CN103310076B - 一种非标结构变异过程的碳排放递归分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非标结构变异过程的碳排放递归分析方法。其步骤如下：提取非标结构变异过程的碳排放关联变化信息，构建初始层结构变异与碳排放关联表达模型；按照结构的层次信息对非标变异结构进行逐层细分与碳排放关联信息映射；基于各尺度层次结构变异信息构建各层次子结构变异与碳排放关联细分模型；逐层递归叠加得到初始非标结构变异的碳排放。本发明针对复杂机械产品非标结构碳排放分析困难的问题，通过对非标结构的层次细分，采用结构与碳排放关联基模型构建各尺度层次结构变异与碳排放关联关系，通过碳排放因子实现碳排放量化，再从最细结构逐层向上递归计算碳排放，实现非标结构变异过程碳排放的分析，为变异方案低碳化提供量化依据。

Description

一种非标结构变异过程的碳排放递归分析方法

技术领域

本发明涉及产品结构变异设计方法，尤其是涉及一种非标结构变异过程的碳排放递归分析方法。

背景技术

产品结构变异设计是一种快速响应市场的产品设计方法，在已有产品结构的基础上进行局部的结构变异，可快速形成满足市场需求的新产品。低碳设计是在人们对全球气候变化问题越来越重视的情况下产生的设计理念，在产品设计阶段充分考虑产品生命周期中引起的碳排放并采用低碳的设计方案，可从设计源头提高产品的低碳性。产品的结构变异会影响产品制造、装配、拆卸、回收活动过程中的碳排放，从而影响产品的碳排放性能。在产品结构变异设计中融入碳排放分析，能评估变异方案引起的碳排放变化，为低碳结构变异方案的选择提供有效的支持，实现快速响应市场变化的同时满足减排的环境需求。

非标结构是产品结构变异设计中产生的各种在已有标准结构库中没有的新结构。由于缺乏可直接整体重用的设计信息，非标结构的碳排放关联信息需要重新组建，且复杂机械产品非标结构层次多样，涉及组件层、零件层、特征层等多个层面，给碳排放的分析造成困难，如何应对复杂非标结构变异的层次多样性，高效有序地评估变异过程相关联的碳排放变化，是实现非标结构变异过程碳排放分析的关键问题。针对上述问题，若能构建统一的结构变异与碳排放信息映射模型，分析不同尺度非标结构变异过程与碳排放变化之间的关联关系，再根据变异结构的层次组成信息按照递归的方式实现结构变异的碳排放计算，不仅能评估结构变异的低碳性，而且通过结构层次递归的方式能更清晰地反映碳排放的具体构成，为非标结构的低碳进化提供依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非标结构变异过程的碳排放递归分析方法，通过对非标结构的层次细分，构建各尺度层次结构变异与碳排放关联关系，依据结构层次的组成关系，通过递归实现非标结构变异过程的碳排放分析。

为了实现上述目的，本发明采用技术方案的步骤如下：

1、该方法的步骤如下：第一步，提取非标结构变异过程的碳排放关联变化信息，构建初始层非标结构变异与碳排放关联表达模型；

第二步，按照初始层非标结构的层次信息对非标结构进行逐层细分与碳排放关联信息映射；

第三步，基于细分后的各尺度层次结构变异信息构建各层次子结构变异与碳排放关联表达细分模型；

第四步，逐层递归叠加得到初始非标结构变异的碳排放量。

所述的构建初始层非标结构变异与碳排放关联表达模型，对非标结构变异引起的制造、装配、拆卸、回收碳排放环节的变化信息进行提取，基于结构与碳排放映射基模型实现初始层非标结构变异与碳排放的关联表达。

所述的非标结构进行逐层细分与碳排放关联信息映射，将组件层结构细分到各组成零件，将零件层细分到典型特征及特征组合结构，并将制造、装配、拆卸、回收碳排放关联信息逐层映射到各组成结构。

所述的构建各层次子结构变异与碳排放关联表达细分模型，根据各层次结构特点与碳排放关联信息，同样基于结构与碳排放映射基模型实现各层次子结构变异与碳排放的关联表达。

所述的逐层递归叠加得到初始非标结构变异的碳排放量，根据分解的结构单元层次关系，采用自底向上的方式，依次计算零件层到组件层的各层量化的碳排放并最终叠加到初始层非标结构。

所述的构建初始层非标结构变异与碳排放关联表达模型方法的步骤如下：

第一步，提取非标结构变异信息并分类表达，包括非标结构制造变异信息、非标结构装配变异信息、非标结构拆卸变异信息、非标结构回收变异信息，通过集对表达的方式实现非标结构变异过程的描述：变异前结构制造、装配、拆卸、回收信息参量值及变异后结构制造、装配、拆卸、回收信息参量值；

