面向機電產(chǎn)品綠色設(shè)計與評價協(xié)同的生命周期評價參數(shù)計算方法

閆萌　李濤　楊晨　王明宇　楊東東

摘要：為了協(xié)同分析機電產(chǎn)品綠色設(shè)計與評價過程，采用產(chǎn)品設(shè)計域、生命周期活動域和環(huán)境影響評價域多域關(guān)聯(lián)的建模方法建立綠色設(shè)計與生命周期階段之間的關(guān)聯(lián)映射，通過生命周期評價參數(shù)計算方法，將生命周期活動域與環(huán)境影響評價域相關(guān)聯(lián)。開發(fā)生命周期評價計算工具，將生命周期評價參數(shù)計算方法應(yīng)用于產(chǎn)品綠色設(shè)計全生命周期階段，當(dāng)綠色設(shè)計信息改變時，只需在計算工具中調(diào)整相應(yīng)參數(shù)就可以實時地得到設(shè)計信息更改之后的環(huán)境影響，從而幫助設(shè)計人員重新對產(chǎn)品進行綠色設(shè)計。以CWT3300D-165型風(fēng)力發(fā)電機作為典型機電產(chǎn)品進行應(yīng)用驗證，建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，計算產(chǎn)品整機、部件、零件的環(huán)境影響。由計算結(jié)果可知，地基、機艙這兩個一級零部件對環(huán)境的影響最嚴重，需在產(chǎn)品設(shè)計階段著重考慮綠色性，改進綠色設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：生命周期評價；多域關(guān)聯(lián)；FSMPT模型；參數(shù)化計算

中圖分類號：TH122

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.008

Calculation Method of LCA Parameters for Green Design and Assessment Collaboration of Electromechanical Products

YAN Meng LI Tao YANG Chen WANG Mingyu YANG Dongdong

Abstract： In order to collaboratively analyze the green design and assessment processes of electromechanical products， the correlation mapping between green design and life cycle stages was established using the modeling method of multi-domain correlation of product design domain， life cycle activity domain and environmental impact assessment domain. The life cycle activity domain was correlated with the environmental impact assessment domain through the calculation method of life cycle assessment parameters.The LCA calculation tool was developed， and the calculation method of LCA parameters was applied to the whole life cycle stage of product green design. When the green design information was changed， just adjusting the corresponding parameters in the calculation tool， the environmental impact could be obtained after the design information was changed in real time， so as to help designers to re-design the product to green design. CWT3300D-165 wind turbine was used as a typical electromechanical product for application verification， and a product structure tree was established to calculate the environmental impact of the whole machine， components and parts of the product. From the calculation results， it may be seen that the two first-level components， foundation and nacelle， have the most serious environmental impact and need to focus on greenness in the product design stages and improve the green design scheme.

Key words： life cycle assessment（LCA）; multi-domain association; function-structure-material-process-transport（FSMPT） model; parametric calculation

0 引言

綠色設(shè)計可從源頭上解決資源、能源的過度消耗和環(huán)境污染問題，是落實綠色制造戰(zhàn)略的重要途徑［1］，但現(xiàn)有綠色設(shè)計存在清單數(shù)據(jù)異構(gòu)、設(shè)計方法多元、設(shè)計流程分散、缺乏系統(tǒng)性平臺工具支持等問題，阻礙了綠色設(shè)計在企業(yè)中的應(yīng)用。目前，以網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化為特征的綠色設(shè)計工具已成為綠色設(shè)計研究的重點和應(yīng)用的急需。

