基于數(shù)字孿生的鑄造工藝過程環(huán)境影響評價(jià)方法

谷振宇　何儀　李東洋

摘要：圍繞鑄造企業(yè)開展工藝過程環(huán)境影響與碳排放評價(jià)的新需求，針對工藝過程動態(tài)評價(jià)中動態(tài)數(shù)據(jù)的一致性與動態(tài)數(shù)據(jù)處理問題，以鑄造工藝過程為研究對象，將數(shù)字孿生技術(shù)引入鑄造工藝過程環(huán)境影響與碳排放的評價(jià)中，構(gòu)建了面向環(huán)境影響評價(jià)的鑄造工藝過程數(shù)字孿生模型，并將其融合到生命周期評價(jià)的基本過程中，提出了基于數(shù)字孿生的鑄造工藝環(huán)境影響評價(jià)方法。通過由孿生模型向?qū)嵗Ｐ秃蛯?shí)例孿生體的演化，保證了工藝過程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一致性，同時(shí)通過生成不同階段的實(shí)例孿生體實(shí)現(xiàn)動態(tài)場景數(shù)據(jù)的承載，實(shí)現(xiàn)了工藝過程動態(tài)數(shù)據(jù)的處理。最后，以某鑄造企業(yè)3.5 t運(yùn)輸機(jī)V法線鑄造工藝過程為例，展示了所提方法在工藝過程環(huán)境影響評價(jià)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：生命周期評價(jià)；環(huán)境影響評價(jià)；鑄造工藝過程；數(shù)字孿生

中圖分類號：TH164

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.009

Assessment Method of Environmental Impact of Casting Processes Based on Digital Twin

GU Zhenyu HE Yi LI Dongyang

Abstract： Focusing on the new needs of foundry enterprises to carry out process environmental impacts and carbon emission evaluations， and addressing the issues of consistent management of dynamic data in dynamic evaluations of processes， the casting processes were taken as the research object and the digital twin technologies were introduced into the assessments of the environmental impacts and carbon emissions of the casting processes. A digital twin model of the casting processes for environmental impact assessments was constructed and integrated into the basic process of LCA evaluation， and a digital twin-based method for environmental impact assessments of the casting processes was proposed. By evolving from twin models to instance models and instance twins， the consistency of the process data structure was ensured， while the dynamic scene data carrying was realized by generating instance twins of different stages， and the management of dynamic process data was realized. Finally， the application of the proposed method in the environmental impact assessments of the processes was illustrated by the example of the 3.5-ton carrier V-normal casting processes in a foundry.

Key words： life cycle assessment（LCA）; environmental impact assessment; casting process; digital twin

0 引言

鑄造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)，它在創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)財(cái)富的同時(shí)也消耗了大量制造資源，并對環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。實(shí)施綠色制造工程，進(jìn)行工藝綠色化改進(jìn)已成為鑄造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵戰(zhàn)略。進(jìn)行工藝綠色化改進(jìn)，進(jìn)而推進(jìn)綠色制造工程實(shí)施的一個(gè)重要前提條件就是實(shí)現(xiàn)工藝過程環(huán)境影響評價(jià)。生命周期評價(jià)（life cycle assessment，LCA）方法是開展環(huán)境影響評價(jià)的基礎(chǔ)方法，它通過定量化研究能量和物質(zhì)利用以及廢棄物的環(huán)境排放來評估一種產(chǎn)品、過程或生產(chǎn)活動造成的環(huán)境影響，進(jìn)而辨識能減少環(huán)境負(fù)荷的關(guān)鍵機(jī)會，探求改善環(huán)境影響的方法［1］。

生命周期評價(jià)理論制定了開展環(huán)境影響評價(jià)的基本流程和模式，而決定該方法能否進(jìn)行有效應(yīng)用的關(guān)鍵是能否獲取合理的環(huán)境影響評價(jià)數(shù)據(jù)［2］。對于工藝過程環(huán)境影響評價(jià)而言，受工藝類型、設(shè)備、產(chǎn)品、原材料、生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)現(xiàn)場以及管理水平等復(fù)雜工藝場景影響，獲取工藝過程資源環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)的難度較大，導(dǎo)致工藝環(huán)境影響評價(jià)所需的數(shù)據(jù)缺失，所以在現(xiàn)有評價(jià)方法中通常采用基于模型分析得到的計(jì)算數(shù)據(jù)［3］。例如，呂錦等［4］基于LCA中的ReCiPe方法對絕熱層制備工藝過程進(jìn)行了環(huán)境影響評價(jià)，實(shí)現(xiàn)了對絕熱層制備工藝的關(guān)鍵環(huán)境影響要素的識別，并給出了綠色化改造建議。YILMAZ等［5］使用LCA與歐洲鑄鐵業(yè)的工業(yè)平均數(shù)據(jù)來評估鑄造工藝過程的環(huán)境影響和實(shí)施成本，并對鑄造工藝過程的綠色生產(chǎn)進(jìn)行決策。YADAV等［6］使用Gabi軟件計(jì)算鋁合金砂型鑄造過程制造階段的總體環(huán)境影響，并且對不同的可用方案進(jìn)行了比較，進(jìn)而找出最佳實(shí)施方案。吳玉珍［7］利用Simapro軟件對生化處理工藝進(jìn)行了環(huán)境影響分析，進(jìn)而優(yōu)選出最適宜的生化處理工藝過程。

