賈小平，石磊，楊友麒

（1青島科技大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，山東青島266042；2清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京100084；3南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院，江西南昌330031；4中國化工信息中心，北京100029）

引 言

工業(yè)園區(qū)不僅是工業(yè)生產(chǎn)的空間載體，更是工業(yè)發(fā)展的重要組織模式。歐美日韓等發(fā)達(dá)國家在其工業(yè)化進(jìn)程中形成了許多著名的工業(yè)園區(qū)，如德國魯爾工業(yè)區(qū)、荷蘭鹿特丹工業(yè)區(qū)、美國休斯敦化工區(qū)、日本川崎工業(yè)區(qū)和韓國蔚山工業(yè)園區(qū)等。發(fā)展中國家尤其是中國效仿這一工業(yè)組織模式，也建立起以園區(qū)為載體的工業(yè)發(fā)展體系。根據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署的數(shù)據(jù)顯示，到20世紀(jì)末全球工業(yè)園區(qū)的數(shù)量已經(jīng)超過2萬個(gè)[1]。

工業(yè)園區(qū)尤其以鋼鐵、化工為代表的重化工業(yè)園區(qū)，往往產(chǎn)業(yè)活動(dòng)規(guī)模大、強(qiáng)度劇烈、物質(zhì)能量密集、安全環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)居高不下，成為環(huán)境與經(jīng)濟(jì)沖突的焦點(diǎn)。因此，生態(tài)化也成為工業(yè)園區(qū)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。與環(huán)境管制的一般軌跡類似，工業(yè)園區(qū)生態(tài)化也經(jīng)歷了末端治理、過程控制、生態(tài)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成4個(gè)不同的范式。生態(tài)化軌跡從單要素污染治理向多要素、跨介質(zhì)、多過程和多目標(biāo)協(xié)同防治轉(zhuǎn)變，過去傳統(tǒng)的單一要素、單一過程和單一維度的治理手段和研究手段都難以實(shí)現(xiàn)園區(qū)尺度環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的雙贏目的。因此，基于系統(tǒng)工程視角的研究范式和方法成為園區(qū)生態(tài)化的理性選擇。

事實(shí)上，致力于將系統(tǒng)工程思想和方法用于解決過程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)、運(yùn)行和控制的過程系統(tǒng)工程（process systems engineering,PSE）在工業(yè)園區(qū)生態(tài)化進(jìn)程中已經(jīng)得到了高度的認(rèn)可和應(yīng)用。PSE無論是在時(shí)間維度上，還是在空間維度上都向兩極（即宏觀和微觀）延伸[2]，如圖1所示?？臻g維度可以大體劃分為分子、設(shè)備、工廠、企業(yè)、工業(yè)園區(qū)、全球生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)等層次。尤其進(jìn)入21世紀(jì)以來，全球范圍內(nèi)興起的園區(qū)循環(huán)化改造、生態(tài)工業(yè)園區(qū)（ecoindustrial park,EIP）和綠色園區(qū)規(guī)劃及建設(shè)實(shí)踐，使PSE找到了大展宏圖的應(yīng)用舞臺(tái)和廣闊空間。同時(shí)，隨著EIP、產(chǎn)業(yè)共生（industrial symbiosis,IS）和產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)（industrial eco-systems）等概念的興起，PSE的內(nèi)涵也逐漸發(fā)生變遷。1999年清華大學(xué)李有潤(rùn)等[3-4]在國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“以經(jīng)濟(jì)和環(huán)境為優(yōu)化目標(biāo)的過程集成智能方法”的資助下，開展了生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)集成方法的研究，積極推進(jìn)并拓展PSE方法在生態(tài)工業(yè)中的應(yīng)用，并開展了若干EIP的規(guī)劃和建設(shè)工作。Lawal等[5]綜述了1998—2019年之間過程集成工具對(duì)產(chǎn)業(yè)共生研究的支撐作用。一方面，從傳統(tǒng)的過程系統(tǒng)沿著產(chǎn)品生命周期鏈拓展，成為產(chǎn)品系統(tǒng)工程（product systems engineering）；另一方面，應(yīng)實(shí)踐需求，PSE逐漸將空間因素納入考量，為特定空間區(qū)域內(nèi)統(tǒng)籌考慮過程、產(chǎn)品和供應(yīng)鏈的開發(fā)、生產(chǎn)和管理提供系統(tǒng)方法的支持。更進(jìn)一步地，這些園區(qū)層面規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)營實(shí)踐也為PSE提出了研究范式和具體領(lǐng)域的研究挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

圖1 過程系統(tǒng)的時(shí)間和空間維度（修改自文獻(xiàn)[2]）Fig.1 Time scale and length scale of process systems(revised from Ref.[2])

在介紹工業(yè)園區(qū)生態(tài)化歷程及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文系統(tǒng)地綜述了在工業(yè)園區(qū)尺度上應(yīng)用PSE方法來驅(qū)動(dòng)其生態(tài)化的研究現(xiàn)狀，最后提出工業(yè)園區(qū)生態(tài)化給PSE發(fā)展所帶來的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

1 工業(yè)園區(qū)生態(tài)化趨勢(shì)

自20世紀(jì)60年代以來，生態(tài)環(huán)境因素越來越成為影響工業(yè)包括工業(yè)園區(qū)發(fā)展的主導(dǎo)性力量。歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)，工業(yè)園區(qū)生態(tài)化經(jīng)歷了4種不同的范式：以廢物處理為核心的末端治理范式、以生產(chǎn)過程改善為核心的清潔生產(chǎn)范式、以產(chǎn)品改進(jìn)為核心的生命周期管理范式和以整體系統(tǒng)優(yōu)化為核心的綠色發(fā)展范式。其中，前兩種范式主要作用于單一過程或企業(yè)，產(chǎn)品生命周期范式主要作用于產(chǎn)業(yè)鏈層面，而系統(tǒng)優(yōu)化范式則主要在園區(qū)整體層面，表現(xiàn)為當(dāng)前世界范圍內(nèi)普遍推行的EIP、綠色園區(qū)和園區(qū)循環(huán)化改造等形式。

以EIP建設(shè)為代表的園區(qū)生態(tài)化，其思想淵源始于對(duì)產(chǎn)業(yè)共生現(xiàn)象的觀察以及工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)的類比。EIP是由制造業(yè)和服務(wù)業(yè)組成的一個(gè)社區(qū)，社區(qū)內(nèi)的企業(yè)間通過在環(huán)境管理和循環(huán)利用等方面的合作，實(shí)現(xiàn)從原材料的提取到產(chǎn)品的生產(chǎn)、消費(fèi)再到廢棄物的處置整個(gè)生命周期形成一個(gè)質(zhì)和能量的閉路循環(huán)系統(tǒng)。通過這種合作，整個(gè)社區(qū)可以實(shí)現(xiàn)一種群體效益，而這種集體效益是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單個(gè)企業(yè)各自為戰(zhàn)帶來的效益的總和，可以產(chǎn)生1+1＞2的效應(yīng)[6]。

事實(shí)上，工業(yè)園區(qū)的生態(tài)化是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及諸多因素的共同作用。就本質(zhì)而言，工業(yè)園區(qū)以及負(fù)載其上的產(chǎn)業(yè)集群或生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際上是全球化與本土化兩股力量在園區(qū)尺度上競(jìng)爭(zhēng)與融合的結(jié)果。在全球化方面，當(dāng)前全球生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)和貿(mào)易體系業(yè)已形成，貿(mào)易爭(zhēng)端的影響越來越快和越來越頻繁地波及到全球，不僅使工業(yè)園區(qū)的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)加大，同時(shí)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也在加大。生產(chǎn)越來越集中在少數(shù)地區(qū)，世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了大量的產(chǎn)業(yè)集群和產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，化工、汽車和電子信息等產(chǎn)業(yè)都出現(xiàn)了世界級(jí)的產(chǎn)業(yè)集群，不同產(chǎn)業(yè)集聚也會(huì)形成類似于自然生態(tài)系統(tǒng)一樣的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，如丹麥卡倫堡、日本川崎、韓國蔚山等產(chǎn)業(yè)共生體系。在本土化方面，為了強(qiáng)化園區(qū)或產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)在全球的競(jìng)爭(zhēng)力，一方面采用廢物交換、基礎(chǔ)設(shè)施共享和物質(zhì)能量集成等手段來強(qiáng)化成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；另一方面通過重構(gòu)供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)、創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)和管治網(wǎng)絡(luò)來強(qiáng)化差異化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，從而將工業(yè)園區(qū)鎖定或根植在本地復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中。

