基于云環(huán)境下信息資源配置的碳排放管理研究

馬 慧，李飛飛，褚 旭

(首都經(jīng)濟貿(mào)易大學 信息學院，北京 100070)

基于云環(huán)境下信息資源配置的碳排放管理研究

馬 慧，李飛飛，褚 旭

(首都經(jīng)濟貿(mào)易大學 信息學院，北京 100070)

首先概述碳足跡的相關(guān)概念，比較各國碳足跡的發(fā)展與實踐；通過構(gòu)建嵌入碳管理的能力成熟度模型，形成碳排放管理體系。然后，以Amazon云服務仿真案例分析信息資源的配置效率，通過優(yōu)化信息資源配置，計算減少的碳排放量。最后，針對云環(huán)境下信息資源的節(jié)約，提出推動低碳綠色管理的建議。

云環(huán)境；碳足跡；能力成熟度模型；碳排放量

引言

近年來霧霾問題的日趨嚴重，二氧化碳濃度連創(chuàng)新高。國際科學界認為目前所觀察到的全球變暖現(xiàn)象，90%以上可能來自溫室氣體排放的貢獻[1]。因此，減少溫室氣體的排放成為應對氣候變化中最為重要的一項工作。

一、碳足跡概述

1.碳足跡定義

“碳足跡”(Carbon Footprint,CF)源于1996年生態(tài)足跡概念的產(chǎn)生[2]，最早出現(xiàn)于英國，并在學術(shù)界、非政府組織、新聞媒體推動下迅速發(fā)展起來[3]。全球足跡網(wǎng)(Global Footprint Network)認為，碳足跡通常用于衡量一個活動或組織的碳排放量(通常以噸計)。碳足跡占人類整體生態(tài)足跡的54%，并且是發(fā)展最快速的組成部分。自1961年以來，人類碳足跡已經(jīng)增長了11倍[4]。碳足跡組織、《PAS 2050規(guī)范》、國際標準化組織(ISO)等也分別從不同的角度闡述了碳足跡[5-7]。

維德曼和明克斯(Wiedmann & Minx，2007)將碳足跡定義為：“由一個組織、事件甚至產(chǎn)品產(chǎn)生的溫室氣體(GHG)排放總量”。他們認為碳足跡可以衡量由一個活動或在產(chǎn)品生命周期中積累的直接或間接的CO2排放總量[8]。如今，大多數(shù)的學者將碳足跡定義為直接和間接的CO2排放量加上一個給定的產(chǎn)品、過程或貫穿其整個生命周期的活動的其他溫室氣體的等效CO2排放量[9-10]。

(二)各國碳足跡的發(fā)展

目前，減少碳排放已經(jīng)成為全球最熱門的政治與經(jīng)濟議題之一。各國政府和相關(guān)機構(gòu)都紛紛開展了碳足跡評價方法研究，并在碳足跡基礎上推出了“碳標簽”。2008年10月，英國發(fā)布了PAS2050《商品和服務在生命周期內(nèi)的溫室氣體排放評估規(guī)范》，成為全球第一個通過統(tǒng)一的方法評估消費品生命周期內(nèi)溫室氣體排放的標準。日本于2011年4月開始實施農(nóng)產(chǎn)品碳標簽制度，要求出售的農(nóng)產(chǎn)品須通過碳標簽向消費者顯示其生產(chǎn)過程中排放的二氧化碳量。法國新環(huán)保法案作為全球第一個強制性環(huán)保和碳標簽法案，將強制性要求在法國制造、銷售和使用的消費品都必須披露產(chǎn)品的環(huán)境信息。除此之外，推廣使用碳標簽的還有美國、瑞典、加拿大、韓國等國家。

受碳認證影響，許多跨國公司也陸續(xù)提高了對碳足跡認證產(chǎn)品的訂單需求。美國百事可樂、法國達能公司等多家跨國企業(yè)的2500余種商品已經(jīng)通過了碳足跡認證，沃爾瑪公司已經(jīng)要求10萬家供應商必須完成商品碳足跡驗證并貼上碳標簽。此外，百事、IBM、宜家等知名跨國公司均要求供應商提供碳標簽。

