工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的機(jī)理與路徑研究

尚舵 盧春雨 惠鑫 王磊 陳棟梁 耿介坦

（中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院，北京 100015）

力爭2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，是貫徹新發(fā)展理念、構(gòu)建新發(fā)展格局、推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求，是黨中央統(tǒng)籌國內(nèi)國際兩個(gè)大局作出的重大戰(zhàn)略決策，是著力解決資源環(huán)境約束突出問題、實(shí)現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展的必然選擇，是構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的莊嚴(yán)承諾。實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)任重道遠(yuǎn)，必須完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念，把黨中央決策部署落到實(shí)處。推進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)不僅是破解資源環(huán)境約束突出問題、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要，也是順應(yīng)技術(shù)進(jìn)步趨勢、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)的迫切需要。當(dāng)前，全球已有超過130個(gè)國家承諾在21世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)[1]。

隨著數(shù)字技術(shù)在資源、能源和環(huán)境領(lǐng)域的深度融合與應(yīng)用創(chuàng)新，數(shù)字技術(shù)在實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)中的作用日益受到關(guān)注。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息通信技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟(jì)深度融合的新型基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用模式和工業(yè)生態(tài)，通過對(duì)人、機(jī)、物、系統(tǒng)等的全面連接，構(gòu)建覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈的全新制造和服務(wù)體系，為工業(yè)乃至產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展提供了實(shí)現(xiàn)途徑，是第四次工業(yè)革命的重要基石。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的降本、增效、提質(zhì)、綠色作用不斷釋放。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在碳排放、碳足跡、碳匯等的數(shù)字化監(jiān)測與精準(zhǔn)計(jì)量、數(shù)字化節(jié)能提效、提升能源利用率從而直接或間接減少碳排放量等方面發(fā)揮著重要作用[2]。在“雙碳”目標(biāo)需求牽引下，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為驅(qū)動(dòng)，不僅可帶動(dòng)工業(yè)數(shù)字化、綠色化轉(zhuǎn)型形成新型工業(yè)化體系，還可進(jìn)一步帶動(dòng)能源電力、交通運(yùn)輸、建筑樓宇等制造業(yè)以外行業(yè)的節(jié)能降耗和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，助力我國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

然而，針對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的機(jī)理和路徑還缺乏系統(tǒng)、深入的研究。數(shù)據(jù)與模型是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心基礎(chǔ)，本研究旨在探索工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的機(jī)理，重點(diǎn)闡述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在助力碳排放數(shù)據(jù)精準(zhǔn)監(jiān)測和構(gòu)建“雙碳”拐點(diǎn)預(yù)測模型兩方面的應(yīng)用機(jī)理和建議框架，并在此基礎(chǔ)上深入論述工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)助力不同行業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的機(jī)理，提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在優(yōu)化能源供應(yīng)、實(shí)現(xiàn)能耗優(yōu)化、降低碳排放、精準(zhǔn)實(shí)施碳匯固碳措施等方面助推我國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的有效路徑。同時(shí)，進(jìn)一步提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)碳達(dá)峰、碳中和的有關(guān)對(duì)策建議。

本研究系統(tǒng)性地研究了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)實(shí)現(xiàn) “雙碳”的機(jī)理和路徑方向，在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的進(jìn)程中，為數(shù)字技術(shù)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。

一、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)過程中發(fā)揮了積極作用

（一）國外發(fā)展現(xiàn)狀

在應(yīng)對(duì)氣候變化、助力實(shí)現(xiàn)零碳排放方面，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在全球各地區(qū)正發(fā)揮著積極作用。在制造業(yè)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合用于監(jiān)控制造設(shè)備的能源消耗，優(yōu)化生產(chǎn)過程。西門子推出一款用于產(chǎn)品碳足跡信息記錄、精準(zhǔn)計(jì)算、可信共享以及查詢的解決方案SiGreen[3]，可實(shí)現(xiàn)貫穿供應(yīng)鏈全程的碳排放數(shù)據(jù)可信交換，支持企業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造的碳中和。

