当前，应对全球气候变化，推动绿色发展，促进人与自然和谐共生已为世界各国所广泛关注。我国于2020年提出了2030年和2060年前分别实现碳达峰、碳中和的目标，并将绿色低碳循环发展作为国家战略，将 “双碳”达标纳入生态文明建设整体布局，连续出台了多项政策措施积极推进落实。
装备制造业是我国国民经济的基础性及战略性支柱产业，其产品是否先进、高效、节能和环保，直接影响着装备制造业的经济效益与能源消耗和污染物的排放，是各行业实现节能减排目标的重要保障。本文基于云平台资源、工具和业务架构方法，设计开发了集数据采集管理、资源对接服务、云集成应用为一体的装备制造业绿色低碳数字化管理平台，并进行了典型实施和应用，有效验证数字化管理平台的实用性和可复制推广性，为构建装备制造业数字化、智能化绿色制造服务领域的“新基建”设施提供技术和工具化支撑。针对冶金装备、核电装备、船舶、军事装备、矿采装备、汽车、工程机械等重点装备制造行业，传统的绿色低碳解决方案，通常是基于消耗和排放治理角度进行单元技术攻关，最终形成独立的绿色设计、绿色制造和“三废”处理设备与系统，从而进行绿色化管理。 目前，装备制造业普遍存在以下制约绿色发展的共性问题：（１）绿色设计与制造基础数据不足，资源分散无序，对行业绿色设计与制造支撑能力弱，难与产品创新平台集成；（２）传统“末端治理”的方法无法从根本上解决制造业及其产品产生的环境污染，而且投资大、运行成本高、消耗大量资源和能源；（３）装备制造与再制造性能评价技术水平落后，行业绿色设计服务能力亟待完善；（４）装备缺少全生命周期管理与评价体系，产品数据可追溯性不强；因此，要消除或减少装备制造业生产环境污染，根本出路在于实施绿色制造战略，优化节能环保以及提高人材机效率，精细化原材料、能源、劳动力、绿色工艺及绿色生产过程、设备回收再制造过程管理，开展绿色数字化管理势在必行。当前装备制造业园区、企业、产品3个层面，存在碳排放信息采集标准不统一，质量的可信性、实时性不足等问题，因此需要统一规范的数字化管理工具，支持园区、企业、产品层级碳排放核查、碳足迹核算相关各类用能、排放等数据自动统计的集成，主要有：（１）指定时间段的碳排放核算报告生成，从而帮助企业动态的看清自身碳排放量、各个排放源的比重以及碳排放强度在同行中的水平；（２）节能减碳方案制定。面向企业生产工艺节能提升，对高耗能设备进行节能诊断改造等需求，为企业制定节能减碳的方案；（３）针对基础电力消耗，提供智能用电异常识别、 分析与优化功能，根据历史用能情况、场地条件等信息， 面向多种能源场景提供的最优化综合能源管理服务；（４）综合分析服务，为企业碳综合规划，碳减排、 碳消除、碳抵消等实现碳中和的路径方案制定等提供支撑。传统的单元技术和系统，存在信息孤岛问题，缺乏统一的调度和管理，难以形成最有效的绿色低碳效益，通过将所有绿色低碳技术、装备与系统纳入统 一的管理体系，形成平台化优势：因此，以碳排放数据管理、碳排放核查、绿色低碳评价及认证为核心，建成集绿色低碳知识资源、核心工具、企业在线服务为一体，涵盖低碳资源服务、低碳检测认证在线业务服务、碳排放在线监测服务、行业统计服务体系的碳中和全流程服务管理平台，是装备制造业绿色低碳数字化管理的必然选择。装备制造业绿色低碳数字化管理核心平台聚焦资源、 工具和业务三方面，如图１所示。平台基于微服务架构， 采用SPring Cloud＋Spring boot主流技术框架，形成支持灵活扩展、开放的统一云服务平台，总体架构分为业务员层、工具层、资源层。