PSE的起源和发展

为了响应石油等工业的需求，从MIT创立的Unit Operation（单元操作）这门课程开始，化学工程从机械工程中独立出来，成为一门独立的学科。

Process System Engineering （过程系统工程，简称PSE）是化工学科下的一个重要分支，“PSE之父”Roger Sargent最先阐明了PSE的研究内容和方向，从此自成一派。Imperial College London和Carnegie Mellon University等大学是这个方向的领头羊。

根据CMU的PSE介绍，PSE主要研究以下领域：

Optimization

Design

Operation

Control

PSE是一个高度交叉的学科，除了深谙化工基础知识，数学、计算机、电子等学科的内容也必不可少。

研讨会2040 Visions of Process Systems Engineering （全场录像视频）是为了庆祝PSE的泰斗级人物——MIT的George Stephanopoulos教授的70岁生日&退休，他的学生以及徒孙们齐聚一堂，就PSE的发展进行回顾，并且对2040年的PSE发展进行展望。

启示与未来

在这场大牛云集的研讨会里，学者们和从业者们从不同的角度阐述了自己对本领域的展望。尽管Stephanopoulos教授的研究以Computational方向为主，但是演讲者们涉及的领域不可谓不宽广。下面列举几点我认为对我本人非常有启发的思考。

Model-based or Data-based?

随着硬件的发展和计算能力的提高，神经网络和深度学习的流行，数据科学界们对以数据阐释的方式有所偏爱。Yannis Kevrekidis在他的分享里提到，不仅是No Equations，甚至是No Variables, No Parameters, No Space, and No Time，他说：

Who said that observables we use are “the right ones”?
We THINK they are because we UNDERSTAND them

But we can be EQUALLY (or better!) predictive WITHOUT human understanding (veeery medieval)

Do it in DATA DRIVEN, INTRINSIC OBSERVABLES

但是数据的方法是黑箱的，而且没有对模型或者物理原理的涵盖，在工科的角度来看，这是非常“危险”的。于是Costas Pantelides紧随Yannis Kevrekidis之后出来“打脸”，讨论了Process modeling的三个维度：Dimension, Scope, Application。Costas Pantelides认为，Process modeling主要面临三个挑战：Scope, Accuracy, Efficiency，而PSE的贡献集中在最后一个Efficiency的部分。

这也是一个我近年来一直思考的问题。我个人的倾向并不是两个极端，而是结合计算的速度和模型的优势，例如控制领域的Model Predict Control-Iterative Learning Control (MPC-ILC)就是一个很好的例子。

Modeling is Language

一提到语言，除了各种外语，就是Python、Java、C/C++等编程语言，殊不知Modeling也是一种语言，George Stephanopoulos也是这么认为：

They (Computers) do not perform just a mechanistic translation. They possess grammar, syntax, and the rich semantics endowed the words with meaning, and thus highlevel “understanding” of what is described.

各种公式、PFD图纸、控制等等需要被塞到一个框架下进行整合，原本各说各话的Models需要一个统一的语言，只有在这个前提下，最优化才成为一种可能。

Andreas Linninger也为此开发了若干门针对Modeling Language的本科课程。我们需要对语言进行结构，对有效信息进行分析，进行输入和输出。而对于工程师，日常语言和逻辑语言之间的桥梁必不可少。如何将实际情况和需求转化成符号和数字，这是每一个工程师必修的功课。

Control by Design

在我过去的化工专业的学习中，Control和Design似乎的分开的两件事，可以最后直接做简单加法，但是好的Control和好的Design密不可分。例如Shinji Hasebe提到的下面这个控制流量和温度的例子。

下半部分中，每个micro channel各自用两个controller，但是改成上半部分的样子就大大减少了所需的controller个数。这不仅仅的controller个数的减少，对涉及的流程变量的减少也能减少流程的复杂程度。

From Process-centered to Product-centered

香港科技大学(HKUST)的吴嘉名(Ng Ka Ming)教授强调了Product Design的重要性，尽管PSE的侧重点仍然在Process上，但是Product Design和Process Design紧密相关。

Kevin Joback用具体的例子揭示了 Personalized Chemical Products 的前景。他解释，例如剃须泡的喷出和使用就是一个很典型的Process/流体力学/热力学问题，而剃须泡本身又是一个Product，这是消费品普遍具有的属性。不仅生产是process，使用也是process，个性化的消费体验里有很大的蓝海。