人工智能仿真技术(6篇)
时间：2025-10-16
时间：2025-10-16
关键词分布式系统综合化动态化前期仿真
1引言
智能建筑的基本问题实质上是信息、资源和任务的综合共享与全局一体化的综合管理。它实现的核心是系统集成，也就是说通过系统集成实现综合共享，提高服务质量和工作效率，达到多快、好省和高效的目的[1]。然而，随着社会信息化进程的日益发展和受人们对经济日益国际化趋势的认同，智能建筑必将呈现出新的态势，这种态势体现在进行系统集成的同时，考虑建筑物的异构性、分布性、动态性和碎片性等因素的影响下[2]，应充分体现系统的分布化、综合化、动态化和智能化[3]，这是建筑智能化进程中一个必须重视的战略性问题。另外，任何工程对方案的考核是至关重要的，就智能大厦而言，对方案的考核是一个不容忽视的问题，所以对设计方案的前期仿真很有必要。
2一体集成的分布化
智能大厦的系统一体化集成实质上是建立在系统集成、功能集成、网络集成和软件界面集成的多种集成的基础上的一门高新技术。智能一体化集成化的本质是计算机网络的管理。传统的集成式网络管理系统难以适应网络规模日益扩大、网络元素日益复杂的楼宇智能化要求，需要引入分布式管理方法。
分布式管理就是将管理的功能合理地分布于多个管理实体，以便有效、及时地对网络资源进行监视、约束和控制，提高响应效率和扩展功能，更好地实现网络管理目标。一个实际的网络系统，可以根据管理的需要，按照地域、功能子系统、网络等定义相对独立的管理域并选定其管理者；各管理域通过管理者的交互实现全局管理目标。管理者之间的交互有两种结构：层次的和全分布的。层次结构是通过上层管理者与下层管理者的交互来完成各管理域的管理者之间的协调。全分布式结构是一种对等结构，采用该方式的管理者之间能直接对等通信。一个实际的应用系统，管理的分布化的过程就是将管理应用功能由集中式客户机/服务器（Client/Server）模式转移到分布式计算平台的过程[4]。分布式计算平台的目标是实现跨平台资源的透明互操作和协同计算。
当前支持分布式计算主要有两类环境：基于过程的分布式计算和面向对象的分布式计算。目前的主流是后一类。如基于CORBA（CommonObjectRequestBrokerArchitecture，公共对象请求体系结构）和Java的计算，它们采用面向对象的技术，提供对象式的应用编程接口，主要是针对重用和异构环境下的操作问题，这对相对庞大和复杂的智能大厦系统是非常适用的，目前CORBA技术已引起业界的关注和重视[5]。CORBA是一个开放式跨平台的、语言独立的分布式标准，它引入的概念屏蔽了下层的网络传输，利用面向对象概念，实现分布式应用软件的可重用性和可扩展性，既大大简化了分布式应用系统的开发和维护，又便于异构环境下的集成，具有更高的可用性和可靠性的优点。目前遵从CORBA规范的产品主要有Inprise公司的VisiBroker,IONA公司的Orbix,Digital公司的ObjectBroker,IBM公司的ComponentBroker等，将基于面向对象的分布式计算技术引入智能建筑是顺应技术潮流的，同时它应是甲乙类智能建筑的技术要求[1]。
另外，分布式管理系统更容易实现大厦的智能化，不仅能实现管理的并行性和分布性，而且具有对管理活动的全过程进行多目标、多因素、多阶段、多层次的协调，实现管理系统的整体协调和全局优化。
3一体集成的综合化
网络是建筑物智能化的基础，系统一体化是以网络为支撑的，网络信息来源于不同实体，随着智能建筑的不断深化，被管理的对象趋于复杂化，复杂化的因素主要有：被管理的对象趋于复杂化，复杂化的因素主要有：被管理的数量、对象的种类、组织的异构性、物理分布、参与组织的单元的数量、服务综合的程度等，这时，由传统的相对单一的网络管理扩展为基于分布化的网络综合管理是环境的必然要求。
环境是系统存在、变化、发展的外部条件；系统与环境相互作用、相互影响，进行信息、能量或物质的交换。
综合管理是指确保系统的所有资源根据其目的而有效运营的所有手段，它是系统与环境相统一的产物。有关综合管理的平台也在不断涌现和改进，如基于事件（event）的驱动轮询方案，基于CORBA平台的方案。
4一体集成的动态性
事物的发展是m相对稳定的，在相对稳定的情况下，随着环境的需要仍在不断的发展和完善。智能建筑系统一体化集成的动态性是基于分布式的管理系统，也只有分布式的管理系统才能更好地实现其动态化。
动态化有两个含义：其一是故障的检测与动态重组恢复；其二是系统具有可扩展性。分布式系统具有故障诊断软件包，采用互查技术来检测系统发生故障的部位，并进行处理，动态地分配或重组系统，使系统工作于可靠状态。分布式系统采用并行处理技术，可满足智能大厦分阶段建筑使用的要求，边组织，边开通，从而减少了一次性开通的难度和避免了一次性投资的方式。另外分布式系统的硬件和软件都是模块化的，模块的连接嵌入比较方便，能够很好地配合日益扩大的系统需求，便于提高和完善系统的性能，保障了系统的动态先进性。系统的动态化要求使用动态的管理策略，由于Java和CORBA的迅速发展，动态管理技术也在日趋成熟。
5前期仿真
