蓝伟文

摘 要：针对制造业能效利用率低引起的环境问题，提出了对离散制造系统能量效率难点问题的探究。首先介绍了离散制造系统能量效率在我国的研究现状，其次综述了目前国内离散制造系统能量效率的难点以及在难点问题上现有的研究。最后提出了离散制造系统能量效率在未来的研究重点。

关键词：离散制造系统;能量效率;研究现状;环境问题

0 引言

制造业一直是我国的重要产业，随着“中国制造2025”、“互联网+”等战略的先后提出，国家更是加大了对制造业的要求。根据国家统计局2015年年鉴，我国制造业能耗占总能耗的82%，而且能耗带来的环境污染问题日益严重，制造业是我国工业领域能量消耗的主体，降低制造业的能量消耗是实现绿色制造的关键一步，提升制造系统能量效率（简称能效）的利用是完成这关键一步的重中之重。放眼世界，各国都把提升制造系统的能耗作为重要的发展战略，在《中国制造2025》中明确提出重点行业建设单位在保证任务完成的情况下能耗值必须有明显下降。同时，欧盟也发布了《2030气候和能源框架》，要求在2030年能源利用率要提高27%。提高制造系统的能效已成为各国的重要发展战略，并且已经提出相应的机制和应对策略也取得了相应的成效，但在离散制造系统能效的研究上还没有产生实质的效果，离散制造系统是完成产品制造过程的重要载体，深入理解和研究离散制造过程中的能量消耗不但是产品碳足迹评价的基础，也是寻找制造过程节能方法的途径[1]，因此，对离散制造系统能效问题的研究具有十分重要的意义。

1 离散制造系统能量效率的研究现状

当制造系统能效的研究已成为各国的重大发展战略之时，科学家们在制造系统能效的基础上提出了离散制造系统能效的研究，对于制造系统能量效率的定义和研究，科学家常从物理-热力学和经济-热力学来给出定义，离散制造系统能量效率是指，在离散制造系统中，其系统消耗能量Ec与系统有效产出Eo的比值[2]。我国于对离散制造系统能效问题的研究起步较晚，前期重视程度远远不够，但在最近几年的研究当中发现离散制造业节能潜力较大，因此开始加大对离散制造系统能效的研究，对于离散制造系统能效的研究，我国目前主要体现在制造设备、制造工艺、制造产品和制造系统等方面，由于研究时间尚短以及关键技术还不成熟，加上前期的重视程度不够，因此在离散制造系统能耗的研究过程中存在很多难点。

2 离散制造系统能量效率的问题探究

2.1 离散制造系统能效在研究上存在的问题

根據离散制造系统的复杂性和我国科研人员对其能量效率的研究现状相结合，归纳出了离散制造系统能耗在以下几个方面存在难点问题：

（1）离散制造系统能量效率的建模问题。制造系统能效建模主要是建立能量、有效产出以及各能耗组件之间的静态模型，离散制造系统相对于制造系统，其能耗过程相对复杂，在制造过程中存在加工任务多变、加工设备和工艺多样性、产品及其制造能耗的复杂结构树特性、产品能耗与设备动态多变的关联特性等一系列复杂性，因此，在其能效建模上存在较大问题[3]。

（2）离散制造系统能量效率的精细评价问题。离散制造系统加工的产品复杂多样，使得离散制造系统有效产出的表达困难，其涉及的制造、辅助、装配等能耗装备种类繁多且能耗特性不同，加工工艺和加工参数千变万化，这使得建立完整的设备能耗数据库十分困难，离散制造系统的精细评价还需要了解其边界问题和评价指标等参数化问题。因此离散制造系统能效的精细评价问题在研究过程中是一个难点。

（3）离散制造系统高能效多目标优化问题。离散制造系统高能效多目标优化的内涵是综合考虑时间、成本和质量等经济性指标的同时来追求能量效率最好。它是一个涉及工艺参数优化、工艺路线优化以及生产调度优化的复杂决策过程。在优化过程中往往存在多变量、多维度、非线性等特点，因此，离散制造系统高能效多目标优化问题是一个研究难点。

2.2 基于离散制造系统能量效率问题的研究

（1）针对离散制造系统能量效率的建模问题存在的研究有：建立机床比能模型、机床及其耗能组件的关联模型、机床及其主传动系统的动态模型等。针对生产环境动态化提出基于着色赋时面向对象petri网的建模方法，采用统计离散事件建模方法对加工车间能耗进行建模。

（2）在离散制造系统能量效率的精细评价问题上的研究有：针对历史能耗分析、专家访问和短时现场测量。专利CN104808584A能够初步实现机械加工系统中能量效率的在线评价。

（3）基于离散制造系统高能效多目标优化问题，存在以下研究：构建了工艺路线能效优化模型。建立了工艺路线与生产调度集成多目标优化模型。一些学者还基于粒子群算法和人工蚁群算法上对其进行研究。

3 未来的研究重点

本文主要综述了离散制造系统能量效率当前的研究状况、存在的难点问题以及基于这些难点问题的研究，由于离散制造系统能效问题的研究在我国起步较晚，所以一些关键技术还不成熟，未来的研究重点应在以下几个方面展开：

（1）现有对于离散制造系统能效模型研究还难以描述有效产出能耗组件的关联，在与设备和工艺的动态关联性上描述也不是很清楚。因此，对于离散制造系统的多能耗源、多层能耗的动态特性应深入研究。

（2）基于离散制造系统能量效率的精细评价问题上的研究得出，只能评价设备在历史或现场能耗过程中的能量效率，还没有达到精细评价的要求。应继续深入离散制造系统能效的研究。

（3）从离散制造系统高能效多目标优化问题的研究可以看出，目前的研究还未能系统的解决多目标优化与优化决策方案稳定性的问题，应该加大离散制造系统高能效多目标优化问题的研究。

参考文献：

[1]谢俊.机械加工系统能量效率的可预测特性及预测方法研究[J]. 2017.

[2]孙树权.机械制造系统能效评价的特点、研究现状及发展趋势[J]. 大科技，2017（04）.

[3]刘飞.机械加工系统能量特性及其应用[M].机械工业出版社， 1995.