基于LCA和TRIZ的產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計方法研究

趙志強(qiáng)， 韓雪飛， 陳世杰， 劉志峰

（1.浙江省標(biāo)準(zhǔn)化研究院，浙江 杭州 310006；2.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

歐盟EUP（Energy－using Products，簡稱EUP）指令旨在限制用能產(chǎn)品在整個生命周期內(nèi)的資源、能量消耗以及對環(huán)境的影響，這也對產(chǎn)品設(shè)計方法提出了更高要求，在產(chǎn)品設(shè)計過程中應(yīng)該考慮其從原材料獲取到用后處理整個生命周期的生態(tài)、環(huán)保要求。

發(fā)現(xiàn)問題解決理論TRIZ（Theory of the So－lution of Inventive Problems，簡稱TRIZ）作為一種創(chuàng)新的工具，常被應(yīng)用于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中?，F(xiàn)代設(shè)計中，為方便產(chǎn)品設(shè)計，常將TRIZ與其他理論相結(jié)合，如TRIZ與基于案例的推理技術(shù)CBR（Case－based Reasoning，簡 稱 CBR）［1］、TRIZ 與質(zhì)量功能展開法QFD（Quality Function Deployment，簡稱 QFD）［2－3］等，形成新的方法，解決產(chǎn)品概念設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計及生態(tài)設(shè)計等問題。但上述方法在應(yīng)對EUP指令方面都存在一定的不足。例如，這些方法雖然可以在產(chǎn)品材料的選擇上盡量減少使用有毒有害物質(zhì)，但對產(chǎn)品所用材料在生產(chǎn)階段有毒有害物質(zhì)的排放缺乏考慮。

本文提出了生命周期評價（Life Cycle Assessment，簡稱LCA）與TRIZ理論中的技術(shù)矛盾和創(chuàng)新原理相結(jié)合的產(chǎn)品設(shè)計方法，在產(chǎn)品設(shè)計時，根據(jù)已有類似產(chǎn)品的數(shù)據(jù)清單對產(chǎn)品的生命周期預(yù)評價，有效地解決產(chǎn)品設(shè)計階段無法考慮產(chǎn)品整個生命周期的生態(tài)特性問題。

1 LCA與TRIZ的基本原理

1.1 LCA及其在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用

LCA即對一個產(chǎn)品系統(tǒng)的生命周期中所有輸入、輸出以及潛在的環(huán)境影響進(jìn)行評價。LCA主要分為以下4個步驟：① 在進(jìn)行LCA之前，明確表述評價的目標(biāo)和范圍；② 定性地描述系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)流和能量流；③ 對清單分析過程中列出的要素進(jìn)行環(huán)境影響定性和定量分析；④ 將清單分析和影響評價的結(jié)果相結(jié)合，并與所確定的目標(biāo)和范圍相一致，以便于得出評價結(jié)論。

現(xiàn)階段LCA在產(chǎn)品設(shè)計時，主要完成2項工作：① 對已經(jīng)完成初步設(shè)計的產(chǎn)品進(jìn)行評價，確定其是否滿足生態(tài)設(shè)計要求；② 針對已有產(chǎn)品進(jìn)行評價，找出對環(huán)境影響較嚴(yán)重的產(chǎn)品特性或生產(chǎn)工藝特性，為產(chǎn)品改進(jìn)提供依據(jù)。

1.2 TRIZ理論與技術(shù)矛盾和創(chuàng)新原理

技術(shù)矛盾是指當(dāng)技術(shù)系統(tǒng)的某一個特性或參數(shù)得到改善的同時，導(dǎo)致另一個特性或參數(shù)發(fā)生惡化而產(chǎn)生的矛盾。TRIZ理論將導(dǎo)致技術(shù)矛盾的因素總結(jié)成39個通用工程參數(shù)，建立了矛盾矩陣表，提供了40個解決技術(shù)矛盾的創(chuàng)新原理。把實際問題轉(zhuǎn)化為技術(shù)矛盾之后，利用矛盾矩陣，可以得到推薦的解決所定義的技術(shù)矛盾的創(chuàng)新原理。以這些創(chuàng)新原理作為依據(jù)，將總結(jié)歸納的類似問題的類似的標(biāo)準(zhǔn)解決方法應(yīng)用到實際問題之中，就容易找到針對實際問題的一些可行方案［4－6］。

綜合產(chǎn)品生命周期評價方法與TRIZ技術(shù)矛盾和創(chuàng)新原理應(yīng)用過程，可擬定兩者結(jié)合的產(chǎn)品設(shè)計流程，如圖1所示。

圖1 基于LCA＆TRIZ的產(chǎn)品設(shè)計流程

2 基于LCA＆TRIZ的產(chǎn)品設(shè)計方法

2.1 設(shè)計方法

（1）分析設(shè)計問題，確定產(chǎn)品的功能要求，并結(jié)合設(shè)計問題確定生命周期評價的目標(biāo)。在產(chǎn)品設(shè)計中，LCA的目標(biāo)一般是在滿足產(chǎn)品功能要求的前提下，所設(shè)計的產(chǎn)品是否滿足生態(tài)設(shè)計要求，如碳排放量及有毒氣體排放量等。

