石磊
从过程系统工程角度思考工业生态学(摘自本人博士后出站报告)
2017-5-5 09:39
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标签:博士后, 工业生态学, 化工系统工程
从过程系统工程角度思考工业生态学(摘自本人博士后出站报告)

工业生态学是运用生态学原理和系统工程方法来集成产品和服务系统的设计、生产、使用以及最终处置整个生命周期的生产和消费两方面,在最优利用资源、能源和资金的同时使环境影响最小化。作为一个涉及科学、技术、经济和社会多个层面的前沿交叉课题,它兴起于90年代初,是人们在思索环境问题的解决以及探求工业系统发展规律的过程中逐渐确立起来的一种理念和方法:认为应当将工业系统纳入到生物圈之中,效法生态系统的演进方式,推动工业体系向生态化方向演进。

工业生态学最为普遍的实践形式是生态工业园区(Eco-Industrial Park, EIP)的建设。所谓EIP是指一个区域性的工业生态系统,园区内不同企业以及企业与其它园区成员之间通过物质和能量的交换及基础设施的共享来实现工业生态学的仿生思想。自20世纪90年代以来,美国、丹麦、法国、荷兰、德国、日本、加拿大等工业发达国家以及印度、菲律宾、纳米比亚等发展中国家纷纷开展了政府层次的EIP建设项目,有关EIP的理论研究也非常活跃。这些工作的目的在于从生态系统的视角考察现有工业体系的各组成部分之间以及它们与生物圈之间的相互关系,探索工业系统中物质和能量利用的各种复杂模式并最终建立起可持续的工业发展体系。因此,探索和建立EIP规划和建设的范式和规程是目前EIP试点项目所追求的主要目标之一。然而,EIP毕竟还是一个新鲜事物,尚没有形成规范的理论框架,规划建设所需的支持方法和工具也较为欠缺。目前,人们一方面热衷于原理和准则层面的理论探讨,如工业生态学的内涵、工业生态与自然生态的类比、实现工业生态所需要的准则等;另一方面,又通过已有工业园区的改造和全新园区的规划,试图从实践中获取成功的经验和失败的教训。总而言之,EIP的研究呈现“两头热”的局面,即在基础理论和实践方面非常活跃,而在框架和方法工具环节则较为冷清,如图1所示。事实上,这一局面是必然的,因为EIP作为一个涉及科学、技术、经济和社会多个层面的复合系统,既不同于着眼于宏观物流分析的经济系统,也不同于着眼于微观物理化学变化的工艺系统。因此,无论是宏观经济领域里基于系统的方法(the systems-basedmethodology),还是工艺系统领域里基于科学的方法(the sciences-basedmethodology)都难以适用于EIP的规划建设。填补这两大类方法之间的鸿沟就成为EIP研究的重点和难点。

幸运的是,以过程系统为研究对象的过程系统工程(Process Systems Engineering, PSE)为此提供了直接的方法和工具。传统的PSE是将系统工程的思想和方法用于解决过程系统的设计、开发、运行和控制等问题。近年来,随着供应链(supply chain)概念的提出和发展,PSE的内涵也随之拓展:PSE is concerned with the  improvement of decision-making processes for the creation and operation of  the chemical supply chain. It deals with the discovery, design, manufacture,  and

1:生态工业园区的研究现状

distribution of chemical products in the context ofmany conflicting goals。因此,PSE在供应链意义上的拓展无疑为EIP的规划建设提供了直接的支持理论和工具。这是因为,EIP的规划和建设需要在特定区域工艺系统内统筹考虑产品的开发、生产和管理等,以往孤立看待问题的做法显然难以胜任,而供应链的提出以及产品生命周期的考虑正是提供了这样的方法和工具。当然,它们之间还存在着差别:1)从研究对象上看,PSE的研究对象是人工系统,而EIP是人工系统和自然系统的有机结合体;2)从时空关系上看,供应链侧重于事件发生的“事理”关系,而“工业食物链”侧重于在EIP上的空间分布。

尽管存在上述差别,但EIP的研究现状以及所依赖的理论基础看,PSE无疑为EIP的规划和管理提供了系统的支持理论和工具。本文尝试从PSE的视角看待工业生态学,看待EIP的规划和建设问题。首先从PSE的范式、范畴和本质三个侧面来详细论述EIP所面临的挑战,然后就框架体系、演化系统和数学化三个重点展开论述。

