基于綠色特征的生命周期評價(jià)與回溯機(jī)制研究

楊曉東 賈秀杰 李方義 紀(jì)芹芹 辛蘭蘭 孟 強(qiáng)

（山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院可持續(xù)制造中心，山東濟(jì)南 250061）

產(chǎn)品性能的70% ～80%由設(shè)計(jì)階段決定［1］，整個(gè)生命周期的環(huán)境性能很大程度取決于產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段［2］。而方案設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要階段和成功與否的關(guān)鍵，如何在方案設(shè)計(jì)中系統(tǒng)評價(jià)產(chǎn)品全生命周期的環(huán)境和資源屬性，是產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。

現(xiàn)有的LCA評價(jià)框架［3－5］大多是針對已有的產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，建立正向評價(jià)模型進(jìn)行環(huán)境影響評價(jià)，較難將評價(jià)結(jié)果與產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)信息相關(guān)聯(lián)，對方案的優(yōu)化有一定的局限性;LCA方法［6－8］主要是對既有產(chǎn)品或詳細(xì)設(shè)計(jì)后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評價(jià)或比較，進(jìn)而提出改進(jìn)意見，存在數(shù)據(jù)可靠性差、評價(jià)結(jié)果不夠直觀、缺乏專用軟件和數(shù)據(jù)庫、評價(jià)周期長等不足，無法適用于方案設(shè)計(jì)階段［9］。本文針對目前綠色設(shè)計(jì)評價(jià)方法的不足，重點(diǎn)研究在方案設(shè)計(jì)階段如何在大量不確定信息環(huán)境下的綠色設(shè)計(jì)模型，支持方案設(shè)計(jì)階段的綠色設(shè)計(jì)。為了更好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品方案的優(yōu)化，本文建立了一種回溯機(jī)制將LCA評價(jià)結(jié)果與產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息相關(guān)聯(lián)。如何從方案設(shè)計(jì)中提取各種綠色信息，進(jìn)行生命周期評價(jià)，進(jìn)而回溯和指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有重要的研究意義［10－12］。

1 綠色特征的提出

綠色設(shè)計(jì)建立在大量綠色信息綜合評價(jià)的基礎(chǔ)上，而常規(guī)設(shè)計(jì)思想在信息表達(dá)上與綠色設(shè)計(jì)的信息需求有一定的差異［13］，在兩種設(shè)計(jì)域中存在著一定的映射關(guān)系。常規(guī)設(shè)計(jì)往往考慮到功能結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)、工藝性能、運(yùn)輸性、經(jīng)濟(jì)性等，這些性能表現(xiàn)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)上，如材料選擇、設(shè)計(jì)尺寸、加工參數(shù)等［14］。而綠色設(shè)計(jì)還要考慮產(chǎn)品的環(huán)境影響性能，如產(chǎn)品的能耗、排放、噪聲、回收等性能。要進(jìn)行綠色設(shè)計(jì)首先要建立從常規(guī)設(shè)計(jì)變量到產(chǎn)品綠色屬性之間的這種映射關(guān)系，從產(chǎn)品的常規(guī)設(shè)計(jì)信息中提取綠色信息。本文提出“綠色特征”概念，對設(shè)計(jì)域內(nèi)的相關(guān)綠色信息進(jìn)行描述和集成表達(dá)。

應(yīng)用集合的理論，綠色特征（GF:Green Feature）是一組有關(guān)產(chǎn)品全生命周期內(nèi)綠色設(shè)計(jì)信息的集合，可描述為:

其中:FT代表產(chǎn)品生命周期階段，F(xiàn)T={Ti，i=1，2，…，n|原材料獲取，生產(chǎn)制造，包裝運(yùn)輸，…};FI代表產(chǎn)品各個(gè)零部件，包含相應(yīng)的設(shè)計(jì)信息，F(xiàn)I={Ij，j=1，2，…，m|零部件1，零部件2，零部件3，…};FG代表綠色特征與產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息之間的映射關(guān)系，F(xiàn)G={Gk，k=1，2，…，p|材料特征，加工特征，使用特征，…}。

綠色特征包含了3個(gè)層面的信息。首先，從時(shí)間域上看，綠色特征涵蓋了產(chǎn)品的整個(gè)生命周期過程，從原材料的采集、生產(chǎn)制造、包裝運(yùn)輸、使用維護(hù)到產(chǎn)品的報(bào)廢處理、回收再利用，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的過程;從物理域的角度看，綠色特征包含產(chǎn)品的各個(gè)部件、組件、零件;從關(guān)系域上看，綠色特征實(shí)現(xiàn)方案由常規(guī)設(shè)計(jì)域到綠色設(shè)計(jì)域的轉(zhuǎn)換。

綠色特征的定義具備以下特點(diǎn):

