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上海華瑞眾信技術(shù)有限公司田海濤，唐俊，孫東寧

關(guān)鍵詞：云邊協(xié)同；邊緣計(jì)算；碳排放核算；企業(yè)碳管理

1　引言

隨著全球工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加速，碳排放量不斷增加，導(dǎo)致全球氣候變暖、極端天氣事件頻發(fā)等環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重。為了應(yīng)對(duì)氣候變化，各國(guó)紛紛制定減排目標(biāo)，并要求企業(yè)進(jìn)行碳排放核算和管理。我國(guó)于2022年9月正式提出2030年碳達(dá)峰2060年碳中和的宏偉目標(biāo)。然而，傳統(tǒng)的年度碳核查方法存在數(shù)據(jù)采集不及時(shí)、處理效率低下等問(wèn)題，難以滿足現(xiàn)代企業(yè)對(duì)動(dòng)態(tài)碳排放核算及碳資產(chǎn)管理的迫切需求。

近年來(lái)，云服務(wù)和邊緣計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展為企業(yè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)碳核算需求提供了新的解決方案。云邊協(xié)同技術(shù)通過(guò)合理分配云計(jì)算與邊緣計(jì)算的任務(wù)策略，實(shí)現(xiàn)碳排放方法學(xué)庫(kù)模型的云端部署與企業(yè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的邊緣側(cè)核算與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)實(shí)時(shí)分析的云邊協(xié)同應(yīng)用。本文將云邊協(xié)同技術(shù)應(yīng)用于企業(yè)碳核算中，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于云邊協(xié)同的企業(yè)碳核算邊緣一體機(jī)，旨在提高企業(yè)碳排放管理的效率和準(zhǔn)確性。

2　系統(tǒng)架構(gòu)

2.1　系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于云邊協(xié)同應(yīng)用技術(shù)的企業(yè)碳核算邊緣一體機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。核心系統(tǒng)主要由三部分組成：企業(yè)碳核算邊緣一體機(jī)（碳算盤）、云端服務(wù)器（雙碳大腦平臺(tái)）和用戶終端。

圖1 基于云邊協(xié)同的企業(yè)碳核算邊緣一體機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2　邊緣一體機(jī)

邊緣一體機(jī)是企業(yè)碳核算的核心設(shè)備，它通過(guò)內(nèi)置的嵌入式數(shù)據(jù)采集軟件，對(duì)實(shí)時(shí)采集到的企業(yè)能源消費(fèi)總量數(shù)據(jù)、碳排放活動(dòng)相關(guān)數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，以及匹配過(guò)程的排放數(shù)據(jù)和其他排放源數(shù)據(jù)、排放因子、碳排放方法學(xué)模型等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)核算，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定核算出企業(yè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)碳排放量。邊緣一體機(jī)具備以下功能：

數(shù)據(jù)采集：通過(guò)嵌入式數(shù)據(jù)采集軟件及一體機(jī)自帶的RS485串口、RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)時(shí)采集各種能源計(jì)量器具輸出的能源消費(fèi)量數(shù)據(jù)，以及各種信息化系統(tǒng)中含碳原料的消費(fèi)量數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理：利用一體機(jī)自身的邊緣計(jì)算能力，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)、數(shù)據(jù)清洗后，根據(jù)行業(yè)方法學(xué)模型進(jìn)行碳排放量核算，并將核算結(jié)果存儲(chǔ)到邊緣一體機(jī)本地，面向用戶端展示。

核算分析：根據(jù)特定行業(yè)方法學(xué)算法模型，對(duì)碳排放核算相關(guān)的各類活動(dòng)數(shù)據(jù)、排放因子等參數(shù)進(jìn)行碳排放量核算，并對(duì)核算結(jié)果按綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)需求進(jìn)行匯總、統(tǒng)計(jì)與分析。