與歐美等西方國家相比，中國開展碳足跡研究起步較晚，目前還沒有建立較為完整可行的碳標簽體系，僅有青島啤酒、大成食品等極少數(shù)行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)開始接受碳足跡評估或推出碳足跡標識產(chǎn)品。與發(fā)達國家相比，中國在低碳技術(shù)的儲備尤其是低碳核心技術(shù)儲備、資金投入、碳搜集和儲存等方面都相對滯后。

二、碳排放管理體系的構(gòu)建

1.碳排放的橫縱向比較

可以從橫縱兩個方向來分析碳排放的情況。具體來說，橫向分析各國的碳排放水平，縱向則從碳排放的直接和間接來源進行分析。

(1)各國碳排放情況的橫向比較

在全球碳排放量貢獻的地區(qū)差異下，掩蓋著國家之間更大的差異。如圖1所示，2011年將近2/3的全球碳排放僅來自十個國家，其中，中國占25.4%，美國占16.9%，遠遠超過了其他國家。這兩個國家總共產(chǎn)生了13.2×109噸CO2。2011年，沙特阿拉伯取代了英國進入到十大碳排放國家的行列[11]。

五個最大的碳排放國家1990年到2011年單位GDP排放量的減少，符合全球觀察的平均減少量(23%)。中國和俄羅斯聯(lián)邦更加明顯，如圖2所示[11]。

從1990年到2011年，全球碳排放量增長了50%，如圖3所示。二氧化碳的排放量取決于人口、人均國民生產(chǎn)總值、單位生產(chǎn)值能耗及單位能耗排放因子等四個決定因素。Kaya公式*在低碳經(jīng)濟中，學者們普遍用Kaya公式來具體分解低碳經(jīng)濟的內(nèi)涵。：排放=人口×人均GDP×單位GDP能源消耗量×單位能耗排放量。

在全球范圍內(nèi)，經(jīng)濟增長與能源使用部分脫離，能源強度同比下降23%。然而，混合能源的碳排放強度幾乎不變，人口(32%)和人均GDP(48%)的組合增長導致1990年至2011年間全球CO2排放量的大幅增加。國家和地區(qū)之間的這種行為有很大的差異。理解二氧化碳排放趨勢和驅(qū)動因素對設計合理有效的減排政策至關(guān)重要。

(2)碳排放來源的縱向分析

碳足跡的來源包括直接碳排放和間接碳排放，即碳排放部門化。

2011年，電力和熱力兩個部門產(chǎn)生了全球近2/3的碳排放量，迄今為止規(guī)模最大，占到42%，而運輸部門占到了22%，如圖4所示。

世界范圍內(nèi)電與熱的產(chǎn)生很大程度上依賴于煤炭，它是碳強度最高的化石燃料。如澳大利亞、中國、印度、波蘭和南非等國家超過2/3的電和熱都是通過煤的燃燒產(chǎn)生的。

2013年《世界能源展望(WEO)》項目指出，到2035年，電力需求將高于當前需求的70%，這是由發(fā)展中國家人口和收入的快速增長、房屋和商業(yè)建筑中使用的電氣設備數(shù)量的持續(xù)增加、由電驅(qū)動的工業(yè)化進程的加速等因素導致的。與此同時，由于政府的支持、投資成本的降低和化石燃料價格的上漲，基于可再生能源的發(fā)電量預計在未來25年將繼續(xù)增長。

2.嵌入碳管理的能力成熟度模型

根據(jù)碳排放管理水平，CMM提供了一個過程改進的框架，企業(yè)通過階梯式的進化框架，可以極大程度地提高按計劃的時間和成本提交有質(zhì)量保證的產(chǎn)品的能力。它采用分層的方式來安排組成部分，是一種不斷改進和逐步完善的過程，各個級別具有各自不同的特征，如圖5所示。

