基于BOM的節(jié)能減排評估系統(tǒng)研究*

陶 飛 呂 琳 黃 巍 左 穎 周 劍 張 霖 黃小榮

(1北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，北京100191;2北京航空航天大學復雜產(chǎn)品先進制造系統(tǒng)教育部工程研究中心，北京100191;3湖北理工學院經(jīng)濟與管理學院，湖北黃石435003)

隨著我國經(jīng)濟的快速增長，各項建設取得了巨大的成就，但也付出了巨大的資源和環(huán)境代價。經(jīng)濟發(fā)展與資源環(huán)境的矛盾日益尖銳，工業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境問題也越來越激烈，經(jīng)濟的發(fā)展必然受到一定的約束。為了突破資源和環(huán)境的約束，實現(xiàn)經(jīng)濟又好又快的發(fā)展，企業(yè)必須實施節(jié)能減排策略，達到轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式，合理利用資源，優(yōu)化企業(yè)生產(chǎn)結構的目的，從而建設一個資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。

國內(nèi)外不少專家學者對節(jié)能減排評估方法或策略開展了相關研究和探索。文獻[1]提出采用Asian-Pacific Integrated Model(AIM)模型，假定2個社會經(jīng)濟場景并以此場景為基礎預測政策干預對溫室氣體排放量的影響，并對各種不同情況的數(shù)據(jù)進行對比和決策。譚彥等[2]在其研究中具體論述了減排項目評估的方法，就基準方案的選擇、排放量的計算、減排成本的計算方法進行了詳細的討論，并進行了具體項目的舉例。劉韻等[3]提出基于碳足跡評估核算的理論，采用全生命周期法，自下而上，以山西省呂梁市某燃煤電廠為案例，對其碳足跡進行分析評估，得到企業(yè)全生命周期中的碳足跡分布。胡小梅等[4]提出適用于在高能耗行業(yè)內(nèi)推廣的能效綜合評估指標體系及評估方法，采用模糊 Petri網(wǎng)進行企業(yè)能耗建模，設計了企業(yè)能效綜合評估系統(tǒng)。馬富民等[5]結合企業(yè)能源消耗過程多裝置、多過程、多工序的并行、串行、返流等特性，提出了企業(yè)能耗模型，并詳細給出仿真模型和仿真算法的具體實現(xiàn)，為企業(yè)提供了直接和間接能耗等相關數(shù)據(jù)，是一種有效的企業(yè)能效評估方法。這些方法和理論從不同的角度分析了實施節(jié)能減排的理論支撐，提出了能耗模型和一些詳細的能耗排放計算方法，對節(jié)能減排工作的實施具有重要的指導意義，值得節(jié)能減排研究者研究和學習。但這些方法或系統(tǒng)設計還是存在一些不足，如節(jié)能減排評估的指標不夠明確、節(jié)能減排評估的范圍比較有限。此外，現(xiàn)有節(jié)能減排評估與企業(yè)現(xiàn)有信息化技術(如企業(yè)資源計劃ERP、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM、計算機輔助工藝規(guī)劃CAPP等系統(tǒng))是相互脫離的，兩者沒有進行有效的融合，從而嚴重影響了節(jié)能減排評估在企業(yè)中的快速部署和實施。

企業(yè)生產(chǎn)中BOM的應用是伴隨著企業(yè)信息化技術的應用而發(fā)展的，不同功能的BOM分布在企業(yè)信息網(wǎng)絡的不同地點，存在于不同的應用系統(tǒng)中，是企業(yè)信息化技術的紐帶。本文提出一種基于BOM的節(jié)能減排評估方法，此方法可以使節(jié)能減排評估與企業(yè)現(xiàn)有信息化有機結合和無縫集成，從而在實現(xiàn)了企業(yè)節(jié)能減排評估設計的基礎上，盤活了企業(yè)現(xiàn)有信息化系統(tǒng)，實現(xiàn)了企業(yè)的信息化增效。

