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制造企业的节能调度：综述与研究框架

摘要

由于可持续调度引起了越来越多制造企业的注意，所以能源成为可持续发展的关注焦点，本文的目的是为节能调度（EES）建立一个研究框架。节能调度方法是以提高能源利用率为目标的调度方法，基于迭代方法，回顾、分析和综合近期文献的数据，提出全新的研究框架去构建研究领域。在此情况下，本文介绍了“能源覆盖范围”、“能源供应”和“能源需求”三个方面，并对文献进行分类，每个方面的介绍包括其分类以及属于本方面、与EES相关的能源相关特性的详细记述。我们进一步提供对已回顾文献的实验分析，并强调EES在实际中能够实现的优点。

关键字

调度 能源利用率 研究框架 综述 制造业

一、背景介绍

随着人口和生活质量的增长，几乎任何种类的商品其全球性需求呈持续性增长，尤其是中国、印度和巴西这样的国家。然而满足这些需求的必要资源十分稀缺，因此，资源的持续利用尤为重要。“不需要牺牲下一代满足其自身需求的能源来满足现如今的需求，这个想法应该成为企业的中心指导原则”（联合国，1987）。随着这份关于持续性发展需求的声明，企业的商业活动开始被重新思考，同时也引出了艾尔金顿三重底线这一观念。这份关于可持续性发展的基础观念被定义为，企业在进行任何可持续性商业活动时，需履行经济责任、环境责任和社会责任。由于工业为了满足不断增长的货物需求而采取措施，因此工业是能源的主要消费者之一（在2012年，欧盟的工业能源消耗约占24.2%；欧盟统计局，2012），所以在制造业建立可持续性发展是尤为重要的（例如Haapala等人，2013；Jovane等人，2008）。由于能源的使用和供应对环境产生了负面影响（例如温室气体排放、土地酸化、土地粗放利用），因此减少制造业公司的能源需求是可持续发展中不可缺少的一部分。此外，能源是非持续性生产的要素之一，这也是为什么减少能源需求在一定程度上会被限制并受期望产品输出值所影响。因此，需要提高生产过程中能源输入与期望输出的比例——例如提高能源利用率——可持续性制造的核心方面之一（关于能源利用率的详细讨论参见如Fysikopoulos, Pastras, Alexopoulos, amp; Chryssolouris,2014; Patterson,1996）。此外，政府间气候变化专门委员会（IPCC）声明，提高主要工业国家制造业的能源利用率的短期潜力约占25%（Watson, Zinyowera, amp; Moss, 1996）。

然而，没有一篇IPCC的报告发现调度也是提高能源利用率的一种方法或是手段（Edenhofer等人, 2014；Metz, Davidson, Bosch, Dave, amp; Meyer, 2007; Pachauri, 2001; Watson等人, 2001； Watson等人, 1996）。尽管有一些文章和报告概念性的讨论了可持续性供应链管理（例如Carter amp; Easton, 2011; Dekker, Bloemhof, amp; Mallidis,2012; Linton, Klassen, amp; Jayaraman, 2007; Nikolopoulou amp; Ierapetritou, 2012; Piplani, Pujawan, amp; Ray, 2008）、可持续性经营管理（例如Kleindorfer, Singhal, amp; van Wassenhove, 2005; Liu, Leat, amp; Smith, 2011）、可持续性制造（例如Chun amp; Bidanda, 2013; Duflou等人, 2012; Garetti amp; Taisch, 2012; Haapala等人, 2013; Jovane等人, 2008; Mani, Madan, Lee, Lyons, amp; Gupta, 2014）和工业能源（例如Abdelaziz, Saidur, amp; Mekhilef, 2011; Trianni, Cagno, Thollander, amp; Backlund, 2013），但无论是在通常情况下还是特指的能源利用率方面，调度都很少被认为是一个合适的提高发展可持续性的方法。据我们所知，只有四篇论文在概念上讨论调度和能源利用率。Garetti和Taisch（2012）对于可持续性制造给出了一个概述，并定义了能源意识生产计划、管理一个合适的节能制造的方法，但是他们没有对于这个话题做出进一步领悟。Merkert等人（2014）回顾分析了几个案例研究，但是他们的结论却很普通。Duflou等人（2012）分析了制造企业提高能源和资源利用率的方法，但由于他们研究的范围很广，他们关于利用改变调度来提高能源利用率的方法分析并不详细。然而，相关流程和系统的基础理解在论文中是有所描述。Haapala等人（2013）也使用了相似的体系，与其他的发表相比，他们发现了生产计划和调度是可持续性制造的关键因素，并简要的描述了他们所选的文献。

