基于BOM的节能减排评估系统研究*

陶 飞 吕 琳 黄 巍 左 颖 周 剑 张 霖 黄小荣

(1北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100191;2北京航空航天大学复杂产品先进制造系统教育部工程研究中心，北京100191;3湖北理工学院经济与管理学院，湖北黄石435003)

随着我国经济的快速增长，各项建设取得了巨大的成就，但也付出了巨大的资源和环境代价。经济发展与资源环境的矛盾日益尖锐，工业生产的环境问题也越来越激烈，经济的发展必然受到一定的约束。为了突破资源和环境的约束，实现经济又好又快的发展，企业必须实施节能减排策略，达到转变经济增长方式，合理利用资源，优化企业生产结构的目的，从而建设一个资源节约型、环境友好型社会。

国内外不少专家学者对节能减排评估方法或策略开展了相关研究和探索。文献[1]提出采用Asian-Pacific Integrated Model(AIM)模型，假定2个社会经济场景并以此场景为基础预测政策干预对温室气体排放量的影响，并对各种不同情况的数据进行对比和决策。谭彦等[2]在其研究中具体论述了减排项目评估的方法，就基准方案的选择、排放量的计算、减排成本的计算方法进行了详细的讨论，并进行了具体项目的举例。刘韵等[3]提出基于碳足迹评估核算的理论，采用全生命周期法，自下而上，以山西省吕梁市某燃煤电厂为案例，对其碳足迹进行分析评估，得到企业全生命周期中的碳足迹分布。胡小梅等[4]提出适用于在高能耗行业内推广的能效综合评估指标体系及评估方法，采用模糊 Petri网进行企业能耗建模，设计了企业能效综合评估系统。马富民等[5]结合企业能源消耗过程多装置、多过程、多工序的并行、串行、返流等特性，提出了企业能耗模型，并详细给出仿真模型和仿真算法的具体实现，为企业提供了直接和间接能耗等相关数据，是一种有效的企业能效评估方法。这些方法和理论从不同的角度分析了实施节能减排的理论支撑，提出了能耗模型和一些详细的能耗排放计算方法，对节能减排工作的实施具有重要的指导意义，值得节能减排研究者研究和学习。但这些方法或系统设计还是存在一些不足，如节能减排评估的指标不够明确、节能减排评估的范围比较有限。此外，现有节能减排评估与企业现有信息化技术(如企业资源计划ERP、产品数据管理PDM、计算机辅助工艺规划CAPP等系统)是相互脱离的，两者没有进行有效的融合，从而严重影响了节能减排评估在企业中的快速部署和实施。

企业生产中BOM的应用是伴随着企业信息化技术的应用而发展的，不同功能的BOM分布在企业信息网络的不同地点，存在于不同的应用系统中，是企业信息化技术的纽带。本文提出一种基于BOM的节能减排评估方法，此方法可以使节能减排评估与企业现有信息化有机结合和无缝集成，从而在实现了企业节能减排评估设计的基础上，盘活了企业现有信息化系统，实现了企业的信息化增效。

1 节能减排及相关概念

“节能减排”一词出自我国“十一五”规划纲要。学术界从经济学、环境保护、资源综合利用、系统论等角度对节能减排的概念作了多种界定[6]，但从根本上说，节能减排是指节约物质资源和能量资源，减少废弃物和环境有害物(包括三废和噪声等)的排放。

当前对节能减排技术的研究主要致力于降低能源消耗和减少污染排放，此外限制温室气体排放也是节能减排的一个重要方面。目前相对而言，节能减排中的限制温室气体排放的措施更加具体，发展也更为全面，碳足迹、碳标签、碳交易等新概念的出现都在一定程度上推进了温室气体减排的进程。温室气体减排对全面实施节能减排具有重要意义。

碳足迹(Carbon Footprint)是指由企业机构、活动、产品或个人引起的温室气体排放的集合。产品碳足迹是指在特定系统边界内，产品生命周期内所有阶段产生的温室气体排放总量。碳足迹的计算方法多种多样，主要有生命周期法(life cycle assessment，LCA)、投入产出法(Input-Output，I-O)、《2006年 IPCC 国家温室气体清单指南》计算法、碳足迹计算器发等[7]。其中生命周期评价法主要从原材料获取、能源获取、交通运输、产品生产与销售、产品使用与维护、产品回收与报废6个环节进行温室气体排放评估[8]，然后进行叠加计算。如用EA代表A产品的碳足迹，则EA的计算方法如式(1)所示:

