技术领域
[0001] 本
发明涉及一种制造车间碳排放综合评估方法。
背景技术
[0002] 众所周知，中国是一个制造大国，制造业是国民经济的重要组成部分，2010年中国制造业占GDP比例为40.1％左右，但与此同时，制造业消耗了大量的
能源和资源，也带来了严重的环境问题。我国制造业能源消耗占用了全国一次能耗的63％，单位产品的能耗高出国际
水平20％至30％，同时，国家“十二五”规划要求，“十二五”期间单位国内生产总值能源消耗降低16％，单位国内生产总值二
氧化碳排放降低17％；到2015年，全国万元国内生产总值能耗下降到0.869吨标准
煤(按2005年价格计算)，比2010年的1.034吨标准煤下降16％，比2005年的1.276吨标准煤下降32％；“十二五”期间，实现节约能源6.7亿吨标准煤。为此，节能减排是制造业在可持续发展战略下的必然趋势，而加紧研究和开发
能量节约型的可持续制造技术刻不容缓。
[0003] 为了实现
制造过程的节能减排，国内外学术界和工业界的专家学者进行了广泛的研究，并提出了许多解决方法，主要包括以下几个方面的内容：
[0004] 1)由于制造车间的碳排放主要来自于加工能耗，因此许多研究将重点集中在了提高加工能效的理论和技术方面，并分别从机床设备层面、零件层面以及加工订
单层面分析了能耗的来源以及节能措施。但这些研究往往针对某一类加工过程的能耗研究，不具有普遍适用性，同时制造车间还有许多产生碳排放的因素，能耗只是其中一个方面；
[0005] 2)在制造过程碳排放的计算和评估方面，目前学者们往往侧重于机床加工过程的研究，而忽略了制造车间其他生产过程对碳排放的影响，例如车间物流、辅助照明、温控、能耗工质消耗等方面；
[0006] 3)在评估及优化制造过程碳排放方面，研究人员大多以车间碳排放及生产加工成本等位优化的目标，却往往忽略了加工过程的能源利用率、生产效率以及经济效益等方面，毕竟企业的主要目的还是经济收益，所以以往研究目标过于片面，在实际运行中往往无法使用；
[0007] 从上述分析可知，目前的研究还存在一些漏洞和问题，而实现制造过程节能减排的前提条件是对制造车间的碳排放进行评估，生产企业需要对制造车间各评价粒度下的碳排放、能源利用率、生产效率以及企业收益等进行综合评估，从而解决目前制造车间节能减排的
基础问题，为实现制造车间的节能减排指明方向，也为生产企业的生产决策提供数据
支撑。
发明内容
[0008] 本发明的目的在于提供一种制造车间碳排放综合评估方法，可实现对单台设备、单个零件及整个车间的能耗、碳排放及生产情况进行较为全面的评估。
[0009] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0010] 1)通过分析制造车间的特点，将制造车间
自下而上进行分解形成设备层、零件层和车间层三个层次，并基于全生命周期评估方法，计算单台设备、单个零件及整个制造车间的能耗足迹和
碳足迹；
[0011] 2)基于能耗足迹和碳足迹，并依据评价粒度将制造车间中的制造活动进行粒度分解和演化，其中的每一个过程都代表了一个独立的碳排放活动，碳排放活动指制造车间中产生直接碳排放和间接碳排放的生产活动的集合，包括加工过程、运输、车间维护、工质消耗等，然后基于环境效率的概念建立不同评价粒度下的多个
碳效率评价指标，碳效率评价指标包括碳排放利用率、加工以及生产碳效率和经济碳效率等，以实现对制造车间生产效率、环境影响以及经济收益等多个生产属性的评估。
[0012] 所述制造车间碳排放综合评估方法还包括以下步骤：依据所述碳效率评价指标，并采用多属性妥协方法，对不同制造车间相同评价粒度下的碳排放活动进行整体评估，或者，对不同时期制造车间中的某一碳排放活动进行整体评估，通过整体评估以获得碳排放活动碳排放综合性能优劣排序。这样既可以对不同制造车间的碳排放进行横向评估，为企业生产提供决策支持，也可对同一车间在不同时期的碳排放进行纵向比较，为车间的节能减排提供数据支撑；所述横向评估指不同的设备、工序和零件之间进行比较，以获得其碳排放综合性能优劣排序；所述纵向评估指不同的设备、工序和零件在不同时间段中的碳排放综合性能优劣排序。
