一 导言

生态工业园的概念近期被大量工业和学术研究组织所关注，其着眼点在于利用本地化的共生关系创造可持续发展的工业活动。生态工业园指的是在工业园区内企业互相合作，并连同当地区域一起去减少浪费和污染，更高效地共享资源（比如信息、材料、水、能源、基础设施和自然资源），并且最大限度地减少对环境的影响，同时增加企业的盈利。

过去的十年，已经有许多关于生态工业园研究的专家文献。目前，设计一个最佳的生态工业园的主要现有方法是通过建立合作，交换材料、水、能源等资源，来推动社会、经济、生态的发展。数学规划优化是解决生态工业园问题的主要途径。Keckler和艾伦用线性和其他数学方法去评估供水系统改造中水资源再利用的机会，并指出这个线性规划的方法可以成为一个有效的工具并应用于广泛的材料分析领域。Liao 等人发展了“两阶段方法”去设想关于多种制造厂的水网的概念。其中，第一阶段是利用混合整数非线性规划，确定工厂和目标淡水之间的连接；第二阶段是利用混合整数线性规划达到灵活的供水网络，满足所有时段的淡水需求。

工业能源分析方法是基于混合整数线性规划，并被Karlsson加以发展，从食品工业到纸浆工业进行工业能源系统优化。这使得欧盟委员会提出的相关问题也得以解决，比如，减少温室气体排放、提高供应安全以及加强再生资源的利用。Kantor等人将生命周期概念引入生态工业园区的氢气生产中，并应用LCA方法通过对材料和能源利用的优化来改善生产过程。最近，Cimren将数学规划技术和图形软件做结合，称为Eco-FlowTM.，并应用于美国堪萨斯城的现有协同效用网（BPS）的建模和分析。他们还指出建模方法范围的扩大将更好地呈现工业化和生态化过程中的变动。

目前，还有很多种方法被提出，以优化生态工业园。但是，正如Boix等人讨论的那样，生态工业园的优化停滞于现阶段工业网各环节的分离，已有的研究或是基于水网，或是能量关联，或是垃圾处理设施，通常侧重于三者中的某一方面。生态工业园中最佳的共生关系，需要考虑整个工作网中的所有资源。更重要的是，由于固有的不确定性，资源供应的多元化应该被重视。全面理解问题的复杂性，需要生态工业园中各个潜在成员提供大量相关数据来支持。因此，本文展现一个新的观点，通过工业4.0技术应用去突破上述的各种障碍，虚拟的生态工业园是基于云网络基础设施，通过高性能计算、先进数学模型和语义网技术开发出来的。由于在模型建设方面出现的一些问题，数据的代表性和不确定性将成为虚拟生态工业园的重要组成部分。本文的结构如下：一是介绍裕廊岛的情况，以及目前利益群体所提出的问题。二是讨论工业4.0技术在裕廊岛的应用。三是介绍裕廊岛生态工业园网络基础设施的建模方法。

二 新加坡裕廊岛介绍

裕廊岛是一个人工岛，由周边七个离岛土地复垦而成。岛上的土地被一个占地面积约32平方公里的大型工业园区占据。这是新加坡经济很重要的组成部分。100多家公司入驻裕廊岛，最有名的是埃克森美孚、壳牌、英国石油公司、新加坡石油公司、朗盛、巴斯夫、塞拉尼斯、赢创、杜邦、三井化学物质、雪铁龙和住友化学。这些公司的产品范围很广，包括石油产品、精细化工和药物。

图1 新加坡裕廊岛地图示意

裕廊岛的总投资在500亿美元。除了各种制造厂，还建立了服务于工厂和员工的大型基础设施。该区域工业生产的密度导致了大量温室气体的排放，占到新加坡温室气体排放中的30%。这样一个集中的工业园地需要仔细全面去考虑员工的安全问题和环境问题。裕廊岛的一个特征是它在持续增长，这就使它的环境更具动态性。对于新加坡经济的增长，裕廊岛的增长和发展将会持续扮演重要的角色。因此，成功的运营和发展基础设施和产业，将成为裕廊岛面临的一个巨大挑战。

三 工业生态园中的工业4.0的概念

工业4.0是一个术语，起源于制造工程领域，代表了第四次工业革命：工业组件相互沟通的能力。这种沟通可能产生在局域内设施或者外部网络，并且会导致数据因太大而不能储存在常规的数据库里。因此，大数据分析技术将会被用来操控这些数据集。

为了实现这个目标，各个技术组件有了自己的语义表示，并且包括了可执行的数学模型。这些模型是美联储记录的每个传感器设备关于使用机