基于“云-管-邊-端”物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的碳排放監(jiān)測(cè)

2022年12月ChineseJour基于“云-管-邊-端”物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的碳排放監(jiān)測(cè)（1.東南大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，江蘇南京211189；2.浙江大學(xué)控摘要：近年來，我國(guó)積極參與全球氣候治理進(jìn)程。碳排放的精準(zhǔn)、快速與可靠監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)碳排放態(tài)勢(shì)感知、了國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。然后，分別探究了基于終端設(shè)備與基于物聯(lián)網(wǎng)的碳排放監(jiān)測(cè)方法，總結(jié)出基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)方法具有結(jié)構(gòu)清晰、設(shè)計(jì)靈活、傳輸可靠等優(yōu)勢(shì)。最后，基于“云-管-邊-端”物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)提出一種工業(yè)碳排放監(jiān)測(cè)體系，并總結(jié)了實(shí)現(xiàn)“云-管-邊-端”4個(gè)方面的潛在關(guān)鍵技術(shù)，旨在對(duì)未來碳排放監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究提供一定參考。doi:10.11959/j.issn.2096-3750.2022.00281Carbonemissionmonitoringbasedoninternetthingswithcloud-tube-edge-endstrucXINGFangyuan1,2,HEShibo1.SchoolofCyberScienceandEngineering,Southe2.CollegeofControlScienceandEngineering,ZhejiangUniversity,HangzhouAbstract:Inrecentyears,Chinahasprapid,andreliablemonitoringisfundamentalforthesituationawarenessandlayoutoptimHowever,thestate-of-the-artreviewwithsystematicstudiesofthiprocessandtheexistingstandardsofcarbonemissionmonithodsandtheinternetofthings(IoT)-basedapplicationsforcarbonemissionmonitoringwerIoT-basedmethodswereconcludedwhtransmission.BasedontheIoT,structurewasestablished.Theenablingtechnologiesthatcanimplementthefunctionsofthe“cloud-tube-edge-end”weresummarized,whichareexpectedtoprovideguidanceforfuturecarbonemissionKeywords:IoT,carbonemission,cloud-tube-edge-end,realFoundationItems:TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.U1909207,No.U20A20159,N碳交易通過設(shè)計(jì)一定的價(jià)格機(jī)制調(diào)節(jié)交易市所需要的投資和購入碳排放配額的花銷權(quán)衡是否額的價(jià)格上漲影響企業(yè)成本并阻礙了企業(yè)的利潤(rùn)是監(jiān)管部門對(duì)覆蓋范圍內(nèi)的企業(yè)設(shè)定合理的排放機(jī)制促使企業(yè)在利益驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行碳減排。由此可有基于手工核算法所得到的企業(yè)自報(bào)碳排放量與標(biāo)準(zhǔn)、方法進(jìn)行歸納匯總，并基于“云-管-邊-端”對(duì)國(guó)內(nèi)外人為源排放監(jiān)測(cè)的管理要求和技術(shù)現(xiàn)狀針對(duì)境內(nèi)大型溫室氣體排放源分別制定了相應(yīng)的邢方圓等：基于“云-體排放量；二是連續(xù)排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS,con-tinuousemissionmonitoringsystem）法，目前，美國(guó)燃煤電廠基本采用CEMS監(jiān)測(cè)碳排放量，其安裝成本約為30～40萬美元，運(yùn)維成本每年約為1.5萬美元[7]。獨(dú)立的法定機(jī)構(gòu)來加強(qiáng)該法案與其他相關(guān)法律之我國(guó)頒布了《碳排放權(quán)交易管理辦法（試行）》，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《關(guān)于統(tǒng)籌和加強(qiáng)應(yīng)對(duì)氣候變化與生態(tài)環(huán)境保護(hù)相關(guān)工作的指導(dǎo)意見》，明確提出“推動(dòng)監(jiān)測(cè)體系統(tǒng)籌融合”。重點(diǎn)行業(yè)廢氣排放相關(guān)企業(yè)安裝CEMS設(shè)備。