產(chǎn)品低碳設計方法研究進展

彭 鑫，李方義，王黎明，王 耿，李 龍，孔 琳，馬 艷

(山東大學 機械工程學院 機械工程國家級實驗教學示范中心，山東 濟南 250061)

1 問題的提出

全球氣候變暖是當前人類社會面對的嚴峻問題，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)第五次綜合報告[1]指出，1900年至今，全球平均氣溫上升約1.3 ℃，2100年預計將上升2.0 ℃～4.5 ℃。由于人類活動所產(chǎn)生的溫室效應氣體(GHGs)濃度已達391 ppm，比有數(shù)據(jù)統(tǒng)計以來的最高值仍高出約30%之多[2]。根據(jù)國際能源署(International Energy Agency, IEA)[3]與荷蘭環(huán)境評估署(Netherlands Environmental Assessment Agency, NEAA)[4]公布的最新報告顯示，中國全年碳排放總量高達90.407億噸，快速發(fā)展的工業(yè)占比達到31%，相較于俄羅斯(18%)、歐盟(12%)、美國(8%)存在一定差距，降低碳排放已經(jīng)成為工業(yè)重要發(fā)展目標。從《京都議定書》、《哥本哈根協(xié)議》到《巴黎協(xié)定》[5-7]的簽署，代表著中國對控制碳排放量的決心，同時也給低碳工業(yè)帶來前所未有的挑戰(zhàn)。因此，實施低碳、清潔、綠色、可持續(xù)發(fā)展的新型生態(tài)化工業(yè)模式，成為推動工業(yè)產(chǎn)品轉型升級的必由之路。

作為工業(yè)活動的關鍵環(huán)節(jié)，產(chǎn)品設計包括產(chǎn)品規(guī)劃、概念設計、結構設計、詳細設計到原型試制、樣件測試及批量生產(chǎn)[8-9]，設計過程的多個階段均對工業(yè)碳排放形勢有嚴峻影響。以碳排放為指標能夠顯著量化產(chǎn)品設計潛在的溫室效應影響，并可用于識別設計過程中的突出環(huán)節(jié)，因此如何在產(chǎn)品設計方法中注重低碳設計優(yōu)化，最大程度提升設計的低碳可持續(xù)性，使產(chǎn)品更符合低碳生態(tài)的要求[10-12]，已經(jīng)成為研究熱點，受到廣泛關注。

產(chǎn)品低碳設計指在保證應有的功能、質量等的前提下，從設計源頭將低碳性引入產(chǎn)品的設計和開發(fā)過程[13-16]，強調以碳排放減量化(包括CO2，CH4，N2O，HFCs，PFCs，SF6等溫室氣體)為目標，在原材料獲取、產(chǎn)品生產(chǎn)制造、使用維護、報廢回收全生命周期中實現(xiàn)碳排放減緩與控制，強調低負荷、再利用和易循環(huán)的生態(tài)平衡設計思想。

目前國內外學者對產(chǎn)品低碳設計的研究涉及產(chǎn)品低碳設計方法研究、產(chǎn)品碳足跡建模與評估、產(chǎn)品低碳設計優(yōu)化3個大類[17]，且彼此存在關聯(lián)，其中，設計方法作為研究基礎對產(chǎn)品低碳性、創(chuàng)造性和設計效率有著重要影響。研究內容集中于低碳設計信息模型建立、低碳設計技術研究等方面[18-23]，由于對低碳設計的相關研究正處于發(fā)展早期，產(chǎn)品設計與生命周期碳足跡關聯(lián)關系較為復雜，仍需要對低碳設計方法拓展規(guī)律、知識分類體系、多元決策優(yōu)化和跨域映射機理等關鍵科學問題進行深入研究。

如圖1所示，產(chǎn)品低碳設計方法研究框架由產(chǎn)品設計基礎流程、設計方法分類體系、低碳設計知識庫及支持工具構成。在產(chǎn)品設計流程中，概念設計與結構設計階段的方法決策對碳排放影響更為顯著，因此本文以設計過程碳排放減量化方法研究為目標，重點從產(chǎn)品概念設計階段、結構設計階段適用的低碳設計方法、低碳優(yōu)化設計方法、低碳設計知識庫及工具研究4方面對當前熱點問題進行綜述，針對產(chǎn)品低碳設計方法的最新研究趨勢，總結提出需要關注的前沿方向。

