工業互聯網助力實現“雙碳”目標的機理與路徑研究

尚舵 盧春雨 惠鑫 王磊 陳棟梁 耿介坦

（中國工業互聯網研究院，北京 100015）

力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和，是貫徹新發展理念、構建新發展格局、推動高質量發展的內在要求，是黨中央統籌國內國際兩個大局作出的重大戰略決策，是著力解決資源環境約束突出問題、實現中華民族永續發展的必然選擇，是構建人類命運共同體的莊嚴承諾。實現“雙碳”目標任重道遠，必須完整準確全面貫徹新發展理念，把黨中央決策部署落到實處。推進“雙碳”目標的實現不僅是破解資源環境約束突出問題、實現可持續發展的迫切需要，也是順應技術進步趨勢、推動經濟結構轉型升級的迫切需要。當前，全球已有超過130個國家承諾在21世紀中葉實現碳中和目標[1]。

隨著數字技術在資源、能源和環境領域的深度融合與應用創新，數字技術在實現碳中和目標中的作用日益受到關注。工業互聯網是新一代信息通信技術與工業經濟深度融合的新型基礎設施、應用模式和工業生態，通過對人、機、物、系統等的全面連接，構建覆蓋全產業鏈、全價值鏈的全新制造和服務體系，為工業乃至產業數字化、網絡化、智能化發展提供了實現途徑，是第四次工業革命的重要基石。隨著工業互聯網的不斷發展，工業互聯網的降本、增效、提質、綠色作用不斷釋放。工業互聯網在碳排放、碳足跡、碳匯等的數字化監測與精準計量、數字化節能提效、提升能源利用率從而直接或間接減少碳排放量等方面發揮著重要作用[2]。在“雙碳”目標需求牽引下，以工業互聯網技術為驅動，不僅可帶動工業數字化、綠色化轉型形成新型工業化體系，還可進一步帶動能源電力、交通運輸、建筑樓宇等制造業以外行業的節能降耗和產業轉型升級，助力我國碳達峰、碳中和目標的實現。

然而，針對工業互聯網助力“雙碳”目標實現的機理和路徑還缺乏系統、深入的研究。數據與模型是工業互聯網的核心基礎，本研究旨在探索工業互聯網助力實現“雙碳”目標的機理，重點闡述了工業互聯網在助力碳排放數據精準監測和構建“雙碳”拐點預測模型兩方面的應用機理和建議框架，并在此基礎上深入論述工業互聯網助力不同行業實現“雙碳”目標的機理，提出工業互聯網在優化能源供應、實現能耗優化、降低碳排放、精準實施碳匯固碳措施等方面助推我國實現碳達峰、碳中和的有效路徑。同時，進一步提出工業互聯網推動碳達峰、碳中和的有關對策建議。

本研究系統性地研究了工業互聯網推動實現 “雙碳”的機理和路徑方向，在實現碳達峰、碳中和目標的進程中，為數字技術推動產業綠色低碳轉型發展奠定了理論基礎。

一、工業互聯網在實現“雙碳”目標過程中發揮了積極作用

（一）國外發展現狀

在應對氣候變化、助力實現零碳排放方面，工業互聯網在全球各地區正發揮著積極作用。在制造業，工業互聯網和物聯網結合用于監控制造設備的能源消耗，優化生產過程。西門子推出一款用于產品碳足跡信息記錄、精準計算、可信共享以及查詢的解決方案SiGreen[3]，可實現貫穿供應鏈全程的碳排放數據可信交換，支持企業實現生產制造的碳中和。

在物流交通領域，物流公司通過智能路線規劃縮短送貨路線和送貨時間，通過減少直接和間接能源消耗對氣候產生積極影響。松下的“松下環境云”平臺[4]能夠實時監測物流電動車輛的電量信息等，同時還可對碳排放的減少量進行統計，通過科學技術實現低碳減排。

在能源和公用事業市場，微軟Azure Time Series Insight和Azure IoT Edge等產品[5]為全球數百個可再生能源站點提供技術支持，可直觀監測平臺運行異常情況，提高天氣和生產預測水平。借助Azure的計算資源，歐洲能源巨頭ENGIE提高了整體能源生產效率。

