董莎莎，李仁旺，沈思勛，賈江鳴

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

隨著全球制造業(yè)的迅猛發(fā)展，我國(guó)制造業(yè)已占據(jù)整個(gè)經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)地位.現(xiàn)階段工業(yè)化、城市化的快速發(fā)展，使制造企業(yè)“高碳”特征更加明顯.在低碳經(jīng)濟(jì)的大環(huán)境中，供應(yīng)鏈低碳化是降低全球碳排放的有效措施.此前已有許多學(xué)者對(duì)碳足跡進(jìn)行了研究.Ball P D等通過(guò)探究原料、能源及廢物流之間的關(guān)系，提出了從低碳排放向排放物利用轉(zhuǎn)變，用低碳實(shí)現(xiàn)模型來(lái)降低碳排放的觀點(diǎn)[1]；O'Connell S等設(shè)計(jì)了基于標(biāo)準(zhǔn)供應(yīng)鏈的低碳產(chǎn)品運(yùn)作模型，分析了供應(yīng)鏈上采購(gòu)、生產(chǎn)、交付和回收4個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)作過(guò)程，并對(duì)產(chǎn)品整個(gè)生命周期的低碳排放進(jìn)行了研究[2].李曉婧等對(duì)低碳環(huán)境下閉環(huán)供應(yīng)鏈的優(yōu)化方法進(jìn)行研究，在分析供應(yīng)鏈中節(jié)點(diǎn)碳排放系數(shù)的基礎(chǔ)上提出了一種均衡模型[3].已有研究多側(cè)重于建立低碳排放模型，并未對(duì)碳足跡概念進(jìn)行統(tǒng)一，導(dǎo)致碳足跡的計(jì)算模型不通用，在碳排放信息獲取方面缺乏規(guī)范，產(chǎn)品的碳足跡計(jì)算存在偏差.

本文從供應(yīng)鏈出發(fā)，將產(chǎn)品本體的構(gòu)建方法應(yīng)用到碳足跡研究中，從供應(yīng)鏈上各企業(yè)信息系統(tǒng)中獲取具體的產(chǎn)品概念及屬性，將對(duì)應(yīng)的碳足跡數(shù)據(jù)規(guī)范化，構(gòu)建產(chǎn)品關(guān)于碳足跡的本體，進(jìn)而基于產(chǎn)品全生命周期對(duì)采購(gòu)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、消耗、回收5個(gè)階段的碳足跡建立計(jì)算模型，進(jìn)行產(chǎn)品碳足跡的研究.

1 產(chǎn)品碳足跡的本體構(gòu)建

為了減少企業(yè)的碳排放，實(shí)現(xiàn)低碳生產(chǎn)，本文從供應(yīng)鏈出發(fā)，采用構(gòu)建碳足跡本體的方法研究制造企業(yè)的碳排放問(wèn)題.首先，通過(guò)分析整個(gè)供應(yīng)鏈上產(chǎn)品全生命周期各環(huán)節(jié)的碳排放量，梳理各環(huán)節(jié)產(chǎn)品碳足跡的概念；然后，通過(guò)語(yǔ)義描述，建立計(jì)算機(jī)能夠解讀的概念模型，并對(duì)概念模型進(jìn)行處理；最后，將處理后概念模型用于產(chǎn)品全生命周期的碳足跡計(jì)算.

1.1 產(chǎn)品碳足跡本體的構(gòu)建語(yǔ)言

產(chǎn)品碳足跡本體的構(gòu)建語(yǔ)言應(yīng)具有良好的語(yǔ)義性、定義性、可表達(dá)性和便捷性.

在現(xiàn)有語(yǔ)義Web領(lǐng)域中，OWL(Web Ontology Language)的語(yǔ)義性最好且應(yīng)用最廣泛.本文將OWL作為描述產(chǎn)品碳足跡本體的語(yǔ)言，使用OWL定義類和類的屬性、類的對(duì)象和對(duì)象屬性，描述產(chǎn)品碳足跡.

1.2 產(chǎn)品碳足跡本體的建模元素

為了從供應(yīng)鏈角度清楚地描述產(chǎn)品的碳足跡，既要選擇適合的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，又要選擇適當(dāng)?shù)慕Ｔ?為了準(zhǔn)確描述本體，本文參考文獻(xiàn)[4]，使用6個(gè)基本的建模元素(包括類、關(guān)系、屬性、函數(shù)、公理和實(shí)例)來(lái)描述產(chǎn)品碳足跡.

