装备制造业绿色低碳数字化管理平台 论文

SCI论文（www.lunwensci.com）

　　摘要：针对国家“双碳”战略部署和要求，结合装备制造业高端化、智能化、绿色化发展对数字化服务基础设施的需求，综合分 析了重点装备制造业在绿色低碳数字化管理技术、工具和平台3个领域的需求，提出通过资源化集成、工具化服务、平台化管理的 技术研发，开发形成装备制造业绿色低碳技术、装备、标准、信息等基础知识资源库，以及在线监测、评价与诊断等绿色化服务应 用系统。在此基础上，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，并进行了典型企业实施和推广应用，有效验证数字化管理平台的实用性和可推广性，从而为构建装备制造业绿色低碳智能化、网络化服务领域的数字“新基建”设施提供技术和工具化支撑。

　　Abstract：In response to the deployment and requirements of the national"dual carbon" strategy，combined with the demand for digital service infrastructure in the high -end，intelligent，and green development of the equipment manufacturing industry，a comprehensive analysis is conducted on the needs of key equipment manufacturing industries in three areas of green and low-carbon digital management technology，tools， and platforms.The paper proposes to develop and form green and low-carbon technologies，equipment，and a database of basic knowledge resources such as standards and information，as well as a green service application system for online monitoring，evaluation，and diagnosis.On this basis，based on cloud platform resources，tools，and business architecture methods，a green and low-carbon digital management platform for the equipment manufacturing industry is designed and developed，which integrates data collection management，resource docking services，and cloud integration applications.It has been implemented and promoted in typical enterprises，effectively verifying the practicality and scalability of the digital management platform，thus providing technical and instrumental support for the digital“new infrastructure”facilities constructing with green and low-carbon intelligence and networking services in the equipment manufacturing industry.

　　Key words：equipment manufacturing;green and low-carbon;digital services

　　0 引言

　　当前，应对全球气候变化，推动绿色发展[1]，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[2]，连续出台了多项政策措施积极推进落实[3-5] 。

　　装备制造业是我国民经济的基础性及战略性支柱 产业[6]，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[7]，是各行业实现节能减排目标的重要保障。据统计，造成环境污染的排放物70% 以上来自制造业，制造业每 年产生大量的温室气体和有害物[8]。围绕国家“双碳战略部署和二十大报告中提出的“推进新型工业化，加快制造强国建设”、“加快发展数字经济”要求[9]，针对国家“双碳”战略部署和要求，根据装备制造业高端 化、智能化、绿色化发展对数字化服务基础设施的需求，本文在分析装备制造业绿色低碳数字化管理技术、工具和平台化需求的基础上，通过资源化集成、工具化服务、平台化管理的技术研发，开发形成装备制造业绿色低碳技术、装备、标准、信息等资源库，以及检测、评估等 绿色化服务系统应用。此外，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。

　　1 管理需求

　　1.1 现状与问题

　　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[10-13]，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[14-18 ] 。

　　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;

　　(5 ) 绿色装备设计、制造与服务的标准缺失。

　　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。

　　1.2 数字化工具需求

　　研究发现[19-20]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。

　　1.3 平台化需求

　　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[21-22 ]，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：

　　( 1 ) 按需自助服务，多种减碳方案可配置;

　　(2 ) 广泛终端集成，通过统一网络集中控制管理;

　　( 3 ) 资源池，支撑优化决策;

　　(4 ) 快速弹性，可实时动态调整管理;

　　(5 ) 实例学习，数据积累实现方案优化。

　　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[23]，是装备制造 业绿色低碳数字化管理的必然选择[24-25] 。

　　2 平台设计

　　2.1 平台架构

　　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3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。

　　2.2 资源中心设计

　　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 ( Professional 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。

　　数据资源中心包括以下几方面内容：

　　( 1 ) 碳核查基础数据库

　　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。

　　(2 ) 企业碳排放数据库

　　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)。

　　(3 ) 产品碳排放数据库

　　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。

　　(4 ) 工艺(流程)碳排放数据库

　　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，

　　(5 ) 行业碳排放基准数据库

　　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。

　　2.3 绿色低碳工具集成

　　( 1 ) 碳排放数据采集工具

　　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。

　　(2 ) 低碳检测与诊断服务工具

　　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。

　　(3 ) 绿色低碳评价工具

　　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。

　　3 数字化管理平台业务开发

　　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。

　　3.1 资源基础管理

　　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。

　　( 1 ) 资源管理

　　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。

　　(2 ) 智能检索分析

　　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。

　　3.2 资源服务系统

　　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。

　　(3 ) 行业信息服务

　　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。

　　3.3 典型应用业务开发

　　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：

　　( 1 ) 绿色评价服务

　　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。

　　(2 ) 绿色App 服务

　　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。

　　(3 ) 绿色知识服务

　　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。

　　(4 ) 绿色精益研发

　　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。

　　3.4 可扩展集成

　　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。

　　4 平台研发与应用

　　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[23]，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40 000 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。

