基于全生命周期的產品綠色設計平臺建設

張吉春，孫 錦，孫 薇，史翀祺，張清華，陶懷亮

(北京科吉環境技術發展有限公司技術部，北京 100028)

1 引言

綠色發展已經成為全球經濟實現可持續發展的必然選擇，也是我國工業轉型升級、建設生態文明國家的必由之路。“綠色制造”被《中國制造2025》列入重點實施五大工程之一。綠色產品是綠色制造的重要組成部分，《綠色制造工程實施指南(2016-2020)》明確到2020年開發推廣萬種綠色產品，綠色發展是個動態過程，要通過技術創新和系統優化，將綠色設計、綠色技術和工藝、綠色生產、綠色管理、綠色供應鏈、綠色循環利用等理念貫穿于產品全生命周期中，實現全產業鏈的環境影響最小、資源能源利用效率最高，獲得經濟效益、生態效益和社會效益的協調優化，是一項長期性、系統性的工作。

為了推動落實綠色設計產品評價工作，近年來國家工信部先后發布了127個產品評價標準，用于指導相關產品綠色設計評價工作。評價主要包括指標評價和生命周期評價(LCA)。但是對于企業來說，綠色產品評價是一項復雜工作，首先要研究是否有相應評價標準，標準中規定了哪些硬性評價指標，根據要求計算出相應評價結果，再根據相應產品全生命周期評價要求，開展產品全生命周期評價，得出其資源環境影響情況，判斷是否符合綠色產品。在一系列的計算中涉及的數據量大，計算相對復雜，手動計算容易出錯，因此需要借助相關平臺系統軟件來完成。

本文在完成前期綠色產品評價標準的研究基礎上，對綠色產品評價系統軟件開發進行了研究。根據前期研究的已發布標準中各類產品的評價指標和全生命周期評價的要求，構建了產品全生命周期評價工具模型，搭建了產品生命周期評價及綠色設計平臺系統。不僅能完成對各類產品的全生命周期評價，而且能對全生命周期各階段進行綠色設計，探索資源環境影響最小的綠色設計方案，平臺還有助于企業查詢管理各類相關產品評價信息。

2 產品全生命周期評價必要性

產品生命周期評價是對產品整個生命周期各階段涉及的資源環境影響進行的評價，旨在幫助制造業企業進行資源環境管理。隨著我國綠色制造系列工作的開展推進，產品生命周期評價越來越受到社會各界的關注和認可，也成為制造業企業開展綠色升級轉型發展的重要工具，對企業的可持續發展起到了至關重要的作用。

2.1 壯大企業綠色產品，推動可持續發展

隨著中國制造2025系列工作的推動，越來越多的用戶傾向于綠色生態產品，越來越多的企業積極申報綠色產品，產品生命周期評價成為不可或缺的部分。通過開展產品生命周期資源環境影響評價不僅可以讓企業了解到產品生產各階段產生的具體環境影響，也可以為企業進一步優化生產工藝、調節原料配比、改進生產設備等提供支撐，促進企業從源頭研發生產綠色產品，推動企業的綠色健康可持續發展。

2.2 提高企業環保質量及效率

當前，我國將控制生態變化、發展低碳綠色經濟提到了前所未有的戰略高度。開展產品全生命周期評價，可以從源頭上控制環境影響，實施生態設計，可以降低環境負荷，實現產品設計的綠色化、生態化、可持續化，從而極大提高環保的質量和效率。

2.3 推動環保相關產業高速發展

當前，環境影響評價、能量流分析、物質流分析、信息流分析、環境績效、生命周期評價、風險評價等理論體系是比較常見的幾種，綜合利用共同分析往往可以達到良好效果。可以將物質流分析、風險評價等和產品生命周期評價結合在一起，評價產品生命周期各階段物質流動情況、各類資源環境影響帶來的潛在風險，推動從事風險分析、環境審計等環保類咨詢服務企業的發展。

3 綠色設計平臺建設

本文基于生命周期評價理論以及實際綠色產品評價流程，結合實際評價需求，構建符合實際綠色產品評價的系統平臺，開展系統平臺結構設計，并明確系統平臺各模塊功能，相繼完成系統開發。