這種競(jìng)合的復(fù)雜作用，導(dǎo)致工業(yè)園區(qū)生態(tài)化的軌跡從單要素污染治理向多要素、跨介質(zhì)、多過程和多目標(biāo)協(xié)同防治轉(zhuǎn)變。由此，過去傳統(tǒng)的單一要素、單一過程和單一維度的治理手段和思維難以實(shí)現(xiàn)園區(qū)尺度環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的雙贏目的，也就因此誕生了PSE這類以系統(tǒng)思維為導(dǎo)向的研究范式和手段。

2 過程工業(yè)園區(qū)可持續(xù)性分析與評(píng)價(jià)

可持續(xù)性研究為過程工業(yè)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化發(fā)揮導(dǎo)向性作用，是解決過程工業(yè)高能耗、高排放和資源依賴問題的重要課題[7]。過程工業(yè)園區(qū)系統(tǒng)以物質(zhì)、能量和水為基礎(chǔ)，以產(chǎn)品、單元過程、過程系統(tǒng)、工廠以及工業(yè)園區(qū)多個(gè)尺度為對(duì)象，應(yīng)用系統(tǒng)工程方法實(shí)現(xiàn)節(jié)能、節(jié)水、減排、降污、安全的系統(tǒng)可持續(xù)性目的。運(yùn)用產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)與PSE相結(jié)合的方法，以過程工業(yè)園區(qū)為對(duì)象，以其可持續(xù)性為目標(biāo)，開展建模設(shè)計(jì)、優(yōu)化集成、評(píng)估、分析與規(guī)劃管理，可為過程工業(yè)和區(qū)域產(chǎn)業(yè)生態(tài)化建設(shè)提供技術(shù)與決策支撐，如圖2所示。其中的評(píng)估和分析主要用來回答PSE中的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)問題，并給出什么是理想的工業(yè)園區(qū)答案。EIP作為一個(gè)區(qū)域性的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，企業(yè)成員之間通過相互合作以及與周邊區(qū)域的合作，有效共享基礎(chǔ)設(shè)施、能源、物質(zhì)、水、信息及自然棲息地等資源，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)共生體系，實(shí)現(xiàn)園區(qū)整體可持續(xù)性（包括環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)發(fā)展）的均衡提升[8]。因此，園區(qū)可持續(xù)性評(píng)估的目的在于了解過程工業(yè)園區(qū)對(duì)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)目標(biāo)的協(xié)調(diào)程度，從而識(shí)別和確認(rèn)瓶頸，以便通過各種策略，如重建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化企業(yè)操作參數(shù)或改變管理模式，使得工業(yè)園區(qū)建立在與環(huán)境協(xié)調(diào)和可持續(xù)的基礎(chǔ)之上。

圖2 工業(yè)園區(qū)設(shè)計(jì)與分析評(píng)估的關(guān)系示意圖Fig.2 Diagram of the relationship between industrial park design and evaluation

2.1 工業(yè)代謝分析

工業(yè)代謝分析方法可用來研究工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)和能量流動(dòng)，從而可以更好地理解供應(yīng)鏈、廢物排放以及工業(yè)與社會(huì)技術(shù)系統(tǒng)等之間的關(guān)聯(lián)[9]。在園區(qū)尺度上開展工業(yè)代謝分析，摸清工業(yè)過程層面的工業(yè)代謝機(jī)理，識(shí)別園區(qū)內(nèi)物質(zhì)循環(huán)利用（或物質(zhì)替代）、延長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)共生鏈、梯級(jí)利用、基礎(chǔ)設(shè)施共享和廢物排放最小化等機(jī)會(huì)，促進(jìn)園區(qū)內(nèi)物質(zhì)、能源和水的協(xié)同規(guī)劃和建設(shè)[10-11]。

周哲等[12]運(yùn)用工業(yè)代謝分析方法對(duì)煤炭利用過程造成的污染情況加以分析，提出相應(yīng)的改進(jìn)模型，并在此基礎(chǔ)上找出環(huán)境最優(yōu)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、物流組成及流量。韓峰[11]提出基于元素流分析的工業(yè)代謝效率評(píng)價(jià)方法，對(duì)案例中關(guān)鍵元素的工業(yè)代謝水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，并識(shí)別出元素流失的主要環(huán)節(jié)。Tian等[13]以上虞工業(yè)園區(qū)為例，研究了碳元素和硫元素在園區(qū)尺度上的代謝，得出該園區(qū)碳效率為69%，僅有硫輸入總量65%的硫元素進(jìn)入產(chǎn)品系統(tǒng)。武娟妮等[14-15]研究了宜興經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)碳、氮、磷元素的工業(yè)代謝，對(duì)園區(qū)中產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)的氮代謝途徑和通量進(jìn)行了解析。Ma等[16]研究了化工園區(qū)的氯元素代謝問題。

作者以工業(yè)園區(qū)的水系統(tǒng)為例，提出了圖3所示的工業(yè)代謝關(guān)系。根據(jù)工業(yè)園區(qū)水資源代謝關(guān)系中的水質(zhì)和水量變化特征，工業(yè)園區(qū)水系統(tǒng)分為水供給、水利用、水轉(zhuǎn)換和水消納4個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)而將此4環(huán)節(jié)劃分為給水處理、水輸送、水利用、循環(huán)/再生利用、廢水處理和廢水排放6個(gè)涉水過程。將涉水過程表征為工業(yè)園區(qū)水網(wǎng)絡(luò)關(guān)系的節(jié)點(diǎn)，且將每個(gè)節(jié)點(diǎn)表征為包含水量、水質(zhì)、時(shí)間和空間4個(gè)特征值在內(nèi)的向量。根據(jù)以上框架梳理水系統(tǒng)各尺度的流動(dòng)情況及特征污染物元素分布情況，研究用水和廢水在各種介質(zhì)中的輸送和轉(zhuǎn)化機(jī)制，梳理水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各單元內(nèi)部及單元之間的水資源代謝關(guān)系。

2.2 績(jī)效評(píng)價(jià)

園區(qū)整體可持續(xù)性評(píng)估是過程工業(yè)園區(qū)優(yōu)化集成的基礎(chǔ)。在規(guī)劃設(shè)計(jì)和優(yōu)化管理過程工業(yè)園區(qū)時(shí)必須考慮其可持續(xù)性程度，準(zhǔn)確定量地評(píng)價(jià)一個(gè)工業(yè)園區(qū)可持續(xù)性的重要性是不言而喻的，已成為工業(yè)園區(qū)研究面臨的挑戰(zhàn)之一?？?jī)效評(píng)價(jià)特征演變?nèi)鐖D4所示。具體來講，有以下4個(gè)特征：（1）從單一要素代謝分析到多要素綜合代謝分析；（2）從單一維度評(píng)價(jià)到綜合評(píng)價(jià)；（3）從靜態(tài)評(píng)價(jià)到動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)；（4）從片段評(píng)價(jià)到生命周期評(píng)價(jià)。下面將評(píng)述若干相關(guān)的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)。

