流程型制造業(yè)與流程工程學(xué)

供稿|馮凱

談到流程型制造業(yè)，不關(guān)注工業(yè)發(fā)展和演變的人會(huì)有稍許陌生。其實(shí)，隨著近幾年國家對工業(yè)體系的梳理，已經(jīng)正式廢除了重工業(yè)、輕工業(yè)的劃分模式，轉(zhuǎn)而用流程型制造業(yè)和離散型制造業(yè)來進(jìn)行分類。其中，流程型制造業(yè)就是流程工業(yè)，也稱為過程工業(yè)。

國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

為了更清晰地認(rèn)識這一類產(chǎn)業(yè)，需要從國民經(jīng)濟(jì)整體結(jié)構(gòu)出發(fā)來逐級劃分和解剖，見圖1。眾所周知，國家的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)一般會(huì)劃分為第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)三個(gè)層級，第一產(chǎn)業(yè)主要是農(nóng)業(yè)，包括種植業(yè)、畜牧業(yè)、水產(chǎn)業(yè)、副業(yè)等，第二產(chǎn)業(yè)主要是工業(yè)，包括制造業(yè)和非制造業(yè)兩大門類，第三產(chǎn)業(yè)主要是服務(wù)業(yè)，包括運(yùn)輸、餐飲、文化、教育、旅游、金融等。

制造業(yè)和非制造業(yè)雖然都屬于工業(yè)大類，但功能特征卻不同。

非制造業(yè)主要包括發(fā)電、水利、建筑等，以能源行業(yè)和建筑行業(yè)為典型代表；制造業(yè)則又進(jìn)一步細(xì)分為離散型制造業(yè)和流程型制造業(yè)，前者以汽車、家電、電子器件、機(jī)械裝備等產(chǎn)業(yè)為代表，后者則以石化、鋼鐵、水泥、玻璃、食品等產(chǎn)業(yè)為代表。

不過，有一類產(chǎn)業(yè)比較特殊，就是勘探采集類行業(yè)，包括各類礦石和石油的開采等，其功能特性屬于非制造業(yè)，但是絕大多數(shù)是流程型制造業(yè)的前端，為了方便起見，直接劃分到流程型制造業(yè)中進(jìn)行分析。

圖1 國民經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)

制造業(yè)和非制造業(yè)的劃分比較好理解，一個(gè)是通過加工為手段可以批量生產(chǎn)某類產(chǎn)品，另一個(gè)則是則不具備這樣的功能特性。

但離散型制造業(yè)和流程型制造業(yè)如何區(qū)分呢？

流程型制造業(yè)的特征

離散型制造業(yè)的加工過程以組合、裝配為主，涉及少量的物理變化，基本不涉及化學(xué)變化，而流程型制造業(yè)的加工過程必然存在大量的物理變化和化學(xué)變化，同時(shí)為了推動(dòng)和有效控制該變化，需要有一定的能量輸入作為支撐[1]。

由于離散型制造業(yè)加工過程可控、易控，所以產(chǎn)品質(zhì)量主要取決于設(shè)計(jì)階段，典型的就是大飛機(jī)的設(shè)計(jì)、高端汽車的設(shè)計(jì)、手機(jī)的設(shè)計(jì)、芯片的設(shè)計(jì)等等。設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是知識密度最高的環(huán)節(jié)，也是附加值最高的環(huán)節(jié)，這也是為什么中國已經(jīng)成為了世界工廠，在離散制造業(yè)領(lǐng)域卻少有話語權(quán)。

由于流程型制造業(yè)加工過程本身具有不可拆分性、氣固液多相共存、多種化學(xué)反應(yīng)耦合進(jìn)行、高溫高壓的反應(yīng)環(huán)境等特點(diǎn)，其復(fù)雜很高、控制難度很大，所以最終產(chǎn)品的質(zhì)量主要取決于加工階段，當(dāng)然，加工過程工藝的選擇和設(shè)備的設(shè)計(jì)也會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，但關(guān)鍵階段還是加工過程的控制水平[2]。

正是由于兩者有不同的特征，決定了二者在面臨向智能化轉(zhuǎn)型升級時(shí)的路徑和難點(diǎn)也會(huì)不同。

相對而言，離散型制造業(yè)的加工過程實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、無人化容易很多，但在設(shè)計(jì)階段即使已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，但依然僅僅是設(shè)計(jì)師的工具，各個(gè)產(chǎn)業(yè)能夠提出智能化設(shè)計(jì)思路的都寥寥無幾。而流程型制造業(yè)對設(shè)計(jì)階段的要求較低，一般來說目標(biāo)清晰、工藝路徑選擇有限、物理邊界明確，促使設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，乃至智能化設(shè)計(jì)具有一定的可行性；但針對加工過程，如果選擇跟離散型制造業(yè)一樣路徑，恐怕要掉入無底深淵。

