关于碳排放管理系统的设计与实现10北京交通大学硕士专业学位论文.docx

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关于碳排放管理系统的设计与实现10北京交通大学硕士专业学位论文

硕士专业学位论文

碳排放管理系统的设计与实现

DesignandImplementationofCarbonEmissionManagementSystem

导师：

北京交通大学

2021年6月

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。

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导师签名：

签字日期：

年月日签字日期：

年月日

学校代码：

10004

密级：

北京交通大学

硕士专业学位论文

碳排放管理系统的设计与实现

DesignandImplementationofCarbonEmissionManagementSystem

作者姓名：

学号：

导师姓名：

职称：

工程硕士专业领域：

软件工程学位级别：

硕士

北京交通大学

2021年6月

致谢

本论文是在导师的悉心指导下完成的。

老师严谨的治学态度和科学的学习方法、兢兢业业的工作作风以及积极向上的生活理念对我的学习、研究、工作、生活产生了重要的影响。

她渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪，在此向导表示衷心的谢意。

感谢项目团队成员为本系统建设所做的努力。

感谢老师在学习、工作中给予的帮助和支持。

感谢所有北京交通大学软件学院的授课老师，你们精彩的课堂讲解让我体会到了软件工程专业的迷人魅力。

感谢本论文所引用文献、资料、研究思想和设想的所有者。

感谢我的家人，你们的理解、支持和鼓励是我不停前进的最大动力。

摘要

建立各地方政府二氧化碳排放的MRV体系，是全国碳市场建设的重中之重。

在2017年全国碳排放权市场启动目标的倒逼下，非试点地区的MRV体系建设面临着时间紧、任务重的挑战。

太原市根据《十二五规划纲要》和《山西省关于开展应对气候变化工作的通知》要求，经过论证并报山西省批复后，决定先行先试，率先开展碳排放管理系统的建设工作。

本文以此项目为背景，论述了碳排放管理系统的设计与实现。

本人作为项目经理参与了系统建设的全过程，主要负责项目规划、需求分析和项目管理工作。

本文首先简述了项目需求的起因，对工作流程、系统功能进行需求分析，根据分析结果确定了系统的总体结构，完成了技术构架设计、功能设计、数据库设计等工作。

其次，介绍系统开发环境，通过系统截图的方式向读者进行系统实现的展示，并介绍了系统的测试工作。

最后，本文进行归纳行总结并提出下一步系统升级的目标。

通过对年能耗3000吨标准煤以上的企业、政府主管部门以多家第三方核查机构的走访调研，本文确定了以排放设施为最小单位的统计核算方法，并采用CEMS自动监测和手工填报并存的数据报送方式。

系统采用B/S架构和SSH集成框架，选用Struts2实现MVC模式，选用Spring框架实现JavaBean的管理以及集成JPA对事务进行管理，选用Prototype作为实现Ajax的框架，选用Activiti作为实现工作流的组件，选用BIRT作为实现报表的组件，选用Eclipse为开发工具，选用Tomcat为Web应用服务器。

本系统的设计与实现为碳排放统计核算体系提供了可视化的工具。

系统的应用提高了工作效率、简化了工作流程、大幅度降低了企业的第三方核查费用和时间、人力成本。

关键词：

管理系统；排放设施；碳排放；MRV；SSH；MVC；Activiti

ABSTRACT

Fortheconstructionofnationalcarbonmarket,itisatopprioritytoestablishaMRVsystemforlocalgovernmentemissionofcarbondioxide.Duetothegoalofbuildinganationalcarbonemissionstradingmarketin2017,non-pilotareasfacechallengesofpressingtimeandheavytasksintheconstructionofaMRVsystem.TaiyuangovernmentdecidedtotaketheleadinbuildingcarbonemissionmanagementsysteminTaiyuanaccordingto“Outlineofthe12thFiveYearsPlan”and“ShanxiProvince’sNoticeonImplementingWorkforClimateChanges”afterexpertpanelsdemonstrated,discussedandreportedtoShanxiProvinceforapproval.Inthispaper,designandimplementationforacarbonemissionmanagementsystemarediscussedbasedontheproject.Astheprojectmanager,Iparticipatedintheentireprocedureofsystembuilding,mainlyresponsibleforprojectplanning,requirementsanalysisandprojectmanagement. 