能值分析理論以能值為量綱，為環(huán)境資源和經(jīng)濟(jì)的評(píng)估提供客觀標(biāo)準(zhǔn)，并為環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)化和發(fā)展應(yīng)采取的公共政策提供科學(xué)依據(jù)[17]。Bakshi[18]探討了基于能值概念的可持續(xù)PSE框架，通過能值分析評(píng)估工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)化歷程和可持續(xù)發(fā)展的程度。Lou等[19]提出了工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)在不確定條件下的能值分析方法。楊等[20]利用熱力學(xué)分析方法分析了生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)、能量流動(dòng)和利用的復(fù)雜模式，并建立了系統(tǒng)消耗指數(shù)、物質(zhì)循環(huán)利用效率等一系列評(píng)價(jià)指標(biāo)來表征系統(tǒng)資源利用的效果和對(duì)環(huán)境的潛在影響。針對(duì)化工冶金等以過程工業(yè)為主的工業(yè)園區(qū)，李強(qiáng)等[21]構(gòu)建了工業(yè)園區(qū)效益影響評(píng)價(jià)方法，重點(diǎn)分析因產(chǎn)業(yè)鏈接構(gòu)建所產(chǎn)生的物質(zhì)流、能量流變化，并分析其對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)體系價(jià)值流的影響，通過建立產(chǎn)業(yè)鏈接效益分析指標(biāo)體系予以量化，以此分析產(chǎn)業(yè)鏈接構(gòu)建對(duì)園區(qū)效益的影響。

圖3 工業(yè)園區(qū)水資源代謝分析示意圖Fig.3 Diagram of water metabolism analysis in process industrial parks

圖4 績(jī)效評(píng)價(jià)特征演變Fig.4 Evolution of performance evaluation

生態(tài)工業(yè)園可使園區(qū)內(nèi)資源共享，然而園區(qū)內(nèi)一個(gè)參與者的活動(dòng)中斷，會(huì)影響其他參與者，甚至造成整個(gè)園區(qū)不能維持其正常的工作。Valenzuela-Venegas等[22]提出了EIP的韌性指標(biāo)（resilience indicator），該韌性指標(biāo)可用于生態(tài)工業(yè)園設(shè)計(jì)階段。以EIP的穩(wěn)定性為目標(biāo)，基于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)連接指數(shù)（NCI）及流量適應(yīng)性指數(shù)（φ）來表征韌性指標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)連接指數(shù)強(qiáng)調(diào)的是工業(yè)園內(nèi)的連接水平，并測(cè)量整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在可能的中斷情況下的耐久性。流量適應(yīng)性指數(shù)則用來量化園區(qū)的流量和參與者存量是否足以補(bǔ)償破壞性事件。

工業(yè)園區(qū)的生態(tài)效率取決于生態(tài)服務(wù)保持效率、資源能源效率以及污染物排放強(qiáng)度等。基于資源和能源代謝以及環(huán)境影響分析，Tian等[23]探討了EIP的生態(tài)效率評(píng)估模型。除了關(guān)注資源能源的效率外，還應(yīng)該關(guān)注土地使用模式及其生態(tài)服務(wù)維持效率。EIP的可持續(xù)性應(yīng)該考慮人造資本（建筑、機(jī)器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施）、人力資本以及自然資本[24]?；@區(qū)從規(guī)范化發(fā)展走向高質(zhì)量發(fā)展，不僅需要考量生態(tài)化的整體績(jī)效，也需要考量生態(tài)化的內(nèi)在過程。楊挺[25]提出了過程評(píng)價(jià)與績(jī)效評(píng)價(jià)相結(jié)合的化工園區(qū)生態(tài)化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。過程評(píng)價(jià)重在考察產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)和治理系統(tǒng)及其互動(dòng)關(guān)系；績(jī)效評(píng)價(jià)重在經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和環(huán)境的綜合評(píng)價(jià)。中國化工園區(qū)20強(qiáng)案例驗(yàn)證了該套評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的有效性和科學(xué)性。

錢宇等[7]探討了過程工業(yè)的資源、能源、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多因素綜合優(yōu)化評(píng)價(jià)問題，并構(gòu)建了全生命周期分析與可持續(xù)性決策支持平臺(tái)用于各類資源/能源化工過程技術(shù)路線和可行方案的系統(tǒng)分析和可持續(xù)性評(píng)價(jià)。Lim等[26]提出了一種同時(shí)研究生命周期評(píng)價(jià)（life cycle assessment，LCA）和生命周期成本（life cycle cost，LCC）的方法來對(duì)水網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)和環(huán)境分析。以特定工業(yè)園區(qū)水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究者們引入柔性（flexibility）、彈性/韌性（resilience）和非操作性（inoperability）等概念用于評(píng)估系統(tǒng)性能[27-28]。Jia等[27]提出一種將過程集成與非操作性投入產(chǎn)出模型（inoperability inputoutput model，IIM）相結(jié)合的方法以支持工業(yè)園區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)估管理。IIM是一種用于計(jì)算相互關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)設(shè)施在系統(tǒng)中傳播效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)分析方法。應(yīng)用IIM研究園區(qū)水基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)聯(lián)程度和穩(wěn)定性之間的關(guān)系，研究擾動(dòng)觸發(fā)后工業(yè)園區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)聯(lián)方案的非操作性、彈性和柔性，以此為依據(jù)為園區(qū)決策者提供相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管理措施，保證園區(qū)既能達(dá)到節(jié)水減排的要求，也能避免遭受突發(fā)事件給園區(qū)帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

過程工業(yè)園區(qū)績(jī)效既是目標(biāo)也是過程，園區(qū)始終處于動(dòng)態(tài)的發(fā)展變化中，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系具有動(dòng)態(tài)性，體現(xiàn)其發(fā)展的階段性特征。針對(duì)煤化工園區(qū)生產(chǎn)過程特點(diǎn)，以分析氮、硫元素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律為目標(biāo)，劉文濤[29]將機(jī)理模擬和Aspen Plus過程模擬相結(jié)合，系統(tǒng)開展了焦化生產(chǎn)系統(tǒng)中碳、氮、硫元素的動(dòng)態(tài)物質(zhì)流分析，明確了其遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

3 當(dāng)前過程工業(yè)園區(qū)PSE研究現(xiàn)狀

EIP作為一個(gè)涉及科學(xué)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)多個(gè)層面的復(fù)合系統(tǒng)，既不同于著眼于宏觀物流分析的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，也不同于著眼于微觀物理化學(xué)變化的工藝系統(tǒng)。過程集成作為PSE研究的主要部分，從過程系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體考慮，綜合利用物質(zhì)和能量，將物質(zhì)流、能量流和信息流整體優(yōu)化，獲得理想的過程系統(tǒng)。以系統(tǒng)視角和全局觀的PSE方法來研究工業(yè)園區(qū)，過程集成的能量集成、物質(zhì)集成和信息集成研究對(duì)象可對(duì)應(yīng)于EIP的能量流、物質(zhì)流和信息流，可為工業(yè)園區(qū)設(shè)計(jì)、規(guī)劃和運(yùn)行管理提供有力的方法和工具支撐。下面對(duì)在園區(qū)尺度的節(jié)能、節(jié)水、碳排放、物料集成、多重網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化、信息化、運(yùn)營操作韌性等研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

3.1 園區(qū)節(jié)能、節(jié)水PSE研究

水和能源一直以來是工業(yè)園區(qū)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域，特別是近年來水資源短缺和氣候變化問題關(guān)注度日益提高，因此，規(guī)劃和改造園區(qū)、實(shí)施節(jié)能節(jié)水減排措施是重要的研究課題[30]。自從全局集成（total site integration，TSI）之后，涌現(xiàn)了大量有關(guān)多過程、跨廠區(qū)的節(jié)能、節(jié)水研究成果的報(bào)道[31-34]。

表1 部分PSE在園區(qū)尺度的節(jié)能研究Table 1 PSE applications of energy conservation in industrial parks

3.1.1 能量網(wǎng)絡(luò)的集成優(yōu)化 工業(yè)園區(qū)能量集成是指通過對(duì)園區(qū)內(nèi)各工廠內(nèi)的熱、冷流股進(jìn)行跨廠區(qū)的優(yōu)化集成，以實(shí)現(xiàn)能量最大限度的回收利用，使公用工程消耗最小化。與此同時(shí)也意味著對(duì)環(huán)境污染的減少。20世紀(jì)末針對(duì)單個(gè)工廠的換熱網(wǎng)絡(luò)集成研究已經(jīng)相對(duì)成熟，許多學(xué)者將研究目光轉(zhuǎn)向了系統(tǒng)邊界跨越廠區(qū)問題，將換熱網(wǎng)絡(luò)的邊界從單個(gè)企業(yè)擴(kuò)大到工業(yè)園區(qū)。按照集成形式，能量集成可分為工廠間熱、冷工藝流股之間的直接集成和引入中間能量載體（通常是水、蒸汽或有機(jī)導(dǎo)熱體）的間接能量集成兩大類；按照求解策略，則可分為夾點(diǎn)方法和數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，如表1所示。