在物流交通領(lǐng)域，物流公司通過智能路線規(guī)劃縮短送貨路線和送貨時(shí)間，通過減少直接和間接能源消耗對(duì)氣候產(chǎn)生積極影響。松下的“松下環(huán)境云”平臺(tái)[4]能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測物流電動(dòng)車輛的電量信息等，同時(shí)還可對(duì)碳排放的減少量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)低碳減排。

在能源和公用事業(yè)市場，微軟Azure Time Series Insight和Azure IoT Edge等產(chǎn)品[5]為全球數(shù)百個(gè)可再生能源站點(diǎn)提供技術(shù)支持，可直觀監(jiān)測平臺(tái)運(yùn)行異常情況，提高天氣和生產(chǎn)預(yù)測水平。借助Azure的計(jì)算資源，歐洲能源巨頭ENGIE提高了整體能源生產(chǎn)效率。

在商品全生命周期管理方面，沃爾沃卡車借助PTC工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)[6]在設(shè)計(jì)過程中保證產(chǎn)品的綠色、節(jié)能，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在使用過程中的能效最佳。

根據(jù)世界經(jīng)濟(jì)論壇2018年的測算，84%的全球工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應(yīng)用正在對(duì)聯(lián)合國碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)提供幫助[7]，其中制造業(yè)和能源領(lǐng)域貢獻(xiàn)占比均在20%～25%。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)集成物聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能技術(shù)可以有效減少全世界15%的碳排放量，體現(xiàn)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)碳中和的重要價(jià)值。

（二）國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)助力碳達(dá)峰碳中和工作開展主要是依托各個(gè)重點(diǎn)碳排放行業(yè)展開。當(dāng)前，正在與鋼鐵、化工、建材等重點(diǎn)碳排放領(lǐng)域深度融合，并從生產(chǎn)、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、接收、利用處置、環(huán)境容納等各個(gè)方面助力各行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)。

國內(nèi)研究人員提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在碳達(dá)峰碳中和方面的參考架構(gòu)和應(yīng)用，可包含智能數(shù)字化碳感知層、數(shù)字化碳管理平臺(tái)層、數(shù)字化基礎(chǔ)保障層、數(shù)字化行業(yè)應(yīng)用層、數(shù)字化全鏈條應(yīng)用、數(shù)字化碳資產(chǎn)經(jīng)營、數(shù)字化政府應(yīng)用幾大方面[8]。具體應(yīng)用如圖1所示。

圖1 碳達(dá)峰碳中和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系規(guī)劃藍(lán)圖

當(dāng)前，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在國內(nèi)“雙碳”領(lǐng)域的應(yīng)用主要是利用數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)低碳生產(chǎn)，降低污染物排放水平。在設(shè)備管理、生產(chǎn)過程管控、制造工藝管理等環(huán)節(jié)通過生產(chǎn)優(yōu)化、能耗與排放管控來提升用能效率，優(yōu)化物料資源，降低碳排放。例如，優(yōu)也平臺(tái)[9]對(duì)全工序能源介質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)映射，構(gòu)建跨工序協(xié)同優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)以單位小時(shí)成本最小化與利潤最大化的能源整體平衡；東方國信工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)Cloudiip平臺(tái)[10]開發(fā)出大量實(shí)用APP來助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提高生產(chǎn)效率；浙江“雙碳智治平臺(tái)”[11]已實(shí)現(xiàn)全省、分領(lǐng)域、分地市的能源消費(fèi)、碳排放總量、能耗強(qiáng)度和碳排放強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，助力實(shí)現(xiàn)減碳目標(biāo)；上海浦東智慧能源雙碳云平臺(tái)[12]為政府部門、能源企業(yè)、用能客戶提供能源碳監(jiān)測、能源碳評(píng)估及能源碳預(yù)測等功能。

隨著我國碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略的實(shí)施，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)將持續(xù)從各個(gè)行業(yè)的綠色化、低碳化發(fā)展需求入手，不斷拓展平臺(tái)應(yīng)用價(jià)值與業(yè)務(wù)場景，步入以環(huán)境友好型為價(jià)值導(dǎo)向的新型發(fā)展時(shí)期。

