概述
在資源緊張、溫室效應(yīng)日趨嚴重的今天，能源與環(huán)境一直以來都是人們目光關(guān)注的焦點，也是全世界共同面臨的有史以來最嚴峻的科技與社會挑戰(zhàn)。各國政府，包括發(fā)達國家和發(fā)展中國家都紛紛出臺了相應(yīng)法規(guī)和節(jié)能減排的約束性指標，各大主流媒體和廠商也大大提高了對“綠色”的強調(diào)力度——這些越來越多的關(guān)注帶來了新的課題和需求。為了滿足這些新出現(xiàn)的需求，工程師們需要‘量化問題’，并進而‘解決問題’，綠色工程正是通過創(chuàng)新的圖形化開發(fā)平臺，為工程師們提供了測量、自動化以及設(shè)計工具，從而構(gòu)建節(jié)約能源、保護環(huán)境的綠色應(yīng)用。
1983年以來我國能源加工轉(zhuǎn)換效率一直徘徊在70％左右，導(dǎo)致能源消耗高、環(huán)境污染重。國家“十一五”規(guī)劃提出了節(jié)能降耗和污染減排目標，并作為約束性指標。綠色工程的目的就是降低產(chǎn)品的排污量，開發(fā)消耗更少能源的設(shè)備，創(chuàng)造可行的再生能源技術(shù)。
本質(zhì)上進行綠色工程與進行任何其他類型的工程創(chuàng)新并沒有任何不同。首先，需要測量所關(guān)心的參數(shù)，例如功率品質(zhì)和功率消耗；車輛以及工廠的排污量，例如水銀和氮氧化物等；環(huán)境數(shù)據(jù)，包括二氧化碳、溫度以及水質(zhì)。這不僅是一個數(shù)據(jù)獲取和過程分析的過程，也是促使人們改變行為方式的契機。
“我們發(fā)現(xiàn)對于能源和溫室氣體, 一旦你開始測量具體的數(shù)據(jù)，人們就會減少使用,” “測量不僅僅是簡單的任務(wù), 一旦公司有一個合適的基準，他們就會開始考慮改變(使用能源的方式)”
- Linda Fisher, the chief sustainability officer at DuPont
- Excerpt from “A Change in Climate”, published in the January 2008 issue of the Economist
通過‘量化問題’的過程，工程師們可以從數(shù)萬個可靠測量系統(tǒng)獲取前所未有的大量可靠精確數(shù)據(jù)，從而在此基礎(chǔ)上對產(chǎn)品和過程進行改進，創(chuàng)建更高效的技術(shù)與流程，設(shè)計并開發(fā)下一代產(chǎn)品和技術(shù)以‘解決問題’，最終獲得環(huán)境以及經(jīng)濟上的利益。
來看一個更為具體的例子。世界最大的鋼鐵公司之一、美國最大的鋼鐵回收公司Nucor Steel在新近收購的小型鋼鐵廠增加了自動化系統(tǒng)，以便提高效率和安全性。工程師使用LabVIEW圖形化開發(fā)軟件和NI硬件開發(fā)了天平與稱重系統(tǒng)，測量鋼鐵的精確重量，以得出電力加熱爐鑄鐵所需能量的精確值。在開發(fā)此系統(tǒng)之前，鋼鐵在每個熔爐的重量是估計得到的，時常產(chǎn)生偏差導(dǎo)致過度加熱鋼鐵，不僅在過程中浪費了電力，還導(dǎo)致新鑄鋼鐵質(zhì)量不合格，且不合格鋼鐵的重鑄還需要消耗大量能量、花費大量資金。這是一個典型的‘量化問題’‘解決問題’的綠色案例，借助此稱重系統(tǒng)，Nucor將需要重鑄鋼材總批次數(shù)從6000多(2006年)減少到僅10個批次(2007年)。不僅極大的降低了電力消耗從而節(jié)約生產(chǎn)成本，也為環(huán)境治理做出了不小的貢獻。
綠色工程技術(shù)
幾十年以來，科學(xué)家和工程師一直為世界上一些共同的挑戰(zhàn)而不斷創(chuàng)新，尋求可能的解決方案?；仡櫧?0年來的發(fā)展，如圖1所示，在很多深受關(guān)注的領(lǐng)域都取得了巨大的突破和進展，2004年開始越來越多的學(xué)者們把注意力放在了和環(huán)境相關(guān)的課題上，包括開發(fā)新的清潔能源利用方式、提高現(xiàn)有產(chǎn)品的能源效率、以及環(huán)境和氣候變化的研究。
這些綠色工程相關(guān)的課題所需要的技術(shù)及其廣泛，從測試測量、工業(yè)自動化控制到嵌入式系統(tǒng)。比如前文提到的Nucor Steel綠色案例就涉及到如下一些重要技術(shù)：
