中國材料生命周期評價數據模型及數據庫開發

李小青，龔先政，聶祚仁，王志宏

(北京工業大學 材料科學與工程學院，北京 100124)

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中國材料生命周期評價數據模型及數據庫開發

李小青，龔先政，聶祚仁，王志宏

(北京工業大學 材料科學與工程學院，北京 100124)

摘要：作為數據密集型方法，高質量的數據是開展材料生命周期評價的重要前提，數據的可靠性直接影響著材料生命周期評價結果的可信度和應用性能。建設符合國情的材料生命周期環境負荷基礎數據庫，是我國開展LCA(Life Cycle Assessment)實踐的基礎數據保障和技術支撐。根據ISO14040系列國際標準，關于LCA分析的基本框架，從技術領域、環境領域和價值領域分析了LCA實踐的數據要求和計算需求，建立了各領域實體的數據模型及清單數據的計算模型，完成了中國材料環境負荷數據庫(Sinocenter 2.0)的總體框架設計和數據庫詳細設計，并對數據庫進行了兼容性分析；進一步簡要介紹了數據庫的主要內容，并在此基礎上開展了水泥能耗分析、材料生態設計等應用軟件開發，以及面向互聯網及大數據的LCA數據庫的應用研究；探討了材料環境負荷數據庫技術將來的主要研究內容和研究方向。

關鍵詞：環境負荷數據；生命周期分析；數據模型；數據庫設計

1前言

生命周期評價(Life Cycle Assessment， LCA)是一種數據密集型方法，需要大量不同層次、不同地區和不同LCA基礎數據的支持。因此，高質量的數據是開展材料(產品)生命周期評價的重要前提，數據的可靠性直接影響著材料生命周期評價結果的可信度和應用性能[1]。

從LCA方法學的角度，數據質量方面的研究主要體現為對清單結果的不確定性分析和對清單數據的敏感性分析，辨識出LCA模型中具有高不確定度和高敏感度的關鍵數據，從而指出控制和改進數據質量的關鍵點。另一方面，在信息技術領域，可以依靠數據庫的完整性約束保證數據在描述現實對象時的一致性和正確性。因此，建立可靠的LCA數據庫并開發相應的LCA軟件是保證清單數據可靠性和質量的重要方法，很多國家、研究單位和企業都在致力于建立專業的LCA數據庫。

由于不同國家和地區資源分布不平衡、科技水平層次不同以及能源消耗的不對稱，材料(產品)在整個生命周期中對環境的影響存在很大的差異。國外LCA軟件所依賴的基礎數據庫基本都是基于特定地區或國家的平均數據，并不適合我國的國情。因此，依據中國國情和地域特點，以及材料生命周期的特點，設計一個結構合理、效率較高、使用方便，且易擴展的中國材料生命周期評價基礎數據庫，將在很大程度上提高我國材料LCA應用系統的可靠性和可維護性，對我國LCA實踐的推動意義重大。

2國內外研究進展

作為保證數據質量的重要方法，許多國家和國際的公開數據庫已經發布，比較著名并廣泛應用的有瑞士ECOINVENT數據庫、瑞典SPINE@CPM數據庫、德國Gabi擴展數據庫、美國NREL-USLCI數據庫、澳大利亞LCI數據庫和歐洲生命周期文獻數據庫ELCD等[2-5]。

我國在LCA數據方面的工作起步于20世紀末期，在“九五”國家“863”計劃的大力支持下，收集、整理了國內主要材料產業(鋼鐵、水泥、鋁、工程塑料、建筑涂料和陶瓷等)的第一手環境負荷數據，并在北京工業大學建立了材料環境協調性評價基礎數據庫(SinoCenter)平臺[6-9]。在持續的“863”計劃、“973”計劃、國家支撐計劃和北京自然科技基金的支持下，經過十幾年的不懈努力和發展，該數據庫已具有較大的規模，積累材料生命周期分析基礎數據近12萬條，并在技術和商業上開展了具體的應用。此外，中國標準化研究院、四川大學[10]以及上海環翼環境科技有限公司等開展了數據庫方面的工作。目前國內專業LCA軟件工具的開發和應用還不成熟，相關研究和實際應用中使用較多的是荷蘭的SimaPro和德國的Gabi。文獻[11]和[12]分別通過案例對這兩種軟件的性能進行了比對。