式(1)中，EM、EE、ET、EP、EU、ER分别表示产品A在原材料获取、能源获取、交通运输、产品生产与销售、产品使用与维护、产品报废与回收6个环节中的温室气体排放量。以上6个环节的温室气体排放数据来自对相应环节的温室气体排放进行评估。可见，碳足迹的计算依赖于产品生命周期温室气体排放评估，准确合理的排放评估是获得准确的碳足迹数据的前提。

碳标签(Carbon Labeling)是指将商品在生产过程中所排放的温室气体排放量在产品标签上用量化的指数标示出来，以标签的形式告知消费者产品的碳信息。也就是利用在商品上加注碳足迹标签的方式引导消费者和购买者选择更低碳排放的商品，从而达到减少温室气体排放、缓解气候变化的目的[9]。不难看出，实施在产品上加注碳标签的前提是必须实现产品的碳足迹计算，因此推行碳标签同样离不开产品生命周期的温室气体排放评估。目前很多国家和地区已经在试行碳标签，部分国家和地区碳标签标识如图1所示。目前中国大陆还没有推行碳标签，但是在不久的将来，碳标签很可能成为中国大陆企业，尤其是产品出口企业进入国外市场的绊脚石，中国大陆企业必须做出自己的碳标签。

图1 部分国家和地区碳标签标识

碳交易(Carbon Trading)是《京都议定书》为促进全球减少温室气体排放，依据国际公法进行温室气体排减量交易，也就是把市场机制作为解决以二氧化碳为代表的温室气体减排问题的新路径，即把二氧化碳排放权作为一种商品，从而形成了二氧化碳排放权的交易[10]。目前世界上的碳交易所主要有5个:欧盟排放权交易所、英国排放权交易所、美国芝加哥气候交易所、澳洲气候交易所、中国天津排放权交易所。碳交易的实行更需要买卖双方对自身企业的温室气体排放数据有准确的了解，这也离不开企业级的温室气体排放评估。第3方交易提供者必须按照一定的规则对参与企业进行温室气体排放评估与分配。

综上所述，上文提到的与限制温室气体排放相关的2个概念的实施都必须依靠对评估对象的温室气体排放评估，准确的温室气体排放评估是其运行实施的首要前提，没有准确的量化评估，一切的指标数据都不具有可信度。减少温室气体排放是节能减排工作的一部分，从温室气体减排研究中可以看出节能减排评估对于节能减排工作实施的重要意义，全面实施节能减排评估必须以完善的节能减排评估为指导。

2 基于BOM的节能减排评估系统设计

2.1 企业信息化技术与BOM

企业信息化技术从广义上理解是指广泛利用电子信息技术，使企业产品设计、加工制造、过程控制、质量检测、生产管理和销售服务等活动的信息处理自动化[11]。企业信息化技术的应用可以提高企业的管理和运行效率，提高企业的竞争力。企业信息化技术可以分为企业经营管理信息化技术和生产过程管理信息化技术两大部分。前者是围绕着客户需求组织企业资源，实现客户需求过程的管理信息的采集、处理、表达信息化，它主要包括企业资源计划(ERP)、客户关系管理(CRM)、供应链管理(SCM)以及产品数据管理(PDM)等。后者主要应用在企业底层工厂的过程自动控制和管理，是企业运营的基础[12]。上述技术的应用是建立在一定能够实现的数据基础之上的，物料清单(BOM)是企业信息化系统的重要数据基础，BOM几乎与企业各部门的活动都有联系。BOM的数据结构涉及到信息化系统的实施和运行质量。BOM指产品所需要的零部件的清单及组成结构，即生产一件产品所需的子零件及其数量的完全组合。在产品生命周期中存在各种不同的 BOM，如工程物料清单(EngineeringBOM)、工艺物料清单(Process BOM)、制造物料清单(Manufacturing BOM)、材料物料清单(Material BOM)、采购物料清单(Purchasing BOM)等[13]，这些 BOM 出现在企业信息网络的不同地点，与企业的生产制造等过程紧密结合。产品生命周期与BOM如图2所示。

