化工系统工程

化工系统工程主讲：智科端博士副教授TEL:13948510760Email：[e-mail]内蒙古工业大学化工学院2第一章系统与系统工程一、系统工程的应用举例二、系统三、系统工程四、系统工程方法论3一、系统工程的应用举例•是我国建国以来最大的工程项目，它的论证、组织、实施与管理可以说就是一个庞大的系统工程问题，这项工程涉及到了国家及地方的众多部门，如水利、电力、能源、文物、生态、移民等等，涉及到几个省的上百个县市，同时实施过程要由众多单位共同努力，时间横跨将近20年。三峡水利工程4粮食价格的调整燃料能源价格银行利率外汇牌价一、系统工程的应用举例对于我们今天生活中所关心的各种社会经济问题，如经济改革、价格问题、体制改革及各种政策的出台都是要经过充分的系统的论证，这些都与系统工程有关。例如：5企业的长远规划新产品开发区域规划大项目管理一、系统工程的应用举例将来在我们的实际工作中，我们会遇到许许多多的系统工程问题，比如：6第一章系统与系统工程一、系统工程的应用举例二、系统三、系统工程四、系统工程方法论7公元前古希腊对“宇宙大系统”的认识；我国西周时期的“阴阳二气”及金、木、水、火、土“五行”；东汉时期形成的“二十四节气”；周秦到西汉时期的“皇帝内经”。二、系统系统概念的形成只见森林1.系统的概念8系统概念的形成15世纪下半叶以后：19世纪：辨证唯物主义：“只见树木”具体化“先见森林，后见树木”世界是由无数相互关联、相互依赖、相互制约和相互作用的过程所形成的统一整体。科学系统思想的实质9系统的概念一台机器、一个部门、一项计划、一个研究项目、一种组织、一套制度都可以看成一个系统;系统的存在具有普遍性;系统的概念是相对的而不是绝对的，它没有绝对规模的界限。系统是由两个以上有机联系、相互作用的要素所组成，具有特定功能、结构和环境的整体。101）集合性。系统是由两个以上的可以相互区别的要素所组成。2）相关性。组成系统的各要素之间具有相互联系、相互作用、相互依赖的特定关系。某—要素若发生变化则会影响其他要素的状态变化。3）层次性。一个系统可分解为若干子系统，而子系统还可以分解为亚子系统等等，以致最终可分解为要素，这样就可构成具有特定的空间层次结构。例如一个公司就是由子公司或二级厂(矿)、车间、工段、班组，以及相应的职能部门构成。各层次的子系统相互联系，相互作用，以其特有的功能为统一的目标而相互协调运行。4）整体性。系统不是各个要素的简单拼凑，而是根据特定的统一性要求协调存在于系统整体之中。是具有整体的特定功能和特性。整体性强调要素间的协调与综合，这样才能获得具有良好功能的系统。2.系统的特性115.功能性。功能性是系统的基本特性之一：它表明系统具有的作用和效能，系统的功能以系统的结构为基础。系统的特定结构决定系统的特定功能，系统不同，其功能也不同、这正是区别一个系统和另一个系统的主要标志。人造系统是根据系统目的来设定功能，而自然系统虽无目的但却有功能。6．环境适应性。任何一个系统都存在于一定的物质环境之中，它必然与环境不断地进行物质、能量、信息的交换。外界环境的变化对系统内部要素产生干扰，使要素和要素关系发生变化，从而可能引起系统功能的波动。所以系统必须适应外部环境的变化，这样的系统才更有生命力。系统的特性12开放系统与封闭系统3.系统的分类实体系统与概念系统自然系统与人造系统动态系统与静态系统13(2)美国著名学者H．切斯纳指出：“系统工程认为虽然每个系统都由许多不同的特殊功能部分所组成，而这些功能部分之间又存在着相互关系，但是每一个系统都是完整的整体，每一个系统都要求有一个或若干个目标。系统工程则是按照各个目标进行权衡，全面求得最优解(或满意解)的方法，并使各组成部分能够最大限度地互相适应”。1.系统工程的定义(1)中国科学家钱学森指出：“系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法”，“系统工程是一门组织管理的技术”。