业务层：平台业务层采用前后端分离的方式构建系列基础业务系统，包括在线能效监测、碳排放监测服务，绿色设计知识资源服务（知识搜索、知识推送、 知识挖掘、数据采集及融合展示），模块化设计、轻量化设计、绿色工艺规划、绿色设计评价服务，检测设备共享服务等主流服务。装备制造业企业用户可基于统一开发平台业务层快速搭建标准化企业应用并对外提供业务服务。工具层：平台汇聚行业绿色设计与制造相关软件工具资源，通过系列微服务组件，包括服务注册中心，动态负载均衡，分布式部署，消息队列，统一认证授权平台，统一日志分析平台，RPC以及常用的通用基础组件等，提供基于微服务的绿色减碳基础工具集的发布、推介服务。资源层：平台集成典型制造工艺、材料及装备基础数据库，通过提供数据持久化相关服务，支持关系式数据库、非关系数据库，同时通过消息队以及缓存系统来应对大并发数据和高频次访问数据的读写要求，为典型装备产品绿色设计、生产及产品回收和再制造提供资源（知识）共建共享提供支持。
如图2所示，平台以提供绿色低碳信息服务为切入点，以UGC（User Generated Content用户产生内容）和PGC（Professiona Generated Content专业产生内容）相结合的模式共享、共建行业绿色低碳基础数据资源中心。
存储管理企业碳排放核算各类温室气体ＣＯ２ 排放当量数据、常用化石燃料相关参数推荐值（低位发热量、 单位热值含碳量、燃料碳氧化率、排放因子），以及各类工业企业碳排放核查基础数据。存储管理工业企业碳排放核查过程所有相关数据： 企业基本信息、核查范围信息、涉及的各类排放源数据（各类化石燃料燃烧排放、生产过程排放、净购入使用电力／热力产生的排放数据等以及相关佐证资料）。围绕装备制造原材料、产品设计、工艺、制造、包装、使用、维护、回收、再资源化、废弃处理等全生命周期主要流程，涉及全生命周期过程的能源、资源使用及排放等资源、环境属性清单，存储管理产品全生命周期过程各阶段碳排放相关流程以及流程数据。面向工艺层面，存储管理企业产品生产加工制造等各阶段涉及的具体工艺（流程）碳排放相关数据。在企业碳排放数据库、产品碳排放数据库、工艺碳排放数据库建设基础上，面向行业统计服务，从产品、 区域、行业等维度沉淀数据，构建产品、工艺、企业３个行业基准碳排放数据库。针对企业数字化程度以及碳排放信息质量可信性、 实时性差异，设计开发碳排放监测集成系统，支持手动录入、业务系统直采以及AIoT 直采等多种数据采集方式，以及不同采集方式的组合。如图３所示，在建立面向行业的绿色低碳资源库的基础上，围绕企业、园区、产品三个领域，基于碳排放核查数据及绿色低碳评价方法，设计碳排放核查、碳排放自我申明、绿色低碳认证系统，提供碳排放管理体系认证、温室气体核查、碳足迹核查、绿色制造评价、能源审计等评价认证在线服务，开发行业面向全生命周期的绿色低碳检测评价分析工具。
结合物耗、能耗和排放对环境的影响，根据产品设计、工艺、制造、使用、维护、回收、再资源化、废弃处理全生命周期的主要流程和全过程相关的能源、资源使用及废弃物排放的清单，确定最佳的产品全生命周期评估的目标和边界，基于产品全生命周期环境影响评价指标体系和评价方法，建立面向行业的ＬＣＡ基础数据库和分析工具，并开展在线绿色低碳评价服务。绿色评价服务包括申请、填报、自评价、生命周期评价、结论编写和形成报告，如图４所示。