1 節(jié)能減排及相關概念

“節(jié)能減排”一詞出自我國“十一五”規(guī)劃綱要。學術界從經(jīng)濟學、環(huán)境保護、資源綜合利用、系統(tǒng)論等角度對節(jié)能減排的概念作了多種界定[6]，但從根本上說，節(jié)能減排是指節(jié)約物質(zhì)資源和能量資源，減少廢棄物和環(huán)境有害物(包括三廢和噪聲等)的排放。

當前對節(jié)能減排技術的研究主要致力于降低能源消耗和減少污染排放，此外限制溫室氣體排放也是節(jié)能減排的一個重要方面。目前相對而言，節(jié)能減排中的限制溫室氣體排放的措施更加具體，發(fā)展也更為全面，碳足跡、碳標簽、碳交易等新概念的出現(xiàn)都在一定程度上推進了溫室氣體減排的進程。溫室氣體減排對全面實施節(jié)能減排具有重要意義。

碳足跡(Carbon Footprint)是指由企業(yè)機構、活動、產(chǎn)品或個人引起的溫室氣體排放的集合。產(chǎn)品碳足跡是指在特定系統(tǒng)邊界內(nèi)，產(chǎn)品生命周期內(nèi)所有階段產(chǎn)生的溫室氣體排放總量。碳足跡的計算方法多種多樣，主要有生命周期法(life cycle assessment，LCA)、投入產(chǎn)出法(Input-Output，I-O)、《2006年 IPCC 國家溫室氣體清單指南》計算法、碳足跡計算器發(fā)等[7]。其中生命周期評價法主要從原材料獲取、能源獲取、交通運輸、產(chǎn)品生產(chǎn)與銷售、產(chǎn)品使用與維護、產(chǎn)品回收與報廢6個環(huán)節(jié)進行溫室氣體排放評估[8]，然后進行疊加計算。如用EA代表A產(chǎn)品的碳足跡，則EA的計算方法如式(1)所示:

式(1)中，EM、EE、ET、EP、EU、ER分別表示產(chǎn)品A在原材料獲取、能源獲取、交通運輸、產(chǎn)品生產(chǎn)與銷售、產(chǎn)品使用與維護、產(chǎn)品報廢與回收6個環(huán)節(jié)中的溫室氣體排放量。以上6個環(huán)節(jié)的溫室氣體排放數(shù)據(jù)來自對相應環(huán)節(jié)的溫室氣體排放進行評估?？梢姡甲阚E的計算依賴于產(chǎn)品生命周期溫室氣體排放評估，準確合理的排放評估是獲得準確的碳足跡數(shù)據(jù)的前提。

碳標簽(Carbon Labeling)是指將商品在生產(chǎn)過程中所排放的溫室氣體排放量在產(chǎn)品標簽上用量化的指數(shù)標示出來，以標簽的形式告知消費者產(chǎn)品的碳信息。也就是利用在商品上加注碳足跡標簽的方式引導消費者和購買者選擇更低碳排放的商品，從而達到減少溫室氣體排放、緩解氣候變化的目的[9]。不難看出，實施在產(chǎn)品上加注碳標簽的前提是必須實現(xiàn)產(chǎn)品的碳足跡計算，因此推行碳標簽同樣離不開產(chǎn)品生命周期的溫室氣體排放評估。目前很多國家和地區(qū)已經(jīng)在試行碳標簽，部分國家和地區(qū)碳標簽標識如圖1所示。目前中國大陸還沒有推行碳標簽，但是在不久的將來，碳標簽很可能成為中國大陸企業(yè)，尤其是產(chǎn)品出口企業(yè)進入國外市場的絆腳石，中國大陸企業(yè)必須做出自己的碳標簽。