（三）存在的問題

整體而言，如何借助快速發(fā)展的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的機(jī)理、路徑研究尚處于初步探索階段。

（1）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在碳足跡監(jiān)測、碳匯測量等領(lǐng)域的研究與應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。關(guān)于碳排放監(jiān)測尚未形成一體化模式，空間、地面和城市碳等監(jiān)測平臺(tái)并未整合，仍是割裂的數(shù)字化監(jiān)測平臺(tái)，未形成天地空一體化的整體研究模式。

（2）面對(duì)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)要求，傳統(tǒng)的碳排放與碳吸收計(jì)量與預(yù)測存在精準(zhǔn)度不高、預(yù)測效果不佳等問題。一方面，碳排放因子體系有待優(yōu)化。碳排放的影響因素復(fù)雜多樣，簡單采用人均國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）、人口規(guī)模、城鎮(zhèn)化率、技術(shù)水平、第二產(chǎn)業(yè)占比等指標(biāo)作為碳排放驅(qū)動(dòng)因子，無法有效支撐對(duì)碳排放和碳吸收的全面精確計(jì)量。另一方面，預(yù)測效果有待進(jìn)一步提升。受時(shí)間跨度長、未來政策變化等不確定因素的影響，各部門各地區(qū)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)之間存在復(fù)雜關(guān)系，對(duì)不同時(shí)期、不同情景下的碳達(dá)峰與碳中和進(jìn)程難以實(shí)現(xiàn)有效預(yù)測。

二、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)助力精準(zhǔn)碳排放監(jiān)測與“雙碳”拐點(diǎn)預(yù)測的模型機(jī)理

實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，必須首先摸清碳家底，即通過碳排放的實(shí)時(shí)監(jiān)測梳理形成當(dāng)前的碳排放情況，找到現(xiàn)狀與目標(biāo)之間的差距，從而評(píng)估不同技術(shù)條件和政策情景下的差異，支撐制定科學(xué)可行的碳減排計(jì)劃。面對(duì)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)要求，傳統(tǒng)的碳排放與碳吸收計(jì)量與預(yù)測存在精準(zhǔn)度不高、預(yù)測效果不佳等問題。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)憑借其數(shù)字化技術(shù)集成的優(yōu)勢，通過對(duì)不同區(qū)域、不同主體的碳排放與碳捕捉、碳封存情況進(jìn)行分析，動(dòng)態(tài)跟蹤變動(dòng)趨勢[13]，在更廣范圍、更深層次、更高精度方面對(duì)CO2全生命周期變動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測與預(yù)測，有效解決精準(zhǔn)度不高和預(yù)測效果不佳的問題。

（一）“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+‘空天地一體化’”技術(shù)精準(zhǔn)感知碳排放和碳濃度

“空天地一體化”技術(shù)（圖2）利用地基觀測場站、遙感衛(wèi)星、航空器等分別對(duì)重點(diǎn)企業(yè)點(diǎn)源形式的碳排放和大氣邊界層內(nèi)（距地面高度為1～2km）以及特定高度和經(jīng)緯度的CO2在高精度指標(biāo)與廣覆蓋范圍上加以監(jiān)測，助力形成全覆蓋、多尺度（全球－國家－城市/重點(diǎn)區(qū)域－企業(yè)）、高精度的立體化監(jiān)測體系。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與“空天地一體化”監(jiān)測網(wǎng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)碳感知設(shè)備在空天地多維度的數(shù)據(jù)采集和通信傳輸，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的模型算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與融合計(jì)算，最終可得到CO2當(dāng)量等濃度指標(biāo)的碳排放實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)量表達(dá)以及碳濃度當(dāng)量的數(shù)據(jù)計(jì)量表達(dá)。

