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；邊緣計算；碳排放核算；企業(yè)碳管理

1　引言

隨著(zhù)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)題日益嚴重。為了應對氣候變化，各國紛紛制定減排目標，并要求企業(yè)進(jìn)行碳排放核算和管理。我國于2022年9月正式提出2030年碳達峰2060年碳中和的宏偉目標。然而，傳統的年度碳核查方法存在數據采集不及時(shí)、處理效率低下等問(wèn)題，難以滿(mǎn)足現代企業(yè)對動(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)合理分配云計算與邊緣計算的任務(wù)策略，實(shí)現碳排放方法學(xué)庫模型的云端部署與企業(yè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數據的邊緣側核算與數據統計實(shí)時(shí)分析的云邊協(xié)同應用。本文將云邊協(xié)同技術(shù)應用于企業(yè)碳核算中，設計并實(shí)現了一種基于云邊協(xié)同的企業(yè)碳核算邊緣一體機，旨在提高企業(yè)碳排放管理的效率和準確性。

2　系統架構

2.1　系統總體架構

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

圖1 基于云邊協(xié)同的企業(yè)碳核算邊緣一體機系統架構圖

2.2　邊緣一體機

邊緣一體機是企業(yè)碳核算的核心設備，它通過(guò)內置的嵌入式數據采集軟件，對實(shí)時(shí)采集到的企業(yè)能源消費總量數據、碳排放活動(dòng)相關(guān)數據等基礎數據源，以及匹配過(guò)程的排放數據和其他排放源數據、排放因子、碳排放方法學(xué)模型等進(jìn)行統計核算，按相關(guān)標準規定核算出企業(yè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)碳排放量。邊緣一體機具備以下功能：

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

數據處理：利用一體機自身的邊緣計算能力，對采集到的數據進(jìn)行預處理、數據分類(lèi)、數據標識、數據清洗后，根據行業(yè)方法學(xué)模型進(jìn)行碳排放量核算，并將核算結果存儲到邊緣一體機本地，面向用戶(hù)端展示。

核算分析：根據特定行業(yè)方法學(xué)算法模型，對碳排放核算相關(guān)的各類(lèi)活動(dòng)數據、排放因子等參數進(jìn)行碳排放量核算，并對核算結果按綜合評價(jià)指標需求進(jìn)行匯總、統計與分析。

2.3　云端服務(wù)器

云端服務(wù)器負責提供企業(yè)碳管理功能相關(guān)的系統預設參數，如碳排放因子、行業(yè)碳排放方法學(xué)庫、全球變暖潛勢GWP、各能源品種熱值等基礎字典信息，接收邊緣一體機上傳的數據，并進(jìn)行深度分析和存儲。其主要功能包括：

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

數據接收：接收邊緣一體機注冊授權申請、行業(yè)方法學(xué)模型請求下載、行業(yè)碳排放量基線(xiàn)指標同步等相關(guān)數據請求信息并響應。

數據分析：利用大數據和人工智能技術(shù)，對企業(yè)碳排放總量及強度等相關(guān)數據上報至政府監管平臺的時(shí)效性、準確率、成功率、完整度等指標進(jìn)行統計分析，并通過(guò)對全部邊緣一體機的歷史上報數據進(jìn)行橫向對比分析后，展示綜合評分及行業(yè)或區域數據質(zhì)量排名等。

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

2.4　用戶(hù)終端

用戶(hù)終端是企業(yè)用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)碳排放管理系統的接口，它通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)碳核算邊緣一體機，實(shí)時(shí)獲取企業(yè)碳排放量、碳排放強度等相關(guān)業(yè)務(wù)數據。其主要功能包括：

數據查看：實(shí)時(shí)查看企業(yè)組織邊界碳排放量、活動(dòng)數據詳情、碳排放類(lèi)型構成及占比分析、碳排放源清單及相應碳排放量數據。

報告查看：查看企業(yè)年度碳排放報告，用于企業(yè)年度碳核查和對外報告。

預警通知：根據預先設定的企業(yè)年度碳排放量目標、月度碳排放量計劃或主管部門(mén)發(fā)放的碳排放配額，系統自動(dòng)監測對比碳排放量數據，當碳排放量超過(guò)預設閾值時(shí)，自動(dòng)發(fā)送預警通知。