在商品全生命周期管理方面，沃爾沃卡車借助PTC工業互聯網平臺[6]在設計過程中保證產品的綠色、節能，以實現產品在使用過程中的能效最佳。

根據世界經濟論壇2018年的測算，84%的全球工業互聯網創新應用正在對聯合國碳達峰碳中和目標提供幫助[7]，其中制造業和能源領域貢獻占比均在20%～25%。工業互聯網集成物聯網、5G、人工智能技術可以有效減少全世界15%的碳排放量，體現了工業互聯網推動碳中和的重要價值。

（二）國內發展現狀

我國工業互聯網平臺助力碳達峰碳中和工作開展主要是依托各個重點碳排放行業展開。當前，正在與鋼鐵、化工、建材等重點碳排放領域深度融合，并從生產、存儲、運輸、接收、利用處置、環境容納等各個方面助力各行業實現碳達峰碳中和目標。

國內研究人員提出了工業互聯網在碳達峰碳中和方面的參考架構和應用，可包含智能數字化碳感知層、數字化碳管理平臺層、數字化基礎保障層、數字化行業應用層、數字化全鏈條應用、數字化碳資產經營、數字化政府應用幾大方面[8]。具體應用如圖1所示。

圖1 碳達峰碳中和工業互聯網體系規劃藍圖

當前，工業互聯網平臺在國內“雙碳”領域的應用主要是利用數字化技術實現低碳生產，降低污染物排放水平。在設備管理、生產過程管控、制造工藝管理等環節通過生產優化、能耗與排放管控來提升用能效率，優化物料資源，降低碳排放。例如，優也平臺[9]對全工序能源介質數據進行實時映射，構建跨工序協同優化模型，實現以單位小時成本最小化與利潤最大化的能源整體平衡；東方國信工業互聯網Cloudiip平臺[10]開發出大量實用APP來助力企業實現節能降耗，提高生產效率；浙江“雙碳智治平臺”[11]已實現全省、分領域、分地市的能源消費、碳排放總量、能耗強度和碳排放強度的動態監測，助力實現減碳目標；上海浦東智慧能源雙碳云平臺[12]為政府部門、能源企業、用能客戶提供能源碳監測、能源碳評估及能源碳預測等功能。

隨著我國碳達峰、碳中和戰略的實施，工業互聯網平臺將持續從各個行業的綠色化、低碳化發展需求入手，不斷拓展平臺應用價值與業務場景，步入以環境友好型為價值導向的新型發展時期。

（三）存在的問題

整體而言，如何借助快速發展的工業互聯網技術實現碳達峰碳中和的機理、路徑研究尚處于初步探索階段。

（1）工業互聯網技術在碳足跡監測、碳匯測量等領域的研究與應用遠遠不足。關于碳排放監測尚未形成一體化模式，空間、地面和城市碳等監測平臺并未整合，仍是割裂的數字化監測平臺，未形成天地空一體化的整體研究模式。

（2）面對碳達峰、碳中和目標要求，傳統的碳排放與碳吸收計量與預測存在精準度不高、預測效果不佳等問題。一方面，碳排放因子體系有待優化。碳排放的影響因素復雜多樣，簡單采用人均國內生產總值（GDP）、人口規模、城鎮化率、技術水平、第二產業占比等指標作為碳排放驅動因子，無法有效支撐對碳排放和碳吸收的全面精確計量。另一方面，預測效果有待進一步提升。受時間跨度長、未來政策變化等不確定因素的影響，各部門各地區的經濟活動之間存在復雜關系，對不同時期、不同情景下的碳達峰與碳中和進程難以實現有效預測。