3.1 平臺系統的建設目標

平臺系統的建設目標：本平臺系統的建設開發旨在為企業開發綠色產品決策、綠色設計方案制定優化、產品的生產戰略、發展規劃及管理等提供一套科學有效的評價工具。該系統軟件不僅能夠完成對綠色產品全生命周期各階段資源環境影響的科學評價，而且能實現產品各階段綠色設計，從而調整各階段資源環境影響，有助于企業全面、準確、及時的掌握產品生產各階段的資源環境影響，并結合企業實際情況采取科學合理的改進措施，盡可能降低產品生產全生命周期資源環境影響度。本平臺系統開發建設的具體目標如下。

(1)為制造行業企業產品綠色設計和資源環境管理人員提供一個易操作和直觀的綠色產品評價工具軟件，為新產品的綠色開發設計提供支撐。本系統可以針對某一具體產品，建立該產品的子信息庫，存儲其功能、技術參數，根據系統內嵌的評價工具，基于該產品基礎數據，快速開展該產品全生命周期各階段資源環境影響評價。

(2)在一定程度上可以實現數據資源的共享。本系統采用B/S體系結構，能夠實現數據共享，實時進行數據查詢，方便數據信息的管理。

(3)本平臺系統軟件具有較強的通用性和靈活性，能夠為后續的平臺拓展提供接口，具有易操作、界面友好、適用性強特性。

3.2 平臺系統體系結構設計

在產品生命周期評價平臺的設計中，主要是采用三層結構，即是將整套服務應用分為表示層、業務邏輯層、數據訪問層。對系統進行分層主要是為了降低各模塊間的耦合程度，有利于系統開發、維護和擴展工作的開展。平臺系統體系結構圖如圖1所示。

圖1 平臺系統體系結構

(1)表示層。表示層指的是直接與用戶交互的前端界面，直接處理用戶的相關操作，即是傳遞用戶請求，顯示服務器程序處理結果。

(2)業務邏輯層。業務邏輯層是表示層與數據訪問層間的橋梁，主要用于實現業務邏輯。具體表現在接收用戶層傳遞來的具體需求，調用業務邏輯程序，通過使用數據訪問層組件對數據庫進行存取操作，并把相應結果返回到表示層。

(3)數據訪問層。主要是對數據庫中的數據進行增刪查改操作，即保存業務邏輯層處理的數據，傳遞表示層需要的數據。

三層架構通過實體層進行連接，實體層獨立于三層架構，用于傳遞數據。

3.3 平臺系統的功能模塊設計

該平臺系統實現對產品全生命周期的綠色設計和評價，主要功能包括產品管理、產品生命周期模型、LCA評價結果、綠色設計等模塊。產品評價及綠色設計平臺系統的主要功能模塊劃分如圖2所示。

圖2 系統功能模塊

3.3.1 系統管理功能模塊設計

系統管理主要包括管理員管理、角色管理、菜單管理、參數管理、系統日志等內容，在該模塊下管理員可以新增用戶賬號、激活新注冊用戶賬號、分配用戶權限、刪除用戶賬號等操作，也可以根據用戶的ID或者名稱查詢用戶，可以對用戶的權限進行修改，當新增的時候可以同時賦予一定權限。但是上述的這些功能只對權限值最高的用戶顯示，即管理員，普通用戶進入系統是不顯示系統管理模塊的。

3.3.2 產品管理功能模塊設計

產品管理模塊主要是憑借產品所屬行業和產品名稱來查詢已經在該平臺開展過生命周期評價和綠色設計的產品名稱及其他相關信息，具體可以看到相關產品的系統邊界、功能單位、評價數量、評價年份等信息，用戶也可以在該頁面對某一產品進行刪除，同步刪除該產品的全部數據信息。