流程工程學(xué)

為了更好地指導(dǎo)工業(yè)體系穩(wěn)步向智能制造轉(zhuǎn)型升級，弄清制造過程的運(yùn)行規(guī)律和本質(zhì)特征，有一套系統(tǒng)的工程方法論作為支撐是十分必要的。

目前，研究制造業(yè)的方法主要是工業(yè)工程專業(yè)的理論，但遺憾的是，受限于該專業(yè)的起源和發(fā)展，目前該學(xué)科相關(guān)理論和方法都是以離散型制造業(yè)為對象的，基本不涉及流程型制造業(yè)的核心——復(fù)雜的物理化學(xué)變化和連續(xù)不可拆分的特征，所以，難以作為解析和認(rèn)識流程型制造業(yè)的理論和方法。

為了解決該問題，誕生了一門針對流程型制造業(yè)，解析其運(yùn)行規(guī)律和本質(zhì)特征的新興學(xué)科——流程工程學(xué)，值得引起各個(gè)流程型制造業(yè)的重視。

嚴(yán)格來說，流程工程學(xué)是脫胎于殷瑞鈺院士的《冶金流程工程學(xué)》[3]的一系列理論和方法。對于該著作，冶金領(lǐng)域的讀者應(yīng)該有所耳聞，對于其他行業(yè)的讀者，可能會(huì)顯得陌生。

流程工程學(xué)，作為一門新興學(xué)科，其理論、方法、應(yīng)用場景等，還在不斷的完善和豐富的過程中。要想盡可能全面、深入地了解該學(xué)科，可以嘗試從以下三個(gè)方面入手。

關(guān)心的核心問題

按照工程哲學(xué)“三元論”的觀點(diǎn)，任何領(lǐng)域的任何問題，都可以從科學(xué)、技術(shù)和工程三個(gè)層次進(jìn)行分解。針對一個(gè)具體的問題，一般來說，科學(xué)層面主要解決“對不對”的問題，技術(shù)層面主要解決“行不行”的問題，工程層面主要解決“優(yōu)不優(yōu)”的問題[4]。

例如，基于熱力學(xué)的吉布斯自由能的計(jì)算，以判斷化學(xué)反應(yīng)是否能夠發(fā)生，這是科學(xué)層面的探討；基于明確的科學(xué)原理，通過一定的裝置設(shè)計(jì)，形成特定功能的設(shè)備，這是技術(shù)層面的工作；通過不同技術(shù)的組合，以成本最小、效益最大、效率最高等為目標(biāo)，解決一個(gè)具體的問題，這是工程層面的追求。

要解決一個(gè)具體的實(shí)際問題，基本都離不開這三個(gè)層次的工作，只有基礎(chǔ)原理正確、技術(shù)可行、工程優(yōu)化，才能更好的解決問題。流程工程學(xué)主要在工程層面發(fā)揮作用。追求對現(xiàn)有解決方案的不斷優(yōu)化，是流程工程學(xué)關(guān)注的核心問題。

研究對象和視角

流程工程學(xué)的研究對象，不再是孤立的技術(shù)、設(shè)備或工序，而是連續(xù)的、整體化的制造流程[5]。

以鋼鐵冶金為例，由于現(xiàn)有科學(xué)體系劃分，燒結(jié)、焦化、煉鐵、煉鋼、軋鋼等都是分開學(xué)習(xí)和研究的，往往容易被分別對待。但是，實(shí)際生產(chǎn)過程卻是緊密聯(lián)系在一起的，前后工序之間具有顯著的影響，流程工程學(xué)的視角是要跨越工序的限制，將生產(chǎn)流程作為一個(gè)整體對待，從而獲得更好的解決方案。

舉個(gè)具體的小例子，高拉速的連鑄生產(chǎn)有諸多優(yōu)勢，是企業(yè)追逐的重要指標(biāo)之一。保障高拉速的重要前提之一，是中間包鋼水溫度的穩(wěn)定。于是，在中間包進(jìn)行電磁加熱成為很多企業(yè)的首要選擇。

