安全与质量,自始至终都是工业领域所关注的两大核心问题。化工行业是国民经济至关重要的组成部分,化工产品作用于人类经济、社会生活的方方面面。化工生产过程因其关联的危险化学品种类与数量繁多、生产工艺及操作条件要求极为苛刻,加之生产装置设备的大型化、连续化和自动化程度日益加深,一旦发生事故,后果将极其严重。随着全球化竞争的日益加剧,对企业的生产质量提出了更高的要求。工业过程系统数据,尤其是化工行业中的统计数据,具有高维、强非线性、噪声、损失和不确定性的复杂性,很难根据生产数据准确评估过程系统的性能,以找到最佳的生产配置。生产质量的衡量体现在生产环节的各个方面,例如过程能力、控制性能、产量收率、能源效率等针对生产质量关注侧重点的不同。由于工业生产过程系统的日益复杂化、严重非线性特性,复杂化工过程运行优化一直是控制科学与工程重要研究与应用领域。针对化工过程“安、稳、长、满、优”的运行期望,本文研究了复杂化工过程运行优化方法,基于复杂网络理论、模糊理论、层次分析、过程能力分析、数据包络分析、多目标优化等数据驱动方法,围绕数据处理、故障诊断、性能评价、操作优化等内容,从多维角度实现整个过程系统不同方面的优化运行,克服了单一方法特定对象的局限性,有效地保障了生产过程的安全稳定,优化了生产工艺和操作条件,提升了产品质量和经济效益。本文研究方法主要测试于田纳西伊士曼过程和乙烯裂解炉两个化工过程应用对象,对其他化工装置和其他流程工业对象同样具有借鉴作用。本文研究的主要成果和创新点如下。(1)针对化工系统结构及化工数据特性复杂的问题,提出了一种基于水平可见图分析的过程安全分析方法,将过程系统中包含的单个变量分别视为一组时间序列数据,利用水平可见性算法把每个时间序列构建为一个网络模型,并将与该时间序列相对应的每个单层网络抽象为一个节点。同时,通过两个单层网络之间的相关性函数来量化相应节点之间的关联信息。然后,可以基于相关性构建代表整个化工系统的复杂网络结构。此外,计算在故障状态下和在正常状态下获得的互信息之比构成的矩阵,由每个节点的方差变化情况定位异常节点。(2)针对复杂化工过程生产状况分析的不确定性和敏感性等问题,提出了一种基于核函数和模糊过程性能指标的模糊过程能力的计算方法,通过三次样条插值确定动态规格界限,可以有效地执行实时过程功能并分析工业数据的过程性能。应用解释结构模型和模糊层次分析集成的方法,在实验和实际经验的基础上,提出了流程工业中模糊过程能力和模糊过程性能的评价方法,可以为评价连续过程中的生产过程能力和过程稳定提供相对客观的依据。(3)针对多准则决策分析中输入输出要素权重的不合理分布问题,提出了一种基于熵权层次分析的数据包络分析交叉模型的乙烯裂解炉性能分析和最佳温度选择方法。数据包络分析交叉模型避免了输入输出要素权重的不合理分布,可以准确地识别和估算乙烯裂解炉的性能状态和最佳温度。同时,基于熵权的改进层析分析方法可以综合考虑各项投入产出指标的合理权重分配,获得不同温度下乙烯裂解炉的一致融合结果。然后再次基于数据包络分析交叉模型获得不同温度下的最佳生产基准。(4)针对复杂化工过程运行中的多目标冲突和操作约束问题,提出了一种多目标操作优化策略和解集的综合评价方法,有效解决了乙烯裂解炉的多目标操作优化问题。基于模糊层次分析自适应多目标粒子群优化算法,通过构建模糊一致矩阵分析确定全局最优解,从而有效提升粒子进化方向的准确性,同时根据当前粒子的进化状态对搜索权重和学习因子等参数进行自适应调整。提出的方法在乙烯生产过程的运行操作优化中被实施,通过固定裂解周期以及非固定裂解周期两种案例情况分别进行研究分析。根据实际情况和模糊评价结果,决策人员能够从帕累托最优解集里确定需要的操作优化信息,从而为乙烯裂解装置的多目标操作优化制定合理实际的运行计划。(5)针对复杂化工过程生产数据特征描述准确性和合理性问题,提出了一种基于投入产出模型和图元分析的数据分析方法,实现生产装置投入产出资源的优化配置。通过考虑投入产出关系和约束的机理建模来构建最大结构网络,然后通过特定生产数据的直接消耗系数矩阵获得解结构网络。所提出的I-O图元引入了过程信息,并且不同的节点代表了 I-O图元中的不同投入产出因素。基于图元的特征描述和分析可以通过网络和图的特征统计来实现。通过对乙烯实际生产数据的聚类分析,以高效生产装置为基准,实现低效生产装置的投入产出要素的优化配置,提高产品收率和能源效率。