《实物数学模型》概论定稿.doc

实物数学模型概论正职高级工程师任志庆联系电话 言1、 实物数学模型概论来历一九七八年“四人帮”被打倒，一九八二年国务院科技干部局发文全国省级地方政府全权负责招考新中国成立以来第一批高级工程师工作。论提高砻谷脱壳效率稻谷出米率的数学模型建立及其图像研究是我当时报考高级工程师时所撰写的一篇论文。这篇论文被当时沈阳（机械）高级职务评审委员会十四名评委一致同意被评定为数千名报考者中最优秀的一篇论文。二、当时我提出稻谷具有“基因”新学说我所以提出建立稻谷加工生产新思维、新概念的科学依据是：1、稻谷加工生产，因各国、各地区的气候、温度和土壤条件各不相同，作业和环境条件也都不同，所以稻谷籽粒、理化特性、糊化特性及其内在基因都存在不同程度的差异，这种差异必然导致糙米力学特性、碾米过程中籽粒破碎特性具有因果性的差异；2、所谓新思维、新概念的核心思想是，要按不同国家、不同地区、不同品种，总之要按不同“基因”，不同理化指标或者已经用重力分选出来的稻谷及糙米都要采用独立的数学模型去指导稻谷加工生产实践。三、关于实物数学模型提出的论据启示1、科学试验中新的发明、新技术、新材料几次、几十次试验都是离散型性质的试验，即使几百次试验，归根结底述之，还是离散型随机变量，在一定时期内必然发生浪费，并且会发生规模批量生产成本的损耗，这是不为人的意志所转移的，世界所有国家在科学试验历史进程中也屡见不鲜；2、在一切科学试验中，唯有在连续型随机变量中得出的数据或参数被采用，才能科学地在最短时间内达到批量大规模生产，并且有限地达到可预期的GDP值；3、实物数学模型在稻谷加工中，我亲自操作实践中体会：当最小碎米率（%）0.0243时，其胶辊线速差是2.2314米/秒，那么在离散型随机变量中能知道这一数据吗？4、我认为科学理论和原理，历史证明，在一定条件下，其它领域也可以借鉴；5、本文在论提高砻谷脱壳效率稻谷出米率的数学模型建立及其图像研究论文中论述在稻谷加工中需要解决碎米率最少，出糙率最高，出米率最多，只运用九次试验，相当于要做十万次至百万次试验；6、实物数学模型是运用实际的可靠数据，并依据概率论、数理统计、连续型随机变量科学技术基础上所建立的数学模型，是科技创新的新思维新概念，也是实物数学模型在解决各行各业新的品种、新技术、新材料，提供新的参考科学试验方法，只要九次试验就相当于十万次至百万次试验，超快速，在最短时间内达到规模批量生产，必然会对国民经济生产总值有一重大贡献，如果这一创新成功达到普遍化，在国际上将会造成重大影响；7、为维护知识产权，在网上公布的实物数学模型个别重要数据未列入，如果有条件的重要部门、公司或单位需要运用，可以咨询或合作方洽谈和商议；8、实物数学模型部分内容涉及机密，必须通过必要的批准手续方可。 实物数学模型概论本文所述的实物数学模型和一般所讲述的数学模型在基本原理上有不同之处，它不同于和不受一般通常所说的数学模型牵涉到，例如假设、预测、求证等因素制约和不确定性。一、通常所述的数学模型简述凡是应用数学作为工具去解决各行各业诸如重要工程等实际问题时，建立数学模型是十分关键的步骤，它要把错综复杂的实际问题简化为抽象科学合理的数学结构的过程，并且要对实际问题经过调查，收集数据资料，观察和研究实际对象的固有特征和内在规律，根据问题的主要矛盾，建立起反映实际问题的数量关系，也就是说，要用数学的符号和语言，表述为数学式子，然后通过计算得到的模型来解释实际问题，并接受实际的检验，这就是数学模型和建立数学模型的全过程。一九八五年美国科学家运用建立数学模型在重大的工程问题方面，解决了很多疑难问题，一九八九年引入中国。二、实物数学模型概论、用途和关键点人们在生产一种新的产品，或者说在创造一种从未见世时新的发明、新技术，如采用一种新的材料（轻合金、工程塑料等）减轻原来各类动力机和汽车的重量、降低油耗、提高元件、部件等耐磨损或提高刚度、强度等等，总是先要实施科学试验，那么究竟要试验多少次呢？