很多專家在產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域進行了深入研究，GERO等［2］首次提出功能-行為-結(jié)構(gòu)（function-behavior-structure， FBS）模型，該模型可針對功能需求生成相應(yīng)的結(jié)構(gòu)方案。FBS模型是初代模型，為了適應(yīng)復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計需求和環(huán)境需求，許多改良的綠色設(shè)計模型應(yīng)運而生，如功能-環(huán)境-行為-結(jié)構(gòu)設(shè)計模型［3］、功能流模型［4］、功能分解模型［5］、功能-行為-狀態(tài)模型［6］。付巖等［7］提出了基于功能-結(jié)構(gòu)-材料-工藝（function-structure-material-process， FSMP）模型的機電產(chǎn)品綠色設(shè)計，綜合考慮產(chǎn)品材料、工藝、使用、回收階段的關(guān)聯(lián)關(guān)系進行集成表達，結(jié)合生命周期評價（life cycle assessment， LCA）完成設(shè)計空間節(jié)點的環(huán)境影響評價，在產(chǎn)品綠色設(shè)計方案評價理論方面取得了重大進展，對綠色設(shè)計評價具有重要的指導(dǎo)作用。隨后，又有許多學(xué)者提出設(shè)計-知識理論模型，構(gòu)建了設(shè)計與知識的映射空間，從而生成新概念、新知識乃至有實用價值的新功能［8］。公理化設(shè)計理論為需求和功能之間的映射提供指導(dǎo)［9］。邢璐等［10］提出一種集成面向環(huán)境的設(shè)計（environment-based design， EBD）和TRIZ理論的機電系統(tǒng)綠色設(shè)計方法，建立“需求-環(huán)境-沖突-原模型-解決方案”的設(shè)計邏輯，利用面向環(huán)境的設(shè)計方法識別設(shè)計需求與環(huán)境約束之間的矛盾，迭代分析需求與環(huán)境間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而解耦復(fù)雜抽象的專業(yè)問題。屠立等［11］提出了基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的知識模板概念，用統(tǒng)一建模語言建立了復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計階段的功能-行為-結(jié)構(gòu)模型。楊應(yīng)虎等［12］提出了一種基于NX軟件提供的機電一體化概念設(shè)計模塊（mechatronics concept designer， MCD）的協(xié)同設(shè)計方法，考慮產(chǎn)品綠色性進行功能設(shè)計。上述基于改進的FBS模型研究可以支持產(chǎn)品綠色設(shè)計，但綠色設(shè)計涉及產(chǎn)品生命周期多個階段，將原材料、工藝、使用、回收、運輸?shù)刃畔⒕紤]在內(nèi)的協(xié)同設(shè)計與評價的研究相對較少。

信息技術(shù)的發(fā)展為生命周期評價軟件的研究提供了條件。楊建新等［13］提出了我國產(chǎn)品生命周期影響評價所需的標準化基準以及確定權(quán)重的方法。黃娜等［14］提出了一種系統(tǒng)化評估和控制LCA數(shù)據(jù)質(zhì)量的方法（CLCD-Q方法），通過LCA實例對清單數(shù)據(jù)的不確定性進行評估。CIROTH［15］開發(fā)了open LCA；ONG等［16］開發(fā)了一種基于半定量化原理的快速LCA工具，可以迅速對含有較多部件的機電產(chǎn)品進行LCA分析；SINGH等［17］開發(fā)了Eco-LCA，可以對生態(tài)資源進行定量評價。除了上述軟件，國外還有幾款知名的的商用LCA軟件，如Simapro， GaBi和TEAM。這些軟件功能大體一致，但在方法、速度、適用性上有些許不同，并且這些計算軟件通常用在產(chǎn)品服役后，而非用于產(chǎn)品綠色設(shè)計階段，同時對輸入清單、參數(shù)要求嚴格。為解決上述問題，筆者開發(fā)了一款產(chǎn)品LCA參數(shù)計算工具，通過有限的清單數(shù)據(jù)，將產(chǎn)品各階段生命周期信息以參數(shù)的形式輸入，經(jīng)過計算，獲得環(huán)境影響評價結(jié)果。

LCA需要應(yīng)用在產(chǎn)品生命周期的所有階段，從而對產(chǎn)品環(huán)境影響進行全面的評價，提高產(chǎn)品綠色性能。除此之外，LCA通常被用于產(chǎn)品服役后評估，而非用于改進產(chǎn)品綠色設(shè)計，因此無法提升產(chǎn)品的環(huán)境性能。本文的目標是將LCA方法應(yīng)用于機電產(chǎn)品全生命周期階段，協(xié)同分析產(chǎn)品設(shè)計與評價過程，并開發(fā)LCA參數(shù)計算工具。設(shè)計人員將產(chǎn)品生命周期信息以參數(shù)形式輸入，即可對其進行完整的評估。此外，該工具允許隨著設(shè)計的不斷改進，輸入改進之后的參數(shù)信息，以快速準確地獲得環(huán)境影響結(jié)果。

