大數(shù)據(jù)驅(qū)動下機械加工過程低碳評價服務(wù)

孫群

[提要] 大數(shù)據(jù)環(huán)境下，需要進行大量數(shù)據(jù)處理、分析和挖掘才能獲得真正有價值的信息。針對機械加工過程數(shù)據(jù)繁雜、具有多種不同量化指標(biāo)的情況，需要獲得良好的數(shù)據(jù)質(zhì)量更是基本前提，數(shù)據(jù)質(zhì)量的量化評估成為這個過程中很重要的一環(huán)。本文立足于工程實際與未來需求，結(jié)合所在行業(yè)和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的特點，針對離散型制造企業(yè)的低碳評價服務(wù)展開論述。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)驅(qū)動;低碳評價;可持續(xù)發(fā)展

中圖分類號：F27 文獻標(biāo)識碼：A

收錄日期：2019年11月29日

低碳經(jīng)濟背景下，以最少的資源消耗、最低限度的生態(tài)環(huán)境影響，產(chǎn)生最大的社會、經(jīng)濟效益，是現(xiàn)代制造企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展當(dāng)中亟待解決的問題，研究并運用低碳制造的相關(guān)理論與技術(shù)方法是解決該問題的關(guān)鍵。將傳統(tǒng)的基于資源的“高消耗、低利用率、高排放”的制造和發(fā)展模式轉(zhuǎn)變成低碳排放、高能效的生產(chǎn)方式已經(jīng)刻不容緩。

一、基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動的低碳評價指標(biāo)體系

（一）構(gòu)建評價指標(biāo)體系。構(gòu)建一套面向低碳生產(chǎn)的評價指標(biāo)體系，需要針對機械加工過程特點，評估了質(zhì)量評估模型與所在行業(yè)、信息系統(tǒng)特點的相關(guān)程度之后，結(jié)合數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)整合與清洗、數(shù)據(jù)處理與加工、數(shù)據(jù)持久化等數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)的特點，建立一套面向低碳生產(chǎn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量評估指標(biāo)框架。

國內(nèi)外普遍以“碳足跡”作為衡量機械加工過程是否低碳的量化指標(biāo)，然而由于機械切削加工工藝的復(fù)雜性，碳足跡（CFP）可以估算一個加工工藝的碳排放量大小，但無法評價一個加工工藝低碳性能的優(yōu)劣。企業(yè)在實施低碳制造的過程中主要關(guān)注的仍然是產(chǎn)品加工效益以及加工效率，加工效率一般通過加工時間來衡量。為評價產(chǎn)品加工工藝低碳效益，本發(fā)明提出了CFK的概念，所表達的內(nèi)涵是此種工藝方案中切除單位工件材料產(chǎn)生的碳足跡，CFK越低，對環(huán)境影響越小，資源配置方案越理想。由此可見，單位功效碳足跡可以直接或者間接地反映加工過程的電能消耗、資源消耗以及環(huán)境屬性。

（二）采集方法

1、CFK分級評價標(biāo)準。針對工藝過程中的電力消耗、資源消耗和環(huán)境影響因素的量綱不統(tǒng)一，本文選用CFK作為主要評價指標(biāo)對評價因素進行量化歸一處理。參照我國家電行業(yè)能效等級劃分標(biāo)準，采用1～5共五個等級，對各指標(biāo)因素劃分不同等級，定義Ri為工藝過程i（i=1，2，…）的單位功效碳足跡分級結(jié)果。（表1）

由于加工工藝不一樣，產(chǎn)生的碳足跡也不一樣，不能用統(tǒng)一的標(biāo)準來衡量所有加工工藝的碳足跡，需要統(tǒng)計一定量的不同型號機床使用同一加工工藝加工同一材料尺寸的工件消耗數(shù)據(jù)，按照前面的計算模型進行計算，利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計獲得該加工工藝的單位功效碳足跡參考平均值? ，采集評價對象在加工周期的單位功效碳足跡CFKi，然后根據(jù)公式??? 計算其與參考平均值的差值的大小，按照表2劃分不同等級。（表2）

2、噪聲。加工周期噪聲值：機床在額定工作狀態(tài)下，完成一個加工周期產(chǎn)生的噪聲值。它并不是累加值。單位：dB/cycle。

按照國家標(biāo)準GB15760-2004《金屬切削機床安全防護通用技術(shù)條件》，可以建立加工周期噪聲值的等級劃分規(guī)則，如表3所示。（表3）

3、粉塵。加工周期粉塵濃度值：機床在額定工作狀態(tài)下，完成一個加工周期產(chǎn)生的粉塵濃度值。單位：mg/m3/cycle。根據(jù)國家標(biāo)準JB/T 9878-1999《金屬切削機床粉塵濃度的測定》，可以建立加工周期粉塵濃度值的等級劃分規(guī)則，如表4所示。（表4）