州半山發(fā)電有限公司的相關(guān)生產(chǎn)大數(shù)據(jù)正式接入目前，我國(guó)溫室氣體排放量計(jì)算仍主要依據(jù)《2006IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南（2019修訂算生產(chǎn)過程中的碳質(zhì)量平衡或通過活動(dòng)數(shù)據(jù)乘以手工核算法通過將相關(guān)領(lǐng)域物料所產(chǎn)生的排子系統(tǒng)主要采用插入式向后散射紅外光或激光測(cè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括氣相色譜法、非分散紅外軸積分腔輸出光譜法和可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光傅里葉變換紅外光譜儀是一種干涉型光譜儀，以光的相干性原理為基礎(chǔ)，主要由光源（硅通過邁克爾遜干涉儀實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到原始光譜與光源干涉圖，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換獲取光譜圖，換算為氣體濃度。傅里葉變換紅外光譜法易受氣體吸收光程的影響，可實(shí)現(xiàn)多種氣體同時(shí)檢測(cè)[24]。量氣體內(nèi)存在吸收介質(zhì)和不存在吸收介質(zhì)時(shí)的衰蕩時(shí)間不同，根據(jù)此差異即可求取被測(cè)介質(zhì)的濃表1N2O表2常用于檢測(cè)濃度較小范圍內(nèi)的CO2、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光常用于檢測(cè)含氟溫室氣體及有毒有害邢方圓等：基于“云-離軸積分腔輸出光譜技術(shù)是一種基于光學(xué)諧調(diào)諧半導(dǎo)體激光器較窄的線寬以及波長(zhǎng)可隨所注入電流大小而變化的特點(diǎn)賦予了可調(diào)諧半導(dǎo)體激現(xiàn)有的基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)方案大多采用輕量有機(jī)結(jié)合交通流量以對(duì)道路交通的排放量與排放等指標(biāo)，利用ZigBee技術(shù)發(fā)送信號(hào)Al-Zinati等[42]提出了一種基于霧節(jié)點(diǎn)的新型生物并檢測(cè)潛在的生物健康威脅。針對(duì)水環(huán)境監(jiān)測(cè)方監(jiān)測(cè)，如城市交通環(huán)境中的車輛尾氣排放監(jiān)測(cè)[41]我國(guó)地域遼闊，碳排放源種類繁多，盡管學(xué)術(shù)界與工業(yè)界已存在一些基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的碳排放監(jiān)測(cè)方案，但現(xiàn)有方法對(duì)大氣環(huán)境溫室氣體的監(jiān)測(cè)能力仍存在一定局限性，碳排放監(jiān)測(cè)技術(shù)體系仍有待完善。目前，我國(guó)碳排放監(jiān)測(cè)存在的主要問題如下。2)現(xiàn)有企事業(yè)單位的碳排放計(jì)算方法大多采國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)開展了火電廠煙氣CO2排放連續(xù)自下而上的“核算-統(tǒng)計(jì)”方式，由企事業(yè)單位上3.2基于“云-管-邊-端”物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的碳排放ture）能提供一個(gè)完整、安全可靠、獨(dú)立于設(shè)備、構(gòu)建基于OPC-UA的統(tǒng)一數(shù)據(jù)調(diào)用接口與信息模導(dǎo)致規(guī)模龐大的監(jiān)測(cè)終端產(chǎn)生了海量的監(jiān)測(cè)及感物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備和云計(jì)算中心之間部署網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算中心的壓力，構(gòu)建“云-管-邊-端”物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)可有效緩解帶寬資源緊張、處理實(shí)時(shí)性差的問OPC-UA是由國(guó)際組織對(duì)象鏈接與嵌入的過程控制（OPC,objectlinkinganembeddingforprocesscontrol）基金會(huì)管理的一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是操作性[46-47]。種通信協(xié)議的高效互聯(lián)集成，實(shí)現(xiàn)碳排放監(jiān)測(cè)設(shè)為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)碳監(jiān)測(cè)系統(tǒng)異構(gòu)設(shè)備的高效互上能將不同協(xié)議轉(zhuǎn)換成OPC-UA統(tǒng)一模型接入控地將各類碳監(jiān)測(cè)設(shè)備的原始數(shù)據(jù)及預(yù)處理后的信3.2.2融合基于OPC-UA的統(tǒng)一通信模型的“云-管-邊-端”碳排放監(jiān)測(cè)體系“云-管-邊-端”物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)提出一種新型碳排放邢方圓等：基于“云-“云-管-邊-端”碳排放監(jiān)測(cè)體系架構(gòu)如圖2所示。所提出融合基于OPC-UA的統(tǒng)一通信模型的“云-管-邊-端”碳排放監(jiān)測(cè)體系主要有如下4個(gè)特性。碳排放監(jiān)測(cè)終端的無差別采集產(chǎn)生了大量原始冗余數(shù)據(jù)，使云端聚集了大量的數(shù)據(jù)和處理任務(wù)，對(duì)云計(jì)算中心的計(jì)算能力提出了極高要求。為實(shí)現(xiàn)全覆蓋、高精度、實(shí)時(shí)處理的碳監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，云計(jì)算中心承擔(dān)數(shù)千萬億次/秒的計(jì)算需求。為此，如果能夠通過邊緣賦能將云端的部分任務(wù)下放至邊緣側(cè)，實(shí)現(xiàn)碳監(jiān)測(cè)邊緣側(cè)部分?jǐn)?shù)據(jù)的集成和自主決策，以及云計(jì)算中心與邊緣服務(wù)器的優(yōu)化和決策互動(dòng)，是克服當(dāng)前實(shí)際挑戰(zhàn)的重在所提出的基于“云-管-邊-端”的碳排放監(jiān)測(cè)架構(gòu)中，云計(jì)算中心通過“管道”通信系統(tǒng)收集部分關(guān)鍵終端設(shè)備采集的信息和邊緣服務(wù)器處理后的區(qū)域信息，利用區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、建模、分類、分析等。