智慧城市的全生命期評(píng)價(jià)和成本分析

文│ 上海世博會(huì)有限公司 李祝軍

現(xiàn)代工程實(shí)踐證實(shí)，凡是人工系統(tǒng)都需要進(jìn)行全生命期的成本分析，在項(xiàng)目啟動(dòng)前應(yīng)對(duì)其制造/建設(shè)成本、運(yùn)行成本、維護(hù)成本及銷毀處置成本進(jìn)行評(píng)估，并在實(shí)施中保證各階段所需的費(fèi)用。這是一個(gè)科學(xué)的論證與運(yùn)作過(guò)程，如果違背，那么人工系統(tǒng)項(xiàng)目的最終結(jié)果不是成為爛尾工程，就是投運(yùn)后因沒(méi)有足夠的運(yùn)維費(fèi)用而使建設(shè)投資付諸東流。特別在積極推進(jìn)智慧城市建設(shè)的今天，更要做好其全生命期的成本分析，使得各項(xiàng)決策更加科學(xué)。

1 全生命期

人的生命總是有限的，但人類的精神與物質(zhì)財(cái)富都得到代代傳承，因?yàn)榫衽c物質(zhì)財(cái)富的再創(chuàng)造，決定了人類創(chuàng)造的萬(wàn)事萬(wàn)物必有其生命期。比如一種產(chǎn)品從原材料開(kāi)采開(kāi)始，經(jīng)過(guò)原料加工、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品包裝、運(yùn)輸和銷售，然后由消費(fèi)者使用、回收和維修，再利用、最終進(jìn)行廢棄處理和處置，整個(gè)過(guò)程稱為產(chǎn)品的生命期。

既然一個(gè)人、一個(gè)組織、一個(gè)產(chǎn)品都有其生命期，智慧城市是基于他們而建設(shè)起來(lái)的，自然也就不例外。智慧城市的各類信息系統(tǒng)是由各類硬件與軟件組成，其中的硬件與一般產(chǎn)品同樣具有全生命期的特征，但就系統(tǒng)而言，它要經(jīng)歷一個(gè)研制開(kāi)發(fā)、調(diào)試、測(cè)試、運(yùn)行、維護(hù)、升級(jí)、再調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)、停機(jī)、數(shù)據(jù)保全、拆除和處置的全過(guò)程。

2 全生命期評(píng)價(jià)

全生命期評(píng)價(jià)是從20世紀(jì)80年代開(kāi)始的。由于區(qū)域性與全球性環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重以及全球環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展思想的興起，大量的REPA研究重新開(kāi)始，公眾和社會(huì)日益關(guān)注政府、研究機(jī)構(gòu)、工業(yè)企業(yè)、產(chǎn)品消費(fèi)者等相關(guān)的研究。1989年荷蘭國(guó)家居住、規(guī)劃與環(huán)境部（VROM）針對(duì)傳統(tǒng)的環(huán)境政策，首次提出了制定面向產(chǎn)品的環(huán)境政策，內(nèi)容涉及產(chǎn)品的生產(chǎn)、消費(fèi)乃至最終廢棄物處理的所有環(huán)節(jié)，即所謂的產(chǎn)品生命期。還提出對(duì)產(chǎn)品整個(gè)生命期內(nèi)的所有環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)生命期評(píng)價(jià)的基本方法和數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

全生命期評(píng)價(jià)可以表述為：對(duì)一種產(chǎn)品及其包裝物、生產(chǎn)工藝、原材料能源或其他某種人類活動(dòng)行為的全過(guò)程，包括原料的采集、加工、生產(chǎn)、包裝、運(yùn)輸、消費(fèi)和回收以及最終處理等，進(jìn)行資源和環(huán)境影響的分析與評(píng)價(jià)。它采用全程方式分析一件產(chǎn)品或活動(dòng)的整個(gè)生命期，這一全程包括原材料提取的處理、制造、運(yùn)輸和配送、利用、再利用、維修、回收和最后的處置。

