- 机电产品绿色设计与生命周期评价
- 王晓伟 李方义
- 5876字
- 2020-06-24 22:51:17
1.2 国内外研究现状
针对资源与环境日益恶化的严峻局面，绿色设计相关技术在早期研究基础上得到了迅速发展。国内外的主要研究集中在以下几个方面：
1.2.1 绿色设计方法
1.产品信息建模与评价
在产品绿色设计及其评价过程中，如何将环境属性尽早引入产品信息模型吸引了大量学者的注意。
刘红旗等将产品结构、功能、生命周期环境影响及设计需求有机结合在一起，尝试建立较为系统的产品绿色设计信息模型和评价体系[35]。向东等利用产品系统概念，基于产品功能模块进行绿色信息的组合及评价，从而实现产品的数据收集和动态描述[36]。ParkJ.和SeoK.提出了一种基于知识近似的生命周期评价系统框架[37]，用于协同设计的环境，该系统利用人工神经网络允许用户在更大的范围内接触与产品设计相关的近似信息，以提高产品环境效率。黄海鸿等应用协同设计原理来进行产品绿色设计，通过分析协同绿色设计中的设计信息流，采用蚁群算法和贝叶斯理论来优化设计方案[38]。李建军等探讨了面向对象数据库的产品信息表示和操作方法及产品结构信息的存储技术[39]。
Zhu J.Y.和Deshmukh A.采用贝叶斯网络针对生命周期评价中的不确定信息进行分析，通过对需求域和产品设计信息域关系推导，对产品设计的关键节点进行跟踪，进而对产品设计早期的决策提供支持[40]。
Dunmade I.等针对不同来源与技术背景、不同使用状况下的多产品组成的复杂系统的环境影响问题进行分析，提出了多生命周期设计的概念，并将其应用于木薯加工机械的设计[41]。Hossain K.A.等提出了一种基于风险评估的环境影响评价方法[42]，该方法将产品生命周期分为两个域，原材料生产与供应域和门对门的工艺域，每个域可以分别进行影响的逆分析，从而便于工艺设计方案的管理和评价。
张雷等将绿色产品的配置约束分为建议性约束和强制性约束，将一维约束过滤模块和建议性约束满足度计算模块融入回溯算法中[43]，以实现产品环境属性与功能、结构及经济属性的优化配置。陈建等将可拓学中转换桥方法引入绿色设计冲突消解研究中[44]，将绿色设计中的冲突问题表达为形式化基元模型。
2.模块化绿色设计方法
张雷等将环境影响因素纳入产品族规划的考虑范畴，从拆卸、回收、环境影响以及经济性四个方面对产品族内部结构单元的绿色性进行量化分析，通过对绿色信息的快速集成，建立一种面向绿色设计的产品族规划方法[45]。李方义等提出了一种应用于离散型机电产品多目标模块化分析的初步框架[46，47]，对利用模糊图论和AHP方法解决机电产品绿色设计决策的多目标问题进行了研究。杨继荣等研究了面向大规模定制生产的产品绿色设计模块化方法，对绿色度和模块化评价方法和实现步骤进行了初步探讨[48]。TsengH.等将工程属性添加到产品部件的联络图模型中，将组合式遗传算法和改进后的交叉机制用于族划分和产品模块设计[49]。Smith S.等人提出了一种基于原子论的绿色产品设计模块划分方法[50]，产品根据给定的绿色约束（如材料的相容性、零件的重用性和拆卸性等）进行模块划分，通过这些绿色约束模块构建新的产品设计方案。
Sousa I.和Wallace D.提出了一种用于不同产品组的自动分类系统，以支持专门的LCA替代模型，该系统应用层次分析法指导产品族的环境类型辨识[51]。
黄海鸿等将生命周期评价方法集成到设计过程，提出了环境价值分析方法[52]，通过功能结构映射将产品实体抽象化为功能系统，并进行基于功能的LCA和环境价值评估，通过功能分析与改进将功能系统再实物化为新的结构实体。
3.绿色设计评价指标与方案决策
实施绿色设计的关键是从全生命周期角度对不同产品设计方案的环境影响进行预测、评价，并做出合理决策，绿色设计本质是多目标、多属性综合决策问题。