1.1 从过程系统工程的视角思考工业生态学1.2.1    PSE经典范式

为了有效地处理复杂过程系统的开发、改进和管理,往往有必要建立系统模型来降低其复杂度。因此,PSE在长期的发展过程中已经形成一些经典的范式。图2就示出了一个系统设计(或规划)问题的经典范式,即首先根据给定的设计目标和规范进行系统合成,构造一个或多个初始系统,然后进行系统的分析、建模和模拟,最后进行系统的评估和优化。如果构造的初始系统满足

2:过程设计的经典范式

了所要求的系统特性,则设计活动结束,否则就重复以上步骤。可以看出,合成、建模和评估优化是系统设计的三个关键环节。将EIP规划看作是一个系统设计问题,同样遵循这一经典范式。

然而,EIP不同于PSE传统的研究对象-过程系统,尽管它仍是一个物理系统,但EIP的设计和规划不再单单处理其物理关系,而是还包括其事理关系甚至情理关系。因此,首先面临的一个问题是如果看待EIP工程化与自组织化的关系,也就是要回答以下三个问题:

l  EIP或工业生态系统目标体系的所有联系能否量化?

l  能否用传统的方法模拟工业生态系统的演化,并给出最优调控策略?

l  是否存在工业生态系统的最优化方法,并给出最优结果?

事实上,尽管EIP普遍认为是一个自组织的体系,但工程化的手段和方法仍然不可缺少。换句话说,尽管工程化的方法也许过于机械,但它却是必需的。因此,对其应用上述系统设计的经典范式,要在以下几个方面作出思考:

l 系统合成(EIP要素成员的设计及其相互关系的确定)

l 系统建模(工艺系统和产品系统的耦合建模)

l 系统评估(EIP评估指标体系的确立及其特征值范围的确定)

l 系统优化(优化目标的确定、优化策略的选择)

1.2.2    PSE的范畴

3PSE的研究范畴

Grossmann基于化工供应链的概念提出了PSE的研究范畴,并指出目前PSE无论是在时间尺度上还是在空间尺度上都向两极(即宏观和微观)延伸。显然,这一范畴在宏观方向的进一步延伸就是EIP,如图3所示。这一框图实际上清晰地表示了PSEEIP的关系。可以预计,EIP最终会纳入PSE的研究范畴。在目前的PSE领域里,Grossmann指出PSE最大的挑战在于the discovery of conceptsand models for the prediction of performance and for decision-making for anengineered system. 同样,这也是EIP目前所面临的最大挑战。

EIP范畴下,化工尺度上的各个环节如分子设计、反应路径综合、物质集成、废物交换模拟等都面临新的挑战。

l 分子设计,如何设计环境友好产品以及可持续的产品体系;

l 反应路径综合,其对象不再是优化一个产品的反应路径,而是一个产品体系的反应网络,其工艺路线评价准则不再是孤立的而是EIP范畴下评价等;

l 工业生态链缺失环节的补链,如何寻找“粘接”单元、引入何种产品使EIP的整体性能更优;

l 物质集成,如何在过程系统层次上实现物质和能量的最优化;

l 废物交换模拟,如何从分子层次考虑物流之间的匹配问题。

1.2.3    PSE的本质

过程系统普遍存在着三种形式的流:能量流、物质流和信息流。三种流的优化分别对应于能量集成、物质集成和信息集成。三者都归于过程集成的范畴之下。最初的过程集成是从能量流的角度研究过程系统的设计优化,在七十年代初第二次石油危机后得到了迅猛的发展。进入八十年代后该概念已经扩展,不再仅仅局限于能量流的优化,而是泛指从系统的角度进行设计优化,因此过程集成可看作是过程设计所采用的系统方法和策略,负责过程综合、过程分析和过程优化的相互协调。目前,过程集成技术非常活跃,无论在集成设计策略、集成设计方法及工具,还是在面向工业的实际应用方面都渐趋成熟。

EIP的规划和建设同样也依赖于能量集成、物质集成和信息集成。相比之下,能量集成最为成熟,目前在Totalsite层次上的集成方法和工具较为完善。但物质集成和信息集成面临巨大的挑战。对物质集成而言,如何探究在EIP范畴下的物质集成策略、方法和工具。对信息集成而言,如何运用并行工程、再制造工程、反向工程等理念和工具实现各个子系统之间的协调设计和优化,同时探究工业生态学意义下的信息管理系统也是信息集成的重要内容。除上述三种形式的流之外,资金流的集成也是EIP的考虑内容之一。