上述技術(shù)中的一部分是隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)的——半導(dǎo)體的發(fā)展為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的功能帶來了重大改進，相應(yīng)的也為高速及高分辨率測量技術(shù)帶來了新的發(fā)展。其他的一些技術(shù)已經(jīng)存在了一段時間，但是通過對設(shè)計和工程工具進行改進，領(lǐng)域?qū)＜乙材軌虮容^方便的直接使用這些技術(shù)，而無需依賴于相應(yīng)的技術(shù)人員。這種方式將必須的技術(shù)直接交給了最接近問題本身的人們，因此相比過去，他們能夠更成功地開發(fā)各種解決方案。
通過NI圖形化平臺構(gòu)建綠色應(yīng)用及客戶案例分析
綠色工程的應(yīng)用涵蓋幾乎各個行業(yè)，盡管對這些綠色工程的應(yīng)用有許多分類方法，大部分應(yīng)用可以歸入以下五個類別：
1、可再生能源發(fā)電
2、功率品質(zhì)
3、環(huán)境監(jiān)測
4、機器與過程優(yōu)化
5、綠色產(chǎn)品與技術(shù)的開發(fā)和測試
下面的例子展示了綠色工程在可再生能源發(fā)電以及環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用。
可再生能源發(fā)電
可再生能源發(fā)電涵蓋了很多方面技術(shù)，包括風(fēng)能、太陽能（光伏發(fā)電與熱能發(fā)電）、生物燃料、水能、潮汐能、地?zé)嵘踔吝€包括高能物理。在環(huán)境適應(yīng)目標和不斷加強的政府法規(guī)的驅(qū)使下，這些領(lǐng)域的研究和開發(fā)在全世界發(fā)展地很快?，F(xiàn)在，超過50個不同政治、地理和經(jīng)濟條件的國家都在可再生資源進行發(fā)電中設(shè)置了較高的目標（見表1）。
表1 政府為可再生能源所設(shè)置的目標
風(fēng)力發(fā)電以40%的比率，在全球可再生能源（不包括大型水電）的利用中高居榜首。此外，根據(jù)預(yù)期：風(fēng)力發(fā)電機的裝機容量將繼續(xù)以每年25%至30%的速率遞增。2007年，風(fēng)力發(fā)電總瓦數(shù)已逾90 GW。風(fēng)電機組的各項開發(fā)和工程應(yīng)用十分復(fù)雜，涉及結(jié)構(gòu)分析、機器狀態(tài)監(jiān)控、電能質(zhì)量與性能監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控與現(xiàn)場測試、汽輪機控制、測功機和性能測試等各個領(lǐng)域。其中最大的挑戰(zhàn)之一是開發(fā)精確的控制系統(tǒng)降低強風(fēng)對風(fēng)電機產(chǎn)生的破壞。工程師必須利用復(fù)雜的算法控制來控制風(fēng)電機, 當風(fēng)速小于額定風(fēng)速時,能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)風(fēng)能的最佳利用, 當風(fēng)速在大于額定風(fēng)速時, 能通過調(diào)節(jié)葉片的漿距角來使系統(tǒng)維持在恒定的轉(zhuǎn)速。NI LabVIEW實時軟件以及PXI硬件是對這些算法進行原型開發(fā)、測試其可靠性以及驗證其性能的關(guān)鍵組件。此外，為了滿足更大發(fā)電量的需求，需要安裝更大尺寸高達350英尺的葉片, 風(fēng)電工程師必須根據(jù)結(jié)構(gòu)和空氣動力學(xué)對葉片進行更為復(fù)雜的設(shè)計。
太陽能制造商希望降低太陽能電池的材料成本并且提高其工作效率。他們需要更簡單、更快捷的方法對設(shè)備光伏輸出性能進行測試，對半導(dǎo)體封裝過程進行細致和精確的控制，以及對太陽能電池陣列并網(wǎng)進行精確的功率品質(zhì)測量。
風(fēng)能和太陽能應(yīng)用的要求雖然并不能代表所有應(yīng)用的需求，但是它們能夠大致反應(yīng)出所有開發(fā)可再生能源應(yīng)用的工程師為了尋求測量和設(shè)計下一代技術(shù)更好方法的需求。