本文提出了設(shè)計與評價協(xié)同模型，對產(chǎn)品設(shè)計信息進行生命周期評價，從而得到產(chǎn)品各零部件環(huán)境影響結(jié)果，回溯產(chǎn)品關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，提升產(chǎn)品綠色性?；诋a(chǎn)品綠色設(shè)計模型—FSMPT（function-structure-material-process-transport）模型和產(chǎn)品生命周期階段之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系建立生命周期映射矩陣（life cycle mapping matrix， LCMM［18］），再結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹對零件、部件、整機進行LCA計算，最后得到環(huán)境影響結(jié)果。

1 多域關(guān)聯(lián)模型整體框架

由于機電產(chǎn)品設(shè)計信息存在著大量不確定性、跨生命周期階段性，易在產(chǎn)品生命周期的不同階段間形成信息孤島，因此機電產(chǎn)品生命周期設(shè)計信息缺乏有效的集成以及形式化表達。傳統(tǒng)綠色設(shè)計模型的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性不強，設(shè)計與評價缺乏有效的關(guān)聯(lián)，設(shè)計與評價協(xié)同運行機制的研究依然處于探索階段。針對上述問題，本文建立了產(chǎn)品多域關(guān)聯(lián)的綠色設(shè)計與評價協(xié)同模型，基于機電產(chǎn)品生命周期的物質(zhì)流、能量流、信息流分析，構(gòu)建機電產(chǎn)品環(huán)境影響評價指標體系，提出了產(chǎn)品多域關(guān)聯(lián)的綠色設(shè)計與評價協(xié)同建模技術(shù)，支持產(chǎn)品設(shè)計與評價集成管理。通過建立綠色設(shè)計與生命周期階段關(guān)聯(lián)映射模型，將產(chǎn)品設(shè)計域與生命周期活動域相關(guān)聯(lián)；通過參數(shù)LCA計算，將生命周期活動域與環(huán)境影響評價域相關(guān)聯(lián)。

圖1展示了多域關(guān)聯(lián)模型，產(chǎn)品設(shè)計域包括產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、材料、工藝、運輸五部分；生命周期活動域包括產(chǎn)品的五個生命周期階段的活動信息，通過綠色設(shè)計模型（FSMPT模型）和生命周期活動信息建立生命周期映射矩陣（LCMM）；環(huán)境影響評價域包括六類環(huán)境影響指標和生命周期評價（LCA）。

2 產(chǎn)品設(shè)計域與生命周期活動域關(guān)聯(lián)模型

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹模型

機電產(chǎn)品是由其零部件組成的。以樹的形式表示產(chǎn)品的零部件關(guān)系可以將復(fù)雜產(chǎn)品自頂向下地分解為部件和零件，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹如圖2所示。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹組成如下：

（1）根節(jié)點。根節(jié)點指結(jié)構(gòu)樹中最頂端的節(jié)點，根節(jié)點只有一個。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中產(chǎn)品為根節(jié)點。

（2）子節(jié)點。除根節(jié)點之外，自身下面還連接節(jié)點的部件節(jié)點為子節(jié)點。

（3）葉子節(jié)點。葉子節(jié)點指結(jié)構(gòu)樹中最底端的節(jié)點，該節(jié)點下面沒有子節(jié)點。零件節(jié)點為葉子節(jié)點。

