基于綠色特征的生命周期評價與回溯機制研究

楊曉東 賈秀杰 李方義 紀芹芹 辛蘭蘭 孟 強

（山東大學機械工程學院可持續制造中心，山東濟南 250061）

產品性能的70% ～80%由設計階段決定［1］，整個生命周期的環境性能很大程度取決于產品設計階段［2］。而方案設計是產品設計的重要階段和成功與否的關鍵，如何在方案設計中系統評價產品全生命周期的環境和資源屬性，是產品綠色設計成功與否的關鍵。

現有的LCA評價框架［3－5］大多是針對已有的產品進行數據的收集，建立正向評價模型進行環境影響評價，較難將評價結果與產品方案設計信息相關聯，對方案的優化有一定的局限性;LCA方法［6－8］主要是對既有產品或詳細設計后的產品設計方案進行評價或比較，進而提出改進意見，存在數據可靠性差、評價結果不夠直觀、缺乏專用軟件和數據庫、評價周期長等不足，無法適用于方案設計階段［9］。本文針對目前綠色設計評價方法的不足，重點研究在方案設計階段如何在大量不確定信息環境下的綠色設計模型，支持方案設計階段的綠色設計。為了更好地實現產品方案的優化，本文建立了一種回溯機制將LCA評價結果與產品設計信息相關聯。如何從方案設計中提取各種綠色信息，進行生命周期評價，進而回溯和指導產品設計具有重要的研究意義［10－12］。

1 綠色特征的提出

綠色設計建立在大量綠色信息綜合評價的基礎上，而常規設計思想在信息表達上與綠色設計的信息需求有一定的差異［13］，在兩種設計域中存在著一定的映射關系。常規設計往往考慮到功能結構的實現、工藝性能、運輸性、經濟性等，這些性能表現在產品的設計參數上，如材料選擇、設計尺寸、加工參數等［14］。而綠色設計還要考慮產品的環境影響性能，如產品的能耗、排放、噪聲、回收等性能。要進行綠色設計首先要建立從常規設計變量到產品綠色屬性之間的這種映射關系，從產品的常規設計信息中提取綠色信息。本文提出“綠色特征”概念，對設計域內的相關綠色信息進行描述和集成表達。

應用集合的理論，綠色特征（GF:Green Feature）是一組有關產品全生命周期內綠色設計信息的集合，可描述為:

其中:FT代表產品生命周期階段，FT={Ti，i=1，2，…，n|原材料獲取，生產制造，包裝運輸，…};FI代表產品各個零部件，包含相應的設計信息，FI={Ij，j=1，2，…，m|零部件1，零部件2，零部件3，…};FG代表綠色特征與產品設計信息之間的映射關系，FG={Gk，k=1，2，…，p|材料特征，加工特征，使用特征，…}。

綠色特征包含了3個層面的信息。首先，從時間域上看，綠色特征涵蓋了產品的整個生命周期過程，從原材料的采集、生產制造、包裝運輸、使用維護到產品的報廢處理、回收再利用，構成一個閉環的過程;從物理域的角度看，綠色特征包含產品的各個部件、組件、零件;從關系域上看，綠色特征實現方案由常規設計域到綠色設計域的轉換。

綠色特征的定義具備以下特點:

（1）完備性。綠色特征采用三元組合定義的方式來定位綠色設計中的信息，從時間域、物理域、環境影響域3個方面綜合考慮，涵蓋了產品生命周期各個過程和階段，關注構成產品的每一個零部件，充分考慮了其環境影響信息，保證了綠色信息描述的完備性。

（2）高度的柔性。在綠色特征的定義中沒有強制規定綠色設計必須考慮的設計因素，而是通過“模板”的方式來定義設計行為，設計者可以根據所設計產品的實際情況來確定設計活動中考慮的因素，通過綠色特征定義任意產品的綠色特性，通過不同的特征組合進行產品的方案設計。在產品的方案設計階段，包含大量的設計信息，同時有大量的信息具有不確定性，綠色特征這種完備性和高度柔性的定義符合方案設計階段大量信息不確定性的要求。

