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全球低碳發展戰略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章低碳制造理論體繫及研究現狀23
2.1低碳制造理論體繫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27
2.4低碳制造工藝及裝備30
2.5低碳制造繫統建模與優化
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章制造繫統碳排放源及碳排放特性39
3.1制造繫統碳排放源的定義及分類40
3.2制造繫統碳排放源分布及驅動力40
3.3制造繫統碳排放動態交彙特性42
3.4制造繫統碳流的時域與空域特性45
參考文獻46
第4章制造繫統工藝碳源特性及工藝規劃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基於廣義特性函數的碳排放性能評估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基於廣義特性函數的全工藝鏈碳排放性能評估61
4.5基於工藝參數選擇的低碳優化64
4.5.1加工參數及加工方法對碳排放的影響64
4.5.2基於工藝參數選擇的低碳優化71
4.6基於工藝順序選擇的低碳優化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化決策85
參考文獻94
第5章制造繫統碳流動態模型97
5.1概述98
5.2制造繫統碳排放動力學描述98
5.3多層制造繫統碳流動態平衡特性100
5.3.1制造繫統碳流繫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基於EFOHPN的制造繫統碳流動態仿真103
5.4基於Petri網的機械制造繫統碳流動態建模105
5.4.1模型的形式化定義105
5.4.2模型的使能和激發規則107
5.4.3模型的動態特性分析108
5.4.4模型的衝突解決策略110
5.4.5一階混合Petri網的碳流動態模型112
5.5基於價值流的產線碳流動態模型114
5.5.1基於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章制造繫統碳效率評價指標及評估模型123
6.1概述124
6.2制造繫統碳效率評價指標體繫124
6.3基於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基於混合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基於混合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基於狀態空間的制造車間碳效率評估156
6.5.1生產過程狀態空間模型157
6.5.2排放過程狀態空間模型159
6.5.3碳流動態特性評價160
6.5.4案例分析161
參考文獻165
第7章制造繫統碳效率決策優化及精益管控167
7.1概述168
7.2基於工藝路線的碳效率優化168
7.2.1零件碳效率工藝路線優化選擇模型168
7.2.2案例分析170
7.3基於生產調度的碳效率優化176
7.3.1作業車間描述及碳效率指標定義176
7.3.2作業車間碳效率影響因素分析177
7.3.3作業車間碳效率評估優化模型179
7.4制造車間碳效率精益管控方法189
7.4.1基於能量價值流的制造車間碳效率優化方法190
7.4.2案例分析200
參考文獻209
第8章壓鑄制造繫統碳流動態模型及碳效率評估213
8.1概述214
8.2壓鑄制造繫統碳流動模型215
8.2.1壓鑄制造繫統能量流分析215
8.2.2壓鑄制造繫統物料流分析219
8.2.3壓鑄制造繫統碳流分析219
8.3壓鑄制造繫統碳效率評估221
8.3.1壓鑄制造繫統碳效率評估指標221
8.3.2壓鑄制造繫統碳效率評估方法222
8.4案例分析223
參考文獻227
第9章藍寶石襯底制造繫統碳流動態模型及碳效率評估229
9.1概述230
9.2藍寶石襯底制造繫統碳流動態模型
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藍寶石襯底制造繫統碳效率評估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繫239
9.4藍寶石襯底生產線碳流動態特性建模239
9.5案例分析242
參考文獻256
第10章陶瓷制造繫統碳流動態模型及碳效率評估257
10.1概述258
10.2陶瓷低碳制造繫統生命周期碳排放特性259
10.2.1陶瓷企業能源碳排放特性及繫數計算259
10.2.2陶瓷企業物料碳排放特性及繫數計算261
10.2.3陶瓷產品生命周期物料與能量平衡分析264
10.3陶瓷低碳制造繫統碳足跡評估271
10.3.1研究目的與範圍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基於模糊Petri網的陶瓷低碳制造繫統建模方法276
10.4.1陶瓷企業生產過程建模276
10.4.2案例分析285
參考文獻288
第11章制造繫統碳排放智能雲管理繫統及應用291
11.1低碳制造雲管理繫統總體設計292
11.1.1工廠低碳管理現狀292
11.1.2低碳制造雲管理繫統功能需求292
11.1.3低碳制

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：工業革命後，人類社會工業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，歐美等發達國家正發動一場以高能效、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，制定了碳中和發展計劃。在此背景下，一種全新的可持續制造模式應運而生——低碳制造。低碳制造不同於綠色制造、可持續制造、環境意識制造，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，實現制造企業經濟效益、社會效益、環境效益的統一，其實質是提高制造業能源、物料等資源的利用效率和創建清潔能源結構，核心是制造業的技術創新、制度創新和發展觀的轉變。
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：中國將力爭於2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和。制造業的快速發展是造成我國整個工業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%來源於制造業。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境的重大變革，其意義不亞於三次工業革命。開展低碳制造對於優化我國制造業結構、推動制造業轉型升級、實現制造強國戰略具有重要意義。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，揭示制造繫統及過程的碳排放靜動態特性、碳源分布與流量、碳排放全過程時空動態變化及擾動規律，構建制造繫統碳排放動態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“基於廣義特性函數集的制造繫統碳流動態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繫統優化基礎理論與關鍵技術(中英NSFCUKRI_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“新能源汽車齒輪綠色精密加工關鍵技術與成套裝備研制(戰略性科技創新合作專項，No.2020YFE0201000)”等項目的支持下，課題組自2010年開始持續、繫統地開展了低碳制造研究，對制造繫統及其生產過程碳排放特性、碳源廣義特性函數、制造繫統碳流動態模型及制造繫統碳效率分析、評估、優化、管控方法等進行了繫統的研究與應用。
本書共11章。第1章介紹了低碳制造發展的背景及內涵；第2章分析了低碳制造的技術體繫以及國內外研究現狀、未來發展趨勢等；第3章揭示了制造繫統碳排放源分布與驅動力、碳排放動態輸入輸出特性、碳流的時域與空域特性以及碳流交彙特性等；第4章針對工藝碳源，提出了制造繫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，並建立了一種制造繫統低碳工藝規劃模型；第5章介紹了制造繫統碳排放動力學過程參考模型，並分別基於Petri網、價值流等建立了制造繫統碳流動態模型；第6章提出了制造繫統碳效率概念及評價指標體繫，提出了基於生命周期的機床設備碳效率動態評估模型，以及基於Petri網、狀態空間方法的生產線、生產車間碳效率評價模型；第7章研究了基於工藝路線決策的碳效率優化方法，以及基於生產調度的碳效率優化方法，並通過能量價值流理論實現了制造繫統碳效率精益管控；第8～10章分別面向壓鑄制造繫統、藍寶石襯底制造繫統、陶瓷制造繫統進行了理論、方法、模型應用；第11章介紹了一種制造繫統碳排放智能雲管理繫統及應用。
本書是對課題組10年低碳制造研究成果的繫統總結。除本書主要作者外，感謝尹瑞雪教授以及陳二恆、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