智能大厦的建设除了要达到预期的目标，即提供安全、舒适、快捷的优质服务，建立先进、科学的综合管理机制，节省能源和降低成本，还要达到系统的优化配置以减少投资。这就需要在工程实施前对系统设计的基本要求和功能进行考核，以便查漏补缺和修正。另外，因为智能大厦的网络集成不同于研究试验网，网络系统可靠性、开放性等要素对大厦的智能化管理和提高运行效率具有十分重要的意义，所以，对智能大厦的前期仿真就显得不仅十分必要而且十分重要。
由美国的Cleve和Moler博士在1980年前后创立的、正在蓬勃发展的Matlab为系统的动态仿真提供了良好的环境[6]。Matlab的家族成员之一的Simulink为系统的仿真更是提供了极大的方便，综合其它软件的使用可以使该软件在智能建筑的CAD中发挥更大的作用；此软件也能为其它软件提供良好的接口，便于SynchroHome等智能化集成系统软件的调用[2]。该软件有两个明显的功能；连接与仿真。首先利用鼠标在模型窗口上画出所需的系统模型。然后利用软件提供的功能对系统直接进行仿真，在系统的任何节点上可以输出波形，从而更好地监控系统的工作过程，并实时地对系统模型进行修改以达到预期目的。这种思想和方法适合于智能大厦一体化集成的仿真与分析，相信基于Simulink的仿真技术必将在智能建筑的CAD中打开一个崭新的局面。
产品创新设计理论、方法与工具的研究范围大体可分为：产品创新设计、降低成本设计、快速设计、仿真与虚拟设计、智能设计、广义优化设计等设计技术。
二、现状及国内外发展趋势
二战以后的几十年来，各主要发达工业国家先后开始重视起对设计技术的研究，如英国从60年代开始，就以国家政策和财力来支持发展与推广设计新技术；德国提出“设计就是科学”，且其设计学的发展已初具规模；美国成立有“设计委员会”。日本同样也非常重视设计技术的发展，将设计看作是技术、经济、美学和人机学的一体化整体，并极力推广和采用新技术，从而大大提高了机械产品在国际市场的竞争力。近年来，在国际上每年召开一次与设计有拳国际会议，探讨设计的新理论和新方法。
我国工业产品设计的发展经历了一个曲折的过程。以前都是凭借设计者的经验，以模仿为主，故局限性大。从60年代开始，加强了新产品的开发设计与实验研究工作，从而使设计从仿制和经验设计逐渐走向实验研究和计算分析阶段。到了80年代，开始在国内介绍一些国际上的先进技术与方法。同时将计算机引入设计领域，对设计工作的发展起了很大的推动作用。
但是，我国在设计领域中仍存在很大问题，主要是对设计研究不够，已有的成果得不到有效的推广和应用，资金投入少，人员培训工作跟不上发展的需要，一直没形成开发新产品或更新老产品的设计和应变能力，对引进的先进技术和产品，更没有从设计的角度进行消化。
在创新设计方面，随着科技和经济的迅速发展，计算机在设计领域的应用已越来越广阔，创新也由原来的仿生法、智爆法、联想法、形象思维法和阵列法等基于认知的方法（CognitiveApproach）过渡向基于系统的方法（SystemApproach）方向发展，对设计进程和设计对象进行建模、模拟人类的认知思维模式，极大地推进了创新设计的自动化，并且利用系统论和信息论的研究成果，创新设计开始向智能化发展。
在降低成本设计方面，国内外专家对成本估算及降低成本的方法进行了大量的研究。德国学者提出了成本结构和分类，用相对成本概念来实现不同设计方案之间的对比评价，同时利用设计方法学和控制成本的设计思想研究成本特征与设计特征之间的转化，提出了面向用户的目标成本核算法；美国学者（在面向报价方面）对已有或生产过的产品作回归统计的结果，建立了成本模型；日本、瑞士、英国等学者也均对制造阶段的成本估算进行了较多的研究。国内的许多学者也对这一课题进行了数年的研究，但由于工厂数据可靠性较差，研究经费和人力不足，工作量和难度大等原因，进展缓慢，从上述可看出对产品降低成本的设计长期以来还一直停留地局部阶段的理论分析和计算，尚未把它纳入到贯穿设计全过程一体化的CAD系统中，且分析结果大多是定性的，少数定量分析又是基于统计分析基础上的，因此，建立支持设计全过程尤其是原理方案和总体结构设计阶段的成本信息模型已成为实现低成本设计的关键和迫切需要解决的难题。
在快速设计方面，1992年6月，在东京国际会议上正式提出并行工程技术，在此基础上发展成旨在缩短产品设计周期的快速设计技术（RapidDesignTechnology,RDT），目前国际上在针对快速设计的并行设计技术、快速原型技术、系列化模块化技术和虚拟制造技术等发展均较为迅速。
在仿真与虚拟设计技术方面，国内外的研究均较为活跃，在机械产品设计的仿真建模中，目前应用最广泛的包括有限元方法（FEM），有限差分法等。在一些实际应用领域，希望从仿真系统中得到在真实世界中无法亲身体验到的感受，从而能突破物理空间和时间的限制，也就是说需要仿真系统具有超越现实的虚拟性，这些客观需求推动了一种新兴的技术——虚拟现实（VR-VirtualReality）技术的发展；同时，在计算机虚拟现实系统（VRS）环境中的虚拟设计（VirtualDeign-VD）技术方面的研究也越来虎受到人们的重视。