3.1.2 水網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化集成 園區(qū)水用量最小化有兩個(gè)研究方向：一是通過PSE的系統(tǒng)綜合理論，使園區(qū)內(nèi)各企業(yè)之間的水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，對(duì)其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到最小用水量；二是通過宏觀政策調(diào)控，積極引導(dǎo)園區(qū)內(nèi)各企業(yè)進(jìn)行節(jié)水、水循環(huán)使用等技術(shù)升級(jí)，達(dá)到最小用水量。自Takama等[60]首次提出水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題，其后水網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化逐步發(fā)展成為一個(gè)成熟的領(lǐng)域，我國學(xué)者也提供了系統(tǒng)的研究成果[61-62]。部分PSE在園區(qū)尺度的節(jié)水研究如表2所示。

3.1.3 能量-水網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)優(yōu)化集成 Bogataj等[89]和Dong等[90]幾乎同時(shí)在2008年開始了水網(wǎng)絡(luò)和換熱網(wǎng)絡(luò)同時(shí)集成優(yōu)化的研究。自2010年之后，該方面的研究逐漸增多[91-95]，其中都健團(tuán)隊(duì)在超結(jié)構(gòu)模型上拓展，用混合整數(shù)非線性規(guī)劃（MINLP）進(jìn)行水-熱網(wǎng)絡(luò)同時(shí)優(yōu)化，通過3個(gè)案例分析表明年度總成本可以下降24%～29%。

3.2 園區(qū)碳排放問題

目前，全國共有國家級(jí)和省級(jí)工業(yè)園區(qū)2500余家，貢獻(xiàn)了全國一半以上的工業(yè)產(chǎn)值[96]。工業(yè)園區(qū)的低碳發(fā)展可以通過推進(jìn)重點(diǎn)行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型、控制工業(yè)過程溫室氣體排放、實(shí)施工業(yè)低碳發(fā)展試點(diǎn)等實(shí)現(xiàn)。這些措施均需要系統(tǒng)化的思維和方法作支撐，因此，PSE為EIP低碳規(guī)劃建設(shè)提供了直接的方法和工具，跨廠區(qū)能量集成能有效減少燃料消耗而達(dá)到減排的效果。由于工業(yè)園區(qū)企業(yè)的多樣性和關(guān)聯(lián)性，若能利用系統(tǒng)集成方法對(duì)產(chǎn)生的CO2進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將更好地實(shí)現(xiàn)園區(qū)碳減排目標(biāo)[97-98]。

Dhole等[35]早期提出在全局尺度上制定碳排放目標(biāo)。Tan等[99]首先提出碳排放的夾點(diǎn)分析方法（carbon emission pinch analysis,CEPA），針對(duì)的是區(qū)域內(nèi)不同類型能源間的碳排放分析，目的是求得碳排放約束下需要的最小清潔能源數(shù)量。賈小平等[100]運(yùn)用碳夾點(diǎn)分析方法對(duì)區(qū)域能源規(guī)劃問題進(jìn)行系統(tǒng)分析，確定出區(qū)域能源需求及其對(duì)應(yīng)的CO2排放量目標(biāo)。Munir等[101]提出了另一種形式的碳夾點(diǎn)分析方法，該方法以工業(yè)過程或企業(yè)為對(duì)象，以園區(qū)內(nèi)含CO2的排放氣體為碳源，以園區(qū)內(nèi)利用CO2的過程為碳阱，為了能使碳源CO2在園區(qū)內(nèi)碳阱得到利用，需要額外提供一些不含雜質(zhì)的CO2。利用該方法可以得到最小的純CO2需要量和碳凈排放量。

表2 部分PSE在園區(qū)尺度的節(jié)水研究Table 2 PSE applications of water conservation in industrial parks

隨著碳捕獲、利用與封存（CCUS）概念和技術(shù)的推廣，研究者將其納入過程工業(yè)碳減排研究，并起到了很好的效果[102-106]。Al-Mohannadi等[107]以整個(gè)工業(yè)園區(qū)的碳減排為目標(biāo)，利用數(shù)學(xué)規(guī)劃法對(duì)工業(yè)園區(qū)的CO2進(jìn)行回收利用。該方法能有效地對(duì)當(dāng)前工業(yè)園區(qū)的碳減排做出合理的減排方案。Al-Mohannadi等[108]考慮了多周期工業(yè)園區(qū)碳集成的問題，這樣可以解決工業(yè)園區(qū)一定時(shí)期內(nèi)的碳減排規(guī)劃建設(shè)問題?？紤]到在工業(yè)園區(qū)內(nèi)CO2回收利用的減排潛力有限，Hassiba等[109-110]同時(shí)考慮在工業(yè)園區(qū)尺度上的碳集成和能量集成問題。Aziz等[111]提出集成化夾點(diǎn)分析框架開展低碳工業(yè)區(qū)規(guī)劃問題研究（low CO2emissions industrial site planning）。Aviso等[112]提出生物基碳管理網(wǎng)絡(luò)（bio-based carbon management networks,BCMNs）概念，并用P-圖綜合方法來優(yōu)化管理碳網(wǎng)絡(luò)。

3.3 園區(qū)產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化

物質(zhì)集成是工業(yè)園區(qū)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分，通過產(chǎn)品體系規(guī)劃、元素集成以及數(shù)學(xué)優(yōu)化構(gòu)建原料、產(chǎn)品、副產(chǎn)品以及廢物的園區(qū)產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)資源利用的最優(yōu)化。過程工業(yè)是由彼此關(guān)聯(lián)的過程組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，而一個(gè)獨(dú)立的過程必須依靠其他化學(xué)品生產(chǎn)過程提供原材料或應(yīng)用其產(chǎn)品。Rudd等[113]建立了與200多種化學(xué)品生產(chǎn)相互關(guān)聯(lián)的400多個(gè)化工過程的物料流和能量流模型。Spriggs等[114]提出了EIP問題的質(zhì)量集成模型，在多個(gè)生產(chǎn)企業(yè)之間實(shí)現(xiàn)物質(zhì)（例如副產(chǎn)品、廢物流、公用工程）的協(xié)同交換，通過直接交換和/或設(shè)施共享來轉(zhuǎn)換和分離不同化學(xué)品，并將它們分配給各個(gè)EIP成員。從本質(zhì)來看，工業(yè)園區(qū)的質(zhì)量集成問題可用Shah[115]提出的多廠區(qū)（multisite）物料排產(chǎn)和調(diào)度來表征。基于MINLP模型，Terrazas-Moreno等[116-117]和Castro等[118]提出更全面的多廠區(qū)-多產(chǎn)品-多周期的排產(chǎn)和調(diào)度問題。Misrol等[119]以有機(jī)廢棄物為原料合成生物燃?xì)庵圃煜到y(tǒng)。Li等[120-121]和胡山鷹等[122]針對(duì)過程工程中廢物最小化的反應(yīng)路徑綜合問題，提出簡(jiǎn)單計(jì)量系數(shù)反應(yīng)方程概念，并構(gòu)建復(fù)雜反應(yīng)路徑綜合的雙層優(yōu)化法，實(shí)現(xiàn)廢物最小的生態(tài)工業(yè)生產(chǎn)模式。Fan等[123]提出基于資源的生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)構(gòu)建和優(yōu)化方法。鄭東暉等[124]提出一種考慮動(dòng)力學(xué)影響和環(huán)境約束的反應(yīng)路徑綜合方法，求解帶有模糊參數(shù)的多目標(biāo)機(jī)會(huì)約束規(guī)劃模型，得到一系列經(jīng)濟(jì)、環(huán)境上均優(yōu)化可行的反應(yīng)路徑。