由此，云計(jì)算中心可獲取全球網(wǎng)格化的碳排放數(shù)據(jù)，用于分析碳排放的全局性分布和季節(jié)性變化等特征并預(yù)測(cè)碳排放的未來變化趨勢(shì)等。云宏觀調(diào)控碳配額，并將這些決策信息通過“管道”通信系統(tǒng)下傳給邊緣服務(wù)器，再由邊緣服務(wù)器根據(jù)各自所管理區(qū)域的特點(diǎn)適度調(diào)整，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算中心與邊緣服務(wù)器的決策互動(dòng)，完成云計(jì)算中心統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的功能。與邊緣服務(wù)器相比，云計(jì)算中心作為決策中圖2融合基于OPC-UA的統(tǒng)一通信模型的“云-管-邊-端”碳排放監(jiān)測(cè)體系架構(gòu)道”通信系統(tǒng)是“云-管-邊-端”物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)的可靠傳輸是終端、邊緣服務(wù)器、云計(jì)算中心之間互聯(lián)互通的基本保障。為支撐碳交易市場(chǎng)的高效運(yùn)行，碳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需具有全覆蓋性、實(shí)時(shí)性、及時(shí)性、準(zhǔn)確性，因此需要高可靠、低時(shí)延、大容量的通信系統(tǒng)以滿足海量碳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸需求。用5G通信技術(shù)中毫米波、大規(guī)模多輸入多輸出在終端設(shè)備層，可編程邏輯控制器（PLC,異構(gòu)碳監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)映射到OPC-UA服務(wù)器的上層的云控制平臺(tái)和邊緣設(shè)備可以通過OPC-UA異構(gòu)通信協(xié)議和傳輸數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)信源分類的角蔽底層數(shù)據(jù)的差異，從而不必再考慮底層數(shù)據(jù)模10000～12000家企業(yè)納入碳監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。在“云-處理的數(shù)據(jù)單元。作為中心云平臺(tái)計(jì)算能力的下在所提出的基于“云-管-邊-端”碳監(jiān)測(cè)體系架構(gòu)中，邊緣服務(wù)器根據(jù)云計(jì)算中心下傳的全局基準(zhǔn)碳價(jià)和碳配額以及所管理區(qū)域的碳排放、經(jīng)并將調(diào)整后的碳價(jià)和碳配額下傳至區(qū)域內(nèi)的碳排放企業(yè)、監(jiān)測(cè)部門等；同時(shí)，邊緣服務(wù)器收集區(qū)域內(nèi)各個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備采集的碳排放數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)邊緣服務(wù)器定期將處理后的碳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及調(diào)整后的碳價(jià)和碳配額上傳至云計(jì)算中心，接受云計(jì)算中心的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)和監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)邊緣側(cè)的數(shù)據(jù)高效處理和區(qū)域設(shè)備的高效管控。采用輕量級(jí)、高邢方圓等：基于“云-效的邊緣技術(shù)，有利于全網(wǎng)調(diào)度和算力分發(fā)，輔助云端碳交易市場(chǎng)完成統(tǒng)籌協(xié)同，對(duì)來自監(jiān)測(cè)設(shè)備的碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，并在本地進(jìn)行結(jié)果預(yù)測(cè)，從而降低時(shí)延并提供更快的響應(yīng)，支持碳交易市場(chǎng)的高效運(yùn)行。企業(yè)和監(jiān)測(cè)部門的管控以及區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)收云計(jì)算中心統(tǒng)籌調(diào)控后的基準(zhǔn)碳價(jià)和碳配額等隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模統(tǒng)為終端監(jiān)測(cè)設(shè)備的專業(yè)化和統(tǒng)一化提供了實(shí)現(xiàn)協(xié)議兼容性，從而簡(jiǎn)化并統(tǒng)一終端設(shè)備的操作流化的終端設(shè)備更有利于大規(guī)模終端監(jiān)測(cè)設(shè)備的部-端”碳排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的潛在關(guān)鍵技術(shù)如圖3所習(xí)等新技術(shù)的支持下，通過“云-管-邊-端”4個(gè)圖3基于“云-管-邊-端”碳排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的潛在關(guān)鍵技術(shù)碳排放監(jiān)測(cè)是支持碳交易市場(chǎng)高效穩(wěn)定運(yùn)行-管-邊-端”物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的碳排放監(jiān)測(cè)體系，為實(shí)現(xiàn)高精度、廣覆蓋的碳排放監(jiān)測(cè)與評(píng)估奠定了基-端”物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)僅是一種設(shè)想，旨在對(duì)未來碳排[1]潘曉濱,朱旭.