　　5 结束语

　　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。

　　参考文献：

　　[ 1 ] 曹华军，李洪丞，曾丹，等.绿色制造研究现状及未来发展策略[J ]. 中国机械工程，2020.31 ( 2 )：135- 144.
　　[2]佚名.绿色低碳将成2023 年众多行业发展的风向标[J]. 中国对外贸易，2023 ( 3 )：28.
　　[ 3 ] 张兴琪，王雪，郐洋，等.基于双碳目标的绿色低碳高质量发展路径分析[J]. 中国资源综合利用，2023.41(2)：174- 176.
　　[4]王林霞.积极稳妥推进“碳达峰碳中和”解码中国绿色低碳发展之路[J]. 陕西行政学院学报，2023.37(1)：12- 17.
　　[ 5 ] 董秋霞，董樊丽，耿涌，等.碳达峰碳中和背景下内蒙古绿色低碳发展的路径和对策建议[J].科学管理研究，2022.40(6 )：77-83.
　　[6]余慧慧.我国装备制造业产业升级研究[D].成都：西南石油大学，2016.
　　[7]邹浩.低碳经济背景下装备制造企业行为演化研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2016.
　　[ 8 ] 电气制造编辑部.绿色设计与制造[J ]. 电气制造，2010( 6 )：28.
　　[9]袁月.数字经济对我国装备制造业高质量发展的影响研究[ D ].沈阳：辽宁大学，2022.
　　[ 10 ] 漆萍.中国加快推进工业产品生态绿色设计与制造进程[ J ].炼油技术与工程，2019.49 ( 1 )：39.
　　[11]龙昀光，范慧敏.制造企业“精益—绿色—智能”协同管理对运营绩效的影响[J].装备制造技术，2023(2)：1-4.
　　[12]沈威，吕亚伟.关于机电产品绿色设计与制造的思考[J].装备制造技术，2022( 2 )：253-256.
　　[ 13 ] 张超.冶金机械的绿色设计与制造[J].清洗世界，2022.38(4 )：73-75.
　　[14]夏楠.科技创新驱动山西装备制造业高质量发展路径研究[ J ].装备制造技术，2022( 9 )：108-110.
　　[15]黄康.煤矿机械的绿色设计与制造技术探讨[J].工程技术研究，2020.5 ( 19 )：98-99.
　　[ 16 ] 吴雪松.工程机械的绿色设计与制造[J].世界有色金属，2021 ( 1 )：130-131.
　　[17]李乐凯.我国集成电路所面临的挑战与发展对策[J].广西物理，2023.44( 1 )：62-64.
　　[18]吴志学，滕小磊，夏卫明.“中国制造2025”大背景下机械设计的新发展[J].机电工程技术，2023.52(6)：46-49.
　　[19]邵博.基于互联网的制造业绿色创新系统开放式创新模式研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2020.
　　[20]梅玉坤，彭军霞，高智伟.我国“工业互联网+绿色低碳”发展策略研究[J].皮革制作与环保科技，2022.3(24)：172-174.
　　[21]周秋忠，刘德庆.制造企业数字化管理平台的总体规划[J].沈阳理工大学报，2012.31(3)：77-81.
　　[ 22 ] 吕小兵，李守卿，罗飞，等.基于5G 和边缘计算技术的智能仓储数字化管理平台[J].装备制造技术，2020(12)：195-198.
　　[23]王建正，张利强，韩新民，等.基于模块化的高端装备关键零部件绿色设计平台开发[J].制造业自动化，2022.44(7)：113-115.
　　[24]宋波，沈绍嵘，梁勇，等.整车制造项目数字化管理平台的构 建与应用[J ].上海汽车，2020( 12)：12-15 +23.
　　[25]柳强，付春雨，杨曙运，等.基于大型机械装备制造企业的数 字化管理平台创新与应用[C]//2018 中国企业改革发展优秀成果发布会暨中国企业改革与发展研究会第六届会员代表大会，中国企业改革发展优秀成果2018 (第二届)下卷， 北京：经济出版社，2018：439-455.
 
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