中國(guó)材料生命周期評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)

李小青，龔先政，聶祚仁，王志宏

(北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124)

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中國(guó)材料生命周期評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)

李小青，龔先政，聶祚仁，王志宏

(北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124)

摘要：作為數(shù)據(jù)密集型方法，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)是開(kāi)展材料生命周期評(píng)價(jià)的重要前提，數(shù)據(jù)的可靠性直接影響著材料生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度和應(yīng)用性能。建設(shè)符合國(guó)情的材料生命周期環(huán)境負(fù)荷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，是我國(guó)開(kāi)展LCA(Life Cycle Assessment)實(shí)踐的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障和技術(shù)支撐。根據(jù)ISO14040系列國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)于LCA分析的基本框架，從技術(shù)領(lǐng)域、環(huán)境領(lǐng)域和價(jià)值領(lǐng)域分析了LCA實(shí)踐的數(shù)據(jù)要求和計(jì)算需求，建立了各領(lǐng)域?qū)嶓w的數(shù)據(jù)模型及清單數(shù)據(jù)的計(jì)算模型，完成了中國(guó)材料環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)庫(kù)(Sinocenter 2.0)的總體框架設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫(kù)詳細(xì)設(shè)計(jì)，并對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了兼容性分析；進(jìn)一步簡(jiǎn)要介紹了數(shù)據(jù)庫(kù)的主要內(nèi)容，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了水泥能耗分析、材料生態(tài)設(shè)計(jì)等應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)，以及面向互聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)的LCA數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用研究；探討了材料環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)將來(lái)的主要研究?jī)?nèi)容和研究方向。

關(guān)鍵詞：環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)；生命周期分析；數(shù)據(jù)模型；數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

1前言

生命周期評(píng)價(jià)(Life Cycle Assessment， LCA)是一種數(shù)據(jù)密集型方法，需要大量不同層次、不同地區(qū)和不同LCA基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支持。因此，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)是開(kāi)展材料(產(chǎn)品)生命周期評(píng)價(jià)的重要前提，數(shù)據(jù)的可靠性直接影響著材料生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度和應(yīng)用性能[1]。

從LCA方法學(xué)的角度，數(shù)據(jù)質(zhì)量方面的研究主要體現(xiàn)為對(duì)清單結(jié)果的不確定性分析和對(duì)清單數(shù)據(jù)的敏感性分析，辨識(shí)出LCA模型中具有高不確定度和高敏感度的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，從而指出控制和改進(jìn)數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)。另一方面，在信息技術(shù)領(lǐng)域，可以依靠數(shù)據(jù)庫(kù)的完整性約束保證數(shù)據(jù)在描述現(xiàn)實(shí)對(duì)象時(shí)的一致性和正確性。因此，建立可靠的LCA數(shù)據(jù)庫(kù)并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的LCA軟件是保證清單數(shù)據(jù)可靠性和質(zhì)量的重要方法，很多國(guó)家、研究單位和企業(yè)都在致力于建立專業(yè)的LCA數(shù)據(jù)庫(kù)。

由于不同國(guó)家和地區(qū)資源分布不平衡、科技水平層次不同以及能源消耗的不對(duì)稱，材料(產(chǎn)品)在整個(gè)生命周期中對(duì)環(huán)境的影響存在很大的差異。國(guó)外LCA軟件所依賴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)基本都是基于特定地區(qū)或國(guó)家的平均數(shù)據(jù)，并不適合我國(guó)的國(guó)情。因此，依據(jù)中國(guó)國(guó)情和地域特點(diǎn)，以及材料生命周期的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)合理、效率較高、使用方便，且易擴(kuò)展的中國(guó)材料生命周期評(píng)價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，將在很大程度上提高我國(guó)材料LCA應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，對(duì)我國(guó)LCA實(shí)踐的推動(dòng)意義重大。

2國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

作為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要方法，許多國(guó)家和國(guó)際的公開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)發(fā)布，比較著名并廣泛應(yīng)用的有瑞士ECOINVENT數(shù)據(jù)庫(kù)、瑞典SPINE@CPM數(shù)據(jù)庫(kù)、德國(guó)Gabi擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫(kù)、美國(guó)NREL-USLCI數(shù)據(jù)庫(kù)、澳大利亞LCI數(shù)據(jù)庫(kù)和歐洲生命周期文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)ELCD等[2-5]。