（1）完備性。綠色特征采用三元組合定義的方式來定位綠色設(shè)計(jì)中的信息，從時(shí)間域、物理域、環(huán)境影響域3個(gè)方面綜合考慮，涵蓋了產(chǎn)品生命周期各個(gè)過程和階段，關(guān)注構(gòu)成產(chǎn)品的每一個(gè)零部件，充分考慮了其環(huán)境影響信息，保證了綠色信息描述的完備性。

（2）高度的柔性。在綠色特征的定義中沒有強(qiáng)制規(guī)定綠色設(shè)計(jì)必須考慮的設(shè)計(jì)因素，而是通過“模板”的方式來定義設(shè)計(jì)行為，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的實(shí)際情況來確定設(shè)計(jì)活動(dòng)中考慮的因素，通過綠色特征定義任意產(chǎn)品的綠色特性，通過不同的特征組合進(jìn)行產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)。在產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)階段，包含大量的設(shè)計(jì)信息，同時(shí)有大量的信息具有不確定性，綠色特征這種完備性和高度柔性的定義符合方案設(shè)計(jì)階段大量信息不確定性的要求。

綠色特征由綠色特征屬性表征，不同的綠色特征具有不同的屬性。如材料特征具有材料類型、材料用量等屬性;加工特征具有加工能耗、加工排放等屬性。

2 綠色特征建模

綠色特征的建立基于這3個(gè)域的集合，本文以“矩陣”的形式表達(dá)各個(gè)域內(nèi)的信息，以“矩陣相乘”的形式進(jìn)行綠色特征的建立。

2．1 綠色設(shè)計(jì)矩陣的建立

綠色特征為設(shè)計(jì)信息的三元組合，其中的FT表示生命周期的各個(gè)階段，F(xiàn)I表示產(chǎn)品的各個(gè)零部件，將FT與FI相乘運(yùn)算的結(jié)果定義為綠色信息矩陣IT。IT綠色信息矩陣是廣義設(shè)計(jì)信息矩陣，它將常規(guī)的方案設(shè)計(jì)中各零部件的材料信息、制造信息、質(zhì)量信息、管理信息、使用維護(hù)信息、回收處理信息等按照生命周期各個(gè)階段以矩陣的形式表示，如式（2）所示。由于方案設(shè)計(jì)階段只是對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的總體概述，有大量不確定的信息，因此綠色信息矩陣不一定具體到每一個(gè)零部件，而是以裝置作為矩陣表達(dá)的基本單位。其中，矩陣中的每個(gè)元素表示一組設(shè)計(jì)信息，如IT11表示動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)過程中的材料設(shè)計(jì)信息，包括動(dòng)力部件內(nèi)各零件的材料型號(hào)，材料用量等設(shè)計(jì)信息。

設(shè)計(jì)信息的表達(dá)在數(shù)據(jù)內(nèi)容和格式上都具有很高的柔性，可以是某個(gè)零件的具體信息也可是某個(gè)過程的總體信息，不要求每一行每一列都是完整的信息。行向量代表常規(guī)設(shè)計(jì)中的各個(gè)子功能模塊，對應(yīng)相應(yīng)的物理模塊，物理模塊可根據(jù)方案設(shè)計(jì)的詳細(xì)程度進(jìn)一步細(xì)分到部件或零件，此時(shí)需增加相應(yīng)物理模塊的行數(shù)。列向量代表生命周期各個(gè)階段，包括材料設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、使用設(shè)計(jì)、包裝設(shè)計(jì)、物流設(shè)計(jì)、拆卸設(shè)計(jì)、報(bào)廢設(shè)計(jì)等。同樣，列向量可根據(jù)具體要求再細(xì)分到更小的生命周期階段，僅需增加相應(yīng)的列。

2．2 綠色特征映射關(guān)系分析

綠色特征與方案設(shè)計(jì)信息之間存在一定的映射關(guān)系，如圖1所示。為便于綠色特征的提取，將映射關(guān)系以廣義映射矩陣的形式表達(dá)，如式（3）所示。其中，不同列向量表示不同的綠色特征與設(shè)計(jì)信息之間的映射關(guān)系，每一列向量為相同的映射函數(shù)。

FG為映射矩陣，其列向量Fk（）代表第種綠色特征與設(shè)計(jì)信息之間的映射關(guān)系。因綠色特征是由其屬性進(jìn)行表征，所以Fk（）并不是單一的映射函數(shù)，而是許多子映射函數(shù)的集合，如下式表示:

其中，fkp（）代表第k種綠色特征的第p種屬性對應(yīng)的映射函數(shù)。例如回收特征中的產(chǎn)品回收率屬性，其映射函數(shù)可描述為:

其中:mi為產(chǎn)品中某種材料的用量;γi為該材料的回收率。

映射函數(shù)的建立是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，需要今后不斷地?cái)U(kuò)充。