2 概念設計階段的低碳設計方法

產(chǎn)品概念設計是以設計需求為導向，通過建立功能行為關聯(lián)尋找正確的組合機理，確定基本求解途徑，生成設計方案的過程。該階段對產(chǎn)品技術性能、工程成本、環(huán)境指標影響最大，設計方案生成主要受產(chǎn)品的基本形質特征和材料選擇影響[24-25]。

2.1 材料選擇

材料是低碳設計與低碳制造的基礎，材料的碳排放強度對產(chǎn)品的低碳性能具有顯著影響。因此，在設計階段合理選擇與使用低碳材料，對產(chǎn)品最終的低碳性意義重大[26]，在保證一定機械性能條件下，耐久性材料、易回收、可再制備的材料和新型復合材料應當是替代的首選[20,27-28]。Zarandi等[29]提出一種基于生態(tài)設計領域專家知識，將知識轉化為決策規(guī)則和決策樹的模型，以支持指導低碳設計材料選擇的初步篩選;Albinana等[30]建立了一種用于概念設計階段的材料集成優(yōu)選框架模型;Sakundarini等[31]提出輕量化多元材料選擇模型;Lewis等[32]利用離散數(shù)據(jù)行為預測模型尋找設計空間最優(yōu)材料方案，而且材料優(yōu)選過程中應考慮區(qū)域差異性。Yoshizaki等[33]指出，即使設計中同種產(chǎn)品使用相同的零部件，其所產(chǎn)生的溫室氣體濃度水平也會因材料生產(chǎn)區(qū)域不同而有所差異;Zhang等[34]利用自適應算法求解液壓滑塊材料與結構耦合優(yōu)化模型，以支持復雜產(chǎn)品低碳設計。

設計過程中材料的選擇往往會影響到系統(tǒng)能量流動，能量是生產(chǎn)活動的基礎并維持活動的穩(wěn)定性。由于產(chǎn)品設計與生產(chǎn)過程相互關聯(lián)，在設計中更加積極地思考潛在關聯(lián)的能量流動具有重要意義[35-37]。從產(chǎn)品設計源頭考慮降低材料在生產(chǎn)過程中可能需要的高能耗工藝，并使用低碳材料酌情替代[28]，是產(chǎn)品低碳設計的要素之一。譬如，某些需要鑄造、鍛造、焊接、熱處理、表面處理的材料往往耗能較高，其將產(chǎn)生較嚴重的環(huán)境影響。此外，設計中依據(jù)具體情況靈活選用易于設備加工制造的材料能夠降低整個生命周期的碳排放，Alkadi[38]運用面向產(chǎn)品生命周期的設計 (Design for X, DfX)思想對生產(chǎn)活動的能源需求設計了決策模型，為材料低碳化提供了可行的思路。

從全生命周期角度來看，設計過程中合理選擇低碳材料往往會對系統(tǒng)物質流、能量流產(chǎn)生一定影響，需要重點考慮。

2.2 基本設計特征建模

面向低碳設計的特征建模方法用于表達產(chǎn)品基本形質信息，可使產(chǎn)品設計在其全生命周期內具有較好的信息篩選與傳遞性[39]。因此，作為設計過程各種信息載體的設計特征，例如基本幾何特征、形狀特征、約束特征、拓撲特征等與碳足跡關聯(lián)關系研究，能夠對產(chǎn)品設計方案進行碳排放初步評估并提供設計改進。因此，與碳足跡相關聯(lián)的特征模型建立、特征識別、特征映射等問題成為研究重點， Gaha等[40]研究了設計特征中涵蓋的工程約束、公差、材料等與環(huán)境影響關聯(lián)的關系;Nian[41]研究了光伏系統(tǒng)設備制造過程中碳排放與其設計的關聯(lián)問題;Cao等[42]分析了機床生命周期碳排放特征，提出固定碳排放與可變碳排放，并證明了輕量化設計與可再制造設計可減少固定碳排放，能效與需求匹配可減少變動碳排放。美國國家標準與技術研究院(National Institute of Standards Technology, NIST)通過將機械公差原則引入到碳權重的計算中，引入“碳權重公差(Carbon Weight Tolerance Approach, CWTA)”概念，運用設計原理、公差分析和公差積累等原則支持碳權重分析[43]。另外，因為設計特征的變化會影響制造工藝、拆卸裝配操作和回收方式，所以通過幾何形狀優(yōu)化研究[44-45]和基礎尺寸優(yōu)化研究[46]等實現(xiàn)產(chǎn)品的低碳降耗成為關鍵。