圖1 部分國家和地區(qū)碳標簽標識

碳交易(Carbon Trading)是《京都議定書》為促進全球減少溫室氣體排放，依據(jù)國際公法進行溫室氣體排減量交易，也就是把市場機制作為解決以二氧化碳為代表的溫室氣體減排問題的新路徑，即把二氧化碳排放權作為一種商品，從而形成了二氧化碳排放權的交易[10]。目前世界上的碳交易所主要有5個:歐盟排放權交易所、英國排放權交易所、美國芝加哥氣候交易所、澳洲氣候交易所、中國天津排放權交易所。碳交易的實行更需要買賣雙方對自身企業(yè)的溫室氣體排放數(shù)據(jù)有準確的了解，這也離不開企業(yè)級的溫室氣體排放評估。第3方交易提供者必須按照一定的規(guī)則對參與企業(yè)進行溫室氣體排放評估與分配。

綜上所述，上文提到的與限制溫室氣體排放相關的2個概念的實施都必須依靠對評估對象的溫室氣體排放評估，準確的溫室氣體排放評估是其運行實施的首要前提，沒有準確的量化評估，一切的指標數(shù)據(jù)都不具有可信度。減少溫室氣體排放是節(jié)能減排工作的一部分，從溫室氣體減排研究中可以看出節(jié)能減排評估對于節(jié)能減排工作實施的重要意義，全面實施節(jié)能減排評估必須以完善的節(jié)能減排評估為指導。

2 基于BOM的節(jié)能減排評估系統(tǒng)設計

2.1 企業(yè)信息化技術與BOM

企業(yè)信息化技術從廣義上理解是指廣泛利用電子信息技術，使企業(yè)產(chǎn)品設計、加工制造、過程控制、質(zhì)量檢測、生產(chǎn)管理和銷售服務等活動的信息處理自動化[11]。企業(yè)信息化技術的應用可以提高企業(yè)的管理和運行效率，提高企業(yè)的競爭力。企業(yè)信息化技術可以分為企業(yè)經(jīng)營管理信息化技術和生產(chǎn)過程管理信息化技術兩大部分。前者是圍繞著客戶需求組織企業(yè)資源，實現(xiàn)客戶需求過程的管理信息的采集、處理、表達信息化，它主要包括企業(yè)資源計劃(ERP)、客戶關系管理(CRM)、供應鏈管理(SCM)以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)等。后者主要應用在企業(yè)底層工廠的過程自動控制和管理，是企業(yè)運營的基礎[12]。上述技術的應用是建立在一定能夠?qū)崿F(xiàn)的數(shù)據(jù)基礎之上的，物料清單(BOM)是企業(yè)信息化系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)基礎，BOM幾乎與企業(yè)各部門的活動都有聯(lián)系。BOM的數(shù)據(jù)結構涉及到信息化系統(tǒng)的實施和運行質(zhì)量。BOM指產(chǎn)品所需要的零部件的清單及組成結構，即生產(chǎn)一件產(chǎn)品所需的子零件及其數(shù)量的完全組合。在產(chǎn)品生命周期中存在各種不同的 BOM，如工程物料清單(EngineeringBOM)、工藝物料清單(Process BOM)、制造物料清單(Manufacturing BOM)、材料物料清單(Material BOM)、采購物料清單(Purchasing BOM)等[13]，這些 BOM 出現(xiàn)在企業(yè)信息網(wǎng)絡的不同地點，與企業(yè)的生產(chǎn)制造等過程緊密結合。產(chǎn)品生命周期與BOM如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品生命周期與BOM

2.2 基于BOM的節(jié)能減排評估

現(xiàn)行的大多數(shù)BOM中含有其包含物料的屬性信息，例如材料、型號、庫存、成本等。較為先進的信息系統(tǒng)中甚至包含物料的三維圖片信息，這些屬性信息將對產(chǎn)品或工藝設計者、采購人員、產(chǎn)品生產(chǎn)者的工作起到重要的指導作用，以便他們在設計、采購、制造過程中做到既保證產(chǎn)品的質(zhì)量又盡量減少成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。基于這種模式，本文提出將物料和工藝等的環(huán)境信息加入到BOM中，在物料的屬性中添加能耗數(shù)據(jù)和排放數(shù)據(jù)，使其成為產(chǎn)品設計、生產(chǎn)過程中必須考慮的因素之一。把基于BOM的成本核算擴展到節(jié)能減排的實施中，產(chǎn)生基于BOM的節(jié)能減排指標評估，作為一種實現(xiàn)產(chǎn)品節(jié)能減排評估的新方法。這種方法的優(yōu)點在于，利用BOM把產(chǎn)品的節(jié)能減排評估與輔助生產(chǎn)的信息化系統(tǒng)有機的結合起來，使節(jié)能減排評估與產(chǎn)品的生命周期同步，提高了節(jié)能減排評估的可行性。要真正實現(xiàn)這一新方法需要專門的節(jié)能減排評估系統(tǒng)，下文將介紹基于BOM的節(jié)能減排評估系統(tǒng)的架構設計等內(nèi)容。

