流程型制造流程的本质与共性规律_殷瑞钰.pdf

书书书第 卷 第期 年月钢铁 ，：流程型制造流程的本质与共性规律殷瑞钰（钢铁研究总院有限公司，北京 ）摘要：从开放动态系统整体运行的观点出发，提出流程型制造流程是由相关的异质异构的工序装置通过一系列链接件（“界面”技术群）集成构建起来的工程系统；讨论了流程型制造流程耗散结构的集成构建过程，提出了流程型制造流程动态运行的物理本质及其工程化模型，揭示了制造流程动态运行的本构特征；归纳了制造流程的工程设计和生产运行过程中“虚”“实”结合的理念及其工程哲学意蕴，提出了“流”乃本体，以“流”观化的基本观点。关键词：制造流程；耗散结构；物理本质；工程化模型；本构特征；工程哲学意蕴；共性规律文献标志码：文章编号：（）（，）：，：；作者简介：殷瑞钰（），男，中国工程院院士；：；收稿日期：对流程工业而言，如何将流程制造业的各种复杂事物、复杂现象抽象出类似“纯粹性的试验条件”，即典型的、“纯粹”的物理模型，是一个核心的理论问题。从该模型中抽象出来的概念应是流程工程学这一工程科学领域理论的共性特征及规律的体现。在物理学中的力学领域里，将一切不同形式的物体都以“质点”的概念来概括，不论其小到原子还是大到天体、宇宙体系。同样，在制造流程中，可以将一切不同类型、不同状态的物质运动都看成是“流”。“流”是泛指在开放系统中发生和运行变化着的各种形式的“资源”和或“事件”“流动”和“流变”。在流程制造业的生产流程中，“流”一般可分为三种，即物质流、能量流、信息流。制造流程中，“流”的运动过程会涉及“五维”物质、能量、信息、时间、空间。即物质流、能量流、信息流“三流”在特定的时间、空间体系中按“序”、“循网”地动态有序、协同连续运行，其过程是不可逆的耗散过程。由上述认识，可以从理论上推导出制造流程动态运行的物理本质及其工程化模型、本构特征以及工程哲学意蕴。制造流程动态运行的物理本质从作业方式上看，制造业一般可以分为两类：流程型制造业和离散型制造业。流程型制造业（流程工业）包括钢铁、有色金属、石化等各类化工、水泥、玻璃、陶瓷、造纸等各类工业，其个性特征见表。钢铁第 卷表流程制造业不同行业的个性特征 制造流程物质性质物质状态过程物质流作业线规模水泥硅酸盐类固态为主固相物质流 石化碳氢化合物（烃类）气相液相为主流体物质流 钢铁铁素（铁矿石废钢铁）固相液相气相多相共存多相物质流 制造流程是开放的、动态运行的，制造流程动态运行的物理本质可以表述为：物质流（对钢厂而言主要是铁素流）在能量流（长期以来主要是碳素流）的驱动和作用下，按照设定的“程序”（例如生产作业指令等信息流），沿着特定的流程网络（例如制造流程图、总平面图等）做动态有序的运行，反映出“流”的耗散现象、耗散过程，并实现事关耗散的多目标优化（图）。优化的目标包括了产品优质、低成本，生产高效顺行，能源使用效率高、能源消耗低，污染物排放少、环境友好（绿色低碳）等。因此，不难理解流程的物理本质是多因子的物质流和能量流按照信息流设定的程序沿着流程网络做动态有序的运行。“流”的演变和流动是制造流程运转的核心 “流”乃本体，以“流”观化。图制造流程的概念与要素示意 制造流程的工程化模型对于流程制造业的生产工艺过程（制造流程）而言，制造流程是由相关的异质异构的工序装置通过一系列链接件（“界面”技术）集成整合而成的。集成意味着在多元事物之间相互作用、相互促进、相互制约的过程中所形成的结构化关联的综合优化，也就是耗散结构的建构与优化。其工程化模型的结构性机理一般可以作如下概括。（）流程型制造流程的运行机理是：开放系统中物质、能量和信息在特定的时空边界内的流动流变过程，确切地讲是在特定结构内（即某种耗散结构）流动流变的耗散过程。流程物理系统结构中的每一节点（工序装置）都是有物理输入输出的，从而体现出物质流、能量流和信息流流动流变的耗散过程；节点与节点之间以不同方式的“界面”技术连接，形成物质流网络、能量流网络和信息流网络 “三网”，并通过发生不同的非线性相互作用实现动态耦合。