机电产品低碳制造策略与知识研究综述

王 玲 姜 丰 张光立

（1.中国电器科学研究院股份有限公司 广州 510300；2.合肥工业大学机械工程学院 合肥 230009）

引言

在全球气候变暖的背景下，以减少温室气体排放为目标，发展以低能耗、低污染为基础的低碳经济已成为未来能源的潮流与趋势。国际能源机构指出，全球超过30 %的碳排放来自于制造业。制造业要想突破环境问题的限制追求长远和可持续发展，必须秉持低碳发展的目标，在节能减排上实现有效的突破。

机电产品作为制造业通用产品，其低碳发展至关重要，本文从碳排放优化策略与低碳知识两个方面，对近年来国内外相关研究工作及进展进行综述，并分析了当前所面临的问题并指出技术发展方向。

1 低碳系统策略及知识

今年来制造企业间的竞争越来越激烈，企业要更好的发展，就需要通过“低碳管理”来提高企业效益，需要依靠管理把成本控制在最低点，实现企业的健康持续的发展。为此许多学者在低碳管理以及碳排放的优化决策方面做了大量的研究。

1.1 碳排放优化策略

碳排放权作为企业不可忽略的重要资源和生产要素，排放依赖型企业必须考虑碳排放对生产运营的影响、对制造中碳排放量进行优化处理，从而实现碳排放量的降低。近年来国内外许多学者对生产、制造等部分的碳排放优化进行了大量的研究。关于碳排放的优化策略基础模型如1所示。

线性/非线性和混合整数优化解决了在连续变量和整数变量存在的情况下，受等式和不等式约束的目标函数的改进问题。因此，碳排放优化中主要采用这种优化模型。

1）基于线性规划模型

在基于线性规划的模型进行碳排放优化的研究中，吴臻贺[1]针对滚齿加工时如何对碳足迹进行估算的问题，开发并构建了基于线性规划的滚齿加工碳足迹核算模型，有效的降低滚齿加工碳排放量和加工成本，实现滚齿加工的低碳制造；Nicolosi F F等[2]提出一种新的混合整数线性规划（MILP）优化算法，同时考虑系统总成本以及二氧化碳排放，用于优化管理多个内燃机组成的微能源网，该模型验证了温室气体排放精确模型的重要性；Kumari S等[3]提出一种线性优化模型，通过适当选择碳捕捉技术，最大限度地减少电厂中二氧化碳的排放，结果表明采用混合整数线性规划方法的燃煤电厂，可以实现碳排放量净减少25 %以上。

基于线性规划模型的碳排放优化研究很多，基于该模型，确定规划中的最佳策略实现最大程度的碳减排，但是这方面研究大多都是从整个系统角度出发，很少考虑到间接排放的因素。因此，还需进行更加全面深入的探索。

2）基于非线性规划模型

许多研究人员专门使用混合整数非线性规划（MINLP）等优化技术来减少排放。Zikai Zhang等[4]针对工业机器人中碳排放问题，提出一种多目标混合整数非线性模型，以最小化碳排放、噪声排放和循环时间为目标，可以在减少碳排放以及最小化周期时间方面取得平衡；Mahdi等[5]提出一种新的混合整数非线性模型，该模型可以在环境污染最小的路线上实现最佳调度，并且开发了一种通过列车优化调度来减少碳排放的新模型；Liu Liang等[6]为两级供应链搭建基于非线性的差分博弈模型，在模型中引入了低碳偏好分析供应链的均衡策略，讨论低碳偏好对供应链碳减排的影响；Dickson R等[7]通过研究净现值最大化和一氧化碳排放量最小化这两个因素，提出了一种技术经济与环境的混合整数非线性模型，评估关键模型参数变化对整体经济性的影响；Huang Y等[8]针对如何优化煤炭、化工行业中CO2排放的部署技术和流程，提出一种约束非线性规划方法，在满足经济增长和能源安全的前提下，获得煤炭、化工行业单位产量CO2排放的最小值。

使用混合整数非线性规划优化技术可以实现碳排放的减少，但是，在该优化方法中非线性和非凸性质的问题公式并不能保证理论的解收敛到全局最优。因此，这方面的研究还需进行更加深入的探讨。

图1 碳排放优化策略基础模型

1.2 低碳知识

提升企业技术创新能力和产品自主研发能力，主要就是在于大力提升知识和信息的获取、处理、共享等。关于知识框架搭建的流程图如图2所示。

图2 知识框架搭建流程

低碳知识作为节能减排的源头，国内外的学者关于低碳知识做出了相关研究。本节按照知识的适用对象将低碳知识分为知识模型和知识服务两个方面。

1）知识模型

针对低碳知识模型的建立，常见的方法主要使用神经网络模型、多目标优化等。张雷等[9]针对箱体零件工艺设计过程中工艺路线的低碳低成本优化问题，提出并构建了以最低总碳排放（低碳）和最低加工成本（低成本）为优化目标的机械加工工艺路线多目标优化方法；低碳设计[10]作为面向节能的生态化设计技术之一，是在保证产品应有的功能、质量和寿命等前提下，综合考虑碳排放和高效节能的现代设计方法；Guo等[11]针对产品评估过程中碳足迹的评估不足等问题，提出一种基于碳排放评估和交互的低碳智能知识部署方法，可以有效的减少产品碳排放量；Tan等[12]针对产品在车间内如何高效、节能的运输，提出低碳联合调度知识模型，可以最大限度的减少碳排放量。