對于LCA研究者和實踐者，在實際應用中往往只能得到一部分數據，其他數據由于多種原因無法得到。對于LCA的數據缺失問題，文獻[13]通過分析產品生產過程的數據結構，應用低秩矩陣的補全技術，提出一種生命周期分析和投入產出分析的非負矩陣補全模型，并將該模型和相應的算法應用于Econivent數據庫中，補全生命周期評價中的缺失數據。

3材料生命周期評價數據模型及數據庫設計

數據庫設計是指對于一個給定的應用環境，構造最優的數據庫模式，建立數據庫使之能夠有效地存儲數據，滿足各種用戶的應用需求。數據模型是一種形式化描述數據、數據之間聯系以及有關語義約束的方法，是數據庫系統中用以提供信息表示和操作手段的形式框架。它包括能精確描述系統的靜態結構、動態結構和完整性約束3部分。數據庫按數據模型的特點分為層次數據庫、關系數據庫、網狀數據庫和面向對象的數據庫幾種。材料生命周期評價數據庫通過應用當前理論最成熟、應用最廣泛的關系型數據庫技術，提出一套符合材料生命周期特點的數據庫建設方法體系。

數據庫的設計過程分為建立數據庫概念模型和生成數據庫物理模型兩個階段，前者將現實世界中的實體映射成數據庫概念模型，后者再根據數據庫概念模型生成具體RDBMS支持的數據庫物理模型。依據數據庫設計規范化理論的指導，數據庫模型滿足第三范式，從數據庫設計的角度消除存儲異常，減少數據冗余，保證數據操作的高效率。

3.1材料生命周期評價數據模型分析

完成一個產品的全生命周期評價需要3方面的信息，即在不同空間和時間體系上的技術領域的信息、環境領域的信息和價值領域的信息。同時，還需要建立清單編制的計算模型和LCI數據的不確定性分析框架。

3.1.1技術領域的數據模型

(1)過程與中間流

過程與中間流是LCA研究的核心概念與關鍵模型，LCA系統可以抽象為過程，而過程的內容體現為流的交換，過程和中間流之間通過輸入輸出和所屬關系相互關聯，其概念模型如圖1所示。

圖1　過程和中間流的概念模型Fig.1　The conceptual model of the process and intermediate flows

(2)產品系統

圖2給出了產品系統的概念模型。產品系統是通過物質和能量聯系起來的，具有一種或多種特定功能的單元過程的集合。為了便于描述，將代表產品的實體記為計劃。為了說明產品系統的層次性，需進一步抽象出過程連接實體，用于描述過程所屬的計劃以及過程間產生聯系的中間流，從而體現各個過程如何通過一定的關系組成層次結構。同一個產品系統的所有過程是相互聯系在一起的，通過對所有過程連接實體進行追蹤，就可以將產品系統的層次結構描述出來[14]。

圖2　產品系統的概念模型Fig.2　The conceptual model of the product system

在LCA實踐中，首先對研究對象進行產品系統建模，然后根據模型進行基于過程的實際流的平衡計算，通常采用自上而下、自下而上或從選定基點開始兩端同時計算，但每種方法都必須使整個產品系統的物質平衡保持穩定性和確定性。因此，所有的計算必須以唯一特定的中間流為參考基準，計算其他的物質流和能量流，才能保證整個系統的平衡特性，該參考中間流就是基準流。

(3)分配

當某過程擁有多產品的輸出流時，則需考慮資源和排放物質在不同產品間的分配。無論根據經濟價值或質量分配都必須提供具體比率，以決定資源和排放物在不同的產品中的數量比例。因此分配也是客觀存在的一個實體。對于不同的體系，同樣物質的分配關系有所不同，分配方法只依賴于所選取的系統。分配的數據模型如圖3所示。