2.3　云端服務(wù)器

云端服務(wù)器負(fù)責(zé)提供企業(yè)碳管理功能相關(guān)的系統(tǒng)預(yù)設(shè)參數(shù)，如碳排放因子、行業(yè)碳排放方法學(xué)庫(kù)、全球變暖潛勢(shì)GWP、各能源品種熱值等基礎(chǔ)字典信息，接收邊緣一體機(jī)上傳的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行深度分析和存儲(chǔ)。其主要功能包括：

邊緣賦能：預(yù)置各種邊緣一體機(jī)進(jìn)行碳排放量核算相關(guān)的行業(yè)方法學(xué)庫(kù)、排放因子參數(shù)、能源熱值等基礎(chǔ)字典信息，動(dòng)態(tài)跟蹤碳交易市場(chǎng)波動(dòng)價(jià)格并提供API接口供邊緣一體機(jī)調(diào)用。

數(shù)據(jù)接收：接收邊緣一體機(jī)注冊(cè)授權(quán)申請(qǐng)、行業(yè)方法學(xué)模型請(qǐng)求下載、行業(yè)碳排放量基線指標(biāo)同步等相關(guān)數(shù)據(jù)請(qǐng)求信息并響應(yīng)。

數(shù)據(jù)分析：利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，對(duì)企業(yè)碳排放總量及強(qiáng)度等相關(guān)數(shù)據(jù)上報(bào)至政府監(jiān)管平臺(tái)的時(shí)效性、準(zhǔn)確率、成功率、完整度等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并通過(guò)對(duì)全部邊緣一體機(jī)的歷史上報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治龊螅故揪C合評(píng)分及行業(yè)或區(qū)域數(shù)據(jù)質(zhì)量排名等。

設(shè)備管理：在云邊協(xié)同應(yīng)用技術(shù)支撐下，通過(guò)云服務(wù)器對(duì)邊緣一體機(jī)進(jìn)行注冊(cè)授權(quán)、方法學(xué)模型下發(fā)、排放因子更新、設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程管理和參數(shù)配置等一系列操作，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理邊緣一體機(jī)聯(lián)網(wǎng)狀況、授權(quán)期限、軟件版本信息、日志查看及遠(yuǎn)程維護(hù)等設(shè)備生命周期相關(guān)信息，方便企業(yè)用戶對(duì)邊緣一體機(jī)的高效率運(yùn)維和管理。

2.4　用戶終端

用戶終端是企業(yè)用戶訪問(wèn)碳排放管理系統(tǒng)的接口，它通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)碳核算邊緣一體機(jī)，實(shí)時(shí)獲取企業(yè)碳排放量、碳排放強(qiáng)度等相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。其主要功能包括：

數(shù)據(jù)查看：實(shí)時(shí)查看企業(yè)組織邊界碳排放量、活動(dòng)數(shù)據(jù)詳情、碳排放類型構(gòu)成及占比分析、碳排放源清單及相應(yīng)碳排放量數(shù)據(jù)。

報(bào)告查看：查看企業(yè)年度碳排放報(bào)告，用于企業(yè)年度碳核查和對(duì)外報(bào)告。

預(yù)警通知：根據(jù)預(yù)先設(shè)定的企業(yè)年度碳排放量目標(biāo)、月度碳排放量計(jì)劃或主管部門發(fā)放的碳排放配額，系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)對(duì)比碳排放量數(shù)據(jù)，當(dāng)碳排放量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，自動(dòng)發(fā)送預(yù)警通知。

系統(tǒng)設(shè)置：支持用戶對(duì)邊緣一體機(jī)的用戶權(quán)限、碳排放目標(biāo)、碳資產(chǎn)交易記錄及碳排放設(shè)施管理等相關(guān)配置和系統(tǒng)管理。

3　關(guān)鍵技術(shù)與方法研究

3.1　云邊協(xié)同技術(shù)