4、油霧。加工周期的油霧濃度值：機床在額定工作狀態(tài)下，完成一個加工周期產(chǎn)生的油霧濃度值。單位：mg/m3/cycle。

加工周期的油霧濃度值可以按照統(tǒng)計評估測算進行量化，然后按照下表的油霧濃度等級進行分級。建立如表5所示的加工周期油霧濃度值的等級劃分規(guī)則。（表5）

5、刺激性氣味。加工周期可能存在一些刺激性氣味，會引起操作人員有身體不適的情況，本文采用定性分析，根據(jù)實際影響程度進行評價，分為1～5五個等級，1級表示無刺激性氣味，建立如表6所示的刺激性氣味等級劃分規(guī)則。（表6）

上述等級劃分規(guī)則并不是絕對唯一的，可根據(jù)實際評價需求，進行變化。

為了能將機床的資源環(huán)境屬性的信息更加直觀的表示出來，需要有統(tǒng)一的標(biāo)識或報告。本文通過上述采集的指標(biāo)數(shù)據(jù)，按照各指標(biāo)等級劃分規(guī)則，確定各指標(biāo)的等級值，然后將指標(biāo)等級值乘以由確定的資源環(huán)境屬性的權(quán)重矩陣W，可以計算得到某一工藝的資源環(huán)境屬性總的權(quán)值，利用表7可以將評價對象的某一工藝的資源環(huán)境屬性劃分等級，得到1～5，五個等級。（表7）

二、評價方法

生產(chǎn)過程中的碳排放評估及制造資源環(huán)境特性分析問題已經(jīng)引起國內(nèi)外學(xué)術(shù)界重視，并陸續(xù)出現(xiàn)了一些相關(guān)評價方法。產(chǎn)品生命周期評價（LCA）作為一種產(chǎn)品全生命周期環(huán)境影響評價方法，被廣泛使用，但由于其評價過程從設(shè)計到回收利用，涉及到評價過程復(fù)雜、周期長以及成本高等特點，在應(yīng)用上有很大局限性。除此之外，國內(nèi)外對于機械加工過程的評價方法有很多，這些評價方法總體可分為兩類，其主要區(qū)別在確定權(quán)重的方法上。一類是采用主觀方式賦權(quán)，綜合無量綱的數(shù)據(jù)，然后綜合評分確定各自權(quán)重，如AHP（層次分析）法、功效系數(shù)法等;另一類是客觀方式賦權(quán)，根據(jù)各個指標(biāo)相互關(guān)系或者變異程度確定各自權(quán)重，如主成分分析法、TOPSIS法等。

本文采用基于AHP方法的工藝過程碳足跡模糊綜合評價：面對復(fù)雜的工藝決策問題，運用層次分析法進行評價判斷，在對所分析問題及環(huán)境的充分理解和分析的基礎(chǔ)上，建立系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu)模型。對系統(tǒng)所涉及的因素指標(biāo)具體分類為最高層、中間層和最底層的形式，每一層由每一組類別構(gòu)成，形成因素指標(biāo)相互聯(lián)系的層次結(jié)構(gòu)模型。評價體系主要包括資源消耗以及生態(tài)影響等兩大方面，對機械加工工藝過程的主要影響因素進行分析，建立基于碳足跡分析的工藝過程評價結(jié)構(gòu)示意圖所示的評價結(jié)構(gòu)，目標(biāo)層為面向低碳排放的資源環(huán)境屬性評價，準則層包括單位功效碳足跡、粉塵、油霧、刺激性氣味和噪聲五個方面，方案層是提供待評價的工藝過程。

三、實踐與應(yīng)用效果

基于上述指標(biāo)框架，筆者嘗試開發(fā)了一套面向低碳生產(chǎn)制造資源評估的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)質(zhì)量的指標(biāo)已經(jīng)完全在系統(tǒng)中實現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)的指標(biāo)有部分已經(jīng)實現(xiàn)，目前已用于對大數(shù)據(jù)平臺的整個數(shù)據(jù)流的質(zhì)量進行監(jiān)控，取得了良好的效果。開發(fā)的制造資源信息管理功能菜單旨在幫助實現(xiàn)工藝規(guī)劃制定中選擇先有的制造資源，通過類菜單下設(shè)置子項的組織方式管理資源信息，數(shù)據(jù)保存在對應(yīng)的Access數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，功能菜單下實現(xiàn)了制造資源信息的添加、顯示與查詢。

四、總結(jié)

基于大數(shù)據(jù)平臺的低碳評價服務(wù)有利于提高加工過程的資源利用率、保護生態(tài)環(huán)境和實現(xiàn)低碳排放，主旨時促進節(jié)約能源、保護環(huán)境，是加工制作過程可持續(xù)發(fā)展的一種新型服務(wù)模式，是制造業(yè)制造技術(shù)及評價生產(chǎn)模式的發(fā)展趨勢。本文從產(chǎn)品生命周期的技術(shù)角度，分析了基于大數(shù)據(jù)質(zhì)量評價指標(biāo)構(gòu)建要求及特點，在此基礎(chǔ)上，提出了基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動的低碳評價指標(biāo)及評價方法，并對相關(guān)內(nèi)容作了闡述。

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