(1) 類：指概念的名稱及關(guān)系的集合.

(2) 關(guān)系：描述概念和對(duì)象的關(guān)系、父子類關(guān)系.

(3) 屬性：描述性質(zhì)，分為對(duì)象屬性和數(shù)據(jù)屬性.

(4) 函數(shù)：描述映射關(guān)系.

(5) 公理：指公認(rèn)的事實(shí).

(6) 實(shí)例：指具體的對(duì)象.實(shí)例有4種基本關(guān)系，分別是子集關(guān)系(part-of)、繼承關(guān)系(kind-of)、實(shí)例關(guān)系(instance-of)和屬性關(guān)系(attribute-of).

1.3 產(chǎn)品碳足跡本體的構(gòu)建工具與方法

在產(chǎn)品供應(yīng)鏈中，對(duì)產(chǎn)品碳足跡本體的研究應(yīng)選用易操作、可視化且支持OWL語(yǔ)言的本體構(gòu)建工具.在本體研究領(lǐng)域有很多便捷的本體構(gòu)建工具，如斯坦福大學(xué)知識(shí)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中心和醫(yī)學(xué)信息中心(SMI)開發(fā)的Protégé-2000、馬德里大學(xué)人工智能研究室開發(fā)的WebODE工具[5]等.這些本體構(gòu)建工具提供的圖形化界面，可有效提升開發(fā)人員設(shè)計(jì)本體的工作效率.表1所示為常用本體構(gòu)建工具的性能比較[6].

表1 常用本體構(gòu)建工具的性能比較

在本體構(gòu)建領(lǐng)域，Protégé工具使用最為廣泛.它具有建立本體的基本功能，同時(shí)有重構(gòu)本體，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有本體復(fù)用、編輯、維護(hù)等功能.Protégé工具的界面能以樹形層次對(duì)概念目錄的結(jié)構(gòu)進(jìn)行展示，可直接點(diǎn)擊界面上標(biāo)記來(lái)編輯本類或添加子類、屬性、實(shí)例等，操作簡(jiǎn)便[7].本文使用Protégé工具，根據(jù)七步法[5]構(gòu)建產(chǎn)品碳足跡本體.其構(gòu)建步驟如下：①明確產(chǎn)品碳足跡本體的專業(yè)領(lǐng)域和概念界定；②考查復(fù)用現(xiàn)有產(chǎn)品碳足跡本體的可行性；③明確產(chǎn)品碳足跡本體中的重要術(shù)語(yǔ)；④自上而下地定義產(chǎn)品類和類的等級(jí)關(guān)系；⑤確定產(chǎn)品類的屬性和屬性矢系；⑥確定產(chǎn)品類的屬性界限；⑦構(gòu)建產(chǎn)品碳足跡實(shí)例.

2 供應(yīng)鏈上產(chǎn)品碳足跡的概念界定

運(yùn)用SCOR(Supply-Chain Operations Reference-model)標(biāo)準(zhǔn)供應(yīng)鏈模型，能夠界定供應(yīng)鏈上的產(chǎn)品碳足跡.SCOR標(biāo)準(zhǔn)供應(yīng)鏈模型由國(guó)際供應(yīng)鏈研究協(xié)會(huì)研發(fā)，包含計(jì)劃、采購(gòu)、生產(chǎn)、配送、退回五大環(huán)節(jié)[8].SCOR標(biāo)準(zhǔn)供應(yīng)鏈模型的運(yùn)作流程包括流程類型層、流程種類層和流程細(xì)分層(圖1).流程類型層是根據(jù)計(jì)劃、采購(gòu)、生產(chǎn)配送、退回五大環(huán)節(jié)來(lái)劃分的；流程種類層可按照企業(yè)功能和運(yùn)作模式進(jìn)行細(xì)分，如采購(gòu)管理、質(zhì)量管理等；流程細(xì)分層是指輸入與輸出.

圖1 SCOR標(biāo)準(zhǔn)供應(yīng)鏈模型的運(yùn)作流程

在基于SCOR標(biāo)準(zhǔn)供應(yīng)鏈模型構(gòu)建產(chǎn)品碳足跡本體時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格遵循本體構(gòu)建的原則，保證碳足跡本體具有較強(qiáng)的可管理性和可擴(kuò)展性.本文制定的碳足跡本體構(gòu)建原則為：術(shù)語(yǔ)定義明確、完整；術(shù)語(yǔ)與其推理得出的結(jié)論保持一致；在本體概念上可擴(kuò)展新術(shù)語(yǔ)；能夠滿足特定領(lǐng)域的知識(shí)需要.