在智能设计技术方面，各主要工业发达国家正从传统的CAD技术不断向智能CAD（ICAD）和人机智能化设计系统方向发展，对设计型专家系统的研究也正逐渐走向纵深，智能设计技术向着不但提供知识处理自动化，而且实现决策自动化，以支持大规模的多学科多领域知识集成设计全过程的自动化。
广义优化设计方面，国内的数值优化技术约在70年代初应用于工程设计，且目前离形和随机变量优化、结构优化、智能优化、优化建模和复杂系统优化方法学等领域的研究已取得具有相当水平的理论和应用成果，但对向前扩展到建立模型、处理模型，向后扩展到优化结果显示的全过程的研究还很不够，与主要工业发达国家有着一定差距。
三、“十五”目标及主要研究内容
1.目标
研究并掌握产品创新设计的理论与方法，并有重点地应用于一批产品设计中，提高产品综合设计技术，使自己的产品能够在产品质量、价格、交货期及功能、款式（造型色彩）等方面满足用户不断发展的需求，在激烈的市场竞争中占据较多的份额。
2.主要研究内容
（1）创新设计技术
开展对产品功能原理创新、结构创新和形态创新等方面理论及技术基础研究，为此着重研究创新设计技术中的原理方案设计目录（PCDC）、创新问题求解理论（TIPS）、材料选择，从而通过对原理方案的优选、分解和组合来产生新的原理方案；利用求解理论解决工程系统中新的需求与不能满足要求的旧系统之间的冲突问题，以及利用不同的材料选择来达到完全创新的设计结果。
（2）降低成本设计技术
在产品设计过程中采用面向成本设计技术和并行的成本估算技术是使产品成本降低的关键，其中重点要研究的是成本结构分析技术和价值工程分析技术，且需要构造多种专用的设计知识库来精确地并行估算成本。同时，目标成本控制技术和成本优化技术及对降低成本的知识基系统技术也是降低产品成本、提高产品竞争优势所要重点研究的内容。
（3）快速设计技术
开展基于网络的协同（异地）设计技术、并行工程技术研究，可以缩短产品的开发周期。其中，系列化模块化设计技术、人工智能技术、快速原型成形技术和虚拟制造技术也是快速设计的所要研究的重要内容。
（4）仿真与虚拟设计技术
建模/仿真方法学、仿真计算机、CAE和仿真软件是计算机仿真技术中的重要研究课题，对科学计算的可观化研究，分布仿真系统以及在将专家系统模糊决策和人工神经网络等技术引入仿真系统的研究将有助于形成一个高效的、智能仿真系统。开展虚拟现实（VR）技术的研究，使多种仿真技术具有一个更加真实方便的输入输出系统，并能使用户根据仿真结果快捷地作出各种决策。
（5）智能设计技术研究
智能CAD（ICAD）技术和人机智能化设计系统技术的研究，使得面向CIMS的智能设计走向智能设计的高级阶段，原理方案智能设计、协同求解、基于实例的推理、知识获取、表达和利用等技术也是智能设计技术所要研究的重要内容。
“智能飞鸟”能像真正的海鸥那样在空中飞行和翱翔，它飞到哪里，由使用遥控器的驾驶员决定，地面上的一台电脑负责决定它什么时候应该弯曲翅膀，什么时候应该扭曲身体，以便它可以在空中滑翔。虽然相关的技术还不是太成熟，但是“智能飞鸟”在向公众展示时，绝对是让所有人眼前一亮，“智能飞鸟”在空中滑翔的动作是如此逼真，人们似乎感觉它将尖声叫着俯冲觅食，而不是温顺地回到拿着遥控器的驾驶员那里。
工程师脑海中灵光一闪的一个想法，最终演变为不可估量的创造力。费斯托公司从大自然汲取灵感，利用仿生科技这个驱动创新的引擎，寻找自然的解决方案来解决技术问题。仿生科技所带来的是更高效、更持久和更智能的产品，通过开发“智能飞鸟”，费斯托公司的工程师成功解开了鸟类飞行的秘密，在自动化技术领域取得了突破性的成就。近几个月，“智能飞鸟”已经成为了互联网的明星，吸引了无数人的关注。费斯托公司已经实现了既定目标：让大众和潜在客户感受到仿生科技的魅力。
模仿海鸥对于费斯托公司来说是一个巨大的挑战，为研究鸟类的飞行他们与生物学家合作，并分析海鸥身上的气流。更重要的是，他们开发了一种符合空气动力学的可轴向旋转的海鸥翅膀。“智能飞鸟”的翅膀由两个伺服引擎驱动，通过无线电与地面的电脑保持联络。根据费斯托公司的介绍，“智能飞鸟”让他们掌握了更多的控制气流技术。不过，这或许不是最重要的，更重要的是费斯托公司让所有潜在的客户知道，他们可以有很好的创意，能够突破固有的框框。仿生技术是费斯托的发展方向，而这种创新的技术现阶段无疑是最吸引眼球的。
费斯托仿生学习网络（费斯托与几家知名学府、机构和开发公司共同发起的项目）和未来概念部门经理海因里希·弗朗泽克（HeinrichFrontzek）说：“无论是生物学家描述的自然现象还是工程师发现的技术问题，仿生科技都必须解决。”这也意味着一种工作机制，无论是生物学家还是工程师都可以先提出开发方法，然后再相互帮助解决对方不明白的问题，建立一种仿生模型，并构造出一个实验产品，最终由费斯托公司将其机械化，并转化为工业应用。对于海因里希·弗朗泽克来说，这是一个最理想的方式。不过，一般情况下，仿生科技的研究通常都会面临不断的实验和不断的失败。但是这正是仿生科技释放创造力的过程，正如海因里希·弗朗泽克所说，仿生科技的迷人之处在于它是创新的引擎。
仿生手