二、工業互聯網助力精準碳排放監測與“雙碳”拐點預測的模型機理

實現“雙碳”目標，必須首先摸清碳家底，即通過碳排放的實時監測梳理形成當前的碳排放情況，找到現狀與目標之間的差距，從而評估不同技術條件和政策情景下的差異，支撐制定科學可行的碳減排計劃。面對碳達峰、碳中和目標要求，傳統的碳排放與碳吸收計量與預測存在精準度不高、預測效果不佳等問題。工業互聯網憑借其數字化技術集成的優勢，通過對不同區域、不同主體的碳排放與碳捕捉、碳封存情況進行分析，動態跟蹤變動趨勢[13]，在更廣范圍、更深層次、更高精度方面對CO2全生命周期變動進行動態監測與預測，有效解決精準度不高和預測效果不佳的問題。

（一）“工業互聯網+‘空天地一體化’”技術精準感知碳排放和碳濃度

“空天地一體化”技術（圖2）利用地基觀測場站、遙感衛星、航空器等分別對重點企業點源形式的碳排放和大氣邊界層內（距地面高度為1～2km）以及特定高度和經緯度的CO2在高精度指標與廣覆蓋范圍上加以監測，助力形成全覆蓋、多尺度（全球－國家－城市/重點區域－企業）、高精度的立體化監測體系。工業互聯網與“空天地一體化”監測網結合，實現碳感知設備在空天地多維度的數據采集和通信傳輸，通過工業互聯網平臺的模型算法進行數據分析與融合計算，最終可得到CO2當量等濃度指標的碳排放實時數據計量表達以及碳濃度當量的數據計量表達。

圖2 基于（空天地一體化）的碳排放監測布局示意圖

中國科學院空天信息研究院開發的“空天地一體化碳源碳匯綜合監測管理治理平臺”[14]集合了衛星遙感監測、飛艇遙感監測、無人機監測和地面監測數據，構建了城市上空“500km（衛星）－20km（飛艇）－100m（無人機）”的城市外源空間大氣溫室氣體和生態環境實時監測網絡，同時采用地表檢測手段對城市工業、能源、建筑、交通、農業及居民等碳排放主體采用地的溫室氣體數據進行采集，形成了多維度、多種類、大范圍的碳排放和碳濃度監測、計量的數據基礎。

由于排放到大氣中的溫室氣體濃度具有流動性和擴散性，在獲取不同高度碳排放實時數據的基礎上，需結合高斯煙羽模型（Gauss plume model）等污染物氣體擴散模型進行多源數據和數據模型融合。常見的融合模型包括濃度流速實測法[15]、多源衛星長時間序列數據融合生產XCO2方法[16]。其中，濃度流速實測法基于排放源實測基礎數據，計算、匯總得到相關碳排放量。現場測量一般是在煙氣排放連續監測系統（CEMS）中搭載碳排放監測模塊，通過連續監測濃度和流速直接測量其排放量。但對于工業企業引發的城市、區域CO2排放，主要是利用高精度主要溫室氣體和氣象要素進行協同監測，借助光腔衰蕩光譜法、離軸積分腔輸出光譜法以及氣相色譜法等監測得到CO2等溫室氣體通量。

工業互聯網平臺為多源異構數據以及多種模型融合計算提供技術支撐，在云計算算力的支持下，計算CO2當量等濃度指標的碳排放和碳濃度實時監測結果，為精準碳計量提供一種技術手段。

（二）工業互聯網助力實現對多情景碳達峰、碳中和進程的精準預測

工業互聯網在助力碳達峰預測時，需要圍繞碳排放量和達峰時間兩個關鍵點，抓住自身“數據+模型”的本質特征，以國家減排目標為導向，以歷史碳排放數據和借助數字化技術監測、核算得到的當前碳排放數據為基礎，依托碳排放預測模型對碳達峰時的碳排放量和達峰時間加以預測，并對碳排放的主要影響因素加以梳理，為研究制定可操作、可落地的碳減排路徑和行動計劃提供科學支撐。

碳排放監測數據屬于時間序列數據，在基于歷史和當前碳排放數據的時間序列預測模型方面，可借助離散二階差分方程預測方法（DDEPM方法）。分析歷史數據特征時發現，中國的碳排放時間序列數據呈現整體增長而并非逐年增長的不規律性。DDEPM方法可以很好地適應時間序列的不規律性，對不穩定增長的時間序列數據預測具有較大優勢，從而可對中國碳排放進行較為準確的預測。DDEPM方法是非線性的，一些無法擬合到線性的點可以被DDEPM的預測曲線所擬合，因此其預測值客觀性較強。

