基于離散制造系統(tǒng)能量效率難點(diǎn)問題的分析

藍(lán)偉文

摘 要：針對(duì)制造業(yè)能效利用率低引起的環(huán)境問題，提出了對(duì)離散制造系統(tǒng)能量效率難點(diǎn)問題的探究。首先介紹了離散制造系統(tǒng)能量效率在我國(guó)的研究現(xiàn)狀，其次綜述了目前國(guó)內(nèi)離散制造系統(tǒng)能量效率的難點(diǎn)以及在難點(diǎn)問題上現(xiàn)有的研究。最后提出了離散制造系統(tǒng)能量效率在未來的研究重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：離散制造系統(tǒng);能量效率;研究現(xiàn)狀;環(huán)境問題

0 引言

制造業(yè)一直是我國(guó)的重要產(chǎn)業(yè)，隨著“中國(guó)制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等戰(zhàn)略的先后提出，國(guó)家更是加大了對(duì)制造業(yè)的要求。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局2015年年鑒，我國(guó)制造業(yè)能耗占總能耗的82%，而且能耗帶來的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，制造業(yè)是我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域能量消耗的主體，降低制造業(yè)的能量消耗是實(shí)現(xiàn)綠色制造的關(guān)鍵一步，提升制造系統(tǒng)能量效率（簡(jiǎn)稱能效）的利用是完成這關(guān)鍵一步的重中之重。放眼世界，各國(guó)都把提升制造系統(tǒng)的能耗作為重要的發(fā)展戰(zhàn)略，在《中國(guó)制造2025》中明確提出重點(diǎn)行業(yè)建設(shè)單位在保證任務(wù)完成的情況下能耗值必須有明顯下降。同時(shí)，歐盟也發(fā)布了《2030氣候和能源框架》，要求在2030年能源利用率要提高27%。提高制造系統(tǒng)的能效已成為各國(guó)的重要發(fā)展戰(zhàn)略，并且已經(jīng)提出相應(yīng)的機(jī)制和應(yīng)對(duì)策略也取得了相應(yīng)的成效，但在離散制造系統(tǒng)能效的研究上還沒有產(chǎn)生實(shí)質(zhì)的效果，離散制造系統(tǒng)是完成產(chǎn)品制造過程的重要載體，深入理解和研究離散制造過程中的能量消耗不但是產(chǎn)品碳足跡評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，也是尋找制造過程節(jié)能方法的途徑[1]，因此，對(duì)離散制造系統(tǒng)能效問題的研究具有十分重要的意義。

1 離散制造系統(tǒng)能量效率的研究現(xiàn)狀

當(dāng)制造系統(tǒng)能效的研究已成為各國(guó)的重大發(fā)展戰(zhàn)略之時(shí)，科學(xué)家們?cè)谥圃煜到y(tǒng)能效的基礎(chǔ)上提出了離散制造系統(tǒng)能效的研究，對(duì)于制造系統(tǒng)能量效率的定義和研究，科學(xué)家常從物理-熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)-熱力學(xué)來給出定義，離散制造系統(tǒng)能量效率是指，在離散制造系統(tǒng)中，其系統(tǒng)消耗能量Ec與系統(tǒng)有效產(chǎn)出Eo的比值[2]。我國(guó)于對(duì)離散制造系統(tǒng)能效問題的研究起步較晚，前期重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，但在最近幾年的研究當(dāng)中發(fā)現(xiàn)離散制造業(yè)節(jié)能潛力較大，因此開始加大對(duì)離散制造系統(tǒng)能效的研究，對(duì)于離散制造系統(tǒng)能效的研究，我國(guó)目前主要體現(xiàn)在制造設(shè)備、制造工藝、制造產(chǎn)品和制造系統(tǒng)等方面，由于研究時(shí)間尚短以及關(guān)鍵技術(shù)還不成熟，加上前期的重視程度不夠，因此在離散制造系統(tǒng)能耗的研究過程中存在很多難點(diǎn)。

2 離散制造系統(tǒng)能量效率的問題探究

2.1 離散制造系統(tǒng)能效在研究上存在的問題

根據(jù)離散制造系統(tǒng)的復(fù)雜性和我國(guó)科研人員對(duì)其能量效率的研究現(xiàn)狀相結(jié)合，歸納出了離散制造系統(tǒng)能耗在以下幾個(gè)方面存在難點(diǎn)問題：

（1）離散制造系統(tǒng)能量效率的建模問題。制造系統(tǒng)能效建模主要是建立能量、有效產(chǎn)出以及各能耗組件之間的靜態(tài)模型，離散制造系統(tǒng)相對(duì)于制造系統(tǒng)，其能耗過程相對(duì)復(fù)雜，在制造過程中存在加工任務(wù)多變、加工設(shè)備和工藝多樣性、產(chǎn)品及其制造能耗的復(fù)雜結(jié)構(gòu)樹特性、產(chǎn)品能耗與設(shè)備動(dòng)態(tài)多變的關(guān)聯(lián)特性等一系列復(fù)雜性，因此，在其能效建模上存在較大問題[3]。

