【汽车与环境】重庆大学教授何彦：绿色制造概念、概念、目标及实践

2018年12月7日-8日，以“创新驱动、技术引领”为主题的2018第六届“汽车与环境”创新论坛在上海·安亭正式举办。本次论坛完整覆盖汽车行业技术领域的研讨，旨在进一步促进整车企业与零部件企业之间对技术发展趋势的探讨、加强汽车行业专家之间的交流互动、增强整车与零部件企业的交流、搭建合作平台，通过活动促进汽车零部件产业创新转型升级、打造更具竞争力的整零协同创新关系，助力实现向汽车强国的转变。以下是重庆大学教授何彦的发言：

重庆大学教授 何彦

在最后一个报告中，我想跟大家分享绿色制造的一些概念、背景、目标以及我的研究团队在绿色制造方面开展的工作。

简单介绍下绿色制造的背景。根据世界经济论坛发布的“2018年全球风险报告”，“与环境相关的风险”在全球面临的10大风险中占据了4项。

底下的是从2008年到2018年，我们可以看到2008年并没有提出与环境相关的风险，而到了2018年，环境的风险绿块是逐渐增多，从我们整个人类社会的发展来看，与环境相关的风险已经不言而喻了。

欧盟制定了一个叫做气候行动的计划，该计划规定了到2020年和2030年的温室气体排放的要求，可以看到降低比例比较高。到2020年，整个欧洲的温室气体排放降低20%，到2030年降低40%。在气候行动计划中规定了欧洲的可再生能源的占比要增加20%到27%，这是欧盟的应对政策。

我还在关注了里面的汽车减排计划，目前汽车行驶产生的二氧化排放量占整个欧盟的总排放量的20%，比重较大，在气候行动计划中，欧盟规定2020年的碳排放量要比2017年减少40%。数据分类非常细，对于汽车行业，欧盟的气候行动计划要求是比较高的。

英国政府在应对环境方面制定的国家策略叫未来制造。他们直接就提出了可持续制造，被他们定义为下一代制造。而且他们做了一个从2013到2025年以及到2050年以后的英国制造发展路径。

这是英国技术战略委员会在高附加值报告中对于低碳化汽车的主要技术类别的成熟度和投资回报率的分析。5表示最高成熟度和最高技术回报率，集成化的引擎设计和开发无论在技术成熟度和投资回报率方面在整个低碳化汽车中都是占比比较高。

除此在英国分析在低碳化汽车技术类别当中，包括机器人的存储技术都纳入比较参数范围。

美国能源部制定了从2016年到2020年的战略框架，该战略框架针对也是提出两方面的要求，一个是在燃油的经济性指标上，针对两类不同的汽车类型，要求燃油的经济性增长到35%和50%。

另一方面他们比较关注的是轻量化。在汽车的减量化中，他们要求到2020年达到30%的比例。

中国则提出了中国制造2025，这也是为什么绿色制造那么热的最重要原因。这里明确提出我们要全面提升绿色制造，提出了到2020年，要建成千家绿色工厂、百家园区和万种绿色产品，所以就有了很多的绿色制造的集成项目支柱。这个专项也是明确提出了要重点建设绿色产品、绿色工厂，主要掌握的是几方面的技术，一个是生态设计、理论与工具，第二是绿色制造的方法与工艺，第三是绿色标准与规范等基础共性技术，推广基础制造工艺绿色化、流程工业绿色化技术，提升通用设备产品能效、工业废弃物回收再制造与再资源化等生态效率水平。

对于整个人类社会来说，资源的过度消耗和环境污染其实不是我们哪一个国家，或者哪一个人面临的问题，而是全球制造业面临的共同挑战。

为了从根本上解决制造业这些问题，绿色制造的概念就产生了，并且成为了当前的热点问题。

绿色制造的目标，就是绿色制造的最核心的来源，就是可持续发展。可持续发展有一个非常重要的核心内容，三个要素，绿色制造在中间，以及环境、社会和经济。谈及绿色制造，其实它是环境、经济和社会不可以缺少的，这是绿色制造的最原始想法。

