基于物质流、能量流与信息流协同的大系统研究

发布时间：2020-09-24 17:55

　　 大系统的运行状态直接关系到经济发展、社会进步、人民生活、国家安危、世界稳定、生态环境等重大问题。在目前全球面临着人口、经济、社会、环境、资源的发展严重不协调的形势下，研究和把握各个领域、各种层次的大系统的动态运行机制，构建其协同模型体系，保证各个大系统之间以及大系统中各个环节之间的高效、稳定、协同发展是实现全球可持续发展进程中的一个具有现实意义的重要课题。 论文将大系统作为主要研究对象，以人口-经济-社会-资源(能源)-环境的可持续协调发展为主线，从学科交叉的角度采用控制论、协同学、熵理论等作为研究的理论基础，通过构建大系统中物质流、能量流与信息流的协同形成机制、协同实现机制以及协同评价机制研究了复杂大系统协同演化的一般规律。论文主要开展了以下5个方面的研究工作，并取得了一些有意义的研究成果。 (1)尝试性地将广义热力学中的“势”、“阻”、“(火用)”等概念运用于大系统中物质流、能量流和信息流的流动网络结构及其流动过程中基本特性的研究与分析，建立了物质流、能量流和信息流的递阶层次网络结构。认为物质流、能量流和信息流具有流通性、层次性、相关性和“(火用)”特性等基本特性。并在此基础上给出了大系统中物质流、能量流和信息流的一般数学描述； (2)运用协同学理论，耗散结构理论等自组织理论以及系统的有序性来分析大系统中物质流、能量流和信息流之间的协同关系和协同机理。认为推动系统从无序向有序、从低级有序向高级有序演化的内外动力(内外原因)都与物质流、能量流与信息流有关，其外部动力(外部原因)是系统与外界环境之间的物质流、能量流与信息流的相互流动，而内部动力(内部原因)是系统内部各元素、各环节、各子系统之间的物质流、能量流与信息流的相互流动。通过信息流支配下形成的物质流、能量流与信息流之间的协同运动可以使得大系统中各元素、环节或子系统之间形成某种协同效应，进而获得大系统在某一特定时间、空间、功能和目标下的特定有序结构； (3)探索性地将控制论和协同学以及耗散结构理论结合起来从硬控制和软控制两方面研究了大系统的协同实现机制，构建了一种基于信息流反馈机制的二级递阶协同控制系统。协同控制系统中利用信息流正负反馈作用，并选择适当的系统内部序参量以及系统外部的控制参数使物质流子系统、能量流子系统和信息流子系统按照系统总熵变小于0的既定目标进行协同，在实现各个子系统协同的基础上，最终实现大系统的协同化、有序化和最优化； (4)从流通水平、序参量以及熵的角度构建了3种物质流、能量流与信息流的协同(度)评价模型。其中基于流通水平的协同度评价模型简单易懂，但在实际过程中存在量化困难的问题；基于序参量的协同评价模型能够较准确地反映出系统协同的内涵，同时在计算过程中能够有效减少在模型求解中的困难，但缺点是难以确定大系统的真实序参量；基于熵的协同评价模型由于同时考虑了系统的结构有序度和功能有序度，因此较其它协同评价模型而言更全面、更科学、更准确，但计算过程较为繁琐； (5)最后将研究结果运用于钢铁企业的演化研究中，研究了钢铁企业中物质流、能量流与信息流的协同形成机制、协同实现机制以及协同评价机制，认为钢铁企业未来的演化发展方向是向信息化、绿色化、生态化的有序状态发展。其中对钢铁企业2001年—2006年间的协同度进行了评价，评价结果与我国钢铁企业实际发展的趋势基本吻合。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2009
【中图分类】：N941.4
【部分图文】：

器之间及各车间(分厂)之间的管道、辊道、铁路、铁水包、钢水包等运输线路、运输设备、超重装置、储存容器等为流动路径，构成了钢铁企业中纵横交错的多维的物质流一能量流一信息流复合流通网络，如图6一1所示。钢铁生产流程物质流五吓能量流EF信息流IF物质流五任能量流EF信息流正O:节点—;流动路径\广与一:流动运行中的各股流图6一1钢铁企业中物质流一能量流一信息流复合流通网络示意图1223]殷瑞钮院士1223]把钢铁制造流程看作是一个集成了物质流管制、能量流管制、信息流管制的多维数、多层次、多目标的工程系统。并认为钢铁制造流程性能结构的本质是物质状态转变、物质性质控制、物质流管制在时间、温度和空间上的融合、贯通、协调和控制，即一种多因子(多维)的过程物质流管制系统。并概括出了钢铁企业的多因子(多维)过程物质流系统的数学描述(详见文献【223〕)。总之，钢铁制造流程是具有由“资源流(物质流、能量流、信息流)”、“节点”和“流通路径”整合在一起构成的物质一能量一信息在时间尺度、空间尺度、功能尺度上的宏观

畚仭咋!飞;熬攫龚赞洋图6一3钢铁企业中典型的能流示意图6.2.3钢铁企业中的信息流网络钢铁制造流程的特点是串联作业、工序集成制造，只要存在联系必定产生信息。因此，在钢铁制造流程中发生的一系列物质流、能量流在流动过程中发生的物理化学的转变、转换、储运和过程等行为或事件中，必然伴随着大量信息的发生。这些信息作为动态调控钢铁制造流程中各个功能因素的纽带，伴随着物质流和能量流的流动而形成信息流网络。钢铁企业中的信息流包括跟物质流有关的各种物流信息、物流管理信息、生产效绩信息、生产计划信息、生产销售信息、物质调度信息、产品库存信息、市场信息等;与能量流有关的各种能流信息、能源管理信息、能源调度信息、能源市场信息、能源利用信息、能源损耗信息、能量回收信息、能量转换信息等;以及在企业运行过程中的运行安全信息、运行故障信息等。同样，这些信息以各个工序或设备、或工厂、或部门单位为节点，在各个节点之间相互流通形成钢铁企业的信息流网络。综上所述，钢铁企业中的物质流、能量流与信息流之间的关系是非常紧密的。一方面，各种生产物质流与能量流在时间上的路径反映了钢铁企业生产流程运行中的动

【引证文献】

相关期刊论文 前1条

1 陈端吕;李际平;;斑块耦合网络:景观评价的功能流视角[J];中南林业科技大学学报;2013年01期

相关博士学位论文 前2条

1 黄成毅;成都平原耕地资源系统协同性分析与调控研究[D];四川农业大学;2011年

2 陈娟;科技资源共享系统自组织运行机制研究[D];哈尔滨工程大学;2011年

本文编号：2826066