工業(yè)AI 技術(shù)推動造紙工業(yè)節(jié)能減碳：基于大系統(tǒng)思維的探討與實踐

摘要： 造紙工業(yè)作為資源和能源密集型產(chǎn)業(yè)，面臨著日益嚴(yán)格的碳減排壓力和環(huán)保要求。而工業(yè)AI 技術(shù)則為低碳發(fā)展提供了全新的可能性。本文以造紙工業(yè)為研究對象，基于大系統(tǒng)思維和“數(shù)實融合閉環(huán)系統(tǒng)”的理念，探討工業(yè)AI技術(shù)在碳減排中的應(yīng)用，從數(shù)據(jù)價值化、工藝AI技術(shù)到大系統(tǒng)思維的實踐，分析其對生產(chǎn)效率、資源利用和碳排放的影響。分析表明大系統(tǒng)思維和工業(yè)AI技術(shù)的結(jié)合，可顯著提升造紙工業(yè)的資源利用效率，減少碳排放，助力造紙工業(yè)向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型。

關(guān)鍵詞：造紙工業(yè)；工業(yè)AI技術(shù)；碳減排；大系統(tǒng)思維

中圖分類號：TS7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 02. 001

造紙工業(yè)是關(guān)系到國計民生的基礎(chǔ)性材料工業(yè)，又是典型的能源資源密集型行業(yè)，貢獻(xiàn)了工業(yè)總碳排放量的2%左右[1-2]。因此，造紙工業(yè)是計劃第一階段納入全國碳排放交易市場的行業(yè)之一。造紙工業(yè)降低碳排放的主攻方向是節(jié)能，提高能源效率。自2000年以來，我國造紙工業(yè)在結(jié)構(gòu)節(jié)能、管理節(jié)能和技術(shù)節(jié)能3方面[3-4]均做了大量卓有成效的工作，取得了顯著成績，能源效率有了很大的提高，如2010年我國紙和紙板的平均綜合年耗約為680 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤/t，2020年下降到了480 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/t[5]。但我國造紙工業(yè)在雙碳目標(biāo)下實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型乃面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[6-7]，進(jìn)入了深水區(qū)。

隨著工業(yè)智能化技術(shù)的發(fā)展，為造紙工業(yè)提供了一種從根本上優(yōu)化生產(chǎn)過程的全新手段，尤其是通過工業(yè)AI技術(shù)及其“數(shù)實融合閉環(huán)系統(tǒng)”理念，可實現(xiàn)碳減排與產(chǎn)業(yè)升級的雙贏[8-12]。因此，當(dāng)前應(yīng)盡快研究和制定造紙工業(yè)能量系統(tǒng)與碳足跡的計算方法和診斷方法標(biāo)準(zhǔn)，抓住制造業(yè)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型與低碳轉(zhuǎn)型相互交匯的大好機遇，重視工業(yè)AI技術(shù)的研發(fā)和推廣應(yīng)用。

本文旨在基于造紙工業(yè)的特性，研究大系統(tǒng)思維與工業(yè)AI技術(shù)在造紙工藝優(yōu)化和碳減排中的具體應(yīng)用，通過對智能化技術(shù)路徑的分析，為傳統(tǒng)造紙工業(yè)向智能化、低碳化轉(zhuǎn)型提供理論支持和實踐參考。

1 造紙工業(yè)的節(jié)能減碳進(jìn)程進(jìn)入了深水區(qū)

造紙工業(yè)是傳統(tǒng)流程制造業(yè)。傳統(tǒng)流程制造業(yè)的內(nèi)在特點如下：①生產(chǎn)過程是由異質(zhì)異構(gòu)的相關(guān)裝備生產(chǎn)線與物料流和能源（量） 流組成的過程集群（網(wǎng)絡(luò)），制造過程用整體協(xié)同的方式運行，即生產(chǎn)過程具有整體集成性。②生產(chǎn)過程中以動態(tài)運行的物料流和能源流為要素并在相應(yīng)流程網(wǎng)絡(luò)中按程序運行，即生產(chǎn)流程具有連續(xù)流與網(wǎng)絡(luò)性。③原材料狀態(tài)復(fù)雜和生產(chǎn)工況波動大，參數(shù)需實時設(shè)定去保證產(chǎn)品質(zhì)量。④生產(chǎn)運行過程伴隨著動態(tài)非線性且耦合的物理化學(xué)變化，過程復(fù)雜而難以數(shù)字化、機理復(fù)雜而難以建立數(shù)學(xué)模型。