李方义等通过功能模型、过程树模型、信息模型和退役决策仿真四个模型对产品生命周期内的环境影响进行了分析，并建立了一个绿色设计决策支持系统框架[53]。周长春等利用改进的TOPSIS方法对绿色产品设计复杂情况下多目标决策及多标准问题决策进行了研究，提出用GUS方法来解决决策中的非线性问题[54]。Bojarski A.D.等提出了一种综合考虑生产地点、工艺技术选择、产品分布的供应链决策模型[55]，采用IMPACT2002+方法对供应链进行了中间点和终点评价，通过建立供应链节点和过程的影响映射关系，从环境影响角度优化整个供应链，以减少最终的环境负担。Azzone G.提出了一种用于支持绿色设计决策的产品环境性能综合衡量方法，针对不同决策目标采用不同的决策工具，在产品开发早期应用重要性识别评价标准，在产品开发后期则根据不同的决策内容选择最有效的评价技术[56]。Park P.J.通过对洗衣机的研究对比分析了二维图谱、生态效率法、货币法、多属性决策法等四种决策方法[57]。Benetto E.等提出了一种将LCA与生态风险评估（ERA）集成起来进行环境评价的方法，用多目标分析方法对选择方案进行了排序[58]。刘志峰等提出了基于模糊物元的绿色产品综合评价方法[59]。
Ross S.等认为全生命周期评价方法即LCA是绿色设计的主要量化工具，如何将LCA与产品绿色设计过程有效结合是研究重点[60]。
赵平等建立了绿色建材产品的评价指标，采用打分法进行量化计算[61]；周少祥等对能源利用的环境影响评价指标进行了系统研究[62]；有学者定性地讨论了机电产品的绿色性评价指标[63，64]，但没有给出指标的具体应用和计算方法。由于产品构成及工艺特性的差异较大，目前各工业领域应用的评价指标与量化方法多为针对几种具体产品类型，通用性较差，而且评价结果没有可比性。
1.2.2 生命周期评价技术
今天，人类已经开始从可持续发展的观点出发，系统评价产业活动对环境、经济和社会的可持续性影响，指导产品开发和工业化生产。LCA作为产品系统环境影响评价的重要量化工具得到了国内外的广泛关注与研究。
国际标准化组织把LCA的实施步骤分为目标和范围定义、清单分析、影响评价和结果解释四个阶段，如图1-1所示。
图1-1 LCA阶段[11]
目前的主要研究集中在清单分析阶段的数据处理与不确定性研究、影响评价阶段的方法研究和LCA工具与实例研究。简述如下：
1.影响评价方法
由于环境问题的复杂性和动态性，生命周期影响评价（LCIA）是LCA中难度最大的阶段，同时也是争议最多的阶段。影响评价方法目前正在发展之中，ISO和SETCA都倾向于把影响评价作为一个“三步走”的模型，即影响分类、特征化和量化评价。虽然近年来一些LCIA方法产生了较大的影响，但还没有一种普遍接受的方法。环境毒理学和化学学会（SETAC）、美国环境保护署（EPA）、加拿大标准协会（CSA）已公布生命周期影响评价的理论指南。
Jolliet O.等将中间类型与破坏类型有机结合起来，建立了一种新的影响评价方法IMPACT2002+[65]，考虑致癌物、非致癌物、摄入量、剂量反应的边界效应计算得到人类损伤；污染物向食品的转移不再基于消费调查，而是考虑农业和家畜产品水平；室内和室外空气排放可以进行比较并考虑了间歇性降雨的影响；人体和生态毒性决定于平均反应而不是保守的估计；其他的影响类型则采用Eco-indicator99和CML2002等方法进行特征化，所用的中点类型通过单位对照物质归类到身体健康、生态质量、气候变化和资源四种破坏类型。
Hauschild M.等人在丹麦技术大学产品发展研究所（IPU）研究报告中提出了基于终点类型的EDIP2003方法[66]，是对EDIP97方法的改进，扩充了大量的环境机理，对非全球影响类型（包括酸化、光化学氧化剂生产、生态毒性、富营养化、人体毒性和噪声影响等）采用了因果关系链，计算出的影响环境相关性较高，且更易于解释对环境的破坏。
美国卡内基梅隆大学的Sub S.等基于政府宏观数据的统计分析提出了投入产出生命周期评价方法（Economic Input-Output LCA，EIO-LCA）[67]；戴杜则将基于过程的LCA（PLCA）和基于投入产出的LCA（EIOLCA）结合起来，提出了一种基于混合建模的生命周期评价方法（HMLCA），采用该方法对燃油助动车和电力助动车的生命周期环境影响进行了比较分析[68，69]。