流程型制造流程动态运行的物质流、能量流、信息流在与之相应的“三网”中相互关联并协同运行，实现在特定环境条件下的耗散过程优化 过程耗散“最小化”。“三流”融合、“三网”协同优化是实现多目标综合优化的有效路径。（）流程型制造流程是一个复杂的工程实体系统，其动态运行机理表明：它是在一个人工构建（设计）的耗散结构内运行的耗散过程。作为制造流程动态运行框架的耗散结构是由三类不同形式的结构化机制经过综合集成而构建出来的：）具有不同过程之间多尺度嵌套性的层次结构（纵向集成性），即从原子分子层次、工序装置层次、制造流程层次之间不同类型过程的多尺度嵌套性动态运行集成结构（图）。）上、下游工序装置间衔接匹配的链接结构（横向集成性）（图）。）整体协同运行的网络结构（包括静态网络框架、动态运行路线）的集成优化（图）。（）制造流程物理系统宏观运行的要素。由制造流程动态运行物理本质可以揭示出动态运行的要素如下。流：“流”是泛指在开放系统中发生和运行变化着的各种形式的“资源”和或“事件”。“流”体现为物质流、能量流、信息流三种，也就是三类“矢量”。具体体现为异质异构的相关工序装置（节点）的物理输入输出，从而形成了“流”；不同节点之间是相互关联非线性耦合的，为了使“流”动态有序、协同持续运行，必须通过构建“三网”，也就是必然需要一系列的“界面”技术使之关联耦合。流程网络：流程网络是由节点（工序装置）和连接线弧（链接件、“界面”技术）集成组合而成的某种几何图形。对制造流程的“三网”而言，物质流网络是“本”，与之关联的还有能量流网络、信息流网络；工程设计固定了制造流程的静态网络框架（其中包第期殷瑞钰：流程型制造流程的本质与共性规律图流程型制造流程内不同过程之间多尺度嵌套性的层次结构 图流程型制造流程中上、下游工序装置间衔接匹配的链接结构 图流程型制造流程动态协同运行的网络结构 括了一系列“界面”技术），生产运行过程的计划指令决定了动态运行路线；流程网络是“流”（矢量）运行的时空边界和体现自组织性的关联纽带。运行程序：运行程序是制造流程内在自组织性与外部他组织力的结合和体现；“三流”的运行程序都具有层次性、结构关联性和综合集成性。（）制造流程（物理系统）结构优化要通过节点节点之间传递、匹配、协同、缓冲等手段来实现，这将涉及工序装置（节点）的功能、容量和数量等方面参数的优化；工序装置（节点）间“界面”技术的分维分形优化；全流程网络简捷化、协同化推进，并实现物质流能量流信息流三个网络协同优化。上述关于制造流程的工程化模型的描述将引起工程设计理论和方法的革新。工程设计不仅要设计制造流程的静态框架结构，而且还应考虑到“流”的动态运行轨迹的优化。（）制造流程物理系统的功能定位。以钢铁制造流程为例，从钢铁制造流程动态运行的物理本质出发，可以清楚地看到钢铁制造流程的功能应该是：）铁素流运行的功能 钢铁产品制造功能；）能量流运行的功能 能源高效转换和及时回收利用功能；）铁素流能量流相互作用过程的功能 实现制造过程工艺目标以及与此相应的废弃物消纳处理功能。这三个功能体现了时代性命题（绿色化、智能化和品牌化），即市场竞争力和可持续发展力。工程化模型的研究体现着制造流程耗散结构的建构与优化。制造流程的本构特征通过工程化模型解析，可以认识到制造流程是由相关而异质异构的单元工序通过一系列“界面”技术的集成、整合作用构建而成的整体过程群。这个过程群具有多单元、多界面的衔接匹配、动态耦合钢铁第 卷的协同持续性，同时还具有多尺度、多层次嵌套的纵向集成性。可见，制造流程的物理结构（特别是静态结构）具有网络化整合的特征，即是由不同的节点（单元工序装置）通过连接线弧（“界面”技术）构建而成的网络（图形），以此为基础，进而通过该物理结构的内在自组织性（内在的物理结构信息）和人为输入的他组织“力”（人工输入的信息指令），使制造流程整体进行动态有序、协同持续地动态运行，即制造流程运行的本构特征是“三流”（物质流、能量流、信息流）在“三网”（物质流网络、能量流网络、信息流网络）中，通过特定的“运行程序”进行持续运行的耗散过程、耗散现象。