綜合分析上述研究成果可知：①其評價(jià)數(shù)據(jù)主要是基于GaBi、Simapro等國外評價(jià)系統(tǒng)和行業(yè)或工藝過程的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都可以看作是一種基于模型分析得到的計(jì)算數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)是一種平均化、合并式的數(shù)據(jù)，它能得到量化評價(jià)結(jié)果，但難以支撐對工藝過程節(jié)能減排關(guān)鍵環(huán)節(jié)的識別；②其評價(jià)模型的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)都是靜態(tài)的，但是工藝生產(chǎn)過程往往是動態(tài)變化的，會結(jié)合現(xiàn)場實(shí)施情況和條件對工藝方案進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，例如加工設(shè)備的變化等，這種靜態(tài)評價(jià)方法不能響應(yīng)工藝過程的動態(tài)變化，其評價(jià)結(jié)果的差異也較大。

針對以上問題，將時(shí)間因素納入生命周期評價(jià)的動態(tài)LCA方法逐漸引起人們的關(guān)注，成為生命周期評價(jià)研究領(lǐng)域的一個(gè)新興課題。動態(tài)LCA技術(shù)考慮了評價(jià)對象的動態(tài)行為，將動態(tài)數(shù)據(jù)運(yùn)用到被研究系統(tǒng)的評價(jià)過程中，從而提高評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。目前對動態(tài)環(huán)境影響評價(jià)的研究主要集中在建筑領(lǐng)域［8-10］，生產(chǎn)過程的動態(tài)LCA評價(jià)方面，現(xiàn)有研究主要著眼于評價(jià)數(shù)據(jù)的動態(tài)獲取，而對工藝過程的動態(tài)變化以及動態(tài)數(shù)據(jù)的一致性問題考慮不足。

引入數(shù)字孿生技術(shù)為解決工藝過程的動態(tài)評價(jià)問題提供了新的思路［11］。在數(shù)字孿生建模研究方面，前期的建模研究偏重于數(shù)字孿生的描述模型［12-14］，這類模型的描述性很強(qiáng)，但應(yīng)用性較差。隨著數(shù)字孿生應(yīng)用研究的不斷深入，機(jī)理分析的建模方法被應(yīng)用于數(shù)字孿生建模中［15-17］。機(jī)理模型能夠有效反映特定輸入下系統(tǒng)的作用規(guī)律并輸出相應(yīng)結(jié)果，但這種方法只適用于某些特定的機(jī)理比較明確的過程，對于那些機(jī)理不明確或難以分析的工藝過程而言，借助數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)等智能手段建立學(xué)習(xí)型模型，是目前應(yīng)用非常廣泛的建模方法［18-19］，這類建模方法能夠針對輸入給出系統(tǒng)的響應(yīng)。在基于數(shù)字孿生的工藝評價(jià)研究方面，劉金鋒等［20］研究了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的機(jī)械加工工藝評價(jià)孿生模型，通過數(shù)字孿生技術(shù)為工藝評價(jià)提供數(shù)據(jù)源泉，實(shí)現(xiàn)了評價(jià)數(shù)據(jù)的流通性、實(shí)時(shí)性與有效性；LIU等［21］提出了基于數(shù)字孿生的工藝評價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)了加工數(shù)據(jù)與工藝設(shè)計(jì)信息的實(shí)時(shí)映射，提高了工藝過程執(zhí)行效率。

由上述分析可以得出如下結(jié)論：①現(xiàn)有工藝過程環(huán)境影響評價(jià)通常是將工藝過程看作是一個(gè)整體，基于一種平均化、合并式的數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)，難以實(shí)現(xiàn)對節(jié)能減排關(guān)鍵環(huán)節(jié)的識別;

②目前評價(jià)模型的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)都是靜態(tài)的，不能響應(yīng)工藝過程的動態(tài)變化，其評價(jià)結(jié)果的差異也較大;

③國內(nèi)外近年來對基于數(shù)字孿生的動態(tài)LCA研究已取得了一些初步的成果，但鑒于工藝過程的復(fù)雜性以及工藝間差異較大，如何建立面向環(huán)境影響評價(jià)的鑄造工藝過程孿生模型，并應(yīng)用于鑄造工藝過程的環(huán)境影響評價(jià)，使之既能適用于鑄造工藝過程的動態(tài)性，又能有助于關(guān)鍵環(huán)節(jié)的識別，這是一個(gè)非常有意義的研究工作。