三、云環(huán)境下信息資源的配置研究

1.信息資源配置的含義

信息資源的配置是指信息資源在時間、空間和數(shù)量三個方面的合理配置。信息資源在時間、空間和數(shù)量上相互結(jié)合后配置的結(jié)果，就形成各種各樣的結(jié)構(gòu)。信息資源結(jié)構(gòu)合理與否取決于信息資源的配置是否合理，而這又最終影響著信息資源的共享狀況。

2.云環(huán)境下信息資源配置效率分析

隨著發(fā)展中國家沿產(chǎn)業(yè)和技術(shù)階段拾級而上，企業(yè)所采用的技術(shù)越來越復雜，資本需要增加。另外，生產(chǎn)和市場規(guī)模也有了變化，遠距離市場交易越來越多。為了使新升級的產(chǎn)業(yè)中的企業(yè)降低交易成本，需要教育、金融、法律和硬件基礎設施方面同時做出相應改進，以提供一個靈活、平穩(wěn)的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)升級過程。這一理論對云計算的發(fā)展分析也同樣適用。以下為Amazon云服務仿真案例。

(1)Amazon S3云服務

圖6顯示了Amazon S3云仿真系統(tǒng)的總體架構(gòu)[12]。為了能夠在不同的平臺上運行，云仿真軟件使用Java語言。通常情況下，腳本可以同時運行一組模擬，并將仿真結(jié)果保存在存儲系統(tǒng)中。Amazon S3提供了一個簡單的Web服務接口，它可以從網(wǎng)絡的任何位置、在任何時間進行存儲和檢索數(shù)據(jù)。它給任何開發(fā)人員訪問同一高度可擴展，可靠，安全，快捷，廉價的基礎設施的機會。

(2)亞馬遜彈性云計算

亞馬遜彈性計算云(EC2，Elastic Compute Cloud)是一個讓使用者可以租用云端電腦運行所需應用的系統(tǒng)。EC2使用Xen虛擬化技術(shù)。每個虛擬機，又稱作實例，能夠運行小、大、極大三種能力的虛擬私有服務器。Amazon利用EC2計算單元去分配硬件資源。它縮短了獲取和啟動新服務器的實例時間到數(shù)分鐘，更加適應用戶計算需求的變化，旨在使開發(fā)者的網(wǎng)絡規(guī)模計算變得更為容易，提供可調(diào)整的云計算能力。

圖7為完成所有的任務所需要的時間和成本函數(shù)，圖中各線上的點的數(shù)值表示云環(huán)境中運行仿真模擬的實例數(shù)量K，可以看出，隨著總時間的延長和云環(huán)境中運行仿真模擬的實例數(shù)量的減少，各虛擬機實例類型的總成本逐漸降低，并趨于穩(wěn)定[14]。

3.云環(huán)境與信息資源管理能力成熟度探討

按照能力成熟度理論，將信息資源管理能力成熟度層次模型劃分成5個等級，即無管理級、規(guī)范級、定義級、定量分析級和預測級。在云計算和大數(shù)據(jù)的支持下，信息資源具有共享的特性，為管理過程達到“定義級”提供重要支撐。通過提高信息資源的共享水平，節(jié)省資源，從而節(jié)省資源的用電量，進而減少碳排放，實現(xiàn)信息資源的綠色有效使用。

四、以云環(huán)境下信息資源的節(jié)約推動低碳綠色管理的建議

加強節(jié)能減排，實現(xiàn)低碳發(fā)展，是生態(tài)文明建設的重要內(nèi)容，也是促進經(jīng)濟提質(zhì)增效升級的必由之路。針對近年來世界各國越來越嚴重的霧霾天氣，以2014年4月16日北京市環(huán)保局正式發(fā)布了北京市PM2.5來源解析最新研究成果為依據(jù)，提出以下幾點對策與建議。

1.降低資源消耗——防控霧霾公害的主攻方向

IPCC《國家溫室氣體排放清單指南》提供了能源碳排放定量信息。因此可以借鑒IPCC和國際研究成果，將資源形成從高到低的資源列表，學習國際碳排查和碳足跡標準，挖掘碳排查和碳足跡的典型案例并加大宣傳。