圖2 基于（空天地一體化）的碳排放監(jiān)測布局示意圖

中國科學(xué)院空天信息研究院開發(fā)的“空天地一體化碳源碳匯綜合監(jiān)測管理治理平臺(tái)”[14]集合了衛(wèi)星遙感監(jiān)測、飛艇遙感監(jiān)測、無人機(jī)監(jiān)測和地面監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建了城市上空“500km（衛(wèi)星）－20km（飛艇）－100m（無人機(jī)）”的城市外源空間大氣溫室氣體和生態(tài)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)采用地表檢測手段對(duì)城市工業(yè)、能源、建筑、交通、農(nóng)業(yè)及居民等碳排放主體采用地的溫室氣體數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，形成了多維度、多種類、大范圍的碳排放和碳濃度監(jiān)測、計(jì)量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

由于排放到大氣中的溫室氣體濃度具有流動(dòng)性和擴(kuò)散性，在獲取不同高度碳排放實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，需結(jié)合高斯煙羽模型（Gauss plume model）等污染物氣體擴(kuò)散模型進(jìn)行多源數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)模型融合。常見的融合模型包括濃度流速實(shí)測法[15]、多源衛(wèi)星長時(shí)間序列數(shù)據(jù)融合生產(chǎn)XCO2方法[16]。其中，濃度流速實(shí)測法基于排放源實(shí)測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算、匯總得到相關(guān)碳排放量?，F(xiàn)場測量一般是在煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）中搭載碳排放監(jiān)測模塊，通過連續(xù)監(jiān)測濃度和流速直接測量其排放量。但對(duì)于工業(yè)企業(yè)引發(fā)的城市、區(qū)域CO2排放，主要是利用高精度主要溫室氣體和氣象要素進(jìn)行協(xié)同監(jiān)測，借助光腔衰蕩光譜法、離軸積分腔輸出光譜法以及氣相色譜法等監(jiān)測得到CO2等溫室氣體通量。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為多源異構(gòu)數(shù)據(jù)以及多種模型融合計(jì)算提供技術(shù)支撐，在云計(jì)算算力的支持下，計(jì)算CO2當(dāng)量等濃度指標(biāo)的碳排放和碳濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果，為精準(zhǔn)碳計(jì)量提供一種技術(shù)手段。

（二）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)助力實(shí)現(xiàn)對(duì)多情景碳達(dá)峰、碳中和進(jìn)程的精準(zhǔn)預(yù)測

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在助力碳達(dá)峰預(yù)測時(shí)，需要圍繞碳排放量和達(dá)峰時(shí)間兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，抓住自身“數(shù)據(jù)+模型”的本質(zhì)特征，以國家減排目標(biāo)為導(dǎo)向，以歷史碳排放數(shù)據(jù)和借助數(shù)字化技術(shù)監(jiān)測、核算得到的當(dāng)前碳排放數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依托碳排放預(yù)測模型對(duì)碳達(dá)峰時(shí)的碳排放量和達(dá)峰時(shí)間加以預(yù)測，并對(duì)碳排放的主要影響因素加以梳理，為研究制定可操作、可落地的碳減排路徑和行動(dòng)計(jì)劃提供科學(xué)支撐。

碳排放監(jiān)測數(shù)據(jù)屬于時(shí)間序列數(shù)據(jù)，在基于歷史和當(dāng)前碳排放數(shù)據(jù)的時(shí)間序列預(yù)測模型方面，可借助離散二階差分方程預(yù)測方法（DDEPM方法）。分析歷史數(shù)據(jù)特征時(shí)發(fā)現(xiàn)，中國的碳排放時(shí)間序列數(shù)據(jù)呈現(xiàn)整體增長而并非逐年增長的不規(guī)律性。DDEPM方法可以很好地適應(yīng)時(shí)間序列的不規(guī)律性，對(duì)不穩(wěn)定增長的時(shí)間序列數(shù)據(jù)預(yù)測具有較大優(yōu)勢，從而可對(duì)中國碳排放進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測。DDEPM方法是非線性的，一些無法擬合到線性的點(diǎn)可以被DDEPM的預(yù)測曲線所擬合，因此其預(yù)測值客觀性較強(qiáng)。