3.3.3 產品生命周期模型功能模塊設計

平臺系統將產品生命周期劃分為原料階段、生產階段、銷售階段、使用階段、回收處理階段，通過對產品進行定義并填寫各階段對應的基礎數據，可完成對產品的生命周期資源環境影響的評價。首先，要對產品進行目標定義，明確功能單位、系統邊界、產品規格型號、產品名稱、評價年份等信息。其次，分別填寫各階段資源消耗、能源消耗、污染物排放、包裝信息、原料運輸信息等內容。

3.3.4 LCA評價結果功能模塊設計

平臺系統根據產品生命周期模型中各階段填寫的相應基礎數據，進行LCA計算，選中某一產品，查詢后即可查詢到該產品LCA結果，結果包含14種資源環境影響類型，分別是初級能源消耗(PED)、非生物資源消耗(ADP)、水資源消耗(WU)、全球變暖(不含生物炭)(GWP)、臭氧層消耗(ODP)、酸化(AP)、可吸入顆粒物、光化學煙霧(POCP)、光化學臭氧合成(POFP)、富營養化(EP)、生態毒性、人體毒性(HTP)、人體毒性-致癌、人體毒性-非致癌。

3.3.5 綠色設計功能模塊設計

產品綠色設計是根據對應產品名稱及批次編號，查詢該產品的原料階段、生產階段、銷售階段、使用階段、回收處理階段的資源環境消耗數據，并對不同階段的投入產出數據進行相應修改設計，修改完成后重新命名后保存。通過查看綠色設計結果，可以將該產品綠色設計前后的兩種方案進行LCA結果比對，看出前后的變化情況，并且可以將結果以Excel的形式導出下載到本地。

3.3.6 配置中心

配置中心主要包括“特征化指標”“行業管理”和“背景因素配置”三部分。通過特征化指標可以查看14個特征化指標的相關信息，包括物質名稱、物質單位、因子值等；行業管理包括新增、修改和刪除行業相關信息，背景因素配置模塊主要是用于實時錄入修改各類產品所用到的大宗物料、資源能源等資源環境影響背景因子數據，用于支撐各類產品全生命周期資源環境影響評價和綠色設計。

3.4 綠色產品評價流程

本平臺系統上綠色產品評價流程包含以下幾個階段。

(1)產品目標定義：明確評價對象及評價目標。

(2)清單分析階段：評價產品的目標和范圍確定以后，根據確定的評價模型，錄入各階段投入產出基礎數據，量化分析產品生命周期各階段資源能源使用以及環境影響過程。

(3)綠色設計階段：根據計算的產品生命周期全過程各階段資源環境影響情況，適當調整資源能源投入數據、污染物排放數據，重新計算資源環境影響，找尋最適合企業的產品生產方案，實現產品綠色發展。

3.5 綠色設計平臺的開發實現

產品綠色設計平臺系統采用B/S架構，平臺使用JSP+JQuery開發，系統后臺采用Java語言集成SSH框架，數據庫采用MySQL。

3.5.1 系統管理模塊實現

系統管理主要包括管理員管理、角色管理、菜單管理、參數管理、系統日志等內容，如圖4所示，在該模塊下管理員可以進行新增用戶賬號，激活新注冊用戶賬號，為用戶分配權限，刪除用戶賬號等操作。

圖3 綠色產品評價流程

圖4 系統管理模塊界面

3.5.2 產品管理模塊實現

產品管理模塊主要是憑借產品所屬行業和產品名稱來查詢已經在該平臺開展過生命周期評價和綠色設計的產品名稱及其他相關信息，用戶也可以在該頁面對某一產品進行勾選刪除，如圖5所示。

圖5 產品管理模塊界面

3.5.3 產品生命周期模型模塊實現

綠色設計平臺系統將產品生命周期劃分為原料階段、生產階段、銷售階段、使用階段、回收處理階段，通過對產品進行定義并填寫各階段對應的數據，可完成對產品的生命周期資源環境影響的評價。

