過程系統工程(學科)

過程系統工程（Process Systems Engineering,簡稱PSE）是一門正在迅速成長的現代交叉學科，它是在系統工程、化學工程、過程控制、計算數學、信息技術、管理科學等學科的基礎上產生的一門綜合性學科 ,它以處理物料流—能量流—信息流—資金流的過程系統為研究對象，研究其設計、控制、運行和組織管理，目的是在總體上達到最最佳化。過程系統的工業背景就是化學、冶金、製藥、食品飲料、造紙等流程加工的過程工業。 過程系統工程在我國建設循環經濟、節約型社會，改善我國能源利用，以及在我國工業企業信息化方面均起著不可替代的重要作用。

基本介紹

• 中文名：過程系統工程
• 外文名：（Process Systems Engineering
• 簡稱：PSE
• 學科類型：交叉學科

從我國能源發展看PSE的作用

國家能源發展戰略明確提出了“節能優先，效率為本”。這包含兩個層面的內容，一方面要把千方百計節能提到第一位，最大限度地減少能源消耗；另一方面要樹立科學發展觀，“科學用能”，這是保證能源持續供應、提高能源利用效率和降低污染排放的關鍵途徑，是建設資源節約型社會的重要保障。

主要內容

節能和科學用能都是PSE研究的主要內容， PSE已在這方面做出了重要貢獻，例如，大連理工大學過程系統工程研究所以“過程系統能量集成策略”，指導實施過程系統用能診斷、發現瓶頸、解瓶頸，實現生產裝置節能與擴容、經濟與環境的同步最佳化。該項技術已成功套用於大連、大慶、吉林等大型石化企業20餘套，其中已在吉化公司、撫順石化分公司和遼陽石化分公司實施8項，可達到節能10-20%及擴產20-30%的效果，每年已創經濟效益8000萬元，改造投資回收期在一年以內。例如，將化工原料轉移到我國相對比較豐富的煤和可再生生物資源，開闢符合我國國情的新化工路線，具有重要意義。PSE的過程綜合理論和工具為新工藝路線的開發提供了有力手段。

PSE為我國提供理論指導

過程工業發展貫徹循環經濟理念，具體體現五個方面特徵：具有產業循環特徵；資源消耗低；三廢排放少；擁有高新技術支撐體系；實現經濟效益和社會效益的最大化。這正是PSE中過程集成和過程綜合的研究課題，並且已經取得了許多有價值的成果，例如，生態工業園區的建設。我國“十五”期間進行了一批生態工業園建設試點，“十一五”期間將建設一批《化工園區》，實現生產裝置的集約化經營，園區的基礎設施、物流設施、交通運輸、三廢處理、信息化建設等進行統一規劃和建設，可以提高對原料和能源的綜合利用率，降低成本，實現經濟效益和環境效益的最大化，體現循環經濟的優勢。而其所使用的理論方法正是過程系統工程。清華大學生態工業研究中心的主要骨幹力量就是從過程系統工程所轉過去的，幾年來他們為我國第一批生態工業園區的建設做出了重要貢獻。

從我國工業信息化建設看PSE的作用

十六大提出：“要堅持以信息化帶動工業化，以工業化促進信息化，走出一條科技含量高、經濟效益好、資源消耗低、環境污染少、人力資源優勢充分發揮的新型工業化路子。”這也是我國21世紀過程工業發展的必然道路。要實現我國過程工業信息化必須要有理論指導，這個指導理論就是過程系統工程。

在生產製造方面：

過程先進控制的理論和方法是保證製造過程自動化的根本；系統模擬和最佳化是生產操作最佳化的基礎技術；只有建立在裝置模型化的基礎上才有可靠的生產故障診斷和安全監督管理；基於動態模擬的虛擬現實技術是操作工仿真培訓的基礎；生產製造執行系統(MES)信息集成平台則是多種PSE技術手段的集成。

在科研開發方面：

分子模擬為化學新產品開發帶來新機遇；發展產品工程和建立計算機輔助產品設計平台將大大加快新產品開發速度；物性資料庫建設將為設計和研究可持續發展的新產品和新工藝提供廣泛服務；計算流體力學（CFD）的推廣套用為在複雜的流場中同時發生傳質、傳熱和化學反應這類數學模擬的難題提供了有力的解決工具。

在設計方面：

大力發展過程綜合的方法將會使我們突破傳統工藝流程，找到經濟效益好、資源消耗低、環境污染少的新工藝過程；綠色過程系統工程方法的發展使我們有可能設計出可持續發展的新型化工廠、冶金廠或製藥廠；“考慮環境的化工計算機輔助設計平台”的開發將提供全新的設計工具。

