制造系统碳流动态模型及碳效率评估方法_曹华军李洪丞著_9787111706670

碳达峰与碳中和已经成为全社会关注的热点，也是我国的一项重要发展战略。我国碳排放超过50%来源于制造业，本书面向我国制造业碳达峰、碳中和需求，系统总结了制造系统碳流动态建模及碳效率评估的基础理论与方法，包括低碳制造的内涵、典型制造工艺碳排放特性、碳流动态建模方法、碳效率评价指标体系及模型、制造系统碳效率优化与精益管控方法等，并结合该理论与方法在压铸、半导体基材、陶瓷制造系统的应用，开发了一种制造系统碳排放智能云管理系统。
本书可作为高等学校机械工程、智能制造、工业工程、制造工程等相关专业研究生的教材或参考书，也可供制造企业工程技术人员和管理人员参考。

气候变暖问题已经成为全球共同关注的问题。联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）研究表明：工业革命后，人类社会工业化活动导致的大气中碳储量增加是所观测到的气候变化的主要驱动力。为应对气候变暖问题，欧美等发达国家正发动一场以高能效、低排放为核心的“低碳革命”，英国、美国、日本、德国等纷纷提出了减排目标，制定了碳中和发展计划。在此背景下，一种全新的可持续制造模式应运而生——低碳制造。低碳制造不同于绿色制造、可持续制造、环境意识制造，它是一种综合考虑产品全生命周期资源消耗以及碳排放的可持续制造模式，其目标是实现产品在生产、制造、使用过程中的低资源消耗、低排放、低污染，实现制造企业经济效益、社会效益、环境效益的统一，其实质是提高制造业能源、物料等资源的利用效率和创建清洁能源结构，核心是制造业的技术创新、制度创新和发展观的转变。
2020年9月22日，我国在第75届联合国大会一般性辩论上郑重承诺：中国将力争于2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。制造业的快速发展是造成我国整个工业领域的能源消耗与碳排放量激增的主要源头。国家统计局数据表明，我国碳排放超过50%来源于制造业。为了实现我国的碳达峰与碳中和目标，亟须开展低碳制造。中国科学技术部部长王志刚在香山科学会议上表示，碳达峰碳中和将带来一场由科技革命引起的经济社会环境的重大变革，其意义不亚于三次工业革命。开展低碳制造对于优化我国制造业结构、推动制造业转型升级、实现制造强国战略具有重要意义。然而，低碳制造基础理论与先进技术仍较缺乏，如何理解和识别制造工厂生产过程碳排放状况、机理，揭示制造系统及过程的碳排放静动态特性、碳源分布与流量、碳排放全过程时空动态变化及扰动规律，构建制造系统碳排放动态模型及评估方法是首先需要解决的问题。
在国家自然科学基金“基于广义特性函数集的制造系统碳流动态模型及碳效率评估方法研究(No.51075415)”“面向低碳制造的激光加工工艺及系统优化基础理论与关键技术(中英NSFCUKRI_EPSRC项目，No.51861165202)” “挤压成形工艺能耗与产品质量强耦合机理及多源协同调控(No.51805066)”，以及国家重点研发“新能源汽车齿轮绿色精密加工关键技术与成套装备研制(战略性科技创新合作专项，No.2020YFE0201000)”等项目的支持下，课题组自2010年开始持续、系统地开展了低碳制造研究，对制造系统及其生产过程碳排放特性、碳源广义特性函数、制造系统碳流动态模型及制造系统碳效率分析、评估、优化、管控方法等进行了系统的研究与应用。
本书共11章。第1章介绍了低碳制造发展的背景及内涵；第2章分析了低碳制造的技术体系以及国内外研究现状、未来发展趋势等；第3章揭示了制造系统碳排放源分布与驱动力、碳排放动态输入输出特性、碳流的时域与空域特性以及碳流交汇特性等；第4章针对工艺碳源，提出了制造系统碳源广义特性函数的概念，提出了金属切削工艺、砂型铸造、CO2气体保护焊接、自由锻造等典型机械工艺的碳源特性函数，并建立了一种制造系统低碳工艺规划模型；第5章介绍了制造系统碳排放动力学过程参考模型，并分别基于Petri网、价值流等建立了制造系统碳流动态模型；第6章提出了制造系统碳效率概念及评价指标体系，提出了基于生命周期的机床设备碳效率动态评估模型，以及基于Petri网、状态空间方法的生产线、生产车间碳效率评价模型；第7章研究了基于工艺路线决策的碳效率优化方法，以及基于生产调度的碳效率优化方法，并通过能量价值流理论实现了制造系统碳效率精益管控；第8～10章分别面向压铸制造系统、蓝宝石衬底制造系统、陶瓷制造系统进行了理论、方法、模型应用；第11章介绍了一种制造系统碳排放智能云管理系统及应用。
本书是对课题组10年低碳制造研究成果的系统总结。除本书主要作者外，感谢尹瑞雪教授以及陈二恒、葛威威、文旋豪、李成超、李彦妮、何凯、曾丹、尹久、程海琴、罗毅等多位研究生的参与。本书内容为一种学术与实践探讨，加之时间仓促，难免存在不当之处，敬请读者指正。

作者
2021年12月

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