產(chǎn)品設計方案中設計特征組成的多樣性和產(chǎn)品生命周期信息的不確定性，使得設計初期階段的設計參數(shù)與碳足跡難以關聯(lián)和量化，系統(tǒng)性地考慮設計初期產(chǎn)品全生命周期環(huán)境問題(3R原則)，即可回收性(recycling)[47-48]、可再制造性(remanufacturing)[49-50]和可再生性(reuse)[51-52]存在一定難度，目前大多仍依賴于產(chǎn)品設計師積累的知識與經(jīng)驗[53-57]，已經(jīng)成為該領域研究中的瓶頸問題。

Fukushige等[51]提出一種在設計初期通過描述生命周期場景來支持設計人員確定產(chǎn)品低碳設計策略的認知設計模型；He等[53]提出用于概念設計階段碳足跡量化模型和低碳概念設計框架，評估了產(chǎn)品生命周期的環(huán)境影響；Devanathan等[57]提出一種面向概念設計階段的產(chǎn)品半定量低碳設計方法，運用質量功能影響矩陣建立了產(chǎn)品功能與環(huán)境的關系，案例表明該方法能夠使溫室氣體排放量減少20%；徐鋒等[58]提出基于低碳約束的產(chǎn)品概念設計思路，給出概念設計階段碳足跡計算模型和基于低碳約束的產(chǎn)品概念設計方法;He等[59]考慮產(chǎn)品生命周期中概念設計階段的數(shù)據(jù)不確定性，提出一種支持概念設計低碳方案決策的碳足跡模型。

為解決設計初期信息不確定性這一關鍵點，解析算法(如動態(tài)規(guī)劃[60]、流程情景[61]等)、信息智能(如BP-神經(jīng)網(wǎng)絡[62]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡[63]、模糊規(guī)劃[64]、灰色關聯(lián)[65]等)發(fā)揮了重要作用。

由此可知，當前需要找到一種將設計特征域與碳排放域關聯(lián)的方式，從而更好地處理設計早期信息的不確定性，以幫助設計者理解設計方案中隱含的低碳信息并作出優(yōu)化改進，這是未來一大重要研究趨勢。

3 結構設計階段的低碳設計方法

產(chǎn)品結構設計根據(jù)功能目標使零部件構成一定的組織形態(tài)，生成產(chǎn)品結構樹并將各部分編制成一個有機整體，從而確定了產(chǎn)品主要零部件結構及裝配關系。以結構設計為導向的低碳設計研究在該領域占據(jù)了很大比重。Song等[66]提出一種基于零件結構獲取產(chǎn)品碳排放物料清單的g-BOM方法，使設計師容易并快速評估低碳產(chǎn)品設計方案，不足之處在于簡化了低碳設計中的零件優(yōu)化替代過程，且對產(chǎn)品本身結構限制較大;Zhang等[67]提出一種基于典型機械結構聯(lián)接單元的遞歸碳排放關聯(lián)求解模型，深入研究了螺紋連接、銷、鍵、鉚接和焊接連接等結構設計對產(chǎn)品生命周期碳排放的影響，從機械產(chǎn)品結構設計層面發(fā)掘出與碳足跡的關聯(lián)關系。