鑒于此，本文圍繞企業(yè)開展工藝過程環(huán)境影響動態(tài)評價(jià)的新需求，針對工藝過程動態(tài)評價(jià)中動態(tài)數(shù)據(jù)的一致性與動態(tài)數(shù)據(jù)處理的問題，以鑄造工藝過程為研究對象，將數(shù)字孿生技術(shù)引入鑄造工藝過程環(huán)境影響評價(jià)中，構(gòu)建面向環(huán)境影響評價(jià)的鑄造工藝過程數(shù)字孿生模型，并將其融合到LCA評價(jià)的基本過程中設(shè)計(jì)基于數(shù)字孿生的鑄造工藝環(huán)境影響評價(jià)方法，通過由孿生模型向?qū)嵗Ｐ秃蛯?shí)例孿生體的演化，保證工藝過程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一致性，同時(shí)通過生成不同階段的實(shí)例孿生體實(shí)現(xiàn)動態(tài)場景數(shù)據(jù)的承載以處理工藝過程動態(tài)數(shù)據(jù)，得到工藝過程的環(huán)境影響動態(tài)評價(jià)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對高排放和高耗能環(huán)節(jié)的識別。

1 鑄造工藝過程環(huán)境影響動態(tài)評價(jià)

1.1 基于數(shù)字孿生的動態(tài)環(huán)境影響評價(jià)方法框架

本文提出的基于數(shù)字孿生的動態(tài)環(huán)境影響評價(jià)模型的核心在于評價(jià)模型是基于孿生模型生成的，綁定了工藝信息，實(shí)例模型會與所獲取的工藝過程動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行綁定，生成能反映該工藝環(huán)節(jié)執(zhí)行情況的實(shí)例孿生體。工藝過程所有動態(tài)變化信息都可以通過不同階段的實(shí)例孿生體來承載。通過從數(shù)字孿生模型到實(shí)例模型，再到實(shí)例孿生體的生成與演化，獲取整個(gè)工藝過程的動態(tài)變化信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工藝過程的動態(tài)評價(jià)。評價(jià)模型框架如圖1所示，評價(jià)整體過程與LCA的基本流程一致，包括目標(biāo)與范圍定義、過程建模、清單分析、影響評價(jià)和結(jié)果解釋等5個(gè)主要環(huán)節(jié)，主要包括三個(gè)步驟：①將獲取的工藝信息與數(shù)字孿生模型相結(jié)合，生成工藝過程實(shí)例模型；②將在不同生命周期階段獲取的工藝場景數(shù)據(jù)與工藝過程實(shí)例模型進(jìn)行綁定，生成實(shí)例孿生體；③在對實(shí)例孿生體進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，得到工藝過程環(huán)境影響評價(jià)結(jié)果。其中，工藝過程數(shù)字孿生模型由結(jié)構(gòu)化數(shù)字模型和工藝場景數(shù)據(jù)模型構(gòu)成，設(shè)計(jì)階段的工藝場景數(shù)據(jù)通過相似度計(jì)算方法檢索工藝場景實(shí)例數(shù)據(jù)庫獲得，生產(chǎn)制造階段的工藝場景數(shù)據(jù)通過時(shí)序數(shù)據(jù)庫獲得。

1.2 面向環(huán)境影響評價(jià)的數(shù)字孿生模型

面向環(huán)境影響評價(jià)的鑄造工藝過程數(shù)字孿生模型就是在信息空間中構(gòu)建適用于環(huán)境影響評價(jià)的物理工藝過程的數(shù)字化模型。與面向工藝設(shè)計(jì)和制造的數(shù)字孿生模型不同，數(shù)字化模型不關(guān)注具體的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)施技術(shù)等，主要關(guān)注工藝過程的結(jié)構(gòu)表征以及用于環(huán)境影響評價(jià)的數(shù)據(jù)組織與管理。數(shù)字孿生模型主要由鑄造工藝過程結(jié)構(gòu)化數(shù)字模型和鑄造工藝過程數(shù)據(jù)模型組成。

1.2.1 基于有向無環(huán)圖的結(jié)構(gòu)化數(shù)字模型

鑄造工藝過程包含多個(gè)工序，每個(gè)工序又包含多個(gè)工步。每個(gè)工序既具有獨(dú)立性又具備復(fù)用性。工藝過程各環(huán)節(jié)間具有并行關(guān)系、串行關(guān)系以及聚合關(guān)系等。為了實(shí)現(xiàn)鑄造工藝過程的數(shù)字化表征，本文基于有向無環(huán)圖（directed acyclic graph，DAG），通過有向路徑對工藝過程包含的工藝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，將工藝過程表征為DAG的形式。圖2為某一砂型鑄造工藝過程DAG表征的示意圖?；谟邢驘o環(huán)圖的結(jié)構(gòu)化數(shù)字模型建模過程如下。