仿生科技并不是什么新的学科，早在文艺复兴时期，达芬奇就已经开始解剖鸟类研究它们的身体结构，设计和制造出了第一架扑翼机。不过，仿生科技确实是近几年才真正流行起来的，或许是世界能源和资源危机的威胁，人们开始意识到可持续性和效率的重要性：建筑师开始复制白蚁窝，设计出在阳光下能够像花一样绽放的高层建筑外立面，以改良通风效果；自动驾驶汽车的设计人员研究滩涂鱼类和候鸟，尝试学习它们如何控制队伍行进的方向；开发人员研究鱼粘液和鸟的翅膀模型，以节省船舶等运输工具的能耗；研究壁虎脚与物体表面的分子力学，设计出不会残留任何物质的稳固抓手。在我们的日常生活中，仿生科技可以说是早已渗透到了每一个角落，尼龙搭扣和荷叶效应可以说是众所周知的仿生产品，而大部分人都不知道的是，大约98%的汽车都是利用了仿生学的原理。仿生科技的重要性目前已经受到了广泛的认同和关注，来自世界各地的研究和开发团队在该领域展开了激烈的竞争，希望能够学习和挖掘更多大自然的设计灵感。
不过，人们都有一种错觉，仿佛模仿大自然的物品都应该是美丽或者优雅的。实际上并非如此，费斯托的一个著名的仿生科技产品，看上去就像是一个长着3只恐怖爪子的短粗塑料猪嘴。甚至它的名字“仿生自适应夹具”也是同样地怪异。不过，作为工厂里的一种机械臂，这种仿生自适应夹具有着非常广阔的前景。根据海因里希·弗朗泽克的介绍，这种仿生自适应夹具可以快速可靠地处理水果、灯泡、巧克力等压力敏感的物品。这种自适应夹具是仿照鱼鳍的解剖特征设计的，通过所谓的“鳍条效果”来实现它的功能。仿生自适应夹具不同于普通的机械臂，并不是直接通过给被抓握的物品施加压力而实现抓取，而是通过类似鱼鳍射线排列的波纹管和3个气动的夹爪形成一个三角形的区域包裹住物品，因此它可以抓握各种形状不规则的物品，能够像人手一样拥有强大的适应性和灵活性，可根据物品的形状控制施加的压力，并且它完成抓握动作比人手更快。
费斯托公司的另一种仿生抓取助手是一个以大象鼻子为原型的柔性辅助系统，按照海因里希·弗朗泽克的介绍，这种仿生抓取助手类似大象鼻子的管状肌肉，通过压缩空气驱动，整个抓取臂的重量只有1.5kg，而且其弹性结构不会产生任何碰撞的危险，保证人机之间能够安全而直接地接触，不像传统的工业机器人那样存在伤害工人的危险，为未来开发人机互动的新方法指明了方向。该系统可独立抓取物体，无需编程或手动控制。抓取模块中的微型相机能将工作空间记录下来，随后检测目标物体，并进行跟踪，最后在恰当的时间发出抓取命令。这种安全的柔性辅助系统，除了可以应用于工厂之外，还可以在日常生活中加以应用，例如作为照顾病人和老人的智能化装置的一部分。除此之外，费斯托公司还研究出了一种手指关节高度灵活的仿生手臂ExoHand，希望它能够帮助手部瘫痪的患者抓握物品。
了解和重建自然生态系统
现代仿生学科已经涉及到很多领域，它的发展需要生物学、物理学、化学、医学、数学、材料学等众多学科领域工作者的合作，同时仿生学科的发展又对包括这些学科在内的各领域产生巨大的影响，推动着各学科的进步。但令人震惊的是，计算机科学对于如何汲取来自大自然的灵感以及可持续发展等创新的观念似乎仍缺乏了解。因此，它可能是下一个被仿生学影响和推动的领域。因为仿生科技不仅可以削弱人与机器之间的壁垒，而且还可以优化人机之间的通信。例如对鱼和蚂蚁群体组织的研究，将有助于自主化、网络化汽车的发展，找出避免发生交通意外和获得更有效路线的方法。费斯托公司也希望能够从中吸取经验，解决诸如在网络化的工厂里其中一台机器出现故障的情况下如何继续生产的问题。不过，类似的研究仍处于早期阶段，而计算机科学仍然非常努力地希望再现自然系统（关键字：神经网络），而不是去理解自然系统。
更深层次地理解自然系统，需要跨学科的合作，Biokon仿生学网络董事总经理赖纳·埃尔布博士（Dr·RainerErb）希望能够将仿生学领域的学者和企业联络到一起，让Biokon仿生学网络能够为跨学科的合作创造更多的交汇点。赖纳·埃尔布博士说：“有兴趣的公司可以去Biokon网络搜索生物学家、科学家，他们可以提供有潜在应用价值的仿生学领域新发现。不同学科的开发人员可以相互交流和共同工作，这种模式的转变，将推动创新的浪潮。”目前，Biokon仿生学网络的成员除了费斯托公司以外，还包括菲舍尔公司、博世和西门子家电等制造商。
技术与生物的桥梁
跨学科的合作为仿生科技注入了新的生命，植物学家、理论物理学家和船只制造商共同联手开发出了新的仿生涂层。他们合作一同研究人见人厌的浮水性水生植物槐叶萍，仿造其外表能够将水分子锁定的放射状茸毛，开发出了一种可以用于船体的高疏水性仿生涂层。这种涂层可以大大降低船只行进时与水的摩擦，从而节省燃油高达10%。对于其他的研究人员和开发人员来说，这是一个很好的例子，大自然巧夺天工的杰作为仿生科技提供了取之不尽、用之不竭的研究题材，为每一个技术问题准备了解决方案，我们需要做的只是找到这些题材和解决方案。
关键词：BAT复杂性理论多智能体Agent仿真水污染污染排放限值Starlogo
中图分类号：X52
文献标识码：A
文章编号：1007-3973（2012）003-107-02
1引言
环境限值是在生态、社会、经济等环境可以接受的范围内能够排放污染物的最大量。目前国内还没有一个比较科学和成熟的制定限值的准则，也没有基于多智能体仿真技术在此方向上研究的相关内容，本文在此首创提出此种研究方法并结合一个简单的生态实例进行深入阐述。