近年來,最新研究從產(chǎn)品拓撲關系設計角度分析與量化碳排放。例如，Li等[37]建立了一種新型幾何拓撲結構模型，優(yōu)化了焊接箱梁結構布局參數(shù)，為增強焊接結構機械性能、低碳性能提供了合理且有效的方法;Ramos等[68]在研究中證明了拓撲結構設計方法簡單有效，然而其最優(yōu)性仍取決于最初的基本結構并受總體結構單元數(shù)量的限制。此外，由于在產(chǎn)品設計方案中需要考慮各獨立方案在實施時的沖突、結構載體聯(lián)接的難易程度等復雜關聯(lián)因素，孫良峰[69]圍繞面向低碳的產(chǎn)品結構設計技術展開研究，提出結構關聯(lián)碳排放信息映射與量化的分層遞階模型。不同結構設計方案會影響產(chǎn)品全生命周期的材料用量、裝配方式、回收方式等，多種設計方法如輕量化、模塊化設計、可拆卸性設計、可再制造設計技術等在低碳設計中發(fā)揮了重要作用。

3.1 基于輕量化的低碳設計

輕量化結構設計在保證產(chǎn)品性能與質量的前提下，通過優(yōu)化產(chǎn)品布局來實現(xiàn)低碳目標[70]，具體包括輕量化材料、輕量化結構、成型工藝優(yōu)化設計、連接工藝優(yōu)化設計等，設計方法多用于大型工程機械、航空航天、汽車等領域。Sch?ggl等[71]研究了早期設計階段應用新材料、新零件和新工藝的輕量化設計技術的意義;Bein等[72]總結了輕質材料技術在歐洲綠色電動汽車項目中的應用。以上研究均說明輕量化設計在未來低碳產(chǎn)品發(fā)展中的價值。

值得注意的是，產(chǎn)品低碳輕量化設計需要綜合考慮產(chǎn)品強度剛度、結構穩(wěn)定性、構件斷裂韌性等要求，保障良好的靜動態(tài)運行特性，以避免出現(xiàn)支柱結構壓彎、薄壁結構凸起、局部載荷過大、結構塑性極限、參數(shù)諧振等現(xiàn)象。

3.2 基于模塊化的低碳設計

模塊化設計指系統(tǒng)中具備基本功能的零件、組件或部件，通過標準化關聯(lián)接口相互選擇、聯(lián)接、組合構成產(chǎn)品的方法。低碳模塊化設計的意義不僅考慮了設計的結構或功能，還從模塊化設計中提升了產(chǎn)品全生命周期的低碳拆卸性、可再制造性等。Qi等[73]依據(jù)模塊化設計原則提出一種低碳產(chǎn)品技術動態(tài)配置應用模型;Su等[74]提出一種在設計階段量化評估環(huán)境影響的方法，該方法基于遺傳算法搜索裝配結構和序列，從裝配結構、裝配順序和供應鏈配置進行優(yōu)化，以減少其全生命周期碳排放;鮑宏等[75]以模塊單元構建產(chǎn)品多層次碳足跡分析模型，提出產(chǎn)品碳足跡的結構單元映射方法，并將產(chǎn)品多層次碳足跡分析方法與敏感性分析相結合，探索其在低碳設計方案改進中的應用。另外，基于產(chǎn)品族的模塊化設計同樣是低碳設計方法之一，組件標準化與組件共享展現(xiàn)出多元性與互換性的特點，Wang等[76]針對低碳產(chǎn)品族設計關聯(lián)環(huán)境問題提出一種新的規(guī)劃方法，并驗證了其可靠性。面向低碳的產(chǎn)品模塊化設計有助于減少碳排放帶來的不利影響，縮短產(chǎn)品設計與開發(fā)周期，加速產(chǎn)品系列化與標準化過程。

