工业代谢工程与技术装备

本书融合生物代谢工程的基础理论和复杂网络建模方法，建立工业代谢网络演化计算和瞬态通量调控模型，揭示工业代谢网络的通量平衡特性和复杂演化机制，探索制造系统工业代谢过程及其通量调控的科学规律，提出工业代谢瞬态通量计算、预测与调控方法，工业代谢性能评价、优化方法，开发相关工程技术和装备原型系统,并将其应用于钢铁冶金、机械制造、航空航天领域的绿色制造技术创新。
本书的特色在于 ：突破了传统静态物质流分析的局限，构建了动态的、可预测的、可调控的工业代谢工程技术体系，为调节控制工业制造系统的物质能量转化过程、提高其环境感知和生态适应能力提供了新的理论体系和技术框架。
本书可供机械工程、智能制造工程、工业工程、环境工程、冶金工程等专业的科技人员参考，也可作为相关专业本科生及研究生的教学用书。

气候变化与资源枯竭正以前所未有的力度重塑全球制造业格局。联合国 IPCC第六次评估报告指出，若温室气体排放无法在2030年前达峰，全球 1.5℃温控目标将难以实现。在“双碳”目标和欧盟CBAM机制下，高能耗制造业面临从末端治理向系统革新转型的挑战。推动工业制造与自然生态和谐共生、实现人类社会可持续发展已成为全球共识。
构建新兴生态工业集群，必须开展揭示工业制造与自然生态内生联系的基础理论研究，为调节控制工业制造系统的物质能量转化过程、提高工业制造系统的环境感知和生态适应能力，提供新的理论体系和技术框架。工业代谢工程理论与技术装备研究应运而生。
工业制造系统与自然生态环境之间物质能量的交互过程及其影响规律，是决定工业制造系统工艺性能、资源效率和环境影响的内在支配力量，是工业代谢工程研究的关键科学问题，也是绿色制造、工业生态、环境科学、工业工程、社会经济等诸多研究领域的共性科学问题。聚焦探索工业代谢过程的科学本质，揭示物质能量交互转化的基本规律，建立工业代谢工程学的基础理论，开发相关的工程技术与装备，有助于“加快关键核心技术创新应用，解决跨行业跨领域关键共性技术问题，推动战略性新兴产业融合化、集群化、生态化发展”。
当前学术界开展工业代谢研究的主要方法是基于输入输出清单分析和生命周期分析的物质流分析方法，多用于构建稳态条件下的工业代谢数理模型，严重依赖工业制造过程的历史统计和监测数据，无法建立输入和输出之间的动态响应，难以预测资源、工艺条件的变化对资源环境的动态影响，对工业制造企业指导生产、调控资源、实施源头治理的作用有限。因此，迫切需要突破传统物质流分析方法的技术瓶颈，提出新的工业代谢通量调控理论和相应的工程技术方法，实现工业制造系统的调节控制及其对生态环境影响的预测感知。
本书作者在国家自然科学基金“制造系统工业代谢网络的瞬态通量调控及其演化机制研究”（52175480）的支持下，融合生物代谢工程的基础理论和复杂网络建模方法，建立工业代谢网络演化计算和瞬态通量调控模型，揭示工业代谢网络的通量平衡特性和复杂演化机制，探索制造系统工业代谢过程及其通量调控的科学规律，突破具有环境感知能力的工业代谢智能调控关键技术瓶颈，提出工业代谢瞬态通量计算、预测与调控方法，工业代谢性能评价、优化方法，开发相关工程技术和装备原型系统，应用于钢铁冶金、机械制造、航空航天领域的绿色制造技术创新。在取得系列成果并系统梳理的基础上，完成了本书的内容。
本书共分10章，聚焦工业代谢工程的理论体系架构、工程技术开发、装备研制与应用，展开系统阐述。第1章工业代谢概述，主要介绍了工业代谢的研究背景、发展历程、研究现状、发展趋势、研究意义与必要性；第2章工业代谢工程的体系架构，介绍了工业代谢理论的基本概念与定义、主要研究内容、研究方法和技术手段；工业代谢工程的关键技术由第3、4、5章组成，分别介绍了工业代谢平衡原理、工业代谢网络及其演化、工业代谢瞬态通量调控方法；第6、7、8、9章则分别介绍了工业代谢工程技术与装备在不同行业领域的应用案例研究，包括钢铁工业代谢工程技术、机械制造工业代谢工程技术、冶金环保工程技术与装备的应用案例，以及基于工业代谢网络的航天运载器绿色制造工艺设计案例；第10章展望未来，为工业代谢工程及其技术装备的研究与应用，提供前瞻性的战略思考。
本书系统梳理了工业代谢工程的核心理论、技术装备和应用成果，结合工程案例分析，呈现了该领域较完整的知识体系。内容具有一定深度和广度，既适合专业研究人员作为参考工具书，也可作为机械工程、智能制造、工业工程、环境工程等专业的本科生、研究生教材使用。
本书由武汉科技大学机械工程学院赵刚执笔撰写。谢敏超、侯丰、陈君文博士参加了部分章节的撰写工作和有关项目的研究工作。万开毅、沈凡、郑睿鑫、张泽权、肖骏松、张禹珊、叶阳、牛志丹、马鑫林、叶新利、王晓燕等人参与了有关项目的研究，为本书的工程案例研究、文献资料整理和文字图表编撰做了大量的基础工作。
本书相关研究工作得到武汉科技大学机械工程学院张华教授、汽车与交通工程学院张绪美副教授，重庆大学机械与运载工程学院李聪波教授，机械工程学报编辑部郑小光博士的大力支持，在此一并表示衷心的感谢。
此外，本书在撰写过程中参考了一些文献，并尽可能地列在每章后的参考文献中，在此向所有被引用文献的作者表示诚挚的谢意与敬意。
由于工业代谢工程是一门新兴的前沿交叉学科，涉及领域广泛，加之作者水平有限，书中疏漏不妥之处在所难免，恳请学界同仁与广大读者批评指正、交流互鉴。