曹华军等基于工艺IPO过程模型和列昂波特相互作用矩阵，提出一种零件制造过程物料和能量消耗、环境废物排放和安全性的评价方法及其技术框架[70]。邓超等研究了LCA与LCC（生命周期成本）的整合与优化，提出了基于工艺约束的工艺方案优化模型[71]和集成评价框架与集成评价算法[72]。王贤琳等基于BP神经网络建立了制造过程环境影响评价模型，通过使用MATLAB神经网络工具箱对模型进行模拟仿真[73]。
Gonzalez B.等把模糊逻辑运用于产品生命周期评价中，提出了一种改进的方法[74]。HurT.等将LCA方法与矩阵方法结合起来提出了一种简化LCA方法（Simplified LCA，SLCA），用于快速识别产品系统中的关键环境影响问题[75]。高洋等采用简化生命周期评估方法对消费类产品进行绿色评估[76]。
2.影响类型及特征化
特征化是LCIA的必备要素和评价基础，这一过程将影响因子对环境影响的强度或程度定量化，归纳为相应指标。当前特征化模型分为负荷模型、当量模型、固有化学特性模型、总体暴露-效应模型、点源暴露-效应模型等。
ISO 14040和ISO 14044并没有限定环境影响类型及其特征化方法。不同的机构对影响类型的划分也不统一[77]。丹麦的工业产品环境设计EDIP规划中[66]，将影响类型分为环境影响、资源消耗和工作环境影响三类，并将影响类型的空间范围区分为全球、区域和局地。
Spitzley D.V.和Tolle D.A.提出了一种改进的土地占用影响评价方法，通过对三个金矿、铝矿和铜矿的实际分析，采用吨产量的面积年限等效因子表示土地占用的环境影响[78]。Wagendorp T.等则采用热力学原理评价土地占用的环境影响，可以通过测量生态系统对太阳能的散热水平来直接评价土地占用的影响程度[79]。Liu Y.等在LCA框架下，建立了中国土地使用导致的生态系统初级生产力变化模型，该方法中土地使用分土地占用和土地性质改变两种形式，通过土地使用基本量和参数与评价指数的联系，利用生态理论分别建立两种形式对应的特征化公式[80]。Müller-Wenk R.和Branda～o M.基于植被土壤与大气间的碳储存与转移，研究了土地使用对气候的影响[81]。Huijbregts MarkA.J.等应用USES-LCA模型计算摄入人口比例和3393种物质对淡水、海水和陆地环境影响因子，这些物质包括中性有机物、游离有机物和无机物，分为7种不同的排放方式，并得出对空气、土壤结构的不同划分导致了新旧两种模型计算结果的差异[82]。
VanZelm R.等提出了一种用特征因子表示可吸入颗粒物PM10和臭氧对人体健康的影响评价方法，该特征因子包括摄入因子、影响因子和破坏因子，通过研究PM10、NH3、NOx、SO2和NMVOCs5种欧洲主要空气污染物变化所引起的欧洲居民伤残调整寿命指数变化，来表示该特征因子[83]。Struijs J.则提出用特征因子表示平流层臭氧破坏物质（ODS）所导致的皮肤癌和白内障造成的人的寿命损失，该特征因子采用全球范围内的肤色、人口密度、平均年龄和寿命期望等身体与社会数据进行动态计算，利用该特征因子在2007年ODS物质排放水平下对人体寿命损失进行计算，所得到的结果高于早期的研究结果[84]。
3.环境空间特性研究
虽然在ISO 14040和ISO 14044中提出了体现环境空间特性的指导原则，在LCA研究初期也有学者对环境影响的时间和空间特性进行了关注，但由于环境与时空间关系的复杂性，所以后期研究相对较少，特别是能在LCIA方法中体现这种特性的更少。
Potting J.对欧洲地区排放物酸化影响的空间特性进行了比较研究，得出了不同酸化排放物沉积区域的影响指数[85]。Hertswich E.G.和Mckone T.E.通过对288种排放到空气、水和土地的污染物的研究，指出这些物质产生的环境影响与其空间范围和高度存在直接联系[86]。Huijbregts M.A.J.等应用USES-LCA暴露模型对污染物在西欧、澳大利亚和美国不同条件下的环境影响进行了比较研究，指出淡水与人体健康的影响指数在不同条件下具有较高的不确定性，这主要是由于不同区域的土壤侵蚀率、淡水面积、农田大小以及地下饮用水的比例不同引起的[87]。Laner D.采用LCA方法对固体废弃物填埋处理的长期环境影响进行了研究，指出对于垃圾填埋的LCA评价，忽略时空特性是造成不确定性的主要原因，并在论文中讨论了不确定性量化的有关问题[88]。