我國(guó)在LCA數(shù)據(jù)方面的工作起步于20世紀(jì)末期，在“九五”國(guó)家“863”計(jì)劃的大力支持下，收集、整理了國(guó)內(nèi)主要材料產(chǎn)業(yè)(鋼鐵、水泥、鋁、工程塑料、建筑涂料和陶瓷等)的第一手環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)，并在北京工業(yè)大學(xué)建立了材料環(huán)境協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)(SinoCenter)平臺(tái)[6-9]。在持續(xù)的“863”計(jì)劃、“973”計(jì)劃、國(guó)家支撐計(jì)劃和北京自然科技基金的支持下，經(jīng)過(guò)十幾年的不懈努力和發(fā)展，該數(shù)據(jù)庫(kù)已具有較大的規(guī)模，積累材料生命周期分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)近12萬(wàn)條，并在技術(shù)和商業(yè)上開(kāi)展了具體的應(yīng)用。此外，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院、四川大學(xué)[10]以及上海環(huán)翼環(huán)境科技有限公司等開(kāi)展了數(shù)據(jù)庫(kù)方面的工作。目前國(guó)內(nèi)專業(yè)LCA軟件工具的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用還不成熟，相關(guān)研究和實(shí)際應(yīng)用中使用較多的是荷蘭的SimaPro和德國(guó)的Gabi。文獻(xiàn)[11]和[12]分別通過(guò)案例對(duì)這兩種軟件的性能進(jìn)行了比對(duì)。

對(duì)于LCA研究者和實(shí)踐者，在實(shí)際應(yīng)用中往往只能得到一部分?jǐn)?shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)由于多種原因無(wú)法得到。對(duì)于LCA的數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題，文獻(xiàn)[13]通過(guò)分析產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用低秩矩陣的補(bǔ)全技術(shù)，提出一種生命周期分析和投入產(chǎn)出分析的非負(fù)矩陣補(bǔ)全模型，并將該模型和相應(yīng)的算法應(yīng)用于Econivent數(shù)據(jù)庫(kù)中，補(bǔ)全生命周期評(píng)價(jià)中的缺失數(shù)據(jù)。

3材料生命周期評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是指對(duì)于一個(gè)給定的應(yīng)用環(huán)境，構(gòu)造最優(yōu)的數(shù)據(jù)庫(kù)模式，建立數(shù)據(jù)庫(kù)使之能夠有效地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，滿足各種用戶的應(yīng)用需求。數(shù)據(jù)模型是一種形式化描述數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)之間聯(lián)系以及有關(guān)語(yǔ)義約束的方法，是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)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(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)和完整性約束3部分。數(shù)據(jù)庫(kù)按數(shù)據(jù)模型的特點(diǎn)分為層次數(shù)據(jù)庫(kù)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫(kù)和面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)幾種。材料生命周期評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)應(yīng)用當(dāng)前理論最成熟、應(yīng)用最廣泛的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，提出一套符合材料生命周期特點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)方法體系。

數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)過(guò)程分為建立數(shù)據(jù)庫(kù)概念模型和生成數(shù)據(jù)庫(kù)物理模型兩個(gè)階段，前者將現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)體映射成數(shù)據(jù)庫(kù)概念模型，后者再根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)概念模型生成具體RDBMS支持的數(shù)據(jù)庫(kù)物理模型。依據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范化理論的指導(dǎo)，數(shù)據(jù)庫(kù)模型滿足第三范式，從數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的角度消除存儲(chǔ)異常，減少數(shù)據(jù)冗余，保證數(shù)據(jù)操作的高效率。

3.1材料生命周期評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)模型分析

完成一個(gè)產(chǎn)品的全生命周期評(píng)價(jià)需要3方面的信息，即在不同空間和時(shí)間體系上的技術(shù)領(lǐng)域的信息、環(huán)境領(lǐng)域的信息和價(jià)值領(lǐng)域的信息。同時(shí)，還需要建立清單編制的計(jì)算模型和LCI數(shù)據(jù)的不確定性分析框架。