生命期評(píng)價(jià)的主導(dǎo)思想在源頭上預(yù)防和減少環(huán)境問(wèn)題，而不是等問(wèn)題出現(xiàn)后再去解決，是評(píng)估一個(gè)產(chǎn)品或整體活動(dòng)的一種方法。一個(gè)完整的全生命期評(píng)價(jià)包括四個(gè)部分，即目的與范圍的確定、清單分析、影響評(píng)價(jià)和生命期解釋。前三個(gè)獨(dú)立但又相互關(guān)聯(lián)，全生命期評(píng)價(jià)包括能量和資源的利用、向空氣、水和土地的環(huán)境排放的識(shí)別和量化、技術(shù)質(zhì)量和數(shù)量的特征和環(huán)境影響分析的后果評(píng)價(jià)，減少環(huán)境負(fù)擔(dān)的評(píng)估和實(shí)施。一些全生命期評(píng)價(jià)所定義的范圍和目標(biāo)或是啟動(dòng)步驟，可以為使用的分析結(jié)果服務(wù)。生命期清單既可用在組織的內(nèi)部，也可在外部應(yīng)用，需要適用性的標(biāo)準(zhǔn)。生命期清單分析可以應(yīng)用在工藝分析、材料選擇、產(chǎn)品評(píng)估、產(chǎn)品比較和政策制定等方面。

綜上所述，全生命期評(píng)價(jià)是面向產(chǎn)品系統(tǒng)，對(duì)產(chǎn)品或服務(wù)進(jìn)行全過(guò)程的評(píng)價(jià)。全生命期評(píng)價(jià)充分重視環(huán)境影響，是一種系統(tǒng)性的、定量化的評(píng)價(jià)方法，同時(shí)也是一種開(kāi)放的評(píng)價(jià)體系，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)運(yùn)行、持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、環(huán)境管理都具有十分重要的意義。

經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，全生命期評(píng)價(jià)得到了完善與系統(tǒng)化，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織推出了ISO 14040標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境管理一生命周期評(píng)價(jià)一原則與框架》（1997）、ISO 14041《環(huán)境管理一生命周期評(píng)價(jià)一目標(biāo)與范圍的確定及清單分析》（1998）、ISO 14042《環(huán)境管理一生命期評(píng)價(jià)一生命周期影響評(píng)估》周（2000）和ISO 14043《環(huán)境管理一生命期評(píng)價(jià)一生命周期說(shuō)明》（2000）。

3 全生命期的成本分析

全生命期的成本分析始于20世紀(jì)90年代初，把價(jià)值工程管理技術(shù)引入產(chǎn)品/項(xiàng)目的成本分析，強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品/項(xiàng)目的全生命期成本，以面向成本的設(shè)計(jì)DFC形式而提出，在滿足用戶需求的前提下，盡一切可能降低成本。在分析產(chǎn)品制造過(guò)程、銷售、使用、維修、回收、報(bào)廢處置等全生命周期中各階段成本組成情況的基礎(chǔ)上進(jìn)行評(píng)價(jià)，從中找出原設(shè)計(jì)中影響產(chǎn)品成本的過(guò)高費(fèi)用部分，通過(guò)修改設(shè)計(jì)來(lái)降低成本。DFC把全生命期成本作為設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，為設(shè)計(jì)者分析、評(píng)價(jià)成本提供支持工具。

DFC中的成本是指全生命期成本（LCC），一般是指產(chǎn)品從策劃開(kāi)始，經(jīng)過(guò)論證、研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用一直到最后報(bào)廢的整個(gè)生命期內(nèi)所耗費(fèi)的研究、設(shè)計(jì)與發(fā)展費(fèi)用、生產(chǎn)費(fèi)用、使用和保障費(fèi)用及最后廢棄費(fèi)用的總和。LCC的概念最早由美國(guó)國(guó)防部提出并用于軍事領(lǐng)域，由于典型的武器系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)的成本占了總成本的75%，需要對(duì)全生命期的各項(xiàng)成本進(jìn)行分析，從而有效地控制總成本。

全生命期的設(shè)計(jì)成本包括可行性研究、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、產(chǎn)品試驗(yàn)、修改設(shè)計(jì)、準(zhǔn)備技術(shù)說(shuō)明書(shū)等所花費(fèi)的費(fèi)用；制造成本包括材料、加工、半成品運(yùn)輸、存放、裝配、調(diào)試、檢驗(yàn)、廢品、修復(fù)等各種費(fèi)用；銷售成本包括產(chǎn)品包裝、運(yùn)輸、儲(chǔ)存以及廣告等費(fèi)用；維修成本是在使用期限內(nèi)，為維護(hù)設(shè)備進(jìn)行修理或更換零件所需花費(fèi)的費(fèi)用；使用成本是用戶使用機(jī)器設(shè)備期間，需要支付的人力消耗、材料與動(dòng)力消耗以及維修保養(yǎng)等的費(fèi)用；回收?qǐng)?bào)廢成本是產(chǎn)品報(bào)廢處理和再生的費(fèi)用。一般設(shè)計(jì)成本大致占全生命期成本的10%～15%，制造成本約占30%～35%，使用與維修成本約占50%～60%，其他成本所占比例一般小于5%。