圖3　分配的概念模型Fig.3　The conceptual model of allocations

(4)基礎流

基礎流是組成客觀世界的實體，不依賴于產品系統中數據中間流而存在，而是中間流的具體內容。基礎流包括各種具體的物質，如材料、產品、能源形式、資源和排放等。為了便于在數據庫中調用特定的基礎流，需要對基礎流進行分類，如基礎流所屬的分類是原材料、排放物還是能源物質等，從而構成數據庫中物質的命名系統。每一個基礎流都有自己的詳細信息，為避免數據冗余，抽象出流信息實體用來描述基礎流的化學公式、數據收集地點、屬性等信息。基礎流的數據模型如圖4所示。

圖4　基礎流的概念模型Fig.4　The conceptual model of the basis flows

在技術領域中，除了上述概念模型，單位以及管理信息相關實體也是數據庫概念模型設計階段的重要組成，其概念模型的分析與構建過程類似。

3.1.2環境領域的數據模型

LCA中環境是指研究對象邊界外的自然環境系統，通常表示一個較小空間區域。當研究對象的流穿越系統邊界進入自然環境系統時，將產生潛在的環境影響，環境影響的性質則取決于環境的性質(如環境容量)，影響效果則體現為環境的特定性質變化。因此，環境領域的數據指人類活動發生的地理區間及其所影響的環境類型，其主要實體是地理信息和環境。地區和環境作為環境領域的實體，與技術領域的基礎流和過程有直接聯系。

LCA方法將人類活動對環境的影響分為典型的幾類，稱為影響分類，通常包括資源耗竭、人類健康影響和生態影響3大類。根據不同的評價方法，每一大類下又包含有許多小類，如ReCiPe方法中生態影響下又包含有全球變暖、臭氧層破壞、酸雨和富營養化等。特征化用來衡量相同數量的不同基礎流對同一相關影響分類的貢獻大小。LCA方法的數據模型如圖5所示。

圖5　LCA方法的概念模型Fig.5　The conceptual model of LCA methods

3.1.3價值領域的數據

價值領域通常屬于社會體系的范疇，是社會價值體系取向的一種表現。生命周期分析過程中，無論是在影響評價過程中的影響模型的建立，還是在標準化和權重分析時對影響類型的重要性判斷，都依賴于執行者的個體經驗，即執行者的社會價值取向。此外，價值體系還決定了LCA 執行者如何從技術領域和環境領域選取所需要的數據。

3.1.4清單編制的計算模型

對于材料的生命周期，一般包含多個相互聯系的單元過程，而且每個單元過程存在大量的輸入和輸出，正確建立計算模型是開展清單分析的基礎。清單分析方法基于不同的計算模型，具有多種計算與數據處理方式，主要有基于流程圖的矩陣分析算法、基于輸入—輸出表的分析方法和混合清單分析方法，本研究采用當前清單編制最常用的矩陣法，具體計算模型見文獻[15]。

目標管理是進行任何一項管理工作的基本方法和手段，成本控制也應遵循這一原則，即目標設定、分解、責任到位和成本執行結果、評價和目標修正，從而形成目標管理的計劃、實施、檢查、處理的循環.在實施目標管理過程中，目標的設定應切合實際，更落實到各部門、班組甚至個人；目標責任應全面，既有工作責任，更有成本責任[3].

3.1.5LCI數據的不確定性分析框架[16]

不確定性分析用來判定與量化由于輸入的不確定性和數據變動的累積給LCI結果帶來的不確定性的系統化程序。我國目前LCI研究的數據來源主要為公開發表的統計資料，無從判定與量化輸入的不確定性。因此，對于LCI數據的收集者來說，積累特定現場監測數據的統計信息，對不確定性分析有著重要作用。目前，大多根據文獻中推薦的方法來估計常見數據類型的不確定性，主要方法有：利用高斯誤差傳遞公式計算的誤差傳遞算法；基于概率分布的隨機模擬方法；基于區間表述的區間算法和基于模糊數學表述的模糊集算法等，其中隨機模擬方法是應用最為廣泛的方法，其基本分析框架見圖6。