圖1所示為造紙生產(chǎn)過程的物料流，物料流主要包括原料獲取、制漿、造紙和廢水處理等環(huán)節(jié)。圖2所示為造紙生產(chǎn)過程的能量流，該能量流由能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、能量利用環(huán)節(jié)、能量回收環(huán)節(jié)等“三環(huán)節(jié)”之間耦合而轉(zhuǎn)換應(yīng)用。

這些復(fù)雜異構(gòu)系統(tǒng)造成了傳統(tǒng)流程制造業(yè)企業(yè)運營具有非線性、大滯后、多變量、多輸入輸出、不確定性因素多的內(nèi)在特點，生產(chǎn)過程中原材料狀態(tài)復(fù)雜性和生產(chǎn)工況不確定性與產(chǎn)品質(zhì)量的統(tǒng)一性之間的矛盾十分突出。用傳統(tǒng)的線性思維方法去組織管理和控制復(fù)雜的異構(gòu)大系統(tǒng)，用“分頭把關(guān)，各管一段”的局部管控和優(yōu)化方法，過分強調(diào)各環(huán)節(jié)的管控和優(yōu)化，效果可能適得其反，其結(jié)果是全局管控粗放、效率較低、能耗高。因此，解決這些深水區(qū)的問題，則需轉(zhuǎn)變思維方式和技術(shù)手段。

2 應(yīng)用大系統(tǒng)思維研發(fā)工業(yè)AI 技術(shù)的思路

在當(dāng)今數(shù)字化和人工智能時代，互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的出現(xiàn)和逐步成熟，將深刻改變?nèi)祟惖乃季S、生產(chǎn)、生活和社會管理方式。運用大系統(tǒng)思維方法綜合地考察和處理問題，是現(xiàn)代經(jīng)濟、科技和社會發(fā)展的客觀要求。

2. 1 大系統(tǒng)與大系統(tǒng)思維

大系統(tǒng)是由多個子系統(tǒng)構(gòu)成的有機整體，其核心特征包括：整體結(jié)構(gòu)閉環(huán)、具有自我優(yōu)化能力和動態(tài)平衡特性[13-14]。大系統(tǒng)思維倡導(dǎo)以整體效益最大化為目標(biāo)，把要達(dá)到的目標(biāo)、實現(xiàn)目標(biāo)的過程、過程的優(yōu)化、對未來及周邊的影響等一系列問題作為一個整體進(jìn)行研究，達(dá)到“整體效率大于局部效率相加之和（1+1gt;2） ”的整體效益最優(yōu)的效果。

針對造紙工業(yè)復(fù)雜異構(gòu)系統(tǒng)的特性，研究其碳排放問題，必須應(yīng)用大系統(tǒng)思維，就是要對全鏈條碳排放進(jìn)行優(yōu)化管理，不僅關(guān)注企業(yè)自身的生產(chǎn)能耗，還將上下游供應(yīng)鏈的原材料生產(chǎn)、運輸及廢棄物處理納入考量。

2. 2 工業(yè)AI技術(shù)的研發(fā)思路

應(yīng)用大系統(tǒng)思維研發(fā)工業(yè)AI技術(shù)，具體邏輯框架圖如圖3所示。首先，構(gòu)建由數(shù)字（C） 空間和實體（生產(chǎn)過程）（P） 空間組成的“數(shù)實融合”生產(chǎn)運營大系統(tǒng)，該大系統(tǒng)由生產(chǎn)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)要素和傳統(tǒng)生產(chǎn)三要素（勞動者、勞動資料和勞動對象） 組成的閉環(huán)系統(tǒng)，全過程生產(chǎn)要素數(shù)據(jù)則能在系統(tǒng)中互聯(lián)和閉環(huán)流動。其次，把數(shù)據(jù)資源送至數(shù)字空間后，通過算法（人工智能模型） 和算力把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒅R，把知識轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)化決策，在數(shù)據(jù)的流動中，用優(yōu)化決策去重構(gòu)優(yōu)化傳統(tǒng)生產(chǎn)三要素，化解復(fù)雜系統(tǒng)的不確定性，以提高效益，創(chuàng)造新的價值[15-16]。

