工业互联网助力实现“双碳”目标的机理与路径研究

尚舵 卢春雨 惠鑫 王磊 陈栋梁 耿介坦

（中国工业互联网研究院，北京 100015）

力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和，是贯彻新发展理念、构建新发展格局、推动高质量发展的内在要求，是党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策，是着力解决资源环境约束突出问题、实现中华民族永续发展的必然选择，是构建人类命运共同体的庄严承诺。实现“双碳”目标任重道远，必须完整准确全面贯彻新发展理念，把党中央决策部署落到实处。推进“双碳”目标的实现不仅是破解资源环境约束突出问题、实现可持续发展的迫切需要，也是顺应技术进步趋势、推动经济结构转型升级的迫切需要。当前，全球已有超过130个国家承诺在21世纪中叶实现碳中和目标[1]。

随着数字技术在资源、能源和环境领域的深度融合与应用创新，数字技术在实现碳中和目标中的作用日益受到关注。工业互联网是新一代信息通信技术与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业生态，通过对人、机、物、系统等的全面连接，构建覆盖全产业链、全价值链的全新制造和服务体系，为工业乃至产业数字化、网络化、智能化发展提供了实现途径，是第四次工业革命的重要基石。随着工业互联网的不断发展，工业互联网的降本、增效、提质、绿色作用不断释放。工业互联网在碳排放、碳足迹、碳汇等的数字化监测与精准计量、数字化节能提效、提升能源利用率从而直接或间接减少碳排放量等方面发挥着重要作用[2]。在“双碳”目标需求牵引下，以工业互联网技术为驱动，不仅可带动工业数字化、绿色化转型形成新型工业化体系，还可进一步带动能源电力、交通运输、建筑楼宇等制造业以外行业的节能降耗和产业转型升级，助力我国碳达峰、碳中和目标的实现。

然而，针对工业互联网助力“双碳”目标实现的机理和路径还缺乏系统、深入的研究。数据与模型是工业互联网的核心基础，本研究旨在探索工业互联网助力实现“双碳”目标的机理，重点阐述了工业互联网在助力碳排放数据精准监测和构建“双碳”拐点预测模型两方面的应用机理和建议框架，并在此基础上深入论述工业互联网助力不同行业实现“双碳”目标的机理，提出工业互联网在优化能源供应、实现能耗优化、降低碳排放、精准实施碳汇固碳措施等方面助推我国实现碳达峰、碳中和的有效路径。同时，进一步提出工业互联网推动碳达峰、碳中和的有关对策建议。

本研究系统性地研究了工业互联网推动实现 “双碳”的机理和路径方向，在实现碳达峰、碳中和目标的进程中，为数字技术推动产业绿色低碳转型发展奠定了理论基础。

一、工业互联网在实现“双碳”目标过程中发挥了积极作用

（一）国外发展现状

在应对气候变化、助力实现零碳排放方面，工业互联网在全球各地区正发挥着积极作用。在制造业，工业互联网和物联网结合用于监控制造设备的能源消耗，优化生产过程。西门子推出一款用于产品碳足迹信息记录、精准计算、可信共享以及查询的解决方案SiGreen[3]，可实现贯穿供应链全程的碳排放数据可信交换，支持企业实现生产制造的碳中和。

在物流交通领域，物流公司通过智能路线规划缩短送货路线和送货时间，通过减少直接和间接能源消耗对气候产生积极影响。松下的“松下环境云”平台[4]能够实时监测物流电动车辆的电量信息等，同时还可对碳排放的减少量进行统计，通过科学技术实现低碳减排。

在能源和公用事业市场，微软Azure Time Series Insight和Azure IoT Edge等产品[5]为全球数百个可再生能源站点提供技术支持，可直观监测平台运行异常情况，提高天气和生产预测水平。借助Azure的计算资源，欧洲能源巨头ENGIE提高了整体能源生产效率。