系統設置：支持用戶(hù)對邊緣一體機的用戶(hù)權限、碳排放目標、碳資產(chǎn)交易記錄及碳排放設施管理等相關(guān)配置和系統管理。

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)將云計算與邊緣計算緊密結合，合理分配云服務(wù)器與邊緣一體機的計算任務(wù)清單，充分發(fā)揮邊緣一體機在企業(yè)端側對數據的實(shí)時(shí)本地處理和分析計算優(yōu)勢，對時(shí)效性要求高、數據安全敏感性高的數據在企業(yè)網(wǎng)絡(luò )內實(shí)現邊緣一體機與用戶(hù)端之間的數據閉環(huán)應用。同時(shí)，它借助云端服務(wù)器在廣域網(wǎng)范圍內可提供的運維管理便利性、深度數據分析和存儲的云計算能力，保障企業(yè)碳排放核算與管理系統的穩定運行能力與系統先進(jìn)性。云邊協(xié)同應用技術(shù)框架如圖2所示。

圖2 云邊協(xié)同應用技術(shù)框架

3.2　邊緣數據處理方法

多維數據模式識別：為確保數據的準確性與實(shí)用性，邊緣一體機預處理業(yè)務(wù)單元需要對采集到的能源流與物質(zhì)（原料）流兩大類(lèi)數據從時(shí)間切片、工藝路徑、工序識別與生產(chǎn)批次追蹤等多維度進(jìn)行數據分類(lèi)與優(yōu)化處理，為后續業(yè)務(wù)單元根據碳排放方法學(xué)模型進(jìn)行統計分析提供精準數據支撐。

異常數據處理策略：針對生產(chǎn)系統對接過(guò)程中因異常而重復推送的數據，數據預處理業(yè)務(wù)單元建立智能化去重機制業(yè)務(wù)模型，自動(dòng)比對識別并剔除重復數據；對于能源計量器具或能源系統轉發(fā)的突變數據或無(wú)效數據進(jìn)行標識并拋轉至異常數據庫，阻止其進(jìn)入后續業(yè)務(wù)單元，避免數據污染對碳計量結果的準確性造成影響。

3.3　數據建模方法研究

以溫室氣體排放設施為最小核算單元，以碳盤(pán)查指標為數據建模對象，根據組織邊界碳核算標準，梳理數據建模相關(guān)的采集數據項、計量器具、活動(dòng)數據、排放因子、工藝路徑、設施名稱(chēng)、工序單元等各項參數之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系及業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系，對全部相關(guān)要素進(jìn)行編碼化定義與組合構建，定義出7段16位碳排放源指標編碼，實(shí)現編碼指標全局唯一性，通過(guò)編碼體系可以對碳排放源進(jìn)行分類(lèi)分項匯總，為后續各項業(yè)務(wù)前端應用數據的匯總分析處理奠定基礎。相關(guān)數據要素的梳理邏輯如圖3所示。

圖3 邏輯關(guān)系梳理與數據建模

3.4　數據流轉邊緣計算模型

邊緣一體機自帶的嵌入式數據采集軟件完成各種能源計量器具的實(shí)時(shí)數據采集與初始數據治理后，將數據根據配置工具軟件配置的指標編碼存入本地實(shí)時(shí)數據庫緩存。碳排放量核算表達式計算服務(wù)將根據設定的核算方法學(xué)公式對活動(dòng)數據、排放因子等參數進(jìn)行合規性檢查，包括數據有效性、數據質(zhì)量、數據時(shí)間標識、排放源類(lèi)型符號（表征排放或吸收）等，對于不符合運算條件的參數變量進(jìn)行報錯提醒，待全部參變量符合運算條件后，碳排放計算引擎服務(wù)將啟動(dòng)運算，并根據每一個(gè)步驟的計算邏輯輸出計算結果到下一個(gè)計算單元過(guò)程，將核算結果存入邊緣一體機本地的時(shí)序數據庫中。部分業(yè)務(wù)數據判斷過(guò)程如圖4所示。

圖4 表達式計算服務(wù)數據流圖

3.5　邊緣一體機結構設計

邊緣一體機外部結構設計為一臺2U高度后出線(xiàn)標準機架式結構（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(lèi)別占比等統計信息；內部結構采用嵌入式低功耗處理器、無(wú)風(fēng)扇被動(dòng)散熱設計理念，通過(guò)布置于機構側面的散熱鰭片實(shí)現設備與外界的熱交換。高效的散熱效能和無(wú)旋轉部件結構設計，在提高一體機產(chǎn)品使用壽命和廣泛適應安裝場(chǎng)景方面有重要意義。

