機電產品低碳制造策略與知識研究綜述

王 玲 姜 豐 張光立

（1.中國電器科學研究院股份有限公司 廣州 510300；2.合肥工業大學機械工程學院 合肥 230009）

引言

在全球氣候變暖的背景下，以減少溫室氣體排放為目標，發展以低能耗、低污染為基礎的低碳經濟已成為未來能源的潮流與趨勢。國際能源機構指出，全球超過30 %的碳排放來自于制造業。制造業要想突破環境問題的限制追求長遠和可持續發展，必須秉持低碳發展的目標，在節能減排上實現有效的突破。

機電產品作為制造業通用產品，其低碳發展至關重要，本文從碳排放優化策略與低碳知識兩個方面，對近年來國內外相關研究工作及進展進行綜述，并分析了當前所面臨的問題并指出技術發展方向。

1 低碳系統策略及知識

今年來制造企業間的競爭越來越激烈，企業要更好的發展，就需要通過“低碳管理”來提高企業效益，需要依靠管理把成本控制在最低點，實現企業的健康持續的發展。為此許多學者在低碳管理以及碳排放的優化決策方面做了大量的研究。

1.1 碳排放優化策略

碳排放權作為企業不可忽略的重要資源和生產要素，排放依賴型企業必須考慮碳排放對生產運營的影響、對制造中碳排放量進行優化處理，從而實現碳排放量的降低。近年來國內外許多學者對生產、制造等部分的碳排放優化進行了大量的研究。關于碳排放的優化策略基礎模型如1所示。

線性/非線性和混合整數優化解決了在連續變量和整數變量存在的情況下，受等式和不等式約束的目標函數的改進問題。因此，碳排放優化中主要采用這種優化模型。

1）基于線性規劃模型

在基于線性規劃的模型進行碳排放優化的研究中，吳臻賀[1]針對滾齒加工時如何對碳足跡進行估算的問題，開發并構建了基于線性規劃的滾齒加工碳足跡核算模型，有效的降低滾齒加工碳排放量和加工成本，實現滾齒加工的低碳制造；Nicolosi F F等[2]提出一種新的混合整數線性規劃（MILP）優化算法，同時考慮系統總成本以及二氧化碳排放，用于優化管理多個內燃機組成的微能源網，該模型驗證了溫室氣體排放精確模型的重要性；Kumari S等[3]提出一種線性優化模型，通過適當選擇碳捕捉技術，最大限度地減少電廠中二氧化碳的排放，結果表明采用混合整數線性規劃方法的燃煤電廠，可以實現碳排放量凈減少25 %以上。

基于線性規劃模型的碳排放優化研究很多，基于該模型，確定規劃中的最佳策略實現最大程度的碳減排，但是這方面研究大多都是從整個系統角度出發，很少考慮到間接排放的因素。因此，還需進行更加全面深入的探索。

2）基于非線性規劃模型

許多研究人員專門使用混合整數非線性規劃（MINLP）等優化技術來減少排放。Zikai Zhang等[4]針對工業機器人中碳排放問題，提出一種多目標混合整數非線性模型，以最小化碳排放、噪聲排放和循環時間為目標，可以在減少碳排放以及最小化周期時間方面取得平衡；Mahdi等[5]提出一種新的混合整數非線性模型，該模型可以在環境污染最小的路線上實現最佳調度，并且開發了一種通過列車優化調度來減少碳排放的新模型；Liu Liang等[6]為兩級供應鏈搭建基于非線性的差分博弈模型，在模型中引入了低碳偏好分析供應鏈的均衡策略，討論低碳偏好對供應鏈碳減排的影響；Dickson R等[7]通過研究凈現值最大化和一氧化碳排放量最小化這兩個因素，提出了一種技術經濟與環境的混合整數非線性模型，評估關鍵模型參數變化對整體經濟性的影響；Huang Y等[8]針對如何優化煤炭、化工行業中CO2排放的部署技術和流程，提出一種約束非線性規劃方法，在滿足經濟增長和能源安全的前提下，獲得煤炭、化工行業單位產量CO2排放的最小值。

使用混合整數非線性規劃優化技術可以實現碳排放的減少，但是，在該優化方法中非線性和非凸性質的問題公式并不能保證理論的解收斂到全局最優。因此，這方面的研究還需進行更加深入的探討。

圖1 碳排放優化策略基礎模型

1.2 低碳知識

提升企業技術創新能力和產品自主研發能力，主要就是在于大力提升知識和信息的獲取、處理、共享等。關于知識框架搭建的流程圖如圖2所示。

圖2 知識框架搭建流程

低碳知識作為節能減排的源頭，國內外的學者關于低碳知識做出了相關研究。本節按照知識的適用對象將低碳知識分為知識模型和知識服務兩個方面。

1）知識模型

針對低碳知識模型的建立，常見的方法主要使用神經網絡模型、多目標優化等。張雷等[9]針對箱體零件工藝設計過程中工藝路線的低碳低成本優化問題，提出并構建了以最低總碳排放（低碳）和最低加工成本（低成本）為優化目標的機械加工工藝路線多目標優化方法；低碳設計[10]作為面向節能的生態化設計技術之一，是在保證產品應有的功能、質量和壽命等前提下，綜合考慮碳排放和高效節能的現代設計方法；Guo等[11]針對產品評估過程中碳足跡的評估不足等問題，提出一種基于碳排放評估和交互的低碳智能知識部署方法，可以有效的減少產品碳排放量；Tan等[12]針對產品在車間內如何高效、節能的運輸，提出低碳聯合調度知識模型，可以最大限度的減少碳排放量。

