专利名称：生物发酵批过程的弹性调度优化方法
技术领域：
本发明涉及一种生物发酵的优化方法，特别是一种生物发酵批过程的弹性调度优化方法，属于生物技术领域。
背景技术：
生物发酵批过程是一类重要的工业生产过程，提供了与国计民生休戚相关的药品(抗生素、基因工程重组药物、疫苗、维生素等)、食品和饲料添加剂(各种氨基酸、核酸等)及其它产品(酒精饮料、酱油醋、生物保健品)。生物发酵生产的典型特征是机理复杂、可重复性差，生产过程的波动大大高于其它化工批过程。由于种子质量的差异、原料成分及原辅料配比的变化、过程变量(补料、溶氧、罐温、pH等)动态控制的偏差等原因，这种波动在很大程度上是无法避免的。
经文献检索发现，上海交通大学刘俊等在《上海交通大学学报》(37，1710-1712，2003)上撰文“生物发酵过程的在线分类及调度优化”，该文基于罐批分类，提出了一种按固定时间间隔停罐的调度优化方法。该方法首先根据描述过程创利水平的定量评价指标—效益函数—将运行中的罐批分为三类。然后对不同类别的罐批给定不同的调度区间，罐批只有运行进入调度区间后才考虑调度优化问题。最后以全车间总体经济效益最高为调度目标，计算所有处于调度区间内的罐批的调度函数，根据调度函数的大小对这些罐批排序，确定下一既定停罐时刻应该优先停罐的罐批。该文所描述的调度优化方法能够提前确定下一个待停罐批，但对该罐批的停罐时刻限定在一个事先给定的时刻，没有根据当时的实际情况，确定该待停罐批的最佳停罐时刻。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种适用于生产波动大的生物发酵批过程的弹性调度优化方法，使其改固定时间间隔的停罐方法为弹性停罐方法，从中挖取过程潜在的经济效益，同时又不对上下工段的排班和负荷产生大的干扰。
本发明是通过以下技术方案实现的，在保证上下工段的排班和负荷稳定的情况下，首先确定待停罐批的弹性调度区间，罐批的最佳停罐时刻就在该时间区间内；然后在弹性调度区间内在线计算该罐批的弹性调度函数，弹性调度函数定量给出了该罐批相对于平均水平罐批的创利潜力；最后根据弹性调度函数，以实现该罐批经济效益最大化为目标，运用弹性停罐策略确定待停罐批的最佳停罐时刻。
以下对本发明方法作进一步描述，具体如下(一)弹性调度区间弹性调度区间指既定停罐时刻附近的一个相对较窄的时间区间，其宽度由过程容许的弹性操作限度决定。在该区间内运用弹性停罐方法应不对上下工段的正常运行造成影响。
弹性调度区间＝[tflex+(1-β)Td，tflex+(1+β)Td] 0≤β≤0.5①式①中tflex为待停罐批在上一次停罐操作发生时刻的发酵时间，Td是工艺给定的既定停罐时间间隔。式①意为，弹性调度区间由tflex+Td±βTd小时构成，且增减的时间小于等于既定停罐时间间隔的二分之一。
(二)在弹性调度区间内计算待停罐批的弹性调度函数弹性调度函数是衡量待停罐批在当前时刻应否中止运行的评价指标，其定义见式②Js，flex(t)＝[J′flex(t+δt)×(t+δt)-Jflex(t)×t]-Jave(t)×δt ②式中t∈[tflex+(1-β)Td，tflex+(1+β)Td]； δt≤βTd式②中t为待停罐批的当前发酵时间，Jflex(t)是该罐批目前的效益函数，J′flex(t+δt)是δt小时后的效益函数预测值，Jave(t)为历史罐批在t时刻的效益函数均值，δt为一时间间隔，它一般取生产过程的离线采样周期或者该周期的整数倍。式②右边第一项表示待停罐批继续运行δt小时可以增加的经济效益；第二项是一个具有平均效益的罐批在t小时和(t+δt)小时之间的经济效益增量估算值。
(三)弹性停罐策略弹性停罐的判断依据见式③，它由弹性调度函数演化得到。
JSlope(t)<Jave(t)-Jflex′(t+δt)t---(3)]]>式③中Jslope(t)为待停罐罐批效益函数拟合曲线在t处的斜率。在待停罐批的弹性区间内，若不等式③的左边小于右边则停罐，若不等式③的左边大于或等于右边则继续运行。以此确定待停罐批的最佳停罐时刻。
本发明的实施前提是种子工段和产物分离工段具有上限为0.5Td小时的操作弹性。弹性停罐的调度优化方法综合考虑了总体经济效益的最大化和单个罐批经济效益的最大化。它首先确定待停罐批的弹性调度区间，然后找出待停罐批的最佳停罐时刻，在弹性调区间内，提前中止低效益低潜力罐批，减小了经济损失；延长高效益高潜力罐批，提高了经济效益。对生产过程的实际数据测试结果表明，在相同的原材料消耗和其它运行成本支出条件下，弹性停罐方法可带来约1％的额外经济效益增量，相对于固定时间间隔停罐方法具有明显的优势。
