閆萌　李濤　楊晨　王明宇　楊東東

摘要：為了協(xié)同分析機電產品綠色設計與評價過程，采用產品設計域、生命周期活動域和環(huán)境影響評價域多域關聯(lián)的建模方法建立綠色設計與生命周期階段之間的關聯(lián)映射，通過生命周期評價參數(shù)計算方法，將生命周期活動域與環(huán)境影響評價域相關聯(lián)。開發(fā)生命周期評價計算工具，將生命周期評價參數(shù)計算方法應用于產品綠色設計全生命周期階段，當綠色設計信息改變時，只需在計算工具中調整相應參數(shù)就可以實時地得到設計信息更改之后的環(huán)境影響，從而幫助設計人員重新對產品進行綠色設計。以CWT3300D-165型風力發(fā)電機作為典型機電產品進行應用驗證，建立產品結構樹，計算產品整機、部件、零件的環(huán)境影響。由計算結果可知，地基、機艙這兩個一級零部件對環(huán)境的影響最嚴重，需在產品設計階段著重考慮綠色性，改進綠色設計方案。

關鍵詞：生命周期評價；多域關聯(lián)；FSMPT模型；參數(shù)化計算

中圖分類號：TH122

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.008

Calculation Method of LCA Parameters for Green Design and Assessment Collaboration of Electromechanical Products

YAN Meng LI Tao YANG Chen WANG Mingyu YANG Dongdong

Abstract： In order to collaboratively analyze the green design and assessment processes of electromechanical products， the correlation mapping between green design and life cycle stages was established using the modeling method of multi-domain correlation of product design domain， life cycle activity domain and environmental impact assessment domain. The life cycle activity domain was correlated with the environmental impact assessment domain through the calculation method of life cycle assessment parameters.The LCA calculation tool was developed， and the calculation method of LCA parameters was applied to the whole life cycle stage of product green design. When the green design information was changed， just adjusting the corresponding parameters in the calculation tool， the environmental impact could be obtained after the design information was changed in real time， so as to help designers to re-design the product to green design. CWT3300D-165 wind turbine was used as a typical electromechanical product for application verification， and a product structure tree was established to calculate the environmental impact of the whole machine， components and parts of the product. From the calculation results， it may be seen that the two first-level components， foundation and nacelle， have the most serious environmental impact and need to focus on greenness in the product design stages and improve the green design scheme.

Key words： life cycle assessment（LCA）; multi-domain association; function-structure-material-process-transport（FSMPT） model; parametric calculation

0 引言

綠色設計可從源頭上解決資源、能源的過度消耗和環(huán)境污染問題，是落實綠色制造戰(zhàn)略的重要途徑［1］，但現(xiàn)有綠色設計存在清單數(shù)據(jù)異構、設計方法多元、設計流程分散、缺乏系統(tǒng)性平臺工具支持等問題，阻礙了綠色設計在企業(yè)中的應用。目前，以網絡化、智能化、集成化為特征的綠色設計工具已成為綠色設計研究的重點和應用的急需。

很多專家在產品設計領域進行了深入研究，GERO等［2］首次提出功能-行為-結構（function-behavior-structure， FBS）模型，該模型可針對功能需求生成相應的結構方案。FBS模型是初代模型，為了適應復雜的產品設計需求和環(huán)境需求，許多改良的綠色設計模型應運而生，如功能-環(huán)境-行為-結構設計模型［3］、功能流模型［4］、功能分解模型［5］、功能-行為-狀態(tài)模型［6］。付巖等［7］提出了基于功能-結構-材料-工藝（function-structure-material-process， FSMP）模型的機電產品綠色設計，綜合考慮產品材料、工藝、使用、回收階段的關聯(lián)關系進行集成表達，結合生命周期評價（life cycle assessment， LCA）完成設計空間節(jié)點的環(huán)境影響評價，在產品綠色設計方案評價理論方面取得了重大進展，對綠色設計評價具有重要的指導作用。隨后，又有許多學者提出設計-知識理論模型，構建了設計與知識的映射空間，從而生成新概念、新知識乃至有實用價值的新功能［8］。公理化設計理論為需求和功能之間的映射提供指導［9］。邢璐等［10］提出一種集成面向環(huán)境的設計（environment-based design， EBD）和TRIZ理論的機電系統(tǒng)綠色設計方法，建立“需求-環(huán)境-沖突-原模型-解決方案”的設計邏輯，利用面向環(huán)境的設計方法識別設計需求與環(huán)境約束之間的矛盾，迭代分析需求與環(huán)境間的關聯(lián)關系，從而解耦復雜抽象的專業(yè)問題。屠立等［11］提出了基于面向對象技術的知識模板概念，用統(tǒng)一建模語言建立了復雜產品設計階段的功能-行為-結構模型。楊應虎等［12］提出了一種基于NX軟件提供的機電一體化概念設計模塊（mechatronics concept designer， MCD）的協(xié)同設計方法，考慮產品綠色性進行功能設計。上述基于改進的FBS模型研究可以支持產品綠色設計，但綠色設計涉及產品生命周期多個階段，將原材料、工藝、使用、回收、運輸?shù)刃畔⒕紤]在內的協(xié)同設計與評價的研究相對較少。

