多级递阶智能协调器

5．3．5　多级递阶智能协调器

1）多级递阶智能协调器的结构

针对上文中提出的问题，在循环经济系统的多级递阶智能控制系统中，需要一个智能协调器协调循环经济系统的整体目标与各个过程的局部目标，这是整个控制系统的核心。本节考虑设计一个多级递阶智能协调器，如图5．20所示的是一个二级结构（多级以此类推）。上层的协调器控制着下层的各个决策单元，它们有各自的子系统模型和控制目标。由于协调器的任务是通过对下层决策的干预来保证它们分别找到的决策能满足整个控制目标的要求，所以协调器要不断地和下层的决策单元交换信息：一方面发出干预信号C；一方面接受从下级送来的各决策单元做出的决策和获得的性能指标值（信号D）。干预信号也起协调作用，产生干预信号的原则就是协调策略。协调器的智能性从多级递阶智能控制系统的结构中可以看出，从下文的智能协调控制器的运行原理中也可以看出。

图5．20　循环经济系统的多级递阶智能协调器

2）多级递阶智能协调器的建立

循环经济系统是一个复杂的动态巨系统。在可持续发展战略指导下，一个循环经济系统发展规划追求的应是自然、人、社会、经济的协调发展，即多目标协调发展。单纯追求某一个目标最大（最小）而不顾及其他目标，将可能导致经济的畸形发展。基于这种认识，本节建立了一个以动态投入／产出模型为核心，以多目标优化模型为决策依据的多级递阶智能协调器，较好地反映了实际的循环经济系统的发展规律。

注：这里仍然只考虑物质流，能量流可同理建立。并且在模型中只要加上货币单位就变成了循环经济系统的经济模型。

基于循环经济系统整体和局部协调稳健发展的原则，在多级递阶智能协调器中，根据具体情况，在协调器和各个决策单元中建立相应的非线性多目标动态优化决策模型。它较之单目标非线性动态优化决策模型具有如下优点：

（1）求解多目标优化模型一般可以达到综合平衡。而单目标模型总是使产出大于等于需求。

（2）动态投入／产出模型常有计算的不稳定性。用目标规划法等方法解多目标优化模型，使约束条件变为“弹性约束”，使解的范围扩大。单目标优化模型已使其不稳定性得到一定改善⁽²⁰⁾，而多目标优化模型则使其不稳定性得到较大改善。

（3）非线性多目标动态优化决策模型比较适合人机交互决策，它可以将决策者的经验或有关定性分析结论与模型结合起来，得出正确实用的决策选择。

3）多目标优化模型的建立

循环经济系统可以分为生产者、消费者和还原者。令H_p（p＝1，2，…，g）为循环经济系统中所有的生产过程的集合；H_c（c＝1，2，…，m）为循环经济系统中所有的消费过程的集合；H_r（r＝1，2，…，h）为循环经济系统中所有的还原过程的集合，则g＋m＋h＝n。这里考虑5个目标函数（可根据实际情况增减）：

（1）循环经济系统中的产出收益最大

（2）循环经济系统的还原水平最高

（3）系统的过程尽可能达到综合动态供需平衡

（4）系统能耗降低的最快

其中P（t）＝［p₁（t），p₂（t），…，p（t）_n］′为各个过程的能耗向量，如水、电、煤等，这里考虑消耗能源的总量。

（5）系统的污染最小

约束条件为

其中，a_i（t），b_i（t）≥0（i＝1，2，…，n）。

当然，协调器和各个决策单元的目标函数可以是不一样的。

注：这里目标函数式（5．35）和式（5．36）、式（5．37）追求的是在系统的收益尽可能供大于求的情况下达到动态平衡；目标函数式（5．37）和式（5．39）追求的是在系统的污染尽可能小的情况下达到动态平衡，这与循环经济系统的实际运行情况相符合。这里只是用5个目标函数作为例说明问题，实际运作中可以有所修正。

4）建立非线性多目标动态优化决策模型的步骤

本段将建立协调器和各个决策单元的非线性多目标动态优化决策模型，步骤如下：

（1）为每个目标函数确定期望值E＝（e₁，e₂，…，e_n）′

对每一个目标函数，首先要确定一些希望达到的理想值e_i（i＝1，2，…，n），这些值的确定并不要求十分严格和精确，可以根据以往的历史资料，或根据市场的需求、上级部门的布置等等来确定。显然，这样确定的目标期望值可能是矛盾的，而且一般不可能全部达到，但这对求解问题是无关紧要的。此后就是寻找某个可行解，使这些目标函数的期望值最好地、最接近地得以实现。

同样可以通过将约束条件加上正、负偏差变量使不等式变为等式。

（3）权系数和优先等级

在多目标决策问题中，各个目标的重要程度一般情况下是不完全一样的。在建立目标规划模型时，根据目标的重要程度，可以给每个目标以不同的权系数ω_i及优先等级L_i。在相同的约束条件下，不同的权系数、不同的优先等级将会得到完全不同的最优解。

（4）达成函数

多目标决策问题中的各个目标函数通过引入期望值、正／负偏差变量和权系数及优先等级而被纳入约束条件中。接着要考虑的就是如何选择一个可行的方案（即求出一个可行的解），它使各目标函数的值最接近各自的期望值；也就是说，要使诸偏差变量达到最小值。为此，构造一个新的目标函数，以求得有关偏差变量的最小值（见表5．11）。

表5．11　转换规则

5）智能协调器的运行步骤

该循环经济系统的智能协调器的运行步骤如下：

（1）决策单元根据各自子系统的非线性多目标动态优化决策模型，求解出各自满足控制变量约束条件的最优控制和性能指标值D。

（3）决策单元以最优控制为基本点，在该单元的性能指标值D的一定范围（如5%）内，寻找满意解集M。

（4）协调器以综合最优控制为基本点，在性能指标值f的一定范围（如5%）内，寻找满意解集。

①考虑发出干预信号C，通过调整满意解集的探索点、扩大各个决策单元或协调器的性能指标值的范围（如10%等）、输入新的期望值或重新确定优先级，再寻找满意解集。

②建立循环经济系统的专家系统，结合无锡新区的实际情况，研究制定鼓励循环经济系统协调发展的措施。在考虑综合最优控制时，对于牺牲自己局部性能指标的过程，在产业政策和财税政策等方面给予优惠政策，以促进循环经济系统的全面发展。

智能协调器的整个工作过程如图5．21。

图5．21　智能协调器的运行步骤