滿足需求，急需對其進行改革創新，PES便是在DCS基礎上形成的，它在傳統DCS中加入了車間管理、車間人員班組和統計分析的信息化，從而構成了大閉環控制系統。并且對每個應用步驟和環節建立模型，比如人工車間班組模型、人工車間分析模型等，形成一個完整的人工系統的大閉環控制系統，最終形成雙閉環控制系統。有資料顯示，自2009年上線以后，取得了良好的效果，不僅降低了勞動人員的工作強度，也大大提高了管理效率，同時生產事故發生率大大降低，提高乙烯丙烯收率0. 1～0. 2%。

（2）在城市交通控制中的應用。隨著現代城市的快速發展，城市規模不斷擴張，城市空間布局與結構調整劇烈，居民出行活動日益增多，且多數以汽車作為交通工具，導致交通需求快速增長，城市中心區域的道路在上下班等出行高峰時段無不處于擁堵狀態。城市的進一步發展目前主要被交通擁堵所制約，并且導致不必要的經濟損失。當斯定律（Downs Law）表明“在城市交通不進行有效管制和控制的情況下，新建的道路設施會誘發新的交通量，而交通需求總是傾向于超過交通供給” [7]。現階段對城市交通的研究比較多，但城市交通具有復雜性和隨機性，在交通工程中應用平行系統可使交通系統達到動態最優化。平行交通控制與管理系統應用到交通工程中包括實際交通系統和人工交通系統。其中人工交通系統正在不斷完善之中，其基本思想就是利用人工社會的理論與方法，把交通仿真方法推向一個更高的層次和更廣的視野，利用大型計算機和代理編程的建模技術，“生長”和“培育”交通系統，即“人工交通系統”，如下圖1所示。通過人工交通系統方法，可以對具體的交通系統進行試驗， 而且可以在幾乎無成本無風險的情況下重復試驗， 進而對具體的交通解決方案進行全面、準確、及時的評估和修正。平行交通控制與管理系統原型在2008年完成，2009年成功應用于江蘇太倉太瀏公路上的交通信號控制系統改造項目，明顯改善了當地的交通環境，取得了不錯的效果。當前，該項研究在國內已處于領先地位，相關成果也被應用到其他大型交通疏散管理中，同樣得到了不錯的效果，由此可知，平行控制系統在城市交通控制應用中的作用至關重要，且意義重大。

5 結語

平行控制理論對于復雜科學和智能科學領域而言，是一項重要的理論創新，對于這些領域來說其創新具有十分重要的現實意義：一是為生產過程中復雜行為模型提出了一種基于代理和人工社會模型的建模方法；二是為生產控制問題決策控制提出了一種基于人工系統的計算實驗方法；三是提出了平行控制框架。當前平行控制理論經過一段時間的發展已經較為成熟，在實際應用中的效果也取得了初步成功。在工業生產應用示范中驗證相關理論研究和平臺開發成果。成果可申請專利和軟件著作權，將促進控制系統的跨越式發展，其影響還將擴散到整個傳統工業，甚至對我國工業和信息化進程帶來革命性影響。

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