2.2 FSMPT模型

為了更加科學(xué)、全面地進行產(chǎn)品生命周期評價，筆者在付巖等［7］提出的FSMP模型基礎(chǔ)上添加運輸階段，建立了包括功能、結(jié)構(gòu)、材料、工藝、運輸在內(nèi)的產(chǎn)品綠色設(shè)計模型，即FSMPT模型，該模型中的功能（F）與結(jié)構(gòu)（S）之間的映射是參考FBS模型中功能、行為、結(jié)構(gòu)三者的關(guān)聯(lián)關(guān)系建立起來的。為了解決產(chǎn)品綠色設(shè)計與生命周期階段集成度低、缺乏有效關(guān)聯(lián)的問題，將FSMPT模型與生命周期階段相關(guān)聯(lián)。產(chǎn)品生命周期階段包括原材料獲取階段、制造階段、使用階段、回收階段和運輸階段。

FSMPT模型與產(chǎn)品生命周期階段的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖3所示。在FSMPT模型中，功能表示產(chǎn)品具有的功能，與使用階段相關(guān)聯(lián)；結(jié)構(gòu)表示為實現(xiàn)某種特定功能所具有的特定結(jié)構(gòu)，與回收階段相關(guān)聯(lián)；材料表示產(chǎn)品生產(chǎn)所需的原材料，與原材料獲取階段相關(guān)聯(lián)；工藝表示產(chǎn)品生產(chǎn)制造方式，與制造階段相關(guān)聯(lián)；運輸描述產(chǎn)品地理位置移動的過程信息，表示產(chǎn)品零部件的運輸以及零部件原材料的運輸，與運輸階段相關(guān)聯(lián)。

2.3 基于FSMPT模型的生命周期映射矩陣

基于FSMPT模型建立生命周期映射矩陣Li如下：

3.2 參數(shù)化LCA計算方法

3.2.1 清單分析

以下二元數(shù)組展示了各節(jié)點的清單信息Qi：

（10）

當(dāng)i分別為零件節(jié)點、部件節(jié)點、產(chǎn)品節(jié)點時，Qi分別對應(yīng)不同節(jié)點的清單信息。Qi中Iin表示每個節(jié)點的初級能源消耗的種類Sa和數(shù)值Va（以煤、石油、天然氣作為清單物質(zhì)，單位為kg）；Oout表示環(huán)境影響排放的種類Sb和數(shù)值Vb（以CO、CO2、SO2、NOx、CH4、H2S、HCL、COD、NH3、CFCs作為清單物質(zhì)，單位為kg）。Iin和Oout二者共同構(gòu)成了該節(jié)點整個生命周期過程的清單。

3.2.2 環(huán)境影響評價

結(jié)合ISO、SETAC以及美國環(huán)保署提供的LCIA框架模型，建立典型的“分類、特征化、量化”三步走的生命周期環(huán)境影響評價模型如圖4所示。

生命周期影響評價方法步驟如下：

（1）指標選擇?；谥悬c法（midpoints），著眼于環(huán)境影響，采用EDIP2003方法［21］解釋LCI數(shù)據(jù)對環(huán)境問題的貢獻度。選擇的環(huán)境影響指標為初級能源消耗（PED）、全球變暖（GWP）、酸化（AP）、富營養(yǎng)化（EP）、光化學(xué)煙霧（POCP）、臭氧層破壞（ODP）。本文采用的指標選擇方法為EDIP2003方法，為了方法具有通用性，決策者也可以根據(jù)需要選擇其他的環(huán)境影響指標作為其他案例進行研究，而不對本文所提出的LCA參數(shù)計算方法進行更改。

（2）分類。將不同類型的清單物質(zhì)劃分到不同的環(huán)境影響指標中，分類方法以及標準參考物質(zhì)如表1所示。

（3）特征化。清單數(shù)據(jù)的特征化就是計算環(huán)境影響潛值，是量化生命周期資源消耗、環(huán)境排放所產(chǎn)生的環(huán)境影響潛在貢獻的過程，利用特征化因子對歸屬于各個環(huán)境影響指標的清單物質(zhì)進行加和，計算公式如下：

（11）

式中，K（q）為第q種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響潛值；K（q）p為第p種排放物或消耗的資源對所屬的第q種環(huán)境影響類型的貢獻值；C（q）p為第p種排放物或消耗的資源對所屬的第q種環(huán)境影響類型的特征化因子，詳見表1特征化因子。

