碳達峰與碳中和已經成為全社會關注的熱點，也是我國的一項重要發(fā)展戰(zhàn)略。我國碳排放超過50%來源于制造業(yè)，本書面向我國制造業(yè)碳達峰、碳中和需求，系統總結了制造系統碳流動態(tài)建模及碳效率評估的基礎理論與方法，包括低碳制造的內涵、典型制造工藝碳排放特性、碳流動態(tài)建模方法、碳效率評價指標體系及模型、制造系統碳效率優(yōu)化與精益管控方法等，并結合該理論與方法在壓鑄、半導體基材、陶瓷制造系統的應用，開發(fā)了一種制造系統碳排放智能云管理系統。
本書可作為高等學校機械工程、智能制造、工業(yè)工程、制造工程等相關專業(yè)研究生的教材或參考書，也可供制造企業(yè)工程技術人員和管理人員參考。
氣候變暖問題已經成為全球共同關注的問題。聯合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）研究表明：工業(yè)革命后，人類社會工業(yè)化活動導致的大氣中碳儲量增加是所觀測到的氣候變化的主要驅動力。為應對氣候變暖問題，歐美等發(fā)達國家正發(fā)動一場以高能效、低排放為核心的“低碳革命”，英國、美國、日本、德國等紛紛提出了減排目標，制定了碳中和發(fā)展計劃。在此背景下，一種全新的可持續(xù)制造模式應運而生——低碳制造。低碳制造不同于綠色制造、可持續(xù)制造、環(huán)境意識制造，它是一種綜合考慮產品全生命周期資源消耗以及碳排放的可持續(xù)制造模式，其目標是實現產品在生產、制造、使用過程中的低資源消耗、低排放、低污染，實現制造企業(yè)經濟效益、社會效益、環(huán)境效益的統一，其實質是提高制造業(yè)能源、物料等資源的利用效率和創(chuàng)建清潔能源結構，核心是制造業(yè)的技術創(chuàng)新、制度創(chuàng)新和發(fā)展觀的轉變。
2020年9月22日，我國在第75屆聯合國大會一般性辯論上鄭重承諾：中國將力爭于2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和。制造業(yè)的快速發(fā)展是造成我國整個工業(yè)領域的能源消耗與碳排放量激增的主要源頭。國家統計局數據表明，我國碳排放超過50%來源于制造業(yè)。為了實現我國的碳達峰與碳中和目標，亟須開展低碳制造。中國科學技術部部長王志剛在香山科學會議上表示，碳達峰碳中和將帶來一場由科技革命引起的經濟社會環(huán)境的重大變革，其意義不亞于三次工業(yè)革命。開展低碳制造對于優(yōu)化我國制造業(yè)結構、推動制造業(yè)轉型升級、實現制造強國戰(zhàn)略具有重要意義。然而，低碳制造基礎理論與先進技術仍較缺乏，如何理解和識別制造工廠生產過程碳排放狀況、機理，揭示制造系統及過程的碳排放靜動態(tài)特性、碳源分布與流量、碳排放全過程時空動態(tài)變化及擾動規(guī)律，構建制造系統碳排放動態(tài)模型及評估方法是首先需要解決的問題。
在國家自然科學基金“基于廣義特性函數集的制造系統碳流動態(tài)模型及碳效率評估方法研究(No.51075415)”“面向低碳制造的激光加工工藝及系統優(yōu)化基礎理論與關鍵技術(中英NSFCUKRI_EPSRC項目，No.51861165202)” “擠壓成形工藝能耗與產品質量強耦合機理及多源協同調控(No.51805066)”，以及國家重點研發(fā)“新能源汽車齒輪綠色精密加工關鍵技術與成套裝備研制(戰(zhàn)略性科技創(chuàng)新合作專項，No.2020YFE0201000)”等項目的支持下，課題組自2010年開始持續(xù)、系統地開展了低碳制造研究，對制造系統及其生產過程碳排放特性、碳源廣義特性函數、制造系統碳流動態(tài)模型及制造系統碳效率分析、評估、優(yōu)化、管控方法等進行了系統的研究與應用。