2．3 產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)綠色特征的建立

本文將綠色特征定義中的3個(gè)域內(nèi)的設(shè)計(jì)信息以3個(gè)廣義矩陣表示，綠色特征的建立過程基于這3個(gè)廣義矩陣的乘法。第一步按照具體的設(shè)計(jì)流程將時(shí)間域和物理域的兩個(gè)矩陣相乘得到表示產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)信息的矩陣IT;第二步分析綠色特征與產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息之間的映射關(guān)系，建立映射矩陣FG;再將設(shè)計(jì)信息矩陣IT與映射矩陣FG廣義相乘得到綠色特征矩陣GF，如式6所示。

這里的“矩陣”和“矩陣相乘”不是數(shù)學(xué)意義上的嚴(yán)格矩陣和矩陣相乘，兩者之間有所區(qū)別。

首先，在矩陣元素的形式上，嚴(yán)格的數(shù)學(xué)矩陣中的每個(gè)元素都是數(shù)學(xué)數(shù)值。而本文用于3個(gè)域內(nèi)產(chǎn)品信息表達(dá)的矩陣中的元素是廣義的設(shè)計(jì)信息及映射準(zhǔn)則，各元素不一定是嚴(yán)格的數(shù)學(xué)數(shù)值，可以是用于模糊表述設(shè)計(jì)參數(shù)的語言，且各元素的單位不一。其次，在矩陣數(shù)據(jù)的完整性上，數(shù)學(xué)矩陣要求所有行與列的元素完整。而本文所闡述的廣義矩陣針對方案設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)變量，因?yàn)橛写罅康牟淮_定信息存在，因此允許矩陣中部分元素的缺失。再次，在矩陣乘法運(yùn)算上，本文進(jìn)行的廣義矩陣的乘法運(yùn)算除了按照矩陣乘法的規(guī)則進(jìn)行行與列的運(yùn)算外還包含了廣義的映射換算，按照實(shí)際的工程意義進(jìn)行柔性的計(jì)算方法。

綠色特征是產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息的一種表示形式，源于一般的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，是一般的設(shè)計(jì)信息按照一定的規(guī)則映射到綠色設(shè)計(jì)域內(nèi)的一種表現(xiàn)形式。

3 回溯機(jī)制研究

基于課題組前期研究［15］，本文提出基于綠色特征的生命周期評價(jià)與回溯模型，重點(diǎn)研究生命周期回溯機(jī)制及其在指導(dǎo)設(shè)計(jì)方案變更和優(yōu)化方面的應(yīng)用。

3．1 基于綠色特征的評價(jià)與回溯模型

LCA是目前公認(rèn)的評價(jià)產(chǎn)品環(huán)境性能指標(biāo)的工具，本模型的建立不脫離LCA方法。產(chǎn)品生命周期評價(jià)涉及多變量、多過程，LCA如何指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)存在一定難度。多元線性回歸方法適于分析一個(gè)因變量與多個(gè)自變量之間的關(guān)系，而正適合于方案設(shè)計(jì)中綠色信息與產(chǎn)品綠色性之間關(guān)系的確定，便于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化。基于綠色特征的回溯模型如圖2所示。

設(shè)計(jì)方案:產(chǎn)品設(shè)計(jì)的原型，內(nèi)容涉及整個(gè)生命周期，包括原材料選取、零部件加工、產(chǎn)品組裝、產(chǎn)品使用、產(chǎn)品報(bào)廢等設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)參數(shù):對產(chǎn)品環(huán)境性能有影響的設(shè)計(jì)變量，例如材料選擇、工件尺寸、工藝選擇、加工質(zhì)量要求等。綠色數(shù)據(jù):由綠色特征根據(jù)其綠色特征屬性匯總、處理而得的數(shù)據(jù)，可用于生命周期評價(jià)。綠色性:對產(chǎn)品全生命周期過程中環(huán)境性能指標(biāo)的綜合描述，包括對資源消耗、人體健康、生態(tài)環(huán)境三方面的綜合考慮。綠色性的量化可借鑒目前較為成熟的LCA評價(jià)方法進(jìn)行量化。

模型中包含的2個(gè)過程:

正向評價(jià)過程:如圖2，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行深入分析，從產(chǎn)品整體層面依次分解為裝置層、零部件層，挖掘其中設(shè)計(jì)信息，通過綠色特征與產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)之間映射關(guān)系，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案通過綠色特征進(jìn)行表達(dá)，實(shí)現(xiàn)由常規(guī)設(shè)計(jì)域到綠色設(shè)計(jì)域的轉(zhuǎn)變。將所有綠色特征進(jìn)行匯總得綠色數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)快速生命周期評價(jià)（Rapid Life Cycle Assessment，RLCA），獲得評價(jià)結(jié)果。