第二步，根据各种非标结构变异信息所涉及到的碳排放关联信息参量构建结构与碳排放关联基模型，用一个五元组表达：V=(M，P，F，E，W)，其中：M为原料投入；P人员投入；F设备投入；E能源消耗；W废弃量；

第三步，基于构建的结构与碳排放关联基模型得到初始层非标结构变异关联的碳排放变化信息表达，作为非标结构变异过程的碳排放递归分析的输入条件。

所述的非标变异结构的逐层细分与碳排放关联信息映射方法步骤如下：

第一步，判断非标结构的层次类别，对于组件层结构，按组成零件细分，对于零件层结构，按典型特征及特征组合细分，形成结构层次树，将各细分结构在结构库中检索，对于已有结构进行碳排放信息提取与重用，非标结构则进行碳排放信息映射；

第二步，在非标结构细分过程中将上层结构碳排放关联信息映射到非标子结构，以结构层次关系为依据，按照各类信息与结构的依附关系构建信息结构矩阵，根据信息结构矩阵实现信息逐层分配；

第三步，检查信息映射的冗余，避免冲突，确保信息向上回代的可行与正确，将映射完成的新结构单元编码入库；

第四步，以各非标子结构为对象，重复上述步骤将非标结构细分到最细的特征层并映射对应碳排放信息，完成非标结构的逐层细分与碳排放关联信息映射。

所述的逐层递归叠加得到初始非标结构变异的碳排放方法步骤如下：

第一步，从底层结构开始，根据该层各结构变异与碳排放关联表达模型得到结构变异关联的碳排放量化表达式；

第二步，从因子库中提取相关活动的碳排放因子，对于新活动，以标准碳排放活动为参考，通过相对评估法评估其碳排放因子并入库扩充，通过碳排放因子与活动数据计算各层结构变异量化的碳排放值；

第三步，通过叠加的方式得到上层结构变异的合成碳排放量，再加上由上层结构整体变异的活动数据计算的碳排放量，得到上层结构变异总的碳排放量；

第四步，逐层向上重复上述步骤直至得到初始非标结构变异的碳排放量。

本发明具有的有益效果是：

1．采用本发明可实现非标结构变异过程的碳排放分析，通过对非标结构的层次细分，构建各尺度层次结构变异与碳排放关联表达模型，依据非标结构的层次组成关系，通过递归实现非标结构变异过程的碳排放分析，解决非标结构变异的碳排放分析困难问题。

2．本发明提出的结构与碳排放关联基模型，通过对非标结构变异信息所涉及到的碳排放关联信息参量的提取，组建结构的关联碳排放描述，再采用碳排放因子转化的方式，解决了非标结构变异碳排放量化表达困难的问题。

3．本发明提出的碳排放递归分析方法，依据结构的层次组成信息，自底向上逐层计算各层结构变异的碳排放变化，解决了复杂层次的非标结构碳排放描述的难题，且通过对结构的细分研究，能细致准确地反映结构关联的碳排放组成，易于实现结构的碳排放信息重用及低碳改进。

附图说明

图1是本发明的流程总图。

图2是本发明相应的非标结构变异信息表达图。

图3是本发明相应的非标结构逐层细分与碳排放信息映射过程图。

图4是本发明相应的各类型碳排放因子相对评估指标体系图。

图5是本发明相应的碳排放递归计算过程图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明作进一步的详细描述，图中涉及信息为本发明在涡轮空气增压器设计中的实际应用数据。

如图1所示，是本发明所述的非标结构变异过程碳排放递归分析方法的流程总图。

非标结构变异过程的碳排放递归分析方法以企业结构设计库为支撑，建立包括产品设计结构库、碳排放因子库等知识库，主要流程有：非标结构变异信息的分类表达与碳排放关联、结构逐层细分与碳排放信息映射、碳排放量化与递归计算。非标结构变异信息的分类表达与碳排放关联实现非标结构变异过程信息的提取，按照制造信息、装配信息、拆卸信息、回收信息分类表达，实现变异过程信息与碳排放信息的关联；结构逐层细分与碳排放信息映射以结构组成信息为基础实现非标结构的逐层细分，并将上层碳排放关联信息按照特定的映射规则映射到各子结构；碳排放量化与递归计算采用碳排放因子转换的方法将各层子结构碳排放关联信息量化为具体的碳排放量并依据结构组成递归计算结构整体的碳排放变化量，形成对非标结构变异过程的碳排放递归分析。