研究表明，在預(yù)測碳排放時(shí)，另一個(gè)重點(diǎn)是注重影響碳排放因素的選取，在考慮預(yù)測模型中的主要影響因素時(shí)，需要知悉國家當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能源消耗和各產(chǎn)業(yè)能源利用效率的情況。多數(shù)學(xué)者采用模型預(yù)測與經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景分析相結(jié)合的方法，所涉模型主要包括IPAT模型、隨機(jī)回歸影響模型（STIRPAT模型）、Logistic模型、Tapio脫鉤模型等[17]。STIRPAT模型來源于IPAT模型，盡管IPAT模型屬于線性分析模型，但STIRPAT模型屬于非線性分析模型。STIRPAT模型是目前研究碳排放峰值問題時(shí)應(yīng)用最廣泛且公認(rèn)度較高的模型，且可以定量研究碳排放與各影響因素之間的關(guān)系，具有較好的靈活性和一定的拓展空間。渠慎寧[18]等對(duì)中國1980—2008年的時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，利用STIRPAT模型在先前回歸的基礎(chǔ)上對(duì)今后中國碳排放的峰值出現(xiàn)時(shí)間進(jìn)行了預(yù)測，并得到如表1所示預(yù)測結(jié)果。在STIRPAT模型構(gòu)建過程中，利用回歸分析方法構(gòu)建模型是常用方法，也即回歸分析是構(gòu)建STIRPAT模型的前置工作。

表1 基于STIRPAT模型的中國碳排放峰值預(yù)測結(jié)果

從模型角度看，STIRPAT模型可應(yīng)用于基于場景的結(jié)果預(yù)測分析。模型預(yù)測與經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)的情景相結(jié)合時(shí)，需要考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展高、中、低情景的合理劃分。目前，國內(nèi)比較權(quán)威的是國家發(fā)展和改革委員會(huì)能源研究所預(yù)測的3個(gè)排放情景，即基準(zhǔn)情景、低碳情景和強(qiáng)化低碳情景[19]。低碳情景預(yù)測值可以作為碳排放最佳可能范圍的下限；強(qiáng)化低碳情景可以作為未來碳排放的最小預(yù)測情景。

綜合利用DDEPM法[20]與STIRPAT模型，并結(jié)合影響因素來預(yù)測碳達(dá)峰時(shí)的排放量和達(dá)峰時(shí)間的框架思路（圖4）如下：在歷史數(shù)據(jù)、現(xiàn)狀監(jiān)測數(shù)據(jù)和離散二階差分方程時(shí)間序列預(yù)測的基礎(chǔ)上加以回歸，利用STIRPAT模型并考慮選定的碳排放影響因素，對(duì)今后中國碳排放的峰值和峰值出現(xiàn)時(shí)間進(jìn)行預(yù)測。其中，選定的碳排放影響因素可由工業(yè)經(jīng)濟(jì)總體情況推演，具體數(shù)據(jù)由工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上的宏觀工業(yè)經(jīng)濟(jì)指數(shù)、關(guān)鍵工序數(shù)控化率、數(shù)字化研發(fā)工具普及率、制造業(yè)單位能耗等核心指數(shù)計(jì)算形成。

圖4 多情景碳達(dá)峰、碳中和進(jìn)程的預(yù)測框架

三、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)助力產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的路徑

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)憑借其與行業(yè)融合的特征，可將數(shù)字技術(shù)與綠色低碳技術(shù)深度融合，從而在研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、運(yùn)營服務(wù)等環(huán)節(jié)，幫助企業(yè)、地區(qū)乃至全社會(huì)摸清碳“家底”、規(guī)劃碳路徑、提高能源綜合運(yùn)行效率，從源頭到過程到整體推動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能減排。

