面向可持续设计的手机生命终期需求建模

王克勤，张 帅

（西北工业大学 管理学院，西安 710072）

0 引言

生命终期是指产品的首次购买者或使用者对产品感到不满意，将其更换的时间[1]。科技的快速发展，给消费者提供了更好的机型，致使消费者更频繁地更换手机，这导致手机的使用周期非常短[2]，手机生命终期面临着严峻的可持续性问题，工业和信息化部的数据显示从2014年至2017年四年时间，我国淘汰了18.3亿部手机，并测算2019年将淘汰4.99亿台，而2020年随着5G网络的广泛商用数量将增至5.24亿[3]。目前大量的废旧手机亟需合理处置，这些废弃的手机及其电池和充电器含有大量的有害物质，如铅、锌、聚氯乙烯及溴化物等，已成为一种重要的污染物[4]，同时，手机中富含多种有价值的材料，其中钢占54%，铜和铝占20%，塑料占17%，这些材料和手机包装材料可以重复使用。因此，提高手机生命终期的可持续性至关重要。

研究表明，产品设计初期准确把握消费者、行业、政府等多个方面的需求，对产品的最终性能起着80%的决定性作用。如果只在设计的后期考虑可持续性，那么消除产品负面影响的效果会大大降低[5]。然而目前的产品设计缺乏对生命终期的考虑，回收过程远远落后于设计开发过程。因此，在产品设计的早期阶段，应充分考虑手机生命终期需求，以提高手机产品生命终期的可持续性。

然而目前手机生命终期相关研究很少能够系统地识别生命终期的相关方，并充分考虑其需求，通过需求指导可持续设计提高生命终期的可持续性，目前的研究更多地集中于废旧手机的产生、消费者行为、手机回收的经济效益等方面。Meity Panambunan-Ferse等人从目前的手机用户数量估计仅在印度尼西亚，每年就有超过9.5吨的手机垃圾产生，而且这个数字还在稳步增长,并针对此状况提出了改进建议[6]。李春发、安静宙利用系统动力学方法，将废旧手机回收价格、信息安全性和回收物流费用等对“互联网+”废旧手机回收模式效率的影响进行分析，为该模式效率的提升提出有效的对策措施[7]。Yin等研究者通过消费者行为调查发现中国手机的平均使用周期不到三年[8]。Cucchiella等研究者评估了14种电子产品回收的潜在收益，结果显示回收部门面临的主要挑战，并提出了一些具体的解决方案[9]。

与此同时，部分研究者也注意到了产品设计与生命终期的关联，并进行了相关研究。Tanskanen认为具体的产品设计可以使手机生命终期的回收过程更加简单或者复杂，产品设计能够影响生命终期回收成本和效率，应该设计出使生命终期回收效率更高的产品[9]。Rifer认为一个最优化的系统应该将产品设计和生命终期管理融合起来[11]。Ciceri从产品生命终期的可持续性考虑入手，分析产品生命终期的可持续性需求对于产品设计的影响，并提出了相应的研究工具[12]。该部分研究虽然关注到了产品设计与生命终期的关系，但未能提出系统化的方法指导产品面向生命终期的可持续设计。

针对上述问题，本文提出面向可持续设计的手机生命终期需求建模方法，主要的研究工作包括以下内容：首先，识别生命终期的利益相关方和手机可持续设计参数。其次，获取手机生命终期需求并对需求分类和整理。然后，基于多属性效用理论建立手机生命终期需求的价值模型。最后，识别关键可持续设计参数和分析手机可持续设计策略。

1 利益相关方与可持续设计参数的识别与确定

1.1 利益相关方的确定

利益相关方是需求的来源[13]，因此需求获取过程准确地识别利益相关方至关重要，通过相关文献分析和实地调研得出手机生命终期的处置流程如图1所示。

图1 手机生命终期处置流程图

通过流程分析，可将手机生命终期流程主要分为五个部分：回收、整机再利用、零部件再利用、原材料回收和废弃物处理。结合丁荣贵提出的三维识别模型，将此模型应用到流程中，通过启发识别利益相关方[14]，手机生命终期利益相关方识别三维模型如图2所示。

图2 生命终期利益相关方识别三维模型

通过对于手机生命终期各个流程的深入了解，结合利益相关方三维识别模型，得出手机生命终期的主要利益相关方如表1所示。

表1 手机生命终期的主要利益相关方

1.2 可持续设计参数的确定

产品可持续设计参数是指影响产品可持续开发设计的因素（或参数），通过文献分析结合生命终期需求确定了手机可持续设计参数[15,16]。本研究中综合可持续设计的三个维度环境、经济和社会，以及相关文献中的维度划分，将手机可持续设计维度分为了环境、经济和资源利用、社会、产品功能和服务、物理特性这五个维度，具体如表2所示。

表2 手机可持续设计参数及其含义

2 手机生命终期需求获取

2.1 需求调查对象的确定

将再利用、零部件回收和原材料回收这三方面处置做好以后会大幅度降低废弃物处置所造成的可持续问题。本研究主要关注于再利用、零部件再利用和原材料回收策略下的需求，同时选取每个策略下最具代表的利益相关方，由此确定手机生命终期的需求调查对象，最终确定的需求调查对象如表3所示。