圖6　LCI數據的不確定性分析框架Fig.6　The uncertainty analysis framework of LCI data

3.2材料生命周期評價數據庫的實現

3.2.1數據庫總體結構

生命周期評價數據庫系統是一個復雜而龐大的應用系統，為了維護系統的完整性與一致性，必須對一些基本的對象進行規范化，通常這些對象是數據庫中的最基本的數據，如基礎流、單位、地點和分類信息等。因此，數據庫總體框架分為基本數據集、標準數據集和應用數據集3部分。基本數據集和標準數據集為應用數據集的建立提供基礎數據和參考標準，從而保證數據的一致性和可追溯性，同時使數據庫具有良好的兼容性、可擴展性和易維護性。數據庫整體結構如圖7所示。

圖7　數據庫總體結構Fig.7　The structure of database

基本數據集包括基礎流、單位、地點和分類等實體，存放整個數據庫體系中所用物質的相關信息數據、各種度量單位及相應換算關系、地理信息數據以及分類信息數據。

應用數據集包括管理信息庫、產品系統庫、評價方法庫3部分。管理信息庫主要存儲項目相關的管理及建模驗證等數據，以及LCA實踐中各數據來源及其特性的描述，以增加數據透明性。產品系統庫中存儲LCA實踐的核心數據，包括計劃、過程和中間流等。LCA方法數據庫中存儲評價方法及對應評價指標體系數據。

參考標準數據集主要存儲國內相關企業、行業和國家環境標準及指標體系數據信息。

數據庫平臺需要能夠滿足數據收集和查詢等基于Web的網絡操作需求。目前比較流行的關系網絡數據平臺主要有Oracle、MySQL、DB2以及SQL Server等。Oracle和DB2在大型的商業網絡系統中有著廣泛應用，對于多并發的大數據量事務處理應用，具有很高的穩定性和較快的響應速度，且具有跨平臺的優點，但價格昂貴。MySQL數據庫系統可以運行在當前主流操作系統上，且代碼開源，體積小、速度快，在許多中小型網站中得到廣泛應用，但安全性較差。SQL Server的優勢在于與Windows操作系統具有良好的兼容性，已成為Windows平臺下性能最佳的數據庫，性價比較高，且可以擴展到TB級的數據庫，能輕松處理千萬級以下的數據量。結合具體需求，本研究選擇SQL Server 2008企業版作為建立LCA基礎數據庫的數據庫管理系統平臺。

3.2.3數據庫物理模型生成

數據庫物理模型中各實體屬性的建立主要參考ISO14048標準及國際主流EcoSpold02和ILCD數據格式，以保證和其他LCA數據庫數據的兼容性。

基本數據集中各實體是最基本的引用數據，被過程、數據中間流以及評價方法所引用和參考。產品系統庫是LCA數據庫的核心，是進行材料(產品)全生命周期評價的直接數據。圖8是根據概念模型建立起來的基于SQL Server 2008數據庫管理系統的基本數據集和產品系統庫的物理模型圖。

圖8　產品系統的物理數據模型Fig.8　The physical data model of the product system

管理信息庫、評價方法庫及標準數據集等數據庫物理模型的建立方法類似。

3.2.4數據庫兼容性分析

國際上，對于LCA數據集的研究與開發，一般遵從ISO14040系列標準的要求，尤其是ISO14048環境負荷數據報告的格式，但在技術實現上存在較大的差異。目前，Ecoinvent數據庫的EcoSpold以及ELCD數據庫的ILCD格式得到了廣泛的應用，絕大多數LCA軟件工具和數據庫都支持這兩種格式的LCA數據交換。

為了實現Sinocenter 2.0數據庫與其他LCA數據庫之間的數據交換，材料LCA數據庫SinoCenter 2.0中的數據格式設計時參考了ISO14048標準數據文件格式以及ILCD格式，和Ecoinvent 3.0中使用的最新的EcoSpold02版數據格式，通過對詳細數據字段的分析和比對可以發現，SinoCenter 2.0數據庫與國際上當前主流的數據庫具有良好的兼容性，可以完全兼容其主要數據，通過設計接口程序便可以實現不同數據庫間數據的交換。