[0013] 所述制造车间指包含若干制造设备和操作人员，并通过一定制造过程将原材料或半成品加工成成品的场所，所加工的成品是机械行业零部件产品；所述设备层包括制造车间所有可以执行某种工序的设备，每台设备执行一道或者多道工序，包括
车床、
铣床，线切割机床，
冲压机床，折剪机床，磨床，
镗床，钻床，
激光切割设备，自动
焊接设备等；所述零件层包含制造车间目前加工的零件，每个零件的加工过程由一个或者多个工序流组成。
[0014] 所述能耗足迹指一个或者多个制造活动过程中直接能耗和间接能耗的总和，其中直接能耗指设备加工过程的能耗，间接能耗指
工件非加工过程的能耗，包括运输、储存等过程；所述碳足迹指一个或者多个制造活动过程中直接
温室气体
排放量、能耗碳排放量以及物料消耗的碳排放量的总和，以
二氧化碳当量来计算。
[0015] 所述评价粒度是指企业采集数据进行评价分析的层次，自下而上依次为设备、工序、零件和车间(“设备-工序-零件-车间”的层次结构)。
[0016] 碳效率指制造车间各个碳排放活动单位碳排放的价值产出，包括材料
切除量、产品批量、经济收益等。
[0017] 本发明的有益效果是：
[0018] 本发明首先提出一种基于LCA(Life Cycle Assessment method,全生命周期评估方法)的制造车间能耗和碳排放计算方法，可实现对单台设备、单个零件及整个车间的能耗及碳排放进行评价，从而满足不同企业对车间不同层次碳排放评估的要求，并寻找节能减排的薄弱环节，为企业降低碳排放提供导向依据。本发明一方面可以满足不同企业对车间不同层次碳排放评估的要求，从而寻找节能减排的薄弱环节，为企业降低碳排放提供导向依据；另一方面，将碳排放与生产效率以及经济效益等因素结合起来，对车间生产过程进行综合评估，从而为企业的生产决策提供数据支撑。
[0019] 本发明面对碳排放、加工效率及经济收益等多个生产属性建立了制造车间不同评价粒度下的碳效率评价指标，并进一步提出了制造车间碳排放综合评估的多属性妥协方法，从而获得制造车间较为全面的评价，为企业的生产决策提供数据支撑。
附图说明
[0020] 图1是制造车间的层次结构；
[0021] 图2是机床加工过程的功率曲线；
[0022] 图3是制造车间碳排放评估粒度演化。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图和
实施例对本发明作详细说明。
[0024] 本发明中涉及制造车间碳排放综合评估的多属性妥协新方法，主要包括3个步骤：
[0025] 1)通过分析制造车间的特点，建立了车间制造过程图式描述，并站在制造车间能耗和碳排放的
角度，将制造车间自下而上进行分解形成了设备层、零件层和车间层三个层次，然后对“能耗足迹”和“碳足迹”等进行了重新定义，并基于全生命周期评估方法，建立了单台设备、单个零件及整个车间的能耗足迹、碳足迹计算方法；2)基于能耗足迹和碳足迹的计算，可以将制造车间中制造活动依据“设备-工序-零件-车间”的层次结构从细粒度向粗粒度进行演化，其中的每一个过程都代表了一个独立的碳排放活动；基于环境效率的概念，建立了不同评价粒度下的多个碳效率评价指标，包括碳排放利用率、生产碳效率和经济碳效率等，以实现对制造车间多个生产属性的评估；3)为实现对制造车间的综合评价，本发明建立了制造车间不同评价粒度下碳排放评估的多属性妥协方法，既可以对不同制造车间的碳排放进行整体横向评估，也可对同一车间在不同时期的碳排放进行纵向比较。
[0026] 具体实现流程如下：
[0027] 1)制造车间能耗足迹和碳足迹的分层计算
[0028] 参见图1，本发明通过对制造车间生产过程进行深入分析，建立了如图所示的车间制造过程图式描述，站在制造车间能耗和碳排放的角度，将制造车间自下而上分为三个层次，并做出如下定义：