以丹麥卡倫堡生態(tài)工業(yè)園與韓國蔚山生態(tài)工業(yè)園為案例，Valenzuela-Venegas等[125]選取水、蒸汽、CO2、油物質(zhì)流動(dòng)為研究對(duì)象，通過多目標(biāo)優(yōu)化方法構(gòu)建5個(gè)優(yōu)化配置方案：經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、彈性、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境、經(jīng)濟(jì)環(huán)境與彈性。提出的多目標(biāo)優(yōu)化方案有利于優(yōu)化工業(yè)園區(qū)物質(zhì)流動(dòng)配置。在綜合考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和彈性基礎(chǔ)上，規(guī)劃設(shè)計(jì)EIP的物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，不僅要優(yōu)化其經(jīng)濟(jì)效益，也要提高園區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的運(yùn)營彈性。Grant等[126]開發(fā)了利用信息技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)劃工業(yè)共生系統(tǒng)的軟件。Singh等[127]利用層次Pareto優(yōu)化方法（hierarchical Pareto optimization）對(duì)工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了綜合分析和可持續(xù)性優(yōu)化。

Noureldin等[128]提出C-H-O共生網(wǎng)絡(luò)合成CHOSYN概念。在一個(gè)CHOSYN網(wǎng)絡(luò)里，含有C、H、O原子的各種化合物進(jìn)行交換、轉(zhuǎn)化、分離、混合與配置，以C-H-O為基礎(chǔ)可生成大量產(chǎn)業(yè)共生的機(jī)會(huì)。CHOSYN合成方法分為兩個(gè)階段：第一階段是原子尺度的定目標(biāo)化，計(jì)算出園區(qū)內(nèi)各工廠生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)品所需要的最小原料消耗量，此時(shí)C-H-O共生網(wǎng)絡(luò)還是個(gè)“黑箱”；第二階段是合成C-H-O共生網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)各廠提供的“源流股”及可接受的“阱流股”，最大化利用工廠內(nèi)部源流股及最小化利用外部源流股。CHOSYN網(wǎng)絡(luò)方案的生成過程如圖5所示。根據(jù)文獻(xiàn)[129]提供的案例，對(duì)于一個(gè)由頁巖氣液化燃料廠、發(fā)電廠、二甲醚廠、乙烯廠、鋼廠、生物柴油廠和醋酸廠7個(gè)廠組成的EIP，用CHOSYN法設(shè)計(jì)可以使外部資源總成本節(jié)省47%。

3.4 多重網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化

目前，在園區(qū)尺度上，以往的PSE研究主要側(cè)重在單個(gè)資源網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。例如，Valenzuela-Venegas等[125]對(duì)工業(yè)園區(qū)物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化、Aguilar-Oropeza等[130]對(duì)工業(yè)園區(qū)水網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化以及Liew等[131]對(duì)“全局”能源利用的優(yōu)化設(shè)計(jì)。但在由不同工廠組成工業(yè)共生園區(qū)時(shí)則要求同時(shí)考慮所有資源（包括原料、水和能量等）最大限度優(yōu)化利用，從而構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜完整的生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)。對(duì)于這種復(fù)雜系統(tǒng)不僅要優(yōu)化其經(jīng)濟(jì)性能和環(huán)境性能，還要考慮整個(gè)共生系統(tǒng)的韌性和柔性，這就增加了模型的復(fù)雜度和求解難度，使過去處理傳統(tǒng)單個(gè)工廠、單一資源優(yōu)化的方法必須向處理復(fù)雜系統(tǒng)的方法過渡。

圖5 CHOSYN網(wǎng)絡(luò)方案的生成過程[129]Fig.5 Synthesis process of CHOSYNnetwork[129]

3.5 園區(qū)信息化問題

由于互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、5G通訊等信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，也給工業(yè)園區(qū)的發(fā)展提供了許多新機(jī)會(huì)、新動(dòng)力。這要從兩個(gè)方面來討論：一方面是信息技術(shù)可以突破地理區(qū)域的限制，實(shí)現(xiàn)虛擬EIP；另一方面是利用信息技術(shù)來提升同一地區(qū)內(nèi)的工業(yè)園區(qū)管理水平，逐步實(shí)現(xiàn)智能化園區(qū)。

自從2010年美國通用電氣公司提出工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（industrial internet of things,IIoT）以來，IIoT發(fā)展很快，從而把制造業(yè)的信息化推向了一個(gè)新階段,也為虛擬EIP的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。虛擬EIP具有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)：（1）擴(kuò)大了系統(tǒng)范圍，不必要求所有成員都入園，節(jié)約土地和動(dòng)遷成本；（2）不受園區(qū)地理空間的限制，企業(yè)合作方式比實(shí)體EIP靈活；（3）園區(qū)系統(tǒng)柔性強(qiáng)、穩(wěn)定性好。由于中小企業(yè)規(guī)模和自身工藝的限制，若是只注重企業(yè)內(nèi)部的能源物流集成，在單個(gè)企業(yè)里引入清潔生產(chǎn)和廠內(nèi)廢物資源的循環(huán)利用則存在很大的局限性。因?yàn)橛写罅科髽I(yè)內(nèi)部無法消化的廢物資源，若是能突破固定的地理界限，通過“廢物資源化”這條紐帶將眾多產(chǎn)業(yè)鏈存在聯(lián)系的中小企業(yè)通過現(xiàn)代信息技術(shù)手段連接起來，企業(yè)可以根據(jù)自身的發(fā)展需要選擇最佳的合作伙伴，各企業(yè)通過各自廢物資源的交換突破產(chǎn)品性質(zhì)和生產(chǎn)工藝的限制，整個(gè)虛擬園區(qū)以網(wǎng)絡(luò)為依托，實(shí)現(xiàn)資源的高效利用；虛擬工業(yè)園區(qū)有助于循環(huán)經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域或流域資源整合。如美國卡羅萊納州6個(gè)郡77.7萬公頃的北卡羅萊納州三角研究園建立虛擬共生網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了副產(chǎn)品和廢物的交換，目前已經(jīng)有1328家企業(yè)通過網(wǎng)絡(luò)加入了該虛擬型的EIP，實(shí)現(xiàn)對(duì)1249種不同物資進(jìn)行交換[136]。

楊友麒[137]曾提出利用信息技術(shù)來實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的EIP設(shè)想，這種虛實(shí)結(jié)合的EIP關(guān)鍵是建立一個(gè)智能化園區(qū)運(yùn)行系統(tǒng)平臺(tái)，其目標(biāo)是將智慧園區(qū)的五種流統(tǒng)一管理，這“五種流”分別是：物質(zhì)流、能量流、價(jià)值流、技術(shù)流、信息流。用信息流將其統(tǒng)一組織協(xié)調(diào)好，使得資源利用率最高、運(yùn)營效率最好、安全環(huán)保最有保證、技術(shù)創(chuàng)新轉(zhuǎn)移最快、客戶需求信息傳遞最及時(shí)。針對(duì)EIP設(shè)計(jì)和管理的模型化問題，陳定江等[138]將邏輯表達(dá)式引入EIP模型（成員模型和連接模型），并通過構(gòu)建和求解MINLP問題來獲取優(yōu)化方案。該園區(qū)模型具有良好的擴(kuò)展性、可修改性、可重用性，可作為EIP決策系統(tǒng)的核心模型。王劍婷等[139]探討了生態(tài)工業(yè)決策網(wǎng)絡(luò)圖作為結(jié)構(gòu)化表征生態(tài)工業(yè)決策問題的工具，系統(tǒng)決策由直接定性、層次分析法綜合以及邏輯推理三類過程完成實(shí)現(xiàn)。