至今还没有统一定义14(3)日本学者三浦武雄指出：“系统工程与其它工程学不同之处在于它是跨越许多学科的科学，而且是填补这些学科边界空白的边缘科学。因为系统工程的目的是研究系统，而系统不仅涉及到工程学的领域，还涉及到社会、经济和政治等领域，为了圆满解决这些交叉领域的问题，除了需要某些纵向的专门技术以外，还要有一种技术从横向把它们组织起来，这种横向技术就是系统工程，也就是研究系统所需的思想、技术和理论等体系化的总称。”系统工程的定义(4)《中国大百科全书·自动控制与系统工程卷》指出：“系统工程是从整体出发合理开发、设计、实施和运用系统的工程技术。它是系统科学直接改造世界的工程技术。”15(5)日本工业标准(JIS)规定：“系统工程是为了更好地达到系统目标，而对系统的构成要素、组织结构、信息流动和控制机构等进行分析与设计的技术”。系统工程的定义系统工程是一门研究大规模复杂系统的交叉学科，它是根据整体协调的需要，综合运用各种现代科学思想、理论、技术、方法、工具，对系统进行研究分析、设计制造和服务，使系统整体尽量达到最佳协调和最满意的优化。钱学森提出的现代科学技术体系——四个层次一座桥梁17系统工程研究对象研究对象：不限于物质系统，还包括自然系统、社会经济系统、经营管理系统、军事指挥系统等等。系统工程在自然科学与社会科学之间架设了一座沟通的桥梁。182.系统工程的理论基础•从系统工程的定义可以看出，系统工程是一门跨学科的边缘性交叉学科，它包括自然、社会及工程设计分析等方面的知识，它是由一般系统论、经济控制论、运筹学等学科相互渗透、交叉发展而形成的。193.系统工程与一般工程比较的特点传统工程系统工程研究对象特定的工程物质不局限于特定工程物质，也不局限于物质系统研究方法专业知识各种现代科学知识和专业知识着眼点局部最优整体最优204.系统工程与运筹学区别系统工程：侧重于评价和改进现有系统、设计新系统。运筹学：通常涉及现有系统运营情况，侧重于资源的最优配置。215.系统工程理论的新发展系统工程作为一门交叉学科，日益向多种学科渗透和交叉发展。系统工程作为一门软科学，日益受到人们的重视。225.系统工程理论的新发展复杂适应系统理论（CAS理论）系统工程朝着“巨系统”的方向发展综合集成研讨厅体系构想23四、系统工程方法论它是系统工程思考问题和处理问题的一般方法，把分析对象作为整体系统来考虑，进行分析、设计、制造和使用时的基本思想方法和工作方法。系统工程方法论就是解决系统工程实践中的问题所应遵循的步骤、程序和方法。1.系统工程方法论242.系统工程与传统方法的区别从前面对系统工程的介绍可以看出，系统工程的目标是通过什么样的方法可使系统达到最优，而方法论是把设想付诸实现的过程。对于传统方法，它解决问题的目标往往是单一的，比如设计一个产品或只强调成本低或只强调性能高，而系统工程对目标的考虑需要从系统运行的全过程即时间方面以及在每个阶段中处理问题的特殊思维过程即逻辑方面，并综合运用各种专业知识即知识方面来综合考虑。253.系统工程的三维结构分析霍尔的“三维结构”模式26①时间维a)规划阶段：主要是按照设计要求提出系统目标，制定规划和政策。b)拟定阶段：完成的任务是提出具体的方案，进行系统的初步设计。c)分析阶段：对所设计的方案进行分析、比较。d)运筹阶段：方案的综合选优，确定最优实施方案。e)实施阶段：系统的设计、安装及调试等。f)运行阶段：按照系统预定的用途工作。g)更新阶段：按系统要求实施，取消旧系统，代之以新系统，对系统改进。27②逻辑维a)明确问题：了解问题所处的环境，收集有关的数据和资料，主要目的是弄清问题。b)系统指标设计：确定所要解决问题的目标和相应的评价准则。c)系统方案综合：为实现预期目标，拟定所需采取的策略和应选择的方案。d)系统分析：深入了解所提出的政策措施和解决方法，分析这些措施方法在实施中的预期效果。