把可持续发展的思想用到了制造业当中就产生了绿色制造的概念。

绿色制造相关术语还有很多，第一个叫做可持续制造，第二个叫做低碳制造，在欧洲国家提的比较。而环境友好制造这个概念美国人提的比较多。无论什么概念，核心思想都是绿色制造的基础思想。

这是美国的商务部对于可持续制造以及绿色制造的定义，这个定义强调几个关键点，一个是在材料和工艺的使用过程中对于环境的负面影响最小，第二个是能源和资源的效率最高，第三个是对操作者、使用者安全。

这是英国剑桥大学的教授提出的可持续制造，英国人提出的可持续制造大同小异，就是我们说的绿色气体的排放，也就是低碳制造的环节。同时他们强调不要使用一些不可再生的能源和有危害的物质。

这个概念是来自于我的导师。重庆大学大概在1995年左右就开始提出绿色制造的概念，首次提出相关概念是在1997年，即一种现代制造模式，综合考虑环境影响和资源消耗，目标是产品从设计、制造、包装、运输、使用、报废以及整个生命周期环节考虑到的环境负面影响和资源利用率，使得企业的社会效益和经济效益优化。

根据各种说法，绿色制造有一个非常重要的核心概念就是全生命周期的特征，图上的环节是普通的制造环节，自然资源产生原材料，怎样通过设计、工艺、装配、包装、消费、使用、报废到最终处理把普通的生命周期变成一个绿色的周期？第一个要提的就是减量化设计，也就是在设计环节，工艺、生产、装配、包装、消费、使用和维护环节进行减量化。

其次，在产品报废环节，通过回收和拆解，把拆下来可重用的零部件，经过清洗检测之后重用。如果有一些破损磨损的零部件，经过一定的修复后，进行再制造，回到生产工艺的环节。

还有一个环节，针对完全不能再用的的部件，进行材料级别的回收。

直到最后没有办法处理了，才进行废物最小化处理，这也就是在绿色制造里提到的非常有名的4R原则，也是我个人所理解的绿色制造重要的特征，生命周期的4R。

从制造技术的类别上来说，绿色制造的技术可以大体划分成两类，一类是末端处理技术，一类是清洁生产技术。这两类技术可以被用于三个阶段，第一个阶段是在预生产之前的，也就是能量和材料输入阶段，这个阶段绿色制造技术主要被用来寻求一些清洁化的能量和材料来进行输入。

第二个阶段是生产阶段。这个阶段如果要实现绿色制造，有两方面需要考虑，一个是减少碳排放，另外是提高能量和材料的效率。

最后在回收环节实施绿色制造技术，通过各种回收处理技术和末端处理技术使制造业更加的绿色化。

这个报告对比了目前全球对于绿色制造技术在企业的应用情况。从这个报告里可以看到，目前针对绿色制造技术，主要指的在企业中应用型的研究，而不是理论研究。

应用型研究用得最多的是欧洲，其次是美国，亚洲地区最多的是中国，其次是印度。

中国的企业愿意在两项技术上驱动绿色制造，一个是产品的设计技术，另外一个是制造工艺的绿色化技术。下面分别从两方面跟大家分享我们团队在绿色制造技术环节做的实践技术研究。

第一个是制造能效环节。这是来源于美国能源部2017年的能源报告，他们预估截止2040年全球能耗增长的60%来自亚洲，其中工业能耗在全球总能耗的占比最大，超过50%的份额；预计2015至2040年工业能耗增长18%。预计2015至2040年与能耗相关的CO2排放将增长25%。

习主席在巴黎大会上做出承诺，将于2030年左右使二氧化碳排放达到峰值并争取尽早实现，2030年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%－65%，相当于要使现在的碳排放降低一半，这还隐含了一个含义，要保持目前的经济增长。