（一）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)助力能源供給更加清潔、高效

當(dāng)前，我國加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，能源產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、智能化升級(jí)是提升能源產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化水平、構(gòu)建現(xiàn)代能源體系新階段的重要途徑。國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，提出推動(dòng)能源生產(chǎn)消費(fèi)方式綠色低碳變革?！笆奈濉睍r(shí)期，重點(diǎn)做好增加清潔能源供應(yīng)能力的“加法”和減少能源產(chǎn)業(yè)鏈碳排放的“減法”，推動(dòng)形成綠色低碳的能源消費(fèi)模式。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為全球第四次工業(yè)革命的重要基石，將在應(yīng)對(duì)非化石能源間歇性、預(yù)測可再生能源出力情況、支撐可再生能源主動(dòng)支撐電網(wǎng)運(yùn)營等方面都將發(fā)揮重要作用，支撐我國能源體系朝著更加清潔、更高效率、更加智能的方向演進(jìn)。

1.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)助力煤炭等化石能源的清潔化利用

在煤炭開采和洗選過程中，燃料燃燒、電力和熱力供應(yīng)是CO2的主要排放源。煤炭工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可在煤炭采掘、洗選和利用的全過程中助力實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)智能化[21]，提高生產(chǎn)系統(tǒng)綜合效率，實(shí)現(xiàn)全過程降耗、減污和降碳。以煤炭清潔利用為例，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可對(duì)配煤摻燒、煤炭清潔轉(zhuǎn)化工藝過程監(jiān)管、超臨界循環(huán)流化床鍋爐流態(tài)優(yōu)化，以及與可再生能源耦合利用等方面進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)控；可以運(yùn)用數(shù)字技術(shù)構(gòu)建質(zhì)量管控前移場景應(yīng)用和智慧管理體系，構(gòu)建精益化決策平臺(tái)，將全廠蒸汽、循環(huán)水、氣化爐、甲醇合成碳?xì)浔鹊饶芎膮?shù)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，從而降低清潔利用過程中的碳排放水平。例如，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的廣域銘島數(shù)字化智能配煤解決方案[22]（圖5）幫助廣西百色市百礦集團(tuán)實(shí)現(xiàn)煤耗降低10%，年化效益超過2500萬元。

圖5 數(shù)字化智能配煤解決方案

2.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)助力構(gòu)建新型電力系統(tǒng)

在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)時(shí)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)助力打造電源側(cè)靈活調(diào)度機(jī)制，通過對(duì)電網(wǎng)側(cè)負(fù)荷的精準(zhǔn)識(shí)別與趨勢預(yù)測，助力實(shí)現(xiàn)電源側(cè)多能互補(bǔ)調(diào)度運(yùn)行，打造彈性、靈活的能源調(diào)度機(jī)制，從電源端實(shí)現(xiàn)數(shù)字技術(shù)賦能，降低能源系統(tǒng)運(yùn)行成本和能源轉(zhuǎn)換效率。

海寧風(fēng)光儲(chǔ)充+冷熱電三聯(lián)供微電網(wǎng)項(xiàng)目通過打造海寧正泰工業(yè)園區(qū)智能光伏、儲(chǔ)能、充電系統(tǒng)一體化微電網(wǎng)應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一套多能互補(bǔ)的綜合能源管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)、新能源、儲(chǔ)能、配電系統(tǒng)、冷熱負(fù)荷等的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化、無人值守運(yùn)維、調(diào)度管理控制等，保障系統(tǒng)平穩(wěn)、高效、綠色、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行（圖6）。在能源利用效率方面，避免了清潔能源發(fā)電的波動(dòng)性、隨機(jī)性帶來的不穩(wěn)定問題，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)的可再生能源高效、高質(zhì)量利用，約能降低園區(qū)10%的用能成本[23]。

圖6 正泰多能互補(bǔ)管理平臺(tái)

（二）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)助力工業(yè)領(lǐng)域更加綠色節(jié)能