作者
2025年 8月

第1章工业代谢概述 1
1.1工业代谢研究背景 1
1.1.1工业代谢的提出 1
1.1.2工业代谢的研究领域 3
1.2工业代谢研究的发展历程与国内外研究现状 6
1.2.1工业代谢研究的发展历程 6
1.2.2国内外工业代谢研究现状和发展趋势 8
1.3工业代谢研究面临的共性问题 14
1.4工业代谢研究的意义与必要性 16
参考文献 18

第2章工业代谢工程的体系架构 21
2.1工业代谢的基本概念与定义 21
2.1.1工业代谢底物 21
2.1.2工业代谢通量 22
2.1.3工业代谢节点 23
2.1.4工业代谢途径 24
2.1.5工业代谢网络 25
2.2工业代谢工程的主要研究内容 27
2.2.1工业代谢平衡原理 27
2.2.2工业代谢网络及其演化机制 28
2.2.3工业代谢瞬态通量调控方法 29
2.3工业代谢工程的研究方法和技术手段 30
2.3.1工业代谢物质流分析方法 31
2.3.2工业代谢网络多智能体建模技术 32
2.3.3工业代谢神经网络建模技术 33
参考文献 34

第3章工业代谢平衡原理 35
3.1生命代谢平衡MichaelisMenten幂定律原理的启发 35
3.1.1MichaelisMenten幂定律原理与工业代谢动力学的类比 35
3.1.2MichaelisMenten幂定律原理对工业代谢平衡的启示 36
3.2工业代谢稳态平衡分析 39
3.2.1物质—能量流的动态守恒关系 39
3.2.2基于幂律近似的工业代谢稳态平衡数学模型 42
3.2.3工业代谢的边界约束 43
3.3工业代谢平衡方程的建立 45
3.3.1工业代谢平衡方程的理论框架与质量守恒基础 45
3.3.2基于MichaelisMenten幂定律原理的工业代谢平衡方程构建 47
3.3.3工业代谢平衡方程稳定性分析 48
3.4工业代谢平衡方程瞬态通量的预测 51
3.4.1瞬态通量预测的理论基础与动态耦合机制 51
3.4.2工业代谢方程瞬态通量预测模型构建 52
3.4.3多参数协同调控的瞬态通量预测数值求解算法 54
3.4.4工业代谢瞬态通量动态响应预测与多目标优化边界生成 59
参考文献 61

第4章工业代谢网络及其演化 62
4.1工业代谢的复杂网络形态与结构 62
4.2工业代谢网络的数学模型 64
4.2.1工业代谢网络的变量定义 64
4.2.2网络指标与系统状态表征 65
4.2.3资源与产出的转化模型 66
4.2.4优化目标与政策模拟 66
4.3工业代谢网络的演化历程 67
4.3.1目标需求与资源配置的确定 67
4.3.2配置与资源流动关系的推导 69
4.3.3演化过程中的资源约束与优化 70
4.3.4反向推演 71
参考文献 72

第5章工业代谢瞬态通量调控方法 74
5.1工业代谢网络的通量表征 74
5.1.1工业代谢网络的通量表征方法 74
5.1.2工业代谢网络的通量演化策略 76
5.2工业代谢网络的瞬态通量预测 77
5.2.1动态代谢模型搭建与参数确定方法 77
5.2.2数据驱动的瞬态通量预测与实时演化策略 79
5.3工业代谢网络的瞬态通量调控 83
5.3.1瞬态通量调控路线 83
5.3.2瞬态通量调控方法 84
5.4工业代谢网络结构与性能调控 88
5.4.1工业代谢网络演化研究的技术路线 88
5.4.2工业代谢网络动态调控的演化模型 90
参考文献 91