[0029] 工序：工序是指在一台加工设备周围发生的一组有序的操作/动作的集合，在零件上加工出一个或者多个加工特征，从而改变零件的形状、大小、
精度等属性的过程；
[0030] 工序流：将工序流定义为加工车间一组有序的操作/动作的集合，这些操作/动作发生在一系列加工设备周围，将所加工的工件从毛胚/半成品转
化成成品零件，一条工序流包括若干道工序；
[0031] 设备层：设备层包含了制造车间所有可以执行某种工序的设备，包括车床、铣床，线切割机床，冲压机床，折剪机床，磨床，镗床，钻床，激光切割设备，自动焊接设备等，每台设备可执行一个或者多个工序；
[0032] 零件层：零件层包含制造车间目前加工的零件，以及每种零件从毛坯/半成品到半成品/成品过程中的一系列装夹、加工、运输、
喷涂等工序，每个零件加工过程可由一个或者多个工序流组成；
[0033] 车间层：车间层包含了制造车间物理上所有的设备、资源、能源等物质，包括各种设备、工件、车间物流系统、加工控制系统、供水系统、供暖系统、照明系统、
风控系统及其辅助软
硬件设备。
[0034] 另外，结合制造加工过程的特点，本发明还对“能耗足迹”和“碳足迹”进行了定义，如下所示：
[0035] 能耗足迹：能耗足迹指一个或者多个制造活动(工序)过程中直接能耗和间接能耗的总和，其中直接能耗指设备加工过程的能耗，间接能耗指工件非加工过程的能耗，包括运输、储存等过程；
[0036] 碳足迹：碳足迹指一个或者多个制造活动(工序)过程中直接温室气体排放量、能耗碳排放量以及物料消耗的碳排放量的总和，以二氧化碳当量为单位；
[0037] 基于上述定义，本发明对制造车间三个层次的的能耗足迹和碳足迹进行了量化计算：
[0038] a)设备层能耗足迹和碳足迹计算
[0039] 通过实验，可以获得设备在执行一次完整加工工序时的能耗曲线，参见图2。尽管不同的加工设备具有不同的功能，但是从能否实现工件增值的角度，其能耗(EFmach)可以分为材料切除能耗(MR)和辅助能耗(AE)，其中材料切除能耗指设备在执行某道工序过程中直接用于改变工件特征而实现工件增值的能耗，而辅助能耗是用于维持设备的正常运转的能耗，包括
主轴加速(SA)、空切削(Pac)、换刀(TC)以及等待过程的能耗；对于一台特定的设备，其主轴加速过程和等待阶段(EFstandby)的功率是固定的，不会随着加工状态的改变而改变；另外，加工设备在完成一道工序之后，往往需要等待一段时间才执行下一道工序，这段时间设备会产生等待能耗。
[0040] 参见图2，设备在执行一次完整加工工序中的能耗为：
[0041] EFmach＝MR+AE
[0042] MR＝SEC·V＝(C0+C1/MRR)·V
[0043] AE＝nSA·SA+nTC·TC+Pac·tac+EFstandby
[0044] EFstandby＝Ps·ts
[0045] 其中，SEC为单位切除能耗(kJ/cm3)，MRR为材料切除率(cm3/s)，V为材料切除体积(cm3)，C0和C1是设备特征参数(与特定设备有关)，SA为设备主轴加速能耗(kJ)，TC为设备一次换刀能耗(kJ)，nSA和nTC分别表示设备主轴加速和换刀次数，Pac和tac为设备空切削功率(kW)和时间(s)，EFstandby为制造车间设备等待能耗(kJ)，Ps和ts表示设备等待过程的功率(kW)和等待时间(s)。
[0046] 对于设备的碳足迹(CFmach)，除了上述能耗产生的碳排放，加工过程辅助材料的消耗(CEau)以及机床刀具的磨损(CEtool)也会产生碳排放，而辅助材料主要包括
切削液和
润滑油，其中切削液是由切削液
泵推动并循环使用，在加工过程中一部分切削液会附着在切屑表面而流失，因此需要定期添加切削液；润滑油主要用于主轴和进给传动部分的润滑，并且也需要定期更换；刀具磨损部分则是从刀具寿命角度计算其碳排放，有些刀具/刀片在接近使用寿命的时候可以通过刃磨重复使用，从而增长使用周期，例如整体
立铣刀等。基于上述分析，设备执行一道加工工序的碳排放为：