研究表明，在預測碳排放時，另一個重點是注重影響碳排放因素的選取，在考慮預測模型中的主要影響因素時，需要知悉國家當前經濟發展、能源消耗和各產業能源利用效率的情況。多數學者采用模型預測與經濟發展情景分析相結合的方法，所涉模型主要包括IPAT模型、隨機回歸影響模型（STIRPAT模型）、Logistic模型、Tapio脫鉤模型等[17]。STIRPAT模型來源于IPAT模型，盡管IPAT模型屬于線性分析模型，但STIRPAT模型屬于非線性分析模型。STIRPAT模型是目前研究碳排放峰值問題時應用最廣泛且公認度較高的模型，且可以定量研究碳排放與各影響因素之間的關系，具有較好的靈活性和一定的拓展空間。渠慎寧[18]等對中國1980—2008年的時間序列數據進行回歸，利用STIRPAT模型在先前回歸的基礎上對今后中國碳排放的峰值出現時間進行了預測，并得到如表1所示預測結果。在STIRPAT模型構建過程中，利用回歸分析方法構建模型是常用方法，也即回歸分析是構建STIRPAT模型的前置工作。

表1 基于STIRPAT模型的中國碳排放峰值預測結果

從模型角度看，STIRPAT模型可應用于基于場景的結果預測分析。模型預測與經濟發展目標的情景相結合時，需要考慮經濟發展高、中、低情景的合理劃分。目前，國內比較權威的是國家發展和改革委員會能源研究所預測的3個排放情景，即基準情景、低碳情景和強化低碳情景[19]。低碳情景預測值可以作為碳排放最佳可能范圍的下限；強化低碳情景可以作為未來碳排放的最小預測情景。

綜合利用DDEPM法[20]與STIRPAT模型，并結合影響因素來預測碳達峰時的排放量和達峰時間的框架思路（圖4）如下：在歷史數據、現狀監測數據和離散二階差分方程時間序列預測的基礎上加以回歸，利用STIRPAT模型并考慮選定的碳排放影響因素，對今后中國碳排放的峰值和峰值出現時間進行預測。其中，選定的碳排放影響因素可由工業經濟總體情況推演，具體數據由工業互聯網平臺上的宏觀工業經濟指數、關鍵工序數控化率、數字化研發工具普及率、制造業單位能耗等核心指數計算形成。

圖4 多情景碳達峰、碳中和進程的預測框架

三、工業互聯網助力產業實現“雙碳”目標的路徑

工業互聯網憑借其與行業融合的特征，可將數字技術與綠色低碳技術深度融合，從而在研發設計、生產制造、運營服務等環節，幫助企業、地區乃至全社會摸清碳“家底”、規劃碳路徑、提高能源綜合運行效率，從源頭到過程到整體推動系統節能減排。

（一）工業互聯網助力能源供給更加清潔、高效

當前，我國加快構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系，能源產業數字化、智能化升級是提升能源產業鏈現代化水平、構建現代能源體系新階段的重要途徑。國家發展改革委、國家能源局印發《“十四五”現代能源體系規劃》，提出推動能源生產消費方式綠色低碳變革。“十四五”時期，重點做好增加清潔能源供應能力的“加法”和減少能源產業鏈碳排放的“減法”，推動形成綠色低碳的能源消費模式。工業互聯網作為全球第四次工業革命的重要基石，將在應對非化石能源間歇性、預測可再生能源出力情況、支撐可再生能源主動支撐電網運營等方面都將發揮重要作用，支撐我國能源體系朝著更加清潔、更高效率、更加智能的方向演進。