產(chǎn)品后面板配有6個(gè)千兆獨立MAC以太網(wǎng)接口，4個(gè)隔離RS485總線(xiàn)通信接口用于實(shí)時(shí)數據采集與通信；1個(gè)4G無(wú)線(xiàn)通信接口，可擴展Lora無(wú)線(xiàn)通信接口。豐富的數據采集接口可以直接與能源消耗計量器具（如電表、熱表、燃氣表、地磅、皮帶秤等）連接，利用內置的嵌入式數據采集軟件，實(shí)現實(shí)時(shí)能源消耗數據采集、解析、處理、轉換、存儲入庫，為后續碳排放量核算與統計分析提供全面高質(zhì)量的活動(dòng)數據源。

圖5 企業(yè)碳排放核算邊緣一體機實(shí)物圖（后視圖）

4　綜合評價(jià)指標

本文提出的基于云邊協(xié)同應用技術(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(guān)層面把握生產(chǎn)進(jìn)度、設定年度碳排放量計劃目標等戰略規劃。但僅僅有排放量指標還不足以指導企業(yè)從更多維度進(jìn)行節能降碳及碳中和路徑規劃等實(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)數據要素并以數據量化方法更加直觀(guān)地呈現企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中能源消耗與碳排放量、碳資產(chǎn)構成等方面的相互影響關(guān)系，進(jìn)而可以輔助企業(yè)實(shí)現碳達峰、碳中和與低碳轉型目標。

4.1　碳排放類(lèi)別占比

通過(guò)對企業(yè)碳排放源及碳排放類(lèi)別的梳理，分類(lèi)匯總統計企業(yè)化石燃料直接碳排放、生產(chǎn)過(guò)程碳排放、凈外購電力碳排放、凈外購熱力碳排放、特殊排放及固碳產(chǎn)品碳排放等多種排放類(lèi)別，并通過(guò)柱狀圖、餅狀圖等直觀(guān)方式展示碳排放類(lèi)別占比。

4.2　能源碳排放占比

通過(guò)對各排放類(lèi)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。此指標可以衡量企業(yè)經(jīng)營(yíng)與生產(chǎn)過(guò)程中能源消費總量與產(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)評價(jià)固定周期內（通常是1個(gè)自然年度）企業(yè)購買(mǎi)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、本年度碳排放累計量與年度碳排放量配額之間的關(guān)系，并可以適時(shí)調整生產(chǎn)計劃或產(chǎn)品品類(lèi)（高碳排放產(chǎn)品或低碳產(chǎn)品）的生產(chǎn)占比，或通過(guò)購買(mǎi)綠電、CCER、開(kāi)展節能降碳項目等方式完成年度履約任務(wù)。

5　結論

本文研究并開(kāi)發(fā)了一種基于云邊協(xié)同應用技術(shù)的企業(yè)碳核算邊緣一體機，通過(guò)邊緣計算與云服務(wù)的高效協(xié)同，實(shí)現了對企業(yè)碳排放數據的實(shí)時(shí)采集、處理和分析，并通過(guò)多項評價(jià)指標，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，在提供豐富的數據分析功能的同時(shí)，有助于企業(yè)提高碳管理的效率和準確性。

在電子制造行業(yè)、建筑材料生產(chǎn)行業(yè)、新能源汽車(chē)銅箔加工領(lǐng)域及燃煤電廠(chǎng)領(lǐng)域的試點(diǎn)示范項目應用表明，該系統顯著(zhù)提高了碳排放活動(dòng)數據采集和處理效率，顯著(zhù)提升了企業(yè)面對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)化系統性能，擴大應用范圍，積累更多實(shí)踐數據和案例，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，高級工程師，學(xué)士，現就職于上海華瑞眾信技術(shù)有限公司，主要從事邊緣計算網(wǎng)關(guān)、邊緣碳計量一體機及OT/IT融合應用技術(shù)產(chǎn)品設計與云邊協(xié)同應用技術(shù)解決方案推廣工作。

唐　?。?989-），男，陜西漢中人，工程師，學(xué)士，現就職于上海華瑞眾信技術(shù)有限公司，主要從事邊緣計算網(wǎng)關(guān)、邊緣碳計量一體機及OT/IT融合應用技術(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，現就職于上海華瑞眾信技術(shù)有限公司，主要從事邊緣碳計量一體機產(chǎn)品的需求分析與功能設計工作。

摘自《自動(dòng)化博覽》2025年2月刊