在商品全生命周期管理方面，沃尔沃卡车借助PTC工业互联网平台[6]在设计过程中保证产品的绿色、节能，以实现产品在使用过程中的能效最佳。

根据世界经济论坛2018年的测算，84%的全球工业互联网创新应用正在对联合国碳达峰碳中和目标提供帮助[7]，其中制造业和能源领域贡献占比均在20%～25%。工业互联网集成物联网、5G、人工智能技术可以有效减少全世界15%的碳排放量，体现了工业互联网推动碳中和的重要价值。

（二）国内发展现状

我国工业互联网平台助力碳达峰碳中和工作开展主要是依托各个重点碳排放行业展开。当前，正在与钢铁、化工、建材等重点碳排放领域深度融合，并从生产、存储、运输、接收、利用处置、环境容纳等各个方面助力各行业实现碳达峰碳中和目标。

国内研究人员提出了工业互联网在碳达峰碳中和方面的参考架构和应用，可包含智能数字化碳感知层、数字化碳管理平台层、数字化基础保障层、数字化行业应用层、数字化全链条应用、数字化碳资产经营、数字化政府应用几大方面[8]。具体应用如图1所示。

图1 碳达峰碳中和工业互联网体系规划蓝图

当前，工业互联网平台在国内“双碳”领域的应用主要是利用数字化技术实现低碳生产，降低污染物排放水平。在设备管理、生产过程管控、制造工艺管理等环节通过生产优化、能耗与排放管控来提升用能效率，优化物料资源，降低碳排放。例如，优也平台[9]对全工序能源介质数据进行实时映射，构建跨工序协同优化模型，实现以单位小时成本最小化与利润最大化的能源整体平衡；东方国信工业互联网Cloudiip平台[10]开发出大量实用APP来助力企业实现节能降耗，提高生产效率；浙江“双碳智治平台”[11]已实现全省、分领域、分地市的能源消费、碳排放总量、能耗强度和碳排放强度的动态监测，助力实现减碳目标；上海浦东智慧能源双碳云平台[12]为政府部门、能源企业、用能客户提供能源碳监测、能源碳评估及能源碳预测等功能。

随着我国碳达峰、碳中和战略的实施，工业互联网平台将持续从各个行业的绿色化、低碳化发展需求入手，不断拓展平台应用价值与业务场景，步入以环境友好型为价值导向的新型发展时期。

（三）存在的问题

整体而言，如何借助快速发展的工业互联网技术实现碳达峰碳中和的机理、路径研究尚处于初步探索阶段。

（1）工业互联网技术在碳足迹监测、碳汇测量等领域的研究与应用远远不足。关于碳排放监测尚未形成一体化模式，空间、地面和城市碳等监测平台并未整合，仍是割裂的数字化监测平台，未形成天地空一体化的整体研究模式。

（2）面对碳达峰、碳中和目标要求，传统的碳排放与碳吸收计量与预测存在精准度不高、预测效果不佳等问题。一方面，碳排放因子体系有待优化。碳排放的影响因素复杂多样，简单采用人均国内生产总值（GDP）、人口规模、城镇化率、技术水平、第二产业占比等指标作为碳排放驱动因子，无法有效支撑对碳排放和碳吸收的全面精确计量。另一方面，预测效果有待进一步提升。受时间跨度长、未来政策变化等不确定因素的影响，各部门各地区的经济活动之间存在复杂关系，对不同时期、不同情景下的碳达峰与碳中和进程难以实现有效预测。

二、工业互联网助力精准碳排放监测与“双碳”拐点预测的模型机理

实现“双碳”目标，必须首先摸清碳家底，即通过碳排放的实时监测梳理形成当前的碳排放情况，找到现状与目标之间的差距，从而评估不同技术条件和政策情景下的差异，支撑制定科学可行的碳减排计划。面对碳达峰、碳中和目标要求，传统的碳排放与碳吸收计量与预测存在精准度不高、预测效果不佳等问题。工业互联网凭借其数字化技术集成的优势，通过对不同区域、不同主体的碳排放与碳捕捉、碳封存情况进行分析，动态跟踪变动趋势[13]，在更广范围、更深层次、更高精度方面对CO2全生命周期变动进行动态监测与预测，有效解决精准度不高和预测效果不佳的问题。