3.3 基于可拆卸的低碳設計

可拆卸性設計在滿足基本功能的前提下，在產(chǎn)品設計階段就充分考慮裝配結構的易拆卸性，從而達到減少溫室氣體排放的目的，該過程間接減少了拆卸過程消耗的物料與時長?？刹鹦缎栽u估、拆卸深度分析與拆卸序列規(guī)劃是近年來研究的重點，其作用是保障產(chǎn)品在生命周期終結(End of Life, EOL)階段降低拆卸回收的時長與物料消耗。Veerakamolmal等[77]提出基于產(chǎn)品結構分解樹的拆卸索引與評估，分析了壽命末端設計對環(huán)境的影響問題;Eckelman等[78]從初級生產(chǎn)使用的各種統(tǒng)計和工業(yè)數(shù)據(jù)源模型分析計算了航空合金金屬回收問題，以降低生命周期溫室氣體排放;Favi等[79]建立了基于拆卸知識的產(chǎn)品可拆卸性設計準則，分析了設計階段與壽命末端的環(huán)境影響關聯(lián)關系;Harivardhini等[80]提出一種集成框架支持產(chǎn)品早期設計階段的可拆卸性設計決策，以降低設計方案對環(huán)境的影響。

隨著可拆卸性設計研究的不斷發(fā)展，局部拆卸設計思想可靈活用于產(chǎn)品低碳設計過程，方法側重于產(chǎn)品關鍵組件易于更換、維護或回收，使設計更為靈活。Smith等(2016)[81]提出了一種局部拆卸序列規(guī)劃方法，能夠降低生態(tài)影響并有利于改進產(chǎn)品設計。

3.4 基于可再制造的低碳設計

通過設計初期的優(yōu)化材料選擇和結構設計可使產(chǎn)品在壽命末端具備良好的可再制造和再利用性，提高產(chǎn)品服役周期，從產(chǎn)品全生命周期角度增強低碳性能。劉濤等[82]提出面向主動再制造的可持續(xù)設計概念;宋守許等[83]分析了主動再制造設計中的產(chǎn)品級設計、零部件級設計和結構級設計，闡述了主動再制造設計的基礎理論和基本流程;鮑宏等[84]提出基于發(fā)明問題解決理論(Theory of Inventive Problem Solving, TRIZ)的主動再制造綠色創(chuàng)新設計方法，對產(chǎn)品設計低碳性能起到了積極影響。

綜上所述，面向低碳的產(chǎn)品設計促進了生命周期過程中資源的高效利用，對溫室氣體減排具有重要意義。設計過程常結合質量功能配置、實例推理、沖突消解、可拓理論、協(xié)調設計等方法，針對設計目標、設計條件、設計約束與標準關聯(lián)進行求解。

4 低碳設計決策的多目標優(yōu)化問題

低碳設計是一個多學科、多變量、多目標且包含不確定因素的決策、協(xié)調與優(yōu)化過程。產(chǎn)品低碳設計研究不僅著眼于某產(chǎn)品生命周期所產(chǎn)生的碳排放，還會考慮產(chǎn)品的性能與生產(chǎn)成本等因素；另一方面，由于產(chǎn)品生態(tài)化、輕量化、模塊化設計影響其在使用維護回收階段的難度與成本[85]，已成為制約低碳設計綜合協(xié)調的關鍵問題之一。

低碳設計中的優(yōu)化方法包括優(yōu)化問題辨識、模型抽象、設計目標求解與算法選擇等。其中，問題辨識和模型抽象仍需要設計師的經(jīng)驗累積，目標求解和算法選擇已形成系統(tǒng)性研究。在設計目標函數(shù)求解中常用約束法、理想點法、min-max法、功效系數(shù)法、目的規(guī)劃法、多屬性效用函數(shù)法等。