Thispaperfirstdescribesthecausesoftheprojectrequirements,followedbytheworkflow,systemfunctionrequirementsanalysis,andaccordingtotheresultsoftheanalysistodeterminetheoverallstructureofthesystem,completingthetechnicalarchitecturedesign,functionaldesign,databasedesign,andsoon.Secondly,itintroducesthesystemdevelopmentenvironment,throughthesystemtothereadertoachievethesystemtoachievethesystemtoachievethedisplay,anddescribesthesystemtesting.Finally,thispapersummarizesandputsforwardthegoalofthenextsystemupgrade

Throughthevisitingandinvestigationalstudyofenterpriseswhoseannualenergyconsumptionexceed3000tonsofstandardcoal,governmentdepartmentsandseveralthird-partyverificationinstitutions,thispaperadoptsthestatisticalaccountingmethodsinwhichthedischargefacilityisthesmallestunitandadoptthecoexistingCEMSautomaticmonitoringandmanualreportingdatasubmittingmethod.ThesystemusesB/SarchitectureandSSHintegration framework,choosesStruts2torealizetheMVCpattern,choosesSpringframeworktorealizethemanagementofJavaBeanandintegratesJPAtomanageaffairs,choosesPrototypeastheframeworkofrealizingAjax,choosesActivitiasthecomponenttorealizetheworkingprocedure,choosesBIRTasthecomponenttorealizethereport,choosesEclipseasdevelopmenttools,choosesTomcatasWebapplicationservers.Thedesignandimplementationofthesystemprovidesavisualizationtoolforthecarbonemissionstatisticalcalculationsystem.Theapplicationofthesystemimprovestheworkefficiency,simplifiestheworkflowandreducesthecostandtimeofthethirdpartyverification.

KEYWORDS:

ManagementSystem;Emissionfacilities;CarbonEmission;MRV;SSH;MVC;Activiti

1引言

本章简明的阐述了论文编写的背景、意义、目标、国内外发展现状以及论文的结构安排，以全球气候变化背景为出发点，说明因人为问题导致的大气中二氧化碳排放增加的现状，以及我国中央及地方政府提出的相应措施。

最后论述了碳排放管理系统的实际应用价值，以及本文拟实现的主要目标。

1.1论文的背景和意义

本节首先阐述了本篇论文写作的国际背景，以及我国中央及地方政府应对全球气候变化，减少二氧化碳排放的一系列承诺与措施。

其次，列举了采用传统方式进行碳排放及能源数据统计报送的弊端以及本文论述的碳排放管理系统建设的意义与目标。

1.1.1论文的背景

近几十年，全球气候变化所引发的极端天气与自然灾害在世界范围内愈加频繁，造成这一状况的重要原因是大气中二氧化碳等温室体的人为增加。

国际社会一致认为最终目的就是要“将大气中温室体的浓度稳定在防止气候系统受到危险的人为干扰水平上。

这一水平应当在足以使生态能够自然地适应气候变化、确保粮食生产免受威胁并使经济发展能够可持续进行的时间范围内实现[1]。

”国际社会希望以碳交易体系的反作用机制来最终实现大气中温室体的减少，减缓与抑制全球变暖的趋势[2]。

气候变化是环境问题，同时也是发展问题。

气候变化对当今人类社会构成了巨大挑战，国际社会正在为应对气候变化的挑战而采取积极的减缓和适应行动，这些行动不仅是人类规避气候变化灾难性影响的举措，而且提出了如何实现低碳发展的问题，将对未来的经济社会发展构成深远的影响[3]。

中国作为全球最大的发展中国家，一直在全球气候变化问题上积极应对。

时任中国政府总理的温家宝同志在哥本哈根气候变化会议领导人会议上提出“2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%-45%[4]”。

