第3章?再生鉛物質代謝及協同控制理論基礎

3.1 系統學

20世紀40年代奧地利學者馮.貝塔朗菲首次提出系統論概念,指出系統是一個有機的整體,它是由若干個相互聯系相互作用的部分組成;系統中的部分被稱為系統組成元素或者子系統。系統在特定環境下具備特定的功能。系統論包括了一般系統論、控制理論、信息論、耗散結構理論和合作理論以及系統分析技術。由此可見,系統是由若干元素組成的集合,且組成要素之間相互作用和相互依賴。系統特征表現為要素集合以及各類集合關系。假設S=[R,E],其中S代表系統,R代表系統組成要素,E則代表要素集合關系。通常系統的要素集合關系可以分成四類(即R=R₁∪R₂∪R₃∪R₄),即R₁指系統組成要素相互關系,R₂指系統要素與系統之間的關系,R₃系統與環境關系和R₄系統其他各種關系。任何系統要實現與環境的平衡,則環境對系統存在反饋機制,可以根據反饋對系統輸入影響的效果分為“負反饋”和減少系統輸入的“正反饋”。這種反饋因研究的系統邊界不同而不同,對于系統S是外界環境的反饋,對系統內部則是系統組成要素之間的反饋(見圖3.1)。

圖3.1　系統邊界和要素組成的集合關系

通常作為研究對象的要素集合稱之為系統,要素集合的邊界則為系統邊界,與系統邊界密切相關的定義為環境。根據系統與環境之間物質傳遞將系統分成三類,主要包括了無任何傳遞的孤立系統、只有能量傳遞的封閉系統以及物質及能量雙傳遞的開放系統。在工業生產過程中,生產系統需要從環境中輸入物質和能量,制造產品的同時將非預期產出(各類廢物和無法利用的熱能)排入環境。由此可見,工業系統輸入端主要以資源和能源消耗為主,輸出端廢物排放會引起破壞環境平衡造成環境污染。對于工業系統的“反饋機制”則同樣存在兩種情況:一種系統內部各要素間的反饋機制,主要是由于物質和能量回用和梯級利用,導致前段生產工序輸入變化的反饋機制,一般是降低了“系統一次輸入”的減少,將其定義為“正反饋”;另一種則是因末端治理對系統輸入變化的反饋機制,主要是為了減少系統污染導致“系統二次輸入”的增加,將其定義為“負反饋”。

工業系統生產過程即是物質代謝的過程,生產系統通過消耗資源和能源進而生產產品,但受工業生產技術裝備水平以及經濟成本效益等因素限制,工業生產過程無法實現資源和能源全部有效利用,一部分資源以廢物或者副產物的形式伴隨著產品生產過程而產生;生產過程中能源消耗除一部分能源未能被生產系統有效利用造成能源浪費之外,同時因能源消耗產生大量污染物質。工業生產過程作為一個完成的系統,其輸入端為資源和能源,生產過程消耗了資源和能源生產工業產品,輸出端為產品和污染物。因此,對工業生產系統中資源和能源代謝特征和代謝規律的識別和分析,可有效開展工業生產過程資源能源利用效率以及污染物產生和排放特征及其影響要素評估,為工業生產過程開展綠色化水平提升的提供重要分析方法。