3.3生態設計數據庫

材料的生態設計是將環境因素納入到材料設計過程之中，在材料生命周期的各個環節考慮其可能產生的環境負荷，通過改進設計將材料生命周期的環境影響降到最小程度。從生態設計角度來看，材料環境負荷數據還遠不能滿足材料生態設計的要求，還需要大量材料性能、工藝技術、事實規則、設備、使用等，全方位、多尺度的數據和分析工具等綜合平臺的支持。因次，在Sinocenter 2.0中擴展材料性能和經濟成本數據集，為材料的生態設計提供相應的材料性能和成本方面的信息。

4材料LCA數據庫的主要內容及應用開發

4.1單元過程清單數據的收集

對于材料(產品)的環境負荷數據，一般按照生產過程劃分為單元過程，然后各單元過程按定義的功能單元，進行資源和能源輸入和相應的輸出及環境排放數據的收集和管理。數據源自于大量的調研數據、公開出版的各類統計年鑒和計算數據。在數據集的入庫過程中，嚴格按照ISO14040系列要求進行數據的審核、分類與計算，并按照一定的功能單元進行數據的存儲，主要信息為功能單元的定義、數據質量信息、環境負荷信息(資源消耗、能源消耗、空氣排放、水體排放和固體廢棄物)。對于公用領域的數據，如電力生產環境負荷數據、交通運輸環境負荷數據，則定義為相對獨立的環境負荷數據集，并重點說明數據集的數據質量信息。

4.2主要數據集

目前，材料LCA數據庫中涉及的基礎數據近12萬余條，內容涉及68類材料及過程清單，如電力產品清單[17-19]、化石能源產品清單[20-22]、交通運輸清單[23-24]、鋼鐵材料清單[25-26]、建筑材料清單[27-30]、有色金屬編目清單[31-34]、高分子材料清單[35-37]、聯接材料編目清單等[38]。

評價方法庫中選擇性的分析了目前廣泛使用的LCA評價方法的特點，主要包括Eco-indicator 99、CML、IPCC等評價體系，并重點對CML、Eco-indicator 99指標體系，進行了本地化研究，結合我國的資源特點，建立了42種金屬礦產和58種非金屬礦產的本地化資源損害因子、歸一化因子。同時，基于我國土地資源狀況，建立了不同土地使用與轉換的土地資源損害因子和歸一化因子。詳細的環境負荷數據集種類及數據來源見表1。

表1　材料生命周期環境負荷數據集

此外，引進了國外著名LCA環境負荷數據庫，如Simapro、Umberto、Gabi、DEAM、IVAM和Ecoinvent，主要涉及日用品、造紙、鋼鐵、石化、有機(無機)料、能源、運輸和電子產品等方面的環境負荷數據，它們也是材料LCA數據庫的重要組成部分，為開展我國材料(產品的)LCA比較研究提供了基礎數據，特別是對Ecoinvent數據庫關鍵內容進行了本地化的對比研究與開發。

4.3數據庫應用軟件開發

基于建立的材料環境負荷基礎數據庫，集成北京工業大學LCA研究團隊的十多年來在模型、方法和指標體系方面的大量科研成果，如礦產資源耗竭特征化模型、土地使用環境影響特征化模型、材料生產流程能質的模型、材料生產多工序過程的物質流(資源、能源和廢棄物)的環境負荷累積模型，針對典型材料行業節能減排和生態設計的實際情況，開發了相應需求和應用的軟件工具包，如《水泥產品生命周期能耗分析系統(2013SR038488)》、《材料生命周期能耗分析軟件(2010SRBJ1357)》、《復合水泥生態生態設計軟件(2007SRBJ2464)》等，幫助企業辨識產品生命周期中的能耗“熱點”，從而找到改善產品生產階段能效的有效途徑，為企業開展節能減排與產品生態設計提供數據與方法支持，用于典型建材、鎂等材料生產環境負荷評價與管理、節能減排技術方案優選，以及區域及行業布局調整等，企業應用節能減排效果明顯。