數(shù)實融合生產(chǎn)運營大系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)單一環(huán)節(jié)的技術(shù)改進(jìn)，也能對工業(yè)的系統(tǒng)性和動態(tài)性進(jìn)行協(xié)同，可助力實現(xiàn)過程優(yōu)化與碳減排的深度融合，在實現(xiàn)智能制造的同時實現(xiàn)工業(yè)智能化碳減排。

3 工藝AI 技術(shù)及其應(yīng)用

3. 1 工藝AI技術(shù)核心技術(shù)模塊

根據(jù)上述思路，筆者所在團隊研發(fā)的工藝AI技術(shù)包括4個核心技術(shù)模塊，分別是數(shù)據(jù)處理與IoT技術(shù)模塊、工藝云（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺） 技術(shù)模塊、工藝AI技術(shù)模塊、工藝大模型技術(shù)模塊，具體構(gòu)架如圖4所示。

3. 2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的架構(gòu)

本文構(gòu)建的造紙工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺（POICLOUD5.0）與造紙生產(chǎn)過程組成數(shù)實融合生產(chǎn)運營平臺，其層次架構(gòu)見圖5。首先，平臺通過數(shù)據(jù)處理與IoT技術(shù)實時高速采集各類（包括能源） 數(shù)據(jù)并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實時清洗、邊緣計算，解決數(shù)據(jù)集成問題；然后，數(shù)據(jù)送到MOM+應(yīng)用平臺，構(gòu)建生產(chǎn)全要素數(shù)據(jù)的全面連接，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)閉環(huán)，解決穩(wěn)定生產(chǎn)問題；再后，應(yīng)用工藝AI模型計算，挖掘隱藏在數(shù)據(jù)中的生產(chǎn)規(guī)律，提出優(yōu)化決策，解決優(yōu)化生產(chǎn)決策問題；最后，平臺輸出優(yōu)化后的執(zhí)行參數(shù)，反饋到數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)形成閉環(huán)。整個過程通過參數(shù)優(yōu)化、調(diào)整生產(chǎn)三要素或資源配置，在實現(xiàn)智能制造資源優(yōu)化配置的同時，實現(xiàn)工業(yè)智能化碳減排。

3. 3 工藝AI數(shù)據(jù)模型及其應(yīng)用尺度

圖6所示為工藝AI技術(shù)的數(shù)據(jù)模型及其應(yīng)用尺度的邏輯關(guān)系。由圖6可知，實現(xiàn)工業(yè)智能化碳減排目標(biāo)的關(guān)鍵有兩方面：一是數(shù)據(jù)（包括科研和企業(yè)多年積累的科學(xué)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗數(shù)據(jù)、真實現(xiàn)場采集動態(tài)數(shù)據(jù)兩大類） 采集量和累積量，數(shù)據(jù)量越多效果越好；二是研發(fā)融合機理模型、工藝AI模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動模型且具有自學(xué)習(xí)功能的AI模型，有效建立不同層次的制造系統(tǒng)AI模型是實現(xiàn)制造系統(tǒng)優(yōu)化決策與智能控制的基礎(chǔ)前提，AI模型精度越高效果越好。圖6中所示的4種應(yīng)用尺度，即關(guān)鍵工序穩(wěn)定優(yōu)化運行（如干燥部優(yōu)化運行、熱分散優(yōu)化運行、熱風(fēng)爐優(yōu)化運行）、生產(chǎn)過程關(guān)鍵參數(shù)預(yù)測（如漿料質(zhì)量預(yù)測、成品質(zhì)量預(yù)測、設(shè)備故障預(yù)測）、生產(chǎn)過程動態(tài)優(yōu)化調(diào)度（如間歇性設(shè)備優(yōu)化調(diào)度、一鍵換產(chǎn)、原料優(yōu)選、配方優(yōu)選）、大尺度資源配置與調(diào)度優(yōu)化（APS、CHP 優(yōu)化）均是數(shù)據(jù)通過AI模型計算并價值化（得出優(yōu)化決策）后，通過調(diào)整優(yōu)化生產(chǎn)三要素、解決不確定因素，在實現(xiàn)智能制造資源優(yōu)化配置的同時也可實現(xiàn)智能化碳減排。