用戶對某一產品進行LCA評價時，首先點擊“目標產品定義”，根據要求依次輸入相應信息，如圖6所示。

圖6 產品目標定義界面

確定好開展生命周期評價的產品后，點擊“新增原材料”按鈕，填寫原材料數據來源等信息，用戶可根據需要，點擊操作按鈕，如圖7所示。若開展生命周期評價的產品中某一原材料存在來源于上游原料數據時，可點擊“添加上游原料”按鈕，添加上游數據，如圖8所示。點擊“添加原材料消耗”按鈕，添加消耗的相應物質及數量后點擊“保存”按鈕，即可保存，如圖9所示，其他能源消耗數據、排放數據等依次按照此模式填寫。確認上游數據都填寫完畢后，可以點擊“返回”按鈕，返回上一層操作。

圖7 原料階段界面

圖8 原料階段界面

生產階段、銷售階段、使用階段、回收處理階段和原料階段操作一樣，按照同等模式操作即可。

圖9 原料階段界面圖

3.5.4 LCA評價結果模塊實現

綠色設計平臺系統根據產品生命周期模型中各階段填寫的相應數據，進行LCA計算，選中某一產品，點擊“查詢”即可，結果包含14種資源環境影響類型，用戶若需下載保存某一產品結果，點擊“結果導出”即可對將該產品結果以Excel形式下載到本地，如圖10所示。

圖10 LCA評價結果界面

點擊“原料階段”后可直接看到原料階段各類原料的資源環境影響結果，如圖11所示。

圖11 原料階段各類原料資源環境影響結果界面

點擊“詳情”，可通過餅圖形式查看產品各階段各環境影響占比，如圖12所示。

圖12 結果餅圖顯示界面

3.5.5 綠色設計模塊實現

對某一產品進行綠色設計，可點擊“綠色設計方案”進入選擇對應產品及批次號，點擊“查詢”后進行各個階段的設計。用戶可分別選擇“原料階段”、“生產階段”、“銷售階段”、“使用階段”、“回收利用階段”，對不同階段的數據進行修改設計，修改完成后點擊“保存修改數據”按鈕，對綠色設計方案進行命名保存，如圖13所示。

圖13 綠色設計方案界面

用戶可通過點擊“綠色設計結果”對產品的兩種方案進行結果對比，用戶選擇對應產品及不同設計的批次號，點擊“結果對比”后可直觀不同設計的結果，及其對比結果，如圖14所示。

圖14 綠色設計結果界面

用戶可將將對比結果進行下載保存，點擊“結果導出”按鈕，即可下載到本地。

3.5.6 配置中心模塊實現

配置中心主要包括“特征化指標”、“行業管理”和“背景因素配置”三個部分。點擊“查看詳情”可以查看特征化指標的相關信息，如圖15所示。

圖15 特征化指標界面

背景因素配置主要用于將原材料種類、上游原料種類、資源能源種類、排放與廢棄種類、運輸方式種類和包裝材料種類數據錄入到數據庫中，從而進行產品全生命周期資源環境影響評價，可憑借物質名稱，點擊“查詢”按鈕，查詢數據庫中是否已有該物質相關數據，可點擊“新增”按鈕，增加相應物質名稱及數據，可點擊“修改”按鈕，對某一物質相關數據進行修改，此部分功能只能由最高權限的管理員進行操作，如圖16、圖17所示。

圖16 背景因素配置界面圖

圖17 背景因素配置界面圖

4 結語

本文圍繞產品生命周期評價及綠色設計平臺建設主要做了以下幾方面工作。

(1)研究產品全生命周期評價理論，分析產品開展綠色設計的必要性，以及開展產品綠色設計為制造行業企業帶來的益處，為制造業企業開展產品綠色設計奠定了理論基礎。

(2)結合產品綠色設計評價流程，構建產品生命周期各階段資源環境評價工具，開發產品生命周期評價及綠色設計系統平臺，內嵌各類大宗原料、能源等資源環境影響特征化背景數據庫，并實時更新庫中各類數據，為制造業企業了解產品生命周期各階段資源環境影響并根據企業實際情況開展產品綠色設計奠定了數據基礎。

在今后的研究中，將進一步拓展平臺的多功能性，增加綠色制造和綠色設計的相關政策信息以及國內開展綠色設計的成功案例，增加用戶之間交流分享功能等，豐富平臺的全面性、實用性等，調動制造業企業的積極性，推動產品綠色化發展。