該過程中，若產(chǎn)品功能要求不止1項時，可以根據(jù)基準(zhǔn)產(chǎn)品的LCA評價結(jié)果來確定各項功能的生命周期影響指數(shù)，并以此對設(shè)計問題進(jìn)行描述，即

其中，ai為第i項功能的生命周期影響指數(shù)；fi為第i項功能指數(shù)；Wi為滿足第i項功能而造成的環(huán)境影響指數(shù)；Fi為第i項功能；ni為第i項功能的權(quán)重系數(shù)。

確定ai值之后，可根據(jù)其值由大到小的順序排序，應(yīng)用TRIZ理論解決設(shè)計問題時，應(yīng)優(yōu)先考慮功能生命周期影響指數(shù)較大的項。

（2）將產(chǎn)品設(shè)計問題抽象為一般問題描述，并將產(chǎn)品屬性與LCA目標(biāo)相結(jié)合，轉(zhuǎn)換為TRIZ工程參數(shù)。即在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時，轉(zhuǎn)換得到的TRIZ工程參數(shù)不但需要對產(chǎn)品的功能要求進(jìn)行描述，還要考慮環(huán)保、能耗等方面的要求。與傳統(tǒng)基于TRIZ的設(shè)計相比，在擬定需改善參數(shù)時，該設(shè)計方法必須增加需改善參數(shù)的數(shù)量。例如，為滿足生態(tài)設(shè)計要求，產(chǎn)品工作狀態(tài)消耗的能量應(yīng)盡可能減??；產(chǎn)品設(shè)計時需盡可能減小其做無用功消耗的能量；注意產(chǎn)品生產(chǎn)、使用過程中造成的碳、有毒有害物質(zhì)排放等。

（3）根據(jù)TRIZ工程參數(shù)查阿奇舒勒技術(shù)矛盾矩陣表，獲得TRIZ創(chuàng)新原理，并根據(jù)創(chuàng)新原理完成產(chǎn)品初步設(shè)計。設(shè)計結(jié)果應(yīng)保證正反2個方面的功能之比減小，即

其中，∑UFB為設(shè)計前有用功能之和；∑HFB為設(shè)計前有害功能之和；∑UFF為設(shè)計后有用功能之和；∑HFF為設(shè)計后有害功能之和。

（4）結(jié)合設(shè)計結(jié)果，確定LCA范圍。由于產(chǎn)品仍處于設(shè)計階段，無法收集整個生命周期的數(shù)據(jù)，生命周期評價范圍只能通過已有產(chǎn)品數(shù)據(jù)清單、生命周期評價數(shù)據(jù)庫等已有信息確定。

（5）根據(jù)生命周期評價的目標(biāo)和范圍，將已有產(chǎn)品的數(shù)據(jù)清單、生命周期評價數(shù)據(jù)庫等已有信息進(jìn)行篩選，找出與產(chǎn)品的相關(guān)信息，包括類似結(jié)構(gòu)、部件原材料、生產(chǎn)加工信息、類似產(chǎn)品的裝配、包裝、運輸、使用及回收再利用的信息等，通過這些信息建立完整的產(chǎn)品生命周期模型。

（6）利用生命周期評價方法對產(chǎn)品生命周期模型進(jìn)行分析。

（7）對分析結(jié)果進(jìn)行評價，推斷出分析結(jié)果是否符合生態(tài)設(shè)計的要求。若符合要求則設(shè)計過程結(jié)束，否則需根據(jù)評價結(jié)果重復(fù)上述過程，對產(chǎn)品進(jìn)行重新設(shè)計。

2.2 數(shù)據(jù)收集方法

為保證該方法的順利進(jìn)行，產(chǎn)品的相關(guān)信息收集環(huán)節(jié)在整個設(shè)計過程中占有非常重要的地位。生命周期評價數(shù)據(jù)庫中提供了各種材料的環(huán)境影響特性等數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)的收集，如零件加工過程中的耗能及對環(huán)境的影響等數(shù)據(jù)，需要設(shè)計者完成。收集方法如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)收集流程

如果無法找到合適的數(shù)據(jù)，可以采用一些適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償，具體方法包括代替法和權(quán)重法。代替法包括邏輯代替、演繹推理代替、平均值代替、隨機(jī)值代替及回歸分析代替；權(quán)重法是指為補(bǔ)償未響應(yīng)的單元，通過建立權(quán)重來充實響應(yīng)單元。

3 實例分析

汽車空調(diào)蒸發(fā)器的主要功能是利用液態(tài)低溫制冷劑在低壓下容易蒸發(fā)吸熱這一特點實現(xiàn)制冷，要提高其制冷效果，必須增加制冷劑在蒸發(fā)器中的流經(jīng)路徑的長度。利用TRIZ理論分析可知，該結(jié)構(gòu)存在的技術(shù)矛盾可解釋為蒸發(fā)器的尺寸與其制冷能力之間的矛盾。

