CN107886257A - 一种基于单位功效碳足迹的制造资源配置低碳评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单位功效碳足迹的制造资源配置低碳评价方法，包括如下步骤：设切削工艺活动过程中加工产品时产生的碳足迹总量与材料去除量之比为单位功效碳足迹CFK，采用单位功效碳足迹CFK作为主要评价指标对评价因素进行量化归一处理，对各指标因素划分不同等级；基于AHP的工艺过程对碳足迹模糊综合评价，a)分析评价系统中各基本要素之间的关系，建立系统的递阶层次结构；b)对同一层次的各元素关于上一层次中某一准则的重要性进行两两相比较，构造两两比较判断矩阵，并进行一致性检验；c)由判断矩阵计算被比较要素相对于该准则的相对权重；d)计算各层要素对系统目的的合成权重，并对各备选方案排序。

Description

一种基于单位功效碳足迹的制造资源配置低碳评价方法

技术领域

本发明涉及机械制造资源配置评估技术领域，具体地说，特别涉及到一种基于单位功效碳足迹的制造资源配置低碳评价方法。

背景技术

机械加工工艺过程是造成资源消耗和生态环境问题的主要活动之一。制造型企业如何从资源消耗、经济效益与碳排放量均衡发展的角度，对加工过程加以控制优化，成为挑战性问题。在生产过程中，资源的流动行为将直接影响产品性能、资源效能以及环境排放等，国内外的专家学者对生产过程中资源的环境属性分析和评价方面做出了一定的研究。在建筑、化工与流程工业中已经有了初步的基于碳足迹分析评价的研究成果，在机械加工领域处于起步阶段。

有国内学者对水泥生产直接及间接产生二氧化碳排放进行分析计算和定量化探讨；将碳排量和单位输出能量的碳排量作为评判与权衡HVAC(制热、通风与空调控制)系统的环境影响评价指标；有国外学者在制造行业产品生命周期分析的基础上，对碳足迹(CarbonFootprint，简称CFP)作为衡量制造业生产过程的环境因素指标进行了讨论。但是对于机械加工工艺过程中的碳足迹分析，还未有相关研究报道。针对制造企业现场生产过程的资源流、物料流、环境排放流等之间的映射关系，仍然缺少规范化、实用性强的指标体系，存在计算复杂性和实现复杂性的困难。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种基于单位功效碳足迹的制造资源配置低碳评价方法，在对工艺过程碳排放量化分析的基础上，提出了“单位功效碳足迹(CarbonFootprintperKilogram,简称CFK)”的概念，并以此作为电能、资源使用效率及环境排放的评价指标，对制造资源预配置结果进行低碳评估，在此基础上提出了工艺过程碳排放量评价分级思想，为低碳工艺规划中工艺要素的优化选择提供理论方法的支持。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种基于单位功效碳足迹的制造资源配置低碳评价方法，包括如下步骤：

1)设切削工艺活动过程中加工产品i时产生的碳足迹与工件的材料去除量之比为单位功效碳足迹CFK，则有

其中，表示工艺过程中产生总的碳足迹，mi表示工艺过程中的工件材料去除量；

2)CFK分级评价标准

采用单位功效碳足迹CFK作为主要评价指标对评价因素进行量化归一处理，采用1-5共五个等级，对各指标因素划分不同等级，定义R_i为工艺过程i(i＝1，2，…)的单位功效碳足迹分级结果；

3)基于AHP的工艺过程对碳足迹模糊综合评价，分为以下四个步骤：

a)分析评价系统中各基本要素之间的关系，建立系统的递阶层次结构；

b)对同一层次的各元素关于上一层次中某一准则的重要性进行两两相比较，构造两两比较判断矩阵，并进行一致性检验；

c)由判断矩阵计算被比较要素相对于该准则的相对权重；

d)计算各层要素对系统目的的合成权重，并对各备选方案排序。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)提出了“单位功效碳足迹”概念，并以此作为电能、资源使用效率及环境排放的主要评价指标，对制造资源预配置结果进行低碳评价；

2)提出了工艺过程碳排量评价分级思想，探讨生态环境限制对加工过程资源环境属性的关系映射，为低碳工艺规划中工艺要素的优化选择、工艺参数的优化选择等提供理论支持。

3)提出了本发明能够给产品生产阶段的碳排放评估提供理论支持，从工艺规划层面选择碳排放较少的制造资源，减少了加工过程产生的碳排放，进而为我国机械产品的碳排放评估提供参考，对于我国制定产品碳排放标准、碳标识及应对碳关税等贸易壁垒具有推动意义。