2.3 系統(tǒng)3層架構設計

基于BOM的節(jié)能減排評估系統(tǒng)的設計采用應用層、核心功能層和數(shù)據(jù)支撐層3層架構，并支持企業(yè)的信息化系統(tǒng)的有效集成，系統(tǒng)架構圖如圖3所示。應用層提出節(jié)能減排評估系統(tǒng)最基本的5個功能;核心功能層將基本的功能模塊細分成小的模塊，并實現(xiàn)其功能;數(shù)據(jù)支撐層用于存放各種基礎數(shù)據(jù)，支撐應用層和核心功能層的運行。

圖3 基于BOM的節(jié)能減排評估系統(tǒng)架構

2.3.1 應用層設計

應用層的設計包括5個模塊:用戶管理、節(jié)能減排數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計、節(jié)能減排指標評價與分析、節(jié)能減排設計和結果可視化。

1)用戶管理:管理員對系統(tǒng)的操作員進行管理，根據(jù)用戶類型進行角色分類，給予不同的權限，并管理新用戶注冊和過期用戶的注銷。

2)節(jié)能減排數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計:系統(tǒng)運行的過程中，進行對實時數(shù)據(jù)的采集和統(tǒng)計，對支撐層的不合理數(shù)據(jù)進行更新改正，對缺失的數(shù)據(jù)進行添加，以此來完善數(shù)據(jù)支撐層。

3)節(jié)能減排指標評價與分析:對產(chǎn)品現(xiàn)有的生命周期流程進行節(jié)能減排指標評價，對生命周期中能耗和排放的構成進行分析，為節(jié)能減排設計提供重要的依據(jù)。

4)節(jié)能減排設計:根據(jù)節(jié)能減排指標評價和分析的結果，對高能耗和高排放的重點環(huán)節(jié)進行調(diào)整，采用新工藝，引進新技術，進行節(jié)能減排設計，以達到節(jié)能減排的效果。

5)評估與分析結果可視化:節(jié)能減排指標評估和分析的可視化，使節(jié)能減排指標量化的結果、耗能與排放的構成用圖片、表格等以更直觀的形式表現(xiàn)出來。

2.3.2 核心功能層設計

核心功能層的主要作用是把應用層的5個功能進行分塊并實現(xiàn)，核心功能層是連接應用層和數(shù)據(jù)支撐層的紐帶，并承擔著為應用層和數(shù)據(jù)支撐層提供數(shù)據(jù)交換服務的任務，下面是較為詳細的介紹。

1)賬號注冊:系統(tǒng)管理員按照相關規(guī)定為新的系統(tǒng)操作人員分配新賬號，確保其能順利地利用系統(tǒng)進行工作。

2)角色管理:系統(tǒng)為不同角色的用戶提供不同的權限，使設計人員、采購人員、制造人員等能準確得到所需信息而不越界獲取信息，同時保證需共享的信息能及時得到共享。

3)實時數(shù)據(jù)分類與統(tǒng)計:原材料市場的變化、政府相關政策指標的變化會導致系統(tǒng)支撐層數(shù)據(jù)的過時失準，實時數(shù)據(jù)分類與統(tǒng)計旨在保證系統(tǒng)支撐層的數(shù)據(jù)準確性，進而保證節(jié)能減排指標評估的可靠性。