（4）標準化。對所選擇的各個環(huán)境影響指標進行比較，量化各環(huán)境影響類型對綜合環(huán)境影響的貢獻率，采用標準人當(dāng)量（每人每年平均環(huán)境影響潛值）作為標準化基準，計算公式如下：

（12）

式中，y為基準年；H（q）y為在基準年指定區(qū)域的第q種環(huán)境影響的人均環(huán)境影響潛值，即標準化因子，如表1所示；N（q）為在基準年指定區(qū)域的第q種環(huán)境影響的總環(huán)境影響潛值。

（5）加權(quán)評估。為了確定綜合環(huán)境影響大小，需給予每一個環(huán)境影響指標相應(yīng)的權(quán)重。權(quán)重利用“目標距離法”（當(dāng)前某項環(huán)境水平與目標水平的距離商）來表征其重要性。權(quán)重因子如表1所示，利用下式得到綜合環(huán)境影響：

（13）

式中，E為生命周期綜合環(huán)境影響；W（q）為第q種環(huán)境影響類型的權(quán)重。

3.2.3 結(jié)果解釋

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹上的節(jié)點類型分為零件節(jié)點、部件節(jié)點以及產(chǎn)品節(jié)點。選擇各節(jié)點生命周期過程中的原材料獲取階段、制造階段、使用階段、回收處理階段、運輸階段，環(huán)境影響指標選擇PED、GWP、AP、EP、POCP、ODP，計算各節(jié)點環(huán)境影響。

節(jié)點i的最終計算結(jié)果三元組Wi由節(jié)點的清單信息Qi（包括Iin和Oout）和環(huán)境影響指標Dres共同組成：

（14）

其中，Dres表示該節(jié)點各項環(huán)境影響指標的種類Sc和計算結(jié)果Vc，Vcr（r=1，2，…，6）表示6類環(huán)境影響指標的環(huán)境影響潛值。將數(shù)據(jù)清單Qi中Iin和Oout根據(jù)式（11）～式（13）進行特征化、標準化、加權(quán)計算得到三元組Wi中的環(huán)境影響指標Dres，然后將計算方法集成到LCA參數(shù)計算工具上。

4 軟件實現(xiàn)及案例分析

4.1 計算工具開發(fā)和運行環(huán)境

LCA計算工具選擇了最流行的開發(fā)環(huán)境和工具，便于使用和維護。其中，工具開發(fā)平臺為Windows 10操作系統(tǒng)；工具開發(fā)語言為Java、JavaScript；工具開發(fā)工具為IDEA 2019.3、Powder Designer 15.0、WebStorm 2020；工具開發(fā)數(shù)據(jù)庫為MySQL 5.5、Redis 3.2；工具開發(fā)框架為Spring Boot、BootStrap；

工具運行平臺為Linux 7.6操作系統(tǒng)；工具運行服務(wù)器為阿里云輕量型服務(wù)器；Java運行環(huán)境為JDK1.8；工具運行數(shù)據(jù)庫為MySQL 5.5、Redis 3.2；工具反向代理為OpenResty。

4.2 風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹

以CWT3300D-165型風(fēng)力發(fā)電機作為典型機電產(chǎn)品構(gòu)建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，如圖5所示。部件輪轂、部件機艙、部件塔架、零件葉片、零件變流器、零件地基構(gòu)成1級零部件，1級零部件再往下分為2級零部件，變槳系統(tǒng)為2級零部件，其標號為1.1，2級零部件之下還有3級、4級、5級零部件，3級零部件標號為1.1.1，所有零部件共同組成完整的產(chǎn)品。根據(jù)中車山東風(fēng)電有限公司提供的CWT3300D-165型風(fēng)力發(fā)電機物料清單（bill of material，BOM）進行篩選、整合可得到進行LCA計算的物料清單。

將CWT3300D-165型號風(fēng)力發(fā)電機BOM導(dǎo)入計算工具，產(chǎn)品各級零部件結(jié)構(gòu)如圖6所示，這里只展示產(chǎn)品、1級零部件和2級零部件。