逆向回溯過程:基于正向評價(jià)過程獲得的數(shù)據(jù)，通過多元回歸方法，尋找綠色數(shù)據(jù)對方案綠色性的影響趨勢，確定重要的綠色數(shù)據(jù);找出對應(yīng)的綠色特征屬性，并基于綠色特征與設(shè)計(jì)信息之間的映射關(guān)系確定密切相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)，采取相應(yīng)技術(shù)手段優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，從設(shè)計(jì)層面上指導(dǎo)產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高方案綠色性。

該模型旨在對產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，而非詳盡準(zhǔn)確的評價(jià)產(chǎn)品的環(huán)境性能?；诰G色特征的快速生命周期評價(jià)過程中，需要忽略對產(chǎn)品綠色性影響不大的信息，所以，經(jīng)該模型做出的評價(jià)結(jié)果與實(shí)際值相比有一定的偏差，但可以大大縮短評價(jià)周期，快速對產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案做出優(yōu)化。

目前，LCA評價(jià)方法的研究較多，本文重點(diǎn)介紹逆向回溯過程，限于篇幅正向評價(jià)過程將不再詳述。

3．2 回溯機(jī)制

綠色數(shù)據(jù)與產(chǎn)品綠色性指標(biāo)之間存在一定的關(guān)系。為對產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案做出快速而有效的優(yōu)化，需要快速找出對產(chǎn)品綠色性影響重大的綠色數(shù)據(jù)。本文將綠色數(shù)據(jù)作為自變量，產(chǎn)品綠色性作為因變量，采用多元回歸方法［16］快速預(yù)測綠色信息對產(chǎn)品綠色性的影響趨勢，確定重要綠色數(shù)據(jù)，如式（7）所示。

式中:Y為RLCA評價(jià)結(jié)果，由模型正向評價(jià)過程求得;X為綠色數(shù)據(jù);β為偏回歸系數(shù);ε為隨機(jī)誤差，相互獨(dú)立且服從正態(tài)分布N（0，σ2）。

多元回歸方程的求解需要多組樣本數(shù)據(jù)的支持。產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)信息往往具有不確定性，存在一定的波動(dòng)范圍，致使綠色信息也具有一定的波動(dòng)范圍。從綠色設(shè)計(jì)信息的波動(dòng)范圍內(nèi)隨機(jī)選取、組合用于多元回歸的分析數(shù)據(jù)。

以材料消耗為例，假設(shè)方案設(shè)計(jì)過程中，其設(shè)計(jì)用量為X，其波動(dòng)范圍為±α，建立樣本數(shù)據(jù)模擬計(jì)算式［17］，如式（8）所示:

剔除不允許變更的綠色設(shè)計(jì)信息，對剩下的綠色數(shù)據(jù)經(jīng)過n次模擬運(yùn)算，產(chǎn)生n組樣本數(shù)據(jù)建立多元回歸方程進(jìn)行回歸分析。

求解多元回歸方程，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，求解標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù):

式中:Sxk和Sy分別為樣本變量y和xk的標(biāo)準(zhǔn)差;和βk分別為第k個(gè)自變量的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)與非標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)。

由綠色特征的構(gòu)建過程可知，通過映射子函數(shù)f（）可確定綠色特征屬性與對應(yīng)設(shè)計(jì)信息之間的關(guān)系。當(dāng)關(guān)鍵綠色數(shù)據(jù)確定后，可追溯到相關(guān)的綠色特征屬性，由映射函數(shù)迅速找到相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)集，完成回溯。例如，若能耗為影響產(chǎn)品綠色性的重要綠色數(shù)據(jù)，則產(chǎn)品各綠色特征中有關(guān)能耗的屬性可迅速確定，然后根據(jù)各屬性的映射函數(shù)依次確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)信息。

綜合考慮產(chǎn)品物理性能、性價(jià)比、技術(shù)要求等，對設(shè)計(jì)參數(shù)集進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品綠色性能的提升。

4 結(jié)語

在分析綠色設(shè)計(jì)過程內(nèi)涵的基礎(chǔ)上提出了綠色特征的概念，并在此基礎(chǔ)上建立了生命周期評價(jià)方法與回溯機(jī)制。基于綠色特征三元組合的定義，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案由常規(guī)設(shè)計(jì)域到綠色設(shè)計(jì)域的過渡，由方案設(shè)計(jì)信息快速獲得綠色設(shè)計(jì)信息，匯總得到綠色數(shù)據(jù)快速完成生命周期評價(jià);基于評價(jià)結(jié)果，通過回溯機(jī)制，確定方案優(yōu)化的重要設(shè)計(jì)信息，指導(dǎo)產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)的變更優(yōu)化。其中關(guān)鍵綠色數(shù)據(jù)的確定也可采用其它的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，映射函數(shù)需要在今后不斷積累。

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