在用信息技術(shù)提升工業(yè)園區(qū)管理水平方面，2010年Grant等[126]對(duì)信息技術(shù)在工業(yè)共生中的應(yīng)用做了系統(tǒng)調(diào)查，綜合評(píng)估了17項(xiàng)工具，但發(fā)現(xiàn)功能完整且得到較廣應(yīng)用的工具不多。這里要注意區(qū)分“園區(qū)智慧化”與“企業(yè)智能化”的不同。我國制造業(yè)進(jìn)行“兩化融合”的進(jìn)程分為數(shù)字化-網(wǎng)絡(luò)化-智能化三個(gè)階段，大多數(shù)企業(yè)還處在數(shù)字化轉(zhuǎn)型階段。歐洲有些化工園區(qū)已進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化，但發(fā)達(dá)國家也沒有智能化園區(qū)。Martín等[140]提出用集成生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的多智能系統(tǒng)（multi-agent system）建模來實(shí)現(xiàn)概念化的智能化園區(qū)（smart eco-industrial parks）。各個(gè)智能體均為具有自治性、社會(huì)性、反應(yīng)性和預(yù)動(dòng)性等基本特性的實(shí)體。讓若干個(gè)具備簡(jiǎn)單智能卻便于管理控制的系統(tǒng)通過相互信息通信和交互作用協(xié)作實(shí)現(xiàn)復(fù)雜智能。德國北威州的化工園區(qū)則在通往智能化園區(qū)的道路上邁出了堅(jiān)實(shí)的一步[141]。以馬來西亞棕櫚油業(yè)工業(yè)共生為例，Yazdanpanah等[142]提出基于正規(guī)產(chǎn)業(yè)共生機(jī)會(huì)過濾方法（FISOF）的決策支持算法，利用分布式知識(shí)和集體策略來篩選工業(yè)共生方案。周哲等[143]針對(duì)工業(yè)生態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律問題，研究了系統(tǒng)內(nèi)部成員間交互作用與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化之間的因果關(guān)系，并基于復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)理論（complex adaptive system）的多主體(agent-based)模型模擬了企業(yè)與市場(chǎng)、“企業(yè)-環(huán)境-政府”之間的相互影響和不斷交互的過程?；谥R(shí)本體（ontology）的策略，Zhang等[144]開展了知識(shí)管理框架研究，以提升EIP的能效。van Capelleveen等[145]綜述了應(yīng)用信息技術(shù)識(shí)別產(chǎn)業(yè)共生機(jī)會(huì)的研究成果。

3.6 園區(qū)運(yùn)營操作韌性（彈性）研究

園區(qū)產(chǎn)業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)上具有節(jié)點(diǎn)異質(zhì)化、關(guān)系多元化等特點(diǎn)[146]。因此，園區(qū)運(yùn)營操作韌性或彈性是當(dāng)前妨礙園區(qū)實(shí)現(xiàn)工業(yè)共生的關(guān)鍵問題。如前所述，PSE在跨企業(yè)物料流、熱能和水的集成技術(shù)方面提出了不少方法和工具。但是深入考察實(shí)際運(yùn)營的EIP就發(fā)現(xiàn)，在實(shí)施以上3個(gè)方面跨企業(yè)集成交換合作的案例并不多[136,147-148]。雖然這種集成交換理論上會(huì)帶來資源利用率提高、排廢減少、成本降低，但會(huì)造成園區(qū)內(nèi)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜化及管理問題，企業(yè)成員之間管網(wǎng)交叉運(yùn)行，一旦某一企業(yè)出了問題需要暫時(shí)停車或調(diào)整，勢(shì)必引起相關(guān)聯(lián)的企業(yè)跟著停車或調(diào)整。但這些裝置屬于不同的業(yè)主法人，管理調(diào)度起來會(huì)十分復(fù)雜，這就是園區(qū)運(yùn)行的操作彈性脆弱（vulnerability）問題。這類問題還發(fā)生在工業(yè)園區(qū)與外部的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施（例如供水、供電和通信系統(tǒng)）之間[149]。脆弱性強(qiáng)調(diào)的是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在受到某個(gè)干擾時(shí)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的破壞性。工業(yè)園區(qū)外部的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施故障或內(nèi)部成員企業(yè)的操作調(diào)整產(chǎn)生的級(jí)聯(lián)效應(yīng)傳播到工業(yè)園區(qū)及其中的企業(yè)成員中，導(dǎo)致園區(qū)不正常運(yùn)行。

Meerow等[150]系統(tǒng)性地回顧了1973—2014年間的產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)及相關(guān)學(xué)術(shù)領(lǐng)域中關(guān)于彈性和復(fù)雜性的研究。其中如何評(píng)估園區(qū)的韌性和脆弱性也是一個(gè)很有意義的話題[22,151]。馬蔚鈞等[152]應(yīng)用Matlab-Simulink工具箱建立了生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)模型，提出生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)柔性分析的影響因子法，對(duì)限制系統(tǒng)柔性的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，提出了改進(jìn)系統(tǒng)柔性的方案。Li等[153]基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論探討了產(chǎn)業(yè)共生單一系統(tǒng)和多個(gè)系統(tǒng)間相互依賴性與彈性的關(guān)系，提出了一個(gè)可以保留交換內(nèi)容異質(zhì)性和共生關(guān)系多樣性信息的相依網(wǎng)絡(luò)模型。并以宜興經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)為案例，研究結(jié)果表明相互依賴性的增長(zhǎng)加大了系統(tǒng)的脆弱性，而不一定能增加其彈性。Kuznetsova等[154]將IIM模型與專家法結(jié)合運(yùn)用到卡倫堡EIP的產(chǎn)業(yè)鏈中，預(yù)測(cè)工業(yè)園區(qū)的相互依賴行為產(chǎn)生的影響，評(píng)估破壞性事件傳播的風(fēng)險(xiǎn)并提供可能的技術(shù)解決方案和調(diào)整策略，以提高EIP的整體恢復(fù)能力。Chopra等[155]利用網(wǎng)絡(luò)分析法對(duì)產(chǎn)業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)韌性進(jìn)行了研究，識(shí)別出工業(yè)園區(qū)的脆弱節(jié)點(diǎn)，并提出了產(chǎn)業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化應(yīng)注意增加網(wǎng)絡(luò)韌性。Li等[156]基于網(wǎng)絡(luò)理論和全局效率的概念開展了園區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)/邊故障/失誤對(duì)園區(qū)整體的破壞效應(yīng)。

4 工業(yè)園區(qū)尺度對(duì)PSE研究的挑戰(zhàn)

在發(fā)展早期階段，PSE主要是將系統(tǒng)工程的思想和方法用于解決過程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)、運(yùn)行和控制等問題[157]。隨著產(chǎn)品工程的深化、產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)和產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)等概念的興起，PSE的內(nèi)涵開始發(fā)生變遷。一方面，從傳統(tǒng)的過程系統(tǒng)沿著產(chǎn)品生命周期拓展，成為產(chǎn)品系統(tǒng)工程；另一方面，應(yīng)實(shí)踐需求，PSE逐漸將空間因素納入考量，為特定空間區(qū)域內(nèi)統(tǒng)籌考慮過程、產(chǎn)品和供應(yīng)鏈的開發(fā)、生產(chǎn)和管理提供系統(tǒng)方法的支持[158]。進(jìn)入21世紀(jì)以來的園區(qū)循環(huán)化改造、EIP、綠色園區(qū)和智慧園區(qū)的規(guī)劃和建設(shè)實(shí)踐，使得以往孤立處理單一問題的做法難以勝任，而基于系統(tǒng)研究范式的PSE可以為其提供有力的方法和工具。反過來，這些園區(qū)層面規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)營實(shí)踐也為PSE提出了研究范式和具體領(lǐng)域的研究挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

工業(yè)園區(qū)不僅是單元過程系統(tǒng)的增多，還帶來了更多的復(fù)雜性，包括：（1）系統(tǒng)邊界的擴(kuò)大，不僅空間邊界從過程尺度擴(kuò)大到園區(qū)尺度，時(shí)間邊界也因工業(yè)園區(qū)生命周期而需要延長(zhǎng)；（2）系統(tǒng)單元的異質(zhì)化與多樣化，不僅是基于物理化學(xué)的過程單元，還包括了自然生態(tài)要素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素；（3）優(yōu)化維度的多樣化，不僅是PSE通?？紤]的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境性和操作柔性，還需要考慮社會(huì)性和生態(tài)學(xué)意義上的適應(yīng)性；（4）主體博弈性，園區(qū)內(nèi)跨企業(yè)的各個(gè)單元分屬于不同業(yè)主法人，因而引起不同利益相關(guān)者的訴求不同會(huì)帶來博弈均衡問題。以資源、能源、環(huán)境與社會(huì)的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展為目標(biāo)，是PSE理論和方法的核心[159]。