在企業經營管理方面：

這正是PSE當前研究的重點，即要使21世紀的過程工業企業的經營管理決策實現既實時快速又科學量化的目標，這就需要一方面有實時數據的支持；另一方面有正確的數學模型可以計算。這也正使PSE由單純的工程科學轉化為工程科學與管理科學的結合。象供應鏈管理SCM和企業資源管理ERP就是這類PSE技術。

PSE在我國的現狀

我國在上世紀80年代初期，幾乎與國際上同步開始了過程系統工程的研究，首先在一些重點高等院校的化工系成立了一批化工系統工程教研組，編寫和翻譯出版了一批教科書、參考書。90年代初在中國系統工程學會主席錢學森建議下成立了以成思危為主任委員的“過程系統工程專業委員會”，當時這個委員會橫跨11個部委（行業）。在成思危副委員長的倡導和推動下，2004年1月在我國昆明成功地召開了“第八屆國際過程系統工程會議”，會議由中國石化股份公司、清華大學、中國石油天然氣股份公司和中國系統工程學會主辦。這次會議是國際過程系統工程組織第一次在中國舉辦的重要國際會議。會議代表達到310人，其中來自美國、英國、德國等20個國家和地區境外代表123人，主要包括PSE國際組織成員、國外大學的學者、教授和專業人士；國內代表187人，主要是中國PSE專業委員會委員，有關大學的教授、學者以及中國石化、中國石油、中化集團、寶鋼等國有大型企業的代表。會議取得了完滿的成功，得到了國際組委會和全體與會國內外代表的高度評價。另外，中國系統工程學會過程系統工程專業委員會每年在國內舉辦一次PSE年會，參加會議代表涵蓋PSE專業委員會成員和理事單位，大專院校的專家、教授，相關企業負責人，年會主題都圍繞PSE進行專題交流、討論，並作技術發展報告。

相關的學術組織還有中國化工學會信息技術化工套用專業委員會，原名計算機化工套用專業委員會，該委員會已經成功地舉辦了10屆計算機化工套用和信息技術套用方面的全國年會。

我國的PSE科主要分布

①大學和研究院所；

②獨立的商業化套用軟體公司；

③大型石油化工、冶金、醫藥等工業公司等三個方面。

PSE大學和研究院所

● 華東理工大學過程系統工程研究所

● 清華大學過程系統工程研究所

● 大連理工大學化工系統工程研究所

● 青島科技大學（原青島化工學院） 計算機與化工研究所

● 天津大學 化工學院 化工系統工程教研室

● 華南理工大學 化工學院 化學工程研究所

● 浙江大學 工業控制技術國家重點實驗室 工業自動化國家工程研究中心

● 北京化工大學化學工程系 信息學院

● 北京科技大學

● 中國科學院 過程工程研究所 國家多相反應實驗室 綠色過程與工程實驗室

● 解放軍總裝備部防化學研究院六所

● 中山大學 廣東省石化過程節能工程技術研究中心

● 南京工業大學、南京理工大學、武漢理工大學、西安交通大學等院校在PSE領域的不同方面開展了一些研究工作。

獨立的商業化公司

從九十年代起，一些特大型、大型石化、冶金國營企業的信息中心、計算中心紛紛轉型成為獨立的商業化公司,也有少數人自己”下海”成立的民辦企業。這些公司一方面自主開發一些套用產品；一方面為企業承包一些PSE套用項目或代理外國的產品做套用服務。這類公司著名的如：中國石化盈科（PCITC）（產值以億計）、上海寶鋼信息產業公司、上海訊博、北京三維天地、北京華康達、大慶石化金橋/北京聖金橋、北京華創等。

大型過程工業公司內部的開發套用隊伍

如寶鋼研究院自動化研究所，蘭州石化自動化研究院，中國化工集團中國化工信息中心, 中國石化長嶺石化計算機套用研究所等

對發展PSE的幾點建議

總體看來，我國的PSE 水平正在不斷提高，在過程系統工程理論研究方面的水平並不低，取得了很多研究成果，在局部套用領域已達到與國外同步發展的水平，如在能量系統最佳化集成、生產裝置最佳化、生產計畫最佳化、複雜過程建模以及全局最佳化算法等方面均達到了國際先進水平。但是應該看到，我國PSE技術開發和實際套用與國外相比還有較大差距，還不能滿足21世紀我國國民經濟發展的需要。主要問題是：技術開發的力量和優勢沒有整合起來，在自然科學基金委員會的《“十一五”發展規劃》、國家科技發展規劃等重大規劃中都看不到過程系統工程這門學科應有的位置；PSE方面的科研開發經費不足，即缺乏政府對PSE科研經費投入渠道，也缺少產業部門對這方面的經費投入渠道；技術的商品化和產業化不夠，高等院校往往只有科研經費而沒有將科研成果進行商品化的經費，風險投資的環境尚未建立起來，獨立的商業公司規模又不大，不可能在開發方面有多大投入，這使得我國在信息化過程中就不得不大量採用外國的技術和產品；PSE教育在我國尚不夠普及，在我國高等院校中PSE人才培養方面呈現走下坡路的趨勢。

