基于遞推算法的生命周期評價清單分析應用研究

方 寧

（安徽工業大學 計算機科學與技術學院，安徽 馬鞍山 243032）

0 引 言

隨著社會的不斷發展，人們對生活質量的要求越來越高，當人們對自然資源不加控制的使用時，工業生產所帶來的氣候變化、顆粒物、垃圾堆積等一系列環境問題卻總是被忽視。科學研究表明，碳排放量的上升是造成全球氣候變暖、溫室效應，甚至出現極端不良氣候的直接誘發因素之一，并正在危及人類的健康和生活質量。在此背景下，怎樣減少碳排放量已成為各國學者和專家關心的議題。

生命周期評價（Life Cycle Assessment, LCA）作為一種面向產品系統的環境影響分析工具，它以系統的思維方式去研究產品（或服務）在全生命周期中各階段的投入消耗以及環境排放問題，能夠定量評價和辨識改善環境影響的方案。不少學者和專家都應用LCA方法來檢測產品或工藝的環境排放問題，并取得了高效的評估結果，使得工業生產中的碳排放情況得到了改善。楊毅等人利用LCA理論研究制備氧化鋁的工藝，通過不同的發電方式對原鋁進行生命周期的環境影響評估，從而采取相應措施降低對環境的影響。時君麗等人基于LCA理論建立能耗、物耗及環境排放模型，并通過特征化和標準化方式得出環境影響類別，從而減少相應工藝過程中的資源、能源消耗和環境排放，實現綠色制造。Strecker等通過對GREET模型的研究，利用高效的動力系統實現了能源節約和碳排放改善的目的，并實現了太陽能發電站的排放量控制。S Pfister等開發了一種評估淡水消耗對環境影響的方法，并與Eco-indicator-99 LCIA方法相結合，為水密集型產品生產中出現的環境問題提供參考。鄧超等以矩陣的形式建立了理論模型，驗證了算法的準確性。

LCA因其利用率較高，已經被廣泛應用在各行各業。清單分析的結果對產品的影響評價至關重要，如果沒有對數據進行準確的計算和高效的整合處理，就無法使相關人員對此清單數據的影響評價類型進行準確劃分。針對這一現象，本文先選用矩陣模型的算法對數據進行計算，并運用高斯消元法進行求解，降低數據計算的復雜度，最后提出遞推算法將系統數據進行匯總，清晰展現該產品的各類環境影響潛值，方便后續程序順利進行。

1 清單分析步驟

ISO 14040標準規定，LCA的技術框架分為四個階段：目的和范圍的確定、清單分析、影響評價、結果解釋。其中，清單分析階段的數據準確性會直接影響目標產品或工藝的環境特性評價。因此，清單分析階段的數據計算十分重要。

建立清單的過程即在系統范圍內，對于產品全生命周期中各階段的單元過程輸入、輸出數據，根據產品給定的功能單位進行定量整理。生命周期評價清單分析階段主要包含數據收集準備、數據收集、數據計算三部分。

數據收集準備階段：根據產品全生命周期所經歷的各階段，繪制產品生命周期主流程圖，并依據生命周期主流程圖中各階段的不同特性，再將相應的階段細分為子流程圖。各流程圖中的每個階段均稱為單元過程，每個單元過程都包含多個輸入流和輸出流，如圖1所示。

圖1 單元過程示例圖

數據收集：清單分析需要大量數據基礎，在產品系統邊界中，清單數據可根據以下幾種類型進行分類：

（1）能源與資源輸入、原材料輸入、輔助性輸入、其他實物輸入；

（2）產品、共生產品和廢物；

（3）向空氣、水體和土地排放的污染物；

（4）其他環境因素。

這些數據有時可以從公開出版物中搜索和收集，但大多數情況下，單元過程的輸入和輸出數據都很難從文獻出版物中全部獲得，因此大多數數據需要從企業工廠中獲取，再與單元過程相結合。

數據計算：根據產品工藝流程圖中各單元過程，按給定功能單位找出基本流與主物質流間的關聯關系，并根據相應數據模型，對產品系統中每一單元過程采用的方法進行簡化，最后將清單結果準確展示。

