第3章 再生铅物质代谢及协同控制理论基础

3.1 系统学

20世纪40年代奥地利学者冯.贝塔朗菲首次提出系统论概念,指出系统是一个有机的整体,它是由若干个相互联系相互作用的部分组成;系统中的部分被称为系统组成元素或者子系统。系统在特定环境下具备特定的功能。系统论包括了一般系统论、控制理论、信息论、耗散结构理论和合作理论以及系统分析技术。由此可见,系统是由若干元素组成的集合,且组成要素之间相互作用和相互依赖。系统特征表现为要素集合以及各类集合关系。假设S=[R,E],其中S代表系统,R代表系统组成要素,E则代表要素集合关系。通常系统的要素集合关系可以分成四类(即R=R₁∪R₂∪R₃∪R₄),即R₁指系统组成要素相互关系,R₂指系统要素与系统之间的关系,R₃系统与环境关系和R₄系统其他各种关系。任何系统要实现与环境的平衡,则环境对系统存在反馈机制,可以根据反馈对系统输入影响的效果分为“负反馈”和减少系统输入的“正反馈”。这种反馈因研究的系统边界不同而不同,对于系统S是外界环境的反馈,对系统内部则是系统组成要素之间的反馈(见图3.1)。

图3.1　系统边界和要素组成的集合关系

通常作为研究对象的要素集合称之为系统,要素集合的边界则为系统边界,与系统边界密切相关的定义为环境。根据系统与环境之间物质传递将系统分成三类,主要包括了无任何传递的孤立系统、只有能量传递的封闭系统以及物质及能量双传递的开放系统。在工业生产过程中,生产系统需要从环境中输入物质和能量,制造产品的同时将非预期产出(各类废物和无法利用的热能)排入环境。由此可见,工业系统输入端主要以资源和能源消耗为主,输出端废物排放会引起破坏环境平衡造成环境污染。对于工业系统的“反馈机制”则同样存在两种情况:一种系统内部各要素间的反馈机制,主要是由于物质和能量回用和梯级利用,导致前段生产工序输入变化的反馈机制,一般是降低了“系统一次输入”的减少,将其定义为“正反馈”;另一种则是因末端治理对系统输入变化的反馈机制,主要是为了减少系统污染导致“系统二次输入”的增加,将其定义为“负反馈”。

工业系统生产过程即是物质代谢的过程,生产系统通过消耗资源和能源进而生产产品,但受工业生产技术装备水平以及经济成本效益等因素限制,工业生产过程无法实现资源和能源全部有效利用,一部分资源以废物或者副产物的形式伴随着产品生产过程而产生;生产过程中能源消耗除一部分能源未能被生产系统有效利用造成能源浪费之外,同时因能源消耗产生大量污染物质。工业生产过程作为一个完成的系统,其输入端为资源和能源,生产过程消耗了资源和能源生产工业产品,输出端为产品和污染物。因此,对工业生产系统中资源和能源代谢特征和代谢规律的识别和分析,可有效开展工业生产过程资源能源利用效率以及污染物产生和排放特征及其影响要素评估,为工业生产过程开展绿色化水平提升的提供重要分析方法。