复杂系统的平行控制理论及应用研究

赵亮

摘 要：本文首先给出了复杂系统的定义，并探讨了复杂系统的研究现状及存在的问题，同时在此基础上，提出了应对复杂系统问题的平行控制方法，阐述了其ACP思想、基本原理和优势等，还阐述了平行控制理论的核心技术及其在乙烯生产和城市交通中的应用，描述了平行控制理论研究和应用实践的前景与展望。

关键词：复杂系统；人工系统；平行控制；应用

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

0 引言

随着社会的不断发展和技术的不断进步，工业系统愈加复杂，这种复杂性既体现在工程上，也体现在社会层面，具有交互性及动态开放性等特征，尤其是互联网的兴起，过去十分简单的系统能够迅速的联网扩展，复杂化在所难免。现有控制理论未将将社会复杂性考虑在内，无法正确处置正常状态下的各种变化和非正常状态的应急事件。基于此，正视现有生产模式缺失，分析和探索复杂系统的控制，利用人工系统与实际系统并举的平行系统方法，实现对复杂系统的管理与控制至关重要。

1 平行控制理论的基本思想

平行系统是由某一个自然的实际系统和对应的一个或多个虚拟或理想的人工系统所组成的共同系统。在现有控制理论无法控制复杂系统现象的驱使下，平行控制理论框架应运而生，平行控制理论框架下的ACP方法体系包括人工系统（Artiicial Sys tems）、计算实验（Compu t ing Ex-pe r iments）和平行控制（Parallel Control）。

2 控制理论历史回顾

任何理论都不是一蹴而就的，控制理论更是如此，它经过了长时间的发展和完善，逐渐成为现代科技事业核心技术之一。 控制理论的发展经过了三个阶段：一是经典控制理论阶段，发展时期是20世纪40-60年代；二是现代控制理论阶段，发展时期是20世纪60-70年代；三智能控制理论阶段。平行控制的研究将极大的促进控制理论向第四个阶段发展，其将计算技术、科学实验和理论研究三种科学研究手段结合起来，既是在研究方式上的创新，也是研究手段上的创新。

3 平行控制核心技术

（1）基于代理控制（ABC）技术。对于ACP平行控制层而言，基于代理控制（ABC）技术具有举足轻重的作用，它直接影响着控制决策。ABC控制策略是基于代理实现的，现场设备从控制中心接收的控制命令是具有相对独立性和智能性的代理个体。现阶段基于代理控制（ABC）技术已经在诸多领域中得到了良好应用，比如智能交通系统、电力系统等，均取得了不错的成绩。

（2）自适应动态规划（ADP）技术。自适应动态规划（ADP）其实质上是一种增强式学习原理，它通过模拟人的学习思路来做出相应反应，一直被认为是一种十分接近人脑智能的方法。在当前的科学领域中，自适应动态规划（ADP）技术主要优势是能够利用人工神经网络等方法实现对近似性能指标函数的最优控制，具有良好的实用性、创新性和前沿性。

（3）语言动力系统。在平行控制理论中，人和社会因素的定量分析和评估是一个重要课题。语言动力系统将自然语言中的“词”进行计算，捕捉其语言层次上的动态信息，并利用收集到的有效信息，把人类语言知识和计算机数字知识联系起来，更直观的描述系统，降低系统描述的复杂性。

（4）平行系统的并行计算技术。平行控制涉及计算量庞大，若仅采用人工系统进行计算，其工作量可想而知，势必会影响到其工作效率，甚至工作质量，此时应借助高性能计算平台，采取平行系统的并行计算技术，只有这样才能将复杂庞大的工程简单化，便于平行控制系统的良好管理和运行。