与这个背景相对的，本文的主旨是为节能调度（EES）提出一个研究框架，该研究框架是关于以提高能源利用率为目的的调度研究。因此，为了找出决策问题和他们的特性并使之形成体系，我们将其与制造企业运营生产计划（调度）的方法一同研究，进行了结构化的文献评论和分析。另外，我们也试图分析调度在制造企业是否是一个提高能源利用率的合适方法，以此能够对更多商品的持续性生产做出巨大贡献。

为了达到这个目标，首先我们在文中确定了我们的分析范围和研究方法。在接下来的第三章，我们提出了节能调度（EES）的研究框架。在第四章，我们展示了这一框架所构成的文献分类的基础；在此部分，我们不仅对相关文献进行分类，还进行了实证分析。在发表综合结论之前，我们论证了节能调度（EES）的优点。

二、范围和方法

为了评估EES所有的潜在影响，我们不仅考虑生产过程、生产系统，还考虑了能源供应过程和能源供应系统。图一阐述了能源转换链。一次能源（PES：例如化石燃料、矿物燃料、风能或太阳能）通过能源供应商运输，转换成二次能源（SES：例如电能或成品油）。当二次能源（SES）的所有权转移至最终的能源使用者（这里指的是制造企业），它们被称为最终能源（FES）。在制造企业内，应用能源（AES：例如电流或天然气）被用于进行转换（生产）过程。我们忽视任何与生产过程无关的、或不被调度所影响的能源应用（例如气候控制、照明或信息技术）。在一些案例中，将最终能源（FES）转换成应用能源（AES，例如蒸汽或压缩空气）的附加过程必须由能源使用者所执行（例如Agha, Theacute;ry, Hetreux, Haiuml;t, amp;Le Lann, 2010）。

在转换链方面，能源使用者（制造企业）通过执行调度来处理这条链的终端——生产系统。通常来说，调度被定义为将生产订单及其相应的顺序和时序分配给相应的机器。调度决策认为处理强度（例如速度）也是其一部分。尽管计算过的调度首先决定了生产过程的执行，它同时也决定了该过程的能源需求，所以能够影响能源利用率（例如将高能耗的工作分配给更多高能效的机器）。这种对能源利用率的影响不仅受限于应用能源的需求，同时也直接导致了最终能源的节省和对二次能源的需求（例如应用能源需求峰值的矫平导致二次能源的低需求量）。因此，我们的分析范围是导致转换链部分位置能源利用率提升的调度方法。

图二阐述了本文所用到的方法，是以vom Brocke等人2009年文献中描述的文献综述一般准则（同见Cooper,1988;Webster amp; Watson,2002）、Seuring 和 Muuml;ller（2008）描述的随着方法的应用同时发展的框架（同见Meredith, 1993）为基础。框架研究（VI.）的最终目的是通过重复的文献分析和合成过程（II.–V.）得到的。每一篇文献综述中最重要的部分是其范围和目的的定义（I.;vom Brocke等人, 2009）。这个阶段是以由六种组成特征建立的分类学为基础（Cooper, 1988）：焦点、目标、组织、读者、观点和覆盖范围。我们的研究焦点是文献的研究成果、研究方法、理论和应用，其目的是在研究框架内分析、综合与节能调度（EES）相关的焦点问题（详见之前的段落）。本文只进行了概念上的描述，并采用一个具有争议的观点；本文读者是专业的学者。文章的覆盖范围经过全面的、认真的筛选，即所有关于节能调度（或者至少大多数关于节能调度的）的文献都被用来完善结论，但只选择一部分文件进行详细描述。

迭代过程由最初的概念化阶段开始（II.）。我们首先研究通常令人感兴趣的课题（Seuring amp; Muuml;ller, 2008），并开始第一个演绎步骤，该步骤有详细的结构维度和分析类别。第一个概念化步骤的中心结果是关键词（见表格1），期刊的列表（见表格2）用于文献搜索。关键词是相对通用的，以避免错过任何相关文献。

在第一个搜查阶段（III a.），我们限制在运筹学、应用数学和生产运营管理领域的主要期刊和一般讨论能源话题的权威期刊的搜索（见表格2）。所有搜索到的期刊均是英文出版、经过同行评议、且这些期刊的重要性均以他们的影响因子为基础，我们以此来进行评估。我们不限制时间范围，我们假设大多数高质量的研究以学术论文的方式在合适的期刊上进行发表，并且排除书籍、学位论文、会议文献和行业期刊（Rubio, Chamorro, amp; Miranda,2008）。