28②逻辑维e)系统方案的优化与选择：用数学规划等定量的优化方法去判别各种方案的优劣，以进行方案选择。f)决策：以指标体系为评价准则，在考虑决策者的偏好等基础上，选择最优方案。g)实施计划：按决策结果制定实施方案和计划。29③知识维知识维是指各工作步骤所需的各门专业知识，由于系统工程是个综合性的交叉学科，在上述各阶段中，执行任何一步都会涉及多种专业技术，如社会科学、工程技术、法律、商业、医药、艺术等等。304、系统分析简介狭义的解释认为系统分析是系统工程的一项优化技术，是系统工程在非结构化问题决策中的具体应用。系统工程方法论的基础是系统分析技术，系统分析是完成系统工程问题的中心环节;广义的解释认为系统分析就是系统工程，系统分析是系统工程的同义词;315.系统分析的概念及要素•系统分析是运用建模及预测、优化、仿真、评价等技术对系统的各有关方面进行定性与定量相结合的分析，为选择最优或满意的系统方案提供决策依据的分析研究过程。32系统分析的基本概念•系统分析的目的是在于分析系统内部与系统环境之间、系统内部各要素之间的相互依赖、相互制约、相互促进的复杂关系，分析系统要素的层次结构关系及其对系统功能和目标的影响，通过建立系统的分析模型使系统各要素及其与环境之间的协调达到最佳状态，最终为系统决策提供依据。33系统分析的要素（1）问题（2）目的及目标（3）方案（4）模型（5）评价（6）决策者系统工程方法论弄清问题|目标选择|拟定方案|建立模型|系统评价|系统决策|实施系统分析356.系统分析的程序36（1）初步分析•初步分析：What?Why?Where?When?Who?How?问题的目标目标的层次性目标的冲突37目标树XX1X2X338目标冲突和利害冲突•在目标分析过程中，系统分析人员经常会发现，许多关键情况往往是由于存在着相互冲突的分目标造成的。这有两种情况：–一种是纯属专业性质的，即目标冲突问题；–另一种是社会性质的，即利害冲突问题。39目标冲突•例如在进行产品设计时，所可能强调的两个目标：–一是尽可能低的成本–二是尽可能高的质量。•解决办法：–建立一个没有矛盾的目标集，把引起矛盾的分目标剔除掉。–采用所有分目标，寻求一个能达到冲突目标得以并存的方案。40利害冲突•处理的方法：–目标方之一放弃自己的利益；–保持其中一个目标，用其它方式补偿或部分补偿受损方的利益；–通过协商调整目标系统，使之达到目标相容。例如企业在减员增效的过程中就至少有如下两个目标：–一是提高企业的效益–二是保证工作岗位不减员。417.系统分析的原则（1）坚持问题导向；（2）以整体为目标；（3）多方案模型分析和选优；（4）定量分析与定性分析相结合；（5）多次反复进行。烟囱例：发电厂环境工程系统分析锅炉除尘器煤目的：模拟烟囱排放的烟尘和SO2，据此提出最佳治理方案。烟尘超标4.84倍，SO2超标10.84倍8.系统分析举例1．拟定方案：①修建高烟囱120m（目前是45m），投资估算22万；不可行(附近是机场）；②该厂采用的是多管旋风加文丘里除尘器，效率为93.8%，若改用电除尘器，除尘效率将提高到99%，投资70万；而对SO2，可以采用预洗或炉中添加石灰等方法，可行；1．拟定方案：③更换锅炉，投资200万，能降低大约2／3的飞灰，而对SO2没有减少。此外，还可能引起燃烧效率降低。若以降低燃烧效率2％计算，其年经济损失为11.76万元，所以这是一个不理想的可行方案；④改用外地优质煤（目前是用本地区的褐煤）。改用优质煤后，煤尘与SO2的排放量估算分别为85.53kg/h和129.7kg/h，均小于标准量。此外还可节约燃料费191.7万元/年。这是四个方案中比较理想的治理污染的方案。45第二章系统分析一、模型与模型化简介二、系统结构分析技术三、系统仿真46一、模型与模型化简介1、模型及特征模型是现实系统的替代物。模型应反映出系统的主要组成部分、各部分之间的相互关系，以及在运用条件下的因果作用及相互关系。特征：（1）它是现实世界部分的抽象或模仿；（