Control structure design is an important but tedious step in P&ID development. Generative artificial intelligence (AI) promises to reduce P&ID development time by supporting engineers. Previous research on generative AI in chemical process design mainly represented processes by sequences. However, graphs offer a promising alternative because of their permutation invariance. We propose the Graph-to-SFILES model, a generative AI method to predict control structures from flowsheet topologies. The Graph-to-SFILES model takes the flowsheet topology as a graph input and returns a control-extended flowsheet as a sequence in the SFILES 2.0 notation. We compare four different graph encoder architectures, one of them being a graph neural network (GNN) proposed in this work. The Graph-to-SFILES model achieves a top-5 accuracy of 73.2% when trained on 10,000 flowsheet topologies. In addition, the proposed GNN performs best among the encoder architectures. Compared to a purely sequence-based approach, the Graph-to-SFILES model improves the top-5 accuracy for a relatively small training dataset of 1,000 flowsheets from 0.9% to 28.4%. However, the sequence-based approach performs better on a large-scale dataset of 100,000 flowsheets. These results highlight the potential of graph-based AI models to accelerate P&ID development in small-data regimes but their effectiveness on industry relevant case studies still needs to be investigated.


翻译:控制结构设计是P&ID开发中的重要但繁琐步骤。生成式人工智能有望通过支持工程师来缩短P&ID开发时间。以往关于化学过程设计中生成式AI的研究主要采用序列表示过程。然而,图由于其排列不变性而成为一种有前景的替代方案。我们提出Graph-to-SFILES模型,一种从流程图拓扑预测控制结构的生成式AI方法。该模型以流程图拓扑作为图输入,并以SFILES 2.0符号序列形式返回控制扩展流程图。我们比较了四种不同的图编码器架构,其中一种是本文提出的图神经网络。Graph-to-SFILES模型在10000个流程图拓扑上训练时达到73.2%的前5准确率。此外,本文提出的GNN在编码器架构中表现最佳。与纯序列方法相比,在仅1000个流程图的较小训练数据集上,Graph-to-SFILES模型将前5准确率从0.9%提升至28.4%。然而,在100000个流程图的大规模数据集上,序列方法表现更优。这些结果凸显了基于图的AI模型在数据稀缺场景下加速P&ID开发的潜力,但其在工业相关案例研究中的有效性仍需进一步探究。

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人工智能杂志AI(Artificial Intelligence)是目前公认的发表该领域最新研究成果的主要国际论坛。该期刊欢迎有关AI广泛方面的论文,这些论文构成了整个领域的进步,也欢迎介绍人工智能应用的论文,但重点应该放在新的和新颖的人工智能方法如何提高应用领域的性能,而不是介绍传统人工智能方法的另一个应用。关于应用的论文应该描述一个原则性的解决方案,强调其新颖性,并对正在开发的人工智能技术进行深入的评估。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/ai/
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