本文基于PaaS、SaaS等云计算新型服务架构以及Web 2.0、UGC和PGC等新思想，采用模型驱动方法、 平台支撑的架构，构造可配置、可扩展的云服务平台体系结构，建成支持创新服务理念、动态服务流程构造与执行的装备制造行业绿色低碳数字化管理平台。平台采用NodeJS、VUE、Material Style等多种技术， 进行响应式WEB设计开发，提供从WEB应用到APP的全方位支持。围绕平台建立的资源库，开发相应的资源基础管理系统，系统主要功能如下。资源管理系统主要功能包括数据更新、插入、修改、 删除、信息检索、查询、多格式数据转换、统计报表等。提供统一的平台公共资源跨主题、跨库绿色低碳资源检索、个人订阅主题知识推送、知识挖掘、数据融合展示等功能。 资源检索在检索模式、检索功能和分析功能的设计上，应满足不同使用层面的用户需求，具体技术要求如下：① 简单检索，针对平台各类资源提供知识资源信息中进行与关键词匹配的简单检索。② 高级检索，以表格形式提供各类主题资源个性化检索字段，通过在相应表格中输入关键词进行条件检索。资源服务包括标准信息服务、减碳解决方案服务和行业信息服务等。（１）低碳标准服务系统提供行业绿色低碳相关标准的检索、查询与下载，并支持企业在线管理企业自有标准，行业协会等发布标准信息。如图５所示。（２）减碳解决方案服务平台提供发布功能，支持认证检测机构、行业企业、 科研院所等发布减碳解决方案，实现需求对接。
面向汽车、工程机械、内燃机、通用机械等典型行业，基于积累的资源数据，建设大数据综合分析统计系统。在行业层面，提供行业企业碳管理数据全览，包含年度排放总量，分地区、分范围排放统计，各维度排名。 在企业层面，支持企业管理者通过碳排查数据，与业务、 财务数据交叉印证，精准管理企业能耗及排放，实时监测行为数据。针对装备制造行业绿色设计知识资源服务、模块化设计、轻量化设计、绿色工艺规划、绿色设计评价服务等领域，绿色低碳数字化管理平台开发了以下应用业务：如图６所示，按照评价流程开展在线绿色评价服务， 帮助企业统筹评估产品资源能源消耗、生态环境保护、 生产效率提高、社会经济可持续发展等属性，最终获得产品绿色性评价结论。
如图７所示，面向软件服务商、平台注册企业等三方用户，提供各类绿色设计与制造软件资源的发布、展示、以及软件使用等服务，并提供按照软件所属专业领域（模型设计、仿真分析、生产管理、辅助）、行业、 名称等的检索查询与下载链接。
如图８所示，基于绿色低碳资源库管理系统，汇聚装备行业相关基础材料、标准、技术、工艺等信息，装备产品能效、维护、装备、再制造等信息，产品全生命周期评价、行业专家及社会资源信息，为装备制造全行业提供知识化信息服务，包括数据更新、插入、修改、 删除、信息检索、查询等数据管理功能。
如图９所示，以知识获取、存储与复用等知识管理过程为组织核心，通过集成ＣＡＤ、ＣＡＥ、ＣＡＭ、ＰＬＭ、ＭＥＳ和ＥＲＰ等系统，基于企业数字化集成ＭＤＭ 系统， 提供企业精益设计研发中台服务。
平台设计开发了覆盖现场设备层、数据控制层及车间管理和企业运营层等多层集成系统，实现企业碳足迹的信息流、控制流集成，通过与企业相关数字化、信息化、智能化系统应用集成一方面提供真实、可靠的基础数据，实现全生命周期的节能降耗，另一方面通过的绿色化和智能化集成，动态优化绿色减碳整体方案，实现从企业低碳全过程管理。此外平台开发了基于Restful风格的可扩展集成接口，提供可扩展集成服务。支持.NET、C++、Python、PHP以及任何支持Restful的第三方平台集成。（１）入库合作。企业可根据实际需求，在线选择。 盘查数据加密直达认证机构。（２）碳交易接口。可通过碳交易，抵消主动减排后的碳排余值，最终实现碳中和。