具体实施例方式
对象某青霉素制造车间，并行运行的100立方米发酵罐18只，平均发酵周期216小时，离线采样周期为4小时，既定停罐时间间隔Td＝12小时。测试样本为随机抽取的58个工业生产罐批。
测试方法每隔12小时启动一个罐批，当第一个罐批运行至216小时并中止后，根据弹性调度方法每隔8-16小时中止一个罐批。
测试结果相对于真实操作状况，附表给出了固定时间间隔停罐方法和弹性停罐方法的对比结果。从中可见，若采用固定时间间隔停罐方法，单位时间的创利水平较实际情况可增加2.59％；而若采用弹性停罐方法，单位时间创利水平可增加3.52％，即相对于固定时间间隔停罐方法，弹性停罐方法可带来约1％的额外经济效益增量，而这部分增量几乎就是纯利增量，因为它是在相同的原材料消耗和其它运行成本支出条件下取得的。
附表 固定时间间隔停罐方法和弹性停罐方法的结果对比采用固定时间间隔 采用弹性停罐实际操作情况停罐的调度方法 调度方法总效益(万unit)216.74 223.81 225.67总发酵时间(h) 12447 12528 12520单位时间内所有罐批的174.13 178.64 180.25平均效益(unit/h)相对于实际操作水平单位时间内的平均效益增- 2.593.52加率(％)
权利要求
1.一种生物发酵批过程的弹性调度优化方法，其特征在于在保证上下工段的排班和负荷稳定的情况下，首先确定待停罐批的弹性调度区间，罐批的最佳停罐时刻就在该时间区间内，然后在弹性调度区间内在线计算该罐批的弹性调度函数，弹性调度函数定量给出了该罐批相对于平均水平罐批的创利潜力，最后根据弹性调度函数，以实现该罐批经济效益最大化为目标，运用弹性停罐策略确定待停罐批的最佳停罐时刻。
2.根据权利要求1所述的这种弹性调度区间，其特征是，所述的弹性调度区间指既定停罐时刻附近的一个相对较窄的时间区间，其宽度由过程容许的弹性操作限度决定弹性调度区间＝[tflex+(1-β)Td，tflex+(1+β)Td]0≤β≤0.5式中tflex为待停罐批在上一次停罐操作发生时刻的发酵时间，Td是工艺给定的既定停罐时间间隔，上式意为，弹性调度区间由tflex+Td±βTd小时构成，且增减的时间小于等于既定停罐时间间隔的二分之一。
3.根据权利要求1所述的这种弹性调度函数，其特征是，所述的在弹性调度区间内计算待停罐批的弹性调度函数，具体如下弹性调度函数是衡量待停罐批在当前时刻是应否中止运行的评价指标，其定义见式Js，flex(t)＝[J＇flex(t+δt)×(t+δt)-Jflex(t)×t]-Jave(t)×δt式中t∈[tflex+(1-β)Td，tflex+(1+β)Td]，δt≤βTd式中t为待停罐批的当前发酵时间，Jflex(t)是该罐批目前的效益函数，J＇flex(t+δt)是δt小时后的效益函数预测值，Jave(t)为历史罐批在t时刻的效益函数均值，δt为一时间间隔，它取生产过程的离线采样周期或者该周期的整数倍，式右边第一项表示待停罐批继续运行δt小时增加的经济效益，第二项是一个具有平均效益的罐批在t小时和(t+δt)小时之间的经济效益增量估算值。
4.根据权利要求1所述的这种弹性调度方法，其特征是，所述的弹性停罐方法，具体如下弹性停罐的判断依据见下式，它由弹性调度函数演化得到，Jslope(t)<Jave(t)-Jflex′(t+δt)t]]>式中Jslope(t)为待停罐罐批效益函数拟合曲线在t处的斜率，在待停罐批的弹性区间内，若上不等式的左边小于右边则停罐，若上不等式的左边大于或等于右边则继续运行。
全文摘要
一种生物发酵批过程的弹性调度优化方法属于生物技术领域。本发明在保证上下工段的排班和负荷稳定的情况下，首先确定待停罐批的弹性调度区间，罐批的最佳停罐时刻就在该时间区间内；然后在弹性调度区间内在线计算该罐批的弹性调度函数，弹性调度函数定量给出了该罐批相对于平均水平罐批的创利潜力；最后根据弹性调度函数，以实现该罐批经济效益最大化为目标，运用弹性停罐策略确定待停罐批的最佳停罐时刻。本发明提前中止低效益低潜力罐批，减小了经济损失；延长高效益高潜力罐批，提高了经济效益，最终在不额外增加生产成本的情况下，使一个车间的总体经济效益得到提升。
文档编号C12M1/36GK1560224SQ200410016430
公开日2005年1月5日 申请日期2004年2月19日 优先权日2004年2月19日
发明者袁景淇, 王卓, 李运锋, 薛耀锋, 张溥明 申请人:上海交通大学