1.2 几个重点关注的领域1.2.1    规范框架

EIP的规划和建设就是将各种自然生态因素、技术物理因素、社会文化因素耦合起来,充分考虑物质代谢过程、信息反馈过程、生态演替过程中的等级性、异质性和多样性,达到经济生产、社会生活及自然调节的协调和发展。因此,EIP规划和建设就不单单是纯粹的技术问题,而是涉及科学、技术、管理、法规和政策的综合体。正如在前面所言,EIP目前正处于理论规范时期,有关EIP的政策、管理、技术框架正在酝酿和发展之中。因此,开发和建立这些框架是当前最为紧迫的任务,也是当前研究的热点之一。

1.2.2    演化系统

上面提及工程化方法对于EIP规划和建设是必不可少的,而自组织化方法也倍受青睐。一般认为,EIP是一个演化系统,只有探求其中的演化规律才能真正掌握和指导EIP的规划和建设。目前,有关复杂系统理论正处于蓬勃发展时期。复杂性理论表明:几个简单规则就可演化成一个复杂系统。问题的另一面是:现实生活中的复杂系统(EIP就是其中之一)是否存在这样的少数几条简单规则来支配系统的演化。如果答案是肯定的,那么探求工业发展在时间和空间尺度上的演化模式及其隐含规律就非常重要。

时间尺度:

l 化学工业技术发展的轨迹是什么?其背后隐含的规则是什么?

l 如何预测技术的发展方向?并如何评估新技术的介入时机?

l 化学品出现时间的演化模式是什么?其规律是什么?(这对于研究涉及化学品替代公约(如POPs公约)的对策具有重要意义)

空间尺度:

叶脉和城市交通等网络结构都具有一定的演化模式,尤其是叶脉可以认为是经过自然优化了的网络结构,对这些网络结构的探究有可能对物质网络的设计和优化提供借鉴作用。因此,对物质网络而言,

l 如何表示物质网络?(进行可视化,以便于和叶脉进行类比)

l 什么样的物质网络是稳定的?真正意义上的EIP应具有什么样的物质网络结构?

l 如何借鉴时间尺度上的演化模式来设计空间尺度的物质网络结构?

企业生态系统:

l 工业生态学范畴下企业生态系统的内涵是什么?如何进行企业生态链的辨析和关键影响要素的识别?

l 如何应用复杂性理论进行企业生态系统的建模研究?如何在综合考虑企业系统自然属性和社会属性基础上进行企业生态系统的能量、物质和信息集成?

l 如何确定企业生态系统的评价指标体系?

化学系统:

任一EIP都隐含着一个底层的化学系统。比较自然生态系统,

自然生态系统:食物网-食物链-Emergy-自组织

化学系统    :化学网-化学价态-???-自组织

可以发现,化学系统(微观系统)与自然生态系统(宏观系统)存在着较强的类比关系,但是化学系统中很难应用Emergy的概念来建立生态学中的范式,并应用热力学第四定律探索宏观系统的演化。是否存在类似Emergy的东西,来统一化学系统的生态范式?这是一个值得思考的问题,也许从生态学角度能够给出一个答复。

1.2.3    工业生态学的数学化

l 在系统分析层次上,运用矩阵等数学工具给出独立子系统的识别、系统分隔以及回路断裂等,确立EIP系统分析的基本方法;

l 在系统演化层次上,抽提系统分析给出的信息,如环、简单环路、环指数、等,研究能否确定工业生态系统的特征指标及其特征范围;如何确定工业系统的演化操作;

l 在系统设计层次上,如何确定工业生态系统的优化目标;如何应用复杂性模型来模拟实际系统的演化?如何优化这些系统模型?

1.3 结束语

   工业生态学致力于在空间和时间尺度上从能量流、物质流和信息流三个方面分析和设计工业生产体系。其实质是要将整体论与还原论、定量分析与定性分析、理性与悟性、客观评价与主观感受、纵向的链式调控与横向的网状协调、内禀的竞争潜力和系统的共生能力、硬方法与软方法相结合,强调社会、经济与环境目标的耦合以及时、空、量、构与序的统筹。

      PSEEIP的规划和管理提供了系统的支持理论和工具,并且可以预计EIP最终会纳入PSE的研究范畴。在PSE的视角下,过程工程、产品工程和生态工程具有内在的统一性,三者构成了工业生态学的工程基础。


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