1.工業互聯網助力煤炭等化石能源的清潔化利用

在煤炭開采和洗選過程中，燃料燃燒、電力和熱力供應是CO2的主要排放源。煤炭工業互聯網可在煤炭采掘、洗選和利用的全過程中助力實現生產系統智能化[21]，提高生產系統綜合效率，實現全過程降耗、減污和降碳。以煤炭清潔利用為例，工業互聯網可對配煤摻燒、煤炭清潔轉化工藝過程監管、超臨界循環流化床鍋爐流態優化，以及與可再生能源耦合利用等方面進行精準監控；可以運用數字技術構建質量管控前移場景應用和智慧管理體系，構建精益化決策平臺，將全廠蒸汽、循環水、氣化爐、甲醇合成碳氫比等能耗參數進行系統優化，從而降低清潔利用過程中的碳排放水平。例如，基于工業互聯網平臺的廣域銘島數字化智能配煤解決方案[22]（圖5）幫助廣西百色市百礦集團實現煤耗降低10%，年化效益超過2500萬元。

圖5 數字化智能配煤解決方案

2.工業互聯網助力構建新型電力系統

在構建新型電力系統時，工業互聯網助力打造電源側靈活調度機制，通過對電網側負荷的精準識別與趨勢預測，助力實現電源側多能互補調度運行，打造彈性、靈活的能源調度機制，從電源端實現數字技術賦能，降低能源系統運行成本和能源轉換效率。

海寧風光儲充+冷熱電三聯供微電網項目通過打造海寧正泰工業園區智能光伏、儲能、充電系統一體化微電網應用，設計了一套多能互補的綜合能源管理平臺，實現對電網、新能源、儲能、配電系統、冷熱負荷等的實時狀態監測、經濟運行優化、無人值守運維、調度管理控制等，保障系統平穩、高效、綠色、經濟運行（圖6）。在能源利用效率方面，避免了清潔能源發電的波動性、隨機性帶來的不穩定問題，實現網內的可再生能源高效、高質量利用，約能降低園區10%的用能成本[23]。

圖6 正泰多能互補管理平臺

（二）工業互聯網助力工業領域更加綠色節能

賽迪數據顯示，工業是碳排放的重要領域，約占總碳排放量的70%。近年來，我國工業綠色發展取得了明顯成效。數據顯示，2012—2022年我國規模以上工業單位增加值能耗累計下降幅度超過36%，實現經濟效益和環境效益雙贏。積極推動工業綠色低碳發展在實現碳達峰碳中和目標中承擔著重要使命。

工業互聯網通過構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系，助力產業鏈供應鏈升級和結構調整優化，促進生產生活方式綠色創新變革，推動降低社會總體能耗強度。工業互聯網推動生產數據與碳排放數據的統一匯聚，實現新一代信息技術和降碳技術的深度融合，加速賦能模式落地，為綠色生產提供參考。工業互聯網技術與工業機理的結合有助于建立最優能效模型及評價指標，實現能源精細化管理，最終達到節能減碳的效果，即：先從源頭上“踩穩油門”，后在細節中“精打細算”，從而實現總體脫碳。在工業互聯網賦能下，企業生產力、工作效率和能源利用效率得到提升，使能源使用和碳排放量有效減少，實現節能增效。

以建材行業為例，工業互聯網與建材行業特有的知識、經驗、需求相結合，加速工業機理模型的匯聚沉淀，實現對碳排的放在線實時監測，通過數據采集分析、窯爐優化控制等提升能源資源綜合利用效率，促進全鏈條生產工序清潔化和低碳化。海螺水泥依托“5G+工業互聯網”智慧水泥綜合體[24]（圖7）節約電力4億千瓦時，CO2減排74.77萬噸、污染物減排3萬噸、SCR脫硝效率達90%，同時使員工勞動強度降低21%。

圖7 海螺“5G+工業互聯網”智慧水泥綜合體示例

（三）工業互聯網助力產業結構優化，實現低碳發展

產業結構升級是我國經濟高質量發展的內在動力，是推進碳減排、實現碳達峰的重要方式，其本質是通過提高產出效率和促進產業結構合理設置，促使產業體系中相對較為高級的產業逐漸成為主導產業，其方向是高技術化和高集約化。