3.1.1技術(shù)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)模型

(1)過(guò)程與中間流

過(guò)程與中間流是LCA研究的核心概念與關(guān)鍵模型，LCA系統(tǒng)可以抽象為過(guò)程，而過(guò)程的內(nèi)容體現(xiàn)為流的交換，過(guò)程和中間流之間通過(guò)輸入輸出和所屬關(guān)系相互關(guān)聯(lián)，其概念模型如圖1所示。

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

(2)產(chǎn)品系統(tǒng)

圖2給出了產(chǎn)品系統(tǒng)的概念模型。產(chǎn)品系統(tǒng)是通過(guò)物質(zhì)和能量聯(lián)系起來(lái)的，具有一種或多種特定功能的單元過(guò)程的集合。為了便于描述，將代表產(chǎn)品的實(shí)體記為計(jì)劃。為了說(shuō)明產(chǎn)品系統(tǒng)的層次性，需進(jìn)一步抽象出過(guò)程連接實(shí)體，用于描述過(guò)程所屬的計(jì)劃以及過(guò)程間產(chǎn)生聯(lián)系的中間流，從而體現(xiàn)各個(gè)過(guò)程如何通過(guò)一定的關(guān)系組成層次結(jié)構(gòu)。同一個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)的所有過(guò)程是相互聯(lián)系在一起的，通過(guò)對(duì)所有過(guò)程連接實(shí)體進(jìn)行追蹤，就可以將產(chǎn)品系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)描述出來(lái)[14]。

圖2　產(chǎn)品系統(tǒng)的概念模型Fig.2　The conceptual model of the product system

在LCA實(shí)踐中，首先對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行產(chǎn)品系統(tǒng)建模，然后根據(jù)模型進(jìn)行基于過(guò)程的實(shí)際流的平衡計(jì)算，通常采用自上而下、自下而上或從選定基點(diǎn)開(kāi)始兩端同時(shí)計(jì)算，但每種方法都必須使整個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)的物質(zhì)平衡保持穩(wěn)定性和確定性。因此，所有的計(jì)算必須以唯一特定的中間流為參考基準(zhǔn)，計(jì)算其他的物質(zhì)流和能量流，才能保證整個(gè)系統(tǒng)的平衡特性，該參考中間流就是基準(zhǔn)流。

(3)分配

當(dāng)某過(guò)程擁有多產(chǎn)品的輸出流時(shí)，則需考慮資源和排放物質(zhì)在不同產(chǎn)品間的分配。無(wú)論根據(jù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值或質(zhì)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(chǎn)品中的數(shù)量比例。因此分配也是客觀存在的一個(gè)實(shí)體。對(duì)于不同的體系，同樣物質(zhì)的分配關(guān)系有所不同，分配方法只依賴于所選取的系統(tǒng)。分配的數(shù)據(jù)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(chǔ)流

基礎(chǔ)流是組成客觀世界的實(shí)體，不依賴于產(chǎn)品系統(tǒng)中數(shù)據(jù)中間流而存在，而是中間流的具體內(nèi)容。基礎(chǔ)流包括各種具體的物質(zhì)，如材料、產(chǎn)品、能源形式、資源和排放等。為了便于在數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用特定的基礎(chǔ)流，需要對(duì)基礎(chǔ)流進(jìn)行分類(lèi)，如基礎(chǔ)流所屬的分類(lèi)是原材料、排放物還是能源物質(zhì)等，從而構(gòu)成數(shù)據(jù)庫(kù)中物質(zhì)的命名系統(tǒng)。每一個(gè)基礎(chǔ)流都有自己的詳細(xì)信息，為避免數(shù)據(jù)冗余，抽象出流信息實(shí)體用來(lái)描述基礎(chǔ)流的化學(xué)公式、數(shù)據(jù)收集地點(diǎn)、屬性等信息。基礎(chǔ)流的數(shù)據(jù)模型如圖4所示。