（1）選定一種具體的鑄造工藝過程，依據(jù)工藝規(guī)劃文件，確定該工藝過程的加工工序及工序間的串行與并行關(guān)系；在二維坐標(biāo)平面中構(gòu)建二維坐標(biāo)系，橫軸表示串行工序間的先后次序，縱軸表示并行工序間的并行關(guān)系，依據(jù)工序間的關(guān)系將各工序標(biāo)注到二維坐標(biāo)平面中。為每個(gè)工序?qū)?yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)創(chuàng)建環(huán)節(jié)容器，表示為

（1）

其中，Cti表示第i個(gè)環(huán)節(jié)容器，xi、yi表示環(huán)節(jié)容器在二維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。依據(jù)工序間的關(guān)系，通過單向箭頭將環(huán)節(jié)容器進(jìn)行關(guān)聯(lián)，表示為

（2）

其中，Cn（i，j）表示從環(huán)節(jié)容器i到環(huán)節(jié)容器j之間的單向連接線，n表示工藝過程中工序的數(shù)量。所有的環(huán)節(jié)容器的關(guān)聯(lián)關(guān)系可以用一個(gè)鄰接矩陣G來表征，其中G的元素gi，j定義如下：

（3）

其中，gi，j值為1時(shí)，表示存在由環(huán)節(jié)容器i到環(huán)節(jié)容器j的有向連接；gi，j值為0時(shí)，則表示不存在由環(huán)節(jié)容器i到環(huán)節(jié)容器j的有向連接。

（2）根據(jù)環(huán)節(jié)容器所表示的具體工序，向環(huán)節(jié)容器添加工藝過程輸入輸出要素，表示為

其中，M由環(huán)節(jié)容器集、鄰接矩陣、特征指標(biāo)集組成。

1.2.2 基于工藝場景的數(shù)據(jù)模型

鑄造工藝過程數(shù)據(jù)模型是對鑄造工藝過程數(shù)據(jù)進(jìn)行組織與管理的結(jié)構(gòu)形式。依據(jù)鑄造工藝的輸入、處理和輸出（input， processing and output， IPO）過程（圖3），可以將鑄造工藝過程數(shù)據(jù)分為輸入和輸出兩類，輸入由原材料、能源、設(shè)備、關(guān)鍵工藝參數(shù)等組成，輸出由輸出部件和環(huán)境負(fù)荷等組成。圖3中，VOC表示揮發(fā)性有機(jī)化合物。

鑄造工藝過程數(shù)據(jù)的屬性非常復(fù)雜，包括各類物料、能源、廢液、廢氣、固廢、職業(yè)安全等多種類型，涉及實(shí)測數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)數(shù)據(jù)、預(yù)測數(shù)據(jù)等多種來源，以及不同時(shí)間維度、不同可信度等多特征屬性。本文通過層級維、負(fù)荷維與工藝維三個(gè)維度，以及數(shù)據(jù)的來源性、統(tǒng)計(jì)性與地域性等多方面對數(shù)據(jù)屬性進(jìn)行分析，如圖4所示。

鑒于鑄造工藝過程數(shù)據(jù)屬性的復(fù)雜性，本文引入工藝場景的概念，定義工藝場景為結(jié)合工藝過程數(shù)據(jù)采集與過程控制的實(shí)際情況劃定的工藝要素的集合。在此基礎(chǔ)上提出基于工藝場景的數(shù)據(jù)模型，將工藝過程中的原材料、輔料、設(shè)備等要素以及資源環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)組織起來，以工藝場景為紐帶，對工藝場景中各個(gè)要素以及資源環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和關(guān)聯(lián)，從而將工藝場景數(shù)據(jù)集存放到鑄造工藝環(huán)境影響評價(jià)支持系統(tǒng)中進(jìn)行管理，用以滿足鑄造工藝過程結(jié)構(gòu)組織靈活和動態(tài)變化需求，維護(hù)鑄造工藝過程數(shù)據(jù)的完整性和一致性，解決多樣化鑄造工藝數(shù)據(jù)的存儲、組織和管理等方面的難題，并為工藝過程的環(huán)境影響評價(jià)提供統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)集。工藝場景數(shù)據(jù)模型的示意如圖5所示，構(gòu)建流程包括以下步驟：

（1）根據(jù)鑄造工藝過程環(huán)境影響評價(jià)的需要，選定工藝過程中的一個(gè)或多個(gè)工序，將其命名為一個(gè)工藝場景；

（2）定義工藝場景的構(gòu)成要素，包括工藝場景基本描述、工藝對象、設(shè)備、能源、關(guān)鍵工藝參數(shù)、輔料、環(huán)境負(fù)荷及輸出部件，工藝場景可表示為

