基于遞推算法的生命周期評價清單分析應用研究

方 寧

（安徽工業(yè)大學 計算機科學與技術學院，安徽 馬鞍山 243032）

0 引 言

隨著社會的不斷發(fā)展，人們對生活質量的要求越來越高，當人們對自然資源不加控制的使用時，工業(yè)生產所帶來的氣候變化、顆粒物、垃圾堆積等一系列環(huán)境問題卻總是被忽視。科學研究表明，碳排放量的上升是造成全球氣候變暖、溫室效應，甚至出現(xiàn)極端不良氣候的直接誘發(fā)因素之一，并正在危及人類的健康和生活質量。在此背景下，怎樣減少碳排放量已成為各國學者和專家關心的議題。

生命周期評價（Life Cycle Assessment, LCA）作為一種面向產品系統(tǒng)的環(huán)境影響分析工具，它以系統(tǒng)的思維方式去研究產品（或服務）在全生命周期中各階段的投入消耗以及環(huán)境排放問題，能夠定量評價和辨識改善環(huán)境影響的方案。不少學者和專家都應用LCA方法來檢測產品或工藝的環(huán)境排放問題，并取得了高效的評估結果，使得工業(yè)生產中的碳排放情況得到了改善。楊毅等人利用LCA理論研究制備氧化鋁的工藝，通過不同的發(fā)電方式對原鋁進行生命周期的環(huán)境影響評估，從而采取相應措施降低對環(huán)境的影響。時君麗等人基于LCA理論建立能耗、物耗及環(huán)境排放模型，并通過特征化和標準化方式得出環(huán)境影響類別，從而減少相應工藝過程中的資源、能源消耗和環(huán)境排放，實現(xiàn)綠色制造。Strecker等通過對GREET模型的研究，利用高效的動力系統(tǒng)實現(xiàn)了能源節(jié)約和碳排放改善的目的，并實現(xiàn)了太陽能發(fā)電站的排放量控制。S Pfister等開發(fā)了一種評估淡水消耗對環(huán)境影響的方法，并與Eco-indicator-99 LCIA方法相結合，為水密集型產品生產中出現(xiàn)的環(huán)境問題提供參考。鄧超等以矩陣的形式建立了理論模型，驗證了算法的準確性。

LCA因其利用率較高，已經被廣泛應用在各行各業(yè)。清單分析的結果對產品的影響評價至關重要，如果沒有對數(shù)據(jù)進行準確的計算和高效的整合處理，就無法使相關人員對此清單數(shù)據(jù)的影響評價類型進行準確劃分。針對這一現(xiàn)象，本文先選用矩陣模型的算法對數(shù)據(jù)進行計算，并運用高斯消元法進行求解，降低數(shù)據(jù)計算的復雜度，最后提出遞推算法將系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行匯總，清晰展現(xiàn)該產品的各類環(huán)境影響潛值，方便后續(xù)程序順利進行。

1 清單分析步驟

ISO 14040標準規(guī)定，LCA的技術框架分為四個階段：目的和范圍的確定、清單分析、影響評價、結果解釋。其中，清單分析階段的數(shù)據(jù)準確性會直接影響目標產品或工藝的環(huán)境特性評價。因此，清單分析階段的數(shù)據(jù)計算十分重要。

建立清單的過程即在系統(tǒng)范圍內，對于產品全生命周期中各階段的單元過程輸入、輸出數(shù)據(jù)，根據(jù)產品給定的功能單位進行定量整理。生命周期評價清單分析階段主要包含數(shù)據(jù)收集準備、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)計算三部分。

數(shù)據(jù)收集準備階段：根據(jù)產品全生命周期所經歷的各階段，繪制產品生命周期主流程圖，并依據(jù)生命周期主流程圖中各階段的不同特性，再將相應的階段細分為子流程圖。各流程圖中的每個階段均稱為單元過程，每個單元過程都包含多個輸入流和輸出流，如圖1所示。

圖1 單元過程示例圖

數(shù)據(jù)收集：清單分析需要大量數(shù)據(jù)基礎，在產品系統(tǒng)邊界中，清單數(shù)據(jù)可根據(jù)以下幾種類型進行分類：

（1）能源與資源輸入、原材料輸入、輔助性輸入、其他實物輸入；

（2）產品、共生產品和廢物；

（3）向空氣、水體和土地排放的污染物；

（4）其他環(huán)境因素。

這些數(shù)據(jù)有時可以從公開出版物中搜索和收集，但大多數(shù)情況下，單元過程的輸入和輸出數(shù)據(jù)都很難從文獻出版物中全部獲得，因此大多數(shù)數(shù)據(jù)需要從企業(yè)工廠中獲取，再與單元過程相結合。