如果科学试验次数愈多，实际上的成功概率总是要大一些。那么科学试验10次、100次行不行呢？因为即使1,000次也不行，但还是离散型随机变量而已。这就是本文实物数学模型概论所要回答和要解决的关键点，它能更科学、更快捷、更可靠捕获到最佳值。1、实物数学模型是运用实际可靠特定的一组实验数据作为基础资料，以概率论、数理统计等数学方法，并用连续型随机变量数据所建立的数学模型。本文在论提高砻谷脱壳效率稻谷出米率的数学模型建立及其图像研究论文中论述在稻谷加工中需要解决碎米率%最少、出糙率%最高、出米率%最多，只运用九次试验，相当于要做十万次至百万次试验。重要的是它从属于普遍性原理。可以解决各行各业新的发明、新的技术以及新材料科学实验时次数最少，更简捷、更可靠、更科学捕捉到最佳值。2、实物数学模型是运用实际的可靠数据，并依据概率论、数理统计、连续型随机变量科学技术基础上所建立的数学模型，是科技创新的新思维新概念。也是实物数学模型在解决各行各业新的发明、新技术，如新材料的发明只要用9次或11次试验就相当于10万次100万次试验，超快速节约试验时间，在最短时间内达到规模生产。通过实物数学模型在粮食加工实践中已被初步证明。三十多年来，网上查询，世界各国在各种学术专刊、专利中从来没有提及过，在实践中更没有尝试过。现列举实物数学模型在稻谷加工中的实践效果，见论文论提高砻谷脱壳效率稻谷出米率的数学模型建立及其图像研究论文要点本论文主要论述用科学理论和数学分析方法提高稻谷加工时成品的产量，利用特定的一组实验数据，将稻谷的出糙率%、碎米率%和出米率%这三者要素之间描绘出一种既统一又矛盾的客观规律的图像，从而用数学分析方法建立一个数学模型，从模型和图像来分析稻谷在加工时三者要素变化的规律，优化砻谷设备技术参数，提高脱壳效率，降低碎米率，最终提高出米率。重要的是，根据各国不同地区，由于品种、环境、气候、土壤条件等差异，所以稻谷籽粒理化特性、糊化特性，其内在基因都存在一定的因果性差异，所以稻谷在砻谷加工中糙米的力学特性，碾米加工过程中籽粒破碎特性必定有很大的差异。据此，本论文都可提供一种科学理论和数学分析方法建立一数学模型和图像调控优化设备技术参数，使出糙率最高、碎米率最少、出米率最多，最终提高亩产稻谷的成品粮。实物数学模型建立及图象研究我们从谷粒脱壳受力过程的作用分析知道，谷粒脱壳主要是由于两组力所产生的撕搓作用的强弱，在一定的轧距条件下，决定于右图所示R1y和R2y的数值大小，而R1y和R2y的数值是由二胶辊线速差决定的，所以，我们现在对胶辊的线速差要进行研究，以确定碎米率在许可条件最小的百分率，获得最大的脱壳效率。我们通过实物数学模型试验，取得下列实验数据： 表一N 1 2 3 4 5 6 7 8 9x胶辊线速差（米/秒） 1 1.3 1.6 1.9 2.2 2.5 2.8 3.1 3.4y碎米率（%）0.055 0.048 0.042 0.034 0.027 0.02 0.025 0.042 0.064从测定的数据，N对（x i,y i）我们可求得自变量x和因变量y之间近似的函数关系式：y = f(x)，实验中得出的数据值，不但经常带有测试误差，并从概率理论来讲，属于离散型随机变量。从表一所示：当x（线速差）2.5米/秒时，y最小（碎米率）%为0.02，而从实际情况其最小（碎米率）%不一定在这位置。这个问题也就是由给定的N个点（x i, y i）（i=1,2N）求连续型随机变量。现在用多项式曲线方程来最好地拟合这组数据。