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

在技術(shù)領(lǐng)域中，除了上述概念模型，單位以及管理信息相關(guān)實(shí)體也是數(shù)據(jù)庫(kù)概念模型設(shè)計(jì)階段的重要組成，其概念模型的分析與構(gòu)建過(guò)程類(lèi)似。

3.1.2環(huán)境領(lǐng)域的數(shù)據(jù)模型

LCA中環(huán)境是指研究對(duì)象邊界外的自然環(huán)境系統(tǒng)，通常表示一個(gè)較小空間區(qū)域。當(dāng)研究對(duì)象的流穿越系統(tǒng)邊界進(jìn)入自然環(huán)境系統(tǒng)時(shí)，將產(chǎn)生潛在的環(huán)境影響，環(huán)境影響的性質(zhì)則取決于環(huán)境的性質(zhì)(如環(huán)境容量)，影響效果則體現(xiàn)為環(huán)境的特定性質(zhì)變化。因此，環(huán)境領(lǐng)域的數(shù)據(jù)指人類(lèi)活動(dòng)發(fā)生的地理區(qū)間及其所影響的環(huán)境類(lèi)型，其主要實(shí)體是地理信息和環(huán)境。地區(qū)和環(huán)境作為環(huán)境領(lǐng)域的實(shí)體，與技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)流和過(guò)程有直接聯(lián)系。

LCA方法將人類(lèi)活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響分為典型的幾類(lèi)，稱為影響分類(lèi)，通常包括資源耗竭、人類(lèi)健康影響和生態(tài)影響3大類(lèi)。根據(jù)不同的評(píng)價(jià)方法，每一大類(lèi)下又包含有許多小類(lèi)，如ReCiPe方法中生態(tài)影響下又包含有全球變暖、臭氧層破壞、酸雨和富營(yíng)養(yǎng)化等。特征化用來(lái)衡量相同數(shù)量的不同基礎(chǔ)流對(duì)同一相關(guān)影響分類(lèi)的貢獻(xiàn)大小。LCA方法的數(shù)據(jù)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(jià)值領(lǐng)域的數(shù)據(jù)

價(jià)值領(lǐng)域通常屬于社會(huì)體系的范疇，是社會(huì)價(jià)值體系取向的一種表現(xiàn)。生命周期分析過(guò)程中，無(wú)論是在影響評(píng)價(jià)過(guò)程中的影響模型的建立，還是在標(biāo)準(zhǔn)化和權(quán)重分析時(shí)對(duì)影響類(lèi)型的重要性判斷，都依賴于執(zhí)行者的個(gè)體經(jīng)驗(yàn)，即執(zhí)行者的社會(huì)價(jià)值取向。此外，價(jià)值體系還決定了LCA 執(zhí)行者如何從技術(shù)領(lǐng)域和環(huán)境領(lǐng)域選取所需要的數(shù)據(jù)。

3.1.4清單編制的計(jì)算模型

對(duì)于材料的生命周期，一般包含多個(gè)相互聯(lián)系的單元過(guò)程，而且每個(gè)單元過(guò)程存在大量的輸入和輸出，正確建立計(jì)算模型是開(kāi)展清單分析的基礎(chǔ)。清單分析方法基于不同的計(jì)算模型，具有多種計(jì)算與數(shù)據(jù)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(dāng)前清單編制最常用的矩陣法，具體計(jì)算模型見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。

目標(biāo)管理是進(jìn)行任何一項(xiàng)管理工作的基本方法和手段，成本控制也應(yīng)遵循這一原則，即目標(biāo)設(shè)定、分解、責(zé)任到位和成本執(zhí)行結(jié)果、評(píng)價(jià)和目標(biāo)修正，從而形成目標(biāo)管理的計(jì)劃、實(shí)施、檢查、處理的循環(huán).在實(shí)施目標(biāo)管理過(guò)程中，目標(biāo)的設(shè)定應(yīng)切合實(shí)際，更落實(shí)到各部門(mén)、班組甚至個(gè)人；目標(biāo)責(zé)任應(yīng)全面，既有工作責(zé)任，更有成本責(zé)任[3].