賽迪數(shù)據(jù)顯示，工業(yè)是碳排放的重要領(lǐng)域，約占總碳排放量的70%。近年來，我國工業(yè)綠色發(fā)展取得了明顯成效。數(shù)據(jù)顯示，2012—2022年我國規(guī)模以上工業(yè)單位增加值能耗累計(jì)下降幅度超過36%，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益雙贏。積極推動(dòng)工業(yè)綠色低碳發(fā)展在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)中承擔(dān)著重要使命。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，助力產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈升級(jí)和結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化，促進(jìn)生產(chǎn)生活方式綠色創(chuàng)新變革，推動(dòng)降低社會(huì)總體能耗強(qiáng)度。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與碳排放數(shù)據(jù)的統(tǒng)一匯聚，實(shí)現(xiàn)新一代信息技術(shù)和降碳技術(shù)的深度融合，加速賦能模式落地，為綠色生產(chǎn)提供參考。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與工業(yè)機(jī)理的結(jié)合有助于建立最優(yōu)能效模型及評(píng)價(jià)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)能源精細(xì)化管理，最終達(dá)到節(jié)能減碳的效果，即：先從源頭上“踩穩(wěn)油門”，后在細(xì)節(jié)中“精打細(xì)算”，從而實(shí)現(xiàn)總體脫碳。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能下，企業(yè)生產(chǎn)力、工作效率和能源利用效率得到提升，使能源使用和碳排放量有效減少，實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效。

以建材行業(yè)為例，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與建材行業(yè)特有的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、需求相結(jié)合，加速工業(yè)機(jī)理模型的匯聚沉淀，實(shí)現(xiàn)對(duì)碳排的放在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)采集分析、窯爐優(yōu)化控制等提升能源資源綜合利用效率，促進(jìn)全鏈條生產(chǎn)工序清潔化和低碳化。海螺水泥依托“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”智慧水泥綜合體[24]（圖7）節(jié)約電力4億千瓦時(shí)，CO2減排74.77萬噸、污染物減排3萬噸、SCR脫硝效率達(dá)90%，同時(shí)使員工勞動(dòng)強(qiáng)度降低21%。

圖7 海螺“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”智慧水泥綜合體示例

（三）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)助力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)是我國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在動(dòng)力，是推進(jìn)碳減排、實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的重要方式，其本質(zhì)是通過提高產(chǎn)出效率和促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)合理設(shè)置，促使產(chǎn)業(yè)體系中相對(duì)較為高級(jí)的產(chǎn)業(yè)逐漸成為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，其方向是高技術(shù)化和高集約化。

從宏觀層面看，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為核心的數(shù)字產(chǎn)業(yè)組織形式通過匯聚海量產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，推動(dòng)生產(chǎn)要素和碳排放額度在不同產(chǎn)業(yè)之間的合理配置，由此實(shí)現(xiàn)使用效率的最大化，在減少資源消耗的同時(shí)，利用市場手段提高全社會(huì)碳減排的積極性，助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。從微觀層面看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)促使企業(yè)生產(chǎn)工藝轉(zhuǎn)型升級(jí)和低碳技術(shù)發(fā)展，幫助企業(yè)提升生產(chǎn)效率，減少碳排放，由此推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比重朝著低碳化轉(zhuǎn)型升級(jí)。

四、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)碳達(dá)峰、碳中和的有關(guān)對(duì)策建議

目前，“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+雙碳”融合發(fā)展取得一定實(shí)效，但仍面臨一系列挑戰(zhàn)。一是面向具體行業(yè)開展“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+雙碳”具體實(shí)施方案仍然缺失；二是企業(yè)節(jié)能降耗空間巨大，但數(shù)字化能力不足；三是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的落地和普及仍面臨技術(shù)復(fù)雜和成本高等難題；四是與各行業(yè)高能耗環(huán)節(jié)的深度融合應(yīng)用程度還有所不足；五是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系仍需進(jìn)一步健全。

為了更好地發(fā)揮工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)碳達(dá)峰、碳中和的技術(shù)支撐和產(chǎn)業(yè)培育作用，國家和行業(yè)應(yīng)當(dāng)從完善政策指引、夯實(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、加快數(shù)字化改造、加大產(chǎn)業(yè)培育、增強(qiáng)人才支撐5個(gè)方面，推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成為工業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型的新動(dòng)能。

