化学工业的产品结构—复杂网络的视角

论文摘要

化学工业是人类物质利用水平的最高表现,但其生产的规模性和产品的多样性也带来了严重的环境问题。如何系统地认识并改造化学工业结构、管理数量巨大而又相互关联的化学品体系已经成为亟待解决的问题。针对这些问题,本文使用复杂网络理论为工具,依照化学反应方程式建立了20世纪70年代的化学工业产品网络,对其进行了分析并与细胞网络、生态网络的分析结果进行了对比以识别化学工业物质关联的特征结构和动态性质;同时,本文还依照工艺流程简图对20世纪70年代和近年的化学工业分别建立了产品网络,通过分析和对比以识别化学工业产品生产的结构和动态性质的变化情况以及演化规律。研究结果表明,类似于生物系统,化学工业产品生产的总体模式是以等级的方式组织起来的Feed-forward loop、Bi-fan和Bi-parallel等基本结构单元,这一模式反映了化学工业生产的本质特点,在化学工业的发展过程中保持不变。在化学工业的发展过程中,激烈的竞争在生产同种产品的不同工艺间明显存在,而在使用同种原料的不同工艺之间却不显著,使得整个工业呈现出产品生产的均匀化和产品使用的非均匀化。在经历了约30年的发展后,化学工业小世界性更加明显,使其在规模和范围不断增大的情况下仍然可以保持较好的响应能力和调节能力;结构上的物质利用效率明显提高,由基础原料生产类似的产品所需要的工艺流程明显缩短,但是由于在根本上难以具有Three chain结构单元,使其在结构上的物质利用效率很难达到食物链系统的水平;稳定性由于产品间连接数量的明显减少而降低,反映了稳定性在化学工业中不像在生物系统和生态系统中那样重要。化学工业的小世界性和随机故障下的稳定性保证了能够通过经济、政策手段对其进行调整,其结构特点和演化规律也为具体的调整措施提供了依据。基于复杂网络对产品体系的刻画为工业生态学在类比上的诉求提供了方法论上的参考,也为复杂系统理论补充了现实案例。为了更有效地管理化学品以及调整化学工业实现可持续发展,需要进一步建立更大规模的网络数据库并在特征结构单元的形成机理上深入研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 现代化学工业与环境问题
• 1.1.2 工业系统与自然系统的类比
• 1.1.3 生态隐喻的贡献及其局限性
• 1.1.4 工业系统的复杂性与工具的选取
• 1.2 研究目的、方法及内容
• 1.2.1 研究目的及意义
• 1.2.2 研究内容及方法
• 第2章 网络分析方法的建立
• 2.1 基本概念与指标
• 2.1.1 基本概念
• 2.1.2 主要指标
• 2.2 拓扑模型和性质
• 2.2.1 ER 随机图
• 2.2.2 小世界模型
• 2.2.3 无标度模型和网络的非均匀性
• 2.2.4 等级模块性
• 2.3 应用案例
• 2.3.1 细胞网络
• 2.3.2 生态网络
• 第3章 化学工业产品网络分析及对比：20 世纪70 年代的美国
• 3.1 网络构建
• 3.2 网络分析与对比
• 3.2.1 度分布和网络的非均匀性
• 3.2.2 小世界性
• 3.2.3 等级模块性
• 3.3 结果讨论
• 3.3.1 化学工业生产的结构及其演化
• 3.3.2 化学工业生产的动态性质
• 3.3.3 生态化程度的识别：效率与稳定性
• 3.3.4 政策含义
• 3.4 小结
• 第4章 化学工业产品网络的演化
• 4.1 网络构建
• 4.2 网络分析、对比及讨论
• 4.2.1 度分布和网络的非均匀性
• 4.2.2 小世界性
• 4.2.3 等级模块性
• 4.2.4 网络的效率和稳定性
• 4.3 小结
• 第5章 结论与建议
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 128 个化学工艺的化学反应
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果