摘要：装配式建筑施工现场的碳排放监测与优化是实现绿色建筑和低碳城市的重要环节。本文提出了一种基于CPS（传感器-控制-执行器）的装配式建筑施工现场碳排放实时监测与多目标优化方法。通过构建CPS系统，实现施工现场碳排放的实时监测、数据分析和多目标优化。本文主要研究内容包括：CPS系统设计、碳排放监测方法、多目标优化算法和系统应用。通过实际应用案例分析，证明了所提方法的有效性和可行性。

关键词：CPS；实时监测；碳排放；多目标优化

引言：

装配式建筑施工现场的碳排放监测与优化是实现绿色建筑和低碳城市的重要环节。装配式建筑具有高效、环保、节能等优点，但施工现场的碳排放问题仍然较为严重。为降低碳排放，需要对施工现场的碳排放进行实时监测和优化。近年来，随着传感器、控制和执行器技术的发展，CPS系统在工程领域得到了广泛应用。本文提出了一种基于CPS的装配式建筑施工现场碳排放实时监测与多目标优化方法，旨在提高施工现场的碳排放管理水平和实现绿色施工。

1 CPS系统设计

CPS系统（传感器-控制-执行器）主要包括三个部分：传感器层、控制层和执行器层。 传感器层是整个系统的核心部分，主要包括二氧化碳传感器、温度传感器和湿度传感器等，用于实时监测施工现场的碳排放、温度和湿度等环境参数。这些传感器具有高精度、高灵敏度和抗干扰能力强等特点，可以准确地捕捉施工现场的实时环境变化，为后续的数据分析和优化提供可靠的数据支持。

控制层是整个系统的处理和决策中心，主要包括数据采集模块、数据处理模块和优化算法模块。数据采集模块负责实时收集来自传感器层的各种环境参数数据，例如二氧化碳浓度、温度和湿度等[1]。数据处理模块负责对采集到的数据进行预处理，如数据清洗、归一化和特征提取等，以便于后续的优化计算。优化算法模块是整个系统的核心部分，负责根据预处理后的数据，进行多目标优化计算，例如碳排放减少、温度控制和湿度调节等。

执行器层主要包括通风设备、空调设备和照明设备等，用于根据优化结果调整设备运行状态，实现碳排放的优化。例如，在碳排放减少的目标下，优化算法模块可能会建议降低通风设备的运行速度，以减少能源消耗；在温度控制的目标下，优化算法模块可能会建议提高空调设备的制冷效果，以保持施工现场的温度在适宜范围内；在湿度调节的目标下，优化算法模块可能会建议增加照明设备的数量，以提高施工现场的湿度水平。

为了更直观地说明CPS系统的运行原理，我们以一个具体的示例进行说明。假设在一个装配式建筑施工现场，通过部署CPS系统，实时监测施工现场的碳排放、温度和湿度等环境参数。某时刻，传感器层监测到施工现场的二氧化碳浓度为300  ppm，温度为35°C，湿度为60%。数据处理模块将这三个参数进行预处理，如数据清洗、归一化和特征提取等，得到相应的处理后的数据。优化算法模块根据处理后的数据，进行多目标优化计算。在碳排放减少的目标下，优化算法模块可能会建议降低通风设备的运行速度，以减少能源消耗；在温度控制的目标下，优化算法模块可能会建议提高空调设备的制冷效果，以保持施工现场的温度在适宜范围内；在湿度调节的目标下，优化算法模块可能会建议增加照明设备的数量，以提高施工现场的湿度水平。

2 碳排放监测方法

本文采用基于SGP30芯片的二氧化碳传感器对施工现场的碳排放进行实时监测。SGP30芯片是一款广泛应用于智能家居、家电和物联网应用的数字多气体传感器，具有高精度、高灵敏度和抗干扰能力强等特点。它可以实现对二氧化碳浓度的精确测量，为后续的数据分析和优化提供可靠的数据支持[2]。在实际应用中，通过数据采集模块，将实时监测到的二氧化碳浓度等环境参数传输至数据处理模块。数据采集模块采用无线通信技术，确保了数据传输的实时性和准确性。