在评估阶段（IV.），我们通过评审题目、关键词和摘要来预选搜索到的文献（“最初的匹配记录”），接着对所有可能符合的文章进行全文回顾、分析。考虑到文献的相关性，文献必须满足一些标准。第一个标准是文献必须以能源为焦点——目的和目标必须明确提出与能源相关。第二，我们只涉及制造业环境下处理规划问题的文献，即有形输出是由投入的资源进行物理转换而产出的。因此，处理关于能源生产（例如Zhang, Kusiak, amp; Song, 2013b）或能源转换（Zhu等人, 2014）的调度问题的文献、处理计算机科学领域中处理器调度问题的文献（例如Albers, 2010; Roacute;zycki amp; Weglarz, 2012）、以及处理任何类型的计算机网络调度问题的文献（例如Tuuml;rkogulları, ˘Aras, Altınel, amp; Ersoy, 2010）我们均不考虑。第三，我们只说明调度方法，这意味着我们排除生产计划决策（例如Radulescu, Radulescu, amp; Radulescu, 2009）、以及不直接与运营调度决策相关的流程设计方法（例如Rajaram amp; Corbett, 2002）。我们也忽视产品设计方法和（供应）网络或生产设施设计方法。

下一步，我们分析综合剩下的文献，去搜索常用术语、决策问题的类比、能源使用和能源供应的共同点（V.）。此外，一般的调度特性，例如目标函数、约束条件、参量、变量、建模方法以及求解方法我们也做以研究。分析结果使我们能够构建并让最初的维度和分类具象化，成为研究框架的最初版本（II.）。

为了扩大基础和证实框架的最初版本，我们以相关文献的第一次迭代为基础，进行了一级正向搜索和一级反向搜索（III b.）。我们用与之前相同的规定标准去评估文献，然后应用最初版本的框架对其他额外的相关文献进行分析（V.）。校验的基础是尝试将“新”文献分配给当前规定的维度和分类。在必要情况下，这些维度和分类会被修改和增加。

最终迭代的结果是下一章所提出的节能调度研究框架。为了完善研究框架，总共有35篇文献在第一版本中进行了详细的审查，52篇文献被用来改进和验证（见表格2）。

三、研究框架

正如前一章所述，制造企业的节能调度是一种减少一次能源总需求的合适方法。对于提出的研究框架，我们旨在构建节能调度的领域并将其概念化。一方面，这是理论构建的第一步（Wacker, 1998），另一方面，研究框架的目的是“提高运营管理研究结论的外部效度，从而提高其与管理者的相关性”（Meredith, 1993）。

相关文献分析显示，两个拥有个体目标的参与者和三个交互系统决定了节能调度的决策局势（见图片3，以下列文献作为基础：Agha等人, 2010; Duflou 等人, 2012; Rager, Gahm, amp; Denz, 2014; Zhu等人, 2014;）。

主要参与者是使用应用能源生产有形商品的制造企业（能源使用者）。次要参与者是在市场上提供一种或多种二次能源的能源供应商。三个相关系统是：由能源使用者运转的生产系统（PS）和内部转换系统（iCS，也称应用系统），以及由能源供应商运转的外部转换系统（eCS）。本文提出的框架有一个基础假设，即一次能源不能够直接被生产单元（PUs）作为应用能源使用，并且一次能源必须由转换单元（CUs）进行转换。这些转换单元不仅可以由能源使用者内部进行运转（iCU），也可以由能源供应商从外部进行运转（eCU）。

基于上述解释，我们提出分类节能调度方法的三个方面：

• 能量覆盖范围——指出提高能源利用率的系统（PS, iCS, eCS），以减少实际的能源需求
• 能源供应——描述最终能源的特性以及应用能源的供应
• 能源需求——描述应用能源的使用特性

在每一个分类内，我们进一步指出属性和类别（属性组），描绘节能调度方法的特性，提供具有代表性的案例。

3.1 能量覆盖范围

能量覆盖范围这个方面指出了节能调度在转换链中的位置，即节能调度的影响使能源利用率实际提高。为了详细说明能量覆盖范围，我们使用与之前规定的三个系统相似的三个非特有属性：PS, iCS和eCS。

使用属

资料编号：[4664]