企业拥有的清洁能源或林汇等资产，经平台合作机构认证，可进入碳交易市场交易。（３）金融接口。可提供基于区块链的企业碳排放数据，提高企业的绿色融资效率，协助企业更高效精准的向金融机构提供绿色金融所需的环境监测数据。装备制造业绿色低碳数字化管理平台面向装备产品全生命周期各环节，采用平台化管理来完成绿色资源性数据检索与处理需求，绿色评价专家资源等，通过企业数字化集成MDM分布式微服务系统，构建企业绿色低碳数字化中台，形成覆盖企业过程、人员以及技术工具构成的业务协同环境，建立可配置、可扩展的装备制造业绿色低碳数字化管理混合云平台。平台集聚了行业绿色设计制造知识库以及绿色设计评价、能效检测等APP，针对某企业具体需求，设计开发了企业数字化集成MDM系统，整合云平台以及企业内部CAD、CAE、CAM、PLM、MES和ERP等各个异构系统间要共享的主数据，打破信息孤岛，从而使得核心主数据信息得以重用共享，确保各个系统应用间的核心主数据的一致性、完整性、可控性，形成一个集中的、独立的企业数字化集成核心中台，解决业务层级操作链条的信息难以准确对接的问题，使企业各业务系统更易于获得各种实时业务数据，支撑企业绿色低碳管理的实现。在平台服务内容方面，通过UGC和PGC的模式，解决了绿色低碳基础知识资源、LCA评价软件工具不足， 资源分散无序，对减碳管理支撑能力弱的问题。从设计开发环节推进模块化、轻量化、全生命周期集成设计， 实现了模块化绿色精益研发设计产品需求及参数、方案设计及评审、详细设计以及工艺设计等设计环节集成和协同，从产品设计源头实现减量化与可再制造，支撑行业企业开展绿色设计与制造工艺方案的验证与优化。目前，研发的平台已构建绿色设计制造知识资源共９大数据库，积累数据资源条目近万条，形成材料失效抗力指标的定量数学模型库、材料热处理工艺专家知识库等，原材料、工艺环境影响评价数据近40000条，各类绿色设计制造工具软件资源400余项。通过已集成的材料服役寿命周期预测系统，材料组织性能精细化控制技术，开展装备产品精益设计与开发，支撑产品达到力学性能与加工性能的统一，获得高强度的产品性能。平台针对某企业产品开展了应用验证，结合其联轴器等部件产品的使用寿命、节能降耗、减少排放、便于维护维修以及拆卸回收等功能及参数需求，通过在方案设计及评审、详细设计以及工艺设计等设计环节的集成和协同，设计效率提高近10％ ，实现了十字轴式万向联轴器和鼓型齿联轴器设计效率综合提高近20％ ，验证了平台有效性。如图10所示。
针对我国碳达峰、碳中和的污染防治目标，围绕装备制造重点环境污染行业，本文基于云平台架构方法， 集聚绿色设计评价、绿色APP、设备共享、绿色知识服务、企业数字化集成等服务资源，设计开发了一套装备制造绿色低碳数字化管理平台，通过典型行业和部分企业应用验证，表明该平台具备一定的实用性和可复制推广性，可以有效支撑构建装备制造业数字化、智能化绿色制造服务领域的“新基建”设施，为推动传统产业向高端化、智能化、绿色化和服务化转变提供助力。后续研究将在服务国家装备制造业绿色发展、政府和智库决策方面，加速推进与大数据、人工智能、工业互联网等技术聚合，构建行业绿色科技服务体系，服务绿色发展新经济、新生态、新模式，为整个产业赋能。
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来源：新工业网|作者：张利强 刘继永 李承轩 郭栋 赵钊
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