图2 产品生命周期与BOM

2.2 基于BOM的节能减排评估

现行的大多数BOM中含有其包含物料的属性信息，例如材料、型号、库存、成本等。较为先进的信息系统中甚至包含物料的三维图片信息，这些属性信息将对产品或工艺设计者、采购人员、产品生产者的工作起到重要的指导作用，以便他们在设计、采购、制造过程中做到既保证产品的质量又尽量减少成本，提高企业的经济效益。基于这种模式，本文提出将物料和工艺等的环境信息加入到BOM中，在物料的属性中添加能耗数据和排放数据，使其成为产品设计、生产过程中必须考虑的因素之一。把基于BOM的成本核算扩展到节能减排的实施中，产生基于BOM的节能减排指标评估，作为一种实现产品节能减排评估的新方法。这种方法的优点在于，利用BOM把产品的节能减排评估与辅助生产的信息化系统有机的结合起来，使节能减排评估与产品的生命周期同步，提高了节能减排评估的可行性。要真正实现这一新方法需要专门的节能减排评估系统，下文将介绍基于BOM的节能减排评估系统的架构设计等内容。

2.3 系统3层架构设计

基于BOM的节能减排评估系统的设计采用应用层、核心功能层和数据支撑层3层架构，并支持企业的信息化系统的有效集成，系统架构图如图3所示。应用层提出节能减排评估系统最基本的5个功能;核心功能层将基本的功能模块细分成小的模块，并实现其功能;数据支撑层用于存放各种基础数据，支撑应用层和核心功能层的运行。

图3 基于BOM的节能减排评估系统架构

2.3.1 应用层设计

应用层的设计包括5个模块:用户管理、节能减排数据采集与统计、节能减排指标评价与分析、节能减排设计和结果可视化。

1)用户管理:管理员对系统的操作员进行管理，根据用户类型进行角色分类，给予不同的权限，并管理新用户注册和过期用户的注销。

2)节能减排数据采集与统计:系统运行的过程中，进行对实时数据的采集和统计，对支撑层的不合理数据进行更新改正，对缺失的数据进行添加，以此来完善数据支撑层。

3)节能减排指标评价与分析:对产品现有的生命周期流程进行节能减排指标评价，对生命周期中能耗和排放的构成进行分析，为节能减排设计提供重要的依据。

4)节能减排设计:根据节能减排指标评价和分析的结果，对高能耗和高排放的重点环节进行调整，采用新工艺，引进新技术，进行节能减排设计，以达到节能减排的效果。

5)评估与分析结果可视化:节能减排指标评估和分析的可视化，使节能减排指标量化的结果、耗能与排放的构成用图片、表格等以更直观的形式表现出来。

2.3.2 核心功能层设计

核心功能层的主要作用是把应用层的5个功能进行分块并实现，核心功能层是连接应用层和数据支撑层的纽带，并承担着为应用层和数据支撑层提供数据交换服务的任务，下面是较为详细的介绍。

1)账号注册:系统管理员按照相关规定为新的系统操作人员分配新账号，确保其能顺利地利用系统进行工作。

2)角色管理:系统为不同角色的用户提供不同的权限，使设计人员、采购人员、制造人员等能准确得到所需信息而不越界获取信息，同时保证需共享的信息能及时得到共享。

3)实时数据分类与统计:原材料市场的变化、政府相关政策指标的变化会导致系统支撑层数据的过时失准，实时数据分类与统计旨在保证系统支撑层的数据准确性，进而保证节能减排指标评估的可靠性。

4)数据录入与更新:对支撑层数据库的维护主要包括对支撑层缺失数据的及时补充和过时数据的及时更新，系统将配置一个专门的接口，通过此接口实现对数据库的操作。

5)指标统计与计算:对节能减排指标中的统计类指标进行统计，对计算类指标按照一定的计算公式进行计算，对统计和计算的结果进行输出。

6)生命周期评价:按照一定的规则对产品生命周期各个环节的能耗和排放数据进行统计与计算，汇总得到产品全生命周期的能耗和排放量。生命周期各个环节的数据进行对比和分析，得出产品能耗和排放总量的详细构成，对产品的生命周期节能减排情况作出客观的评价。

7)节能减排优化与设计:对产品生命周期节能减排评价的结果和能耗排放进行分析，对能耗和排放的重点环节进行研究，并设计出新的方案来代替这些环节，进而设计出新的生命周期流程以减少能源的损耗和污染废弃物的排放。