綠色特征由綠色特征屬性表征，不同的綠色特征具有不同的屬性。如材料特征具有材料類型、材料用量等屬性;加工特征具有加工能耗、加工排放等屬性。

2 綠色特征建模

綠色特征的建立基于這3個域的集合，本文以“矩陣”的形式表達各個域內的信息，以“矩陣相乘”的形式進行綠色特征的建立。

2．1 綠色設計矩陣的建立

綠色特征為設計信息的三元組合，其中的FT表示生命周期的各個階段，FI表示產品的各個零部件，將FT與FI相乘運算的結果定義為綠色信息矩陣IT。IT綠色信息矩陣是廣義設計信息矩陣，它將常規的方案設計中各零部件的材料信息、制造信息、質量信息、管理信息、使用維護信息、回收處理信息等按照生命周期各個階段以矩陣的形式表示，如式（2）所示。由于方案設計階段只是對產品設計的總體概述，有大量不確定的信息，因此綠色信息矩陣不一定具體到每一個零部件，而是以裝置作為矩陣表達的基本單位。其中，矩陣中的每個元素表示一組設計信息，如IT11表示動力裝置設計過程中的材料設計信息，包括動力部件內各零件的材料型號，材料用量等設計信息。

設計信息的表達在數據內容和格式上都具有很高的柔性，可以是某個零件的具體信息也可是某個過程的總體信息，不要求每一行每一列都是完整的信息。行向量代表常規設計中的各個子功能模塊，對應相應的物理模塊，物理模塊可根據方案設計的詳細程度進一步細分到部件或零件，此時需增加相應物理模塊的行數。列向量代表生命周期各個階段，包括材料設計、工藝設計、裝配設計、使用設計、包裝設計、物流設計、拆卸設計、報廢設計等。同樣，列向量可根據具體要求再細分到更小的生命周期階段，僅需增加相應的列。

2．2 綠色特征映射關系分析

綠色特征與方案設計信息之間存在一定的映射關系，如圖1所示。為便于綠色特征的提取，將映射關系以廣義映射矩陣的形式表達，如式（3）所示。其中，不同列向量表示不同的綠色特征與設計信息之間的映射關系，每一列向量為相同的映射函數。

FG為映射矩陣，其列向量Fk（）代表第種綠色特征與設計信息之間的映射關系。因綠色特征是由其屬性進行表征，所以Fk（）并不是單一的映射函數，而是許多子映射函數的集合，如下式表示:

其中，fkp（）代表第k種綠色特征的第p種屬性對應的映射函數。例如回收特征中的產品回收率屬性，其映射函數可描述為:

其中:mi為產品中某種材料的用量;γi為該材料的回收率。

映射函數的建立是一個非常復雜的過程，需要今后不斷地擴充。

2．3 產品方案設計綠色特征的建立

本文將綠色特征定義中的3個域內的設計信息以3個廣義矩陣表示，綠色特征的建立過程基于這3個廣義矩陣的乘法。第一步按照具體的設計流程將時間域和物理域的兩個矩陣相乘得到表示產品方案設計階段設計信息的矩陣IT;第二步分析綠色特征與產品設計信息之間的映射關系，建立映射矩陣FG;再將設計信息矩陣IT與映射矩陣FG廣義相乘得到綠色特征矩陣GF，如式6所示。

這里的“矩陣”和“矩陣相乘”不是數學意義上的嚴格矩陣和矩陣相乘，兩者之間有所區別。

首先，在矩陣元素的形式上，嚴格的數學矩陣中的每個元素都是數學數值。而本文用于3個域內產品信息表達的矩陣中的元素是廣義的設計信息及映射準則，各元素不一定是嚴格的數學數值，可以是用于模糊表述設計參數的語言，且各元素的單位不一。其次，在矩陣數據的完整性上，數學矩陣要求所有行與列的元素完整。而本文所闡述的廣義矩陣針對方案設計階段的設計變量，因為有大量的不確定信息存在，因此允許矩陣中部分元素的缺失。再次，在矩陣乘法運算上，本文進行的廣義矩陣的乘法運算除了按照矩陣乘法的規則進行行與列的運算外還包含了廣義的映射換算，按照實際的工程意義進行柔性的計算方法。

綠色特征是產品設計信息的一種表示形式，源于一般的產品設計，是一般的設計信息按照一定的規則映射到綠色設計域內的一種表現形式。

3 回溯機制研究

基于課題組前期研究［15］，本文提出基于綠色特征的生命周期評價與回溯模型，重點研究生命周期回溯機制及其在指導設計方案變更和優化方面的應用。

3．1 基于綠色特征的評價與回溯模型

LCA是目前公認的評價產品環境性能指標的工具，本模型的建立不脫離LCA方法。產品生命周期評價涉及多變量、多過程，LCA如何指導產品設計存在一定難度。多元線性回歸方法適于分析一個因變量與多個自變量之間的關系，而正適合于方案設計中綠色信息與產品綠色性之間關系的確定，便于實現設計方案優化?；诰G色特征的回溯模型如圖2所示。