信息技術的發(fā)展為生命周期評價軟件的研究提供了條件。楊建新等［13］提出了我國產品生命周期影響評價所需的標準化基準以及確定權重的方法。黃娜等［14］提出了一種系統(tǒng)化評估和控制LCA數(shù)據(jù)質量的方法（CLCD-Q方法），通過LCA實例對清單數(shù)據(jù)的不確定性進行評估。CIROTH［15］開發(fā)了open LCA；ONG等［16］開發(fā)了一種基于半定量化原理的快速LCA工具，可以迅速對含有較多部件的機電產品進行LCA分析；SINGH等［17］開發(fā)了Eco-LCA，可以對生態(tài)資源進行定量評價。除了上述軟件，國外還有幾款知名的的商用LCA軟件，如Simapro， GaBi和TEAM。這些軟件功能大體一致，但在方法、速度、適用性上有些許不同，并且這些計算軟件通常用在產品服役后，而非用于產品綠色設計階段，同時對輸入清單、參數(shù)要求嚴格。為解決上述問題，筆者開發(fā)了一款產品LCA參數(shù)計算工具，通過有限的清單數(shù)據(jù)，將產品各階段生命周期信息以參數(shù)的形式輸入，經過計算，獲得環(huán)境影響評價結果。

LCA需要應用在產品生命周期的所有階段，從而對產品環(huán)境影響進行全面的評價，提高產品綠色性能。除此之外，LCA通常被用于產品服役后評估，而非用于改進產品綠色設計，因此無法提升產品的環(huán)境性能。本文的目標是將LCA方法應用于機電產品全生命周期階段，協(xié)同分析產品設計與評價過程，并開發(fā)LCA參數(shù)計算工具。設計人員將產品生命周期信息以參數(shù)形式輸入，即可對其進行完整的評估。此外，該工具允許隨著設計的不斷改進，輸入改進之后的參數(shù)信息，以快速準確地獲得環(huán)境影響結果。

本文提出了設計與評價協(xié)同模型，對產品設計信息進行生命周期評價，從而得到產品各零部件環(huán)境影響結果，回溯產品關鍵設計參數(shù)，提升產品綠色性。基于產品綠色設計模型—FSMPT（function-structure-material-process-transport）模型和產品生命周期階段之間的關聯(lián)關系建立生命周期映射矩陣（life cycle mapping matrix， LCMM［18］），再結合產品結構樹對零件、部件、整機進行LCA計算，最后得到環(huán)境影響結果。

1 多域關聯(lián)模型整體框架

由于機電產品設計信息存在著大量不確定性、跨生命周期階段性，易在產品生命周期的不同階段間形成信息孤島，因此機電產品生命周期設計信息缺乏有效的集成以及形式化表達。傳統(tǒng)綠色設計模型的數(shù)據(jù)關聯(lián)性不強，設計與評價缺乏有效的關聯(lián)，設計與評價協(xié)同運行機制的研究依然處于探索階段。針對上述問題，本文建立了產品多域關聯(lián)的綠色設計與評價協(xié)同模型，基于機電產品生命周期的物質流、能量流、信息流分析，構建機電產品環(huán)境影響評價指標體系，提出了產品多域關聯(lián)的綠色設計與評價協(xié)同建模技術，支持產品設計與評價集成管理。通過建立綠色設計與生命周期階段關聯(lián)映射模型，將產品設計域與生命周期活動域相關聯(lián)；通過參數(shù)LCA計算，將生命周期活動域與環(huán)境影響評價域相關聯(lián)。

圖1展示了多域關聯(lián)模型，產品設計域包括產品的功能、結構、材料、工藝、運輸五部分；生命周期活動域包括產品的五個生命周期階段的活動信息，通過綠色設計模型（FSMPT模型）和生命周期活動信息建立生命周期映射矩陣（LCMM）；環(huán)境影響評價域包括六類環(huán)境影響指標和生命周期評價（LCA）。