[0047] CFmach＝EFmach·emfel+CEau+CEtool
[0048]
[0049]
[0050] 其中，emfel、emfcool和emflu分别为能耗、切削液和润滑油的碳排放因子，CEau、CEtool和CEprod分别表示辅助材料碳排放、刀具磨损碳排放和刀具生产碳排放(kgCO2-e)，t为该工序的加工时间(s)，Tcool、Ttool和Tlu分别为切削液的更新周期、刀具/刀片使用寿命和润滑油更新周期(s)，ICcool和LOlu分别为切削液和润滑油的使用量(L)，Ngr和Pgr分别为刀具/刀片刃磨次数和一次刃磨能耗，ωau和ωtool为辅助材料和刀具的碳排放系数(kgCO2-e/s)。
[0051] b)零件层能耗足迹和碳足迹计算
[0052] 参见图1，根据零件加工过程的特点可知，零件的能耗足迹(EFpart)来自于直接能耗(加工能耗，DE)和间接能耗(运输、存储等辅助能耗，IE)。零件的运输能耗主要与运输方式和运输的距离有关，不同的物流运输设备会消耗不同的能源；同时工件在从一道工序完成到下一道工序开始之间会暂时保存在一个缓存区域中，该缓存区域也产生能耗(EFbuffer)，该部分的能耗可以通过工件的暂存时间来衡量。因此，单个零件的能耗足迹为：
[0053]
[0054] 其中，p表示该零件的加工工序数， 分别表示第j道工序的物流运输能耗和缓存能耗(kJ)， 和 分别表示第j-1道工序和第j道工序之间单位距离的物流运输能耗(kJ/m)和运输距离(m)，(xj-1,yj-1)、(xj,yj)表示第j-1道工序和第j道工序所用设备的
位置坐标(m)， 分别表示第j-1道工序和第j道工序之间缓存区域的使
用时间(min)和单位时间能耗(kJ/h)。
[0055] 另一方面，零件加工过程的碳排放来自于设备、物流活动及缓存的能耗碳排放，故零件的碳足迹(CFpart)为：
[0056]
[0057] c)车间层能耗足迹和碳足迹计算
[0058] 对于制造车间，其能耗(EFshop)除了上述加工过程能耗、运输和缓存区能耗外，还包括车间库存能耗(EFinv)，而库存能耗的计算方法与缓存区能耗相似。因此，制造车间的能耗足迹为：
[0059]
[0060]
[0061] 其中，n为车间工件个数，EFinv为制造车间库存能耗(kJ)， 表示车间中第j个库makespan存单位时间的能耗(kJ/min)，T 表示任务的工期(h)。
[0062] 除了上述能耗碳排放外，制造车间中耗能工质的消耗也会产生间接碳排放，例如工业用水、压缩空气、氧气、氮气、氩气、保护气等。因此，制造车间的碳足迹(CFshop)为：
[0063]
[0064] 其中， 分别表示制造车间第l种耗能工质单位时间的消耗量和消耗的时间， 表示第l种耗能工质的碳排放因子。
[0065] 2)制造车间粒度分解及其碳效率评估
[0066] 基于“设备-工序-零件-车间”的车间层次结构，可以将制造车间中的生产活动从细粒度向粗粒度进行演化，其图式演化过程参见图3左半部分所示，其中的每一个过程都代表了一个独立的碳排放活动，碳排放活动指制造车间中产生直接碳排放和间接碳排放的生产活动的集合，其各部分的碳排放计算方法参见图3右半部分所示。
[0067] 前述能耗足迹和碳足迹仅仅是从环境角度对制造车间的评价，同时由于市场需求以及生产条件的不断变化，整个车间或者某台设备的碳足迹也是不断变化的，为了将生产效率、经济效益等引入评价方法中，并对制造车间进行更为全面而系统的评估，基于环境效率的概念，引入能耗效率/碳效率的概念，如下定义：
[0068] 能耗效率指制造车间各个碳排放活动单位能耗的价值产出，包括材料切除量、产品批量、经济收益等；
[0069] 碳效率指制造车间各个碳排放活动单位碳排放的价值产出，包括材料切除量、产品批量、经济收益等；
[0070] 基于上述定义，建立了制造车间不同评价粒度下的多个碳效率评价指标，包括碳排放利用率、生产碳效率和经济碳效率等，以实现对制造车间的多个生产属性的评价，各指标的具体意义以及计算方法参见表1，其中符号的含义参见表2所示。
