【编者按】数学有着十分广泛的应用,这一点是毋庸置疑的,前段时间我们就介绍了一系列数学在天文、生物等领域的应用,今天我们特意推出一个系列《数学与中国工业》,着重介绍一下数学在我国工业领域的应用,涉及到机械设计、工程设计等众多领域。
1992年9月,“中国工业与应用数学学会”召开了第二次大会,会上李大潜教授宣读了《努力发展中国的工业与应用数学》的报告,其中叙述了我国应用数学的新进展,数学应用可分成在经济建设、在科学技术、在军事与安全三者中的应用。
数学与中国工业之优化篇
人们希望在一定条件下,在多种策略中选取其一以获得最大利益,数学上,这要求目标函数(代表利益)达到极大。目标函数也可代表损失,于是要求它达到极小。这类问题往往化为求目标函数的条件极值,或者化为变分问题。优选法、线性规划、非线性规划、最优控制等,都致力于研究优化问题。如果有好几件工作要做,便发生如何合理安排,以使收效最大(时间最短、劳力或成本最省等),这是统筹(或运筹学)的研究对象。
70年代,华罗庚教授登高一呼,并且亲自动手,率领研究小组,深入到工厂、农村、矿山,大力推广优选法与统筹法,足迹遍及23个省市,成果遍及许多行业,解决了许多问题。例如,纺织业中提高织机效率与染色质量,减少细纱断头率;电子行业中试制新的160V电容器,使100万米废钼丝复活;农业中提高加工中的出米率、出油率、出酒率等等。目前张里千、陈希孺教授等正在开展的现场统计,对国家经济建设也起了很好作用。
数学与中国工业之控制篇
由于改善数学模型,运用最优控制理论和改进计算方法,生产过程和工艺参数的优化已在钢铁、冶金、电力、石油化工中取得很好效果。
武汉钢铁公司、上海石油化工总厂、南京炼油厂、燕山石化公司通过上述优化技术,提高生产率最高可达20%,一套装置每年可增加几百万元的经济效益。攀枝花钢铁公司建立了提钒工艺流程系统优化的数学模型,进行全面调优后使钒的回收率达到国际水平,使我国从钒进口国一跃而为钒出口国。云南大学统计系运用多元回归分析研究钢的成份与性能关系,使昆明钢铁厂甲类镇静钢的合格率由原来的40%-81%提高到95%以上。
华东师大数学系与上钢五厂合作,利用自适应技术,使力学蠕变炉温度调节由6-7小时减少为2-3小时,控制精度由±4提高到±2,并使罩式退火的保温时间缩短日5%-20%,提高了炉温控制精度,保证了退火质量。
上海科技大学数学系用最优化数学,制成“E型电源变压器计算机优化设计系统”,可缩短设计周期,节约生产成本。现代大型工业是多线路的联合作业,成为一完整的系统,因而产生系统的控制问题,在化工联合企业,半导体集成电路、电力传输系统、电话网络、空间站等方面都有此问题。上海石化总厂采用网络优化,建立了用电子计算机编制共四级〔总厂、分厂、车间、机台)设备的大型网络计划体系。清华大学关于电力系统过渡过程的研究,相当巧妙地运用微分几何,取得了很好的经济效益,在国际上领先,曾荣获国家自然科学奖二等奖。
曲阜师范大学自动化研究所应用数学方法,对汽车发动机调温器进行了研究,提高了调温器的质量,从而延长发动机的寿命,并节约耗油量。他们还采用随机线性模型及定积分近似算法,提高了碘镓灯晒版机的质量,产品进入了国际市场;此外,他们制成智能广义预测鲁棒控制器,可用于生产过程中温度、压力的控制;他们还将山东机床附件厂的车间、生产、财务、销售、人事、动力等八个点实行计算机联网,进行优化管理。
数学与中国工业之统筹篇
运筹学起源于二战中军需供应管理,主要应用于工商经营部门和交通运输以对生产结构、管理关系、人事组合、运输线路等进行优化。应用数学所运用运筹学指导全国原油合理分配和石油产品合理调运,年增效益2亿元;另外,他们所发展的下料方法可节省原材料10%-15%,上海石油化工总厂、镇海石化总厂等运用运筹方法,每年可增加利税数百万乃至千万元。华南理工大学和甘肃外贸局合作,建立新的存贮数学模型和管理决策原则,每年可节省存贮费用近百万元。
无论是新中国刚成立时中国工业的百废待兴还是改革开放后中国工业的成功腾飞,数学(尤其是应用数学)都起到了非常重要的作用,当然这其中更少不了中国老一辈数学家们的辛勤耕耘和无私奉献,中国工业才能奋起直追,渐渐的成长起来,逐步走向成熟。