2 產品設計域與生命周期活動域關聯(lián)模型

2.1 產品結構樹模型

機電產品是由其零部件組成的。以樹的形式表示產品的零部件關系可以將復雜產品自頂向下地分解為部件和零件，產品結構樹如圖2所示。產品結構樹組成如下：

（1）根節(jié)點。根節(jié)點指結構樹中最頂端的節(jié)點，根節(jié)點只有一個。產品結構樹中產品為根節(jié)點。

（2）子節(jié)點。除根節(jié)點之外，自身下面還連接節(jié)點的部件節(jié)點為子節(jié)點。

（3）葉子節(jié)點。葉子節(jié)點指結構樹中最底端的節(jié)點，該節(jié)點下面沒有子節(jié)點。零件節(jié)點為葉子節(jié)點。

2.2 FSMPT模型

為了更加科學、全面地進行產品生命周期評價，筆者在付巖等［7］提出的FSMP模型基礎上添加運輸階段，建立了包括功能、結構、材料、工藝、運輸在內的產品綠色設計模型，即FSMPT模型，該模型中的功能（F）與結構（S）之間的映射是參考FBS模型中功能、行為、結構三者的關聯(lián)關系建立起來的。為了解決產品綠色設計與生命周期階段集成度低、缺乏有效關聯(lián)的問題，將FSMPT模型與生命周期階段相關聯(lián)。產品生命周期階段包括原材料獲取階段、制造階段、使用階段、回收階段和運輸階段。

FSMPT模型與產品生命周期階段的關聯(lián)關系如圖3所示。在FSMPT模型中，功能表示產品具有的功能，與使用階段相關聯(lián)；結構表示為實現(xiàn)某種特定功能所具有的特定結構，與回收階段相關聯(lián)；材料表示產品生產所需的原材料，與原材料獲取階段相關聯(lián)；工藝表示產品生產制造方式，與制造階段相關聯(lián)；運輸描述產品地理位置移動的過程信息，表示產品零部件的運輸以及零部件原材料的運輸，與運輸階段相關聯(lián)。

2.3 基于FSMPT模型的生命周期映射矩陣

基于FSMPT模型建立生命周期映射矩陣Li如下：

3.2 參數(shù)化LCA計算方法

3.2.1 清單分析

以下二元數(shù)組展示了各節(jié)點的清單信息Qi：

（10）

當i分別為零件節(jié)點、部件節(jié)點、產品節(jié)點時，Qi分別對應不同節(jié)點的清單信息。Qi中Iin表示每個節(jié)點的初級能源消耗的種類Sa和數(shù)值Va（以煤、石油、天然氣作為清單物質，單位為kg）；Oout表示環(huán)境影響排放的種類Sb和數(shù)值Vb（以CO、CO2、SO2、NOx、CH4、H2S、HCL、COD、NH3、CFCs作為清單物質，單位為kg）。Iin和Oout二者共同構成了該節(jié)點整個生命周期過程的清單。

3.2.2 環(huán)境影響評價

結合ISO、SETAC以及美國環(huán)保署提供的LCIA框架模型，建立典型的“分類、特征化、量化”三步走的生命周期環(huán)境影響評價模型如圖4所示。

生命周期影響評價方法步驟如下：

（1）指標選擇?；谥悬c法（midpoints），著眼于環(huán)境影響，采用EDIP2003方法［21］解釋LCI數(shù)據(jù)對環(huán)境問題的貢獻度。選擇的環(huán)境影響指標為初級能源消耗（PED）、全球變暖（GWP）、酸化（AP）、富營養(yǎng)化（EP）、光化學煙霧（POCP）、臭氧層破壞（ODP）。本文采用的指標選擇方法為EDIP2003方法，為了方法具有通用性，決策者也可以根據(jù)需要選擇其他的環(huán)境影響指標作為其他案例進行研究，而不對本文所提出的LCA參數(shù)計算方法進行更改。

（2）分類。將不同類型的清單物質劃分到不同的環(huán)境影響指標中，分類方法以及標準參考物質如表1所示。

（3）特征化。清單數(shù)據(jù)的特征化就是計算環(huán)境影響潛值，是量化生命周期資源消耗、環(huán)境排放所產生的環(huán)境影響潛在貢獻的過程，利用特征化因子對歸屬于各個環(huán)境影響指標的清單物質進行加和，計算公式如下：

（11）

式中，K（q）為第q種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響潛值；K（q）p為第p種排放物或消耗的資源對所屬的第q種環(huán)境影響類型的貢獻值；C（q）p為第p種排放物或消耗的資源對所屬的第q種環(huán)境影響類型的特征化因子，詳見表1特征化因子。