除了在連鑄工序本身開展工作，還有沒有其他方式，可以進(jìn)一步改善中間包鋼水溫度穩(wěn)定性呢？

如果將中間包鋼水溫度波動(dòng)的原因，沿生產(chǎn)過程向前追溯，影響鋼水溫度波動(dòng)的原因包括：鋼包熱狀態(tài)的穩(wěn)定性、運(yùn)輸時(shí)間的穩(wěn)定性和精煉操作控制精度。進(jìn)一步向前追溯，影響鋼包熱狀態(tài)的原因有鋼包周轉(zhuǎn)效率和鋼包烘烤水平；影響運(yùn)輸時(shí)間的原因有生產(chǎn)計(jì)劃準(zhǔn)確性和天車調(diào)度；影響精煉控制精度的原因有本工序操作水平及上一工序的鋼水質(zhì)量；以此類推，還可以繼續(xù)向前追溯。

如果從這些方面分別進(jìn)行控制，會(huì)進(jìn)一步改善中間包鋼水溫度的穩(wěn)定性。同時(shí)，還會(huì)得到減少鋼包使用個(gè)數(shù)、降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度、減少精煉二次調(diào)溫比例等諸多降本增效的效益，這就是流程工程學(xué)的視角。

如果將流程工程學(xué)與現(xiàn)有學(xué)科方向進(jìn)行對比，做一個(gè)類比，現(xiàn)有的煉鐵學(xué)、煉鋼學(xué)等，如同生理學(xué)、心理學(xué)，注重探索每個(gè)人個(gè)體內(nèi)在的原理和規(guī)律，流程工程學(xué)則更像社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)，注重探索人與人之間的關(guān)系。

正是這種研究對象和視角的轉(zhuǎn)變，決定了分析問題的方法、思路都發(fā)生了變化。新的方法、思路就是流程工程學(xué)需要研究的內(nèi)容。

基本參數(shù)

在了解了流程工程學(xué)的研究對象和視角，以及所關(guān)心的核心問題之后，應(yīng)該用哪些基本參數(shù)表征和分析流程型制造業(yè)的加工過程，就是一個(gè)非常重要的問題。

由于流程工程學(xué)是以生產(chǎn)流程整體為研究對象，所以，其基本參數(shù)需要滿足以下條件：

(1) 能夠貫通整個(gè)生產(chǎn)過程的各個(gè)工序和裝置；

(2) 在整個(gè)生產(chǎn)過程中可以“量化”，且呈現(xiàn)“連續(xù)、可微”的特征；

(3) 可以以同一形式、同一單位貫穿生產(chǎn)過程始末。

第一條要求是為了基本參數(shù)能夠覆蓋整個(gè)生產(chǎn)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，保證研究對象不會(huì)缺失；第二條要求是能反應(yīng)物理對象本質(zhì)特征的參數(shù)作為基本參數(shù)，隨著生產(chǎn)過程而漸變，同時(shí)，要保證參數(shù)可觀察、可度量；第三條要求是基本參數(shù)的同一性，不能隨著生產(chǎn)過程而置換或轉(zhuǎn)換。

縱觀不同的流程型制造業(yè)，滿足以上要求的參數(shù)集合，存在不同的選擇。但依據(jù)科學(xué)的基本原理——奧朗姆剃刀原理，整理出來既滿足上述要求又滿足研究需要的最簡化參數(shù)集合，包含的基本參數(shù)只有三個(gè)——物質(zhì)量、時(shí)間、溫度，其中，物質(zhì)量是指被加工物料的本體信息，如重量、濃度等[6]。

◆ 物質(zhì)量

物質(zhì)量，作為被加工物料的本體信息，成為基本參數(shù)，是自然而然的事情。不同流程型制造業(yè)的加工對象不一樣，所以，具體生產(chǎn)過程選擇的物質(zhì)量參數(shù)也不同，但選擇依然要遵循以上要求。

◆ 時(shí)間

時(shí)間，以整體生產(chǎn)過程為研究對象的學(xué)科都必然要重點(diǎn)研究的參數(shù)，不管是工業(yè)工程，還是管理工程，都是如此。主要原因是實(shí)際生產(chǎn)過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、時(shí)變的過程，幾乎所有參數(shù)都會(huì)隨著時(shí)間或多或少的發(fā)生變化。

這一點(diǎn)也是流程工程學(xué)與已有工藝學(xué)科的本質(zhì)不同。

流程型制造業(yè)中，已有工藝學(xué)科一般是以熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)。熱力學(xué)研究的是平衡態(tài)，沒有時(shí)間參數(shù)；動(dòng)力學(xué)研究的是反應(yīng)效率，雖然有時(shí)間參數(shù)，但其目的是研究反應(yīng)所需的時(shí)間，以便指導(dǎo)反應(yīng)器和操作工藝的設(shè)計(jì)，最終目的還是要趨近于平衡態(tài)。由此，導(dǎo)致面向?qū)嶋H生產(chǎn)過程，也極少考慮由不同動(dòng)力學(xué)條件而決定的不同的反應(yīng)終點(diǎn)。