20世纪90年代开始，基于主体（Agent）的仿真技术被广泛应用到的各个科学领域中。这种建模技术利用人工智能和计算机学科领域的最新研究成果，在微观层次上构造主体行为，进而由微观主体行为推到出宏观效应。它是一种自下而上（Bottom-up）面向对象的仿真方法，可直接模拟组成系统的主体，以及主体之间的相互作用，从而研究系统的整体行为。
“多智能体系统”是多个智能体组成的集合，它的目标是将大而复杂的系统建设成小的、彼此互相通信和协调的，易于管理的系统。而区域水环境正是由各种互相影响，主动的、智能的主体构成的一个庞大和复杂的系统。从系统科学的角度看，区域水环境系统是一个复杂适应系统（complexadaptivesystem，CAS），目前对复杂适应系统进行研究的一种有效的方法就是基于Agent系统（Multi-AgentSystem，MAS）的建模仿真方法。因此利用多智能体仿真技术对区域水环境进行模拟是可行且可信的一种方法。
2“多智能体技术”研究限值方法思路
利用“多智能体技术”和相关软件对区域水环境（生态环境、社会环境、地理环境）仿真，建立环境模型。建模的原则是基于复杂性理论，遵循客观环境并重点描述其中关键的影响因素。接着通过对污染物消减的研究，建立污染物消减模块。最后设计出污染物对环境影响过程。这样就构建了一个由污染物模块、污染物消减模块、污染物对环境影响模块三个模块组建的“水污染物排放限值调控多智能体(Agent)动态仿真系统”，通过改变污染物限值等参数确定最佳生态、社会、经济时的环境限值。
2.1仿真水域环境
建立环境模型是对现实环境中主要因素的一种简化仿真，因此仿真原则是在遵循着现实环境条件的前提对区域水环境抽丝剥茧模拟其主要因素的变化。区域水环境包括地理环境、生态环境、社会环境，对每个环境的描述也有一定的侧重点。通过对三种水域环境的仿真，综合考虑各种主要影响因素，最终将构建一个科学的、精炼的、遵循客观现实的区域水环境。
2.2污染物消减
研究污染物在水域、河流中消减的技术有很多，本文采用DHIMIKE水环境软件对污染物消减进行计算和研究。MIKE是一种水环境模拟综合软件，能为河流及环境模拟提供强大的功能支持，涉及水环境的各个方面。MIKE水环境软件以河流为起点，模拟区域水文特征，对区域进行整体水环境管理、分析和计算，也可用于分析、计算和模拟河流悬移质、水质问题。通过DHIMIKE技术可以得到污染物得消减规律，在基层原理的基础上考虑污染物的消减速率、污染物运动规律等将其编辑成“污染物消减模块”。
2.3对环境中主体的影响的模拟
相对于多智能体技术，如果人为计算环境主体受影响后的变化将是一项很复杂的任务。因为污染物对主体的影响不仅仅是对单个不变主体的影响，这个主体具有自主性且是不断变化着随时适应环境的，而且主体之间、主体与次级主体之间也会有影响关系，同时主体与环境其他因素也有一定关系。采用“多智能体技术”则可以解决这些在传统还原论中难以解决的问题。因为只要将单个污染物与单个环境主体的关系仿真模拟出来后，结合第一个环境模块（已经建立了主体的完整的智能体），便能利用计算机运算来仿真模拟出其对环境的影响。
因此通过深入研究污染物对环境主体因素的影响效应（如不同重金属浓度对生物造成的伤害程度，氮磷对藻类微生物的生殖的影响），清楚污染物与环境的关系后，便可以仿真出主体因素受影响的机理，构建出“污染物对主体影响模型”。构建好主体和污染物之间基本关系后，复杂的交互作用的问题便通过仿真技术模拟解决。
2.4构建“水污染物排放限值调控多智能体(Agent)动态仿真系统”
有机的将“环境模块”、“污染物消减模块”、“污染物对主体影响模块”结合一起便构建了“水污染物排放限值调控多智能体（Agent）动态仿真系统”。这个系统反映了现实环境中重点因素在不同条件下的变化和相互之间的关系，污染物限值的改变会导致生态环境平衡的改变，生态环境最终结果则通过“多智能体技术”仿真模拟得出。
2.5确定环境限值
构建了“水污染物排放限值调控多智能体（Agent）动态仿真系统”后，改变污染物参数，仿真出区域水环境的变化。若环境在人类可以接受的范围内自主调节得以恢复，便是可以接受的限值；若是超出水环境自主调节能力或是可以自主调节但是在人类不可接受范围内，则是不能接受的限值。通过大量的仿真实验，最终确定污染物的环境限值。
3多智能体技术研究限值的优点
(陕西延长石油集团炼化公司，陕西洛川727406)
中图分类号：T-0文献标识码：A文章编号：1033-2738（2012）03-0317-02
摘要：三维地理信息系统的应用集成为在精细化、智能化和空间信息化方面将数字工厂研究进一步发展提供了一个重要方向。本文通过对延安石油化工厂网络智能监控管理及仿真展示系统的建设实例说明了三维地理信息系统在数字工厂领域如何发挥作用。
关键词：三维地理信息数字工厂；VRMap；系统集成
引言