在早先大型設計多目標問題尋優(yōu)算法上，常用數(shù)學規(guī)劃法、最優(yōu)準則法，但求解精度與效率不高。計算智能(Computational Intelligence, CI)提供了可行解決方法，例如結合遺傳算法(Genetic Algorithm, GA)[86]、帶精英策略的非支配排序的遺傳算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm, NSGA-Ⅱ)[87]、模擬退火 (Simulated Annealing, SA) 算法[88]、粒子群優(yōu)化 (Particle Swarm Optimization, PSO) 算法[89-90]、蟻群優(yōu)化(Ant Colony Optimization, ACO) 算法等常規(guī)優(yōu)化方法，或結合差分進化 (Differential Evolution, DE) 算法、量子進化算法(Quantum Evolutionary Algorithm, QEA)、生物地理學優(yōu)化 (Biogeography-Based Optimization, BBO) 算法、神經(jīng)網(wǎng)絡 (Neural Network, NN) 算法等進化優(yōu)化方法實現(xiàn)產(chǎn)品或零部件低碳化。Chiang等[62]基于逼近理想解排序法提出一種雙目標績效決策模型，幫助企業(yè)和產(chǎn)品設計工程師快速選擇最優(yōu)低碳方案，提高設計效率;Xu等[87]建立了企業(yè)、用戶、政府需求三級耦合系統(tǒng)的多目標優(yōu)化問題，并運用非支配排序的遺傳算法對其進行求解，以實現(xiàn)產(chǎn)品低碳設計下的多方共贏;He等[91]提出一種低碳足跡約束下的輕量化設計方法，識別出了對整個設計對象影響最大的參數(shù)。

優(yōu)化設計方法已經(jīng)研究多年，但與低碳設計相結合的研究仍然不足，如何快速選擇低碳設計方案，如何在全生命周期視角下準確識別并定位高碳設計單元，仍然存在困難。低碳設計模型正向多維度、多約束、多目標、高跨度發(fā)展，其中設計參數(shù)與碳足跡建模、約束條件的建立、最優(yōu)解集取舍、收斂效率與魯棒性等方面成為低碳設計多目標決策過程中需要考慮的主要問題。

5 低碳設計知識庫及支持工具研究

產(chǎn)品設計是一個不斷對設計知識進行拓展與優(yōu)化的過程。產(chǎn)品低碳設計知識庫和實例庫作為信息支撐基礎，包含了設計原則與規(guī)范、設計標準與方法、專家經(jīng)驗等信息，其有效構建能夠幫助設計人員管理產(chǎn)品低碳設計實例信息，提高產(chǎn)品低碳設計效率。

Chiu等[92]建立了一種連接產(chǎn)品功能性與低碳物理設計構件的知識庫體系，幫助支持低碳設計過程中的組件選擇決策;趙燕偉等[93]提出一種基于多維關聯(lián)函數(shù)的產(chǎn)品低碳設計實例分類方法，并通過建立產(chǎn)品低碳設計實例庫的方法集成量化了產(chǎn)品碳足跡和資源消耗成本，分析了需求變換對產(chǎn)品低碳設計實例分類的動態(tài)影響關系。

產(chǎn)品低碳設計知識庫有效支持了設計過程建模及設計對象建模中的知識重用，He等[94]提出一種支持低碳設計的產(chǎn)品碳足跡集成模型，以提供有效的知識重用；張雷等[95]將知識重用方法引入綠色產(chǎn)品的概念設計中，提出基于功能—行為—結構—綠色設計域映射關系的綠色設計單元實例檢索方法，幫助設計人員在設計早期階段提供能耗及環(huán)境影響預估。

產(chǎn)品低碳設計支持工具作為應用拓展，集成了設計知識庫、實例庫、數(shù)據(jù)庫與產(chǎn)品模型，有助于設計者在設計初期信息不完備的條件下實現(xiàn)產(chǎn)品低碳評估、結構優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化。近年來，低碳設計工具著重考慮產(chǎn)品開發(fā)過程中與計算機輔助技術(Computer Aided X, CAX)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management, PDM)、企業(yè)資源計劃(Enterprise Resource Planning, ERP)、萬維網(wǎng) (World Wide Web, WWW)的環(huán)境集成與接口關聯(lián)問題[96-99]，尤其在瀏覽器/服務器 (Browser/Server, B/S)網(wǎng)絡結構中，基于.NET Framework、JAVA服務器頁面(Java Server Pages, JSP)編譯器、超文本預處理(PHP Hypertext Preprocessor, PHP)編譯器開發(fā)原型系統(tǒng)逐漸代替組件對象模型(Component Object Model, COM)編譯成為趨勢，在很大程度上方便了產(chǎn)品低碳設計開發(fā)過程，更體現(xiàn)了集成——優(yōu)化——迭代設計的思想。表1所示為近年來幾種典型低碳支持工具及主要特點，可以看出，低碳設計軟件工具正在向平臺化、網(wǎng)絡化、服務化、融合化的方向發(fā)展，更適用于產(chǎn)品低碳設計過程建模與設計優(yōu)化。但未來低碳設計軟件如何應用于更復雜的場景，軟件架構如何更加系統(tǒng)地集成異構數(shù)據(jù)，如何增強信息挖掘重用，元數(shù)據(jù)和元模型如何與設計軟件高效對接，需要進行更深入的研究。