本研究的功能單元為：一臺風(fēng)力發(fā)電機每天工作18 h，服役20年。系統(tǒng)邊界為：從原材料采掘到風(fēng)機部件回收的全過程，產(chǎn)品應(yīng)用在中國西北內(nèi)陸地區(qū)。由于產(chǎn)品的安裝和維護階段對結(jié)果影響小于5%，因此在計算時不予考慮。

4.3 應(yīng)用驗證

CWT3300D-165型風(fēng)力發(fā)電機一小時發(fā)電量約為3000 kW·h，發(fā)電效率為80%，一年運轉(zhuǎn)300天，一天工作18 h，累計工作20年的發(fā)電量為2.592×108 kW·h?；鹆Πl(fā)電發(fā)一度電需要0.3 kg煤，產(chǎn)出等量的電，風(fēng)力發(fā)電相當(dāng)于節(jié)省7.776×107 kg煤。通過對中國某風(fēng)機企業(yè)實地調(diào)研，得到風(fēng)機詳細信息如表2所示，包括產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品材料、運輸距離、運輸方式、使用階段標準化煤質(zhì)量。

根據(jù)表3和式（9）建立風(fēng)機產(chǎn)品節(jié)點生命周期映射矩陣如下：

使用計算工具依次計算輪轂總成、機艙總成、塔筒總成、葉片、地基、變流器的環(huán)境影響，環(huán)境影響結(jié)果如表4所示，上述部件節(jié)點的背景清單數(shù)據(jù)見表5～表10。經(jīng)過LCA計算工具計算之后，得到產(chǎn)品節(jié)點最終結(jié)果Wprd如下：

LCA計算工具提供了豐富的圖表展示，圖7所示為風(fēng)機各零部件環(huán)境影響對總環(huán)境影響貢獻度情況。圖8展示了對環(huán)境影響最大的前19個零部件，以及6項環(huán)境指標對該零部件的環(huán)境影響分布情況。圖9列舉了風(fēng)力發(fā)電機生命周期各階段的環(huán)境影響情況。

因為零件數(shù)量過多，圖8僅展示了1級和2級零件，分析圖8可以看出，1級零部件中環(huán)境影響最大的是地基，占比66.34%，其次是機艙總成，占比17.51%，影響最小的是變流器，占比0.05%。分析2級零部件的對比結(jié)果可以得出，影響最大的2級零部件是葉片1、葉片2、葉片3，各占14.01%。

由圖9可以看出，該風(fēng)力發(fā)電機所有零部件中環(huán)境影響最大的前3個零部件依次為：地基、機艙總成、塔筒總成。1級零件地基對富營養(yǎng)化（EP）和光化學(xué)煙霧（POCP）這兩類環(huán)境影響貢獻度最大，分別為17 125.16和21 831.86。

由圖9可知，對PED貢獻度最大的是原材料獲取階段，其次是制造階段；對GWP、AP、EP貢獻度最大的均是運輸階段，因此在進行產(chǎn)品LCA分析時，很有必要考慮運輸階段的信息；對POCP貢獻度最大的是制造階段；風(fēng)機生命周期所有階段對ODP的貢獻度很小。產(chǎn)品使用階段和回收階段對6類環(huán)境影響均有一定的抑制作用。

5 結(jié)論

（1）提出機電產(chǎn)品綠色設(shè)計與評價協(xié)同的多域關(guān)聯(lián)模型，通過產(chǎn)品綠色設(shè)計與生命周期階段關(guān)聯(lián)建模將產(chǎn)品設(shè)計域與生命周期活動域相關(guān)聯(lián)；通過LCA計算將生命周期活動域與環(huán)境影響評價域相關(guān)聯(lián)。將LCA參數(shù)方法應(yīng)用于產(chǎn)品綠色設(shè)計中，并開發(fā)LCA參數(shù)計算工具，將產(chǎn)品生命周期信息以參數(shù)的形式輸入能夠快速準確地進行環(huán)境影響評價。此外，該工具允許設(shè)計不斷改進，輸入改進之后的產(chǎn)品信息可以快速準確地獲得環(huán)境影響結(jié)果。