3.1.5LCI數(shù)據(jù)的不確定性分析框架[16]

不確定性分析用來(lái)判定與量化由于輸入的不確定性和數(shù)據(jù)變動(dòng)的累積給LCI結(jié)果帶來(lái)的不確定性的系統(tǒng)化程序。我國(guó)目前LCI研究的數(shù)據(jù)來(lái)源主要為公開(kāi)發(fā)表的統(tǒng)計(jì)資料，無(wú)從判定與量化輸入的不確定性。因此，對(duì)于LCI數(shù)據(jù)的收集者來(lái)說(shuō)，積累特定現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)信息，對(duì)不確定性分析有著重要作用。目前，大多根據(jù)文獻(xiàn)中推薦的方法來(lái)估計(jì)常見(jiàn)數(shù)據(jù)類(lèi)型的不確定性，主要方法有：利用高斯誤差傳遞公式計(jì)算的誤差傳遞算法；基于概率分布的隨機(jī)模擬方法；基于區(qū)間表述的區(qū)間算法和基于模糊數(shù)學(xué)表述的模糊集算法等，其中隨機(jī)模擬方法是應(yīng)用最為廣泛的方法，其基本分析框架見(jiàn)圖6。

圖6　LCI數(shù)據(jù)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(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)

3.2.1數(shù)據(jù)庫(kù)總體結(jié)構(gòu)

生命周期評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜而龐大的應(yīng)用系統(tǒng)，為了維護(hù)系統(tǒng)的完整性與一致性，必須對(duì)一些基本的對(duì)象進(jìn)行規(guī)范化，通常這些對(duì)象是數(shù)據(jù)庫(kù)中的最基本的數(shù)據(jù)，如基礎(chǔ)流、單位、地點(diǎn)和分類(lèi)信息等。因此，數(shù)據(jù)庫(kù)總體框架分為基本數(shù)據(jù)集、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集和應(yīng)用數(shù)據(jù)集3部分。基本數(shù)據(jù)集和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集為應(yīng)用數(shù)據(jù)集的建立提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考標(biāo)準(zhǔn)，從而保證數(shù)據(jù)的一致性和可追溯性，同時(shí)使數(shù)據(jù)庫(kù)具有良好的兼容性、可擴(kuò)展性和易維護(hù)性。數(shù)據(jù)庫(kù)整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　數(shù)據(jù)庫(kù)總體結(jié)構(gòu)Fig.7　The structure of database

基本數(shù)據(jù)集包括基礎(chǔ)流、單位、地點(diǎn)和分類(lèi)等實(shí)體，存放整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)體系中所用物質(zhì)的相關(guān)信息數(shù)據(jù)、各種度量單位及相應(yīng)換算關(guān)系、地理信息數(shù)據(jù)以及分類(lèi)信息數(shù)據(jù)。

應(yīng)用數(shù)據(jù)集包括管理信息庫(kù)、產(chǎn)品系統(tǒng)庫(kù)、評(píng)價(jià)方法庫(kù)3部分。管理信息庫(kù)主要存儲(chǔ)項(xiàng)目相關(guān)的管理及建模驗(yàn)證等數(shù)據(jù)，以及LCA實(shí)踐中各數(shù)據(jù)來(lái)源及其特性的描述，以增加數(shù)據(jù)透明性。產(chǎn)品系統(tǒng)庫(kù)中存儲(chǔ)LCA實(shí)踐的核心數(shù)據(jù)，包括計(jì)劃、過(guò)程和中間流等。LCA方法數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)評(píng)價(jià)方法及對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系數(shù)據(jù)。

參考標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集主要存儲(chǔ)國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)、行業(yè)和國(guó)家環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)體系數(shù)據(jù)信息。