本書共11章。第1章介紹了低碳制造發(fā)展的背景及內涵；第2章分析了低碳制造的技術體系以及國內外研究現狀、未來發(fā)展趨勢等；第3章揭示了制造系統碳排放源分布與驅動力、碳排放動態(tài)輸入輸出特性、碳流的時域與空域特性以及碳流交匯特性等；第4章針對工藝碳源，提出了制造系統碳源廣義特性函數的概念，提出了金屬切削工藝、砂型鑄造、CO2氣體保護焊接、自由鍛造等典型機械工藝的碳源特性函數，并建立了一種制造系統低碳工藝規(guī)劃模型；第5章介紹了制造系統碳排放動力學過程參考模型，并分別基于Petri網、價值流等建立了制造系統碳流動態(tài)模型；第6章提出了制造系統碳效率概念及評價指標體系，提出了基于生命周期的機床設備碳效率動態(tài)評估模型，以及基于Petri網、狀態(tài)空間方法的生產線、生產車間碳效率評價模型；第7章研究了基于工藝路線決策的碳效率優(yōu)化方法，以及基于生產調度的碳效率優(yōu)化方法，并通過能量價值流理論實現了制造系統碳效率精益管控；第8～10章分別面向壓鑄制造系統、藍寶石襯底制造系統、陶瓷制造系統進行了理論、方法、模型應用；第11章介紹了一種制造系統碳排放智能云管理系統及應用。
本書是對課題組10年低碳制造研究成果的系統總結。除本書主要作者外，感謝尹瑞雪教授以及陳二恒、葛威威、文旋豪、李成超、李彥妮、何凱、曾丹、尹久、程海琴、羅毅等多位研究生的參與。本書內容為一種學術與實踐探討，加之時間倉促，難免存在不當之處，敬請讀者指正。
作者
2021年12月
曹華軍
重慶大學二級教授、博士生導師，國家“萬人計劃”科技創(chuàng)新領軍人才、首屆青年長江學者，現任重慶大學機械與運載工程學院副院長、制造工程研究所所長，“十二五”“十三五”國家綠色制造重點專項專家組成員，“十四五”國家“高性能制造技術與重大裝備”重點專項專家組副組長，中英低碳制造聯盟副主席單位負責人。獲獎勵1項、省部級及行業(yè)一等獎4項。
叢書序一
叢書序二
叢書序三
前言
第1章概論1
1.1全球碳排放現狀2
1.2全球低碳發(fā)展戰(zhàn)略7
1.3產品碳足跡14
1.4低碳制造的提出及其內涵20
參考文獻21
第2章低碳制造理論體系及研究現狀23
2.1低碳制造理論體系24
2.2碳排放量化與碳足跡評估25
2.3產品低碳設計與開發(fā)27
2.4低碳制造工藝及裝備30
2.5低碳制造系統建模與優(yōu)化32
2.6低碳制造工廠34
2.7低碳制造標準35
參考文獻36
第3章制造系統碳排放源及碳排放特性39
3.1制造系統碳排放源的定義及分類40
3.2制造系統碳排放源分布及驅動力40
3.3制造系統碳排放動態(tài)交匯特性42
3.4制造系統碳流的時域與空域特性45
參考文獻46
第4章制造系統工藝碳源特性及工藝規(guī)劃49
4.1概述50
4.2典型機械制造工藝碳排放廣義特性函數50
4.2.1工藝碳排放廣義特性函數的定義及表達50
4.2.2金屬切削工藝碳排放廣義特性函數51
4.2.3砂型鑄造工藝碳排放廣義特性函數54
4.2.4CO2氣體保護焊工藝碳排放廣義特性函數56
4.2.5自由鍛工藝碳排放廣義特性函數58
4.3基于廣義特性函數的工藝單元碳排放性能評估59
4.3.1機械加工單工藝物料碳排放量化模型59
4.3.2機械加工單工藝能耗碳排放量化模型61
4.4基于廣義特性函數的全工藝鏈碳排放性能評估61
4.5基于工藝參數選擇的低碳優(yōu)化64
4.5.1加工參數及加工方法對碳排放的影響64
4.5.2基于工藝參數選擇的低碳優(yōu)化71
4.6基于工藝順序選擇的低碳優(yōu)化83
4.6.1工藝順序對碳排放的影響83
4.6.2加工工序順序的低碳優(yōu)化決策85
參考文獻94
第5章制造系統碳流動態(tài)模型97
5.1概述98
5.2制造系統碳排放動力學描述98
5.3多層制造系統碳流動態(tài)平衡特性100
5.3.1制造系統碳流系統邊界及物能平衡方程100
5.3.2碳排放計算模型102
5.3.3基于EFOHPN的制造系統碳流動態(tài)仿真103
5.4基于Petri網的機械制造系統碳流動態(tài)建模105
5.4.1模型的形式化定義105
5.4.2模型的使能和激發(fā)規(guī)則107