S={Sd，Ob，De，En，Pr，Me，Lo，Pt}（11）

其中，S表示工藝場景，Sd表示工藝場景的基本描述；Ob表示工藝對象，即鑄造工藝場景的主要材料；De表示設(shè)備；En表示能源；Pr表示關(guān)鍵工藝參數(shù)；Me表示輔料，即鑄造工藝執(zhí)行過程中起催化、防護(hù)等作用的輔助材料；Lo表示環(huán)境負(fù)荷，即工藝執(zhí)行過程中所產(chǎn)生的廢氣、廢液、廢水等環(huán)境影響與負(fù)荷物質(zhì)集合；Pt表示輸出部件。

（3）構(gòu)建工藝場景要素的數(shù)據(jù)實(shí)體，對工藝場景的每一類實(shí)體構(gòu)建其數(shù)據(jù)實(shí)體，根據(jù)描述該數(shù)據(jù)實(shí)體的需要，構(gòu)建出數(shù)據(jù)實(shí)體的名稱、屬性、主鍵、外鍵。進(jìn)而構(gòu)建數(shù)據(jù)實(shí)體的物理表，將數(shù)據(jù)實(shí)體中的屬性轉(zhuǎn)換為列，并定義列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

1.3 基于實(shí)例模型的工藝過程動態(tài)環(huán)境影響評價(jià)

1.3.1 鑄造工藝過程實(shí)例模型

在前文所述面向環(huán)境影響評價(jià)的鑄造工藝過程數(shù)字孿生模型中，結(jié)構(gòu)化數(shù)字模型從工藝流程出發(fā)，著眼于實(shí)現(xiàn)鑄造工藝物理過程結(jié)構(gòu)特性的數(shù)字化表征，而工藝場景數(shù)據(jù)模型則是從工藝過程數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)形式出發(fā)，著力于實(shí)現(xiàn)鑄造工藝過程信息的抽象化表達(dá)與統(tǒng)一管理。為了將數(shù)字孿生模型應(yīng)用于評價(jià)，需要結(jié)合具體的工藝信息，對孿生模型進(jìn)行實(shí)例化，而實(shí)例模型可以理解為在數(shù)字孿生模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的工藝信息，構(gòu)建的一個(gè)具體工藝過程的數(shù)字化模型，其構(gòu)建流程包括以下步驟。

（1）獲取工藝信息（工藝信息分為環(huán)節(jié)容器信息與要素屬性信息）：

（12）

式中，I表示工藝信息；ICti表示環(huán)節(jié)容器信息；IAtj表示要素屬性信息。

（2）將工藝流程信息輸入到結(jié)構(gòu)化數(shù)字模型中，將要素屬性信息輸入到工藝場景數(shù)據(jù)模型中，其中，結(jié)構(gòu)化數(shù)字模型的環(huán)節(jié)容器通過與其對應(yīng)的環(huán)節(jié)容器信息進(jìn)行描述：

（13）

工藝場景數(shù)據(jù)模型中要素的屬性通過與其對應(yīng)的要素屬性信息進(jìn)行描述：

（14）

（3）構(gòu)建結(jié)構(gòu)化數(shù)字模型與場景數(shù)據(jù)模型的綁定關(guān)系，可表示為

（15）

式中，Pi表示用于表示工藝過程唯一性的主鍵，是實(shí)例模型的根節(jié)點(diǎn)；Pt表示具體工藝過程的名稱;Mo表示工藝過程的結(jié)構(gòu)化數(shù)字模型；{Sn}表示工藝過程的場景數(shù)據(jù)模型；Bi表示結(jié)構(gòu)化數(shù)字模型中的環(huán)節(jié)容器P（x，y）與其所對應(yīng)第n個(gè)場景數(shù)據(jù)模型Sn的綁定關(guān)系，同時(shí)環(huán)節(jié)容器的工藝數(shù)據(jù)由與之綁定的工藝場景數(shù)據(jù)模型進(jìn)行規(guī)范與描述。

基于上述步驟構(gòu)建的鑄造工藝過程實(shí)例模型可通過引用工藝過程主鍵Pi，然后依據(jù)該主鍵獲取其所屬的所有環(huán)節(jié)容器以及環(huán)節(jié)容器綁定的場景數(shù)據(jù)模型，最終實(shí)現(xiàn)工藝過程信息組織框架的構(gòu)建。通過該工藝過程實(shí)例模型構(gòu)建的鑄造工藝過程實(shí)例可從工藝過程的根節(jié)點(diǎn)出發(fā)對其所屬全部環(huán)節(jié)容器進(jìn)行遍歷，即可以實(shí)現(xiàn)具體鑄造工藝過程的所有資源環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)信息的匯總，便于后續(xù)對鑄造工藝過程清單數(shù)據(jù)的整合與計(jì)算。圖6展示了鑄造工藝過程實(shí)例模型的生成機(jī)制。