云邊協(xié)同技術(shù)通過(guò)將云計(jì)算與邊緣計(jì)算緊密結(jié)合，合理分配云服務(wù)器與邊緣一體機(jī)的計(jì)算任務(wù)清單，充分發(fā)揮邊緣一體機(jī)在企業(yè)端側(cè)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)本地處理和分析計(jì)算優(yōu)勢(shì)，對(duì)時(shí)效性要求高、數(shù)據(jù)安全敏感性高的數(shù)據(jù)在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)實(shí)現(xiàn)邊緣一體機(jī)與用戶端之間的數(shù)據(jù)閉環(huán)應(yīng)用。同時(shí)，它借助云端服務(wù)器在廣域網(wǎng)范圍內(nèi)可提供的運(yùn)維管理便利性、深度數(shù)據(jù)分析和存儲(chǔ)的云計(jì)算能力，保障企業(yè)碳排放核算與管理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力與系統(tǒng)先進(jìn)性。云邊協(xié)同應(yīng)用技術(shù)框架如圖2所示。

圖2 云邊協(xié)同應(yīng)用技術(shù)框架

3.2　邊緣數(shù)據(jù)處理方法

多維數(shù)據(jù)模式識(shí)別：為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與實(shí)用性，邊緣一體機(jī)預(yù)處理業(yè)務(wù)單元需要對(duì)采集到的能源流與物質(zhì)（原料）流兩大類數(shù)據(jù)從時(shí)間切片、工藝路徑、工序識(shí)別與生產(chǎn)批次追蹤等多維度進(jìn)行數(shù)據(jù)分類與優(yōu)化處理，為后續(xù)業(yè)務(wù)單元根據(jù)碳排放方法學(xué)模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支撐。

異常數(shù)據(jù)處理策略：針對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)接過(guò)程中因異常而重復(fù)推送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)預(yù)處理業(yè)務(wù)單元建立智能化去重機(jī)制業(yè)務(wù)模型，自動(dòng)比對(duì)識(shí)別并剔除重復(fù)數(shù)據(jù)；對(duì)于能源計(jì)量器具或能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的突變數(shù)據(jù)或無(wú)效數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)并拋轉(zhuǎn)至異常數(shù)據(jù)庫(kù)，阻止其進(jìn)入后續(xù)業(yè)務(wù)單元，避免數(shù)據(jù)污染對(duì)碳計(jì)量結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響。

3.3　數(shù)據(jù)建模方法研究

以溫室氣體排放設(shè)施為最小核算單元，以碳盤查指標(biāo)為數(shù)據(jù)建模對(duì)象，根據(jù)組織邊界碳核算標(biāo)準(zhǔn)，梳理數(shù)據(jù)建模相關(guān)的采集數(shù)據(jù)項(xiàng)、計(jì)量器具、活動(dòng)數(shù)據(jù)、排放因子、工藝路徑、設(shè)施名稱、工序單元等各項(xiàng)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系及業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系，對(duì)全部相關(guān)要素進(jìn)行編碼化定義與組合構(gòu)建，定義出7段16位碳排放源指標(biāo)編碼，實(shí)現(xiàn)編碼指標(biāo)全局唯一性，通過(guò)編碼體系可以對(duì)碳排放源進(jìn)行分類分項(xiàng)匯總，為后續(xù)各項(xiàng)業(yè)務(wù)前端應(yīng)用數(shù)據(jù)的匯總分析處理奠定基礎(chǔ)。相關(guān)數(shù)據(jù)要素的梳理邏輯如圖3所示。