运用本方法对非标结构变异的碳排放进行分析的主要步骤有：

第一步，分别提取非标结构变异前与变异后的制造信息、装配信息、拆卸信息、回收信息等，通过逐条对比分析实现变异过程的表达；

第二步，按结构组成特点进行细分，子结构中标准结构进行碳排放信息重用，非标结构信息则由上层结构映射得到，并重复细分直至最细结构；

第三步，检索碳排放因子库，调用各类型活动对应的碳排放因子，对于新类型活动，通过相对评估的办法进行评估，得到相对碳排放因子；

第四步，将各类型变异信息进行碳排放统一当量转化：某一活动的碳排放量=活动水平数据×排放因子；

第五步，根据结构组成信息进行碳排放递归叠加，至底向上计算各层结构变异关联的碳排放量，得到非标结构变异过程的碳排放递归分析报告。

如图2所示，是本发明相应的非标结构变异信息表达形式。

全面准确地获取非标结构变异过程信息是进行碳排放分析的前提条件。针对非标结构全生命周期的不同过程，将变异前后非标结构关联的各类信息分类整理，再提取出总的原料投入变化信息ΔM、人员投入变化信息ΔP、设备投入变化信息ΔF、能源消耗变化信息ΔE、废弃量变化信息ΔW。各类信息分别用相应的衡量参量表达：

$\mathrm{\ΔM}=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Δm}}_1& a_1\\ {\mathrm{\Δm}}_2& a_2\\ {\mathrm{\Δm}}_3& a_3\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\end{array}\right]$ $\mathrm{\ΔP}=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Δp}}_1& b_1\\ {\mathrm{\Δp}}_2& b_2\\ {\mathrm{\Δp}}_3& b_3\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\end{array}\right]$ $\mathrm{\ΔF}=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Δf}}_1& c_1\\ {\mathrm{\Δf}}_2& c_2\\ {\mathrm{\Δf}}_3& c_3\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\end{array}\right]$ $\mathrm{\ΔE}=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Δe}}_1& d_1\\ {\mathrm{\Δe}}_2& d_2\\ {\mathrm{\Δe}}_3& d_3\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\end{array}\right]$ $\mathrm{\ΔW}=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Δw}}_1& e_1\\ {\mathrm{\Δw}}_2& e_2\\ {\mathrm{\Δw}}_3& e_3\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\end{array}\right]$

各矩阵第一列为参量类型，其中Δm_i表示材料种类，Δpi表示人员类型，Δf_i表示设备型号，Δe_i表示能源类别，Δw_i表示废弃物种类。第二列a_i，b_i，c_i，d_i，e_i为对应的信息衡量量值，作为碳排放量化的活动数据。

如图3所示，是本发明相应的结构逐层细分与碳排放信息映射过程。

信息的逐层映射过程应以产品结构关系为依据，以信息完整为准则逐层进行。可利用产品结构树反映出的产品结构关系，将各类信息依附于结构设计树中的各元素，构建信息结构矩阵。

定义1：定义矩阵V=[I×S]=(v_ij)_m×n为信息结构矩阵，其中0≤v_ij≤1，表示信息I_i与结构S_j的依附程度，若该信息只与该结构有关，则取值为1，反之为0；m为信息参量数量，n为结构数量。

定义2：设矩阵V=(v_ij)_m×n是信息结构矩阵，当某列元素组成的向量V_j≠0时，从该向量产生一个新信息结构矩阵U=(u_i′j′)_m′×n′，若满足矩阵对应行各值总和等于向量对应元素值，则称矩阵U是信息结构矩阵V的一个派生矩阵，矩阵V称为矩阵U的父矩阵。

根据上述定义，可将结构碳排放关联信息映射过程按信息结构矩阵的方式描述如下：根据信息的表达方式，结构碳排放关联变化信息可用五元组I=(ΔM，ΔP，ΔF，ΔE，ΔW)描述，从最上层结构开始构建初始信息结构矩阵（对于初始结构各元素值为1），则信息的映射过程可以以信息结构矩阵为依据进行分配，信息结构矩阵是以每个非零列向量为基向量，派生出相应的子矩阵，子矩阵组成由该元素对应结构的子结构与信息元素的关系组成，作为子结构的信息结构矩阵，通过初始信息乘上信息结构矩阵则可得到各细分结构碳排放关联变化信息。

信息结构矩阵能将结构的分层关系与信息的分配关系结合，方便信息分配过程的表达，且利于信息完整性的检测。在信息细分映射过程中要检查信息映射的冗余，避免冲突，确保信息向上回代的正确性，信息分配条件满足如下：