第6章钢铁工业代谢工程技术 92
6.1钢铁工业代谢节点、途径和网络 92
6.1.1钢铁工业代谢节点 92
6.1.2钢铁工业代谢途径 92
6.1.3钢铁工业代谢网络 93
6.2钢铁工业代谢网络稳态通量平衡模型 96
6.3基于多智能体Agent的钢铁工业代谢网络模型 100
6.3.1高炉炼铁系统构建 100
6.3.2高炉炼铁系统Agent仿真模型 101
6.3.3高炉炼铁系统的多智能体仿真模型检验 102
6.4钢铁工业代谢神经网络模型 104
6.4.1问题描述 104
6.4.2炼钢连铸调度优化模型 105
6.4.3基于BD3QN的炼钢连铸调度算法 107
6.4.4实验结果与分析 109
6.5基于遗传算法的钢铁工业代谢演化历程仿真 111
6.5.1非受控排序遗传算法的解算说明 111
6.5.2以吨钢能值最小作为系统演化方向的工业代谢行为分析 112
6.5.3以无效能和环境排放最小作为系统演化方向的工业代谢通量仿真 112
6.5.4粗钢产量在其他截集区间的系统演化行为分析 116
6.6钢铁工业代谢通量预测与调控 118
6.6.1代谢网络预测与调控模型建立 118
6.6.2系统解析 120
6.6.3碳排放最小调控分析 120
参考文献 125

第7章机械制造工业代谢工程技术 126
7.1传统机械制造系统工业代谢网络 126
7.1.1机械制造系统工业代谢网络 126
7.1.2工业代谢节点边界形态的数学表征 127
7.1.3工业代谢节点边界形态的耦合方式 129
7.1.4基于工业代谢平衡原理的稳态通量分析 130
7.2复合制造系统工业代谢通量预测 132
7.2.1电弧熔丝沉积与微轧制铣削复合制造工艺原理 132
7.2.2增减材复合制造系统工业代谢节点构造 132
7.2.3节点和途径上的工业代谢通量表征 133
7.2.4复合制造系统工业代谢通量预测研究 134
7.2.5复合制造系统与传统制造系统工业代谢效能比较 137
7.3火电阀门制造系统工业代谢稳态通量平衡分析 142
7.3.1J61Y20 DN40型火电截止阀产品构成 142
7.3.2J61Y20 DN40型火电截止阀关键零件制造工艺 143
7.3.3关键零件制造工艺的工业代谢网络及其稳态通量平衡分析 146
7.3.4火电阀门制造系统工业代谢稳态通量平衡与绿色性能指标分析 154
参考文献 159

第8章冶金环保工程技术与装备 160
8.1热轧机组工业代谢底物粉尘的产生机理与环境影响 160
8.1.1热轧机组高温粉尘的产生与迁移扩散 160
8.1.2水雾降尘的研究思路、技术框架和主要内容 161
8.2热轧高温粉尘理化特性分析 162
8.2.1热轧高温粉尘粒径分布 162
8.2.2热轧高温粉尘化学成分 163
8.2.3热轧高温粉尘XRD物相组成分析 164
8.2.4热轧高温粉尘润湿特性 164
8.3提高水雾降尘效率的工业代谢调控技术 165
8.3.1水雾降尘工业代谢调控机理模型 165
8.3.2水雾降尘工业代谢调控数值模型与仿真方法 167
8.3.3水雾降尘工业代谢调控通量计算与仿真结果 177
8.4水雾降尘导致的热轧硅钢表面温降预测 178
8.4.1热轧硅钢表面温降预测方法 178
8.4.2热轧硅钢表面温降数值建模与仿真 184
8.4.3热轧硅钢表面温降计算与仿真结果 187
8.5水雾降尘装备研制及其工业代谢性能测试 191
8.5.1热轧机组水雾降尘关键元件开发 191
8.5.2热轧机组水雾降尘成套绿色装备研制 191
8.5.3关键工业代谢性能测试 207
8.5.4水雾降尘效率测试与先进性评价 217
参考文献 219

第9章航天运载器绿色设计与制造 221
9.1航天运载器全生命周期工业代谢性能指标体系 221
9.1.1航天运载器服役性能评价指标与量化方法 222
9.1.2航天运载器环境影响评价指标与量化方法 226
9.2航天运载器全生命周期工业代谢网络模型 230
9.2.1服役周期工业代谢途径与通量数据分析 231
9.2.2回收周期工业代谢途径与通量数据分析 231
9.2.3制造周期工业代谢途径与通量数据分析 231
9.3航天运载器绿色设计方法与软件架构 238
9.3.1基于工业代谢网络的航天运载器绿色设计方法 238
9.3.2航天运载器绿色设计软件架构设计 239
9.3.3编程语言和数据库设计 242
9.4固体运载火箭绿色设计软件实现与应用实例 247
9.4.1固体运载火箭设计参数与绿色评价指标 249
9.4.2工业代谢网络数据结构设计 253
9.4.3工业代谢通量分析、计算与预测 256
9.4.4固体运载火箭设计方案的对比评价 262
参考文献 269

第10章研究展望 271
10.1从稳态描述到瞬态自主调控：工业系统代谢的“生命化”跃迁 271
10.2从单环节优化到跨尺度系统重构：大模型与代谢网络协同重构制造体系 272
10.3从封闭式专业系统到价值共创：工业代谢开源生态共建 272