圖3 邏輯關(guān)系梳理與數(shù)據(jù)建模

3.4　數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)邊緣計(jì)算模型

邊緣一體機(jī)自帶的嵌入式數(shù)據(jù)采集軟件完成各種能源計(jì)量器具的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與初始數(shù)據(jù)治理后，將數(shù)據(jù)根據(jù)配置工具軟件配置的指標(biāo)編碼存入本地實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)緩存。碳排放量核算表達(dá)式計(jì)算服務(wù)將根據(jù)設(shè)定的核算方法學(xué)公式對(duì)活動(dòng)數(shù)據(jù)、排放因子等參數(shù)進(jìn)行合規(guī)性檢查，包括數(shù)據(jù)有效性、數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)時(shí)間標(biāo)識(shí)、排放源類型符號(hào)（表征排放或吸收）等，對(duì)于不符合運(yùn)算條件的參數(shù)變量進(jìn)行報(bào)錯(cuò)提醒，待全部參變量符合運(yùn)算條件后，碳排放計(jì)算引擎服務(wù)將啟動(dòng)運(yùn)算，并根據(jù)每一個(gè)步驟的計(jì)算邏輯輸出計(jì)算結(jié)果到下一個(gè)計(jì)算單元過(guò)程，將核算結(jié)果存入邊緣一體機(jī)本地的時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)中。部分業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)判斷過(guò)程如圖4所示。

圖4 表達(dá)式計(jì)算服務(wù)數(shù)據(jù)流圖

3.5　邊緣一體機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

邊緣一體機(jī)外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為一臺(tái)2U高度后出線標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架式結(jié)構(gòu)（如圖5），前面板配置一塊5寸觸摸式液晶屏，用于顯示企業(yè)碳排放量及碳排放類別占比等統(tǒng)計(jì)信息；內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用嵌入式低功耗處理器、無(wú)風(fēng)扇被動(dòng)散熱設(shè)計(jì)理念，通過(guò)布置于機(jī)構(gòu)側(cè)面的散熱鰭片實(shí)現(xiàn)設(shè)備與外界的熱交換。高效的散熱效能和無(wú)旋轉(zhuǎn)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在提高一體機(jī)產(chǎn)品使用壽命和廣泛適應(yīng)安裝場(chǎng)景方面有重要意義。

產(chǎn)品后面板配有6個(gè)千兆獨(dú)立MAC以太網(wǎng)接口，4個(gè)隔離RS485總線通信接口用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與通信；1個(gè)4G無(wú)線通信接口，可擴(kuò)展Lora無(wú)線通信接口。豐富的數(shù)據(jù)采集接口可以直接與能源消耗計(jì)量器具（如電表、熱表、燃?xì)獗怼⒌匕酢⑵С拥龋┻B接，利用內(nèi)置的嵌入式數(shù)據(jù)采集軟件，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)能源消耗數(shù)據(jù)采集、解析、處理、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)入庫(kù)，為后續(xù)碳排放量核算與統(tǒng)計(jì)分析提供全面高質(zhì)量的活動(dòng)數(shù)據(jù)源。

圖5 企業(yè)碳排放核算邊緣一體機(jī)實(shí)物圖（后視圖）

4　綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文提出的基于云邊協(xié)同應(yīng)用技術(shù)的企業(yè)碳排放量核算方法可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)反映企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中的能源/原料消耗與碳排放量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，有助于企業(yè)從宏觀層面把握生產(chǎn)進(jìn)度、設(shè)定年度碳排放量計(jì)劃目標(biāo)等戰(zhàn)略規(guī)劃。但僅僅有排放量指標(biāo)還不足以指導(dǎo)企業(yè)從更多維度進(jìn)行節(jié)能降碳及碳中和路徑規(guī)劃等實(shí)踐行動(dòng)，故在本次產(chǎn)品研究開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們從以下幾個(gè)方面提取相關(guān)數(shù)據(jù)要素并以數(shù)據(jù)量化方法更加直觀地呈現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中能源消耗與碳排放量、碳資產(chǎn)構(gòu)成等方面的相互影響關(guān)系，進(jìn)而可以輔助企業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和與低碳轉(zhuǎn)型目標(biāo)。

4.1　碳排放類別占比

通過(guò)對(duì)企業(yè)碳排放源及碳排放類別的梳理，分類匯總統(tǒng)計(jì)企業(yè)化石燃料直接碳排放、生產(chǎn)過(guò)程碳排放、凈外購(gòu)電力碳排放、凈外購(gòu)熱力碳排放、特殊排放及固碳產(chǎn)品碳排放等多種排放類別，并通過(guò)柱狀圖、餅狀圖等直觀方式展示碳排放類別占比。