數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)需要能夠滿足數(shù)據(jù)收集和查詢等基于Web的網(wǎng)絡(luò)操作需求。目前比較流行的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平臺(tái)主要有Oracle、MySQL、DB2以及SQL Server等。Oracle和DB2在大型的商業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用，對(duì)于多并發(fā)的大數(shù)據(jù)量事務(wù)處理應(yīng)用，具有很高的穩(wěn)定性和較快的響應(yīng)速度，且具有跨平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格昂貴。MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可以運(yùn)行在當(dāng)前主流操作系統(tǒng)上，且代碼開(kāi)源，體積小、速度快，在許多中小型網(wǎng)站中得到廣泛應(yīng)用，但安全性較差。SQL Server的優(yōu)勢(shì)在于與Windows操作系統(tǒng)具有良好的兼容性，已成為Windows平臺(tái)下性能最佳的數(shù)據(jù)庫(kù)，性價(jià)比較高，且可以擴(kuò)展到TB級(jí)的數(shù)據(jù)庫(kù)，能輕松處理千萬(wàn)級(jí)以下的數(shù)據(jù)量。結(jié)合具體需求，本研究選擇SQL Server 2008企業(yè)版作為建立LCA基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)平臺(tái)。

3.2.3數(shù)據(jù)庫(kù)物理模型生成

數(shù)據(jù)庫(kù)物理模型中各實(shí)體屬性的建立主要參考ISO14048標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)際主流EcoSpold02和ILCD數(shù)據(jù)格式，以保證和其他LCA數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的兼容性。

基本數(shù)據(jù)集中各實(shí)體是最基本的引用數(shù)據(jù)，被過(guò)程、數(shù)據(jù)中間流以及評(píng)價(jià)方法所引用和參考。產(chǎn)品系統(tǒng)庫(kù)是LCA數(shù)據(jù)庫(kù)的核心，是進(jìn)行材料(產(chǎn)品)全生命周期評(píng)價(jià)的直接數(shù)據(jù)。圖8是根據(jù)概念模型建立起來(lái)的基于SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)集和產(chǎn)品系統(tǒng)庫(kù)的物理模型圖。

圖8　產(chǎn)品系統(tǒng)的物理數(shù)據(jù)模型Fig.8　The physical data model of the product system

管理信息庫(kù)、評(píng)價(jià)方法庫(kù)及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集等數(shù)據(jù)庫(kù)物理模型的建立方法類(lèi)似。

3.2.4數(shù)據(jù)庫(kù)兼容性分析

國(guó)際上，對(duì)于LCA數(shù)據(jù)集的研究與開(kāi)發(fā)，一般遵從ISO14040系列標(biāo)準(zhǔn)的要求，尤其是ISO14048環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)報(bào)告的格式，但在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上存在較大的差異。目前，Ecoinvent數(shù)據(jù)庫(kù)的EcoSpold以及ELCD數(shù)據(jù)庫(kù)的ILCD格式得到了廣泛的應(yīng)用，絕大多數(shù)LCA軟件工具和數(shù)據(jù)庫(kù)都支持這兩種格式的LCA數(shù)據(jù)交換。

為了實(shí)現(xiàn)Sinocenter 2.0數(shù)據(jù)庫(kù)與其他LCA數(shù)據(jù)庫(kù)之間的數(shù)據(jù)交換，材料LCA數(shù)據(jù)庫(kù)SinoCenter 2.0中的數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)時(shí)參考了ISO14048標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件格式以及ILCD格式，和Ecoinvent 3.0中使用的最新的EcoSpold02版數(shù)據(jù)格式，通過(guò)對(duì)詳細(xì)數(shù)據(jù)字段的分析和比對(duì)可以發(fā)現(xiàn)，SinoCenter 2.0數(shù)據(jù)庫(kù)與國(guó)際上當(dāng)前主流的數(shù)據(jù)庫(kù)具有良好的兼容性，可以完全兼容其主要數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)計(jì)接口程序便可以實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)庫(kù)間數(shù)據(jù)的交換。

3.3生態(tài)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)

材料的生態(tài)設(shè)計(jì)是將環(huán)境因素納入到材料設(shè)計(jì)過(guò)程之中，在材料生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)考慮其可能產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷，通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)將材料生命周期的環(huán)境影響降到最小程度。從生態(tài)設(shè)計(jì)角度來(lái)看，材料環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)還遠(yuǎn)不能滿足材料生態(tài)設(shè)計(jì)的要求，還需要大量材料性能、工藝技術(shù)、事實(shí)規(guī)則、設(shè)備、使用等，全方位、多尺度的數(shù)據(jù)和分析工具等綜合平臺(tái)的支持。因次，在Sinocenter 2.0中擴(kuò)展材料性能和經(jīng)濟(jì)成本數(shù)據(jù)集，為材料的生態(tài)設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的材料性能和成本方面的信息。