1.3.2 動態(tài)場景數(shù)據(jù)獲取

實(shí)例模型本質(zhì)上是一個(gè)具體工藝過程的數(shù)字化模型，在每一個(gè)物理工藝制造過程中會產(chǎn)生具體的場景數(shù)據(jù)，通過獲取這些動態(tài)的場景數(shù)據(jù)并與實(shí)例模型進(jìn)行綁定，可以生成保存有工藝過程動態(tài)信息的實(shí)例孿生體。通過對這些實(shí)例孿生體進(jìn)行清單數(shù)據(jù)分析，就可以獲取整個(gè)工藝過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對鑄造工藝過程環(huán)境影響的動態(tài)評價(jià)。

結(jié)合鑄造工藝的生命周期過程，場景數(shù)據(jù)獲取可以分為兩類：一類是在工藝設(shè)計(jì)階段，由于工藝還未實(shí)施，所以如何獲取相關(guān)評價(jià)數(shù)據(jù)，是設(shè)計(jì)評價(jià)階段需要解決的關(guān)鍵問題；另一類是在生產(chǎn)制造階段，由于生產(chǎn)制造階段是工藝過程物理實(shí)施階段，所以可以通過傳感器或人機(jī)交互的形式采集工藝生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場調(diào)整信息。但由于鑄造工藝過程生產(chǎn)流程長、設(shè)備眾多、通信協(xié)議種類多樣，因此生產(chǎn)制造階段評價(jià)要解決的一個(gè)主要問題就是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸、存儲與處理問題。

1.3.2.1 設(shè)計(jì)階段場景數(shù)據(jù)獲取

為了解決工藝設(shè)計(jì)階段評價(jià)數(shù)據(jù)獲取問題，提出一種工藝場景相似度計(jì)算方法，其算法邏輯如圖7所示。具體計(jì)算方法如下：

（1）總體相似度計(jì)算。任意兩個(gè)工藝場景之間的總體相似度由包括各屬性之間的局部相似度以及對應(yīng)的權(quán)重值加權(quán)計(jì)算獲得，總體相似度計(jì)算方法如下：

（16）

式中，X為待獲取資源環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)的目標(biāo)鑄造工藝場景；Yj為可以進(jìn)行匹配的場景實(shí)例集合中第j個(gè)場景實(shí)例；c（X）i、c（Yj）i分別為X和Yj的第i個(gè)場景要素屬性；ω（ci）為場景要素屬性的權(quán)值；s（c（X）i，c（Yj）i）為c（X）i和c（Yj）i的局部相似度。

進(jìn)行總體相似度計(jì)算首先需要確定各工藝場景要素屬性的權(quán)值，本文結(jié)合相似粗糙集理論，采用等間隔法對連續(xù)要素屬性進(jìn)行離散化處理后得到要素屬性離散數(shù)據(jù)權(quán)重決策表T=（U，C∪D，V，f），其中U為論域，A為非空的有限屬性集合，A=C∪D，C為條件要素屬性集，D為決策要素屬性集，V為屬性集合A的值域，f為U和A的信息函數(shù)集，對于ak∈C，屬性ak的重要度δD（ak）可由下式計(jì)算得到：

其中，k從1開始取值，直到滿足：N（S（X，Yj）≥S（k）ε）≥b），N（S（X，Yj）≥S（k）ε表示實(shí)例庫中求出的相似度S大于閾值的工藝場景實(shí)例個(gè)數(shù)，b為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的常數(shù)。

在實(shí)際情況中，由于前期工藝場景實(shí)例庫中存儲的工藝場景實(shí)例較少，隨著系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用，會不斷地將符合工藝場景實(shí)例庫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及需求的工藝場景實(shí)例存儲到數(shù)據(jù)庫中，故需要采用DSTD方法和SSTD方法相結(jié)合的方式確定相似度閾值，通過引入調(diào)節(jié)因子φ1和φ2編寫其實(shí)現(xiàn)過程算法，其計(jì)算過程如下：

（23）

其中，φ1、φ2是為了結(jié)合不同應(yīng)用情況得到合理的相似度閾值而引入的調(diào)節(jié)因子，其值為結(jié)合實(shí)際應(yīng)用設(shè)置的常數(shù)。

最后，工藝場景實(shí)例庫中所有與當(dāng)前設(shè)計(jì)階段工藝場景相似度達(dá)到相似度閾值Sε的工藝場景實(shí)例都被檢索出來作為相似實(shí)例，并將其按照相似度值進(jìn)行降序排列。