以云計(jì)算中心為例，一般運(yùn)行周期為15～20年。據(jù)統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的電力消耗已經(jīng)占到全球能源電力消耗的8%左右，且每三年電力消耗即會(huì)翻倍增長(zhǎng)，更是給新建的數(shù)據(jù)中心提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，資金、固定資產(chǎn)投入＝戰(zhàn)略性投資+滾動(dòng)性投資和運(yùn)營(yíng)成本＝維護(hù)費(fèi)用+營(yíng)銷費(fèi)用+人工成本（+折舊）的不均衡，也是長(zhǎng)期困擾數(shù)據(jù)中心管理者的問(wèn)題。云計(jì)算數(shù)據(jù)中心則可以IT運(yùn)用資源共享（虛擬化、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算等）的方式對(duì)IT服務(wù)模式進(jìn)行優(yōu)化。基于在云計(jì)算環(huán)境下的業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)需要和對(duì)IT負(fù)載遷移的考慮，在構(gòu)建數(shù)據(jù)中心時(shí)，不僅需要將數(shù)據(jù)中心的高可用性視為先決條件，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的高效率也成為不可忽略的重要因素。因此，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)及優(yōu)秀的運(yùn)維來(lái)建造和管理一個(gè)密集的、靈活的、自動(dòng)化的數(shù)據(jù)中心，既滿足未來(lái)的應(yīng)用需求，也可將未來(lái)新技術(shù)的更新納入設(shè)計(jì)范疇給予考慮。這就意味著在數(shù)據(jù)中心建設(shè)的初始階段，就需要以戰(zhàn)略部署的全局角度來(lái)審視云計(jì)算中心的設(shè)計(jì)，全面規(guī)劃數(shù)據(jù)中心的供電、環(huán)境、安防及后期的運(yùn)營(yíng)管理等內(nèi)容，通過(guò)有效地優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的整體架構(gòu)和運(yùn)營(yíng)方式，節(jié)約30%甚至更多的電力消耗，以期降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)成本。

軟件產(chǎn)品或軟件系統(tǒng)生命期的使用層面和環(huán)境都不盡相同，但由于軟件系統(tǒng)升級(jí)換代比較頻繁，所以軟件產(chǎn)品的生命期一般都不超過(guò)10年，比如數(shù)據(jù)庫(kù)軟件的生命期一般為3～5年，操作系統(tǒng)的生命期一般是2～3年，大多數(shù)應(yīng)用軟件的生命期為1年，而多媒體視聽(tīng)等工具類的軟件生命期多為1年或者更短。軟件的生命期要經(jīng)歷孕育、誕生、成長(zhǎng)、成熟、衰亡等階段，這樣劃分就使得每一個(gè)階段都有明確的任務(wù)，使規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、管理復(fù)雜的軟件開(kāi)發(fā)變得容易控制和管理。

