面向碳足迹计算的产品本体构建方法及其应用

董莎莎，李仁旺，沈思勋，贾江鸣

(浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018)

随着全球制造业的迅猛发展，我国制造业已占据整个经济的主导地位.现阶段工业化、城市化的快速发展，使制造企业“高碳”特征更加明显.在低碳经济的大环境中，供应链低碳化是降低全球碳排放的有效措施.此前已有许多学者对碳足迹进行了研究.Ball P D等通过探究原料、能源及废物流之间的关系，提出了从低碳排放向排放物利用转变，用低碳实现模型来降低碳排放的观点[1]；O'Connell S等设计了基于标准供应链的低碳产品运作模型，分析了供应链上采购、生产、交付和回收4个环节的运作过程，并对产品整个生命周期的低碳排放进行了研究[2].李晓婧等对低碳环境下闭环供应链的优化方法进行研究，在分析供应链中节点碳排放系数的基础上提出了一种均衡模型[3].已有研究多侧重于建立低碳排放模型，并未对碳足迹概念进行统一，导致碳足迹的计算模型不通用，在碳排放信息获取方面缺乏规范，产品的碳足迹计算存在偏差.

本文从供应链出发，将产品本体的构建方法应用到碳足迹研究中，从供应链上各企业信息系统中获取具体的产品概念及属性，将对应的碳足迹数据规范化，构建产品关于碳足迹的本体，进而基于产品全生命周期对采购、生产、运输、消耗、回收5个阶段的碳足迹建立计算模型，进行产品碳足迹的研究.

1 产品碳足迹的本体构建

为了减少企业的碳排放，实现低碳生产，本文从供应链出发，采用构建碳足迹本体的方法研究制造企业的碳排放问题.首先，通过分析整个供应链上产品全生命周期各环节的碳排放量，梳理各环节产品碳足迹的概念；然后，通过语义描述，建立计算机能够解读的概念模型，并对概念模型进行处理；最后，将处理后概念模型用于产品全生命周期的碳足迹计算.

1.1 产品碳足迹本体的构建语言

产品碳足迹本体的构建语言应具有良好的语义性、定义性、可表达性和便捷性.

在现有语义Web领域中，OWL(Web Ontology Language)的语义性最好且应用最广泛.本文将OWL作为描述产品碳足迹本体的语言，使用OWL定义类和类的属性、类的对象和对象属性，描述产品碳足迹.

1.2 产品碳足迹本体的建模元素

为了从供应链角度清楚地描述产品的碳足迹，既要选择适合的计算机语言，又要选择适当的建模元素.为了准确描述本体，本文参考文献[4]，使用6个基本的建模元素(包括类、关系、属性、函数、公理和实例)来描述产品碳足迹.

(1) 类：指概念的名称及关系的集合.

(2) 关系：描述概念和对象的关系、父子类关系.

(3) 属性：描述性质，分为对象属性和数据属性.

(4) 函数：描述映射关系.

(5) 公理：指公认的事实.

(6) 实例：指具体的对象.实例有4种基本关系，分别是子集关系(part-of)、继承关系(kind-of)、实例关系(instance-of)和属性关系(attribute-of).

1.3 产品碳足迹本体的构建工具与方法

在产品供应链中，对产品碳足迹本体的研究应选用易操作、可视化且支持OWL语言的本体构建工具.在本体研究领域有很多便捷的本体构建工具，如斯坦福大学知识系统实验中心和医学信息中心(SMI)开发的Protégé-2000、马德里大学人工智能研究室开发的WebODE工具[5]等.这些本体构建工具提供的图形化界面，可有效提升开发人员设计本体的工作效率.表1所示为常用本体构建工具的性能比较[6].