（2）基于產(chǎn)品綠色設(shè)計模型（FSMPT模型）和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹建立生命周期映射矩陣（LCMM），實現(xiàn)了對機電產(chǎn)品零部件設(shè)計信息和生命周期階段信息的有效集成，通過對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹各節(jié)點的遍歷，實現(xiàn)了對具有復(fù)雜零部件關(guān)系的機電產(chǎn)品進行生命周期評價的目標，并獲得了最終環(huán)境影響結(jié)果。以CWT3300D-165型風(fēng)力發(fā)電機作為典型機電產(chǎn)品，計算出在其生命周期內(nèi)的5個階段所消耗的能源以及相應(yīng)的環(huán)境影響。根據(jù)1級部件的環(huán)境影響結(jié)果可知，地基對環(huán)境影響最大，其次是機艙總成，因此這兩個主要1級部件需在產(chǎn)品設(shè)計階段著重考慮產(chǎn)品綠色性，改進產(chǎn)品綠色設(shè)計方案。

（3）本文采用EDIP2003影響評價方法進行研究，為了方法具有通用性，決策者也可以根據(jù)需要選擇其他的環(huán)境影響指標進行其他案例研究。

（4）設(shè)計人員將生命周期信息以參數(shù)輸入，對產(chǎn)品進行環(huán)境影響評價，幫助設(shè)計人員快速地找到對環(huán)境影響較大的零部件并重新對其進行綠色設(shè)計，可提高機電產(chǎn)品整體的綠色性，使產(chǎn)品設(shè)計朝著“更綠色，可持續(xù)”的方向發(fā)展。

參考文獻：

［1］余南平，王德恒. 中國制造2025［M］. 上海：上海人民出版社， 2017.

YU Nanping，WANG Deheng. Made in China 2025 ［M］ Shanghai：Shanghai Peoples Publishing House， 2017.

［2］GERO J S， KANNENGIESSER U. The Situated Function-behavior-structure Framework［J］. Design Studies，2004，25（4）：373-391.

［3］DENG Y M， TOR S B， BRITTON G A. Abstracting and Exploring Functional Design Information for Conceptual Mechanical Product Design［J］. Engineering with Computers， 2000，16（1）：36-52.

［4］STONE R B， WOOD K L. Development of a Functional Basis for Design［J］. Journal of Mechanical Design， 2000， 122（4）：359-370.

［5］YUAN L Y L， LIU Y L Y， SUN Z S Z， et al. A Hybrid Approach for the Automation of Functional Decomposition in Conceptual Design ［J］. Journal of Engineering Design，2016（4/6）：333-360.

［6］HABIB T A， KOMOTO H B. Comparative Analysis of Design Concepts of Mechatronics Systems with a CAD Tool for System Architecting［J］. Mechatronics， 2014，24 （7）：788-804.

［7］付巖，王黎明，李方義，等. 基于FSMP模型的機電產(chǎn)品綠色設(shè)計方案生成方法［J］. 計算機集成制造系統(tǒng)， 2023， 29（4）：1301-1312.

FU Yan， WANG Liming， LI Fangyi， et al .Generation Method of Green Design Scheme for ElectroMechanical Products Based on FSMP Model ［J］.Computer Integrated Manufacturing System， 2023， 29（4）：1301-1312.

［8］LI M， CAO S， QIN Z Q. Creation Method and Evolution Evaluation of Concept Knowledge Maps ［J］. Journal of Internet Technology， 2016， 17 （2）：179-189．

［9］AWASTHI A， OMRANI H. A Goal-oriented Approach Based on Fuzzy Axiomatic Design for Sustainable Mobility Project Selection ［J］. International Journal of Systems Science：Operations & Logistics， 2019，６（1）：86-98.

［10］邢璐，華一雄，張執(zhí)南. 集成EBD和TRIZ的機電系統(tǒng)概念設(shè)計方法［J］. 上海交通大學(xué)學(xué)報，2022， 56（5）：576-583.