随着全球各种行业信息化的不断发展，数字工厂作为工业信息化的重要方向和形式，发展十分迅速，目前正向着精细化、智能化、空间信息化的方向发展。石油化工行业具有工艺复杂，设备繁多，管理要求高的特点，精细化、智能化和空间信息化的需求更加迫切。三维地理信息技术作为空间信息新技术之一，在继续保持高度集成空间信息，结合行业业务需要，提供多种应用分析手段的GIS特点外，还使GIS具有了更简单的逻辑，更直观的表现，所表达的地理信息更加形象，并具有所见即所得的特点，摆脱了传统二维GIS使用抽象的符号表达地理空间事物，需要较多专业知识才能理解的局限性，从而降低了GIS的使用难度，得以更好的与行业业务结合，发挥GIS的优势，使石油石化行业的专业人员可以更多关注本职工作，减轻工作负担，提高效率和决策水平。
根据石化厂的需要，广泛采用数字工厂的新技术，设计建设了延安石油化工厂网络智能监控管理及仿真展示系统。
一、总体设计
1.建设思路。
依据化工厂的竣工蓝图，并结合现场勘测数据，为主要设备制作尺寸准确的三维数字模型，形成三维模型数据库。通过数据服务平台实现各类型用户对数据的共享应用和数据的管理和维护。在数据服务平台框架上进行三维仿真展示，实现交互的三维浏览，GIS量测，设备属性查询、三维场景渲染，粒子效果展示等。再结合具体的业务需要和业务数据，与石化厂现有生产管理系统、视频监控系统、大屏幕系统等进行集成，实现生产管理、监测监控、安全应急、仿真模拟等功能。
2.平台选型。
计算机技术的不断发展为GIS提供了先进的工具和手段，虚拟现实（VR）、4D、专家系统等一些新的思想和技术正源源不断地充实到三维GIS中去。很多三维GIS软件，如国外的EsriArcGIS、SkyLine，国内的VRMap、EV-Globe等相继推出，并开始在需求迫切的行业中得到应用。
软件平台的选择，需要考虑系统平台的兼容性，硬件条件，业务应用的针对性，展示的效果，海量数据的存储管理，数据的安全维护性等。
考虑到石化行业的特点，通过比较，认为VRMap软件的仿真效果好、运行效率高、模型数据精细、支持海量数据、易于二次开发，作为基础平台和数据维护工具能更好的满足石油化工厂的需要。
3.架构设计。
系统的架构设计是基于分层思想进行的，即系统各层的相对独立，只依赖低于自身的层，而完全独立于高于自身的层，分层设计有利于系统的逻辑设计和功能实现，可以在不同的层次内解决不同的问题。根据分层的思想，将系统自下而上分为三层，即数据层、服务层、应用层。各层描述如下：
数据层由三维数据维护管理平台VRMap企业版和三维空间数据库Oracle10g组成完整的数据管理系统，管理和维护三维模型数据和业务数据。
服务层以网络三维数据平台VRMapSDK和运维支撑平台VRMapIMS为基础，向外提供基于业务的各种服务；
应用层即面向用户的C/S客户端――网络三维智能监控管理系统和B/S客户端――网络三维智能仿真展示系统，用户通过系统使用各种功能。
4.部署方式。
Client/Server计算结构的实质是在客户端和服务器之间分配计算任务，在两层体系结构中，客户机执行应用处理和数据表述功能，服务器维护后台数据库。C/S应用软件的业务量是从客户端和服务器之间的数据交换产生的，一次数据交换是客户端提交一个请求并接受一次来自服务器指示的屏幕更新过程。
C/S结构是应用较为成熟的软件架构，在这种模式下数据被集中存放于中心服务器，用户通过客户机上的客户程序存取服务器内的数据，大部分运算集中在服务器上，因而系统对服务器的要求比较高，这种操作模式被广泛应用于网络环境，在GIS领域，大型应用也都采用C/S操作模式，保证GIS对空间图形数据操作和传输的快速响应。
Browser/Server结构系统架设在数据服务器、应用服务器、浏览器三个层次上，数据服务器专门存放数据，应用服务器提供各类服务组件来访问数据服务器和响应客户端的请求，浏览器端只显示结果和发出请求。这种模式的系统维护较为简单，系统的修改和升级只需在应用服务器端进行即可，客户端的界面一致，用户操作起来比较容易上手。
根据系统应用需求，图形数据处理需求以及对系统平台安全性、稳定性考虑，本系统采用C/S结构和B/S结构相结合的混合模式。
二、数据建设
三维模型数据是整个系统的数据基础，根据系统的功能需要和经济性考虑，延安石化厂厂区模型分为：生产设备区域、办公区域、环境地貌制作三部分，并根据需要按照不同的精细度进行制作，在达到较好效果的同时，节约了制作成本，提高了系统的运行效率。
模型的制作参照总平图、设备图、工艺图、布置图资料，采用企业级三维建模软件（如3DSMAX等），按照模型对象的真实尺寸和形状和位置关系，进行各类建筑、设备及管线等三维模型制作。制作流程如下：
根据业务功能的需要，主要设备模型的名称和现有设备台帐中的设备编码一一对应，非主要设备模型的名称也按照统一编码要求进行编码。
三、功能模块
系统根据不同的运行环境和使用需求，分为C/S架构的网络三维智能监控管理系统和B/S架构的网络三维智能仿真展示系统两个系统。
1.网络三维智能监控管理信息系统。
延安石油化工厂网络三维智能监控管理系统由场景浏览、空间测量、工艺仿真、设备监测、安全应急、系统管理等子模块构成，集仿真展示、视频监控、设备监测、设备报警、生产状态监测等功能于一身，全面考虑效率、稳定、安全、开发等因素，为工厂各部门提供直观、可靠、智能、高效的生产监测管理应用服务。
2.场景浏览。