通常，軟件生命周期包括可行性分析與開(kāi)發(fā)項(xiàng)計(jì)劃、需求分析、設(shè)計(jì)（概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)）、編碼、測(cè)試、維護(hù)等活動(dòng)，可以將這些活動(dòng)以適當(dāng)?shù)姆绞椒峙涞讲煌碾A段去完成。在智慧城市建設(shè)中，數(shù)以百計(jì)的云端應(yīng)用需要并行研發(fā)和整合，如果沒(méi)有軟件生命期的管理，最終的軟件應(yīng)用功能必定不完善，不僅無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能的城市控制，更是在浪費(fèi)人力、財(cái)力和物力，耽誤智慧城市的建設(shè)周期。因此，智慧城市中的軟件應(yīng)用平臺(tái)不僅需要軟件生命期的管理，更需要在智慧城市的整體規(guī)劃下，進(jìn)行軟件生態(tài)圈的生命期管理，即綜合的、并行的、整合的軟件生命期管理。軟件生命期管理的薄弱環(huán)節(jié)一般多在需求調(diào)研與確定階段，因?yàn)榍捌谡{(diào)研不足，又為趕進(jìn)度倉(cāng)促施工，所以在具體的實(shí)踐中，多數(shù)軟件項(xiàng)目都是無(wú)法按合約準(zhǔn)時(shí)交付的，一旦拖延就會(huì)造成項(xiàng)目損失，產(chǎn)生不必要的分歧與矛盾。因此，為了充分降低軟件生命期的管理成本，一般建議采用快速原型開(kāi)發(fā)模型，這種模型的好處在于，它可以準(zhǔn)確地獲取用戶對(duì)計(jì)算機(jī)軟件的真正需求，在最短的時(shí)間內(nèi)，根據(jù)最終用戶的迫切需求，做出一個(gè)可演示的產(chǎn)品程序，以直觀的界面展示最終的開(kāi)發(fā)成果，它可能只是界面的設(shè)計(jì)制作與切換，后臺(tái)并沒(méi)有編程與數(shù)據(jù)庫(kù)的支撐；同時(shí)，客戶就快速模型功能進(jìn)行簽字確認(rèn)，也避免了軟件生命期管理過(guò)程中的階段性反復(fù)，從而保障項(xiàng)目進(jìn)度，減少雙方人、財(cái)、物的損失和時(shí)間上的浪費(fèi)。

以硬件為例，相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生命期一般是：筆記本電腦3 年、臺(tái)式電腦4年、服務(wù)器5年、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備5年、監(jiān)視器8 年，而鋰電、光驅(qū)、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等易耗品均不超過(guò)1年。但設(shè)計(jì)的生命期并不等于應(yīng)用的生命期，而是一般會(huì)長(zhǎng)于應(yīng)用的生命期，也就是說(shuō)，這些硬件設(shè)備一般會(huì)被使用者提前更新?lián)Q代。隨著硬件研發(fā)的速度加快和水平不斷提升，到2012年，硬件的應(yīng)用生命期可能只有設(shè)計(jì)生命期的60%～70%之間，雖然硬件性能的提升總是好事，但同時(shí)也提高了建設(shè)的折舊成本，如果沒(méi)有更實(shí)際的應(yīng)用生命期的考慮，原來(lái)預(yù)期可以保證正常運(yùn)營(yíng)的項(xiàng)目，在交付后可能會(huì)由于過(guò)重的攤銷負(fù)擔(dān)而面臨經(jīng)營(yíng)的困境。

以公共建筑物為例，其生命期成本分配如圖1所示，其中運(yùn)行與管理費(fèi)用約占生命期成本（LCC）總費(fèi)用的85%以上，而一次建設(shè)費(fèi)用僅為15%。為了維持設(shè)備的功能，確保設(shè)備的高效率，盡量減少設(shè)備的故障，是發(fā)揮設(shè)備投資效益的重要環(huán)節(jié)。信息化與自動(dòng)化的系統(tǒng)則為現(xiàn)代物業(yè)設(shè)施管理提供了平臺(tái)與基礎(chǔ)。

圖1 建筑物生命期成本中各項(xiàng)費(fèi)用的比例

圖2所示的是設(shè)備在其生命期內(nèi)發(fā)生故障的情況，根據(jù)可靠性工程可表示為故障曲線，因其形狀像一個(gè)浴缸，可稱之為“浴槽曲線”。圖中1、2、3三條曲線分別代表了三種不同的保養(yǎng)方式：1為只使用不保養(yǎng)；2為事后保養(yǎng)；3為預(yù)防保養(yǎng)。當(dāng)采取預(yù)防保養(yǎng)后，可以大大延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

圖2 設(shè)備故障曲線

在初期故障期，為了減少設(shè)備故障時(shí)間，設(shè)施管理人員應(yīng)了解裝置中壽命最短的部件或組件，并加以特別注意；同時(shí)還要找出設(shè)計(jì)、施工和材料方面的缺陷和不足，分析造成設(shè)備故障的原因并加以解決，盡快使設(shè)備故障率下降并進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。為此，設(shè)施管理人員需要熟悉整個(gè)系統(tǒng)，學(xué)習(xí)操作和設(shè)備保養(yǎng)的方法和程序。

在偶發(fā)故障期，設(shè)備的故障率下降到容許故障率之下。此時(shí)，應(yīng)著重提高設(shè)施管理人員對(duì)故障的檢測(cè)診斷能力和維修能力，合理管理設(shè)備品。為降低設(shè)備故障率、延長(zhǎng)設(shè)備壽命，還需進(jìn)行必要的改造。