附图说明

图1为本发明所述的建立基于碳足迹分析的工艺过程评价结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1，本发明所述的一种基于单位功效碳足迹的制造资源配置低碳评价方法，包括如下步骤：

I、提出单位功效碳足迹CFK作为电能、资源使用效率及环境排放的评价指标。

单位功效碳足迹是对于工艺过程碳足迹的补充，可以直接或间接反映机械产品在机械加工过程中碳排量大小，为加工工艺过程的参数优化与过程优化提供基础。本文不考虑工件在不同工序之间运输过程产生的碳足迹，同时，由于单件产品和批量产品造成的碳排量存在有比较大的不确定性，这些忽略因素可在以后对公式进行进一步补充修正。

II、工艺过程碳排放量评价分级标准

(1)CFK分级评价标准

针对工艺过程中的电力消耗、资源消耗和环境影响因素的量纲不统一，本文选用CFK作为主要评价指标对评价因素进行量化归一处理。参照我国家电行业能效等级划分标准，采用1-5共五个等级，定义R_i为工艺过程i(i＝1，2，…)的单位功效碳足迹分级结果；

表1 CFK等级与环境影响对应一览表

由于加工工艺不一样，产生的碳足迹也不一样，不能用统一的标准来衡量所有加工工艺的碳足迹，需要统计一定量的不同型号机床使用同一加工工艺加工同一材料尺寸的工件消耗数据，按照前面的计算模型进行计算，利用数据统计获得该加工工艺的单位功效碳足迹参考平均值采集评价对象在加工周期的单位功效碳足迹CFK_i，然后根据公式计算其与参考平均值的差值D的大小，按照下表2划分不同等级。

表2加工周期单位功效碳足迹等级表

(2)其他要素分级评价准则

(3)噪声:按照国家标准GB15760-2004《金属切削机床安全防护通用技术条件》，建立加工周期噪声值的等级划分规则。

(4)粉尘：加工周期粉尘浓度值：机床在额定工作状态下，完成一个加工周期产生的粉尘浓度值。单位：mg/m³/cycle。根据国家标准JB/T 9878－1999《金属切削机床粉尘浓度的测定》，可以建立加工周期粉尘浓度值的等级划分规则。

(5)粉尘：机床在额定工作状态下，完成一个加工周期产生的粉尘浓度值。单位：mg/m³/cycle。根据国家标准JB/T 9878－1999《金属切削机床粉尘浓度的测定》，建立加工周期粉尘浓度值的等级划分规则。

(6)油雾:加工周期的油雾浓度值：机床在额定工作状态下，完成一个加工周期产生的油雾浓度值。单位：mg/m³/cycle。

(7)加工周期的油雾浓度值按照下表的油雾浓度等级进行分级。建立表3所示的加工周期油雾浓度值的等级划分规则。

表3加工周期油雾浓度等级表

刺激性气味：加工周期可能存在一些刺激性气味，会引起操作人员有身体不适的情况，本文采用定性分析，根据实际影响程度进行评价，分为1-5五个等级，1级表示无刺激性气味，建立如下表4所示的刺激性气味等级划分规则。

表4刺激性气味等级表

为了能将机床的资源环境属性的信息更加直观的表示出来，需要有统一的标识或报告。本文通过上述采集的指标数据，按照各指标等级划分规则，确定各指标的等级值，然后将指标等级值乘以由确定的资源环境属性的权重矩阵W，可以计算得到某一工艺的资源环境属性总的权值，利用下表5可以将评价对象的某一工艺的资源环境属性划分等级，得到1-5，五个等级。

表5 CFK综合评定等级表

III、基于AHP的工艺过程碳足迹模糊综合评价

在运用层次分析法进行评价或决策时，分为以下四个步骤：

(1)分析评价系统中各基本要素之间的关系，建立系统的递阶层次结构；

建立系统的递阶层次结构模型。对系统所涉及的因素进行分类，每一组作为一个层次，按照最高层、中间层和最底层的形式排列，构成一个因素间相互联系的层次结构模型。评价体系主要包括资源消耗以及生态影响等两大方面，对机械加工工艺过程的主要影响因素进行分析，建立基于碳足迹分析的工艺过程评价结构示意图所示的评价结构，目标层为面向低碳排放的资源环境属性评价，准则层包括单位功效碳足迹、粉尘、油雾、刺激性气味和噪声五个方面，方案层是提供待评价的工艺过程。