（一）完善政策指引

一是各有關(guān)行業(yè)持續(xù)制定利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)碳達(dá)峰、碳中和的實(shí)施方案，指導(dǎo)各行業(yè)企業(yè)因業(yè)施策。二是完善財(cái)稅政策，推動(dòng)各級(jí)政府加大對(duì)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+綠色低碳”產(chǎn)業(yè)發(fā)展、技術(shù)研發(fā)的支持力度。三是積極發(fā)展綠色金融，完善綠色金融標(biāo)準(zhǔn)體系。四是鼓勵(lì)社會(huì)資本設(shè)立綠色低碳產(chǎn)業(yè)投資基金。五是用市場機(jī)制刺激節(jié)能要求。

（二）夯實(shí)雙碳數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

一是加快推動(dòng)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+綠色低碳”新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。二是加快推動(dòng)重點(diǎn)行業(yè)能源管理體系、標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量體系建設(shè)，完善碳排放核算標(biāo)準(zhǔn)，建立健全重點(diǎn)行業(yè)碳排放數(shù)據(jù)管理制度和相關(guān)法律法規(guī)。三是推動(dòng)碳排放數(shù)據(jù)通過供應(yīng)鏈傳遞。四是鼓勵(lì)產(chǎn)學(xué)研合作，開發(fā)數(shù)量更多、質(zhì)量更優(yōu)的碳監(jiān)測、碳減排大數(shù)據(jù)工具。

（三）加快數(shù)字化改造

一是推動(dòng)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)實(shí)施技術(shù)改造和優(yōu)化配置。二是在傳統(tǒng)用能領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在關(guān)鍵能耗環(huán)節(jié)的使用，降低生產(chǎn)過程碳排放。三是強(qiáng)化能源、能耗數(shù)據(jù)的采集、匯聚及分析能力，切實(shí)服務(wù)能耗監(jiān)測及能源管理水平提升。四是推動(dòng)數(shù)字技術(shù)賦能中小企業(yè)綠色化轉(zhuǎn)型。

（四）加大產(chǎn)業(yè)培育力度

一是持續(xù)鼓勵(lì)電信企業(yè)、信息服務(wù)企業(yè)和工業(yè)企業(yè)加強(qiáng)合作，統(tǒng)籌共享低碳信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和工業(yè)大數(shù)據(jù)資源。二是聚焦能源管理、節(jié)能降碳等典型場景，培育推廣標(biāo)準(zhǔn)化的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+綠色低碳”解決方案和工業(yè)APP，助力行業(yè)和區(qū)域綠色化轉(zhuǎn)型。三是深化中小企業(yè)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+綠色低碳”融合應(yīng)用。

（五）增強(qiáng)人才支撐

一是大力推動(dòng)學(xué)科融合建設(shè)。鼓勵(lì)相關(guān)高校等結(jié)合數(shù)字減碳技術(shù)和服務(wù)需求，積極開設(shè)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+能耗減排”“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+環(huán)境工程”等相關(guān)課程。二是深化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)教融合，建設(shè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)公共實(shí)訓(xùn)基地和高技能人才培養(yǎng)基地，培育更多創(chuàng)新實(shí)踐人才。三是院校應(yīng)以多種形式參與企業(yè)內(nèi)設(shè)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)建設(shè)，形成產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合的培育機(jī)制，鼓勵(lì)一線數(shù)字化碳排放管理人員、技術(shù)專家等到高校開展培訓(xùn)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展與人才培育的銜接。

五、結(jié)論

本研究系統(tǒng)地研究了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)實(shí)現(xiàn)“雙碳”的機(jī)理和路徑方向，梳理了相關(guān)典型實(shí)踐案例，提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)行業(yè)企業(yè)低碳綠色轉(zhuǎn)型的主要路徑，即：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)助力優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提供清潔、安全、高效的能源供應(yīng)；助力工業(yè)領(lǐng)域更加綠色節(jié)能；助力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展。進(jìn)一步從完善政策指引、夯實(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、加快數(shù)字化改造、加大產(chǎn)業(yè)培育、增強(qiáng)人才支撐5個(gè)方面為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提出了策略和建議，為數(shù)字技術(shù)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。