基于離散制造系統能量效率難點問題的分析

藍偉文

摘 要：針對制造業能效利用率低引起的環境問題，提出了對離散制造系統能量效率難點問題的探究。首先介紹了離散制造系統能量效率在我國的研究現狀，其次綜述了目前國內離散制造系統能量效率的難點以及在難點問題上現有的研究。最后提出了離散制造系統能量效率在未來的研究重點。

關鍵詞：離散制造系統;能量效率;研究現狀;環境問題

0 引言

制造業一直是我國的重要產業，隨著“中國制造2025”、“互聯網+”等戰略的先后提出，國家更是加大了對制造業的要求。根據國家統計局2015年年鑒，我國制造業能耗占總能耗的82%，而且能耗帶來的環境污染問題日益嚴重，制造業是我國工業領域能量消耗的主體，降低制造業的能量消耗是實現綠色制造的關鍵一步，提升制造系統能量效率（簡稱能效）的利用是完成這關鍵一步的重中之重。放眼世界，各國都把提升制造系統的能耗作為重要的發展戰略，在《中國制造2025》中明確提出重點行業建設單位在保證任務完成的情況下能耗值必須有明顯下降。同時，歐盟也發布了《2030氣候和能源框架》，要求在2030年能源利用率要提高27%。提高制造系統的能效已成為各國的重要發展戰略，并且已經提出相應的機制和應對策略也取得了相應的成效，但在離散制造系統能效的研究上還沒有產生實質的效果，離散制造系統是完成產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品碳足跡評價的基礎，也是尋找制造過程節能方法的途徑[1]，因此，對離散制造系統能效問題的研究具有十分重要的意義。

1 離散制造系統能量效率的研究現狀

當制造系統能效的研究已成為各國的重大發展戰略之時，科學家們在制造系統能效的基礎上提出了離散制造系統能效的研究，對于制造系統能量效率的定義和研究，科學家常從物理-熱力學和經濟-熱力學來給出定義，離散制造系統能量效率是指，在離散制造系統中，其系統消耗能量Ec與系統有效產出Eo的比值[2]。我國于對離散制造系統能效問題的研究起步較晚，前期重視程度遠遠不夠，但在最近幾年的研究當中發現離散制造業節能潛力較大，因此開始加大對離散制造系統能效的研究，對于離散制造系統能效的研究，我國目前主要體現在制造設備、制造工藝、制造產品和制造系統等方面，由于研究時間尚短以及關鍵技術還不成熟，加上前期的重視程度不夠，因此在離散制造系統能耗的研究過程中存在很多難點。

2 離散制造系統能量效率的問題探究

2.1 離散制造系統能效在研究上存在的問題

根據離散制造系統的復雜性和我國科研人員對其能量效率的研究現狀相結合，歸納出了離散制造系統能耗在以下幾個方面存在難點問題：

（1）離散制造系統能量效率的建模問題。制造系統能效建模主要是建立能量、有效產出以及各能耗組件之間的靜態模型，離散制造系統相對于制造系統，其能耗過程相對復雜，在制造過程中存在加工任務多變、加工設備和工藝多樣性、產品及其制造能耗的復雜結構樹特性、產品能耗與設備動態多變的關聯特性等一系列復雜性，因此，在其能效建模上存在較大問題[3]。

（2）離散制造系統能量效率的精細評價問題。離散制造系統加工的產品復雜多樣，使得離散制造系統有效產出的表達困難，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千變萬化，這使得建立完整的設備能耗數據庫十分困難，離散制造系統的精細評價還需要了解其邊界問題和評價指標等參數化問題。因此離散制造系統能效的精細評價問題在研究過程中是一個難點。

（3）離散制造系統高能效多目標優化問題。離散制造系統高能效多目標優化的內涵是綜合考慮時間、成本和質量等經濟性指標的同時來追求能量效率最好。它是一個涉及工藝參數優化、工藝路線優化以及生產調度優化的復雜決策過程。在優化過程中往往存在多變量、多維度、非線性等特點，因此，離散制造系統高能效多目標優化問題是一個研究難點。

2.2 基于離散制造系統能量效率問題的研究

（1）針對離散制造系統能量效率的建模問題存在的研究有：建立機床比能模型、機床及其耗能組件的關聯模型、機床及其主傳動系統的動態模型等。針對生產環境動態化提出基于著色賦時面向對象petri網的建模方法，采用統計離散事件建模方法對加工車間能耗進行建模。

（2）在離散制造系統能量效率的精細評價問題上的研究有：針對歷史能耗分析、專家訪問和短時現場測量。專利CN104808584A能夠初步實現機械加工系統中能量效率的在線評價。

（3）基于離散制造系統高能效多目標優化問題，存在以下研究：構建了工藝路線能效優化模型。建立了工藝路線與生產調度集成多目標優化模型。一些學者還基于粒子群算法和人工蟻群算法上對其進行研究。

3 未來的研究重點

本文主要綜述了離散制造系統能量效率當前的研究狀況、存在的難點問題以及基于這些難點問題的研究，由于離散制造系統能效問題的研究在我國起步較晚，所以一些關鍵技術還不成熟，未來的研究重點應在以下幾個方面展開：

（1）現有對于離散制造系統能效模型研究還難以描述有效產出能耗組件的關聯，在與設備和工藝的動態關聯性上描述也不是很清楚。因此，對于離散制造系統的多能耗源、多層能耗的動態特性應深入研究。

（2）基于離散制造系統能量效率的精細評價問題上的研究得出，只能評價設備在歷史或現場能耗過程中的能量效率，還沒有達到精細評價的要求。應繼續深入離散制造系統能效的研究。

（3）從離散制造系統高能效多目標優化問題的研究可以看出，目前的研究還未能系統的解決多目標優化與優化決策方案穩定性的問題，應該加大離散制造系統高能效多目標優化問題的研究。

參考文獻：

[1]謝俊.機械加工系統能量效率的可預測特性及預測方法研究[J]. 2017.

[2]孫樹權.機械制造系統能效評價的特點、研究現狀及發展趨勢[J]. 大科技，2017（04）.

[3]劉飛.機械加工系統能量特性及其應用[M].機械工業出版社， 1995.