（一）“工业互联网+‘空天地一体化’”技术精准感知碳排放和碳浓度

“空天地一体化”技术（图2）利用地基观测场站、遥感卫星、航空器等分别对重点企业点源形式的碳排放和大气边界层内（距地面高度为1～2km）以及特定高度和经纬度的CO2在高精度指标与广覆盖范围上加以监测，助力形成全覆盖、多尺度（全球－国家－城市/重点区域－企业）、高精度的立体化监测体系。工业互联网与“空天地一体化”监测网结合，实现碳感知设备在空天地多维度的数据采集和通信传输，通过工业互联网平台的模型算法进行数据分析与融合计算，最终可得到CO2当量等浓度指标的碳排放实时数据计量表达以及碳浓度当量的数据计量表达。

图2 基于（空天地一体化）的碳排放监测布局示意图

中国科学院空天信息研究院开发的“空天地一体化碳源碳汇综合监测管理治理平台”[14]集合了卫星遥感监测、飞艇遥感监测、无人机监测和地面监测数据，构建了城市上空“500km（卫星）－20km（飞艇）－100m（无人机）”的城市外源空间大气温室气体和生态环境实时监测网络，同时采用地表检测手段对城市工业、能源、建筑、交通、农业及居民等碳排放主体采用地的温室气体数据进行采集，形成了多维度、多种类、大范围的碳排放和碳浓度监测、计量的数据基础。

由于排放到大气中的温室气体浓度具有流动性和扩散性，在获取不同高度碳排放实时数据的基础上，需结合高斯烟羽模型（Gauss plume model）等污染物气体扩散模型进行多源数据和数据模型融合。常见的融合模型包括浓度流速实测法[15]、多源卫星长时间序列数据融合生产XCO2方法[16]。其中，浓度流速实测法基于排放源实测基础数据，计算、汇总得到相关碳排放量。现场测量一般是在烟气排放连续监测系统（CEMS）中搭载碳排放监测模块，通过连续监测浓度和流速直接测量其排放量。但对于工业企业引发的城市、区域CO2排放，主要是利用高精度主要温室气体和气象要素进行协同监测，借助光腔衰荡光谱法、离轴积分腔输出光谱法以及气相色谱法等监测得到CO2等温室气体通量。

工业互联网平台为多源异构数据以及多种模型融合计算提供技术支撑，在云计算算力的支持下，计算CO2当量等浓度指标的碳排放和碳浓度实时监测结果，为精准碳计量提供一种技术手段。

（二）工业互联网助力实现对多情景碳达峰、碳中和进程的精准预测

工业互联网在助力碳达峰预测时，需要围绕碳排放量和达峰时间两个关键点，抓住自身“数据+模型”的本质特征，以国家减排目标为导向，以历史碳排放数据和借助数字化技术监测、核算得到的当前碳排放数据为基础，依托碳排放预测模型对碳达峰时的碳排放量和达峰时间加以预测，并对碳排放的主要影响因素加以梳理，为研究制定可操作、可落地的碳减排路径和行动计划提供科学支撑。

碳排放监测数据属于时间序列数据，在基于历史和当前碳排放数据的时间序列预测模型方面，可借助离散二阶差分方程预测方法（DDEPM方法）。分析历史数据特征时发现，中国的碳排放时间序列数据呈现整体增长而并非逐年增长的不规律性。DDEPM方法可以很好地适应时间序列的不规律性，对不稳定增长的时间序列数据预测具有较大优势，从而可对中国碳排放进行较为准确的预测。DDEPM方法是非线性的，一些无法拟合到线性的点可以被DDEPM的预测曲线所拟合，因此其预测值客观性较强。