3 產(chǎn)品全生命周期碳足跡計(jì)算的方法

目前已有很多計(jì)算碳足跡的方法，常用的有Kaya碳排放恒等法、生命周期評(píng)價(jià)(LCA)法、IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)法、投入產(chǎn)生法[9]等.常用碳足跡計(jì)算方法的含義及優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示.

表2 常用碳足跡計(jì)算方法的含義及優(yōu)缺點(diǎn)

本文研究的是產(chǎn)品全生命周期的碳足跡，因此選擇生命周期評(píng)價(jià)(LCA)法進(jìn)行產(chǎn)品碳足跡計(jì)算.按照PAS2050等碳排放標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定確定整個(gè)供應(yīng)鏈的產(chǎn)品碳足跡范圍，使用“從搖籃到墳?zāi)埂钡慕缍ǚ绞剑瑢⒐?yīng)鏈中各企業(yè)定為一級(jí)邊界[10]，以各企業(yè)內(nèi)部的生產(chǎn)活動(dòng)為二級(jí)邊界，對(duì)制造企業(yè)采購(gòu)、生產(chǎn)、配送、使用(考慮到產(chǎn)品在銷售使用階段仍存在碳消耗)、回收5個(gè)階段進(jìn)行流程細(xì)分，確定制造企業(yè)的碳足跡本體邊界(圖2).在供應(yīng)鏈中，根據(jù)該本體邊界計(jì)算產(chǎn)品碳足跡的總和，即各環(huán)節(jié)企業(yè)內(nèi)部所有與產(chǎn)品相關(guān)活動(dòng)的碳排放量累加.

圖2 制造企業(yè)的碳足跡本體邊界

LCA法的基本公式為：

(1)

式中：G為任意一種生產(chǎn)運(yùn)作流程的碳足跡(即碳排放量)；Qk為流程k的能量損耗，一般指該流程中物質(zhì)的消耗量，如材料、電力的消耗量；Ck為流程k的碳排放因子.

根據(jù)LCA法，產(chǎn)品供應(yīng)鏈的碳足跡模型為：

GW=GS+GM+GD+GU+GR

(2)

式中：GW為產(chǎn)品從生產(chǎn)到回收的碳足跡總量；GS為原材料采購(gòu)階段(Source)的碳足跡；GM為產(chǎn)品生產(chǎn)制造階段(Make)的碳足跡；GD為產(chǎn)品配送階段(Deliver)的碳足跡；GU為產(chǎn)品使用消耗階段(Use)的碳足跡；GR為產(chǎn)品回收再利用階段(Return)的碳足跡[11].

4 產(chǎn)品碳足跡的信息獲取

在供應(yīng)鏈環(huán)境下，相關(guān)企業(yè)有各自的信息系統(tǒng)，如PDM、ERP等.從這些信息系統(tǒng)中，可獲取用于計(jì)算碳足跡的大量信息.

本文以產(chǎn)品“從搖籃到墳?zāi)埂鄙婕暗乃衅髽I(yè)信息系統(tǒng)為數(shù)據(jù)獲取對(duì)象，進(jìn)行產(chǎn)品碳足跡的本體構(gòu)建和計(jì)算.碳足跡本體構(gòu)建與計(jì)算流程如圖3所示.

圖3 碳足跡本體構(gòu)建與計(jì)算流程

5 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的碳足跡本體構(gòu)建

本文以浙江某公司的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體碳足跡為例，建立缸體碳足跡本體，通過(guò)分析供應(yīng)鏈的5個(gè)階段，獲取缸體從生產(chǎn)到回收?qǐng)?bào)廢活動(dòng)中各企業(yè)信息系統(tǒng)中的缸體信息，建立發(fā)動(dòng)機(jī)缸體碳足跡本體，并從碳足跡本體中提取計(jì)算所需數(shù)據(jù)，進(jìn)行缸體的碳足跡計(jì)算.

在產(chǎn)品碳足跡計(jì)算中，數(shù)據(jù)是從企業(yè)已有信息系統(tǒng)中獲取的，但數(shù)據(jù)直接獲取的效率很低.為提高獲取汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體碳足跡數(shù)據(jù)的效率，需構(gòu)建其碳足跡本體.采用Protégé工具，按照概念之間的類屬關(guān)系，可確定圖4所示汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的碳足跡本體結(jié)構(gòu).

針對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，采用七步法構(gòu)建產(chǎn)品的碳足跡本體.