场景浏览是指三维仿真场景的展示和用户在场景中进行交互操作，获得所需信息的功能。系统支持多种操作方式，可以自如的控制场景的缩放、旋转、移动、改变视角，可以指定浏览的路线和方式。同时还可以控制图层的显示和隐藏，保存视点位置，播放录好的场景动画。系统还提供地物信息的查询。
3.空间测量。
空间测量功能可以查询场景中任何位置的坐标、空间距离、高度、水平距离、投影面积等。
4.工艺仿真。
系统可以将厂区的重点工艺流程，在场景中进行直观的三维模拟展示，将抽象的工艺流程图进行形象、直观化，为辅助厂区新员工培训，厂区工作人员理解并熟悉工艺流程提供帮助。
5.设备监测。
系统实现了与MES监控系统和视频监控系统的对接，可以将MES监控系统的实时信号和实时视频在系统中进行展示，对异常情况可以进行超限报警和视频摄像头场景的直接跳转。
6.安全应急。
安全应急功能可以快速查询场景中所有的地物或者设备的应急预案、指定范围内的应急资源分布情况。并通过事故地点设置在三维场景中对事故地点进行标注，如火灾、洪涝、破损等情况，模拟事故发生的情况。还可以对预案、预案级别、预案类别等内容进行增删改查，为指定设备增加专用预案。
7.系统管理。
系统可以对用户及权限进行管理，设置系统的各种基本设置，包括视频设置、MES设置和系统皮肤设置等等。
8.网络三维智能仿真展示系统。
网络三维智能仿真展示系统是基于B/S架构设计开发的，用户简单的通过IE浏览器直接展示三维场景数据，并为用户提供了三维场景的基本三维浏览和操作功能。展示系统还集成了生产实时信号监测、视频监控等业务功能。
9.导航控制。
系统提供鼠标、键盘、浏览面板控制三种控制模式包括缩放、方向控制、高度调整、俯仰调整，并且还有浏览模式切换、全屏、还原、打印输出、俯视等辅助操作功能。
10.查询定位。
系统可以输入关键字查询和定位相关的设备，也可以输入周边范围值查询范围内的设备。系统支持双击场景设备和在列表中点击查询结果，使设备定位到场景中央并高亮显示。
11.三维分析。
系统可以完成简单常用的场景地物分析。主要包括测量水平距离、测量垂直距离、测量空间距离、测量水平面积、两点通视分析等。
12.定线飞行。
在飞行路线列表中选择存在的路线（系统飞行路线或自定义飞行路线），进行路线飞行。系统可以自定义飞行路线，保存在本地，以对已存在的路线进行删除或重命名操作。
13.设备监测。
与厂区内的生产监控系统对接，在三维场景中监测显示各个设备的生产安全状况。可以设置监测时间间隔，是否进行报警检测，报警时间间隔以及报警时间间隔等监测设置。
14.视频监控。
通过与厂区视频对接为用户在三维场景中提供直观的三维视频监控画面，用户直接通过浏览器就可查看。
总结
延安石油化工厂网络三维智能监控管理系统建设综合运用了GIS、三维虚拟现实、海量数据管理、WebGIS等多种相关技术，在建设过程中克服了很多技术和数据方面的新课题，有多方面的专业人才和技术人员参与。系统建成后，为石油化工厂的管理人员、技术人员和广大员工提供了形象直观的厂区操作环境，提高了监测管控、调度决策、安全应急等业务的科学化水平。
参考文献
[1]牟善军，姜春明，吴重光.石油化工安全仿真技术及应用.系统仿真学报,2003,15(10):1356-1363
[2]罗一鸣，刘有智，袁志国，张发兴.虚拟化工场景漫游系统的设计与实现.计算机与应用化学.2006,23(11):1159-1162
[3]齐虎春.虚拟现实技术在化工仿真系统中的应用研究.内蒙古石油化工.2010年,8:153-154
[4]延安石油化工厂网络三维智能监控管理信息系统用户手册.北京灵图软件技术有限公司.2012,4
[5]延安石油化工厂网络三维智能仿真展示系统用户手册.北京灵图软件技术有限公司.2012,4
[6]王权.大庆油田有限责任公司数字油田模式与发展战略研究.天津大学硕士学位论文.2003
[7]李青元，林宗坚，李成明.真三维GIS技术研究的现状与发展[J].测绘科学,2000,25(2):47-51.
[8]王瑜，刘西涛，李健玲，王春磊.3D-GIS技术的发展与应用.甘肃科技,2009,25(4):57-75.
【Abstract】Withtherapiddevelopmentofadvancedtechnology，manyenterpriseshaveappliedscienceandtechnologytotheirownbusiness，andachievedgoodresults.Thisfullyshowsthattheinnovationanddevelopmentofscienceandtechnologyplaysanimportantroleintheprogressofmodernenterprises.Inthestudy，wemainlyanalyzetheapplicationofintelligentpowertechnologyinthermalpowerplantfromseveralaspects，suchastheconcept，characteristicsandapplicationstatusoftheintelligentpowertechnology.