在保持经济增长的情况下，还要降低这么多的排放，这个目标是非常坚决和艰苦的。

我国的标煤消耗在2013年就占到了全球的五分之一，到2030年，如果要实现不超过60亿标煤的目标，无论从生产还是消费都要革命，这样才能实现习主席提出的目标。

后面是我在机械加工过程中做到的一些关于能耗的研究。国内对于机床的能耗关注得非常少。其实单排机床能耗不是特别高，比如单看平均机床的功率为10千瓦消耗不了多少，但是因为机床是量大面广的概念，所以它如果整个加起来，总的功率非常大，是三峡电站装机容量的三倍还多。

这是非常有意思的对比数据，是美国一个教授把一台主轴功率22kW，每天按两班制工作的机床（配置有相应的辅助装置）运行一年的消耗的电能所对应的排放量（按美国国家电网有关数据推算）与耗油20.7加仑SUV汽车行驶一年12000英里产生的排放量对比，发现一台机床相当于两百辆SUV汽车的排量总和。

随着能源价格的增长，机床能耗的比例成本还会进一步加大。欧洲在2009年就已经开始实施用能产品生态设计指令，其中机床就是实施的十项产品中的重要一项。

这个数据是来源于日本公司，他们用两台机床使用容量作对比，即使是在满负荷的情况下，真正有效的加工能耗是很少的。

国际标准化委员会也制定了相应的标准来进行能耗的设计，在机床方面现在的标准已经发布出来了，主要是进行机床的能耗节能设计。

对于家电来说，灯泡节能很简单，就把经常使用的白炽灯换成节能灯，甚至LED灯。对于机床节能，是不是可以通过简单的更替来解决？这是不行的。因为机床的投入很大，关于机床的节能，世界各国采用的策略也不太一样。

对于一台机床来说，这是一个重庆机床厂生产的大型轮齿机，单台机床加工过程涉及能耗部件多，且不同机床的能耗部件类型和数量各不相同。。

此外，机床加工过程涉及多种运行状态。以一台CJK6136C数控车床为例，该机床加工过程的运行状态包括关机状态、待机状态、加工状态等，所以能耗状态也是不一样的。

那么由多台机床构成的机械制造系统能耗状态是什么样呢？这个非常有意思的研究来自于美国加州大学伯克利分校教授的研究，他提出关于工艺的问题，同一个工件可以由上面四台机床来完成，也可以由一台复合机床来完成，这两种不同的机床系统加工同一个工件达到相同的效果，它的能耗是不一样的，哪一种能耗是最优的？这个问题也是非常有意思的，从系统的角度来看待这个问题，如果用四台单独的机床来加工就是红色区域，如果用复合机床来加工那就是绿色的区域，所以复合机床能节能这个问题也被大家所关注。

这是美国人提出的在机械制造过程中的节能策略，主要分为四个部分，第一个部分在机床的设计上，他们有些大胆的想法，用一些可替代的能源，比如燃料电池来驱动机床。第二部分机床节能体现在工艺方面，第三则在于系统方面。

这是欧洲提出的在能效方面主要采用的ICT技术来支撑节能。

这是韩国人提出来的节能策略，跟美国人提的比较类似。首先也是把制造系统分成了几个层次，从底层到最上面的整个供应链，从每个层次来开展节能。而在机床层次，可以看到一层一层往上进展，这是他们提出的在机械制造过程中的节能策略。

我们国家的机械制造过程在能效方面存在几处不足，第一是重末端统计，而对于源头的监测和过程的监测比较少。

第二是注重局部节能，而对于一些跨系统、多层次的节能关注比较少。

第三方面，他们更愿意买一些节能设备来替代，但是往往购买新的设备也会产生较高的成本投入，所以他们对于现有的工艺管理这方面的优化节能考虑的比较少，这是我们国家的问题。