表1 常用本体构建工具的性能比较

在本体构建领域，Protégé工具使用最为广泛.它具有建立本体的基本功能，同时有重构本体，实现对现有本体复用、编辑、维护等功能.Protégé工具的界面能以树形层次对概念目录的结构进行展示，可直接点击界面上标记来编辑本类或添加子类、属性、实例等，操作简便[7].本文使用Protégé工具，根据七步法[5]构建产品碳足迹本体.其构建步骤如下：①明确产品碳足迹本体的专业领域和概念界定；②考查复用现有产品碳足迹本体的可行性；③明确产品碳足迹本体中的重要术语；④自上而下地定义产品类和类的等级关系；⑤确定产品类的属性和属性矢系；⑥确定产品类的属性界限；⑦构建产品碳足迹实例.

2 供应链上产品碳足迹的概念界定

运用SCOR(Supply-Chain Operations Reference-model)标准供应链模型，能够界定供应链上的产品碳足迹.SCOR标准供应链模型由国际供应链研究协会研发，包含计划、采购、生产、配送、退回五大环节[8].SCOR标准供应链模型的运作流程包括流程类型层、流程种类层和流程细分层(图1).流程类型层是根据计划、采购、生产配送、退回五大环节来划分的；流程种类层可按照企业功能和运作模式进行细分，如采购管理、质量管理等；流程细分层是指输入与输出.

图1 SCOR标准供应链模型的运作流程

在基于SCOR标准供应链模型构建产品碳足迹本体时，应严格遵循本体构建的原则，保证碳足迹本体具有较强的可管理性和可扩展性.本文制定的碳足迹本体构建原则为：术语定义明确、完整；术语与其推理得出的结论保持一致；在本体概念上可扩展新术语；能够满足特定领域的知识需要.

3 产品全生命周期碳足迹计算的方法

目前已有很多计算碳足迹的方法，常用的有Kaya碳排放恒等法、生命周期评价(LCA)法、IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)法、投入产生法[9]等.常用碳足迹计算方法的含义及优缺点如表2所示.

表2 常用碳足迹计算方法的含义及优缺点

本文研究的是产品全生命周期的碳足迹，因此选择生命周期评价(LCA)法进行产品碳足迹计算.按照PAS2050等碳排放标准的规定确定整个供应链的产品碳足迹范围，使用“从摇篮到坟墓”的界定方式，将供应链中各企业定为一级边界[10]，以各企业内部的生产活动为二级边界，对制造企业采购、生产、配送、使用(考虑到产品在销售使用阶段仍存在碳消耗)、回收5个阶段进行流程细分，确定制造企业的碳足迹本体边界(图2).在供应链中，根据该本体边界计算产品碳足迹的总和，即各环节企业内部所有与产品相关活动的碳排放量累加.

图2 制造企业的碳足迹本体边界

LCA法的基本公式为：

(1)

式中：G为任意一种生产运作流程的碳足迹(即碳排放量)；Qk为流程k的能量损耗，一般指该流程中物质的消耗量，如材料、电力的消耗量；Ck为流程k的碳排放因子.

根据LCA法，产品供应链的碳足迹模型为：

GW=GS+GM+GD+GU+GR

(2)

式中：GW为产品从生产到回收的碳足迹总量；GS为原材料采购阶段(Source)的碳足迹；GM为产品生产制造阶段(Make)的碳足迹；GD为产品配送阶段(Deliver)的碳足迹；GU为产品使用消耗阶段(Use)的碳足迹；GR为产品回收再利用阶段(Return)的碳足迹[11].

4 产品碳足迹的信息获取

在供应链环境下，相关企业有各自的信息系统，如PDM、ERP等.从这些信息系统中，可获取用于计算碳足迹的大量信息.

本文以产品“从摇篮到坟墓”涉及的所有企业信息系统为数据获取对象，进行产品碳足迹的本体构建和计算.碳足迹本体构建与计算流程如图3所示.

图3 碳足迹本体构建与计算流程

5 汽车发动机缸体的碳足迹本体构建

本文以浙江某公司的汽车发动机缸体碳足迹为例，建立缸体碳足迹本体，通过分析供应链的5个阶段，获取缸体从生产到回收报废活动中各企业信息系统中的缸体信息，建立发动机缸体碳足迹本体，并从碳足迹本体中提取计算所需数据，进行缸体的碳足迹计算.

