制造系统碳流动态模型及碳效率评估方法

气候变暖问题已经成为全球共同关注的问题。联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）研究表明：工业革命后，人类社会工业化活动导致的大气中碳储量增加是所观测到的气候变化的主要驱动力。为应对气候变暖问题，欧美等发达国家正发动一场以高能效、低排放为核心的“低碳革命”，英国、美国、日本、德国等纷纷提出了减排目标，制定了碳中和发展计划。在此背景下，一种全新的可持续制造模式应运而生——低碳制造。低碳制造不同于绿色制造、可持续制造、环境意识制造，它是一种综合考虑产品全生命周期资源消耗以及碳排放的可持续制造模式，其目标是实现产品在生产、制造、使用过程中的低资源消耗、低排放、低污染，实现制造企业经济效益、社会效益、环境效益的统一，其实质是提高制造业能源、物料等资源的利用效率和创建清洁能源结构，核心是制造业的技术创新、制度创新和发展观的转变。
2020年9月22日，我国在第75届联合国大会一般性辩论上郑重承诺：中国将力争于2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。制造业的快速发展是造成我国整个工业领域的能源消耗与碳排放量激增的主要源头。国家统计局数据表明，我国碳排放超过50%来源于制造业。为了实现我国的碳达峰与碳中和目标，亟须开展低碳制造。中国科学技术部部长王志刚在香山科学会议上表示，碳达峰碳中和将带来一场由科技革命引起的经济社会环境的重大变革，其意义不亚于三次工业革命。开展低碳制造对于优化我国制造业结构、推动制造业转型升级、实现制造强国战略具有重要意义。然而，低碳制造基础理论与先进技术仍较缺乏，如何理解和识别制造工厂生产过程碳排放状况、机理，揭示制造系统及过程的碳排放静动态特性、碳源分布与流量、碳排放全过程时空动态变化及扰动规律，构建制造系统碳排放动态模型及评估方法是首先需要解决的问题。
在国家自然科学基金“基于广义特性函数集的制造系统碳流动态模型及碳效率评估方法研究(No.51075415)”“面向低碳制造的激光加工工艺及系统优化基础理论与关键技术(中英NSFCUKRI_EPSRC项目，No.51861165202)” “挤压成形工艺能耗与产品质量强耦合机理及多源协同调控(No.51805066)”，以及国家重点研发“新能源汽车齿轮绿色精密加工关键技术与成套装备研制(战略性科技创新合作专项，No.2020YFE0201000)”等项目的支持下，课题组自2010年开始持续、系统地开展了低碳制造研究，对制造系统及其生产过程碳排放特性、碳源广义特性函数、制造系统碳流动态模型及制造系统碳效率分析、评估、优化、管控方法等进行了系统的研究与应用。
本书共11章。第1章介绍了低碳制造发展的背景及内涵；第2章分析了低碳制造的技术体系以及国内外研究现状、未来发展趋势等；第3章揭示了制造系统碳排放源分布与驱动力、碳排放动态输入输出特性、碳流的时域与空域特性以及碳流交汇特性等；第4章针对工艺碳源，提出了制造系统碳源广义特性函数的概念，提出了金属切削工艺、砂型铸造、CO2气体保护焊接、自由锻造等典型机械工艺的碳源特性函数，并建立了一种制造系统低碳工艺规划模型；第5章介绍了制造系统碳排放动力学过程参考模型，并分别基于Petri网、价值流等建立了制造系统碳流动态模型；第6章提出了制造系统碳效率概念及评价指标体系，提出了基于生命周期的机床设备碳效率动态评估模型，以及基于Petri网、状态空间方法的生产线、生产车间碳效率评价模型；第7章研究了基于工艺路线决策的碳效率优化方法，以及基于生产调度的碳效率优化方法，并通过能量价值流理论实现了制造系统碳效率精益管控；第8～10章分别面向压铸制造系统、蓝宝石衬底制造系统、陶瓷制造系统进行了理论、方法、模型应用；第11章介绍了一种制造系统碳排放智能云管理系统及应用。
本书是对课题组10年低碳制造研究成果的系统总结。除本书主要作者外，感谢尹瑞雪教授以及陈二恒、葛威威、文旋豪、李成超、李彦妮、何凯、曾丹、尹久、程海琴、罗毅等多位研究生的参与。本书内容为一种学术与实践探讨，加之时间仓促，难免存在不当之处，敬请读者指正。