4材料LCA數(shù)據(jù)庫(kù)的主要內(nèi)容及應(yīng)用開(kāi)發(fā)

4.1單元過(guò)程清單數(shù)據(jù)的收集

對(duì)于材料(產(chǎn)品)的環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)，一般按照生產(chǎn)過(guò)程劃分為單元過(guò)程，然后各單元過(guò)程按定義的功能單元，進(jìn)行資源和能源輸入和相應(yīng)的輸出及環(huán)境排放數(shù)據(jù)的收集和管理。數(shù)據(jù)源自于大量的調(diào)研數(shù)據(jù)、公開(kāi)出版的各類(lèi)統(tǒng)計(jì)年鑒和計(jì)算數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)集的入庫(kù)過(guò)程中，嚴(yán)格按照ISO14040系列要求進(jìn)行數(shù)據(jù)的審核、分類(lèi)與計(jì)算，并按照一定的功能單元進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，主要信息為功能單元的定義、數(shù)據(jù)質(zhì)量信息、環(huán)境負(fù)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(duì)于公用領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，如電力生產(chǎn)環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)、交通運(yùn)輸環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)，則定義為相對(duì)獨(dú)立的環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)集，并重點(diǎn)說(shuō)明數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)質(zhì)量信息。

4.2主要數(shù)據(jù)集

目前，材料LCA數(shù)據(jù)庫(kù)中涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)近12萬(wàn)余條，內(nèi)容涉及68類(lèi)材料及過(guò)程清單，如電力產(chǎn)品清單[17-19]、化石能源產(chǎn)品清單[20-22]、交通運(yùn)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(lián)接材料編目清單等[38]。

評(píng)價(jià)方法庫(kù)中選擇性的分析了目前廣泛使用的LCA評(píng)價(jià)方法的特點(diǎn)，主要包括Eco-indicator 99、CML、IPCC等評(píng)價(jià)體系，并重點(diǎn)對(duì)CML、Eco-indicator 99指標(biāo)體系，進(jìn)行了本地化研究，結(jié)合我國(guó)的資源特點(diǎn)，建立了42種金屬礦產(chǎn)和58種非金屬礦產(chǎn)的本地化資源損害因子、歸一化因子。同時(shí)，基于我國(guó)土地資源狀況，建立了不同土地使用與轉(zhuǎn)換的土地資源損害因子和歸一化因子。詳細(xì)的環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)集種類(lèi)及數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)表1。

表1　材料生命周期環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)集

此外，引進(jìn)了國(guó)外著名LCA環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)庫(kù)，如Simapro、Umberto、Gabi、DEAM、IVAM和Ecoinvent，主要涉及日用品、造紙、鋼鐵、石化、有機(jī)(無(wú)機(jī))料、能源、運(yùn)輸和電子產(chǎn)品等方面的環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)，它們也是材料LCA數(shù)據(jù)庫(kù)的重要組成部分，為開(kāi)展我國(guó)材料(產(chǎn)品的)LCA比較研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，特別是對(duì)Ecoinvent數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行了本地化的對(duì)比研究與開(kāi)發(fā)。

4.3數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)

基于建立的材料環(huán)境負(fù)荷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，集成北京工業(yè)大學(xué)LCA研究團(tuán)隊(duì)的十多年來(lái)在模型、方法和指標(biāo)體系方面的大量科研成果，如礦產(chǎn)資源耗竭特征化模型、土地使用環(huán)境影響特征化模型、材料生產(chǎn)流程能質(zhì)的模型、材料生產(chǎn)多工序過(guò)程的物質(zhì)流(資源、能源和廢棄物)的環(huán)境負(fù)荷累積模型，針對(duì)典型材料行業(yè)節(jié)能減排和生態(tài)設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)需求和應(yīng)用的軟件工具包，如《水泥產(chǎn)品生命周期能耗分析系統(tǒng)(2013SR038488)》、《材料生命周期能耗分析軟件(2010SRBJ1357)》、《復(fù)合水泥生態(tài)生態(tài)設(shè)計(jì)軟件(2007SRBJ2464)》等，幫助企業(yè)辨識(shí)產(chǎn)品生命周期中的能耗“熱點(diǎn)”，從而找到改善產(chǎn)品生產(chǎn)階段能效的有效途徑，為企業(yè)開(kāi)展節(jié)能減排與產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)與方法支持，用于典型建材、鎂等材料生產(chǎn)環(huán)境負(fù)荷評(píng)價(jià)與管理、節(jié)能減排技術(shù)方案優(yōu)選，以及區(qū)域及行業(yè)布局調(diào)整等，企業(yè)應(yīng)用節(jié)能減排效果明顯。