XING Lu， HUA Yixiong， ZHANG Zhinan. Conceptual Design Method of Electromechanical System Integrating EBD and TRIZ［J］.? Journal of Shanghai Jiao Tong University， 2022， 56（5）：576-583.

［11］屠立， 張樹有， 陸長明. 基于知識模板的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計重用方法研究［J］. 計算機集成制造系統(tǒng)， 2009，15（6）：1041-1048.

TU Li， ZHANG Shuyou， LU Changming. Design Reuse Method of Complex Product Based on Knowledge Template ［J］. Computer Integrated Manufacturing Systems， 2009，15（6）：1041-1048.

［12］楊應(yīng)虎，陳昳，呂洪杰. 基于 NX MCD 的協(xié)同設(shè)計方法與應(yīng)用技術(shù)研究［J］. 中國機械，2021， 32（4）：20-21.

YANG Yinghu， CHEN Yi， LYU? Hongjie. Research on Collaborative Design Method and Application Technology Based on NX MCD ［J］.China Machinery， 2021， 32（4）：20-21.

［13］楊建新，王如松，劉晶茹. 中國產(chǎn)品生命周期影響評價方法研究［J］. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報， 2001，21（2）：234-237.

YANG Jianxin， WANG Rusong， LIU Jingru. Research on Life Cycle Impact Assessment Method of Chinese Products ［J］ Journal of Environmental Science， 2001，21（2）：234-237.

［14］黃娜， 王洪濤， 范辭冬， 等. 基于不確定度和敏感度分析的LCA數(shù)據(jù)質(zhì)量評估與控制方法［J］. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2012， 32（6）：1529-1536.

HUANG Na， WANG Hongtao， FAN Cidong， et al .LCA Data Quality Evaluation， and Control Method Based on Uncertainty and Sensitivity Analysis ［J］ Journal of Environmental Science，2012， 32（6）：1529-1536.

［15］CIRITH A. ICT for Environment in Life Cycle Applications OpenLCA：a New Open Source Software for Life Cycle Assessment ［J］. The International Journal of Life Cycle Assessment， 2007， 12（4）：209-10.

［16］ONG S， KOH T， NEE A. Development of a Semi-quantitative Pre-LCA Tool ［J］. Journal of Materials Processing Technology， 1999， 89，574-582.

［17］SINGH S， BAKSHI B R. Eco-LCA：a Tool for Quantifying the Role of Ecological Resources in LCA［C］∥Proceedings of the 2009 IEEE International Symposium on Stainable Systems and Technology. Tempe：IEEE，2009：10772767.

［18］孟強，李方義，李靜，等. 基于綠色特征的方案設(shè)計快速生命周期評價方法［J］. 計算機集成制造系統(tǒng)，2015，21（3）：626-633.

MENG Qiang， LI Fangyi， LI Jing， et al. A Rapid Life Cycle Assessment Method Based on Green Features in Supporting Conceptual Design［J］. Computer Integrated Manufacturing Systems， 2015，21（3）：626-633.

［19］PENG Shitong， LI Tao， DONG Mengmeng， et al. Life Cycle Assessment of a Large-scale Centrifugal Compressor：a Case Study in China［J］. Journal of Cleaner Production， 2016， 139：810-820.

［20］XIMENES F A. Life Cycle Assessment—Principles， Practice and Prospects ［J］. Austral Ecology， 2010， 5（1）， 117-118.

［21］GUINE J， HEIJUNGS R. Life Cycle Assessment：an Operational Guide to the ISO Standards［J］. Environmental Science， 2002：128062003.

（編輯 王艷麗）

作者簡介：

閆 萌，男，1998年生，碩士研究生。研究方向為機電產(chǎn)品可持續(xù)設(shè)計與評價。

李 濤（通信作者），女，1977年生，副教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向為產(chǎn)品可持續(xù)性評價方法、激光增材修復(fù)技術(shù)、機械裝備能耗分析與評估方法等。E-mail：litao@dlut.edu.cn。

收稿日期：2022-09-15

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2020YFB1711600）