$\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{\mathrm{ij}}^1=1,i=\mathrm{1,2},...$

$v_{\mathrm{ij}}^p=\mathrm{\Σ}{v}_{\mathrm{ik}}^{p+1},s_k^{p+1}\⋐s_j^p$

其中表示第p层的第j个子结构，表示第p层子结构的下层细分结构，表示对于信息I_i的关联程度。

如图4所示，是本发明相应的各类型碳排放因子相对评估指标体系。

通过信息结构矩阵的表达，非标结构碳排放关联变化信息得以逐层细分，通过碳排放因子的转换可得到各层结构变异引起的碳排放量变化。在进行结构变异信息碳排放量化时，最重要的是确定碳排放因子，碳排放因子是衡量单位活动引起的碳排放，根据企业常见各种活动类型进行分类分析，构建企业的碳排放因子库，从碳排放因子库中自动调用已有碳排放因子，检索不到的需要进行活动碳排放相对评估，根据活动类型选择对应的评估指标，参考已有活动进行相对评估，得到相对的碳排放因子，乘上对应的活动数据即可将信息转换为碳排放量。

根据结构关联的信息类型，可将碳排放因子分为五类：

Ⅰ型碳排放因子ζ_m：单位质量原材料的使用引起的碳排放；Ⅱ型碳排放因子ζ_p：单位人员投入引起的碳排放；Ⅲ型碳排放因子ζ_f：单位时间设备的使用引起的碳排放；Ⅳ型碳排放因子ζ_e：单位能源消耗引起的碳排放；Ⅴ型碳排放因子ζ_w：单位废弃材料引起的碳排放。

在各种活动信息类型中选择一种典型活动作为标准活动，一般选用稳定不变的、易于统计分析的活动作为标准，通过制定各类型的标准碳排放因子，建立结构碳排放评估的参考依据，再通过对其他同类型活动的相对比较，实现各种碳排放环节的量化。为了评估的准确性，各类型活动的比较应包含活动相关细节信息，针对不同类型的活动分别选取若干评价指标。通过多位专家对各指标评估打分，得到各种活动类型的碳排放因子相对量化值。通过相对评估，可计算相对碳排放因子：

${\mathrm{\ζ}}_x={\mathrm{\ζ}}_0\·\underset{i=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\ω}}_i\·\underset{j=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}\left(r_{\mathrm{ij}}\right)/n]$

其中ζ_x表示待求碳排放因子，ζ₀表示标准碳排放因子，r_ij表示第j位专家对指标i的相对评价值（0～1），ω_i表示权重，r表示评价指标数，t表示评审专家数量。

如图5所示，是本发明相应的碳排放递归计算过程。

碳排放因子确定后，结构关联的碳排放变化信息转化为碳排放量可表达为：

$\mathrm{\ΔC}\left(S\right)=\underset{i=1}{\overset{x_1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δc}}_m^i+\underset{j=1}{\overset{x_2}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δc}}_p^j+\underset{k=1}{\overset{x_3}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δc}}_f^k+\underset{u=1}{\overset{x_4}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δc}}_e^u+\underset{v=1}{\overset{x_5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δc}}_w^v$

$=\underset{i=1}{\overset{x_1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δm}}_i\·{\mathrm{\ζ}}_{m_i}+\underset{j=1}{\overset{x_2}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δp}}_j\·{\mathrm{\ζ}}_{p_j}+\underset{k=1}{\overset{x_3}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δf}}_k\·{\mathrm{\ζ}}_{f_k}+\underset{u=1}{\overset{x_4}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δe}}_u\·{\mathrm{\ζ}}_{e_u}+\underset{v=1}{\overset{x_5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δw}}_v\·{\mathrm{\ζ}}_{w_v}$

其中ΔC(S)表示结构S变异引起的碳排量，表示第i种材料信息关联的碳排放量，表示第j种人员信息关联的碳排放量，表示第k种设备信息关联的碳排放量，表示第u种能源信息关联的碳排放量，表示第v种废弃物信息关联的碳排放量，x₁,x₂,x₃,x₄,x₅分别为各类信息参量的数量。

在完成底层各子结构碳排放量化后，根据结构组成关系进行递归叠加可得到结构变异的整体碳排放变化量值。在递归计算非标结构碳排放过程中，其算法实现的主要步骤有：

第一步，将所有结构按层次进行分类，进一步在各层结构中以关联关系进行划分，并建立各子集合与上层结构的对应关系；

第二步，以各集合为单位提取各子结构变异的关联碳排放量并叠加计算合成碳排放量，作为对应上层结构变异的碳排放量参与上层结构的叠加计算，

第三步，重复上述步骤递归计算各层结构变异碳排放计算直至完成初始结构变异的碳排放分析。递归计算式为：

其中k表示结构层次，n表示该层结构总数。

Claims (3)