4.4面向互聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)

在面向互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面，材料(產(chǎn)品)全生命周期環(huán)境負(fù)荷評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)已成為“國(guó)家材料科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)”的節(jié)點(diǎn)之一：材料環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)共享資源節(jié)點(diǎn)。在該數(shù)據(jù)平臺(tái)上，可實(shí)現(xiàn)基于材料種類(lèi)、生產(chǎn)規(guī)模和時(shí)間范圍等查詢條件的分類(lèi)查詢，檢索網(wǎng)址：http://cnmlca.bjut.edu.cn。該數(shù)據(jù)平臺(tái)采用安全性較高的ASPX網(wǎng)站開(kāi)發(fā)技術(shù)，用戶通過(guò)Web注冊(cè)與認(rèn)證后，根據(jù)授權(quán)模式的差異，進(jìn)行共享資源訪問(wèn)和授權(quán)資源訪問(wèn)。

此外，大數(shù)據(jù)在零售行業(yè)中已經(jīng)發(fā)揮了舉足輕重的作用，材料產(chǎn)業(yè)也是如此，不管是國(guó)家提出的中國(guó)制造2025，還是工業(yè)4.0，實(shí)現(xiàn)材料大國(guó)向材料強(qiáng)國(guó)的邁進(jìn)，都需要分析和考慮如何在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)模式的創(chuàng)新與重塑。鑒于以上需求，本課題組開(kāi)發(fā)和部署了大數(shù)據(jù)環(huán)境下的材料環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)采集軟件，正在研究開(kāi)發(fā)基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的中國(guó)材料生命周期數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，同時(shí)發(fā)展適合材料領(lǐng)域的新型數(shù)據(jù)挖掘方法。

5結(jié)語(yǔ)

中國(guó)生命周期清單數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和應(yīng)用，為我國(guó)節(jié)能減排、碳排放(碳足跡)分析、清潔生產(chǎn)審計(jì)等提供了科學(xué)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，大數(shù)據(jù)在材料行業(yè)的運(yùn)用與發(fā)展也面臨一些困難，總體來(lái)講，搜尋行業(yè)數(shù)據(jù)還比較困難，相關(guān)信息的自由流通還存在很大的阻礙，甚至相關(guān)信息的統(tǒng)計(jì)還有不準(zhǔn)確的情況出現(xiàn)。

我國(guó)生態(tài)設(shè)計(jì)與生命周期評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展方向主要包括以下3方面：首先是對(duì)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)質(zhì)量保證等相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步研究，為數(shù)據(jù)庫(kù)更新與擴(kuò)展提供技術(shù)保障；其次需要進(jìn)一步研究數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)的擴(kuò)展方法，以支持動(dòng)態(tài)生命周期評(píng)價(jià)；最后是在材料基因組理念的指導(dǎo)下，篩選并建立材料環(huán)境負(fù)荷基因組，研究材料的結(jié)構(gòu)-性能-環(huán)境友好性之間潛在的深層次關(guān)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(lèi)號(hào)：X828

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(xiàng)目：國(guó)家863計(jì)劃(2007AA03Z432,2013AA031602)；國(guó)家973計(jì)劃(2007CB613206)；國(guó)家支撐計(jì)劃(2007BAE42B05, 2011BAJ04B06, 2011BAC04B06, 2011BAB02B04);北京市重點(diǎn)基金(2081001, 2141001)；國(guó)家自然科學(xué)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