船舶動力系統(tǒng)全生命周期綠色設(shè)計的評價方法

王瑞昌, 陳志華, 明新國

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

隨著全球化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，船舶貨運業(yè)務(wù)也在不斷發(fā)展.但是，日益密集的船舶貨運在推動全球經(jīng)濟(jì)不斷增長的同時，也給環(huán)境帶來了沉重負(fù)擔(dān).船舶在制造、航行和報廢過程中，會排放大量污染物，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境的健康持續(xù)發(fā)展，而船舶動力系統(tǒng)的綠色性能在船舶整體綠色性能中具有決定性的作用.船舶動力系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)產(chǎn)品，建立系統(tǒng)有效的綠色設(shè)計評價方法，對于改進(jìn)船舶動力系統(tǒng)的綠色性能具有重要意義.全生命周期評價(LCA)是一種常見的綠色設(shè)計評價方法，Azapagic等[1]將線性規(guī)劃方法、多目標(biāo)優(yōu)化方法與LCA相結(jié)合，在解決環(huán)境負(fù)擔(dān)分配問題的同時，保證了研發(fā)產(chǎn)品的環(huán)境性能最優(yōu)化.Woolridge等[2]結(jié)合LCA方法比較了利用回收廢舊紡織品原料和未加工原材料在節(jié)約能量方面的區(qū)別.國內(nèi)關(guān)于產(chǎn)品全生命周期評價的研究起步較晚，黃志甲等[3]利用全生命周期評價方法，確定了汽車燃料生命周期清單分析參數(shù)和評價邊界，提出了燃料上游階段清單的計算邏輯.挪威船級社與Aalesund University College合作，利用Eco-indicator 95全生命周期分析工具對船舶進(jìn)行LCA評估，指出NOx和SOx是船舶的首要空氣污染物，且船舶營運是全生命周期中對環(huán)境影響最大的階段.文獻(xiàn)[4]利用LCA方法，基于環(huán)境影響因素評價方法研究了拆船過程的決策；蔣春林等[5]采用模糊層次分析法建立了船舶綠色度評價的遞階層次結(jié)構(gòu)模型，定量計算出船舶的綠色度值.針對層次分析法不能確定強(qiáng)關(guān)聯(lián)因素間權(quán)重的問題，Asadabadi[6]研究了利用網(wǎng)絡(luò)分析法(ANP)和Markov鏈的以客戶為導(dǎo)向的供應(yīng)商選擇方法；Bhattacharya等[7]利用模糊ANP，提出了一種協(xié)作決策方法對綠色供應(yīng)鏈進(jìn)行績效評估.代言明等[8]基于模糊ANP，提出了公路隧道火災(zāi)風(fēng)險綜合評價模型.趙振武等[9]對機(jī)場旅客安檢系統(tǒng)保障能力進(jìn)行了評估.

目前，面向全生命周期的船舶綠色設(shè)計評價指標(biāo)體系主要是針對整船進(jìn)行評價的，收集數(shù)據(jù)較為困難，操作難度較大.同時，現(xiàn)有體系多將船舶全生命周期中的各階段視為各自獨立的，但在實際設(shè)計和建造過程中，設(shè)計階段的結(jié)構(gòu)方案和原材料的種類選擇直接決定了制造、營運和報廢回收階段的綠色性.本文結(jié)合前人的研究成果，針對在船舶整體綠色度中起決定性作用的船舶動力系統(tǒng)，建立面向全生命周期的綠色設(shè)計評價指標(biāo)體系，采用ANP確定各評價指標(biāo)的綜合權(quán)重，為船舶動力系統(tǒng)的綠色設(shè)計提供一種較為完整并且可行性較強(qiáng)的評價方法.

1 模型構(gòu)建

1.1 船舶動力系統(tǒng)綠色設(shè)計評價方法

船舶動力系統(tǒng)的綠色設(shè)計主要包括概念設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計階段.通過概念設(shè)計階段的環(huán)境影響識別和預(yù)評估，選出較為合理的設(shè)計方案后，進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計評價.詳細(xì)設(shè)計評價主要包括船舶動力系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、交付使用和報廢回收4個階段.利用面向全生命周期的船舶綠色設(shè)計評價指標(biāo)體系，可以對不同的設(shè)計方案進(jìn)行評價，從而有效指導(dǎo)船舶動力系統(tǒng)的綠色設(shè)計，船舶動力系統(tǒng)綠色設(shè)計的具體流程如圖1所示.