表3 手机生命终期的需求调查对象

2.2 消费者的需求获取

通过问卷调查（132份问卷数据）以及周边人员沟通与交流，购买过二手手机的人数量特别少，传统的问卷调查和用户访谈等方法无法接触到真正的二手手机用户，也就无法快速准确地获取需求。互联网平台有大量消费者购买和使用二手手机后的真实评论，因此决定采取在线评论文本挖掘的方法获取消费者对于二手手机的需求，消费者二手手机购买情况如图3所示。

图3 购买二手手机情况统计

使用八爪鱼数据采集器初步爬取了360同城帮二手优品、京东商城相关二手手机评论共计近3000条评论数据，爬取数据如图4所示。使用ROST CM6软件对评论数据进行处理，通过文本去重、去停用词、语义网络分析等过程获取语义网络图如图5所示，通过分析语义网络图可以获得消费者的需求。

图4 爬取的在线评论数据

图5 在线评论数据语义网络图

2.3 二手手机卖家的需求获取

二手手机卖家主要分为线上互联网平台卖家和线下市场卖家。目前线下市场的发展远远落后于互联网二手平台，因此本研究中主要选取线上互联网二手平台卖家来获取需求。本部分需求主要通过对互联网二手平台的分析以及综合相关文献获取，通过阅读与二手手机相关的文献研究卖家对于二手手机的需求，如郑玉平使用文本挖掘工具对淘宝网站买卖双方对于二手手机的关注要点进行了分析[17]，如表4所示。

表4 淘宝二手手机卖家的关注要点

2.4 政府的需求获取

政府的需求主要通过其颁布的相关政策法规等体现，此部分需求获取主要参考了国际和国内主流的关于废旧手机生命终期处置方面的相关政策法规，由此得出手机生命终期的部分需求，具体分析过程如表5、表6所示。

表5 国际废旧手机产品相关政策法规

表6 我国废旧手机产品相关政策法规

2.5 行业标准化机构的需求获取

手机行业标准化机构出台的可持续认证标准对手机产品的可持续性提出了很多要求将这些要求汇总分析可以得到很多关于手机生命终期的需求。在行业可持续认证标准方面，主要参考了国内外主流的可持续认证标准有关手机生命终期的相关条文，其中包括中国环境标志产品技术要求-电话[18]，手机UL110可持续认证标准[19]和手机TCO Development可持续认证标准[20]，各个手机可持续设计标准的要求如表7所示。

表7 （续）

表7 手机可持续认证标准

2.6 需求分类与整理

由于收集到的数据具有很显著的特点：模糊、主观性强、重复性高、句式复杂，不利于数据的整理与统计，因此使用KJ法将其进行整理归纳，使需求变得层次清晰、客观、表达精确。手机生命终期需求的A型如图6所示。

图6 手机生命终期需求的亲和图（A型图）

3 基于多属性效用理论的手机生命终期需求建模

3.1 多属性效用理论

多属性效用理论（Multi-attribute Utility Theory，MAUT）是效用理论的一种扩展，其目的是帮助决策者在考虑决策偏好的情况下，通过多个属性对结果进行评估，并将这些单独的效用组合起来，以获得总体效用度量。

本研究中使用多属性效用理论的相关方法以效用作为媒介将生命终期需求相互关联，该种价值模型有以下两个优点：1）当需求的货币化数据不可得或某项需求不能够以货币的形式衡量时，效用可以将手机生命终期需求互相关联；2）大量的相关研究已证明MAUT是一种严谨的多目标决策方法，可以有效地支持多需求之间的价值权衡。

基于多属性效用理论的需求建模过程包括：1）需求可衡量属性的识别与确定；2）单项需求效用曲线的建立；3）基于效用值的等价交换。

3.2 可衡量属性识别与确定

生命终期需求的可衡量属性是将定性的需求表述转化为定量价值模型的中间桥梁。对需求的深入了解是识别可衡量属性的前提，例如，只有电池容量的大小是直接与手机续航时间相关的属性，选择“电池容量，单位：mAh”作为“续航时间长”这一需求的可衡量属性，将使“续航时间长”这一需求能够用于数学建模。再如，百分比（%）这一度量单位可以用于手机屏幕占比，可回收原材料含量占比等，手机生命终期需求的可衡量属性如表8所示。

表8 需求的可衡量属性

表8 （续）

3.3 效用曲线的建立

通过前述将需求进行了汇总，并赋予了其衡量标准，以便于建立效用函数。为了评定单属性效用函数，收集了需求对属性的上限和下限的分布，确定好属性的单调性并选择相应的单属性效用函数。本研究中引入三类单属性效用函数拟合需求的效用曲线，分别表示凹型、凸型和线型曲线，如式(1)～式(3)所示。