2.完善氣候質(zhì)監(jiān)體系——將碳管理能力納入質(zhì)監(jiān)體系中

以能力概念為切入點，借鑒國際能力成熟度模型，將碳管理能力劃分不同等級：混沌級、規(guī)范級、共享級協(xié)同級、度量級以及預防級等。同時，將碳排放標準以及產(chǎn)品碳排放監(jiān)管也納入產(chǎn)品質(zhì)量法律體系中，應用“低碳管理名片的認證”提升碳管理能力。

3.搭建云平臺——為信息資源配置的“減排”做貢獻

硬件資源如計算機、網(wǎng)絡、通信設備等，在使用中消耗大量電力，形成大量間接碳排放。為此，應充分利用計算機資源共享性、云平臺等技術(shù)，提升計算機資源配置的效率，特別是要加強研究大數(shù)據(jù)時代的云存貯，積極搭建云平臺，進一步實現(xiàn)信息資源減排目標。

五、結(jié)論

本文以云環(huán)境下的信息資源為研究對象、以碳足跡相關(guān)知識和質(zhì)量工程技術(shù)為基礎，構(gòu)建碳排放管理能力成熟度等級。通過云存儲，實現(xiàn)資源共享；并且，將信息資源節(jié)省的耗電量轉(zhuǎn)化為碳排放量，進而研究云環(huán)境下信息資源的合理配置對碳排放質(zhì)量管理能力的提升。研究對于企業(yè)的質(zhì)量創(chuàng)新管理和社會的可持續(xù)發(fā)展具有指導和借鑒意義。

[1]張志強，曲建升，曾靜靜.溫室氣體排放評估指標及其定量分析[J].地理科學，2008,63(7):693-702.

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[3]WEIDEMA B P，THRANE M，CHRISTENSEN P，et al.Carbon footprint-A catalyst for life cycle assessment? [J].Journal of Industrial Ecology，2008，12(1):3-6.

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[5]Carbon Footprint.What is a carbon footprint? [EB/OL].[2012-10-01].http://www.carbonfootprint.com/carbon footprint.html.

[6]BSI，Carbon Trust，Defra，et al.PAS 2050：specification for the assessment of the life cycle greenhouse gas emissions of goods and services[EB/OL].[2012-10-01].http://shop.bsigroup.com/en/Browse-by Sector/Energy-Utilities / PAS-2050 /.

[7]International Organization for Standardization(ISO).ISO 14067:carbon footprint of products [EB/OL].[2012-10-04].http://www.iso.org/iso/home/store/catalogue_tc/catalogue_detail.htm? csnumber=59521

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[12]DANIELE A，ENRICO M： A cost-effective cloud computing framework for accelerating multimedia communication simulations[J].Journal of Parallel and Distributed Computing，2012(72)：1373-1385.

(責任編輯：姚望春)

Carbon Emissions Management About Information Resource Allocation Based on the Cloud Environment

MA Hui，LI Feifei，CHU Xu

(Capital University of Economics and Business，Beijing 100070，China)

The paper firstly summarized the related concepts of carbon footprint，compared the development and practice of national carbon footprint based on the development trend of the cloud environment，aiming at the current problem of air pollution.The authors constructed the embedded carbon management capability maturity model (CMM) and formed the carbon emissions management system.Then，the authors analyzed the allocation efficiency of information resources citing the Amazon cloud computing simulation case.The authors could calculate the reduction of carbon emissions through optimizing information resource configuration.Finally，promoting low-carbon green management suggestions are put forward in view of the information resources saving cloud environment.

cloud environment；carbon footprint；CMM；carbon emissions

2014-09-25

首都經(jīng)濟貿(mào)易大學教改項目“以輔助學習軟件的研制及深度介入促進資源整合與教學效果提高的研究”；首都經(jīng)濟貿(mào)易大學科技創(chuàng)新重點項目

馬慧(1963—)，女，首都經(jīng)濟貿(mào)易大學信息學院教授；李飛飛(1991—)，女，首都經(jīng)濟貿(mào)易大學信息學院碩士研究生；褚旭(1990—)，男，首都經(jīng)濟貿(mào)易大學信息學院碩士研究生。

F113.3

A

1008-2700(2015)02-0089-06