4)數(shù)據(jù)錄入與更新:對支撐層數(shù)據(jù)庫的維護主要包括對支撐層缺失數(shù)據(jù)的及時補充和過時數(shù)據(jù)的及時更新，系統(tǒng)將配置一個專門的接口，通過此接口實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的操作。

5)指標統(tǒng)計與計算:對節(jié)能減排指標中的統(tǒng)計類指標進行統(tǒng)計，對計算類指標按照一定的計算公式進行計算，對統(tǒng)計和計算的結果進行輸出。

6)生命周期評價:按照一定的規(guī)則對產(chǎn)品生命周期各個環(huán)節(jié)的能耗和排放數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與計算，匯總得到產(chǎn)品全生命周期的能耗和排放量。生命周期各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進行對比和分析，得出產(chǎn)品能耗和排放總量的詳細構成，對產(chǎn)品的生命周期節(jié)能減排情況作出客觀的評價。

7)節(jié)能減排優(yōu)化與設計:對產(chǎn)品生命周期節(jié)能減排評價的結果和能耗排放進行分析，對能耗和排放的重點環(huán)節(jié)進行研究，并設計出新的方案來代替這些環(huán)節(jié)，進而設計出新的生命周期流程以減少能源的損耗和污染廢棄物的排放。

8)參數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)整合:對不同的評價指標參數(shù)通過國際公認的轉(zhuǎn)換系數(shù)來轉(zhuǎn)換整合，以增加數(shù)據(jù)統(tǒng)計與計算的靈活性。例如企業(yè)綜合能耗值指標的計算、綠色氣體的排放總量等。

9)評價分析結果數(shù)據(jù)可視化:產(chǎn)品各方面的評價結果不僅僅單純地以數(shù)據(jù)的形式來表現(xiàn)，還要通過生成相應的表格、圖形等形式表現(xiàn)出來，便于自動生成報表并存儲。

2.3.3 數(shù)據(jù)支撐層設計

數(shù)據(jù)支撐層是整個節(jié)能減排評估系統(tǒng)的基礎，以上各個功能模塊的實現(xiàn)都離不開數(shù)據(jù)支撐層的數(shù)據(jù)支撐，數(shù)據(jù)支撐層的數(shù)據(jù)主要包括以下幾個方面:

1)用戶信息庫:存放系統(tǒng)用戶的用戶名、密碼、所屬部門、權限等信息等。

2)原材料數(shù)據(jù)庫:存放企業(yè)生產(chǎn)所需的原材料信息，包括原材料名稱、庫存、類型、成本、生產(chǎn)或購買能耗和排放信息。

3)工藝數(shù)據(jù)庫:存放與生產(chǎn)相關的工藝信息。包括工藝所需的工具及生產(chǎn)設備、工藝進行的地點及廠房信息、單位時間工藝的耗能和排放信息等。

4)能源數(shù)據(jù)庫:存放企業(yè)所需的所有能源的信息。包括能源的名稱、來源、成本、能源消耗的排放信息及能源轉(zhuǎn)換成標準煤的轉(zhuǎn)換系數(shù)等。

5)節(jié)能減排標準庫:存放我國現(xiàn)行的節(jié)能減排相關的國標文本，便于隨時對涉及到本企業(yè)生產(chǎn)類型的節(jié)能減排標準進行查詢。

6)減排指標庫:存放我國國標中明確規(guī)定的所有的限排或禁排指標，分為普適性指標和特殊行業(yè)指標。將這些指標按照不同的方法進行分類，使企業(yè)定制時可以方便選擇、配置。

基于BOM的節(jié)能減排評估系統(tǒng)設計的最根本出發(fā)點是既保持節(jié)能減排指標評估系統(tǒng)與企業(yè)信息化系統(tǒng)的可集成性，又要保持節(jié)能減排評估系統(tǒng)的相對獨立性，3層架構的設計使數(shù)據(jù)的走向清晰明了，也便于基礎數(shù)據(jù)的采集和維護。

3 原型系統(tǒng)