表1 典型產(chǎn)品低碳設計軟件工具

6 研究展望

產(chǎn)品低碳設計是一個從設計思維出發(fā)，以全生命周期碳排放減量化為目標，并在企業(yè)戰(zhàn)略與設計規(guī)范約束下，實現(xiàn)相應產(chǎn)品價值與功能且滿足客戶需求的多學科系統(tǒng)工程。然而，對產(chǎn)品低碳設計的研究尚處于不斷發(fā)展中，仍存在以下需要關注的若干方向：

(1)當前研究表明，制定合理的設計方案對減少產(chǎn)品生命周期碳排放具有重要意義。目前，對大型復雜產(chǎn)品的低碳設計與決策仍存在周期長、成本高、數(shù)據(jù)需求量大等困難，解釋產(chǎn)品設計與碳排放關聯(lián)影響規(guī)律、建立設計域與碳排放域本質關聯(lián)關系、提高產(chǎn)品模型映射精度與設計效率、幫助設計者從設計源頭上指引低碳設計方向，還有待深入研究。

(2)面向低碳的產(chǎn)品設計是一個復雜的跨空間設計問題，由于與產(chǎn)品設計信息關聯(lián)覆蓋面大、影響因素多，挖掘設計方案中隱含的碳排放信息成為關鍵。在產(chǎn)品全生命周期場景中，需要綜合考慮各階段由設計方案帶來的碳減排潛力，提升產(chǎn)品制造過程的易加工性和能量效率，以及產(chǎn)品回收過程的易拆解性和可回收率等；在產(chǎn)品設計流程中，概念設計與結構設計等早期階段對降低產(chǎn)品系統(tǒng)的碳排放強度影響明顯，應重點協(xié)調產(chǎn)品碳排放、功能、成本綜合效益，降低低碳設計的不確定性。以上從功能、材料、結構、參數(shù)等角度需加強與基礎設計的信息融合，進一步探究一般規(guī)律。

(3)伴隨工業(yè)信息化與智能化的大力發(fā)展，產(chǎn)品低碳設計理論方法的實施最終需要借助計算機輔助設計軟件應用于更復雜的設計場景。當前基于數(shù)據(jù)驅動、知識驅動的計算與分析較少，具有時效性、區(qū)域性、行業(yè)性的支撐數(shù)據(jù)與相關標準分散且不足，低碳設計知識的表達、傳遞與重用需要加強。因此，提供高效可行的計算機低碳設計集成開發(fā)平臺，實現(xiàn)設計方法、數(shù)據(jù)庫、知識庫與現(xiàn)有計算機輔助設計平臺的對接與交互，仍將是未來一個重要的研究方向。

7 結束語

本文對產(chǎn)品低碳設計方法進行了系統(tǒng)性的關聯(lián)研究，重點梳理了產(chǎn)品概念設計階段和結構設計階段適用的低碳設計方法、低碳設計過程多元優(yōu)化、低碳設計知識庫及支持工具研究4方面的熱點問題，并進行了論述。通過分析相關文獻，總結提出了低碳設計中的3大研究難點與關注方向。

產(chǎn)品低碳設計作為現(xiàn)代設計方法，是一項涉及多學科的復雜的系統(tǒng)工程，需要設計人員與研究者協(xié)同合作，從多角度深入研究設計要素與碳足跡影響機制，使產(chǎn)品功能、價值、環(huán)境屬性協(xié)調優(yōu)化，使產(chǎn)品設計為未來的低碳、清潔、可持續(xù)社會發(fā)展助力。