根據(jù)TRIZ的39個工程參數(shù)，將此矛盾抽象為一般問題描述。

（1）確定需要改善的參數(shù)。參數(shù)15：運動物體作用時間，即運動物體具備其性能或完成作用的時間；參數(shù)19：靜止物體的能量消耗；參數(shù)22：能量損失；參數(shù)27：可靠性，是指物體或系統(tǒng)在規(guī)定的方法和狀態(tài)下完成指定功能的能力；參數(shù)31：物體產(chǎn)生的有害因素。

（2）引起惡化的參數(shù)。參數(shù)4：靜止物體的長度，即靜止物體的任意線性尺寸；參數(shù)12：即一個物體的輪廓或外觀。

確定了描述技術(shù)矛盾的工程參數(shù)后，通過阿奇舒勒技術(shù)矛盾矩陣，可查找出解決相應(yīng)問題的發(fā)明原理。得到的發(fā)明原理是帶有普遍性的一般解，但不一定全部適用于蒸發(fā)器的設(shè)計。通過分析篩選，得到可用的發(fā)明原理，即增加不對稱性原理和曲面化原理。

在層疊式結(jié)構(gòu)中，制冷劑與蒸發(fā)器接觸的曲面較大，不對稱性較強(qiáng)，滿足不對稱性原理和曲面化原理的要求。在對環(huán)境因素要求不高的設(shè)計中，層疊式結(jié)構(gòu)通常采用全鋁式材質(zhì)制作而成。但是，通過對蒸發(fā)器的設(shè)計結(jié)果進(jìn)行生態(tài)周期評價，可以發(fā)現(xiàn)不同材料的環(huán)境影響評價結(jié)果存在較大差異，如圖3所示［7－8］。

圖3 GaBi軟件對同質(zhì)量（1kg）材料的環(huán)境影響評價

由于蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)材料只能為金屬或合金，對采用銅、鋁、鋼3種不同材料的蒸發(fā)器進(jìn)行LCA評價，分析結(jié)果見表1所列（樣品質(zhì)量為1kg）。

表1 蒸發(fā)器可用3種金屬材料環(huán)境影響值比較

從表1可看出，初步設(shè)計方案中的全鋁式對環(huán)境影響較大，在滿足設(shè)計要求的情況下，采用鋼材料可以使該設(shè)計能更好地滿足生態(tài)設(shè)計要求。經(jīng)驗證，鋼式的層疊式結(jié)構(gòu)也滿足提高蒸發(fā)器制冷效果的要求，因此，最終設(shè)計方案為鋼式的層疊式結(jié)構(gòu)。

本實例旨在說明，單純使用TRIZ理論進(jìn)行產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計，雖然可以在擬定TRIZ工程參數(shù)時結(jié)合產(chǎn)品的生態(tài)、環(huán)保要求進(jìn)行考慮，但其所得結(jié)果不一定符合產(chǎn)品全生命周期的生態(tài)要求，結(jié)合產(chǎn)品模型的LCA評價結(jié)果可以對初步設(shè)計結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)設(shè)計方法中LCA分析結(jié)果只能應(yīng)用于設(shè)計效果評價及提供產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計依據(jù)，不能直接應(yīng)用于設(shè)計過程中這一缺陷，提出了一種將全生命周期評價（LCA）與TRIZ理論相結(jié)合的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方法。該方法將應(yīng)用TRIZ理論中的技術(shù)矛盾與創(chuàng)新原理完成初步設(shè)計的產(chǎn)品與LCA數(shù)據(jù)庫中的模型進(jìn)行比較，建立產(chǎn)品的LCA模型并進(jìn)行生命周期評價，從而確定產(chǎn)品是否符合生態(tài)設(shè)計的要求，完成最終設(shè)計。該方法可以有效地將生命周期評價應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計之中，分別實現(xiàn)生態(tài)設(shè)計的目標(biāo)。

［1］Yang C J，Chen J L.Accelerating preliminary eco－innovation design for products that integrates case－based reasoning and TRIZ method［J］.Journal of Cleaner Production，2011（19）：998－1006.

［2］趙新軍.設(shè)計質(zhì)量創(chuàng)新：QFD、TRIZ和田口方法的集成應(yīng)用［J］.工程設(shè)計學(xué)報，2004（4）：169－173.

［3］劉彥賓，莫新波，李永廣.基于QFDE和TRIZ的綠色優(yōu)化設(shè)計［J］.電子質(zhì)量，2009（3）：3－5.

［4］楊建新，徐 成，王如松.產(chǎn)品生命周期評價方法及應(yīng)用［M］.北京：氣象出版社，2002：18－30.

［5］王亮申，孫峰華.TRIZ創(chuàng)新理論與應(yīng)用原理［M］.北京：科學(xué)出版社，2010：81－110.

［6］Chen J L，Chen W C.TRIZ based eco－innovation in design for active disassembly［C］／／14th CIRP International Conference on Life Cycle Engineering，Tokyo，2007：83－87.

［7］劉光復(fù)，劉志峰，李 鋼.綠色設(shè)計與綠色制造［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999：1－118.

［8］葉 斌，趙 韓，劉向農(nóng)，等.基于Solid Edge的汽車空調(diào)層疊式蒸發(fā)器參數(shù)化設(shè)計 ［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，34（12）：1769－1772.