數(shù)據(jù)計算：根據(jù)產品工藝流程圖中各單元過程，按給定功能單位找出基本流與主物質流間的關聯(lián)關系，并根據(jù)相應數(shù)據(jù)模型，對產品系統(tǒng)中每一單元過程采用的方法進行簡化，最后將清單結果準確展示。

2 清單分析算法

在清單數(shù)據(jù)分析中，通常需要遵循物料平衡原理。所謂物料平衡，在工業(yè)生產中主要是指原材料的平衡，即產出品中含有的物料應當與投入品相等。二者之間形成物料平衡，可以從源頭避免一些由于物料不平衡造成的原材料遺失，同時也能保證產品或工藝流程中數(shù)據(jù)清單的完整性。因此，本文將物料平衡原理代入清單分析中，對數(shù)據(jù)進行矩陣建模，并運用遞推法將各單元過程進行同類數(shù)據(jù)匯總，最終完成清單列表。

2.1 基于物料平衡原理的矩陣模型分析

2.2 基于遞推算法的清單數(shù)據(jù)匯總

在系統(tǒng)流程圖中，各單元過程、工藝流程以及外界環(huán)境之間的聯(lián)接關系如圖2所示。

圖2 產品過程流

一般情況下，清單分析的計算結果為系統(tǒng)與環(huán)境之間的輸入輸出數(shù)據(jù)，即基本流數(shù)據(jù)。當基于物料平衡原理求解出各單元過程的輸入流和輸出流之后，將各單元過程的基本流數(shù)據(jù)匯總即可得出清單分析結果，再根據(jù)清單結果進行資源、能源和環(huán)境影響分析，得出產品或工藝的環(huán)境影響特性。

假設系統(tǒng)中有個單元過程，則第個單元過程的第個物質流可定義為X（=1, 2, ...,K；=1, 2, ...,），系統(tǒng)中每個單元過程的基本流數(shù)量不一，K為變量，代表第個單元過程中基本流的總數(shù)量，表示系統(tǒng)中所有單元過程的總數(shù)量。一個系統(tǒng)中，每個單元過程之間可能含有相同類型的基本流，因此，我們將設為系統(tǒng)中所有單元過程基本流的交集，則有：

設第個單元過程中的基本流集合X減去子集后，用X（=1, 2, ...,）表示，并且將系統(tǒng)中個單元過程的總基本流集合用表示，則可用遞推算法計算得出：

通過上述計算，我們可以建立種基本流，個單元過程的矩陣，并將其表示為D，其中為中的基本流數(shù)量，而矩陣中第個單元第個物質流的實際數(shù)值用d表示。任意單元過程中的所有基本流以G（=1, 2, ...,K；=1, 2, ...,）表示，單元過程中的基本流實際數(shù)值用g表示，由此關系可推出清單匯總算法為：

當矩陣中的所有元素都被個單元過程的基本流數(shù)值替換或設置完成后，可按自上而下的順序依次進行每行數(shù)值量化計算，即可得出最終的清單分析結果。

2.3 算法論證

基于上述理論算法與原理，以一個瓦楞紙箱的全生命周期作為測試案例，如圖3所示。參照上述方法過程，進行案例的清單分析。

圖3 瓦楞紙箱全生命周期流程

根據(jù)瓦楞紙箱的全生命周期過程，將它分為5個單元過程，即原材料獲取、生產過程、使用過程、拆卸回收過程和廢棄回收過程。單元過程之間的物質流連接用f表示，U1為物質流匯總標志，D1為分流標志。

瓦楞紙箱清單數(shù)據(jù)見表1、表2所列，根據(jù)清單計算方法與數(shù)據(jù)匯總分析得出清單結果列表見表3、表4所列。結合匯總數(shù)據(jù)，得到各影響類型的評價結果，以二氧化碳為例，如圖4所示。

圖4 二氧化碳影響結果顯示

表1 瓦楞紙箱全生命周期各階段資源、能源投入

表2 瓦楞紙箱全生命周期各階段環(huán)境排放

表3 瓦楞紙箱全生命周期過程資源、能源投入

表4 瓦楞紙箱全生命周期過程環(huán)境排放

3 結 語

清單分析是LCA的推動力，也是生命周期影響評價的基礎。本文根據(jù)產品系統(tǒng)所設定的功能單位初始值，對系統(tǒng)流程圖中所有單元過程的物質流數(shù)值，基于物料平衡原理采用矩陣模型進行分析，并運用高斯消元法簡化計算復雜度，得出輸入、輸出流的數(shù)據(jù)清單。在此基礎上運用遞推原理，根據(jù)相鄰單元過程之間的物質流關系，對產品或工藝所包含的物質流類型進行整理，并對各單元過程的數(shù)據(jù)進行匯總分析，最終得出準確清晰的清單分析結果，為工業(yè)生產過程中的影響評價和改善方法提供了較好的理論和實踐基礎。