上述研究中，針對高成本、高耗能的問題，可以通過多目標和神經網絡的方法進行解決。但是多目標和神經網絡的方法中各目標之間的權重具有很大的主觀性，并且在優化過程中各目標的擬合優度無法操作。因此，針對如何進行低成本、低能耗生產問題，仍需要進一步的研究。

2）知識服務

針對現有生產加工中缺乏低碳制造的知識資源、缺乏引導面向低碳制造的設計工具以及評價體系等問題。Askin等[13]從制造系統角度，將工藝選擇、產能計劃、設備布局整合為知識體系，并利用二次方程式配置問題解決方法對該問題進行求解；Shu等[14]為了幫助設計人員在產品低碳創新設計過程中更加方便的獲取和應用知識，提出了一種基于知識服務的產品低碳創新設計過程模型；Shuhua Fang等[15]針對結構優化問題，提出一種新型的節能控制策略并構建知識庫，實驗結果驗證了節能控制策略的有效性；Wenwen Tian等[16]針對機加工過程中高成本、低效率問題，提出基于區間的2-型模糊神經網絡的加工過程性能預測模型，可以有效的降低加工過程中的成本。

上述所提模型針對低碳制造知識資源、設計工具等存在的問題，構建低碳知識庫模型可以很好的解決上述問題，但是無法有效的將知識模型用于一個普遍性的節能減排問題，因此針對普遍性的機電產品節能減排問題，仍需要進一步的研究，構建出相關的知識表達模型。

2 機電產品低碳制造策略及知識研究的熱點、難點及存在的主要問題

2.1 機電產品低碳制造策略及知識研究的熱點

為應對目前資源、環境及政策等方面的低碳需求，關于機電產品低碳制造理論模型、關鍵技術、系統策略與知識方面的研究得到了國內外企業及研究機構的廣泛關注。

由于基于生命周期數據的碳數據評估及其優化策略一直是低碳制造技術的熱點與難點，目前國內外研究機構在低碳制造基礎模型研究方面主要聚焦于機電產品生命周期各階段數據基礎模型，及其后續結合生命周期碳足跡分析及其對應優化技術。

面對機電產品生命周期各階段中工程應用環節的通用型減碳知識，也是當前低碳制造技術研究的熱點領域，通過產品綠色設計、工藝參數優化及流程動態匹配、輕量化材料及新型低碳工藝等典型節能低碳技術的知識服務與工程實踐，為機電產品低碳制造的工業化推廣提供強有力的技術支撐。

2.2 機電產品低碳制造策略及知識研究的難點

鑒于機電產品的低碳制造相關內容涉及到產品設計、材料分析、工藝規劃、信息處理、評估決策等多個領域與學科，同時影響機電產品全生命周期的碳排放因素眾多且耦合關系復雜。有關機電產品低碳制造策略及知識研究一直面臨諸多難點，其主要有：

1）基于碳足跡評估額減碳優化策略

由于需要合理地分析評估機電產品碳足跡，并采用合適減碳策略對關鍵環節予以優化，通常需要花費一定的時間與人力成本，形成較長時間及較大范圍內的反映碳排放影響因素與其碳足跡之間對應的數據積累，構建其影響參數與碳足跡的映射關系，并提出機電產品全局的高效減碳策略，該內容也是目前低碳制造中較為復雜的研究領域。

2）低碳知識支持技術

由于機電產品低碳制造應是覆蓋到從產品級到系統級的多個層次，其間涵蓋了各個生命周期階段以及實施主體，需要面對不同類型實施主體，綜合考慮不同層面上實施減碳技術的影響范圍，向其提供合理通用型低碳技術的知識支持服務。這些內容也是當前制約機電產品低碳制造進一步推廣應用的難點。

2.3 機電產品低碳制造策略與知識應用存在的主要問題

結合上文所述，在國家政策及行業需求的大力推動下，一大批制造企業與研究機構針對不同類型機電產品提出了很多有效的低碳制造方法與技術，相關研究呈現出百家齊鳴且蓬勃向上的繁榮景象。但當這些低碳制造技術展現其各自優勢及實用性時，至少還存在一些具體應用問題，主要有：

1）多主體協同策略

由于低碳制造技術實施過程涉及到機電產品生命周期中的多個主體，如供應商、制造企業、用戶、第三方回收服務商等，在多主體價值鏈下高效協同實施低碳制造技術的是當前低碳制造技術工業化應用的問題。

2）知識支持服務

目前低碳制造技術主要局限于機電產品設計、制造等具體環節的局部技術優化及新技術替代，對于所在行業及相似產品有一定的借鑒及參考價值，需要結合當前機電產品的典型低碳制造技術，進一步研究其技術通用性及對應知識服務體系。

3 總結

經過國家行業持續推動及許多科研團隊不斷努力，機電產品低碳制造技術研究逐步由基礎理論研究拓展到工業化應用實踐，為社會可持續發展和循環經濟構建做出了巨大貢獻。通過分析上述的研究成果，展示了主要兩個方面（碳排放優化策略、低碳知識）的技術研究現狀，分析比較其間各類典型研究，總結對應技術特征，并隨后闡述了當前低碳知識策略中存在的問題，為今后進行產品低碳制造技術研究提供可以借鑒的探索及研究方向。