8)参数转换、数据整合:对不同的评价指标参数通过国际公认的转换系数来转换整合，以增加数据统计与计算的灵活性。例如企业综合能耗值指标的计算、绿色气体的排放总量等。

9)评价分析结果数据可视化:产品各方面的评价结果不仅仅单纯地以数据的形式来表现，还要通过生成相应的表格、图形等形式表现出来，便于自动生成报表并存储。

2.3.3 数据支撑层设计

数据支撑层是整个节能减排评估系统的基础，以上各个功能模块的实现都离不开数据支撑层的数据支撑，数据支撑层的数据主要包括以下几个方面:

1)用户信息库:存放系统用户的用户名、密码、所属部门、权限等信息等。

2)原材料数据库:存放企业生产所需的原材料信息，包括原材料名称、库存、类型、成本、生产或购买能耗和排放信息。

3)工艺数据库:存放与生产相关的工艺信息。包括工艺所需的工具及生产设备、工艺进行的地点及厂房信息、单位时间工艺的耗能和排放信息等。

4)能源数据库:存放企业所需的所有能源的信息。包括能源的名称、来源、成本、能源消耗的排放信息及能源转换成标准煤的转换系数等。

5)节能减排标准库:存放我国现行的节能减排相关的国标文本，便于随时对涉及到本企业生产类型的节能减排标准进行查询。

6)减排指标库:存放我国国标中明确规定的所有的限排或禁排指标，分为普适性指标和特殊行业指标。将这些指标按照不同的方法进行分类，使企业定制时可以方便选择、配置。

基于BOM的节能减排评估系统设计的最根本出发点是既保持节能减排指标评估系统与企业信息化系统的可集成性，又要保持节能减排评估系统的相对独立性，3层架构的设计使数据的走向清晰明了，也便于基础数据的采集和维护。

3 原型系统

为了验证本文提出的基于BOM的节能减排的评估解决方案，本文结合了课题组现有的研究成果，在运用全生命周期法、可视化技术的基础上，设计并开发了一套基于BOM的评估原型系统，它的功能模块主要包括基础数据的创建与管理模块、全生命周期建模模块、基于BOM的属性配置模块、指标计算与可视化分析模块。该系统的实现为企业快速部署和实施节能减排提供了一种新的思路和解决方案。原型系统的流程如图4所示，具体的过程为:

1)企业根据自身的状况完善节能减排基础数据库，包括基础数据库中的能源、工艺、原料及排放污染物种类等的选择与添加。

2)对产品的生命周期进行建模，按照生命周期评价方法，所建模型中至少应包括产品设计、原材料获取、产品生产、交通运输、产品使用和维护、产品报废与回收等环节，相对复杂的环节可以再分成多个子环节。

3)基于BOM对产品生命周期模型中各个环节进行属性添加，包括原材料投入、产品产出、能源消耗、污染物排放等。

4)对产品生命周期各个环节的能耗和排放数据进行统计、计算，进行节能减排评估，并运用数据可视化技术对评估结果进行分析。

5)对照国家标准和企业自身制定的相关标准，判定此模型的可用性，若可用即可添加到可用方案，与其他可用方案进行比较择优;如不可用，则根据评价结果分析，对模型进行修改或重建，直至做出最优方案。

图4 系统流程图

通过节能减排评估系统，企业可以对产品生命周期的各种方案有系统的把握，对每种方案的节能减排数据有精确的了解，方便企业根据自身的偏重有效地选取符合自身的最优方案。

生命周期建模的属性配置界面，可以很好地实现客户端与数据库服务器之间的数据交互，完成产品生命周期模型的各个阶段的属性配置和存储，界面如图5所示。

图5 生命周期阶段属性配置效果图

4 结束语

随着信息化技术在企业中的不断发展和应用，节能减排评估系统的运行不能总是孤立于企业信息化系统，应当寻求一种方法来实现两者之间的有效结合。本文提出了基于BOM的节能减排评估的方法，通过BOM的桥梁作用实现节能减排评估系统与企业信息化系统的结合，并对此方法的原理和应用流程进行介绍。最后，在已有研究基础上开发了基于BOM的节能减排评估原型系统，实现了与信息化系统的有效集成。

本研究在以下两方面还有待更深入的探讨和研究。首先是节能减排基础数据的采集和维护机制的研究，由于数据量巨大，基础数据的采集、分类、更新、维护等存在很多困难，一套合理的处理机制将会明显提高此工作的效率。其次，对节能减排评估结果的分析处理方法的研究也至关重要，正确的处理方法有助于提高从繁杂的数据中提取有用数据的效率，进而提高节能减排评估的反应速度，目前这方面的研究尚无体系，有待进一步挖掘。

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