多项式方程为：作者略表二 作者略我们得出四个正规方程组为： 作者略代入数据得：9k0 +19.8k1+ 48.96k2 + 131.472k3 = 0.35719.8k0 + 48.96k1 + 131.472k2 + 373.3811k3 = 0.776448.96k0 + 131.472k1 + 373.3811k2 + 1101.9013k3 = 1.9614131.472k0 + 373.3811k1 + 1101.9013k2 + 3341.368k3 = 5.481 作者略 y = f(x) = 0.1542 - 0.1178x + 0.0274 x2 - 0.0003 x3（A） 作者略令 f(x) = 0 0.0009x2- 0.0548x+ 0.1178 = 0 作者略 求得驻点：x = 2.2314 将x值代入A式： y =0.1542-0.2629+0.1364-0.0033=0.0243 当x = 2.2314时，原函数有极小值 将x各数据代入A式得出各y值列于表中 表三N 1 2 3 4 5 6 7 8 9x 1 1.3 1.6 1.9 2.2314 2.5 2.8 3.1 3.4y0.063 0.046 0.035 0.027 0.0243 0.026 0.032 0.043 0.058列表验算：x 1 1.3 1.6 1.9 2.2314 2.5 2.8 3.1 3.4实验数据x0.055 0.048 0.042 0.034 0.027 0.02 0.025 0.042 0.064方程计算y0.063 0.046 0.035 0.027 0.0243 0.026 0.032 0.043 0.058偏差-0.008 0.002 0.007 0.007 0.0027 -0.006 -0.007 -0.001 0.00620.000064 0.000004 0.000049 0.000049 0.0000073 0.000036 0.000049 0.000001 0.000036作者略我们又通过实验取得下列数据 表四线速差（米/秒）x 1 1.3 1.6 1.9 2.2 2.5 2.8 3.1脱壳率(%)y70.4 72.3 74.3 76.5 79 85.8 92.6 99.3从表一和表四两组实验数据看，线速差的选定，希望是在最小的许可碎米率范围内要达到脱壳效率为最高。设y = f(x)算得f(x), f(x)值列于表中x 1 1.3 1.6 1.9 2.2 2.5 2.8f（x） 作者略6.3 6.67 7.3 8.3 22.7 22.7 22.3f(x) 作者略 1.23 2.1 3.33 48 0 -1.3求f(x) a,d区间平均斜率（8.3+7.3+6.67+6.3）/4=28.57/4=7.14y1- y= k1 (x-x0)y1- 7.3=7.14(x-1.6)y1=7.14x-4.12对方程两边求积分，得y1 =7.14xdx-4.12dx =3.57x2-4.12x+c初始条件 x = 1.6 y 1 = 74.3将初始条件代入上式，得：74.3 = 9.14 - 6.6 + cc = 71.8a,d区间的曲线方程为：y 1 = 3.57x2 - 4.12x + 71.8 （B）上式即为非轴对称抛物线方程将各数据代入方程，验算列于表中： 表六n1 2 3 4x1 1.3 1.6 1.9实验数据y(%)0.704 0.723 0.743 0.765方程计算y(%) 0.71 0.724 0.742 0.768偏差0.006 0.001 -0.0001 -0.00320.00004 0.000001 0.00000001 0.000009 从表六可看出，这个曲线方程充分能代表这组实验数据。