（4）標準化。對所選擇的各個環(huán)境影響指標進行比較，量化各環(huán)境影響類型對綜合環(huán)境影響的貢獻率，采用標準人當量（每人每年平均環(huán)境影響潛值）作為標準化基準，計算公式如下：

（12）

式中，y為基準年；H（q）y為在基準年指定區(qū)域的第q種環(huán)境影響的人均環(huán)境影響潛值，即標準化因子，如表1所示；N（q）為在基準年指定區(qū)域的第q種環(huán)境影響的總環(huán)境影響潛值。

（5）加權評估。為了確定綜合環(huán)境影響大小，需給予每一個環(huán)境影響指標相應的權重。權重利用“目標距離法”（當前某項環(huán)境水平與目標水平的距離商）來表征其重要性。權重因子如表1所示，利用下式得到綜合環(huán)境影響：

（13）

式中，E為生命周期綜合環(huán)境影響；W（q）為第q種環(huán)境影響類型的權重。

3.2.3 結果解釋

產品結構樹上的節(jié)點類型分為零件節(jié)點、部件節(jié)點以及產品節(jié)點。選擇各節(jié)點生命周期過程中的原材料獲取階段、制造階段、使用階段、回收處理階段、運輸階段，環(huán)境影響指標選擇PED、GWP、AP、EP、POCP、ODP，計算各節(jié)點環(huán)境影響。

節(jié)點i的最終計算結果三元組Wi由節(jié)點的清單信息Qi（包括Iin和Oout）和環(huán)境影響指標Dres共同組成：

（14）

其中，Dres表示該節(jié)點各項環(huán)境影響指標的種類Sc和計算結果Vc，Vcr（r=1，2，…，6）表示6類環(huán)境影響指標的環(huán)境影響潛值。將數(shù)據(jù)清單Qi中Iin和Oout根據(jù)式（11）～式（13）進行特征化、標準化、加權計算得到三元組Wi中的環(huán)境影響指標Dres，然后將計算方法集成到LCA參數(shù)計算工具上。

4 軟件實現(xiàn)及案例分析

4.1 計算工具開發(fā)和運行環(huán)境

LCA計算工具選擇了最流行的開發(fā)環(huán)境和工具，便于使用和維護。其中，工具開發(fā)平臺為Windows 10操作系統(tǒng)；工具開發(fā)語言為Java、JavaScript；工具開發(fā)工具為IDEA 2019.3、Powder Designer 15.0、WebStorm 2020；工具開發(fā)數(shù)據(jù)庫為MySQL 5.5、Redis 3.2；工具開發(fā)框架為Spring Boot、BootStrap；

工具運行平臺為Linux 7.6操作系統(tǒng)；工具運行服務器為阿里云輕量型服務器；Java運行環(huán)境為JDK1.8；工具運行數(shù)據(jù)庫為MySQL 5.5、Redis 3.2；工具反向代理為OpenResty。

4.2 風力發(fā)電機產品結構樹

以CWT3300D-165型風力發(fā)電機作為典型機電產品構建產品結構樹，如圖5所示。部件輪轂、部件機艙、部件塔架、零件葉片、零件變流器、零件地基構成1級零部件，1級零部件再往下分為2級零部件，變槳系統(tǒng)為2級零部件，其標號為1.1，2級零部件之下還有3級、4級、5級零部件，3級零部件標號為1.1.1，所有零部件共同組成完整的產品。根據(jù)中車山東風電有限公司提供的CWT3300D-165型風力發(fā)電機物料清單（bill of material，BOM）進行篩選、整合可得到進行LCA計算的物料清單。

將CWT3300D-165型號風力發(fā)電機BOM導入計算工具，產品各級零部件結構如圖6所示，這里只展示產品、1級零部件和2級零部件。

本研究的功能單元為：一臺風力發(fā)電機每天工作18 h，服役20年。系統(tǒng)邊界為：從原材料采掘到風機部件回收的全過程，產品應用在中國西北內陸地區(qū)。由于產品的安裝和維護階段對結果影響小于5%，因此在計算時不予考慮。

4.3 應用驗證

CWT3300D-165型風力發(fā)電機一小時發(fā)電量約為3000 kW·h，發(fā)電效率為80%，一年運轉300天，一天工作18 h，累計工作20年的發(fā)電量為2.592×108 kW·h?；鹆Πl(fā)電發(fā)一度電需要0.3 kg煤，產出等量的電，風力發(fā)電相當于節(jié)省7.776×107 kg煤。通過對中國某風機企業(yè)實地調研，得到風機詳細信息如表2所示，包括產品質量、產品材料、運輸距離、運輸方式、使用階段標準化煤質量。