2 清單分析算法

在清單數據分析中，通常需要遵循物料平衡原理。所謂物料平衡，在工業生產中主要是指原材料的平衡，即產出品中含有的物料應當與投入品相等。二者之間形成物料平衡，可以從源頭避免一些由于物料不平衡造成的原材料遺失，同時也能保證產品或工藝流程中數據清單的完整性。因此，本文將物料平衡原理代入清單分析中，對數據進行矩陣建模，并運用遞推法將各單元過程進行同類數據匯總，最終完成清單列表。

2.1 基于物料平衡原理的矩陣模型分析

2.2 基于遞推算法的清單數據匯總

在系統流程圖中，各單元過程、工藝流程以及外界環境之間的聯接關系如圖2所示。

圖2 產品過程流

一般情況下，清單分析的計算結果為系統與環境之間的輸入輸出數據，即基本流數據。當基于物料平衡原理求解出各單元過程的輸入流和輸出流之后，將各單元過程的基本流數據匯總即可得出清單分析結果，再根據清單結果進行資源、能源和環境影響分析，得出產品或工藝的環境影響特性。

假設系統中有個單元過程，則第個單元過程的第個物質流可定義為X（=1, 2, ...,K；=1, 2, ...,），系統中每個單元過程的基本流數量不一，K為變量，代表第個單元過程中基本流的總數量，表示系統中所有單元過程的總數量。一個系統中，每個單元過程之間可能含有相同類型的基本流，因此，我們將設為系統中所有單元過程基本流的交集，則有：

設第個單元過程中的基本流集合X減去子集后，用X（=1, 2, ...,）表示，并且將系統中個單元過程的總基本流集合用表示，則可用遞推算法計算得出：

通過上述計算，我們可以建立種基本流，個單元過程的矩陣，并將其表示為D，其中為中的基本流數量，而矩陣中第個單元第個物質流的實際數值用d表示。任意單元過程中的所有基本流以G（=1, 2, ...,K；=1, 2, ...,）表示，單元過程中的基本流實際數值用g表示，由此關系可推出清單匯總算法為：

當矩陣中的所有元素都被個單元過程的基本流數值替換或設置完成后，可按自上而下的順序依次進行每行數值量化計算，即可得出最終的清單分析結果。

2.3 算法論證

基于上述理論算法與原理，以一個瓦楞紙箱的全生命周期作為測試案例，如圖3所示。參照上述方法過程，進行案例的清單分析。

圖3 瓦楞紙箱全生命周期流程

根據瓦楞紙箱的全生命周期過程，將它分為5個單元過程，即原材料獲取、生產過程、使用過程、拆卸回收過程和廢棄回收過程。單元過程之間的物質流連接用f表示，U1為物質流匯總標志，D1為分流標志。

瓦楞紙箱清單數據見表1、表2所列，根據清單計算方法與數據匯總分析得出清單結果列表見表3、表4所列。結合匯總數據，得到各影響類型的評價結果，以二氧化碳為例，如圖4所示。

圖4 二氧化碳影響結果顯示

表1 瓦楞紙箱全生命周期各階段資源、能源投入

表2 瓦楞紙箱全生命周期各階段環境排放

表3 瓦楞紙箱全生命周期過程資源、能源投入

表4 瓦楞紙箱全生命周期過程環境排放

3 結 語

清單分析是LCA的推動力，也是生命周期影響評價的基礎。本文根據產品系統所設定的功能單位初始值，對系統流程圖中所有單元過程的物質流數值，基于物料平衡原理采用矩陣模型進行分析，并運用高斯消元法簡化計算復雜度，得出輸入、輸出流的數據清單。在此基礎上運用遞推原理，根據相鄰單元過程之間的物質流關系，對產品或工藝所包含的物質流類型進行整理，并對各單元過程的數據進行匯總分析，最終得出準確清晰的清單分析結果，為工業生產過程中的影響評價和改善方法提供了較好的理論和實踐基礎。