3. 4 應(yīng)用效果

本課題組自主研發(fā)的工業(yè)AI技術(shù)，在某大型造紙企業(yè)成功落地應(yīng)用后，為其帶來了顯著的經(jīng)濟與環(huán)境效益，節(jié)能降耗、提質(zhì)增效的經(jīng)濟效益達(dá)2 000萬元/年以上，紙機具體能耗與產(chǎn)能變化趨勢見圖7。由圖7可知，在能源消耗方面，該企業(yè)自應(yīng)用POI-CLOUD5.0 以來，綜合電耗顯著下降，至2020 年降幅達(dá)約20%，汽耗也下降了約15%。節(jié)能效果直接為企業(yè)節(jié)省了可觀的能源成本，有效緩解了因能源價格波動帶來的經(jīng)營壓力。在產(chǎn)品質(zhì)量管控方面，POI-CLOUD5.0實現(xiàn)了紙張物理質(zhì)量的在線實時預(yù)測。傳統(tǒng)造紙生產(chǎn)線的紙張物理質(zhì)量檢測通常采用離線抽樣方式，僅能采集母卷（約5萬m長） 中最后1 m的紙張質(zhì)量數(shù)據(jù)，作為整卷質(zhì)量的依據(jù)，這種方式存在嚴(yán)重的滯后性和局限性，誤差大。而通過該平臺的在線實時預(yù)測功能，可對母卷的每米紙張進(jìn)行全流程預(yù)測監(jiān)控，可精準(zhǔn)掌握生產(chǎn)中質(zhì)量的動態(tài)變化，提高了紙張的成品率。在生產(chǎn)效率方面，POI-CLOUD 5.0通過智能化調(diào)度與流程優(yōu)化，使該企業(yè)的生產(chǎn)效率提升了5%～10%。某公司與該造紙企業(yè)聯(lián)合打造的智慧造紙創(chuàng)新應(yīng)用成為國家工信部評選的《2022年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺創(chuàng)新領(lǐng)航應(yīng)用案例》。

POI-CLOUD 5.0 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺已成功推廣應(yīng)用至我國造紙、陶瓷、水泥、玻璃、食品等多個傳統(tǒng)流程制造行業(yè)，覆蓋了600 多家企業(yè)。通過精細(xì)化管理、優(yōu)化生產(chǎn)流程、智能調(diào)控關(guān)鍵環(huán)節(jié)和提升設(shè)備運行效率，提高成品率，企業(yè)的生產(chǎn)效率可提高5%～10%。與此同時，精確控制能源使用和減少資源浪費，實現(xiàn)了可觀的節(jié)能減排成效。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，相關(guān)企業(yè)在平臺的支持下，累計節(jié)約了169萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，減少CO2排放423萬t，累積為企業(yè)獲得經(jīng)濟效益約60億元。

4 智能化碳減排未來路徑的思考

智能化技術(shù)在碳減排領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出強大的潛力。隨著工業(yè)AI技術(shù)深入研發(fā)和進(jìn)步，將對推動造紙工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級和智能化碳減排整體目標(biāo)的實現(xiàn)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。根據(jù)筆者10 多年的探討與實踐，對智能化碳減排的未來路徑有如下思考[17-19]。

4. 1 加快智能能源管理系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。在現(xiàn)有區(qū)域和企業(yè)能源管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上，應(yīng)用工業(yè)AI技術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建能源系統(tǒng)的虛擬模型，實現(xiàn)對電力、熱力、太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等能源使用的實時監(jiān)控和動態(tài)優(yōu)化。使得企業(yè)能夠在降低碳排放的同時，提高能源使用效率，推動綠色轉(zhuǎn)型。

4. 2 生產(chǎn)過程全要素智能優(yōu)化。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，優(yōu)化生產(chǎn)流程，智能調(diào)控能源消耗與物料損耗，提高資源利用率。其次，基于機器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)分析，對高耗能工藝流程進(jìn)行實時參數(shù)優(yōu)化，降低碳排放強度。

4. 3 全生命周期碳管理。制造業(yè)的碳排放不僅發(fā)生在生產(chǎn)階段，還包括原材料的提取、產(chǎn)品的使用和最終的廢棄處理。通過應(yīng)用區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)追蹤產(chǎn)品的全生命周期碳排放，并通過智能化設(shè)計減少原材料使用和能源消耗，進(jìn)而實現(xiàn)對產(chǎn)品全生命周期碳排放的追蹤。