設計方案:產品設計的原型，內容涉及整個生命周期，包括原材料選取、零部件加工、產品組裝、產品使用、產品報廢等設計。設計參數:對產品環境性能有影響的設計變量，例如材料選擇、工件尺寸、工藝選擇、加工質量要求等。綠色數據:由綠色特征根據其綠色特征屬性匯總、處理而得的數據，可用于生命周期評價。綠色性:對產品全生命周期過程中環境性能指標的綜合描述，包括對資源消耗、人體健康、生態環境三方面的綜合考慮。綠色性的量化可借鑒目前較為成熟的LCA評價方法進行量化。

模型中包含的2個過程:

正向評價過程:如圖2，對設計方案進行深入分析，從產品整體層面依次分解為裝置層、零部件層，挖掘其中設計信息，通過綠色特征與產品設計參數之間映射關系，將產品設計方案通過綠色特征進行表達，實現由常規設計域到綠色設計域的轉變。將所有綠色特征進行匯總得綠色數據，實現快速生命周期評價（Rapid Life Cycle Assessment，RLCA），獲得評價結果。

逆向回溯過程:基于正向評價過程獲得的數據，通過多元回歸方法，尋找綠色數據對方案綠色性的影響趨勢，確定重要的綠色數據;找出對應的綠色特征屬性，并基于綠色特征與設計信息之間的映射關系確定密切相關的設計參數，采取相應技術手段優化設計參數，從設計層面上指導產品方案設計優化，提高方案綠色性。

該模型旨在對產品設計方案進行優化，而非詳盡準確的評價產品的環境性能?；诰G色特征的快速生命周期評價過程中，需要忽略對產品綠色性影響不大的信息，所以，經該模型做出的評價結果與實際值相比有一定的偏差，但可以大大縮短評價周期，快速對產品設計方案做出優化。

目前，LCA評價方法的研究較多，本文重點介紹逆向回溯過程，限于篇幅正向評價過程將不再詳述。

3．2 回溯機制

綠色數據與產品綠色性指標之間存在一定的關系。為對產品設計方案做出快速而有效的優化，需要快速找出對產品綠色性影響重大的綠色數據。本文將綠色數據作為自變量，產品綠色性作為因變量，采用多元回歸方法［16］快速預測綠色信息對產品綠色性的影響趨勢，確定重要綠色數據，如式（7）所示。

式中:Y為RLCA評價結果，由模型正向評價過程求得;X為綠色數據;β為偏回歸系數;ε為隨機誤差，相互獨立且服從正態分布N（0，σ2）。

多元回歸方程的求解需要多組樣本數據的支持。產品方案設計階段的設計信息往往具有不確定性，存在一定的波動范圍，致使綠色信息也具有一定的波動范圍。從綠色設計信息的波動范圍內隨機選取、組合用于多元回歸的分析數據。

以材料消耗為例，假設方案設計過程中，其設計用量為X，其波動范圍為±α，建立樣本數據模擬計算式［17］，如式（8）所示:

剔除不允許變更的綠色設計信息，對剩下的綠色數據經過n次模擬運算，產生n組樣本數據建立多元回歸方程進行回歸分析。

求解多元回歸方程，并進行標準化處理，求解標準化回歸系數:

式中:Sxk和Sy分別為樣本變量y和xk的標準差;和βk分別為第k個自變量的標準化回歸系數與非標準化回歸系數。

由綠色特征的構建過程可知，通過映射子函數f（）可確定綠色特征屬性與對應設計信息之間的關系。當關鍵綠色數據確定后，可追溯到相關的綠色特征屬性，由映射函數迅速找到相應的設計參數集，完成回溯。例如，若能耗為影響產品綠色性的重要綠色數據，則產品各綠色特征中有關能耗的屬性可迅速確定，然后根據各屬性的映射函數依次確定相應的設計信息。

綜合考慮產品物理性能、性價比、技術要求等，對設計參數集進行調整，以實現產品綠色性能的提升。

4 結語

在分析綠色設計過程內涵的基礎上提出了綠色特征的概念，并在此基礎上建立了生命周期評價方法與回溯機制?；诰G色特征三元組合的定義，可實現產品設計方案由常規設計域到綠色設計域的過渡，由方案設計信息快速獲得綠色設計信息，匯總得到綠色數據快速完成生命周期評價;基于評價結果，通過回溯機制，確定方案優化的重要設計信息，指導產品方案設計的變更優化。其中關鍵綠色數據的確定也可采用其它的數學模型進行分析，映射函數需要在今后不斷積累。

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