圖1 船舶動力系統(tǒng)綠色設(shè)計流程圖

1.2 全生命周期評價標(biāo)準(zhǔn)框架

全生命周期評價標(biāo)準(zhǔn)框架(見圖2)含有目標(biāo)與范圍定義、清單分析、影響評價和解釋4部分.

(1)目標(biāo)與范圍定義.鑒定船舶動力系統(tǒng)的功能單元，選擇能夠提供選定功能單元的參考產(chǎn)品或參考服務(wù)，并限定船舶動力系統(tǒng)全生命周期系統(tǒng)的邊界，如圖3所示.

圖2 全生命周期評價框架

圖3 面向全生命周期的船舶動力系統(tǒng)邊界圖

(2)清單分析.搜集船舶動力系統(tǒng)全生命周期中與環(huán)境交換的輸入輸出信息，構(gòu)建船舶動力系統(tǒng)的全生命周期清單，包括船舶交付情況記錄、電子數(shù)據(jù)庫、文獻(xiàn)數(shù)據(jù)、未公開發(fā)表的數(shù)據(jù)以及實地的測量計算等.

(3)影響評價.將收集的全生命周期清單數(shù)據(jù)，定性或定量地轉(zhuǎn)化為所能造成的環(huán)境影響指標(biāo)，主要包括分類、特征化、規(guī)范化和加權(quán)，進(jìn)而得出不同設(shè)計方案下船舶的綠色性能，以便于調(diào)整設(shè)計方案.

(4)解釋.根據(jù)全生命周期評價設(shè)定的目標(biāo)，通過分析模擬，形成最終意見或者建議.

1.3 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

船舶動力系統(tǒng)的全生命周期綠色評價指標(biāo)體系主要分為如表1所示的4個層級.第1層為總目標(biāo)層，即船舶動力系統(tǒng)全生命周期綜合綠色度(Gs)；第2層為子目標(biāo)層，包括研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、交付使用、報廢回收4個階段在內(nèi)的各階段綠色度(Gm,m=1,2,3,4)；第3層為一級指標(biāo)，主要包括資源屬性、環(huán)境屬性、能源屬性、技術(shù)屬性和經(jīng)濟(jì)屬性5個因素集(Am,i,i=1,2,3,4,5)；第4層為二級指標(biāo)，主要包括材料利用率、廢舊材料回收率等(Am,ik,k=1,2,…,gi,gi為第i個因素集中因素的個數(shù)).各個層級之間的指標(biāo)相互獨立，且上一層級指標(biāo)可支配下一層級指標(biāo).確定目標(biāo)和范圍，可以明晰船舶動力系統(tǒng)全生命周期綠色設(shè)計評價的系統(tǒng)邊界.根據(jù)該邊界，查找相關(guān)建造資料，完成船舶動力系統(tǒng)全生命周期清單的構(gòu)建.但是，船舶動力系統(tǒng)綠色評價指標(biāo)之間并非完全獨立，而是相互影響、相互依存的，如先進(jìn)設(shè)備的利用率會顯著影響材料利用率，材料利用率則會直接影響固體污染程度，各個指標(biāo)的權(quán)重不能簡單依據(jù)傳統(tǒng)的層次分析法獲得.因此，可以通過建立基于ANP的船舶動力系統(tǒng)綠色設(shè)計評價模型，得到更加合理的指標(biāo)權(quán)重.以研發(fā)設(shè)計階段的綠色度評價為例，建立網(wǎng)絡(luò)分析模型，如圖4所示.

表1 船舶動力系統(tǒng)的全生命周期綠色評價指標(biāo)體系

圖4 船舶動力系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計階段綠色度評價網(wǎng)絡(luò)分析模型

船舶動力系統(tǒng)的全生命周期綠色度評價步驟如下.

步驟2根據(jù)步驟1中確定的各指標(biāo)的權(quán)重，對船舶動力系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、交付使用和報廢回收各階段的綠色度進(jìn)行綜合評價.

2 權(quán)重的確定

本節(jié)以研發(fā)設(shè)計階段(即m=1時)的權(quán)重確定為例，并省略各指標(biāo)符號中的下標(biāo)m.