【P键词】智能电站技术；火电厂；技术应用
【Keywords】intelligentpowerstationtechnology；thermalpowerplant；technologyapplication
【中图分类号】TM76【文献标志码】A【文章编号】1673-1069（2017）05-0193-02
1引言
随着科学技术的不断发展，对电力资源的使用越来越多，这样的状况使得火电厂在发展的过程中对自身的生产能力提出了较高的要求。将智能电站技术应用到火电厂当中能够更好地对生产和输出的数据进行详细的分析，并最终给出准确性较高的信息，这样不仅能帮助火电厂实现对生产资源的节省，同时还能在一定程度上提升其实际的生产效率。智能电站技术涉及到的方面有测量技术、控制技术、在线仿真技术和优化调度技术等，这些技术在火电厂中得到了广泛的应用。因此，本文将从这几个方面对其相应的内容进行分析和研究。
2智能电站技术的基本概念
智能控制理论的发展历史比较短，只有十几年的时间，和其他先进科学技术的概念一样，智能控制理论直到今天都没有一个准确的定义，在智能控制方面也没有形成一个完整的理论知识体系。人们根据智能控制的技术特点和发展历史，对它进行了简单的定义：通过定性和定量相结合的方法，针对对象环境与任务的复杂性和不确定性，实现复杂信息的处理、优化决策和控制功能。在中国，傅京孙很早就把人工智能的启发式推理规则运用到学习控制的系统中，然后他又论述了人工智能和自动控制的二元交集论的想法，这使他成为国际所承认的智能控制方面的专家。智能控制理论正逐渐为人们所了解和分析，同时智能控制也得到了进一步的发展。
3智能电站技术的特征
智能控制电站主要有智能化、系统性、信息化、经济性四个特征。智能化是指对火电厂的自动化控制，对机组的高精度控制，这样可以使机组运行在参数边界周围，进而达到节能降耗的要求；系统性是指把发电机组、电厂、电网进行整体的分析与研究；信息化是指通过对信息数据的收集、处理和反馈，从而最大程度的达到自动化，为智能电站的相关工作提供有效的信息数据；经济性是指通过智能电站的运行，有效实现节能减排的目标，提高机组的工作效率。最近几年，我国的工业智能控制取得了很大的进步，同时也带来了一定的经济效益，随着我国智能控制技术的发展，今后智能控制技术在工业化中的应用将会越来越广泛，而且智能控制技术也将会被使用在实际生产生活中。
4智能电站技术在火电厂中的应用
4.1先进测量在火电厂中的应用
智能电站技术在火电厂先进测量中的应用，主要有以下几个方面：①智能电站技术在煤质线上测量技术中的应用。这种技术分为三种，一种是智能电站技术在脉冲子源的煤质线上分析技术中的应用，另一种是智能电站技术在LIBS基础上的煤质线上分析技术中的应用。最后一种是智能电站技术在同位素基于同位素子源的煤质线上分析技术中的应用。②智能电站技术在炉膛温度测量中的应用。首先是在CCD三维的可视化技术中的应用，然后是在超声波的测量技术中的应用。③智能电站技术在烟气测量中的应用。首先是将智能电站技术应用于智能的烟气线上分析仪中，其次是在信息融合基础上的软测量技术手段中的应用，最后是在LIBS基础上烟气测量技术中的应用。
4.2控制技术在火电厂中的应用
通过对火电厂的数据信息进行在线观测，并利用在线仿真手段，能够在一定程度上做到在实时数据基础上的控制策略仿真、重现历史、运行故障的分析和判断、预报运行数据参数等。通过在线上仿真平台中应用智能电站技术，能够较好的获取某个历史运行时刻机组的开始工况和终了工况，从而为分析研究机组状态提供着手点，使控制的过程实现高精度的重现，并且和现有的过程做出分析比较，以获得最佳的控制曲线。先进的控制过程指的是与常规控制过程相比，具有更佳控制效果的控制策略理论的一个统称，是在控制过程中提高控制质量，处理复杂过程问题的技术。目前来说，先进过程控制已经逐渐成为过程控制效果最好、最成功的一种控制的方式，其内容丰富，覆盖面广泛，主要有自适应控制、预测控制、专家控制、模糊控制、神经网络控制等。
4.3在线仿真技术在火电厂中的应用
火电厂的在线监测是重要组成部分，在线仿真及控制应用，结合了职能电站技术来实现运行数据的先进控制，对其历史故障进行分析和诊断，总结出安全参数。通过在线仿真平台，火电机组将以机组的状态为起点，对过程进行比较，确定控制曲线后，对内外部数据进行实时监控。此过程可以有效提高过程控制质量，同时对复杂的问题提出相应的解决方案，且方案内容丰富，包括预测控制、神经网络控制等，专门解决一些先进控制无法解决的问题。
4.4优化调度在火电厂中的应用
智能电站技术在调度方面的应用，使火电厂实现了厂级优化和燃烧在线优化。厂级优化调度应用，是满足全火电厂负荷电网的要求下，保证机组的正常运行，同时合理的调配各机组的调节任务，降低调节频率，提升火电厂中机组设备的稳定性和延长性。在燃烧在线优化方面，是根据火电厂物理及化学过程而进行优化的。如图一所示，锅炉的燃烧优化，使火电厂的安全性和经济性得到了提升，通过先进的建模形式，结合智能电站技术，提升锅炉运行的效率，降低有害物质的排放，实现火电机组的节能减排[1]。
4.5数据挖掘与故障预警在火电厂中的应用
智能电站技术的应用，可以帮助各火电厂进行数据的挖掘与故障预警分析。火电厂对数据的传送需要有关科技部门的支持，其必须从大量的数据当中，选取对火电厂有效的信息，传送到故障设备中对其进行早期问题的预警和诊断。另外，通过分析和信息挖掘，大量数据在样本中寻找预测性信息，从财务、供应商、客户、经营状况等，结合相关性分析，建立预警机制。
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