(1) 闡述產(chǎn)品碳足跡相關(guān)專業(yè)概念，以及碳排放、能源類型、資源類型和度量標(biāo)準(zhǔn).

(2) 考查復(fù)用現(xiàn)有產(chǎn)品碳足跡本體的可行性.本文旨在創(chuàng)建新的本體，這一步驟未涉及.

(3) 明確產(chǎn)品碳足跡的重要術(shù)語(yǔ)，包括類、概念和細(xì)化屬性.

(4) 自上而下地定義類和類的上下級(jí)關(guān)系.圖4中碳排放有3個(gè)子類，包括過(guò)程排放、能量排放和材料排放；缸體碳足跡實(shí)例有企業(yè)信息系統(tǒng)、制造加工、輔助工具資源等子類.

(5) 確定產(chǎn)品的類屬性和屬性關(guān)系.圖4中數(shù)據(jù)的屬性有信息、數(shù)量和比例.

圖4 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的碳足跡本體結(jié)構(gòu)

(6) 確定產(chǎn)品類的屬性約束和屬性值的類型.

(7) 針對(duì)產(chǎn)品實(shí)例，通過(guò)Protégé工具構(gòu)建汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的碳足跡本體(圖5).

(a)界面上半部?jī)?nèi)容 (b)界面下半部?jī)?nèi)容圖5 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的碳足跡本體

6 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的碳足跡計(jì)算

6.1 原材料采購(gòu)階段的碳足跡(GS)

本文以供應(yīng)商作為供應(yīng)鏈的起點(diǎn).從汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的碳足跡本體中可提取表3所示的材料消耗數(shù)據(jù).

表3 材料消耗數(shù)據(jù) kg

生產(chǎn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體需采購(gòu)缸體毛坯.生產(chǎn)缸體毛坯的主要能耗為電能，達(dá)87.6 MJ.按燃煤發(fā)電考慮，從IPCC排放因子數(shù)據(jù)庫(kù)中可查得，煤的碳排放因子為1.647 kg-CO2/kg[12]，而煤的標(biāo)準(zhǔn)折算系數(shù)為0.122 9 kg/kWh(1 kWh=3.6 MJ).因此，該階段汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的碳足跡為：

6.2 產(chǎn)品制造階段的碳足跡(GM)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體制造階段的碳排放主要來(lái)源于設(shè)備能耗.從汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的碳足跡本體中提取各加工設(shè)備的功率及加工時(shí)間，可計(jì)算加工設(shè)備的能耗(表4).

該階段汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的碳足跡為：

6.3 產(chǎn)品配送階段的碳足跡(GD)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的運(yùn)輸方式多為公路運(yùn)輸.根據(jù)RCEES(Research Center for Eco-Environmental)數(shù)據(jù)庫(kù)的信息，我國(guó)公路運(yùn)輸1 t貨物每千米的碳足跡為0.23 kg.本文實(shí)例中，將汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體運(yùn)到各銷售點(diǎn)的運(yùn)輸距離之和約為1 362 km，該缸體質(zhì)量為40 kg.因此，該階段汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的碳足跡為：

GD=0.23×0.001×1 362×40=12.530(kg)

表4 加工設(shè)備的能耗

6.4 產(chǎn)品使用消耗階段的碳足跡(GU)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體在使用過(guò)程中對(duì)于環(huán)境的影響十分微小，碳足跡近似于0，即：

GU=0

6.5 產(chǎn)品回收再利用階段的碳足跡(GR)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的材料是鋁合金.從資源有效循環(huán)利用出發(fā)，本文只考慮采用回爐熔煉方式進(jìn)行汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體回收處理.從該缸體碳足跡本體PDM類中獲取的回收再利用階段能耗為283.411 MJ.因此，該階段汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的碳足跡為：

6.6 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的碳排放總量(GW)

GW=GS+GM+GD+GU+GR=62.590(kg)

7 結(jié)束語(yǔ)

在供應(yīng)鏈環(huán)境下，研究產(chǎn)品碳足跡本體的構(gòu)建和計(jì)算模型，提出運(yùn)用本體方法研究產(chǎn)品碳足跡，以提高碳足跡計(jì)算的準(zhǔn)確性.以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體全生命周期為例，通過(guò)獲取整條供應(yīng)鏈上各企業(yè)信息系統(tǒng)的碳足跡數(shù)據(jù)，建立汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的碳足跡本體，對(duì)該缸體的碳足跡進(jìn)行了計(jì)算.本文將為制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳排放目標(biāo)發(fā)揮積極作用.