(2)对同一层次的各元素关于上一层次中某一准则的重要性进行两两相比较，构造两两比较判断矩阵，并进行一致性检验；

(3)由判断矩阵计算被比较要素相对于该准则的相对权重；

(4)计算各层要素对系统目的(总目标)的合成(总)权重，并对各备选方案排序。

Ⅳ、试验验证

以某数控机床实训车间底座加工样件为例，工件材料为45号钢，按预设加工路径进行加工，样件特征和材料符合测试样件的基本要求。根据车间提供的加工设备和工具，计算该工艺过程中的碳足迹并根据CFK评价方法进行碳排放等级评价。

1、实例数据采集

数控立式铣床型号：XKFM-716，参阅机床的用户指导手册可知具体参数，在此实例中，给定的主轴速度为2800rpm和进给速度为200mm/min。

刀具为直径10mm的双刃螺旋角30°的立铣刀，切削参数是比较了在实验情况下测量不同进给速率而得的近似平均切削力，与使用切削模型而得的理论平均切削力。参数由工件和刀具的材料类型，以及刀刃参数来决定的。一旦切削参数确定，可计算多种切削情况下的切削力。

表6为机床部件的电力消耗参数，它是通过收集相关数据计算而得。其中自动换刀装置与刀具库的电力消耗与运行时间无关。

表6机床部件的电力消耗

表7为采集到的一些基本数据。

表7基本数据采集2、评价结果及分析

根据加工过程中环境影响指标的实际值，由国家标准规定的等级划分规则，(GB15760-2004,JB/T 9878－1999,GB/T 23574-2009)，得到各环境影响指标的等级设定(见表9)。

表9环境影响指标数据一览表(1个加工周期)

由加工数据可知，切屑质量m＝0.173kg，

CFK的平均值为

CFK的实际值为CFK＝C^Total/m＝0.104779/0.173≈0.606，

由公式可知，由表2可知，该工艺过程的CFK等级为3(见表10)。

表10工艺过程的碳足迹计算表

由基于碳足迹分析的工艺过程评价结构示意图(见附图1)可知，除了CFK以外，其他的一些比如质量等指标并不能直接量化处理，这里引用模糊思想按照其重要性建立判断矩阵。

设集合U＝{u₁,u₂,u₃,u₄,u₅}＝{噪音，粉尘，油雾，刺激性气味,安全性}

集合里的组成元素u_i分别为噪音，粉尘，油雾，刺激性气味及安全性。

评价集合V＝{v₁,v₂,…,v_m}＝{1,2,3,4,5}集合里的数字表示评价指标的重要程度，如数字5表示非常严重，1表示微小影响。

在工艺过程对资源环境属性的影响因素中，电力消耗产生的影响最大，因此，对比各资源环境属性指标，代表电力及其他资源消耗的单位功效碳足迹最重要，粉尘、油雾和刺激性气味一样重要，粉尘、油雾和刺激性气味比噪声重要，因此，可以得到如表11所示的资源环境属性的判断矩阵A。该判断矩阵可根据实际情况调整重要程度的排序。

表11制造资源配置的判断矩阵

由基于AHP的工艺过程碳足迹模糊综合评价方法，可计算得：

W＝(0.343,0.058,0.112,0.112,0.112,0.262)^T，λ_max＝6.387，C.R.＝0.062

由C.R.＝0.062＜0.1可知判断矩阵A一致性符合要求。同时，由特征向量W可以计算得CFK权重乘积为R_i＝2.453,即为该铣削工艺的CFK影响权值为2.453，由表5可知其CFK综合评价等级为3级，属于中等影响程度。

此外，可使用同样方法与标准评价多台不同参数不同机床的加工工艺过程的碳足迹影响，对加工过程进行比较，进而为工艺决策制定以及工艺优化奠定基础。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种基于单位功效碳足迹的制造资源配置低碳评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)设切削工艺活动过程中加工产品i时产生的碳足迹与工件的材料去除量之比为单位功效碳足迹CFK，则有

其中，表示工艺过程中产生总的碳足迹，m_i表示工艺过程中的工件材料去除量；

2)CFK分级评价标准

采用单位功效碳足迹CFK作为主要评价指标对评价因素进行量化归一处理，采用1-5共五个等级，对各指标因素划分不同等级，定义R_i为工艺过程i(i＝1，2，…)的单位功效碳足迹分级结果；

3)基于AHP的工艺过程对碳足迹模糊综合评价，分为以下四个步骤：

a)分析评价系统中各基本要素之间的关系，建立系统的递阶层次结构；

b)对同一层次的各元素关于上一层次中某一准则的重要性进行两两相比较，构造两两比较判断矩阵，并进行一致性检验；

c)由判断矩阵计算被比较要素相对于该准则的相对权重；

d)计算各层要素对系统目的的合成权重，并对各备选方案排序。