在磨耗故障期，設(shè)備和系統(tǒng)接近或達(dá)到各自的壽命期，由于零部件的磨損和材質(zhì)的劣化使故障率上升。因此，磨耗故障期更應(yīng)精心進(jìn)行預(yù)防保養(yǎng)，定期對(duì)零部件進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)堅(jiān)持日常的清掃、調(diào)整，減緩零部件的磨損和劣化速度，來(lái)延長(zhǎng)設(shè)備壽命（如圖2的曲線3）。

通過(guò)這“三期”的管理工作，可以大大地降低圖1中的設(shè)備更新周期，從而減少建筑物生命期成本（LCC）的總費(fèi)用。

圖3a 智慧城市的生命期成本構(gòu)成

圖3b 智慧城市的生命期成本構(gòu)成

4 智慧城市的全生命期成本探索

智慧城市是人工創(chuàng)造的信息化形態(tài)，其生命期的成本可分為建設(shè)成本與運(yùn)行成本兩部分。

智慧城市的建設(shè)成本由信息通信基礎(chǔ)建設(shè)（城市通信管線、機(jī)房、無(wú)線通信基站等）費(fèi)用、信息應(yīng)用系統(tǒng)（硬件、軟件等）建設(shè)費(fèi)用、服務(wù)體制與機(jī)構(gòu)建設(shè)等費(fèi)用構(gòu)成。

智慧城市的運(yùn)行成本由信息通信基礎(chǔ)運(yùn)行（包括設(shè)備使用與能耗）維護(hù)及升級(jí)擴(kuò)展費(fèi)用、信息應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行（包括設(shè)備使用、通信與能耗）維護(hù)及升級(jí)擴(kuò)展費(fèi)用、服務(wù)體制與機(jī)構(gòu)的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用構(gòu)成。

根據(jù)目前的技術(shù)和應(yīng)用情況加以統(tǒng)計(jì)分析，智慧城市信息通信基礎(chǔ)的生命期一般在15年左右，信息應(yīng)用系統(tǒng)與服務(wù)機(jī)構(gòu)的生命期一般為6年。這就意味著即使智慧城市的設(shè)施在運(yùn)行過(guò)程中不斷地進(jìn)行維護(hù)、升級(jí)與擴(kuò)展，到一定時(shí)候還是需要重新建設(shè)。如果粗略地測(cè)算，將信息通信基礎(chǔ)的建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)及升級(jí)擴(kuò)展費(fèi)用平均分?jǐn)偟?年，加上信息應(yīng)用系統(tǒng)生命期的建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)及升級(jí)擴(kuò)展費(fèi)用和服務(wù)體制與機(jī)構(gòu)的建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)管理費(fèi)用，其測(cè)算構(gòu)成如圖3a、3b所示。

由圖3a、3b可見(jiàn)，智慧城市的生命期成本中建設(shè)費(fèi)用占23%，運(yùn)行維護(hù)管理費(fèi)用占55%，升級(jí)擴(kuò)展費(fèi)用占22%。這就表示智慧城市投入建設(shè)后，在生命期中需要更多的后續(xù)費(fèi)用，當(dāng)我們?cè)谝?guī)劃建設(shè)智慧城市時(shí)，必須充分考慮運(yùn)行維護(hù)管理費(fèi)用和升級(jí)擴(kuò)展費(fèi)用，對(duì)于各階段的費(fèi)用落實(shí)具有切實(shí)的計(jì)劃，以保證智慧城市的可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

生命期評(píng)價(jià)和成本分析是所有人工設(shè)施建設(shè)工程必須運(yùn)用的科學(xué)方法，智慧城市的信息通信基礎(chǔ)、信息應(yīng)用系統(tǒng)和服務(wù)體制與機(jī)構(gòu)所需要的建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用構(gòu)成了其生命期成本，我們對(duì)此應(yīng)具有清晰的認(rèn)識(shí)。

【1】鄧南圣等. 生命周期評(píng)價(jià)，化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

【2】程大章主編. 智慧城市頂層設(shè)計(jì)導(dǎo)論，中國(guó)科學(xué)出版社，2012.

【3】程大章著. 智能建筑理論與工程實(shí)踐，機(jī)械工業(yè)出版社，2009.