我國(guó)碳排放許可制的必要性分析[J].資源節(jié)約與環(huán)PANXB,ZHUX.AnalysisonthmitsysteminChina[J].ReProtection,2021(1):1[2]劉佳,余星,鞠學(xué)泉.關(guān)于建立上海市碳排放監(jiān)測(cè)、報(bào)告體系的設(shè)LIUJ,YUX,JUXQ.Conceivingo[3]任亞運(yùn),傅京燕.碳交易的減排及綠色發(fā)展效應(yīng)研究[J].中國(guó)人onemissionreductionandgreeResourcesandEnvironment,2019,[4]李鵬,吳文昊,郭偉.連續(xù)監(jiān)測(cè)方法在全國(guó)碳市場(chǎng)應(yīng)用的挑戰(zhàn)與對(duì)策[J].環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究,2021,6(1):77-92.applicationofthemeasurement-basedmonitoringmethodologtionalcarbonmarket[J].JournalofEnvironmentalE6(1):77-92.[5]USEPA.MandatoryreportingofgreenhousegasesfinalruSUNTQ,LIUK,YANGZcarbonemissionsMRVsystemtoChina[JsourcesandEnvironment,2016,26(S[7]董文福,劉泓汐,王秀琴,等.美國(guó)溫室氣體強(qiáng)制報(bào)告制度綜述[J].portingofgreenhousegasesinAmerica[J].EnvironmentalMonitoring[8]周穎,張宏偉,劉蘭翠,等.歐盟和美國(guó)溫室氣體排放監(jiān)測(cè)對(duì)中國(guó)inginEUandAmericaandtheirsignificanceasreferencEnvironmentalMonitoringinChina,2013,示[J].環(huán)境保護(hù),2012,40(10):72-74.carbonmarketmeasurement,reporstruction[J].EnvironmentalProtection,2012,40(1[10]全國(guó)碳排放管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).溫室氣體排放核算與報(bào)告要求:煤炭生產(chǎn)企業(yè):GB/T32151.11[11]全國(guó)碳排放管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).溫室氣體排放核算與報(bào)告要求：紡織服裝企業(yè):GB/T32151.12-2018NationalTechnicalCommitteeonCStandardizationAdministration.GHGportingrequirements:textileandga2018[S].2018.[12]高春艷,牛建廣,王斐然.鋼材生產(chǎn)階段碳排放核算方法和碳排放因子研究綜述[J].當(dāng)代經(jīng)濟(jì)管理,2021,43(8):ingmethodsandcarbonetemporaryEconomicManagement,2021,43(8):33-38.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),202pathwayundercarbonneutraltarget[J].JournalofBeijingInstituteofTechnology(SocialSciences中的應(yīng)用[J].石油石化綠色低碳,2020,5(6TIANWS,LIX,BAIPX.Applicationofpemissionaccountingofammoniaindustry[J].Gtrochemicals,2020,5(6):69-74.[15]姚聰林,朱紅春,姜周華,等.全廢鋼連續(xù)加料電弧爐短流程碳排放計(jì)算及分析[J].材料與冶金學(xué)報(bào),2020,19analysisofelectricarcfurnacewithcontinuousfeedingofscrap[J].JournalofMaterialsandMetallurgy,2020,19([16]黃小菲.能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究,2020(22):IndustrialInnovation,2020(22):76-78.[17]王霂晗,朱林,張晶杰,等.歐盟火電廠二氧化碳排放在線監(jiān)測(cè)系systemofcarbondioxideemissionon[18]王小龍,王強(qiáng),王小峰,等.燃煤電廠關(guān)鍵排放因子對(duì)碳排放量影響研究[J].山東化工,2019,48(23):23keyemissionfactorsofcoal-firedpowerplShandongChemicalIndustry,2019,48(23):239-243.[19]王芹,馮景春,馮開.氣相色譜法及其應(yīng)用[J].廣東化工,2014,tion[J].GuangdongChemicalIndustry,2014,41(12)[20]袁超,何保山,韓小賢,等.二氧化碳?xì)怏w檢測(cè)研究進(jìn)展[J].江西YUANC,HEBS,HANXX,etcarbondioxide[J].ActaAgricultura[21]徐寅.氣相色譜法在大氣污染監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用[J].XUY.Applicationofgasching[J].JournalofGreenScienceandTechnology,環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì),2019,39(2):74-76.LIUS,ZHANGHL.Discussionondmanceindexofcar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