在产品碳足迹计算中，数据是从企业已有信息系统中获取的，但数据直接获取的效率很低.为提高获取汽车发动机缸体碳足迹数据的效率，需构建其碳足迹本体.采用Protégé工具，按照概念之间的类属关系，可确定图4所示汽车发动机缸体的碳足迹本体结构.

针对汽车发动机缸体，采用七步法构建产品的碳足迹本体.

(1) 阐述产品碳足迹相关专业概念，以及碳排放、能源类型、资源类型和度量标准.

(2) 考查复用现有产品碳足迹本体的可行性.本文旨在创建新的本体，这一步骤未涉及.

(3) 明确产品碳足迹的重要术语，包括类、概念和细化属性.

(4) 自上而下地定义类和类的上下级关系.图4中碳排放有3个子类，包括过程排放、能量排放和材料排放；缸体碳足迹实例有企业信息系统、制造加工、辅助工具资源等子类.

(5) 确定产品的类属性和属性关系.图4中数据的属性有信息、数量和比例.

图4 汽车发动机缸体的碳足迹本体结构

(6) 确定产品类的属性约束和属性值的类型.

(7) 针对产品实例，通过Protégé工具构建汽车发动机缸体的碳足迹本体(图5).

(a)界面上半部内容 (b)界面下半部内容图5 汽车发动机缸体的碳足迹本体

6 汽车发动机缸体的碳足迹计算

6.1 原材料采购阶段的碳足迹(GS)

本文以供应商作为供应链的起点.从汽车发动机缸体的碳足迹本体中可提取表3所示的材料消耗数据.

表3 材料消耗数据 kg

生产汽车发动机缸体需采购缸体毛坯.生产缸体毛坯的主要能耗为电能，达87.6 MJ.按燃煤发电考虑，从IPCC排放因子数据库中可查得，煤的碳排放因子为1.647 kg-CO2/kg[12]，而煤的标准折算系数为0.122 9 kg/kWh(1 kWh=3.6 MJ).因此，该阶段汽车发动机缸体的碳足迹为：

6.2 产品制造阶段的碳足迹(GM)

汽车发动机缸体制造阶段的碳排放主要来源于设备能耗.从汽车发动机缸体的碳足迹本体中提取各加工设备的功率及加工时间，可计算加工设备的能耗(表4).

该阶段汽车发动机缸体的碳足迹为：

6.3 产品配送阶段的碳足迹(GD)

汽车发动机缸体的运输方式多为公路运输.根据RCEES(Research Center for Eco-Environmental)数据库的信息，我国公路运输1 t货物每千米的碳足迹为0.23 kg.本文实例中，将汽车发动机缸体运到各销售点的运输距离之和约为1 362 km，该缸体质量为40 kg.因此，该阶段汽车发动机缸体的碳足迹为：

GD=0.23×0.001×1 362×40=12.530(kg)

表4 加工设备的能耗

6.4 产品使用消耗阶段的碳足迹(GU)

汽车发动机缸体在使用过程中对于环境的影响十分微小，碳足迹近似于0，即：

GU=0

6.5 产品回收再利用阶段的碳足迹(GR)

汽车发动机缸体的材料是铝合金.从资源有效循环利用出发，本文只考虑采用回炉熔炼方式进行汽车发动机缸体回收处理.从该缸体碳足迹本体PDM类中获取的回收再利用阶段能耗为283.411 MJ.因此，该阶段汽车发动机缸体的碳足迹为：

6.6 汽车发动机缸体的碳排放总量(GW)

GW=GS+GM+GD+GU+GR=62.590(kg)

7 结束语

在供应链环境下，研究产品碳足迹本体的构建和计算模型，提出运用本体方法研究产品碳足迹，以提高碳足迹计算的准确性.以汽车发动机缸体全生命周期为例，通过获取整条供应链上各企业信息系统的碳足迹数据，建立汽车发动机缸体的碳足迹本体，对该缸体的碳足迹进行了计算.本文将为制造企业实现低碳排放目标发挥积极作用.