我们从e,g区间斜率及图像知，e、f、g近似一直线e,g区间方程为： y2 79 = k2（x - 2.2） y2 = 22.7x - 22.72.2 + 79 = 22.7x + 29.1（C）将数据代入方程验算并列表 表七n 1 2 3 4x 2.2 2.5 2.8 3.1实验数据y(%) 0.79 0.858 0.926 0.993方程计算y(%) 0.79 0.8585 0.9266 0.994偏差 0 0.0005 0.0006 0.0012 0 0.00000025 0.00000036 0.000001从表七明显可看出，此直线方程显然是能充分代表这组方程计算数据。方程及图像讨论1、一阶导数y由负变为正，函数y由减变为增，令y=0，函数y有极小值；求得驻点x = 2.2314时，y = 0.0243说明线速差V = 2.2314米/秒时，碎米率有最低值，为2.43%。2、用三次多项式方程描绘的曲线知，线速差与碎米率呈非轴对称抛物线图像；3、从图像及f(x)知，e点f(x) = 0，所以e点为拐点，说明a,e区间，脱壳率呈抛物线缓慢上升。从线速差2.2米/秒开始，脱壳效率将随线速差提高而呈y2 = 22.7x + 29.1直线方程上升；4、上述分析，线速差 = 2.2米/秒时，虽然碎米率为最低，而脱壳效率不为最高；5、也就是说，线速差可确定在3.1米/秒范围内，此范围应是国家关于碎米率指标在许可范围内，而出糙率（效率）为最高。结论：1、因为世界各国和地区由于其生产的稻谷都因环境、气候、温度、土壤条件而存在理化性能和内在品质基因不同，因此都应建立各自独立的“实物数学模型”及图像来描绘揭示目标的运动规律，用数学分析方法去调控加工过程中的机械设备技术参数去指导生产实践，从而去认识事物的必然性及客观运动过程；2、由此可提示，同一类型砻谷设备（或碾米设备）用经验方法调控设备的技术参数去加工不同品种、不同基因、不同理化性能的稻谷（或糙米），必然的结果是碎米率多、脱壳效率低、出米率少，导致成品粮产量没有达到极限值，或者说“三率”没有达到极限值；3、此科学方法和原理可以用于自然界其它类似场合，如未知或还未被认识，既统一又矛盾的物质和物体运动的规律，也可以建立实物数学模型及图像来描绘或揭示目标的运动规律，从而去认识事物，掌握事物的必然性，诠释或者去解决“自然王国”到“必然王国”的客观过程；4、关键意义：当运用实物数学模型理论和原理去解决诸如新的发明、新技术、新材料等一些性能指标达到最优化时，其试验次数可以达到最少。只运用九次试验，相当于十万次至百万次试验，超快速，在最短时间内达到规模批量生产，科学、简捷、更可靠。5、实物数学模型部分内容涉及机密。 建立新农业新思维新概念关于砻谷脱壳效率稻谷出米率的实物数学模型建立及其图像研究论文的经济价值及政治影响。中央十八大提出，经济体制改革不是以增长而是以发展方式改变为前提，而发展方式改变必须要产业转型，自主创新的指导方针，并且强调的是，经济体制改革的核心问题，不但要处理好政府和市场的关系，尊重市场规律，政府在经济体制改革中要起到独立的组织建设的关键作用。十八大报告要求搞活农村政策是党长期坚持的指导思想，全国粮食九连增，“三农”政策取得历史性成就。但是，我国农业基础薄弱，农村小生产比比皆是，而稻谷加工生产实施集约化管理，并以实物数学模型作为科学的理论基础和手段去指导并调控稻谷加工生产中技术参数从而获得向“三率”挑战极限，是实施农业产业转型自主创新的重要时机，重要的历史机缘。何谓“三率”？在稻谷加工生产中，出糙率%、碎米率%、出米率%，通称“三率”。如用实物数学模型指导调控稻谷加工生产中技术参数，能有效地达到出糙率%高、碎米率%低、出米率%多，已被实践证明。从网上查询。根据20092010年我国稻谷总产量4,000亿斤核算，若用实物数学模型指导稻谷加工生产，与广大农村及城市中按“经验”生产相比。那么粗略估计可多增产量100120亿斤精白米。