1.3.2.2 生產(chǎn)制造階段場景數(shù)據(jù)獲取

生產(chǎn)制造階段的鑄造工藝過程環(huán)境影響評價(jià)流程與工藝設(shè)計(jì)方案環(huán)境影響評價(jià)相同，其主要區(qū)別在于生產(chǎn)制造階段工藝場景數(shù)據(jù)獲取方法與工藝設(shè)計(jì)階段不同。生產(chǎn)制造階段工藝場景數(shù)據(jù)獲取的主要過程是：首先通過傳感器實(shí)時(shí)傳輸并存儲；然后對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行缺失值補(bǔ)償、異常值剔除等實(shí)時(shí)處理；接著將數(shù)據(jù)與其對應(yīng)的工藝場景以及功能單位的基準(zhǔn)流進(jìn)行關(guān)聯(lián)；最后對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，得到生產(chǎn)制造階段的工藝場景數(shù)據(jù)。

1.4 工藝過程環(huán)境影響評價(jià)

通過獲取工藝過程各階段各環(huán)節(jié)的場景數(shù)據(jù)，并與實(shí)例模型進(jìn)行綁定，從而生成保存有工藝過程動態(tài)信息的實(shí)例孿生體。通過對這些實(shí)例孿生體進(jìn)行清單數(shù)據(jù)分析，可以獲取整個(gè)工藝過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對鑄造工藝過程環(huán)境影響的動態(tài)評價(jià)，評價(jià)過程與LCA評價(jià)方法相同，包括目標(biāo)與范圍定義、清單分析、影響評價(jià)和結(jié)果解釋等幾個(gè)階段。

2 應(yīng)用驗(yàn)證示例

基于本文提出的評價(jià)方法，采用JavaWeb技術(shù)設(shè)計(jì)并開發(fā)了鑄造工藝過程環(huán)境影響評價(jià)原型系統(tǒng)。下文以某鑄造企業(yè)3.5 t運(yùn)輸機(jī)V法線鑄造工藝過程的環(huán)境影響評價(jià)為例，對評價(jià)方法應(yīng)用過程進(jìn)行說明。

2.1 鑄造工藝過程實(shí)例模型

工藝過程實(shí)例模型是在工藝場景模型的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際工藝過程信息構(gòu)建的，具體包括熔煉、造型、澆注以及清理四個(gè)環(huán)節(jié)，其構(gòu)建過程示意如圖8所示。

2.2 設(shè)計(jì)階段場景數(shù)據(jù)獲取

以熔煉工藝場景為例，對相似度計(jì)算過程進(jìn)行說明。從數(shù)據(jù)庫中提取影響鑄造工藝過程熔煉工藝場景相似性的特征屬性，具體如下：工藝對象類型（C1）、工藝對象用量（C2）、設(shè)備名稱（C3）、設(shè)備型號（C4）、能源類型（C5）、關(guān)鍵工藝參數(shù)（C6）、輔料類型（C7）、輸出部件名稱（C8）、輸出部件單件質(zhì)量（C9）、輸出部件數(shù)量（C10），其中工藝對象用量的單位為kg，輸出部件單件質(zhì)量的單位為kg，輸出部件數(shù)量的單位為件/年。

采用粗糙集方法進(jìn)行特征屬性約簡，計(jì)算工藝場景實(shí)例各屬性的特征屬性權(quán)值過程如下：

（1）根據(jù)式（17）計(jì)算得到重要度δD（C1）=0.125，δD（C2）=0.238，δD（C3）=0.125，δD（C4）=0.125，δD（C5）=0.125，δD（C6）=0.125，δD（C7）=0.125，δD（C8）=0.226，δD（C9）=0.132，δD（C10）=0.218。

（2）基于上述計(jì)算結(jié)果，根據(jù)式（18）進(jìn)行規(guī)范化處理可得特征屬性權(quán)值如下：ωC1=0.152，ωC2=0.152，ωC3=0.152，ωC4=0.152，ωC5=0.152，ωC6=0.152，ωC7=0.152，ωC8=0.152，ωC9=0.152，ωC10=0.152。

（3）根據(jù)局部相似度計(jì)算公式（式（19）和式（20））可得各要素屬性的局部相似度。以表1所示的工藝場景實(shí)例及相應(yīng)的要素屬性作為對比檢索的源實(shí)例，離散化要素屬性如表2所示，用于對比檢索的目標(biāo)工藝要素屬性如表3所示，經(jīng)過計(jì)算得到表4所示工藝要素屬性的局部相似度。

（4）根據(jù)式（16）完成總體相似度計(jì)算如圖9所示，S（Xm，X1）=0.938 529，S（Xm，X2）=0.637 935，S（Xm，X3）=0.343 297。然后，采用靜態(tài)閾值和動態(tài)閾值相結(jié)合的方法計(jì)算出系統(tǒng)相似度閾值為0.9，最后得到推薦的相似工藝場景，如圖9所示。