概言之，隨著環(huán)境管制范式從末端治理向系統(tǒng)導(dǎo)向的演進(jìn)，EIP發(fā)展無論在研究目的、研究?jī)?nèi)容、研究范式還是在方法工具等方面都對(duì)PSE提出了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，形成了園區(qū)系統(tǒng)工程（park system engineering），如表3所示。

表3 園區(qū)系統(tǒng)工程與傳統(tǒng)PSE的比較Table 3 Comparison between park system engineering and traditional PSEs

4.1 研究范式?jīng)_突的挑戰(zhàn)

PSE在過程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和運(yùn)行領(lǐng)域已經(jīng)形成一種經(jīng)典范式，即首先根據(jù)給定的設(shè)計(jì)目標(biāo)和規(guī)范進(jìn)行系統(tǒng)合成，構(gòu)造一個(gè)或多個(gè)初始系統(tǒng)，然后進(jìn)行系統(tǒng)的分析、模擬、優(yōu)化，最后進(jìn)行系統(tǒng)集成和綜合決策。如果構(gòu)造的初始系統(tǒng)滿足了所要求的系統(tǒng)特性，則設(shè)計(jì)活動(dòng)結(jié)束，否則就重復(fù)以上步驟，直到求出最優(yōu)解[160]。可以看出，系統(tǒng)分析、建模優(yōu)化、系統(tǒng)集成和決策研判是PSE的構(gòu)成環(huán)節(jié)。

然而，EIP不同于作為PSE傳統(tǒng)研究對(duì)象的過程系統(tǒng)。一般而言，EIP是以工業(yè)發(fā)展為導(dǎo)向的社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，在一定空間范圍內(nèi)通過促進(jìn)廢物交換、物質(zhì)能量梯級(jí)利用以及基礎(chǔ)設(shè)施共享等手段實(shí)現(xiàn)園區(qū)尺度上環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的雙贏[161]。因此，EIP的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)營是將各種自然生態(tài)因素、技術(shù)物理因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素耦合起來，充分考慮物質(zhì)代謝、信息反饋和生態(tài)演替等過程中的等級(jí)性、異質(zhì)性和多樣性，達(dá)到工業(yè)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。如此以來，PSE的研究對(duì)象就需要從傳統(tǒng)的人造系統(tǒng)轉(zhuǎn)向人工與自然生態(tài)相結(jié)合的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。

本體對(duì)象上的轉(zhuǎn)變必然要求研究維度上的轉(zhuǎn)變。EIP規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)營不單是純粹的技術(shù)問題，而是涉及科學(xué)、技術(shù)、管理、法規(guī)和政策的綜合體。因此，在研究維度上，PSE需要從傳統(tǒng)側(cè)重于事件發(fā)生的“事理”關(guān)系轉(zhuǎn)向事件為什么發(fā)生的“道理”關(guān)系和事件如此才能發(fā)生的“情理”關(guān)系上[162-163]。其中，一個(gè)根本性的視角轉(zhuǎn)換在于EIP規(guī)劃建設(shè)是一個(gè)優(yōu)化問題還是演化問題。自丹麥卡倫堡產(chǎn)業(yè)共生體系發(fā)現(xiàn)以來，文獻(xiàn)已經(jīng)報(bào)道了數(shù)百個(gè)EIP案例，辨析出一些基本的模式，例如自組織型、全新規(guī)劃型、改造型和循環(huán)經(jīng)濟(jì)型等，也評(píng)估了一些案例的得失成敗[164]。基本上，自組織型和改造型的EIP更容易成功，而全新規(guī)劃型則存在更多的問題。這盡管是較為初步的結(jié)論，但也映射出EIP存在優(yōu)化與演化的路線之爭(zhēng)，同時(shí)也反映出EIP發(fā)展背后隱含著復(fù)雜的動(dòng)態(tài)機(jī)制。這對(duì)以優(yōu)化為主導(dǎo)的PSE研究范式提出了很大的挑戰(zhàn)。換句話說，PSE需要以復(fù)雜系統(tǒng)理論來重新武裝自己，帶上復(fù)雜的“有色眼鏡”來探求產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的演化模式及其規(guī)律，才能真正指導(dǎo)EIP的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)營。

在研究方法上，PSE需要繼續(xù)遵循以往經(jīng)典范式，在以下4個(gè)環(huán)節(jié)做出思考：（1）系統(tǒng)綜合，即EIP要素成員的設(shè)計(jì)及其相互關(guān)系的確定；（2）系統(tǒng)建模，尤其是過程系統(tǒng)、產(chǎn)品系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)的耦合建模；（3）系統(tǒng)評(píng)估，確定EIP的評(píng)估維度及其指標(biāo)體系；（4）系統(tǒng)優(yōu)化或演化，確定策略、目標(biāo)及其路徑。但同時(shí)，更需要思考可能產(chǎn)生范式?jīng)_突的問題，例如從事理、道理和情理三方面，能否辨析并明確量化出EIP及其所內(nèi)嵌的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的所有聯(lián)系；如何模擬產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與EIP的演化，EIP是一個(gè)典型的開放系統(tǒng)，臨界自組織性顯著；EIP的最優(yōu)調(diào)控策略及合適的方法和工具。

在系統(tǒng)集成方面，EIP的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)營同樣也高度依賴能量集成、物質(zhì)集成和信息集成。PSE已經(jīng)提供了有關(guān)這3個(gè)集成的工具包，在空間尺度上也提供有總工地集成的方法[165]。然而，研究對(duì)象與視角的轉(zhuǎn)換給PSE增加了一項(xiàng)新的內(nèi)容，即生態(tài)集成。所謂生態(tài)集成，是指考慮了生態(tài)關(guān)系的系統(tǒng)集成，也就是說將工業(yè)過程子系統(tǒng)與自然生態(tài)子系統(tǒng)作為人工復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行整體考慮，集成后不僅子系統(tǒng)內(nèi)部而且兩個(gè)子系統(tǒng)之間都能夠彼此有機(jī)地協(xié)調(diào)工作，達(dá)到環(huán)境與經(jīng)濟(jì)雙贏的效果且系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展。在系統(tǒng)集成方面，EIP的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)營還會(huì)由顯性知識(shí)（信息）和隱性知識(shí)（knowhow）造成的困惑。這是因?yàn)閳@區(qū)內(nèi)部物料交易產(chǎn)品非標(biāo)準(zhǔn)化，和企業(yè)市場(chǎng)交易有原則上的不同[126]。

4.2 具體領(lǐng)域的挑戰(zhàn)

工業(yè)園區(qū)生態(tài)化轉(zhuǎn)型及其循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)畢竟是探索中的事情，仍然存在大量的不確定性和挑戰(zhàn)。作為一個(gè)典型的多尺度復(fù)雜系統(tǒng)，EIP規(guī)劃建設(shè)需要PSE提供相應(yīng)的方法和工具來支撐產(chǎn)業(yè)鏈的診斷與優(yōu)化、基礎(chǔ)設(shè)施的級(jí)聯(lián)分析與協(xié)同優(yōu)化、工業(yè)園區(qū)的綜合評(píng)價(jià)和規(guī)劃改造、區(qū)域產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性分析與生態(tài)演替。具體而言，有如下5方面的挑戰(zhàn)最為突出：自持性分析、多尺度復(fù)雜建模、生命周期博弈優(yōu)化、生態(tài)集成和基于大數(shù)據(jù)的智慧決策。具體如圖6所示。

圖6 EIP發(fā)展給PSE帶來挑戰(zhàn)的具體領(lǐng)域Fig.6 The specific areas of challenge brought by EIPdevelopment