一、关于建立稻谷加工生产新思维、新概念的科学依据1、稻谷生产，因各国、各地区的气候、温度和土壤条件各不相同，作业和环境条件也都不同，所有稻谷籽粒、理化特性、糊化特性及其内在基因都存在不同程度的差异，这种差异必然导致糙米力学特性、碾米过程中籽粒破碎特性具有因果性的差异；2、所谓新思维、新概念的核心思想是，要按不同国家、不同地区、不同品种，总之要按不同“基因”，不同理化指标或者已经用重力分选出来的稻谷及糙米都要采用独立的数学模型去指导稻谷加工生产实践；3、网上查询知，用实物数学模型去指导稻谷加工生产，无论在科学理论或加工方法与当今世界各国以及我国不同地区所采用经验操作相比，是一种历史性的“创新”，这一概念和观念在当今世界也是中国独创。不论城市或广大农村地区，在稻谷加工生产中，一般都是经验操作，而经验操作总是有误差的，经验多误差小，经验少误差大，尤其在广大农村地区凭感觉加工生产，误差更大。因此经验操作关于“三率”的值是失控的、不稳定的，没有一个可控的正确值，这是无法违背自然的客观规律，如用正确的概率论术语描述，要获得“三率”最佳值是“小概率事件”。4、实物数学模型调控的加工参数，其实物模型图谱是连续型随机变量非轴对称抛物线，在连续型随机变量抛物线中，会爆出最佳值，并且工人在操作设备时，是有智慧性质的可操作性（计算机管理）；5、本文所提出的“三率”极限值是我们所追求的目标，在数学分析运算中会出现“拐点”，我们所要捕捉的也是这个“拐点”。而不同基因、不同理化指标的稻谷其“拐点”是不相同的，我们所以要把不同基因、不同理化指标的稻谷都要建立独立的数学模型，其根本重要原因也在于此。价值取向是求“三率”的极限值，提高出米率。随此项工作有效实质性进展，我们可以将我国不同地区及世界各国各地区所产的稻谷描绘成统一的数学模型图谱，那么国际上必然会产生一定影响。二、经济效益1、用实物数学模型指导稻谷加工生产与经验操作相比，在国家许可碎米率标准范围内其脱壳效率大致为99.3%；2、因实物数学模型指导调控稻谷加工生产，其增量部分可大量节省能源、功耗、人力、财力、物力和可贵的水资源；3、网上查询，2009年我国四项综合补贴（种粮、良种、农机具、生产资源）总额1,029亿元，2010年增加到1,200亿元，如果全国以稻谷总产量计算，增量部分所得到的经济效益共计24亿元左右；4、加工后碎米、稻壳粉可以加长产业链建设（饲料、油脂、美容、医药、生物工程等）；5、用实物数学模型指导稻谷加工生产，可以获得稻谷亩产增量值，而且增量值和农业科学家稻谷品种改良没有矛盾，由于品种改良亩产总量越多，那么增量部分也越多，二者是有机统一的关系。三、政治意义1、十八大报告提出：关于加快完善社会主义市场经济体制、民主政治体制、文化管理和文化生产经营体制、科学有效的社会管理体制，加快建立生态文明建设，充分说明中央对加快建立生态文明建设的重要性，用实物数学模型指导稻谷加工生产必须要实施集约化管理、标准化生产，这样才能充分体现非常高的经济效益，改造小农经济和小农生产，彻底清除脏、乱、差，加快完善农村生态文明建设。2、实施集约化管理和生产，由政府统一领导、组织规划，可划分若干行政性区域，有利于相同“基因”、理化指标的稻谷集中进行标准化管理、标准化生产，包括如统一仓储、运输、调配资源，以及统一领导加工生产等管理工作。这正是政府在这项工作中起到组织领导并充分体现起到核心作用和强势地位。而用实物数学模型指导稻谷加工生产的科学性、自主创新效能、经济价值、测试人力调配、物质资源一系列系统工程工作中有强大的组织领导充分的保证，这是非常关键的，而在广大农村实施集约化管理，集约化生产并在广大农村加快建立生态文明建设，当前是千年难遇良机，也是国家千秋伟业；3、用实物数学模型科学理论用在稻谷加工生产时符合中央文件精神的。要把农业科技提上更加突出位置中指出，着