4.LCA不确定性和敏感性研究
产品生命周期评价中存在着广泛的不确定因素，包括产品系统（包括生命周期的各阶段）边界范围的确定、输入输出清单数据的获取、评价模型的建立或选择以及各种评价假设等[89]。生命周期中的不确定性研究是一个热点领域，虽然已取得了一些研究成果，但仍然是LCA研究中的一个难点问题。
目前的生命周期评价方法对所使用数据有很大依赖性，数据精度决定产品全生命周期评价结果的准确性和可靠性[90]。关于LCA数据不确定性的研究主要从定性和定量两个方面进行处理。莫华和张天柱提出了一种DQI与随机模型相结合的数据质量评价指标系统[91]。Weidema B.和Wesnaes M.提出了一种对于不精确数据和非代表性数据混杂的清单数据评估过程[92]。Finnveden G.L.L.讨论了经验法则在LCA不确定性方面的应用[93]。Benetto E.等提出了模糊集的方法在噪声影响评价中的应用[94]。很多学者应用蒙特卡罗方法（Monte Carlo）处理生命周期清单数据的不确定性[95-97]。
在有关特征化模型中的不确定性研究方面，一部分研究是通过完善特征化模型以降低这种不确定性。例如，Weber C.L.等对碳排放影响中的数据和方法论的不确定性进行了讨论[98]。Rosenbaum R.等通过矩阵方式对环境排放的多途径影响问题进行了分析[99]。Hayashi K.等对臭氧层破坏影响模型进行了扩展研究[100]。
另一部分研究是通过数学和其他方法对评价数据和过程进行处理以减少不确定性。Lloyd S.M.等对LCA特征化过程中的不确定性量化处理方法进行了综合分析[101]，包括蒙特卡罗方法、模糊集理论。Benetto E.等基于模糊处理技术提出一种改进的NAIADE方法处理LCA中的不确定性[102]。Lo S.C.和Bergin M.S.等分别将贝叶斯与蒙特卡罗方法结合起来用以减少LCA的不确定性[103，104]。
对于方案选择带来的不确定性，多数采用概率统计方法、蒙特卡罗方法、贝叶斯方法、重要性分析、回归分析以及集成方法进行研究[105-107]。
5.LCA应用研究及软件工具开发
在LCA理论得到迅速发展的同时，各研究机构和企业纷纷推出LCA软件及数据库[108]。这些软件和数据库的出现大大促进了LCA的应用。
清华大学较早在绿色设计支持工具方面进行了研究，提出了生命周期评价系统GDO-LCA软件[5]。华中科技大学开发了一种生命周期评价原型系统PLCAPS[109]，该系统包括产品建模、数据处理、计算和影响评价三个模块。张智慧等基于生命周期评价理论开发了建筑物环境影响评价系统BEPAS，从建筑设备运行、建筑材料和建筑场地3个方面来研究建筑的环境影响。D.X.开发了一种绿色产品生命周期设计工具GPLCD，将产品的配置管理集成到软件中，通过叶轮材料的选择对该软件进行了验证[110]。Her-mann B.G.等集成LCA、多目标分析和环境绩效指标，提出了一种新的分析工具COMPLIMENT[111]，用于商业行为的环境影响评价。
美国能源部、环境保护局等9个部门于2001年发起了U.S.Life-Cycle Inventory Database的项目，旨在建立美国的生命周期清单数据库及应用平台[112]。BareJ.等介绍了美国环境保护部（EPA）基于对48个州、地区数据统计所建立的归一化数据库的情况，数据库中化学数据和其他影响类型数据来自于EPA的评价工具TRACI[113]。欧洲8个LCA研究机构自2007年开始在欧盟支持下建立统一的欧洲LCA应用平台[108]。Aoki R.在文献[114]中介绍了LCA技术在日本的研究和应用情况。
在产品数据库研究方面，刘明周等提出了一种基于工艺配置的产品数据与工艺数据集成管理的方法[115]。张亚平等将数据分为产品评价数据、产品档案数据、基础材料数据和影响评价基础数据，建立了生命周期评价数据库系统[116]。