根據(jù)表3和式（9）建立風機產品節(jié)點生命周期映射矩陣如下：

使用計算工具依次計算輪轂總成、機艙總成、塔筒總成、葉片、地基、變流器的環(huán)境影響，環(huán)境影響結果如表4所示，上述部件節(jié)點的背景清單數(shù)據(jù)見表5～表10。經過LCA計算工具計算之后，得到產品節(jié)點最終結果Wprd如下：

LCA計算工具提供了豐富的圖表展示，圖7所示為風機各零部件環(huán)境影響對總環(huán)境影響貢獻度情況。圖8展示了對環(huán)境影響最大的前19個零部件，以及6項環(huán)境指標對該零部件的環(huán)境影響分布情況。圖9列舉了風力發(fā)電機生命周期各階段的環(huán)境影響情況。

因為零件數(shù)量過多，圖8僅展示了1級和2級零件，分析圖8可以看出，1級零部件中環(huán)境影響最大的是地基，占比66.34%，其次是機艙總成，占比17.51%，影響最小的是變流器，占比0.05%。分析2級零部件的對比結果可以得出，影響最大的2級零部件是葉片1、葉片2、葉片3，各占14.01%。

由圖9可以看出，該風力發(fā)電機所有零部件中環(huán)境影響最大的前3個零部件依次為：地基、機艙總成、塔筒總成。1級零件地基對富營養(yǎng)化（EP）和光化學煙霧（POCP）這兩類環(huán)境影響貢獻度最大，分別為17 125.16和21 831.86。

由圖9可知，對PED貢獻度最大的是原材料獲取階段，其次是制造階段；對GWP、AP、EP貢獻度最大的均是運輸階段，因此在進行產品LCA分析時，很有必要考慮運輸階段的信息；對POCP貢獻度最大的是制造階段；風機生命周期所有階段對ODP的貢獻度很小。產品使用階段和回收階段對6類環(huán)境影響均有一定的抑制作用。

5 結論

（1）提出機電產品綠色設計與評價協(xié)同的多域關聯(lián)模型，通過產品綠色設計與生命周期階段關聯(lián)建模將產品設計域與生命周期活動域相關聯(lián)；通過LCA計算將生命周期活動域與環(huán)境影響評價域相關聯(lián)。將LCA參數(shù)方法應用于產品綠色設計中，并開發(fā)LCA參數(shù)計算工具，將產品生命周期信息以參數(shù)的形式輸入能夠快速準確地進行環(huán)境影響評價。此外，該工具允許設計不斷改進，輸入改進之后的產品信息可以快速準確地獲得環(huán)境影響結果。

（2）基于產品綠色設計模型（FSMPT模型）和產品結構樹建立生命周期映射矩陣（LCMM），實現(xiàn)了對機電產品零部件設計信息和生命周期階段信息的有效集成，通過對產品結構樹各節(jié)點的遍歷，實現(xiàn)了對具有復雜零部件關系的機電產品進行生命周期評價的目標，并獲得了最終環(huán)境影響結果。以CWT3300D-165型風力發(fā)電機作為典型機電產品，計算出在其生命周期內的5個階段所消耗的能源以及相應的環(huán)境影響。根據(jù)1級部件的環(huán)境影響結果可知，地基對環(huán)境影響最大，其次是機艙總成，因此這兩個主要1級部件需在產品設計階段著重考慮產品綠色性，改進產品綠色設計方案。

（3）本文采用EDIP2003影響評價方法進行研究，為了方法具有通用性，決策者也可以根據(jù)需要選擇其他的環(huán)境影響指標進行其他案例研究。

（4）設計人員將生命周期信息以參數(shù)輸入，對產品進行環(huán)境影響評價，幫助設計人員快速地找到對環(huán)境影響較大的零部件并重新對其進行綠色設計，可提高機電產品整體的綠色性，使產品設計朝著“更綠色，可持續(xù)”的方向發(fā)展。

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（編輯 王艷麗）

作者簡介：

閆 萌，男，1998年生，碩士研究生。研究方向為機電產品可持續(xù)設計與評價。

李 濤（通信作者），女，1977年生，副教授、博士研究生導師。研究方向為產品可持續(xù)性評價方法、激光增材修復技術、機械裝備能耗分析與評估方法等。E-mail：litao@dlut.edu.cn。

收稿日期：2022-09-15

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2020YFB1711600）