研究表明，在预测碳排放时，另一个重点是注重影响碳排放因素的选取，在考虑预测模型中的主要影响因素时，需要知悉国家当前经济发展、能源消耗和各产业能源利用效率的情况。多数学者采用模型预测与经济发展情景分析相结合的方法，所涉模型主要包括IPAT模型、随机回归影响模型（STIRPAT模型）、Logistic模型、Tapio脱钩模型等[17]。STIRPAT模型来源于IPAT模型，尽管IPAT模型属于线性分析模型，但STIRPAT模型属于非线性分析模型。STIRPAT模型是目前研究碳排放峰值问题时应用最广泛且公认度较高的模型，且可以定量研究碳排放与各影响因素之间的关系，具有较好的灵活性和一定的拓展空间。渠慎宁[18]等对中国1980—2008年的时间序列数据进行回归，利用STIRPAT模型在先前回归的基础上对今后中国碳排放的峰值出现时间进行了预测，并得到如表1所示预测结果。在STIRPAT模型构建过程中，利用回归分析方法构建模型是常用方法，也即回归分析是构建STIRPAT模型的前置工作。

表1 基于STIRPAT模型的中国碳排放峰值预测结果

从模型角度看，STIRPAT模型可应用于基于场景的结果预测分析。模型预测与经济发展目标的情景相结合时，需要考虑经济发展高、中、低情景的合理划分。目前，国内比较权威的是国家发展和改革委员会能源研究所预测的3个排放情景，即基准情景、低碳情景和强化低碳情景[19]。低碳情景预测值可以作为碳排放最佳可能范围的下限；强化低碳情景可以作为未来碳排放的最小预测情景。

综合利用DDEPM法[20]与STIRPAT模型，并结合影响因素来预测碳达峰时的排放量和达峰时间的框架思路（图4）如下：在历史数据、现状监测数据和离散二阶差分方程时间序列预测的基础上加以回归，利用STIRPAT模型并考虑选定的碳排放影响因素，对今后中国碳排放的峰值和峰值出现时间进行预测。其中，选定的碳排放影响因素可由工业经济总体情况推演，具体数据由工业互联网平台上的宏观工业经济指数、关键工序数控化率、数字化研发工具普及率、制造业单位能耗等核心指数计算形成。

图4 多情景碳达峰、碳中和进程的预测框架

三、工业互联网助力产业实现“双碳”目标的路径

工业互联网凭借其与行业融合的特征，可将数字技术与绿色低碳技术深度融合，从而在研发设计、生产制造、运营服务等环节，帮助企业、地区乃至全社会摸清碳“家底”、规划碳路径、提高能源综合运行效率，从源头到过程到整体推动系统节能减排。

（一）工业互联网助力能源供给更加清洁、高效

当前，我国加快构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系，能源产业数字化、智能化升级是提升能源产业链现代化水平、构建现代能源体系新阶段的重要途径。国家发展改革委、国家能源局印发《“十四五”现代能源体系规划》，提出推动能源生产消费方式绿色低碳变革。“十四五”时期，重点做好增加清洁能源供应能力的“加法”和减少能源产业链碳排放的“减法”，推动形成绿色低碳的能源消费模式。工业互联网作为全球第四次工业革命的重要基石，将在应对非化石能源间歇性、预测可再生能源出力情况、支撑可再生能源主动支撑电网运营等方面都将发挥重要作用，支撑我国能源体系朝着更加清洁、更高效率、更加智能的方向演进。