流程工程學(xué)是以時(shí)間軸貫穿整個(gè)生產(chǎn)過程，研究相關(guān)參數(shù)沿時(shí)間軸的變化規(guī)律，進(jìn)而對生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化。因此，時(shí)間是流程工程學(xué)的核心參數(shù)，通過時(shí)間維審視生產(chǎn)過程，是流程工程學(xué)的重要研究方法。

◆ 溫度

溫度，也是研究流程型制造業(yè)生產(chǎn)過程必不可少的參數(shù)。

前文闡述過“流程型制造業(yè)的加工過程必然存在大量的物理變化和化學(xué)變化”，而不管是物理變化，還是化學(xué)變化，其變化過程都逃不過反應(yīng)熱力學(xué)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。反應(yīng)熱力學(xué)的核心是吉布斯自由能，如果計(jì)算一個(gè)具體的反應(yīng)過程，決定反應(yīng)過程的，除了物質(zhì)量參數(shù)，就是“溫度”參數(shù)。反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的核心是反應(yīng)速率的計(jì)算，與反應(yīng)熱力學(xué)一樣，決定反應(yīng)過程的，除了物質(zhì)量參數(shù)，也是“溫度”參數(shù)。

由此可見，要想對流程型制造業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行描述，將工序單元加工過程與整個(gè)流程生產(chǎn)過程緊密結(jié)合，“溫度”是惟一的、且必不可少的基礎(chǔ)參數(shù)，掌握了溫度控制，就掌握了流程型制造業(yè)控制過程的“七寸”。

正是由于“溫度”參數(shù)的加入，也決定了流程工程學(xué)，與已有的工業(yè)工程、管理工程等研究離散型制造業(yè)的學(xué)科不同。如果將流程型制造業(yè)和離散型制造業(yè)的生產(chǎn)過程基本參數(shù)及相互作用關(guān)系進(jìn)行比較，如圖2所示，這既決定了兩種制造業(yè)體系的物理運(yùn)行本質(zhì)存在差異，也決定了其工業(yè)過程控制的方法和目標(biāo)存在明顯不同。

圖2 流程型制造業(yè)和離散型制造業(yè)的基本參數(shù)對比

這里，需要注意：在流程工程學(xué)中，溫度并沒有納入物質(zhì)量的范疇。原因是：對于流程型制造業(yè)的整個(gè)生產(chǎn)過程，操控溫度是加工手段，而不是加工目標(biāo)。也就是說，整個(gè)生產(chǎn)過程的首端和尾端，所有物料的重量、成分、濃度、尺寸都可能會(huì)發(fā)生變化，但溫度確是從常溫到常溫。溫度參數(shù)并不是流程型制造業(yè)所要加工的物質(zhì)量信息，所以不屬于物質(zhì)量范疇。

如果站在人類文明史和工業(yè)發(fā)展史的角度來看，文明和工業(yè)的發(fā)展本質(zhì)是對更高溫度的掌控和使用。從遠(yuǎn)古至今，哪種文明能夠廣泛應(yīng)用更高溫度的工藝，則往往能夠占領(lǐng)人類文明的最高點(diǎn)。農(nóng)業(yè)社會(huì)的刀耕火種到鐵器牛耕，冶金技術(shù)從塊煉法、炒鋼法到灌鋼法的演進(jìn)，工業(yè)社會(huì)的煤化工到石油化工，平爐煉鋼到轉(zhuǎn)爐煉鋼，核裂變反應(yīng)到最新的核聚變反應(yīng)，都是如此。

結(jié)束語

通過分析國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，闡述了離散型制造業(yè)和流程型制造業(yè)在工業(yè)體系中的所處的位置。通過對兩種類型制造業(yè)特征的分析，引出兩種制造業(yè)在面對智能制造時(shí)，必然存在的本質(zhì)差異。為了更好地解析流程型制造業(yè)的運(yùn)行規(guī)律和本質(zhì)特征，分享了一門新興學(xué)科——流程工程學(xué)。并從關(guān)心的核心問題、研究對象和視角、基本參數(shù)的維度，初步介紹了流程工程學(xué)的基本內(nèi)容。未來，該學(xué)科一定會(huì)為流程型制造業(yè)的智能化發(fā)展，提供重要的理論指導(dǎo)。