作者
2021年12月

碳达峰与碳中和已经成为全社会关注的热点，也是我国的一项重要发展战略。我国碳排放超过50%来源于制造业，本书面向我国制造业碳达峰、碳中和需求，系统总结了制造系统碳流动态建模及碳效率评估的基础理论与方法，包括低碳制造的内涵、典型制造工艺碳排放特性、碳流动态建模方法、碳效率评价指标体系及模型、制造系统碳效率优化与精益管控方法等，并结合该理论与方法在压铸、半导体基材、陶瓷制造系统的应用，开发了一种制造系统碳排放智能云管理系统。
本书可作为高等学校机械工程、智能制造、工业工程、制造工程等相关专业研究生的教材或参考书，也可供制造企业工程技术人员和管理人员参考。

曹华军
重庆大学二级教授、博士生导师，国家“万人计划”科技创新领军人才、首届青年长江学者，现任重庆大学机械与运载工程学院副院长、制造工程研究所所长，“十二五”“十三五”国家绿色制造重点专项专家组成员，“十四五”国家“高性能制造技术与重大装备”重点专项专家组副组长，中英低碳制造联盟副主席单位负责人。获奖励1项、省部级及行业一等奖4项。

丛书序一
丛书序二
丛书序三
前言
第1章概论1
1.1全球碳排放现状2
1.2全球低碳发展战略7
1.3产品碳足迹14
1.4低碳制造的提出及其内涵20
参考文献21
第2章低碳制造理论体系及研究现状23
2.1低碳制造理论体系24
2.2碳排放量化与碳足迹评估25
2.3产品低碳设计与开发27
2.4低碳制造工艺及装备30
2.5低碳制造系统建模与优化
2.6低碳制造工厂34
2.7低碳制造标准35
参考文献36
第3章制造系统碳排放源及碳排放特性39
3.1制造系统碳排放源的定义及分类40
3.2制造系统碳排放源分布及驱动力40
3.3制造系统碳排放动态交汇特性42
3.4制造系统碳流的时域与空域特性45
参考文献46
第4章制造系统工艺碳源特性及工艺规划49
4.1概述50
4.2典型机械制造工艺碳排放广义特性函数50
4.2.1工艺碳排放广义特性函数的定义及表达50
4.2.2金属切削工艺碳排放广义特性函数51
4.2.3砂型铸造工艺碳排放广义特性函数54
4.2.4CO2气体保护焊工艺碳排放广义特性函数56
4.2.5自由锻工艺碳排放广义特性函数58
4.3基于广义特性函数的工艺单元碳排放性能评估59
4.3.1机械加工单工艺物料碳排放量化模型59
4.3.2机械加工单工艺能耗碳排放量化模型61
4.4基于广义特性函数的全工艺链碳排放性能评估61
4.5基于工艺参数选择的低碳优化64
4.5.1加工参数及加工方法对碳排放的影响64
4.5.2基于工艺参数选择的低碳优化71
4.6基于工艺顺序选择的低碳优化83
4.6.1工艺顺序对碳排放的影响83
4.6.2加工工序顺序的低碳优化决策85
参考文献94
第5章制造系统碳流动态模型97
5.1概述98
5.2制造系统碳排放动力学描述98
5.3多层制造系统碳流动态平衡特性100
5.3.1制造系统碳流系统边界及物能平衡方程100
5.3.2碳排放计算模型102
5.3.3基于EFOHPN的制造系统碳流动态仿真103
5.4基于Petri网的机械制造系统碳流动态建模105
5.4.1模型的形式化定义105
5.4.2模型的使能和激发规则107
5.4.3模型的动态特性分析108
5.4.4模型的冲突解决策略110
5.4.5一阶混合Petri网的碳流动态模型112
5.5基于价值流的产线碳流动态模型114
5.5.1基于改进价值流的碳流模型114
5.5.2识别敏感工艺116
5.5.3案例分析117
参考文献120
第6章制造系统碳效率评价指标及评估模型123
6.1概述124
6.2制造系统碳效率评价指标体系124
6.3基于LCA的机床设备碳效率评估127
6.3.1机床生命周期分析127
6.3.2机床生命周期各阶段碳排放量化方法129
6.3.3机床碳效率评价指标134
6.3.4机床生命周期碳效率评估136
6.3.5案例分析138
6.4基于混合Petri网的生产线碳效率评估144