1.工业互联网助力煤炭等化石能源的清洁化利用

在煤炭开采和洗选过程中，燃料燃烧、电力和热力供应是CO2的主要排放源。煤炭工业互联网可在煤炭采掘、洗选和利用的全过程中助力实现生产系统智能化[21]，提高生产系统综合效率，实现全过程降耗、减污和降碳。以煤炭清洁利用为例，工业互联网可对配煤掺烧、煤炭清洁转化工艺过程监管、超临界循环流化床锅炉流态优化，以及与可再生能源耦合利用等方面进行精准监控；可以运用数字技术构建质量管控前移场景应用和智慧管理体系，构建精益化决策平台，将全厂蒸汽、循环水、气化炉、甲醇合成碳氢比等能耗参数进行系统优化，从而降低清洁利用过程中的碳排放水平。例如，基于工业互联网平台的广域铭岛数字化智能配煤解决方案[22]（图5）帮助广西百色市百矿集团实现煤耗降低10%，年化效益超过2500万元。

图5 数字化智能配煤解决方案

2.工业互联网助力构建新型电力系统

在构建新型电力系统时，工业互联网助力打造电源侧灵活调度机制，通过对电网侧负荷的精准识别与趋势预测，助力实现电源侧多能互补调度运行，打造弹性、灵活的能源调度机制，从电源端实现数字技术赋能，降低能源系统运行成本和能源转换效率。

海宁风光储充+冷热电三联供微电网项目通过打造海宁正泰工业园区智能光伏、储能、充电系统一体化微电网应用，设计了一套多能互补的综合能源管理平台，实现对电网、新能源、储能、配电系统、冷热负荷等的实时状态监测、经济运行优化、无人值守运维、调度管理控制等，保障系统平稳、高效、绿色、经济运行（图6）。在能源利用效率方面，避免了清洁能源发电的波动性、随机性带来的不稳定问题，实现网内的可再生能源高效、高质量利用，约能降低园区10%的用能成本[23]。

图6 正泰多能互补管理平台

（二）工业互联网助力工业领域更加绿色节能

赛迪数据显示，工业是碳排放的重要领域，约占总碳排放量的70%。近年来，我国工业绿色发展取得了明显成效。数据显示，2012—2022年我国规模以上工业单位增加值能耗累计下降幅度超过36%，实现经济效益和环境效益双赢。积极推动工业绿色低碳发展在实现碳达峰碳中和目标中承担着重要使命。

工业互联网通过构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系，助力产业链供应链升级和结构调整优化，促进生产生活方式绿色创新变革，推动降低社会总体能耗强度。工业互联网推动生产数据与碳排放数据的统一汇聚，实现新一代信息技术和降碳技术的深度融合，加速赋能模式落地，为绿色生产提供参考。工业互联网技术与工业机理的结合有助于建立最优能效模型及评价指标，实现能源精细化管理，最终达到节能减碳的效果，即：先从源头上“踩稳油门”，后在细节中“精打细算”，从而实现总体脱碳。在工业互联网赋能下，企业生产力、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减少，实现节能增效。

以建材行业为例，工业互联网与建材行业特有的知识、经验、需求相结合，加速工业机理模型的汇聚沉淀，实现对碳排的放在线实时监测，通过数据采集分析、窑炉优化控制等提升能源资源综合利用效率，促进全链条生产工序清洁化和低碳化。海螺水泥依托“5G+工业互联网”智慧水泥综合体[24]（图7）节约电力4亿千瓦时，CO2减排74.77万吨、污染物减排3万吨、SCR脱硝效率达90%，同时使员工劳动强度降低21%。

图7 海螺“5G+工业互联网”智慧水泥综合体示例

（三）工业互联网助力产业结构优化，实现低碳发展

产业结构升级是我国经济高质量发展的内在动力，是推进碳减排、实现碳达峰的重要方式，其本质是通过提高产出效率和促进产业结构合理设置，促使产业体系中相对较为高级的产业逐渐成为主导产业，其方向是高技术化和高集约化。