(1)利用層次分析法中的權(quán)重確定方法構(gòu)造單一因素集的權(quán)重矩陣.利用Delphi法，以第j個因素集中任一因素z為基準(zhǔn)，比較第i個因素集中各個因素相對重要程度，判斷矩陣標(biāo)度含義如表2所示.構(gòu)造判斷矩陣

表2 判斷矩陣標(biāo)度

對矩陣Wij,z的每一列進(jìn)行歸一化處理，即

得到

再對Bi,z按行求和，得到

Ci,z=[c1c2…cgi]T

將Ci,z歸一化處理后，可得權(quán)重向量

Di,z=[d1d2…dgi]T

此時對應(yīng)的最大特征值的近似值為

分別以第j個因素集中其他因素為基準(zhǔn)，構(gòu)造判斷矩陣，通過求得每個判斷矩陣的最大特征值對應(yīng)的特征向量，最終得到第i個因素集相對第j個因素集的權(quán)重矩陣：

(2)對判斷矩陣Wij進(jìn)行一致性檢驗：

其中：

RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，是根據(jù)足夠多個隨機(jī)發(fā)生的判斷矩陣計算而得的一致性指標(biāo)的平均值，矩陣的維數(shù)越大，RI值也會越大.RI的取值如表3所示.

一般而言，如果由計算得到的CR值越小，則判斷矩陣的一致性越好，通常認(rèn)為當(dāng)CR<0.1 時，判斷矩陣就會具有滿意的一致性.如果由計算得到的CR值較大，則判斷矩陣不滿足一致性，即屬性因素集中不同因素之間的重要度存在矛盾，此時則需要細(xì)化專家打分的準(zhǔn)則或有聘請更多的專家參與重要度評價打分并且求取其平均值，直至判斷矩陣滿足一致性檢驗要求.

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)的值

(3)構(gòu)造未加權(quán)的超矩陣.計算出各項判斷矩陣Wij后，得到未加權(quán)的超矩陣

(4)構(gòu)造加權(quán)超矩陣.考慮到不同因素集間的相互影響，以第i個因素集為基準(zhǔn)，構(gòu)建因素集間的判斷矩陣

進(jìn)而求得因素集的權(quán)重矩陣

加權(quán)超矩陣由未加權(quán)矩陣W與影響權(quán)重矩陣S相乘得到，即

(6)根據(jù)各個二級指標(biāo)的實際評價值以及權(quán)重，通過線性計算即可得到船舶全生命周期各階段的綠色度.

(7)利用判斷矩陣得到船舶動力系統(tǒng)設(shè)計全生命周期各階段的重要度，采用線性計算得到船舶動力系統(tǒng)全生命周期總體綠色度，從而為船舶的綠色設(shè)計提供參考.

3 示例驗證

基于上文船舶動力系統(tǒng)綠色設(shè)計評價體系，參照現(xiàn)有的某功率級船舶動力系統(tǒng)，對相同功率級的某新型船舶動力系統(tǒng)的全生命周期綠色度進(jìn)行分析評價.

3.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

(1)通過專家打分的形式，確定指標(biāo)體系中的各個判斷矩陣，以資源屬性指標(biāo)因素集為例，構(gòu)建判斷矩陣

表4 未加權(quán)的二級指標(biāo)超矩陣

因此，可以計算得到各個二級指標(biāo)在研發(fā)設(shè)計階段、制造階段、交付使用階段、報廢回收階段的權(quán)重，如表7所示.

表5 二級指標(biāo)加權(quán)超矩陣

表6 二級指標(biāo)加權(quán)超矩陣的收斂矩陣

表7 船舶動力系統(tǒng)綠色度評價指標(biāo)權(quán)重

Tab.7 The assessment index weight of marine power system’s greenness

指標(biāo)權(quán)重m=1m=2m=3m=4Am,110.0580.0610.0280.048Am,120.0660.0710.0360.057Am,130.0260.0190.0200.067Am,210.0360.0400.0420.038Am,220.1160.1340.1530.128Am,230.2490.2630.2730.251Am,240.1430.1570.1650.174Am,310.0420.0480.0490.030Am,320.0610.0490.0610.032Am,410.0200.0180.0130.011Am,420.0440.0360.0430.028Am,430.0150.0100.0130.053Am,510.0550.0620.0390.020Am,520.0380.0140.0440.021Am,530.0310.0180.0210.042

3.2 全生命周期綠色度分析

參照現(xiàn)役某型號船舶動力系統(tǒng)，聘請10位中船重工某研究所船舶動力系統(tǒng)設(shè)計與制造方面的專家，對標(biāo)國際和國家船舶動力系統(tǒng)綠色設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對以下3種不同的新型船舶動力系統(tǒng)設(shè)計方案進(jìn)行綠色設(shè)計評價.例如，現(xiàn)役某型號船舶動力系統(tǒng)的材料利用率為45%，則新型船舶動力系統(tǒng)綠色設(shè)計評價中的“材料利用率”一項的得分可由下式計算：

其中：Mt,11表示第t種方案船舶動力系統(tǒng)綠色設(shè)計評價中“材料利用率”的得分；Ot,11表示第t種方案船舶動力系統(tǒng)的材料利用率.