為了驗證本文提出的基于BOM的節(jié)能減排的評估解決方案，本文結合了課題組現(xiàn)有的研究成果，在運用全生命周期法、可視化技術的基礎上，設計并開發(fā)了一套基于BOM的評估原型系統(tǒng)，它的功能模塊主要包括基礎數(shù)據(jù)的創(chuàng)建與管理模塊、全生命周期建模模塊、基于BOM的屬性配置模塊、指標計算與可視化分析模塊。該系統(tǒng)的實現(xiàn)為企業(yè)快速部署和實施節(jié)能減排提供了一種新的思路和解決方案。原型系統(tǒng)的流程如圖4所示，具體的過程為:

1)企業(yè)根據(jù)自身的狀況完善節(jié)能減排基礎數(shù)據(jù)庫，包括基礎數(shù)據(jù)庫中的能源、工藝、原料及排放污染物種類等的選擇與添加。

2)對產(chǎn)品的生命周期進行建模，按照生命周期評價方法，所建模型中至少應包括產(chǎn)品設計、原材料獲取、產(chǎn)品生產(chǎn)、交通運輸、產(chǎn)品使用和維護、產(chǎn)品報廢與回收等環(huán)節(jié)，相對復雜的環(huán)節(jié)可以再分成多個子環(huán)節(jié)。

3)基于BOM對產(chǎn)品生命周期模型中各個環(huán)節(jié)進行屬性添加，包括原材料投入、產(chǎn)品產(chǎn)出、能源消耗、污染物排放等。

4)對產(chǎn)品生命周期各個環(huán)節(jié)的能耗和排放數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、計算，進行節(jié)能減排評估，并運用數(shù)據(jù)可視化技術對評估結果進行分析。

5)對照國家標準和企業(yè)自身制定的相關標準，判定此模型的可用性，若可用即可添加到可用方案，與其他可用方案進行比較擇優(yōu);如不可用，則根據(jù)評價結果分析，對模型進行修改或重建，直至做出最優(yōu)方案。

圖4 系統(tǒng)流程圖

通過節(jié)能減排評估系統(tǒng)，企業(yè)可以對產(chǎn)品生命周期的各種方案有系統(tǒng)的把握，對每種方案的節(jié)能減排數(shù)據(jù)有精確的了解，方便企業(yè)根據(jù)自身的偏重有效地選取符合自身的最優(yōu)方案。

生命周期建模的屬性配置界面，可以很好地實現(xiàn)客戶端與數(shù)據(jù)庫服務器之間的數(shù)據(jù)交互，完成產(chǎn)品生命周期模型的各個階段的屬性配置和存儲，界面如圖5所示。

圖5 生命周期階段屬性配置效果圖

4 結束語

隨著信息化技術在企業(yè)中的不斷發(fā)展和應用，節(jié)能減排評估系統(tǒng)的運行不能總是孤立于企業(yè)信息化系統(tǒng)，應當尋求一種方法來實現(xiàn)兩者之間的有效結合。本文提出了基于BOM的節(jié)能減排評估的方法，通過BOM的橋梁作用實現(xiàn)節(jié)能減排評估系統(tǒng)與企業(yè)信息化系統(tǒng)的結合，并對此方法的原理和應用流程進行介紹。最后，在已有研究基礎上開發(fā)了基于BOM的節(jié)能減排評估原型系統(tǒng)，實現(xiàn)了與信息化系統(tǒng)的有效集成。

本研究在以下兩方面還有待更深入的探討和研究。首先是節(jié)能減排基礎數(shù)據(jù)的采集和維護機制的研究，由于數(shù)據(jù)量巨大，基礎數(shù)據(jù)的采集、分類、更新、維護等存在很多困難，一套合理的處理機制將會明顯提高此工作的效率。其次，對節(jié)能減排評估結果的分析處理方法的研究也至關重要，正確的處理方法有助于提高從繁雜的數(shù)據(jù)中提取有用數(shù)據(jù)的效率，進而提高節(jié)能減排評估的反應速度，目前這方面的研究尚無體系，有待進一步挖掘。

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