（1）EIP自持性分析。工業(yè)園區(qū)作為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本空間單元，是一個(gè)典型的開放系統(tǒng)。一方面，原材料、資本、知識(shí)、勞動(dòng)力、技術(shù)等生產(chǎn)要素以及產(chǎn)品本身具有很大的全球流動(dòng)性；另一方面，廢物交換、基礎(chǔ)設(shè)施共享和服務(wù)共享等具有很強(qiáng)的本地化傾向。因此，EIP的建設(shè)受到技術(shù)進(jìn)步、市場(chǎng)波動(dòng)、政策調(diào)控以及各種不確定因素的影響，其轉(zhuǎn)型升級(jí)面臨著更多的路徑依賴性和諸多鎖定。尤其在當(dāng)前國內(nèi)國際雙循環(huán)發(fā)展新格局態(tài)勢(shì)下，產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)如何在狹小的園區(qū)空間內(nèi)自我維持且競(jìng)爭(zhēng)性發(fā)展是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。這就給PSE在工業(yè)園區(qū)尺度上的應(yīng)用帶來了很大的挑戰(zhàn)。PSE需要在復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展出相應(yīng)的方法和工具來應(yīng)對(duì)這些非線性特征。

（2）多尺度復(fù)雜建模。工業(yè)園區(qū)是一個(gè)包含產(chǎn)業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施、自然生態(tài)和管治系統(tǒng)等在內(nèi)的典型的多尺度復(fù)雜系統(tǒng)。EIP規(guī)劃建設(shè)需要PSE提供相應(yīng)的方法和工具來支撐不同尺度上的系統(tǒng)分析、優(yōu)化與集成。例如，在產(chǎn)業(yè)尺度上，需要探討循環(huán)共生產(chǎn)業(yè)鏈的診斷與優(yōu)化；在基礎(chǔ)設(shè)施尺度上，需要探討不同基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)時(shí)序、級(jí)聯(lián)分析與協(xié)同優(yōu)化；在工業(yè)園區(qū)尺度上，需要探討EIP的綜合評(píng)價(jià)和規(guī)劃改造運(yùn)營；在更大的區(qū)域產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)尺度上，需要探討可持續(xù)性分析與生態(tài)演替。更重要的，PSE需要發(fā)展出多尺度和跨尺度的復(fù)雜建模方法和工具，同步和整體優(yōu)化上述尺度所提及的研究問題。

（3）生命周期博弈優(yōu)化。工業(yè)園區(qū)生態(tài)化需要多個(gè)企業(yè)、多個(gè)產(chǎn)業(yè)和多個(gè)生命周期環(huán)節(jié)之間的共生與協(xié)同。一方面，EIP需要生命周期優(yōu)化，在產(chǎn)品生命周期尺度上尋求環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的雙贏；另一方面，EIP需要考慮不同產(chǎn)業(yè)主體的利益訴求。企業(yè)處于商業(yè)上的考慮不愿意公開其供應(yīng)鏈、廢物產(chǎn)生與排放以及環(huán)境防治成本等信息，這給EIP的建設(shè)帶來了困難。經(jīng)驗(yàn)表明，相互信任和合作基礎(chǔ)有利于促進(jìn)產(chǎn)業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和EIP的建設(shè)。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，PSE需要發(fā)展基于不完全信息、模糊信息和沖突信息的決策支撐方法和工具，引入演化視角和多主體、多目標(biāo)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法與工具來支撐EIP的規(guī)劃建設(shè)。

（4）生態(tài)集成。工業(yè)園區(qū)智慧生態(tài)化要求建構(gòu)一個(gè)符合產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)原理、具有高資源效率、高環(huán)境相容和高度自適應(yīng)性的區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)，也就是說理想的工業(yè)園區(qū)是一個(gè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)高度融合的人工復(fù)合生態(tài)智能系統(tǒng)。這一系統(tǒng)的建構(gòu)不僅給PSE提出了生態(tài)集成的挑戰(zhàn)，也提出了更高水準(zhǔn)的信息集成挑戰(zhàn)。事實(shí)上，工業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開啟了智慧園區(qū)的探索建設(shè)工作。我國也正嘗試著在化工領(lǐng)域開展智慧化工園區(qū)的示范與推進(jìn)工作。目前的智慧園區(qū)建設(shè)還僅停留在園區(qū)內(nèi)的部分試點(diǎn)企業(yè)。其工作主要側(cè)重在感知層、數(shù)據(jù)層搭建和展示，對(duì)于模型層和決策層還有很長(zhǎng)的路要走。園區(qū)生態(tài)化的建模和決策不僅需要常規(guī)的顯性知識(shí)，還涉及隱性知識(shí)，而后者的數(shù)字化還處于探索階段。同時(shí)，對(duì)于產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)的融合更是沒有深層次的觸及，主要原因在于缺乏對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展導(dǎo)向的人工復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的理解。

（5）基于大數(shù)據(jù)的整體決策。生態(tài)工業(yè)示范園區(qū)、綠色園區(qū)和園區(qū)循環(huán)化改造中都強(qiáng)調(diào)了循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈的構(gòu)建和優(yōu)化，強(qiáng)調(diào)產(chǎn)業(yè)鏈延伸和補(bǔ)鏈項(xiàng)目的重要性。然而，對(duì)循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈的診斷和優(yōu)化是一項(xiàng)高度復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要系統(tǒng)理論、方法和工具的支持。在信息化和工業(yè)化深度融合的發(fā)展階段，大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+、智能制造等技術(shù)使得基于共享的范圍經(jīng)濟(jì)（長(zhǎng)尾經(jīng)濟(jì)）的優(yōu)越性越來越大，在我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)中越來越重視“增量升值”的范圍經(jīng)濟(jì)，其正在逐步取代規(guī)模經(jīng)濟(jì)成為工業(yè)主流模式。隨著企業(yè)層面上制造業(yè)大數(shù)據(jù)的積累，跨越企業(yè)層面的數(shù)據(jù)融合越來越成為園區(qū)智慧生態(tài)化的巨大挑戰(zhàn)。

上述挑戰(zhàn)表明，工業(yè)園區(qū)生態(tài)化是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，單一層面的理念、知識(shí)、方法、工具等已不足以破解那些重大的難題。現(xiàn)在的PSE學(xué)界正在使用和研究的方法和工具可以作為基礎(chǔ)，嘗試用來解決上述挑戰(zhàn)，并針對(duì)工業(yè)園區(qū)的大尺度、環(huán)境-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)多目標(biāo)等特點(diǎn)，做出新的發(fā)展和創(chuàng)新[166]。為此，PSE需要進(jìn)一步拓展其內(nèi)涵，主動(dòng)適應(yīng)智慧生態(tài)化要求并做出研究范式變革才能獲得更多的發(fā)展機(jī)遇。表3基于現(xiàn)有PSE應(yīng)對(duì)工業(yè)園區(qū)的挑戰(zhàn)歸納出相關(guān)的技術(shù)和工具。

5結(jié) 論

工業(yè)園區(qū)生態(tài)化發(fā)展是大勢(shì)所趨，但如何生態(tài)化是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。它既涉及資源、能源、環(huán)境和生態(tài)等物理化學(xué)生態(tài)層面的剛性因素，也涉及技術(shù)、社會(huì)組織和政策等社會(huì)經(jīng)濟(jì)層面的軟性因素。這些因素相互之間的復(fù)雜互動(dòng)耦合關(guān)系給工業(yè)園區(qū)生態(tài)化帶來了巨大的挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)不僅體現(xiàn)在對(duì)工業(yè)園區(qū)尺度上產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)本體認(rèn)知、數(shù)據(jù)獲取以及系統(tǒng)方法的支撐上，也體現(xiàn)在對(duì)現(xiàn)有研究范式的全面挑戰(zhàn)上。然而，這些挑戰(zhàn)給PSE的拓展提供了良好的機(jī)遇和實(shí)踐場(chǎng)景。目前，PSE已經(jīng)較為系統(tǒng)地覆蓋了工業(yè)園區(qū)能量集成、物質(zhì)集成和信息集成等領(lǐng)域，為工業(yè)園區(qū)的能量、物質(zhì)和信息優(yōu)化提供了工具支撐，也開始介入跨企業(yè)共生集成、生命周期集成、生態(tài)集成和數(shù)據(jù)集成等新興領(lǐng)域，為EIP的真正實(shí)現(xiàn)提供了方法指導(dǎo)和決策支撐?？梢灶A(yù)期，隨著工業(yè)園區(qū)生態(tài)化的進(jìn)一步深化，PSE也將步入一個(gè)快速發(fā)展的藍(lán)海。