其中多单元、自复制，多界面的匹配衔接、非线性耦合的自适应、自生长，以及多层次、多尺度嵌套、整合（纵向自适应、自生长）是形成静态网络和动态运行结构的物理机制。这就是耗散结构的形成。由此，可以反证制造流程动态运行的耗散过程是：一组输入流（物质流、能量流、信息流）通过人工构建的“流程网络”（“三网”：物质流网络、能量流网络、信息流网络），按照设定的“运行程序”，动态有序、协同持续地运行，并实现多目标优化，。其本质是“三流”在耗散结构中运行的耗散过程、耗散现象，即物质流在能量流的驱动和作用下，按照设定的“运行程序”沿着人工设计的“流程网络”作动态有序、协同持续的运行过程。一般而言，流程型制造流程的本构特征是指制造流程系统的结构框架、关联机制、信息和宏观动态性质的反映。制造流程的本构特征可定义为制造流程静态框架结构和动态运行轨迹的总和，具有开放动态系统中自复制、自适应与自生长等自组织特征。具体归纳如下。（）制造流程是一种开放复杂的工程系统，流程是由若干相关的但又异质、异构的自复制制造（工序装置）单元通过相互自适应的一系列链接件（“界面”技术群）非线性相互作用集成构建起来的持续自生长工程系统（图和图）。（）自复制制造（工艺）单元群分别以间歇运行、连续准连续运行等不同方式运行，并各自都有物理输入输出，存在着联网运行的相互自适应现象。（）制造流程在其规划、设计、建构、运行过程中，一般都是以工序装置、车间为基本单元的（即节点），然而，要构成整体动态运行制造流程，必须要用运筹学、图论、排队论、博弈论的概念和方法，以利对节点节点之间的链接关系、层次关系作出合理的、相互适应的安排，这就引出了与之相关的“界面”技术。制造流程不是各个自复制制造单元（节点）简单随机相加而成，自复制制造单元（节点）之间的联网是由链接单元以“界面”技术的形式出现。其数学表达式为（）（，）（）式中：为制造流程；为自复制制造单元（节点、工序装置）；为“界面”技术，。图制造流程内不同层次的非线性相互作用 第期殷瑞钰：流程型制造流程的本质与共性规律“界面”技术是指制造流程中相关制造单元（工序）之间的衔接匹配、协调缓冲技术以及相应的装置、网络和调控程序等。不仅包括工艺、装置，而且包括时空配置、运行调控等一系列技术和手段，进而能够促进物质流、能量流和信息流的运行优化。换言之，“界面”技术优化能促进相关的、异质异构的一系列制造单元（工序）之间非线性相互作用关系的优化，如传递遗传关系、时空配置关系、衔接匹 配 关 系、缓 冲链 接 关 系、信 息调 控 关系等。“界面”技术是制造流程结构的重要组成部分，是描述制造流程宏观运行行为的动力学方程中的诸多非线性项；“界面”技术的本质是要使制造流程内所有节点节点之间（的非线性项）形成集成协同运行的“耗散结构”，涌现出卓越的功能和效率，并实现“耗散结构”中“流”的“耗散过程”优化。“界面”技术应体现动态有序、协同连续的运行特征，“界面”技术既有“硬件”，又有“软件”；以钢铁制造流程为例，“界面”技术是广泛存在的，如图所示。此外，尚有诸多“亚界面”技术的存在。图钢铁制造流程中的“界面”技术 “”“界面”技术优化的路径一般有：节点节点间链接结构的简化；节点间序参量协同优化；不同层次的节点间嵌套结构协同优化；整体动态有序运行过程中节点间信息传递高效化。为了构建流程型的数字物理融合系统（），构建一个能充分表达制造流程宏观动态运行内在物理机制的物理模型是重要基础之一，即构筑一个合理的物质流、能量流、信息流渠道及其网络。其中，一系列“界面”技术的合理表达和优化是不可忽视的重要组成部分，必须加以深入研究。（）制造流程联网动态运行应在一定的运行规则约束下进行，运行规则是运行软件的重要构成部分；对钢铁工业而言，钢铁制造流程的动态运行应遵循如下条规则：）间歇运行的工序、装置要适应、服从准连续连续运行的工序、装置动态运行的需要。例如，炼钢炉、精