（2）離散制造系統(tǒng)能量效率的精細(xì)評(píng)價(jià)問題。離散制造系統(tǒng)加工的產(chǎn)品復(fù)雜多樣，使得離散制造系統(tǒng)有效產(chǎn)出的表達(dá)困難，其涉及的制造、輔助、裝配等能耗裝備種類繁多且能耗特性不同，加工工藝和加工參數(shù)千變?nèi)f化，這使得建立完整的設(shè)備能耗數(shù)據(jù)庫(kù)十分困難，離散制造系統(tǒng)的精細(xì)評(píng)價(jià)還需要了解其邊界問題和評(píng)價(jià)指標(biāo)等參數(shù)化問題。因此離散制造系統(tǒng)能效的精細(xì)評(píng)價(jià)問題在研究過程中是一個(gè)難點(diǎn)。

（3）離散制造系統(tǒng)高能效多目標(biāo)優(yōu)化問題。離散制造系統(tǒng)高能效多目標(biāo)優(yōu)化的內(nèi)涵是綜合考慮時(shí)間、成本和質(zhì)量等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的同時(shí)來追求能量效率最好。它是一個(gè)涉及工藝參數(shù)優(yōu)化、工藝路線優(yōu)化以及生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化的復(fù)雜決策過程。在優(yōu)化過程中往往存在多變量、多維度、非線性等特點(diǎn)，因此，離散制造系統(tǒng)高能效多目標(biāo)優(yōu)化問題是一個(gè)研究難點(diǎn)。

2.2 基于離散制造系統(tǒng)能量效率問題的研究

（1）針對(duì)離散制造系統(tǒng)能量效率的建模問題存在的研究有：建立機(jī)床比能模型、機(jī)床及其耗能組件的關(guān)聯(lián)模型、機(jī)床及其主傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型等。針對(duì)生產(chǎn)環(huán)境動(dòng)態(tài)化提出基于著色賦時(shí)面向?qū)ο髉etri網(wǎng)的建模方法，采用統(tǒng)計(jì)離散事件建模方法對(duì)加工車間能耗進(jìn)行建模。

（2）在離散制造系統(tǒng)能量效率的精細(xì)評(píng)價(jià)問題上的研究有：針對(duì)歷史能耗分析、專家訪問和短時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。專利CN104808584A能夠初步實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工系統(tǒng)中能量效率的在線評(píng)價(jià)。

（3）基于離散制造系統(tǒng)高能效多目標(biāo)優(yōu)化問題，存在以下研究：構(gòu)建了工藝路線能效優(yōu)化模型。建立了工藝路線與生產(chǎn)調(diào)度集成多目標(biāo)優(yōu)化模型。一些學(xué)者還基于粒子群算法和人工蟻群算法上對(duì)其進(jìn)行研究。

3 未來的研究重點(diǎn)

本文主要綜述了離散制造系統(tǒng)能量效率當(dāng)前的研究狀況、存在的難點(diǎn)問題以及基于這些難點(diǎn)問題的研究，由于離散制造系統(tǒng)能效問題的研究在我國(guó)起步較晚，所以一些關(guān)鍵技術(shù)還不成熟，未來的研究重點(diǎn)應(yīng)在以下幾個(gè)方面展開：

（1）現(xiàn)有對(duì)于離散制造系統(tǒng)能效模型研究還難以描述有效產(chǎn)出能耗組件的關(guān)聯(lián)，在與設(shè)備和工藝的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)性上描述也不是很清楚。因此，對(duì)于離散制造系統(tǒng)的多能耗源、多層能耗的動(dòng)態(tài)特性應(yīng)深入研究。

（2）基于離散制造系統(tǒng)能量效率的精細(xì)評(píng)價(jià)問題上的研究得出，只能評(píng)價(jià)設(shè)備在歷史或現(xiàn)場(chǎng)能耗過程中的能量效率，還沒有達(dá)到精細(xì)評(píng)價(jià)的要求。應(yīng)繼續(xù)深入離散制造系統(tǒng)能效的研究。

（3）從離散制造系統(tǒng)高能效多目標(biāo)優(yōu)化問題的研究可以看出，目前的研究還未能系統(tǒng)的解決多目標(biāo)優(yōu)化與優(yōu)化決策方案穩(wěn)定性的問題，應(yīng)該加大離散制造系統(tǒng)高能效多目標(biāo)優(yōu)化問題的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝俊.機(jī)械加工系統(tǒng)能量效率的可預(yù)測(cè)特性及預(yù)測(cè)方法研究[J]. 2017.

[2]孫樹權(quán).機(jī)械制造系統(tǒng)能效評(píng)價(jià)的特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 大科技，2017（04）.

[3]劉飛.機(jī)械加工系統(tǒng)能量特性及其應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社， 1995.