環(huán)境監(jiān)測
聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）2007年的評估報告聲明隨著全球氣溫與海洋溫度的上升趨勢，大面積冰雪的熔化擴散以及海洋水位的上升等證據(jù)的出現(xiàn)，全球變暖是十分明顯的。通常認為在氣候變暖中的一個主要因素是大氣中溫室氣體的增加。
控制和降低溫室氣體排放的措施在不斷實施中。1997年，京都協(xié)定書指定了在2012年之前將溫室氣體（GHG）排放減少到低于1990年水準的藍圖。
精確跟蹤并監(jiān)督GHG的實際排放是京都協(xié)定書的核心，如果不可能直接測量實際GHG排放，使用基于活動的功率消耗來替代測量和計算也是很有效的方法。不管在哪種情況中，實測數(shù)據(jù)的可用性和可靠性都隨著越來越多制度的實施和經(jīng)濟影響的產(chǎn)生而變得越來越重要。
圖2：二氧化碳、甲烷、一氧化二碳是京都協(xié)定書中六種溫室氣體的三種，并且被IPCC確認為需要控制和減少的對象氣體
理解氣候和碳
隨著政府和工業(yè)界在努力減少GHG的排放，科學(xué)界也在不斷努力以求更完全地理解世界氣候、碳交換機理、生態(tài)互動以及全球變暖的影響，并對它們進行建模。像這些復(fù)雜、混沌的系統(tǒng)需要十分精細的模型和仿真、大量超級計算機資源以及盡可能精確的基準數(shù)據(jù)。
舉例而言，嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳感中心（CENS）的研究員正在使用NI CompactRIO硬件平臺研究多種生態(tài)系統(tǒng)中碳的動態(tài)交換過程。CO2的特性之一是它會增強溫室效應(yīng)，因為它能夠吸收紅外（IR）區(qū)域的光線。這種特性可以利用在包含紅外光源、光學(xué)濾波器和紅外探測器的光譜傳感器上。將濾波器調(diào)節(jié)到被CO2所吸收的紅外線波長，紅外探測器輸出就與CO2濃度成比例。研究員能夠方便地將這個傳感器的模擬輸出連接到例如CompactRIO等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電壓輸入或4至20 mA電流輸入。此外，許多如CO2探測器等環(huán)境傳感器具有SDI-12串行數(shù)據(jù)接口，利用這個接口可以把傳感器通過一個簡易適配器連接到CompactRIO上。將CO2濃度的數(shù)據(jù)與氣體流速的測量結(jié)果結(jié)合在一起，研究員就可以計算在森林頂蓋之間與其上方實際CO2的流量。其他CompactRIO系統(tǒng)測量在土壤表面下多個位置的CO2濃度和濕度，以便找出CO2的源頭。CompactRIO系統(tǒng)的分組使用了無線網(wǎng)絡(luò)，從而可以同時采集并記錄來自多個采樣點的數(shù)據(jù)，對正在研究的區(qū)域進行特征提取，將數(shù)據(jù)通過蜂窩(cell)節(jié)點或無線鏈路周期性地傳送到中心在線數(shù)據(jù)庫（見圖3）。
圖3：在哥斯達黎加的熱帶雨林中，CENS研究員使用CompactRIO和無線網(wǎng)絡(luò)同步采集并記錄來自多個采樣點的數(shù)據(jù)，并計算碳交換
CompactRIO監(jiān)測系統(tǒng)是作為原型系統(tǒng)所開發(fā)的，用于美國國家生態(tài)觀測站網(wǎng)絡(luò)（NEON），它是由美國國家自然基金會（NSF）所支持的洲際研究平臺。橫跨大洲的NEON工作站將會使用此系統(tǒng)測量在森林、土壤、大氣之間的CO2以及其他氣體的交換，以及植物、土壤、水體的物理、化學(xué)和微生物特性。數(shù)據(jù)將傳送到中央處理中心，并且與世界其他地區(qū)的科學(xué)家進行共享。目前，CompactRIO監(jiān)測系統(tǒng)正在哥斯達黎加的La Selva生物站持續(xù)工作， CompactRIO系統(tǒng)還被發(fā)布在加州的James San Jacinto和Stunt Ranch Santa Monica山脈保護站中。
總結(jié)
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