4 平行控制系统的实际应用

平行控制系统是在社会需要的推动下发展起来的，发展起来的平行控制系统能够在工业、农业发挥巨大的作用，这是传统控制系统所不能比的。随着我国经济体制的转变，国内企业中复杂工业控制系统的出现，迫切的需要平行控制技术。平行控制理论在很多方面已有帮助，本文重点分析了平行控制系统在乙烯生产控制和城市交通控制中的应用，实践证明，在复杂的工业过程中，一个良好的控制系统不仅能够保证生产的需要，还能同时为厂家制造最大的经济效益，同时还能节约资源，有利于我们国家的可持续发展。

（1）在乙烯生产控制中的應用。平行控制系统在乙烯生产控制中的应用时间已久，最早是在中国科学院和中国石化的资助下，为茂名乙烯相继开发了三个子系统，即平行学习与培训系统（PTS）、平行实验与评估系统（PES）和平行控制与管理系统（PMS）。过去乙烯设备工艺多采用的是DCS，随着乙烯生产需求和设备的更新，传统的DCS已经无法满足需求，急需对其进行改革创新，PES便是在DCS基础上形成的，它在传统DCS中加入了车间管理、车间人员班组和统计分析的信息化，从而构成了大闭环控制系统。并且对每个应用步骤和环节建立模型，比如人工车间班组模型、人工车间分析模型等，形成一个完整的人工系统的大闭环控制系统，最终形成双闭环控制系统。有资料显示，自2009年上线以后，取得了良好的效果，不仅降低了劳动人员的工作强度，也大大提高了管理效率，同时生产事故发生率大大降低，提高乙烯丙烯收率0. 1～0. 2%。

（2）在城市交通控制中的应用。随着现代城市的快速发展，城市规模不断扩张，城市空间布局与结构调整剧烈，居民出行活动日益增多，且多数以汽车作为交通工具，导致交通需求快速增长，城市中心区域的道路在上下班等出行高峰时段无不处于拥堵状态。城市的进一步发展目前主要被交通拥堵所制约，并且导致不必要的经济损失。当斯定律（Downs Law）表明“在城市交通不进行有效管制和控制的情况下，新建的道路设施会诱发新的交通量，而交通需求总是倾向于超过交通供给” [7]。现阶段对城市交通的研究比较多，但城市交通具有复杂性和随机性，在交通工程中应用平行系统可使交通系统达到动态最优化。平行交通控制与管理系统应用到交通工程中包括实际交通系统和人工交通系统。其中人工交通系统正在不断完善之中，其基本思想就是利用人工社会的理论与方法，把交通仿真方法推向一个更高的层次和更广的视野，利用大型计算机和代理编程的建模技术，“生长”和“培育”交通系统，即“人工交通系统”，如下图1所示。通过人工交通系统方法，可以对具体的交通系统进行试验， 而且可以在几乎无成本无风险的情况下重复试验， 进而对具体的交通解决方案进行全面、准确、及时的评估和修正。平行交通控制与管理系统原型在2008年完成，2009年成功应用于江苏太仓太浏公路上的交通信号控制系统改造项目，明显改善了当地的交通环境，取得了不错的效果。当前，该项研究在国内已处于领先地位，相关成果也被应用到其他大型交通疏散管理中，同样得到了不错的效果，由此可知，平行控制系统在城市交通控制应用中的作用至关重要，且意义重大。

5 结语

平行控制理论对于复杂科学和智能科学领域而言，是一项重要的理论创新，对于这些领域来说其创新具有十分重要的现实意义：一是为生产过程中复杂行为模型提出了一种基于代理和人工社会模型的建模方法；二是为生产控制问题决策控制提出了一种基于人工系统的计算实验方法；三是提出了平行控制框架。当前平行控制理论经过一段时间的发展已经较为成熟，在实际应用中的效果也取得了初步成功。在工业生产应用示范中验证相关理论研究和平台开发成果。成果可申请专利和软件著作权，将促进控制系统的跨越式发展，其影响还将扩散到整个传统工业，甚至对我国工业和信息化进程带来革命性影响。

参考文献：

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[6]A framework for artificial transportation systems：from computer simulations to computational ex-periments. Wang F Y，Tang S.Proc 8th IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems，2005.

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