4.2　能源碳排放占比

通過(guò)對(duì)各排放類型中由能源消耗產(chǎn)生的碳排放量進(jìn)行匯總加和，與企業(yè)全部碳排放量進(jìn)行比較，最終量化出企業(yè)能源消耗產(chǎn)生碳排放量占比。此指標(biāo)可以衡量企業(yè)經(jīng)營(yíng)與生產(chǎn)過(guò)程中能源消費(fèi)總量與產(chǎn)值之間的關(guān)系，并通過(guò)進(jìn)一步分析直接燃燒排放和間接排放的構(gòu)成比例，輔助企業(yè)探索低碳燃料或綠電替代的降碳路徑。

4.3　綠電使用量占比

通過(guò)評(píng)價(jià)固定周期內(nèi)（通常是1個(gè)自然年度）企業(yè)購(gòu)買綠電量與總用電量之比，反映企業(yè)參與綠電交易、消納清潔能源的意愿和積極性。

4.4　碳配額履約率

通過(guò)企業(yè)動(dòng)態(tài)碳排放量與年度碳配額量之間的比較分析，可以清晰展示企業(yè)在年度生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)量進(jìn)度、本年度碳排放累計(jì)量與年度碳排放量配額之間的關(guān)系，并可以適時(shí)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃或產(chǎn)品品類（高碳排放產(chǎn)品或低碳產(chǎn)品）的生產(chǎn)占比，或通過(guò)購(gòu)買綠電、CCER、開(kāi)展節(jié)能降碳項(xiàng)目等方式完成年度履約任務(wù)。

5　結(jié)論

本文研究并開(kāi)發(fā)了一種基于云邊協(xié)同應(yīng)用技術(shù)的企業(yè)碳核算邊緣一體機(jī)，通過(guò)邊緣計(jì)算與云服務(wù)的高效協(xié)同，實(shí)現(xiàn)了對(duì)企業(yè)碳排放數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理和分析，并通過(guò)多項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合分析并反映了企業(yè)在生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)碳排放相關(guān)指標(biāo)，在提供豐富的數(shù)據(jù)分析功能的同時(shí)，有助于企業(yè)提高碳管理的效率和準(zhǔn)確性。

在電子制造行業(yè)、建筑材料生產(chǎn)行業(yè)、新能源汽車銅箔加工領(lǐng)域及燃煤電廠領(lǐng)域的試點(diǎn)示范項(xiàng)目應(yīng)用表明，該系統(tǒng)顯著提高了碳排放活動(dòng)數(shù)據(jù)采集和處理效率，顯著提升了企業(yè)面對(duì)第三方碳核查及企業(yè)碳管理能力。未來(lái)，我們將進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，積累更多實(shí)踐數(shù)據(jù)和案例，為企業(yè)碳管理提供更加全面的解決方案。

作者簡(jiǎn)介：

田海濤（1980-），男，遼寧鐵嶺人，高級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于上海華瑞眾信技術(shù)有限公司，主要從事邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)、邊緣碳計(jì)量一體機(jī)及OT/IT融合應(yīng)用技術(shù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與云邊協(xié)同應(yīng)用技術(shù)解決方案推廣工作。

唐　俊（1989-），男，陜西漢中人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于上海華瑞眾信技術(shù)有限公司，主要從事邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)、邊緣碳計(jì)量一體機(jī)及OT/IT融合應(yīng)用技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)方面的工作。

孫東寧（1985-），女，河北承德人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于上海華瑞眾信技術(shù)有限公司，主要從事邊緣碳計(jì)量一體機(jī)產(chǎn)品的需求分析與功能設(shè)計(jì)工作。

摘自《自動(dòng)化博覽》2025年2月刊