為了扭轉這種局面，我們建議國家有關領導部門採取以下措施：

加大對過程系統工程理論基礎研究的支持力度

首先，在基金委的《“十一五”發展規劃》中應明確這門新興邊緣學科發展的目標和內容；在重點和重大項目的申請指南和項目評審人中都應增加PSE方面的內容和專家、教授。建議就以下幾個方面在《“十一五”發展規劃》中列入重大（點）項目：

以產品為導向的綠色過程系統集成的關鍵科學問題。

能源危機、生態破壞、經濟全球化對我國工業經濟的可持續發展提出了嚴峻的挑戰，研究開發環境友好的新產品和新材料、以及清潔、節能的新工藝已成為我國過程工業實現跨越式發展的重大戰略性問題，而這些問題的解決離不開系統集成的理論及方法。隨著世界化學工業產業結構的調整，從過程工程向產品工程轉變成為一種國際趨勢，但產品工程與過程工程是緊密相關的，產品通過過程來實現，決定過程的流程結構，而過程決定產品的品質，因而研究以產品為導向的過程系統集成具有重要意義。產品的綠色設計則是產品工程的研究領域中一項重要的內容。

以產品為導向的系統集成的開發步驟：

(1)產品的概念化設計；

(2)產品質量因子的確定；

(3)組分的選擇和產品的微結構；組分的選擇除了應依據它們在完成某種功能時的作用，重要的是能藉助於分子設計和組合化學的技術；

(4)選擇流程的產生。包括全流程的合成，單元設備的選擇以及操作參數的確定；

(5)產品和過程的經濟效益和環境影響評價。這些問題的研究顯然不是一個單位能夠獨立承擔的，需要大學、研究所和企業之間的聯合攻關。

計算機輔助清潔生產過程工程：

建立以清潔生產為核心的專題資料庫，對各種清潔生產的工藝、生產條件、技術參數、文獻等信息進行收集整理。

開發化學工業用的Computer-Aided Design for Environment “考慮環境的化工計算機機輔助設計平台”。

開發能夠模擬計算“生態工業園區”的軟體。生態工業園區是依據循環經濟理念和工業生態學原理而設計建立的一種新型工業組織形態，能實現以經濟、環境一體化最佳化為目標的工業生產模式。

建議科技部組織有關石化工業安全生產關鍵技術的國家863課題。針對石油和化工安全生產中的關鍵性問題，加強重點攻關，提高對重大危險源的辨識監控能力、對災害事故的控制能力和事故分析處理能力，並為國家安全生產監管提供技術支撐。

項目具體內容

● 石油、化工關鍵裝置的風險評估技術研究；

● 各種動態、連續監測技術的研究；

● 智慧型感測器和智慧型處理技術研究；

● 災害事故智慧型診斷和仿真模擬；

● 生產故障提前診斷技術研究；

教育部重視培養人才

當前將PSE的碩士點、博士點均放入“化學工程”學科管理，是否合適值得研究，因為過程工業不僅是化學工業，也包括冶金、製藥、輕工、造紙等工業。21世紀這方面人材需要量呈增長的趨勢，這和當前各高校PSE研究生培養呈下降的趨勢很不適應，應該儘快扭轉局面。

加大各種宣傳媒體和出版業宣傳報導我國PSE的力度。應該在相關學術上開闢“過程系統工程”欄目，“十一五”期間應開辦專門的“過程系統工程”雜誌（或由現有的雜誌改刊）。

國家工程院對過程系統工程給予應有的重視。建議工程院每年有關方面會議邀請國內、國際PSE專家到會介紹這門學科發展和對國民經濟作用。

政府應鼓勵我國的特大型石油化工、冶金、製藥公司，IT軟體公司和高等院校走出國門，積極參加國際性的合作開發聯合體（如歐洲的CAPE—OPEN、PSE Consortium）。參加這類組織可以保持與世界PSE的前沿密切聯繫，最快地分享最新信息和成果。

進一步加強國際交流的力度。由中國石化股份公司、清華大學、中國石油天然氣股份公司和中國系統工程學會主辦的第八屆國際過程系統工程會議（8th International Symposium on Process Systems Engineering）於2004年1月5日至10日在昆明召開，為打開與國際PSE同行交流的新局面奠定了基礎。今後還應就此擴大戰果，儘可能多參加和舉辦一些國際性PSE活動，例如2006年7月9日至13日在德國召開的“第九屆國際PSE”會議、2006年“中韓雙邊PSE交流會”、2007年在中國西安召開的“亞洲PSE會議”等，我們均應積極關注。