我国政府提出“建立完善的温室气体排放统计核算制度，逐步建立碳排放交易市场”和“有效控制温室气体排放，单位国内生产总值二氧化碳排放减低17%[5]”，并且要求“各省市建立温室气体管理平台和碳排放统计监测体系[6]”。

工业作为国民经济的重要组成部分，是推动经济增长的主要动力，也是我国能源消耗及温室气体排放主要领域。

2010年，我国工业能源消耗达到21亿吨标准煤，占全社会总能源消耗的65%，占全国化石能源燃烧排放二氧化碳的65%左右。

钢铁、有色金属、建材、石化、化工和电力六大高耗能行业占工业化石能源燃烧二氧化碳的71%左右。

工业温室气体排放除了能源相关的排放之外，工业生产过程温室气体排放也占一定比例，工业生产过程二氧化碳、氧化亚氮、含氟气体等温室气体排放占全国非化石能源燃烧温室气体排放的60%以上，工业生产过程二氧化碳排放占全国二氧化碳排放的10%左右[7]。

山西省作为国家级综合配套改革试验区，实现经济绿色、低碳发展成为建设资源节约型和环境友好型社会的重要工作。

为此，山西省政府确定了“结合碳减排任务目标，加强温室气体排放统计和管理工作，建立温室气体动态管理平台，科学制定温室气体统计、监测、考核制度。

在条件成熟的区域和行业实行温室气体排放总量控制，探索运用市场机制实现温室气体减排，推动低碳产业发展和控制温室气体排放目标的落实[8]”的低碳发展道路，并提出“加强温室气体排放核算工作。

实行重点企业直接报送能源和温室气体排放数据制度[9]”。

1.1.2论文的意义

中国当前城市温室气体清单在方法体系和城市边界上尚存在诸多问题[10]。

中国的温室气体清单编制工作主要是出于宏观政策、国家战略的研究定制而展开，大多以国家、省市等宏观层面的统计年鉴数据为依据进行计算，以微观排放源为基础的碳排放统计核算体系尚未建立。

本文所应用的碳排放统计方法基于企业最小排放设施，创造性的提出采用CEMS（ContinuousEmissionMonitoringSystem）和手工填报并存的数据报送方式，为探索科学合理的碳排放统计核算体系提供了新的建设思路。

传统的碳排放统计工作由各企业单位专职工作人员统计能耗台账并以手工报表的形式向主管部门进行数据上报、备案。

传统的数据报送流程及规范存在以下几个问题：

（1）一次能源数据不确定度高，企业实际能源消耗与统计台账不一致；

（2）多项统计指标交互，数据延迟，不能准确的反映当前的实时数据；

（3）复杂的数据盘查流程设计使第三方核查工作量大增，造成了企业第三方核查外包财务成本过高；

（4）传统的统计方法对碳排放排放点源的监测力度不够，不能够完全满足配额及抵消额交易的数据合规要求；

（5）缺少信息化的手段，无法形象、直观的展示工业企业温室气体排放现状，枯燥、单一的报表形式无法为政府和企业的发展决策提供有力的数据支撑。

碳排放管理系统的设计与实现有效地解决了上述问题在工作中所带来的影响，经过实践应用，通过准确的数据统计、合理的业务规划提高了从业人员的工作效率、简化了工作流程、大幅度降低了第三方核查费用及企业时间、人员成本，不仅为实现可测量、可报告、可核查的碳核算体系提供了可视化的数据支持工具，同时也为国家碳排放统计核算体系的建设提供借鉴和示范作用。