[0071] 表1不同评价粒度下的碳效率评价指标
[0072]
[0073]
[0074] 表2碳效率评价指标符号说明
[0075]
[0076] 3)制造车间碳排放综合评估的多属性妥协方法
[0077] 面对制造车间生产效率、经济收益以及环境影响等多个生产属性，为实现对制造车间不同粒度的整体评价，依据上述碳效率评价指标，本发明基于妥协
算法建立了制造车间碳排放综合评估的多属性妥协方法，既可以对不同制造车间的碳排放进行横向评估，从而为企业生产提供决策支持；也可对同一车间在不同时期的碳排放进行纵向比较，为车间的节能减排提供数据支撑。
[0078] 制造车间不同粒度下碳排放综合评估的多属性妥协方法执行流程如下：
[0079] 将某一评价粒度下的评价指标进行归一化
[0080]
[0081] 其中，i为评价对象编号，j为碳排放评价指标编号， 表示第i个评价对象(某一评价粒度下的碳排放活动，例如设备、工序等)的第j个碳排放评价指标的值，m和n分别表示评价指标和评价对象的个数。
[0082] 计算各碳排放评价指标的最大值和最小值
[0083]
[0084]
[0085] 计算各评价对象的群体效益(Si)值和个别遗憾(Ri)值
[0086]
[0087]
[0088] 其中，ωj表示第j个评价指标的权重，可由层次分析法AHP计算获得；
[0089] 计算各评价对象产生的利益比率Qi
[0090] Qi＝0.5*(Si-S*)/(S--S*)+0.5*(Ri-R*)/(R--R*)
[0091] 其中，
[0092] 根据Qi、Si和Ri，对碳排放评价对象进行排序
[0093] 当以下两个条件均满足时，可依据Qi的大小(从小到大)对评价对象进行排序，Qi越小，则评价对象的碳排放性能越好：
[0094] 条件1：可接受的利益
门槛条件为Q''-Q'≥1/(n-1)
[0095] 其中，Q'表示依据Qi值排序后，排序第一的评价对象的Qi值；Q''表示依据Qi值排序后,排序第二的评价对象的Qi值；当有多个碳排放评价对象(碳排放评价对象数目大于2)时，可依次比较排序第一、第二、第三等评价对象之间是否符合条件1；
[0096] 条件2：可接受的决策可靠度
[0097] 依据Qi值排序后排序第一的评价对象的Si值必须同时比排序第二的Si值表现要好，或者排序第一的评价对象的Ri值必须同时比排序第二的评价对象的Ri值表现要好；当有多个碳排放评价对象时，可依次比较排序第一、第二、第三等评价对象之间是否符合条件2；
[0098] 评价法则：如果条件1和条件2同时满足，则确定排序第一的评价对象的碳排放综合性能最好；如果排序第一的评价对象和排序第二的评价对象之间的关系只符合条件2，则同时确定排序第一和排序第二的评价对象碳排放综合评价最佳；如果排序第一的评价对象和其他几个评价对象之间的关系不符合条件1、只符合条件2，则同时确定那些不符合条件1的评价对象的综合性能最好。
[0099] 综上所述，本发明提出了一种制造车间碳排放综合评估的多属性妥协新方法，该方法具体包括以下三个操作步骤：1)通过分析制造车间的特点，将制造车间从高到低进行分解为设备层、零件层和生产车间层三个层次，并基于全生命周期评估方法，建立了单台设备、单个零件及整个车间的能耗足迹、碳足迹计算方法；2)为了将生产效率、经济效益等引入评价方法中，基于环境效率的概念，依据“设备-工序-零件-车间”的层次结构，将制造车间中制造活动从细粒度向粗粒度进行演化，并建立了不同评价粒度下的多个碳效率评价指标，包括碳排放利用率、生产碳效率和经济碳效率等，以实现对制造车间生产效率、经济效益及环境影响等多个生产属性的评价；3)为实现对制造车间的综合评价，建立了不同评价粒度下碳排放综合评估的多属性妥协方法。该评价方法涵盖了制造车间各个层次以及多个生产属性，从而可以获得制造车间较为客观和全面的评估，并为制造车间的节能减排以及决策者的生产决策提供数据支持。