從宏觀層面看，以工業互聯網平臺為核心的數字產業組織形式通過匯聚海量產業數據并進行分析，推動生產要素和碳排放額度在不同產業之間的合理配置，由此實現使用效率的最大化，在減少資源消耗的同時，利用市場手段提高全社會碳減排的積極性，助力實現“雙碳”目標。從微觀層面看，工業互聯網相關技術促使企業生產工藝轉型升級和低碳技術發展，幫助企業提升生產效率，減少碳排放，由此推動產業結構比重朝著低碳化轉型升級。

四、工業互聯網推動碳達峰、碳中和的有關對策建議

目前，“工業互聯網+雙碳”融合發展取得一定實效，但仍面臨一系列挑戰。一是面向具體行業開展“工業互聯網+雙碳”具體實施方案仍然缺失；二是企業節能降耗空間巨大，但數字化能力不足；三是工業互聯網的落地和普及仍面臨技術復雜和成本高等難題；四是與各行業高能耗環節的深度融合應用程度還有所不足；五是相關標準體系仍需進一步健全。

為了更好地發揮工業互聯網推動碳達峰、碳中和的技術支撐和產業培育作用，國家和行業應當從完善政策指引、夯實數據基礎、加快數字化改造、加大產業培育、增強人才支撐5個方面，推動工業互聯網成為工業綠色低碳轉型的新動能。

（一）完善政策指引

一是各有關行業持續制定利用工業互聯網推動碳達峰、碳中和的實施方案，指導各行業企業因業施策。二是完善財稅政策，推動各級政府加大對“工業互聯網+綠色低碳”產業發展、技術研發的支持力度。三是積極發展綠色金融，完善綠色金融標準體系。四是鼓勵社會資本設立綠色低碳產業投資基金。五是用市場機制刺激節能要求。

（二）夯實雙碳數據基礎

一是加快推動“工業互聯網+綠色低碳”新型基礎設施建設。二是加快推動重點行業能源管理體系、標準計量體系建設，完善碳排放核算標準，建立健全重點行業碳排放數據管理制度和相關法律法規。三是推動碳排放數據通過供應鏈傳遞。四是鼓勵產學研合作，開發數量更多、質量更優的碳監測、碳減排大數據工具。

（三）加快數字化改造

一是推動對傳統產業實施技術改造和優化配置。二是在傳統用能領域，強調工業互聯網在關鍵能耗環節的使用，降低生產過程碳排放。三是強化能源、能耗數據的采集、匯聚及分析能力，切實服務能耗監測及能源管理水平提升。四是推動數字技術賦能中小企業綠色化轉型。

（四）加大產業培育力度

一是持續鼓勵電信企業、信息服務企業和工業企業加強合作，統籌共享低碳信息基礎數據和工業大數據資源。二是聚焦能源管理、節能降碳等典型場景，培育推廣標準化的“工業互聯網+綠色低碳”解決方案和工業APP，助力行業和區域綠色化轉型。三是深化中小企業“工業互聯網+綠色低碳”融合應用。

（五）增強人才支撐

一是大力推動學科融合建設。鼓勵相關高校等結合數字減碳技術和服務需求，積極開設“工業互聯網+能耗減排”“工業互聯網+環境工程”等相關課程。二是深化工業互聯網產教融合，建設工業互聯網公共實訓基地和高技能人才培養基地，培育更多創新實踐人才。三是院校應以多種形式參與企業內設培訓機構建設，形成產學研聯合的培育機制，鼓勵一線數字化碳排放管理人員、技術專家等到高校開展培訓，促進產業鏈發展與人才培育的銜接。

五、結論

本研究系統地研究了工業互聯網推動實現“雙碳”的機理和路徑方向，梳理了相關典型實踐案例，提出工業互聯網推動行業企業低碳綠色轉型的主要路徑，即：工業互聯網助力優化能源結構，提供清潔、安全、高效的能源供應；助力工業領域更加綠色節能；助力產業結構優化實現低碳發展。進一步從完善政策指引、夯實數據基礎、加快數字化改造、加大產業培育、增強人才支撐5個方面為工業互聯網推動“雙碳”目標的實現提出了策略和建議，為數字技術推動產業綠色低碳轉型發展奠定了理論基礎。