4. 4 加快制定紙產(chǎn)品碳足跡核算標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)智能碳排放監(jiān)測與交易平臺。政府和管理部門當(dāng)前要做好兩項工作：一是加快碳足跡核算標(biāo)準(zhǔn)的制定，標(biāo)準(zhǔn)制定是推進(jìn)行業(yè)碳減排管理考核和企業(yè)制定目標(biāo)的前提[20]；二是研究構(gòu)建智能碳排放監(jiān)測與交易平臺。利用傳感器和物聯(lián)網(wǎng)，企業(yè)可實現(xiàn)碳排放源的動態(tài)監(jiān)測與精準(zhǔn)計量。如企業(yè)可通過部署先進(jìn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，實時監(jiān)測生產(chǎn)設(shè)施的碳排放情況，生成詳細(xì)的碳排放報告。這有助于企業(yè)及時調(diào)整生產(chǎn)工藝以降低碳排放，也可為后續(xù)的碳交易提供可靠的數(shù)據(jù)支持。同時，基于區(qū)塊鏈技術(shù)建立的碳交易平臺，可以提高碳排放配額和交易過程的透明度，提升市場效率，使企業(yè)能夠在碳交易中獲得更大的經(jīng)濟收益。

通過以上路徑的綜合推進(jìn)，制造業(yè)可以有效實現(xiàn)碳減排目標(biāo)，為全球的綠色轉(zhuǎn)型與可持續(xù)發(fā)展提供強有力的技術(shù)支持與管理模式。隨著智能化技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來的制造業(yè)必將朝著更加綠色、高效的方向發(fā)展，為應(yīng)對氣候變化貢獻(xiàn)更大的力量。

5 結(jié)論

本文系統(tǒng)分析了造紙工業(yè)的碳排放現(xiàn)狀和碳減排挑戰(zhàn)，并結(jié)合大系統(tǒng)思維和工業(yè)AI技術(shù)，探討了智能化路徑在行業(yè)節(jié)能降碳中的具體應(yīng)用和成效。分析表明，通過構(gòu)建以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為核心的智能化平臺，能夠有效優(yōu)化造紙工業(yè)全生命周期的資源和能源使用，降低生產(chǎn)過程中的碳排放強度，為行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型提供了一條切實可行的路徑。同時，本文也提出了智能化碳減排未來路徑的思考，包括智能能源管理系統(tǒng)、生產(chǎn)過程全要素智能優(yōu)化、全生命周期碳管理和碳排放智能監(jiān)測與交易等。通過這些路徑的協(xié)同推進(jìn)，可以實現(xiàn)制造業(yè)整體碳排放的系統(tǒng)性優(yōu)化，為“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)提供強有力的技術(shù)支撐。

5. 1 用大系統(tǒng)思維推動工業(yè)AI技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用

進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)和人工智能時代，要轉(zhuǎn)變思維方式，用大系統(tǒng)的思維方法去思考問題；用跨界集成協(xié)同創(chuàng)新的互聯(lián)思路去尋找解決問題的方法；用數(shù)字化、優(yōu)化與智能化的技術(shù)手段去提高效率，實現(xiàn)目標(biāo)。構(gòu)建數(shù)實融合大系統(tǒng)，數(shù)據(jù)賦能，提高全要素生產(chǎn)率，創(chuàng)造新的價值，使整體效率大于局部效率相加之和，推動造紙產(chǎn)業(yè)數(shù)字化綠色化轉(zhuǎn)型。

5. 2 主動融入智能制造的技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用生態(tài)圈

應(yīng)用新一代信息技術(shù)可以提升造紙工業(yè)效益，推動高質(zhì)量發(fā)展。推動造紙工業(yè)的智能化和綠色化轉(zhuǎn)型是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措，應(yīng)持續(xù)有力地推動企業(yè)和研發(fā)單位主動融入智能制造的技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用生態(tài)圈，以研發(fā)促應(yīng)用，應(yīng)用促研發(fā)，走出一條用創(chuàng)新技術(shù)促進(jìn)生產(chǎn)高質(zhì)量發(fā)展之路。

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（責(zé)任編輯：董鳳霞）