通過求取專家打分的平均值，得到評價結(jié)果如表8所示.方案1改進(jìn)現(xiàn)有制造工藝，采用模塊化設(shè)計和精益制造理念的船舶動力系統(tǒng)綠色設(shè)計方案；方案2對標(biāo)軍用船舶動力系統(tǒng)要求，采用先進(jìn)制造技術(shù)保障功能及性能先進(jìn)性；方案3對標(biāo)國際綠色船舶設(shè)計要求，采用先進(jìn)加工設(shè)備和工藝技術(shù)降低環(huán)境污染.

考慮到船舶動力系統(tǒng)綠色設(shè)計過程中全生命周期各個階段間會相互影響，故對全生命周期的各個階段進(jìn)行重要度分析，通過建立判斷矩陣，最終得到全生命周期各個階段的權(quán)重為

P=[P1P2P3P4]=

[0.360 1 0.205 4 0.262 8 0.171 7]

3種不同設(shè)計方案綠色度的計算結(jié)果，如表9所示.

表8 不同船舶動力系統(tǒng)綠色評價結(jié)果

Tab.8 Green evaluation indices of different marine power systems

二級指標(biāo)評價得分方案1方案2方案3現(xiàn)役某型號船舶動力系統(tǒng)材料利用率69788260先進(jìn)設(shè)備利用率67758460廢舊材料回收率65688960噪聲污染68748560空氣污染71728760水體污染62689260固體污染60649060能源利用率69738460清潔能源比例64698660設(shè)計制造技術(shù)先進(jìn)性67768460功能性能技術(shù)先進(jìn)性79858760拆卸處理技術(shù)先進(jìn)性73768860設(shè)計制造成本84644860使用維護(hù)成本82625260報廢回收成本62676960

表9 3種設(shè)計方案的綠色度

3.3 解釋與評價

通過比較表9中3種不同設(shè)計方案的全生命周期綠色度，可以發(fā)現(xiàn)方案3的綠色度最高，優(yōu)于其他兩種設(shè)計方案，且3種方案的綠色度均優(yōu)于作為參考的現(xiàn)役某型號船舶動力系統(tǒng).但是，不同的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和工作性能要求，對船舶動力系統(tǒng)的整體綠色度有不同的要求.

經(jīng)濟(jì)成本對整體綠色度的貢獻(xiàn)在整體綠色度中的占比為

功能性能對整體綠色度的貢獻(xiàn)在整體綠色度中的占比為

通過計算可以得到3種不同設(shè)計方案各自的Gs、CP和FP值，如表9和10所示.

比較3種不同設(shè)計方案的Gs、CP和FP值可以發(fā)現(xiàn)，方案1經(jīng)濟(jì)成本對整體綠色度的貢獻(xiàn)即其在整體綠色度中的占比明顯高于其他兩種方案，適用于需特別注重經(jīng)濟(jì)效益的造船廠；方案2功能性能對整體綠色度的貢獻(xiàn)要高于其他兩種方案，適用于對船舶動力系統(tǒng)功能性能要求較高的船型；方案3綠色度最高，對環(huán)境的污染程度最低.

表10 不同設(shè)計方案的CP和FP值

4 結(jié)語

本文通過梳理綠色船舶全生命周期綠色設(shè)計流程，確定了系統(tǒng)邊界，并構(gòu)建了船舶動力系統(tǒng)的全生命周期綠色度評價指標(biāo)體系.通過分析各個二級評價指標(biāo)的相互作用關(guān)系，采用網(wǎng)絡(luò)分析法求解各指標(biāo)的綜合權(quán)重，比傳統(tǒng)的層次分析法求解得到的綜合權(quán)重更具客觀性和合理性.本文參照某現(xiàn)役型號的船舶動力系統(tǒng)，利用Delphi法對3種不同的綠色設(shè)計方案進(jìn)行打分，對網(wǎng)絡(luò)分析法在船舶動力系統(tǒng)綠色設(shè)計評價中的應(yīng)用進(jìn)行示例驗證，并對不同綠色設(shè)計方案進(jìn)行解釋說明，并為船舶動力系統(tǒng)的綠色設(shè)計評價提供了新的研究方法，船廠可以根據(jù)自身的發(fā)展階段選擇合適的設(shè)計方案.