1.1.3论文的目标

本文结合实际项目，通过碳排放管理系统的应用拟达到的具体目标为：

（1）实现政府通过信息化手段完成对钢铁、电力、焦化、水泥、化工等主要行业企业的碳排放情况进行全面摸底工作；

（2）符合安装条件的企业排放设施，通过安装CEMS系统，按自定义频率实现碳排放数据上传功能；

（3）不符合安装CEMS条件的企业设施，人工通过本系统提供的规范工作流程申报生产材料和能源消耗的使用数据，利用配置公式计算获得设施排放量；

（4）通过多种报表，按照不同的筛选条件直观的展示排放数据；

（5）通过数据分析确定行业碳排放基准线；

（6）结合统计据数据确定行业减排成本曲线。

本文的远期目标是通过碳排放管理系统的应用提高控排企业碳管理的能力。

企业利用系统准确的数据统计，争取更多排放配额，增加非主营业务收益，从而实现企业以更少的经济投入获得更优良环境影响效率。

最终目标是，通过系统数据的合理应用，配合相关政策的制定，刺激低碳产业发展，提高城市绿色形象，最终实现绿色转型跨越式发展。

1.2国内外发展现状

应对气候变化、发展低碳经济已经成为当今国际和国内的一个重要议题。

在世界范围内，欧盟排放权交易市场建设已经相对成熟，配套IT建设已经完善。

目前EUETS（EuropeanUnionEmissionsTradingScheme）控排企业基本都拥有碳资产管理系统或具有类似功能的ERP系统模块。

国际上应用良好的碳管理系统在我国会面临操作不适应、政策不配套、使用成本以及维护成本过高等一系列问题。

在国内，碳交易市场刚刚起步，与之配套的各种信息化工具也处在摸索之中。

政府、控排企业在IT工具开发、选择与应用上，投入的人力、物力远远不足。

设计、研发拥有自主产权的、适应国内控拍企业和管理单位要求的碳排放管理工具是十分必要的。

对碳排放相关问题进行系统研究的基础是较为准确地估算区域碳排放量。

基于此，国内外学者在碳排放的综合构成、碳排放的情景模拟以及区域低碳发展水平评价等方面均开展了较多的研究工作。

（1）碳排放的综合构成测算研究

国外方面，日本学提出了著名的Kaya恒等式，并通过因式分解的方法将碳排放量分解为与人类生产生活相关的单位能源消费的碳排放量、单位GDP能源消耗强度、人均GDP与人口等四大要素。

。

国内方面，张陶新等在阐述城市低碳交通概念及其内涵的基础上测算了2000年以来中国城市交通能源消耗及其碳排放量，指出当前中国正面临着城市交通能源消耗和碳放量增加迅速的严峻现状。

李兆坚等人从建筑运行能耗、建筑材料能耗与间接能耗三方面对我国建筑能耗状况进行了深入分析，指出我国广义建筑能耗与全国总能耗呈现出很强的相关性。

（2）分产业碳排放测算评价研究

产业经济活动的能源消耗碳排放已经成为当前国内外学者广泛关注的热点问题。

其中，第一产业对温室气体及碳循环也起着不可忽视的影响作用。

研究表明，不同国家农业碳排放占碳排放总量的比重差异较大，其主要原因可能在于各个国家不同的农业生产方式差异造成。

Pacala.S.W等研究发现，在20世纪80年代美国本土的陆地生态系统吸收了其工业二氧化碳排放比重的30%至50%，特别是随着化肥、农药等农用物质的大量施用，由农业生产活动所引发的碳排放已成为了区域碳排放的重要组成部分。

进一步来看，农业碳排放则主要源于农业废弃物、肠道发酵、粪便管理、农业能源利用、稻田以及生物燃烧。

李波等人从化肥、农药生产和使用、农业机械使用、灌概用能、稻杆焚烧等5个方面测算了中国农业碳排放量，并据此分析了中国农业碳排放的结构特征与区域差异。

（3）碳排放的情景模拟分析研究

近年来，国外关于碳排放的情景模拟分析逐渐展开。

Kawase.R等釆用改进的Kaya恒等式模型对碳排放进行了因素分解研究，并以此为基础对不同国家的碳减排目标进行了情景预测模拟分析。

GomiK等通过情景分析方法对日本东京市的碳排放和未来低碳经济发展进行了系统研究，发现住宅和商业部门是碳减排潜力最大的部门。

Fong.W.K等以马来西亚Iskandar为研究案例，运用系统动力学模型模拟分析了不同城市政策方案下的碳排放增长趋势，并根据城市政策方案的碳减排潜力，提出了相应的减缓气候变化的政策建议。