1.一种非标结构变异过程的碳排放递归分析方法，其特征在于，该方法的步骤如下：

步骤1）提取非标结构变异过程的碳排放关联变化信息，构建初始层非标结构变异与碳排放关联表达模型；

步骤2）按照初始层非标结构的层次信息对非标结构进行逐层细分与碳排放关联信息映射；

步骤3）基于细分后的各尺度层次结构变异信息构建各层次子结构变异与碳排放关联表达细分模型；

步骤4）逐层递归叠加得到初始非标结构变异的碳排放量；

所述步骤1）中的构建初始层非标结构变异与碳排放关联表达模型，对非标结构变异引起的制造、装配、拆卸、回收碳排放环节的变化信息进行提取，基于结构与碳排放关联基模型实现初始层非标结构变异与碳排放的关联表达；

所述步骤2）中的非标结构进行逐层细分与碳排放关联信息映射，将组件层结构细分到各组成零件，将零件层细分到典型特征及特征组合结构，并将制造、装配、拆卸、回收碳排放关联信息逐层映射到各组成结构；

所述步骤3）中的构建各层次子结构变异与碳排放关联表达细分模型，根据各层次结构特点与碳排放关联信息，同样基于结构与碳排放关联基模型实现各层次子结构变异与碳排放的关联表达；

所述步骤4）中的逐层递归叠加得到初始非标结构变异的碳排放量，根据分解的结构单元层次关系，采用自底向上的方式，依次计算零件层到组件层的各层量化的碳排放并最终叠加到初始层非标结构；

所述的构建初始层非标结构变异与碳排放关联表达模型方法的步骤如下：

步骤1.1）提取非标结构变异信息并分类表达，包括非标结构制造变异信息、非标结构装配变异信息、非标结构拆卸变异信息、非标结构回收变异信息，通过集对表达的方式实现非标结构变异过程的描述：变异前结构制造、装配、拆卸、回收信息参量值及变异后结构制造、装配、拆卸、回收信息参量值；

步骤1.2）根据各种非标结构变异信息所涉及到的碳排放关联信息参量构建结构与碳排放关联基模型，用一个五元组表达：V=(M，P，F，E，W)，其中：M为原料投入；P人员投入；F设备投入； E能源消耗；W废弃量；

步骤1.3）基于构建的结构与碳排放关联基模型得到初始层非标结构变异关联的碳排放变化信息表达，作为非标结构变异过程的碳排放递归分析的输入条件。

2.根据权利要求1所述的一种非标结构变异过程的碳排放递归分析方法，其特征在于，所述的非标变异结构的逐层细分与碳排放关联信息映射方法步骤如下：

步骤2.1） 判断非标结构的层次类别，对于组件层结构，按组成零件细分，对于零件层结构，按典型特征及特征组合细分，形成结构层次树，将各细分结构在结构库中检索，对于已有结构进行碳排放信息提取与重用，非标结构则进行碳排放信息映射；

步骤2.2）在非标结构细分过程中将上层结构碳排放关联信息映射到非标子结构，以结构层次关系为依据，按照各类信息与结构的依附关系构建信息结构矩阵，根据信息结构矩阵实现信息逐层分配；

步骤2.3）检查信息映射的冗余，避免冲突，确保信息向上回代的可行与正确，将映射完成的新结构单元编码入库；

步骤2.4）以各非标子结构为对象，重复上述步骤将非标结构细分到最细的特征层并映射对应碳排放信息，完成非标结构的逐层细分与碳排放关联信息映射。

3.根据权利要求1所述的一种非标结构变异过程的碳排放递归分析方法，其特征在于，所述的逐层递归叠加得到初始非标结构变异的碳排放方法步骤如下：

步骤3.1）从底层结构开始，根据该层各结构变异与碳排放关联表达模型得到结构变异关联的碳排放量化表达式；

步骤3.2）从因子库中提取相关活动的碳排放因子，对于新活动，以标准碳排放活动为参考，通过相对评估法评估其碳排放因子并入库扩充，通过碳排放因子与活动数据计算各层结构变异量化的碳排放值；

步骤3.3）通过叠加的方式得到上层结构变异的合成碳排放量，再加上由上层结构整体变异的活动数据计算的碳排放量，得到上层结构变异总的碳排放量；

步骤3.4）逐层向上重复上述步骤直至得到初始非标结构变异的碳排放量。