式中：a和b是常数，且a＞0，a、b的取值将保证ui∈[0,1]。

通过对需求分类结果的分析，可以得出不同需求的效用曲线，如图7所表示的就是存储容量这一需求的效用曲线，同理，可以得出全部21项生命终期需求的效用曲线。

图7 存储容量的价值曲线

3.4 基于效用值的等价交换

经过评定需求属性之间满足独立关系，相关研究已经证明当各个需求可衡量属性效用值之间的关系相互独立，且所有需求的权重和为1，即可以得出多属性效用函数的分解形式[21]，如式(4)所示。

虽然效用都为[0，1]之间，但i的取值范围并不固定，所以很难进行比对。所以，要将其单位进行等价替换，例如把单位全部都换算成价格，再用价格进行统一的比较，这样，便于给设计人员和顾客提供更为直接的价值感受。在这里，我们通过式(5)实现效用的等价，即通过在一项需求上效用值的改变可以通过另一项需求效用值的改变来替换，通过价值的等价交换可以建立方程组求得需求的相对权重ki，需求权重如表9和表10所示。

表9 再利用策略下需求的权重

表10 零部件再利用和原材料回收策略下的需求权重

4 手机可持续设计策略分析

4.1 关键可持续设计参数的识别

使用质量屋将再利用处置下的需求和零部件再利用与原材料回收处置下的需求分别与产品可持续设计参数关联起来，可持续性参数与生命终期需求进行映射时使用专家意见给出关联强度，再利用处置下需求与可持续设计参数的质量屋如图8所示。

图8 再利用处置下的质量屋

通过质量屋我们可以看到，再利用策略下重要的可持续设计参数是手机的易用性、原材料的使用以及手机的维修性或服务性；其次就是手机的升级能力、降低资源的使用还有物理特性如重量、体积的控制；再利用策略下最重要的可持续设计参数是手机的易用性。

零部件再利用策略和原材料回收策略下的质量屋如图9所示，重要的可持续设计参数是生命终期的环境释放、原材料的使用、潜在的经济利益、对人类的毒性；其次，还应该考虑减少对自然资源的使用、操作的安全性、可回收性包装这些参数；其中最重要的可持续设计参数是环境释放。

图9 零部件再利用和原材料回收处置下的质量屋

4.2 可持续设计策略分析

研究中通过将生命终期需求与产品可持续设计参数关联起来，来识别手机可持续设计最需要关注的参数。本次研究结果与以往国内外研究成果相一致，所不同的是除了建议手机考虑原材料使用、降低环境释放等设计参数外，还建议手机在设计时需要考虑易用性、维修性这些指标，因为这些指标能够促进手机的再利用，通过减缓更新换代的速度有利于社会的可持续发展。研究发现针对于提升手机生命终期的可持续性，手机产品设计初期可以考虑采取的行动如下。

1）再利用处置下的可持续设计策略

（1）功能和服务性：提升产品的易用性，维修性等指标，这类指标可以通过手机软件系统的优化、使用更好的硬件配置、丰富消费者常用的功能、容易拆解、容易更换零部件来实现。

（2）注意原材料的使用：使用更加轻便、美观的材料，使用更加耐摔、耐磨、耐划痕的外壳材料。

（3）物理特性：需要注意手机的重量、体积以及零部件数目，手机在满足重量体积限制的情况下要有高的屏幕占比、更齐全的功能等。

2）零部件再利用及原材料回收处置下的可持续设计策略

（1）EoL环境释放：废旧手机处置所带来的环境污染、资源消耗是不可忽视的可持续性问题，这方面可以通过原材料中有害物质的控制、可再生原材料的使用等可持续设计策略可以缓解。

（2）潜在的经济利益：政府通过一系列措施推动产品的可持续设计，设计出更具有可持续性的产品或积极参与手机产品的回收处置过程，能够获取政府的补贴等收益；另一方面，更具可持续性的产品在市场上也更容易收到部分消费者的青睐，更具市场竞争力，所以企业应该推进更具可持续性的手机设计。

（3）原材料的使用：使用可回收材料、易于分离的材料、提高可回收性和废物处理技术。这就要求产品在设计时，充分考虑生命终期原材料的回收以及废弃物处置方面存在的困难，在设计时就做出较好的选择，降低生命终期的环境污染和资源浪费。

5 结语

本文从手机可持续设计的角度出发，通过识别生命终期的利益相关方，确定需求调查对象，进而获取需求，使用多属性效用理论将需求价值化建模，获取了手机可持续设计的策略，并提出手机生命终期处置除了关注零部件拆解和原材料回收过程中的环境污染、资源浪费等问题外，还需要关注再利用处置以延长手机的使用周期，进一步促进可持续发展。

通过本研究中需求建模结果和手机可持续设计策略的指导，有利于设计出更具有可持续性的手机，以减少当下海量废旧手机不合理处置造成的资源浪费、环境污染和社会危害，增强手机厂商在可持续性方面的竞争力。未来本研究的思路可以进一步扩展到其他品类的消费类电子产品上，提高电子产品生命终期处置的可持续性。