3 多目标优化算法

本文提出了一种基于遗传算法的多目标优化算法，用于实现施工现场碳排放的多目标优化。遗传算法是一种模拟自然界生物进化过程的优化算法，具有全局搜索能力和较强适应性。在多目标优化问题中，遗传算法可以有效地寻找全局最优解，同时保证解的多样性。通过将碳排放、温度和湿度等环境参数作为优化变量，建立多目标优化模型，并采用遗传算法进行求解，实现施工现场碳排放的优化。

为了更直观地说明多目标优化算法，我们以一个具体的示例进行说明。假设在某装配式建筑施工现场，通过部署CPS系统，实时监测施工现场的碳排放、温度和湿度等环境参数。在某时刻，传感器监测到施工现场的二氧化碳浓度为300  ppm，温度为35°C，湿度为60%。我们需要通过多目标优化算法，实现碳排放、温度和湿度的优化。首先，将碳排放、温度和湿度等环境参数作为优化变量，建立多目标优化模型。然后，采用遗传算法进行求解，寻找满足约束条件的最优解。在求解过程中，遗传算法通过适应度函数评价每个解的优劣，并根据评价结果进行种群更新、选择和交叉操作。经过多代搜索，遗传算法最终找到满足约束条件的最优解，实现施工现场碳排放、温度和湿度的优化[3]。通过实际应用案例分析，证明了所提方法的有效性和可行性。在某装配式建筑施工现场，通过部署CPS系统，实现了施工现场碳排放的实时监测和多目标优化。

4 系统应用及案例分析

为了验证所提方法的有效性和可行性，我们选择了一个实际的装配式建筑施工现场进行案例分析。该施工现场位于市区，面积约为10，000平方米，主要包括混凝土搅拌站、材料堆放区、施工作业区等。在这个案例中，我们通过部署CPS系统，实现了施工现场碳排放的实时监测和多目标优化。

首先，在施工现场部署传感器层，这些传感器通过无线网络与控制层相连，实时监测施工现场的碳排放、温度和湿度等环境参数。同时，在施工现场部署执行器层，包括通风设备、空调设备和照明设备等。这些设备通过有线网络与控制层相连，用于根据优化结果调整设备运行状态，实现碳排放的优化。

在实际应用过程中，CPS系统根据控制层的优化算法计算，调整通风设备、空调设备和照明设备的运行状态，实现了碳排放的显著降低。例如，在某个工作日的中午，传感器层监测到施工现场的二氧化碳浓度为350  ppm，温度为36°C，湿度为65%。优化算法模块根据处理后的数据，建议降低通风设备的运行速度，提高空调设备的制冷效果，并增加照明设备的数量。执行器层根据优化结果，调整设备的运行状态。经过一段时间的运行，CPS系统将施工现场的二氧化碳浓度降低到300  ppm以下，温度控制在35°C以下，湿度调节到60%左右。这样既实现了碳排放的降低，又为施工现场提供了舒适的工作环境。

5 结束语

本文提出了一种基于CPS的装配式建筑施工现场碳排放实时监测与多目标优化方法，通过构建CPS系统，实现施工现场碳排放的实时监测、数据分析和多目标优化。在实际应用案例中，我们通过部署CPS系统，为施工现场提供了舒适的工作环境。此外，CPS系统还可以实时监测环境参数，为施工现场提供其他方面的优化建议，有助于提高施工现场的管理水平和工程质量。总之，实际应用案例分析表明，所提方法具有显著的降低碳排放效果和实用性。

参考文献

[1]张舒涵，陈晖，王彬，等.基于水泥企业电-碳关系的碳排放监测[J].中国环境科学， 2023， 43（7）：3787-3795.

[2]刘科，杨兴森，王太，等.基于实时监测的燃煤机组碳排放特性研究[J].热力发电， 2022， 51（10）：7.

[3]刘香香，孙凤.基于蚁群算法的装配式建筑施工工序多目标优化模型[J].土木工程与管理学报， 2021， 38（3）：6.

课题来源：大学生创新训练计划项目“碳合融E——碳排放实时监测的先锋者”项目编号：S202310262047