(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210532175.1 (22)申请日 2022.05.09 (71)申请人 北京化工大 学 地址 100029 北京市朝阳区北三环东路15 号 (72)发明人 钱行　宋佳音　梁梦坤　苑杨　 陈海胜　黄克谨　 (74)专利代理 机构 北京思海天达知识产权代理 有限公司 1 1203 专利代理师 张慧 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/27(2020.01) G06F 30/25(2020.01) G06N 20/00(2019.01)G06N 3/00(2006.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 111/04(2020.01) (54)发明名称 一种基于启发式算法解决隔离壁精馏塔设 计问题的方法 (57)摘要 本发明涉及一种基于启发式算法解决隔离 壁精馏塔设计问题的方法， 属于化工设计领域， 用于解决隔离壁精馏塔设计时关键参数确定的 问题。 具体采用基于在线Kriging模型改进 的元 胞粒子群优化方法(KCPSO)。 通过引入在线 Kriging模型辅助元胞粒子群的搜索， 与仿真软 件中的隔离壁精馏塔模型相配合， 可以实现在较 短的时间内找到最优解。 采用本发 明能够大大提 高粒子群的收敛质量与收敛速度， 有效解决隔离 壁精馏塔设计问题， 其结果可以作为隔离壁精馏 塔设计的依据。 权利要求书2页 说明书5页 附图5页 CN 114741772 A 2022.07.12 CN 114741772 A 1.一种基于启发式算法解决隔离壁精馏塔设计问题的方法， 其特征在于包括以下步 骤： 步骤一： 确定待解决的隔离壁精馏塔的信息， 包括组分数， 原料信息， 产物要求信息； 确 定需要求解的决策变量； 确定目标函数T(x)， 其函数值用于描述设计的优劣； 将隔离壁精馏 塔的设计问题转 化为最优化问题； 步骤二： 在Aspen  Plus流程模拟软件中建立需要求解的隔离壁精馏塔的仿真模型， 连 接Aspen Plus和KCP SO自编算法程序， KCP SO程序包括 步骤三到 十； 步骤三： 随机初始化m个粒子的位置和速度， m为完全平方数， m≥9， 其位置为D个决策变 量构成的向量x＝(x1,x2,…,xD)T， 输入Aspen  Plus检验合法性； 若合法， 带入目标函数计算 每个粒子的适应度J， J＝T(x)， 若不 合法， 则重新初始化 不合法的粒子位置； 步骤四： 根据Moore型的元胞邻居规则， 计算每个粒子的8个邻居粒子： 按照编号将粒子 放在一个 的网格中， 采用周期边界， 每一个粒子都有上、 下、 左、 右、 左上、 右上、 左 下、 右下的8个粒子为邻居； 步骤五： 使用所有粒子的位置与 适应度J， 训练在线Kri ging代理模型， 预测得到一个位 置xKriging， 带入Aspen  Plus检验合法性， 若合法， 带入目标函数得到该点的适应度JKriging＝T (xKriging)； 若不合法， 则重新训练在线Kriging代理模型， 预测得到一个新的位置xKriging， 直 到合法为止， 然后计算该点的适应度JKriging＝T(xKriging)； 步骤六： 记第i个粒子的邻居和它自身的适应度J最大的位置为xcbest,i， 对应的适应度 Jcbest,i＝T(xcbest,i)； 步骤七： 比较每个粒子的Jcbest,i和JKringing， 更小的适应度的位置为第i个粒子的吸引子 AFi； 步骤八： 统计并更新第i个粒子从第一次迭代到 此次迭代的适应度最小 值的位置Pi和其 对应最小适应度； 步骤九： 判断是否到达迭代次数的上限， 若到达迭代次数上限， 则运行停止， 继续下一 步； 若没有到达迭代次数上限， 则根据位置更新 公式更新下一次迭代的位置， 将下一次迭代 的位置输入Aspen  Plus检验合法性， 若不合法， 则重复调用位置更新公式直到数据合法为 止， 数据均为 合法数据后， 返回步骤五 继续搜索； 步骤十： 所有粒子从第一次迭代到此次迭代的适应度最小值的位置x*即为设计结果。 2.根据权利要求1所述的一种基于启发式算法解决隔离壁精馏塔设计问题的方法， 其 特征在于： 步骤一中， 隔离壁精 馏塔的设计问题转 化的最优化问题如下 所示： minf＝T(x) s.t.MESH equations          (1) ci≥pi 其中， 向量x＝(x1,x2,…,xD)T为D个决策变量构成的向量， 决策变量在塔板数， 再沸比、 回流比、 气相分割比、 液相分割比和侧线采出量中选择； T(x)为目标函数， 其函数值用于描 述设计的优劣， 包括年度总费用或能耗， 目标函数越小， 设计越优； MESH  equations为隔离 壁精馏塔的物料平衡、 相平衡、 归一化和能量守恒方程组； ci表示第i个产物的纯度， pi表示 第i个产物的纯度的最低要求。 3.根据权利要求1所述的一种基于启发式算法解决隔离壁精馏塔设计问题的方法， 其权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114741772 A 2特征在于： 步骤四中， 采用Mo ore型的元胞邻居规则， 第i个元 胞的邻居规则为： Nmoore＝{vo＝(vox,voy)||vox‑vix|+|voy‑viy∣ ≤1,(vox,voy)∈Z2}            (2) 其中， vox,voy表示邻居元胞的行列坐标值,vix,viy表示第i个元胞的行列坐标值， 即按照 编号顺序将m个粒子放在一个 的网格中， 采用周期边界， 每一个粒子都有上、 下、 左、 右、 左上、 右上、 左下、 右下的8个粒子为邻居， 所述的第i个元胞指第i个粒子， Z2表示全 体粒子行列坐标值构成的集 合。 4.根据权利要求1所述的一种基于启发式算法解决隔离壁精馏塔设计问题的方法， 其 特征在于： 步骤 七中， 第i个粒子的吸引子AFi的选择规则为： 5.根据权利要求1所述的一种基于启发式算法解决隔离壁精馏塔设计问题的方法， 其 特征在于： 步骤八中， 粒子的位置Xi和速度Vi更新公式如下 所示： Vi(t+1)＝ωtVi(t)+c1r1(Pi(t)‑Xi(t))+c2r2(AFi(t)‑Xi(t))      (4) Xi(t+1)＝Xi(t)+Vi(t)           (5) 其中， t为迭代次数， Pi(t)为粒子i的截止当前第t次迭代的历 史最优位置， 适应度越小 的位置越优， Xi(t)为第t次迭代时粒子i的位置， AFi(t)为第t次迭代时粒子i的吸引子， ωt 为惯性权重， 其大小决定了粒子对当前速度改变的大小； 非负数c1和c2为学习因子， 取值为 2； r1和r2为在[0,1]范围内的随机值， ωt为惯性权 重， 它的计算公式如下： 其中， tmax为最大迭代次数； ωmax取0.9， ωend取0.4。 6.根据权利要求1所述的一种基于启发式算法解决隔离壁精馏塔设计问题的方法， 其 特征在于： 步骤三、 五和七中， 检验合法性是指将粒子位置向量x所表示的塔板数， 再沸比、 回流比、 气相分割比、 液相分割比和侧线采 出量带入Aspen  Plus中， 测试产 物纯度是否达到 要求， 若符合则合法， 反 之则不合法。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114741772 A 3