2.3 環(huán)境影響評價(jià)

選擇了匹配的工藝場景后，就可以獲取該場景的資源環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)，進(jìn)一步得到清單數(shù)據(jù)（表5），進(jìn)而進(jìn)行環(huán)境影響評價(jià)，其結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，在3.5 t運(yùn)輸機(jī)V法線鑄造工藝過程中，酸化影響潛值的環(huán)境影響最大，其值為0.9866，其次是光化學(xué)氧化物產(chǎn)生潛值，其值為0.1124。工藝過程各環(huán)節(jié)貢獻(xiàn)分析如圖11所示。其中熔煉、造型、澆注以及清理的環(huán)境影響值分別為1.53、0.323、0.0231、0.143，故熔煉工藝場景的環(huán)境影響值最大，即熔煉環(huán)節(jié)對環(huán)境的影響程度最大，更具備節(jié)能減排的潛力。

3 結(jié)語

現(xiàn)有工藝過程環(huán)境影響評價(jià)方法主要是基于一種平均化、合并式的靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)的，而要對工藝過程進(jìn)行動態(tài)評價(jià)，需要解決工藝過程中動態(tài)數(shù)據(jù)的一致性管理問題。針對這一問題，提出了一種基于數(shù)字孿生的鑄造工藝過程環(huán)境影響動態(tài)評價(jià)方法，主要工作總結(jié)如下：

（1）結(jié)合開展鑄造工藝過程環(huán)境影響評價(jià)的功能需求，構(gòu)建了面向環(huán)境影響評價(jià)的鑄造工藝過程數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)了對復(fù)雜工藝過程的結(jié)構(gòu)化表征和多源環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織與管理，能滿足工藝過程結(jié)構(gòu)組織靈活和動態(tài)變化的需求，適應(yīng)不同工藝過程的數(shù)字化建模。

（2）提出了基于數(shù)字孿生的鑄造工藝過程環(huán)境影響評價(jià)方法和設(shè)計(jì)與制造階段工藝過程數(shù)據(jù)的獲取方法。該評價(jià)方法的核心在于以數(shù)字孿生模型為基礎(chǔ)，首先將所獲取的工藝信息與數(shù)字孿生模型結(jié)合，生成鑄造工藝過程的實(shí)例模型；然后將在不同生命周期階段獲取的工藝過程數(shù)據(jù)與實(shí)例模型進(jìn)行綁定，生成實(shí)例化的工藝過程數(shù)字孿生體。通過信息的動態(tài)綁定，實(shí)例模型可以生成不同階段與環(huán)節(jié)的實(shí)例孿生體，這樣工藝過程所有動態(tài)變化信息都可以通過不同階段的實(shí)例孿生體來承載。在進(jìn)行工藝過程環(huán)境影響評價(jià)時(shí)，可以調(diào)用這些實(shí)例孿生體，進(jìn)一步生成清單數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工藝過程的動態(tài)評價(jià)。由于實(shí)例孿生體都是基于同一個(gè)實(shí)例模型構(gòu)建的，而實(shí)例模型是由同一個(gè)孿生模型演化得到的，這保證了工藝過程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一致性；同時(shí)，通過生成不同階段的實(shí)例孿生體實(shí)現(xiàn)動態(tài)場景數(shù)據(jù)的承載，完成了工藝過程動態(tài)數(shù)據(jù)的管理。

在應(yīng)用案例分析部分，本文設(shè)計(jì)的場景要素屬性還比較簡單，但影響資源消耗和環(huán)排數(shù)據(jù)的工藝要素眾多，也非常復(fù)雜，后續(xù)需進(jìn)一步積累相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行研究。同時(shí)，本文主要結(jié)合前期實(shí)驗(yàn)中構(gòu)建的場景數(shù)據(jù)庫，樣本量較小，后續(xù)需積累更加豐富的數(shù)據(jù)。本文所開發(fā)的鑄造工藝過程環(huán)境影響評價(jià)支持系統(tǒng)，僅對評價(jià)方法的部分功能進(jìn)行了驗(yàn)證，因?qū)嶒?yàn)條件的限制，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理是通過仿真進(jìn)行測試的，下一步需結(jié)合其他典型鑄造企業(yè)開展動態(tài)數(shù)據(jù)采集與評價(jià)方法的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步完善評價(jià)方法，并檢驗(yàn)其對不同應(yīng)用場景的適應(yīng)性。

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（編輯 王艷麗）

作者簡介：

谷振宇，男，1975年生，副教授。研究方向?yàn)榫G色制造、數(shù)字孿生、LCA評價(jià)等。E-mail：gzy@cqu.edu.cn。

收稿日期：2022-08-22

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFB2002102）