6.4.1机械加工生产线碳效率144
6.4.2基于混合Petri网的碳效率评估144
6.4.3敏感性分析148
6.4.4案例分析150
6.5基于状态空间的制造车间碳效率评估156
6.5.1生产过程状态空间模型157
6.5.2排放过程状态空间模型159
6.5.3碳流动态特性评价160
6.5.4案例分析161
参考文献165
第7章制造系统碳效率决策优化及精益管控167
7.1概述168
7.2基于工艺路线的碳效率优化168
7.2.1零件碳效率工艺路线优化选择模型168
7.2.2案例分析170
7.3基于生产调度的碳效率优化176
7.3.1作业车间描述及碳效率指标定义176
7.3.2作业车间碳效率影响因素分析177
7.3.3作业车间碳效率评估优化模型179
7.4制造车间碳效率精益管控方法189
7.4.1基于能量价值流的制造车间碳效率优化方法190
7.4.2案例分析200
参考文献209
第8章压铸制造系统碳流动态模型及碳效率评估213
8.1概述214
8.2压铸制造系统碳流动模型215
8.2.1压铸制造系统能量流分析215
8.2.2压铸制造系统物料流分析219
8.2.3压铸制造系统碳流分析219
8.3压铸制造系统碳效率评估221
8.3.1压铸制造系统碳效率评估指标221
8.3.2压铸制造系统碳效率评估方法222
8.4案例分析223
参考文献227
第9章蓝宝石衬底制造系统碳流动态模型及碳效率评估229
9.1概述230
9.2蓝宝石衬底制造系统碳流动态模型
9.2.1蓝宝石衬底生产线能量流分析234
9.2.2蓝宝石衬底生产线物料流分析235
9.2.3蓝宝石衬底生产线碳流分析235
9.3蓝宝石衬底制造系统碳效率评估237
9.3.1生产率碳效率评价指标238
9.3.2经济效益碳效率评价指标238
9.3.3两种碳效率评价指标之间的关系239
9.4蓝宝石衬底生产线碳流动态特性建模239
9.5案例分析242
参考文献256
第10章陶瓷制造系统碳流动态模型及碳效率评估257
10.1概述258
10.2陶瓷低碳制造系统生命周期碳排放特性259
10.2.1陶瓷企业能源碳排放特性及系数计算259
10.2.2陶瓷企业物料碳排放特性及系数计算261
10.2.3陶瓷产品生命周期物料与能量平衡分析264
10.3陶瓷低碳制造系统碳足迹评估271
10.3.1研究目的与范围271
10.3.2数据采集272
10.3.3碳足迹计算272
10.3.4案例分析273
10.4基于模糊Petri网的陶瓷低碳制造系统建模方法276
10.4.1陶瓷企业生产过程建模276
10.4.2案例分析285
参考文献288
第11章制造系统碳排放智能云管理系统及应用291
11.1低碳制造云管理系统总体设计292
11.1.1工厂低碳管理现状292
11.1.2低碳制造云管理系统功能需求292
11.1.3低碳制

碳达峰与碳中和已经成为全社会关注的热点，也是我国的一项重要发展战略。我国碳排放超过50%来源于制造业，本书面向我国制造业碳达峰、碳中和需求，系统总结了制造系统碳流动态建模及碳效率评估的基础理论与方法，包括低碳制造的内涵、典型制造工艺碳排放特性、碳流动态建模方法、碳效率评价指标体系及模型、制造系统碳效率优化与精益管控方法等，并结合该理论与方法在压铸、半导体基材、陶瓷制造系统的应用，开发了一种制造系统碳排放智能云管理系统。
本书可作为高等学校机械工程、智能制造、工业工程、制造工程等相关专业研究生的教材或参考书，也可供制造企业工程技术人员和管理人员参考。

曹华军
重庆大学二级教授、博士生导师，国家“万人计划”科技创新领军人才、首届青年长江学者，现任重庆大学机械与运载工程学院副院长、制造工程研究所所长，“十二五”“十三五”国家绿色制造重点专项专家组成员，“十四五”国家“高性能制造技术与重大装备”重点专项专家组副组长，中英低碳制造联盟副主席单位负责人。获奖励1项、省部级及行业一等奖4项。