5.4.3模型的動態(tài)特性分析108
5.4.4模型的沖突解決策略110
5.4.5一階混合Petri網的碳流動態(tài)模型112
5.5基于價值流的產線碳流動態(tài)模型114
5.5.1基于改進價值流的碳流模型114
5.5.2識別敏感工藝116
5.5.3案例分析117
參考文獻120
第6章制造系統碳效率評價指標及評估模型123
6.1概述124
6.2制造系統碳效率評價指標體系124
6.3基于LCA的機床設備碳效率評估127
6.3.1機床生命周期分析127
6.3.2機床生命周期各階段碳排放量化方法129
6.3.3機床碳效率評價指標134
6.3.4機床生命周期碳效率評估136
6.3.5案例分析138
6.4基于混合Petri網的生產線碳效率評估144
6.4.1機械加工生產線碳效率144
6.4.2基于混合Petri網的碳效率評估144
6.4.3敏感性分析148
6.4.4案例分析150
6.5基于狀態(tài)空間的制造車間碳效率評估156
6.5.1生產過程狀態(tài)空間模型157
6.5.2排放過程狀態(tài)空間模型159
6.5.3碳流動態(tài)特性評價160
6.5.4案例分析161
參考文獻165
第7章制造系統碳效率決策優(yōu)化及精益管控167
7.1概述168
7.2基于工藝路線的碳效率優(yōu)化168
7.2.1零件碳效率工藝路線優(yōu)化選擇模型168
7.2.2案例分析170
7.3基于生產調度的碳效率優(yōu)化176
7.3.1作業(yè)車間描述及碳效率指標定義176
7.3.2作業(yè)車間碳效率影響因素分析177
7.3.3作業(yè)車間碳效率評估優(yōu)化模型179
7.4制造車間碳效率精益管控方法189
7.4.1基于能量價值流的制造車間碳效率優(yōu)化方法190
7.4.2案例分析200
參考文獻209
第8章壓鑄制造系統碳流動態(tài)模型及碳效率評估213
8.1概述214
8.2壓鑄制造系統碳流動模型215
8.2.1壓鑄制造系統能量流分析215
8.2.2壓鑄制造系統物料流分析219
8.2.3壓鑄制造系統碳流分析219
8.3壓鑄制造系統碳效率評估221
8.3.1壓鑄制造系統碳效率評估指標221
8.3.2壓鑄制造系統碳效率評估方法222
8.4案例分析223
參考文獻227
第9章藍寶石襯底制造系統碳流動態(tài)模型及碳效率評估229
9.1概述230
9.2藍寶石襯底制造系統碳流動態(tài)模型232
9.2.1藍寶石襯底生產線能量流分析234
9.2.2藍寶石襯底生產線物料流分析235
9.2.3藍寶石襯底生產線碳流分析235
9.3藍寶石襯底制造系統碳效率評估237
9.3.1生產率碳效率評價指標238
9.3.2經濟效益碳效率評價指標238
9.3.3兩種碳效率評價指標之間的關系239
9.4藍寶石襯底生產線碳流動態(tài)特性建模239
9.5案例分析242
參考文獻256
第10章陶瓷制造系統碳流動態(tài)模型及碳效率評估257
10.1概述258
10.2陶瓷低碳制造系統生命周期碳排放特性259
10.2.1陶瓷企業(yè)能源碳排放特性及系數計算259
10.2.2陶瓷企業(yè)物料碳排放特性及系數計算261
10.2.3陶瓷產品生命周期物料與能量平衡分析264
10.3陶瓷低碳制造系統碳足跡評估271
10.3.1研究目的與范圍271
10.3.2數據采集272
10.3.3碳足跡計算272
10.3.4案例分析273
10.4基于模糊Petri網的陶瓷低碳制造系統建模方法276
10.4.1陶瓷企業(yè)生產過程建模276
10.4.2案例分析285
參考文獻288
第11章制造系統碳排放智能云管理系統及應用291
11.1低碳制造云管理系統總體設計292
11.1.1工廠低碳管理現狀292
11.1.2低碳制造云管理系統功能需求292
11.1.3低碳制
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