4.4面向互聯網及大數據的應用開發

在面向互聯網的應用開發方面，材料(產品)全生命周期環境負荷評價數據已成為“國家材料科學數據共享網”的節點之一：材料環境負荷數據共享資源節點。在該數據平臺上，可實現基于材料種類、生產規模和時間范圍等查詢條件的分類查詢，檢索網址：http://cnmlca.bjut.edu.cn。該數據平臺采用安全性較高的ASPX網站開發技術，用戶通過Web注冊與認證后，根據授權模式的差異，進行共享資源訪問和授權資源訪問。

此外，大數據在零售行業中已經發揮了舉足輕重的作用，材料產業也是如此，不管是國家提出的中國制造2025，還是工業4.0，實現材料大國向材料強國的邁進，都需要分析和考慮如何在大數據環境下，實現傳統業務模式的創新與重塑。鑒于以上需求，本課題組開發和部署了大數據環境下的材料環境負荷數據采集軟件，正在研究開發基于大數據技術的中國材料生命周期數據管理平臺，同時發展適合材料領域的新型數據挖掘方法。

5結語

中國生命周期清單數據庫的建立和應用，為我國節能減排、碳排放(碳足跡)分析、清潔生產審計等提供了科學、基礎數據支撐。同時，大數據在材料行業的運用與發展也面臨一些困難，總體來講，搜尋行業數據還比較困難，相關信息的自由流通還存在很大的阻礙，甚至相關信息的統計還有不準確的情況出現。

我國生態設計與生命周期評價數據庫的發展方向主要包括以下3方面：首先是對數據采集、數據管理和數據質量保證等相關技術的進一步研究，為數據庫更新與擴展提供技術保障；其次需要進一步研究數據庫結構和數據的擴展方法，以支持動態生命周期評價；最后是在材料基因組理念的指導下，篩選并建立材料環境負荷基因組，研究材料的結構-性能-環境友好性之間潛在的深層次關系。

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(編輯蓋少飛)

Data Model and Database Development forMaterials Life Cycle Assessment in China

LI Xiaoqing，GONG Xianzheng，NIE Zuoren，WANG Zhihong

(College of Materials Science and Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Abstract：As the data intensive method, high quality environmental burden data is an important premise of carrying out materials life cycle assessment, and the reliability of data directly influences the reliability of the life cycle assessment results and its application performance. Therefore, building Chinese LCA database is the basic data needs and technical supports for carrying out and improving LCA practice. Firstly, according to requirement of ISO14040 series standards, the data request and computation demand were studied from the scope of technique, environment and value fields, together with the detailed analysis and systemic abstract of LCA process, finally related models for LCA practice were developed. Based on the built models and the analysis of LCA database structure, functional assign and application demand, the general framework of Chinese LCA database named Sinocenter 2.0 had been accomplished, the detailed design of database was also achieved, the compatibility of Sinocenter 2.0 with the Ecoinvent database and ISO14048 standard was analyzed. Secondly, the main contents of the database were briefly introduced, and the application software of cement energy consumption analysis and materials ecodesign were developed. Then the applied researches orient to internet and big data technology were promoted. Finally, the future research works were proposed and discussed.

Key words：environmental loads data; life cycle assessment; data model; database design

中圖分類號：X828

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3962(2016)03-0171-08

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.03.02

通訊作者：龔先政，男，1967年生，教授，Email:gongxianzheng@bjut.edu.cn

基金項目：國家863計劃(2007AA03Z432,2013AA031602)；國家973計劃(2007CB613206)；國家支撐計劃(2007BAE42B05, 2011BAJ04B06, 2011BAC04B06, 2011BAB02B04);北京市重點基金(2081001, 2141001)；國家自然科學基金(51304009)

收稿日期：2015-09-24

第一作者：李小青，女，1983年生，助理研究員