国内学者对碳排放情景模拟分析的研究更多侧重对区域未来碳排放增长的模拟分析上。

朱永彬等人基于经济模拟方法科学预测了中国未来一段时间能源消耗及碳排放量。

王铮等人基于IPCC碳排放缺省计算方法预测了2007至2050年河南省平稳经济增长路径下的最优经济增长率、能源消费结构和产业结构，并以此为基础，进一步预测了河南省2007至2050年在经济平稳增长路径下的能源消费与碳排放总量以及人均碳排放量。

（4）区域低碳发展水平评价研究

与国外相比，我国学者在注重对区域碳排放测算的同时，也比较注重对不同区域低碳发展水平的比较研究。

李晓燕等构建了城市低碳经济发展综合评价指标体系。

该体系主要包括经济系统、科技系统、社会系统和环境系统五个层面。

熊青青利用层次分析法，选取涉及能源、交通、科技、环境、经济和生活消费6大层面的24个具体指标构建了低碳发展水平评价指标体系。

张旺等基于DPSIR模型，从低碳化基础、能源低碳化、产业低碳化、建筑低碳化、交通低碳化、环境低碳化、碳汇能力和社会低碳化8个方面构建了城市低碳化发展指数评价指标体系，并利用线性加权法对我国36个典型城市进行了测度分析。

1.3论文主要内容与结构安排

论文主要内容包括背景和意义，论述系统开发用到的技术和开发工具，利用软件开发理论，分别详细地阐述系统的需求、系统的模块设计、系统的数据库设计、系统的实现过程和系统界面效果图。

本文的结构安排如下：

第1章：

引言，主要介绍了论文的背景、意义、目标、国内外发展现状以及论文的结构安排；

第2章：

分别从Hibernate、Struts2、Spring、Ajax、Activiti工作流、BIRT报表工具、Eclipse开发工具和Tomcat服务器等方面，对现代Web应用系统相关技术进行了概述；

第3章：

对系统参与者和工作流程进行介绍、并对系统前台功能、后台功能及非功能的需求进行汇总、提炼、分析；

第4章：

根据系统需求分析结果，阐述系统的设计原则、系统结构、技术构架、数据库设计等内容；

第5章：

通过截图和展示关键代码的方式向读者进行系统实现的展示，章尾介绍系统的测试工作，包括功能测试、性能测试、兼容性测试等；

第6章：

总结和展望，对本文进行归纳总结，并提出系统下一阶段升级目标。

2Web应用系统相关技术概述

在信息技术飞速发展的今天，由于Web应用程序具有开发速度快、部署维护方便的特点，基于Web应用的软件开发模式很快得到了广泛的应用。

早期的Web开发技术是基于Html的静态网页技术，后期Web服务端编程技术也得到了快速的发展。

大型Web应用系统的开发通常要求有一个良好的软件架构、便于协作开发和扩展升级，而传统的开发模式不能很好地满足这些要求。

MVC（ModelViewController）模式通过视图、控制器和模型将页面与逻辑代码进行分离，使得程序更加容易维护，同时框架的可扩展性与可测试性也都得到了极大提升。

本章将对碳排放管理系统所采用的相关技术进行阐述说明。

2.1Hibernate框架

Hibernate是一个开源的对象映射框架，它将JDBC（JavaDataBaseConnectivity）操作进行轻量级的封装。

它的工作原理是通过文件把值对象和数据库表之间建立起一个映射关系，这样只需要通过操作这些值对象和Hibernate提供的一些基本类，就可以达到使用数据库的目的[17]。

Hibernate的核心类和接口共有6个，分别为:

Session、SessionFactory、Transaction、Query、Criteria和Configuration。

通过这6个核心类和接口，不仅可以对持久化对象进行存取，还能够进行事务控制。

本系统选用Hibernate作为JPA（JavaPersistenceAPI）的具体实现。

使用JPA框架建立映射，把对数据库表的操作转化为面向对象的持久化Java类（PO）的操作。

PO作为Javabean的一种，除了用来当作数据库实体，还可以用来储存数据，传递数据，前台展示等等，一个简单的Javabean里一般只