上述研究中，针对高成本、高耗能的问题，可以通过多目标和神经网络的方法进行解决。但是多目标和神经网络的方法中各目标之间的权重具有很大的主观性，并且在优化过程中各目标的拟合优度无法操作。因此，针对如何进行低成本、低能耗生产问题，仍需要进一步的研究。

2）知识服务

针对现有生产加工中缺乏低碳制造的知识资源、缺乏引导面向低碳制造的设计工具以及评价体系等问题。Askin等[13]从制造系统角度，将工艺选择、产能计划、设备布局整合为知识体系，并利用二次方程式配置问题解决方法对该问题进行求解；Shu等[14]为了帮助设计人员在产品低碳创新设计过程中更加方便的获取和应用知识，提出了一种基于知识服务的产品低碳创新设计过程模型；Shuhua Fang等[15]针对结构优化问题，提出一种新型的节能控制策略并构建知识库，实验结果验证了节能控制策略的有效性；Wenwen Tian等[16]针对机加工过程中高成本、低效率问题，提出基于区间的2-型模糊神经网络的加工过程性能预测模型，可以有效的降低加工过程中的成本。

上述所提模型针对低碳制造知识资源、设计工具等存在的问题，构建低碳知识库模型可以很好的解决上述问题，但是无法有效的将知识模型用于一个普遍性的节能减排问题，因此针对普遍性的机电产品节能减排问题，仍需要进一步的研究，构建出相关的知识表达模型。

2 机电产品低碳制造策略及知识研究的热点、难点及存在的主要问题

2.1 机电产品低碳制造策略及知识研究的热点

为应对目前资源、环境及政策等方面的低碳需求，关于机电产品低碳制造理论模型、关键技术、系统策略与知识方面的研究得到了国内外企业及研究机构的广泛关注。

由于基于生命周期数据的碳数据评估及其优化策略一直是低碳制造技术的热点与难点，目前国内外研究机构在低碳制造基础模型研究方面主要聚焦于机电产品生命周期各阶段数据基础模型，及其后续结合生命周期碳足迹分析及其对应优化技术。

面对机电产品生命周期各阶段中工程应用环节的通用型减碳知识，也是当前低碳制造技术研究的热点领域，通过产品绿色设计、工艺参数优化及流程动态匹配、轻量化材料及新型低碳工艺等典型节能低碳技术的知识服务与工程实践，为机电产品低碳制造的工业化推广提供强有力的技术支撑。

2.2 机电产品低碳制造策略及知识研究的难点

鉴于机电产品的低碳制造相关内容涉及到产品设计、材料分析、工艺规划、信息处理、评估决策等多个领域与学科，同时影响机电产品全生命周期的碳排放因素众多且耦合关系复杂。有关机电产品低碳制造策略及知识研究一直面临诸多难点，其主要有：

1）基于碳足迹评估额减碳优化策略

由于需要合理地分析评估机电产品碳足迹，并采用合适减碳策略对关键环节予以优化，通常需要花费一定的时间与人力成本，形成较长时间及较大范围内的反映碳排放影响因素与其碳足迹之间对应的数据积累，构建其影响参数与碳足迹的映射关系，并提出机电产品全局的高效减碳策略，该内容也是目前低碳制造中较为复杂的研究领域。

2）低碳知识支持技术

由于机电产品低碳制造应是覆盖到从产品级到系统级的多个层次，其间涵盖了各个生命周期阶段以及实施主体，需要面对不同类型实施主体，综合考虑不同层面上实施减碳技术的影响范围，向其提供合理通用型低碳技术的知识支持服务。这些内容也是当前制约机电产品低碳制造进一步推广应用的难点。

2.3 机电产品低碳制造策略与知识应用存在的主要问题

结合上文所述，在国家政策及行业需求的大力推动下，一大批制造企业与研究机构针对不同类型机电产品提出了很多有效的低碳制造方法与技术，相关研究呈现出百家齐鸣且蓬勃向上的繁荣景象。但当这些低碳制造技术展现其各自优势及实用性时，至少还存在一些具体应用问题，主要有：

1）多主体协同策略

由于低碳制造技术实施过程涉及到机电产品生命周期中的多个主体，如供应商、制造企业、用户、第三方回收服务商等，在多主体价值链下高效协同实施低碳制造技术的是当前低碳制造技术工业化应用的问题。

2）知识支持服务

目前低碳制造技术主要局限于机电产品设计、制造等具体环节的局部技术优化及新技术替代，对于所在行业及相似产品有一定的借鉴及参考价值，需要结合当前机电产品的典型低碳制造技术，进一步研究其技术通用性及对应知识服务体系。

3 总结

经过国家行业持续推动及许多科研团队不断努力，机电产品低碳制造技术研究逐步由基础理论研究拓展到工业化应用实践，为社会可持续发展和循环经济构建做出了巨大贡献。通过分析上述的研究成果，展示了主要两个方面（碳排放优化策略、低碳知识）的技术研究现状，分析比较其间各类典型研究，总结对应技术特征，并随后阐述了当前低碳知识策略中存在的问题，为今后进行产品低碳制造技术研究提供可以借鉴的探索及研究方向。