从宏观层面看，以工业互联网平台为核心的数字产业组织形式通过汇聚海量产业数据并进行分析，推动生产要素和碳排放额度在不同产业之间的合理配置，由此实现使用效率的最大化，在减少资源消耗的同时，利用市场手段提高全社会碳减排的积极性，助力实现“双碳”目标。从微观层面看，工业互联网相关技术促使企业生产工艺转型升级和低碳技术发展，帮助企业提升生产效率，减少碳排放，由此推动产业结构比重朝着低碳化转型升级。

四、工业互联网推动碳达峰、碳中和的有关对策建议

目前，“工业互联网+双碳”融合发展取得一定实效，但仍面临一系列挑战。一是面向具体行业开展“工业互联网+双碳”具体实施方案仍然缺失；二是企业节能降耗空间巨大，但数字化能力不足；三是工业互联网的落地和普及仍面临技术复杂和成本高等难题；四是与各行业高能耗环节的深度融合应用程度还有所不足；五是相关标准体系仍需进一步健全。

为了更好地发挥工业互联网推动碳达峰、碳中和的技术支撑和产业培育作用，国家和行业应当从完善政策指引、夯实数据基础、加快数字化改造、加大产业培育、增强人才支撑5个方面，推动工业互联网成为工业绿色低碳转型的新动能。

（一）完善政策指引

一是各有关行业持续制定利用工业互联网推动碳达峰、碳中和的实施方案，指导各行业企业因业施策。二是完善财税政策，推动各级政府加大对“工业互联网+绿色低碳”产业发展、技术研发的支持力度。三是积极发展绿色金融，完善绿色金融标准体系。四是鼓励社会资本设立绿色低碳产业投资基金。五是用市场机制刺激节能要求。

（二）夯实双碳数据基础

一是加快推动“工业互联网+绿色低碳”新型基础设施建设。二是加快推动重点行业能源管理体系、标准计量体系建设，完善碳排放核算标准，建立健全重点行业碳排放数据管理制度和相关法律法规。三是推动碳排放数据通过供应链传递。四是鼓励产学研合作，开发数量更多、质量更优的碳监测、碳减排大数据工具。

（三）加快数字化改造

一是推动对传统产业实施技术改造和优化配置。二是在传统用能领域，强调工业互联网在关键能耗环节的使用，降低生产过程碳排放。三是强化能源、能耗数据的采集、汇聚及分析能力，切实服务能耗监测及能源管理水平提升。四是推动数字技术赋能中小企业绿色化转型。

（四）加大产业培育力度

一是持续鼓励电信企业、信息服务企业和工业企业加强合作，统筹共享低碳信息基础数据和工业大数据资源。二是聚焦能源管理、节能降碳等典型场景，培育推广标准化的“工业互联网+绿色低碳”解决方案和工业APP，助力行业和区域绿色化转型。三是深化中小企业“工业互联网+绿色低碳”融合应用。

（五）增强人才支撑

一是大力推动学科融合建设。鼓励相关高校等结合数字减碳技术和服务需求，积极开设“工业互联网+能耗减排”“工业互联网+环境工程”等相关课程。二是深化工业互联网产教融合，建设工业互联网公共实训基地和高技能人才培养基地，培育更多创新实践人才。三是院校应以多种形式参与企业内设培训机构建设，形成产学研联合的培育机制，鼓励一线数字化碳排放管理人员、技术专家等到高校开展培训，促进产业链发展与人才培育的衔接。

五、结论

本研究系统地研究了工业互联网推动实现“双碳”的机理和路径方向，梳理了相关典型实践案例，提出工业互联网推动行业企业低碳绿色转型的主要路径，即：工业互联网助力优化能源结构，提供清洁、安全、高效的能源供应；助力工业领域更加绿色节能；助力产业结构优化实现低碳发展。进一步从完善政策指引、夯实数据基础、加快数字化改造、加大产业培育、增强人才支撑5个方面为工业互联网推动“双碳”目标的实现提出了策略和建议，为数字技术推动产业绿色低碳转型发展奠定了理论基础。