所以我们课题组从三个因素来考虑能耗的问题，一个是能耗为什么会被消耗掉？被哪些因素所消耗掉？最后如何实现优化和节能？我们所做的工作就是按照这些思路来开展。

下面分享一些例子，第一个是进行的机床能耗评估。我们提出的是基于NC代码的机床加工过程的能耗评估，首先把机床的各个能耗部件分别进行能耗建模，解析NC代码的运行状态序列和整个运行时间以及能耗模型当中所需要的运行参数，通过解析，结合建立的每个能耗模型，就可以评估机床在执行这块NC代码所消耗的能量。这是做实验的对比情况，评估的结果可以看到整个能耗被各个部件消耗的能耗比例跟实际测值保持一致，且比例的占比情况保持一致，所以对于能耗的评估还是有很大的参考价值。主要是用在这样的情况下。比如说对于同一个工件的加工，几种工艺都可以完成，我们应选用哪一种最优？通过NC代码的评估，我们可以选择一个最优的能耗较低的工艺对它进行加工，这是我们在能耗建模与评估方面做的工作。

第二方面是我们在机床能耗监控方面做的工作，机床的能耗过程很大特点是在于它是一种离散式的、间歇式的，而不是一直在耗能，而且耗能的频度也是变化的。

所以在待机的时候、空转的时候、切屑的时候功耗都不一样，所以我们开发了一个能耗监控的系统，对于数量可以配置，评估信息可以配置的监测系统，对于机床能耗进行评估。这个监测系统可以装到大型的机床上，针对大型机床进行能耗监控，我们还研发了一套针对大型机床能耗监控装置管理平台。

这是我们当时跟长客的合作案例，大概四百台装备上都有应用。除了能耗的监测以外，还有很有效的环节就是对于机床利用率的监测。虽然有很多的大型设备，但是他们以前还是会觉得产能不够，这也是国有企业存在的现象。很多时候机床根本没有进行有效加工，所以经过这样的监测以后，在排产与管理上做了很多的工作，一下子把产能一下提高很多。这是我们在能效方面的研究工作。

最后跟大家分享再制造环节绿色制造的技术。

从再制造全球的市场分布来看，整个最大的再制造市场还是在美国，欧美主要是有德国、英国、法国和意大利，在亚洲中国仍然占据了很大的再制造市场，同时日本也有一些再制造市场的规模。

欧盟最大的再制造环节是在航空航天领域，因为它是高附加值的领域，所以在这个领域中再制造份额占得很重，其次就是汽车行业，占比25%。

这是我们国家的自然基金委，他们也资助了很多大型再制造过程中怎么进行拆解、怎么进行检测的研究。

这是英国的Innovate UK支持的一个航空零件再制造适应性修复的技术。

这也是UK资助的项目，是对货车零件的再制造，想通过开发柔性修复技术然后进行火车零部件的再制造。

这个项目的主要目标很简单，及通过一些数字化的方法来实现火车零部件柔性化的修复环节，这个项目里主要完成三个目标，第一个目标要实现再制造的失效特征自动识别，第二个则要建立知识库，能够通过特征识别的方式找出适合再制造的工艺，自动生成一个刀具路径，完成零件的再制造加工，这是这个项目的大体想法。

这是采集的火车零部件的失效特征，比如有断裂、烧伤、腐蚀、磨损，所有再制造失效特征当中，磨损零件是火车再制造当中比较关注的问题。

这是整个采取的技术路线图，首先进行一个失效特征的识别，判断它哪个地方失效了，是什么样的失效状态，针对这个失效状态，形成它需要修复的工艺路径和工艺参数，最后形成它的刀具和代码，直接对修复的设备进行加工，完成一个再制造的修复过程。

这是在进行失效特征识别采用的技术，想法也比较简单，就是原始的三维点云模型与传统的点云模型，红色的部分是失效的状态，通过其判断它是一个磨损的状态，这是对它基本特征的识别。

然后根据识别到的失效特征，通过构建的知识库进行一个查询，通过相似特征进行一个知识的重用，这个地方的知识主要是再制造的工艺知识的重用。

最后是修复过程，这个修复过程从失效的模式开始，通过我们去辨别失效的区域。因为再制造修复过程其实是一个反过程，我们需要进行材料的填充，把刀具路径规划出来，完成再制造零部件完整的修复。

最后用这张图片作为我的结束语，全人类需要在GDP支撑下，结出实在的、环保的、创新的、可持续发展的果实，谢谢大家。

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