基于递推算法的生命周期评价清单分析应用研究

方 宁

（安徽工业大学 计算机科学与技术学院，安徽 马鞍山 243032）

0 引 言

随着社会的不断发展，人们对生活质量的要求越来越高，当人们对自然资源不加控制的使用时，工业生产所带来的气候变化、颗粒物、垃圾堆积等一系列环境问题却总是被忽视。科学研究表明，碳排放量的上升是造成全球气候变暖、温室效应，甚至出现极端不良气候的直接诱发因素之一，并正在危及人类的健康和生活质量。在此背景下，怎样减少碳排放量已成为各国学者和专家关心的议题。

生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）作为一种面向产品系统的环境影响分析工具，它以系统的思维方式去研究产品（或服务）在全生命周期中各阶段的投入消耗以及环境排放问题，能够定量评价和辨识改善环境影响的方案。不少学者和专家都应用LCA方法来检测产品或工艺的环境排放问题，并取得了高效的评估结果，使得工业生产中的碳排放情况得到了改善。杨毅等人利用LCA理论研究制备氧化铝的工艺，通过不同的发电方式对原铝进行生命周期的环境影响评估，从而采取相应措施降低对环境的影响。时君丽等人基于LCA理论建立能耗、物耗及环境排放模型，并通过特征化和标准化方式得出环境影响类别，从而减少相应工艺过程中的资源、能源消耗和环境排放，实现绿色制造。Strecker等通过对GREET模型的研究，利用高效的动力系统实现了能源节约和碳排放改善的目的，并实现了太阳能发电站的排放量控制。S Pfister等开发了一种评估淡水消耗对环境影响的方法，并与Eco-indicator-99 LCIA方法相结合，为水密集型产品生产中出现的环境问题提供参考。邓超等以矩阵的形式建立了理论模型，验证了算法的准确性。

LCA因其利用率较高，已经被广泛应用在各行各业。清单分析的结果对产品的影响评价至关重要，如果没有对数据进行准确的计算和高效的整合处理，就无法使相关人员对此清单数据的影响评价类型进行准确划分。针对这一现象，本文先选用矩阵模型的算法对数据进行计算，并运用高斯消元法进行求解，降低数据计算的复杂度，最后提出递推算法将系统数据进行汇总，清晰展现该产品的各类环境影响潜值，方便后续程序顺利进行。

1 清单分析步骤

ISO 14040标准规定，LCA的技术框架分为四个阶段：目的和范围的确定、清单分析、影响评价、结果解释。其中，清单分析阶段的数据准确性会直接影响目标产品或工艺的环境特性评价。因此，清单分析阶段的数据计算十分重要。

建立清单的过程即在系统范围内，对于产品全生命周期中各阶段的单元过程输入、输出数据，根据产品给定的功能单位进行定量整理。生命周期评价清单分析阶段主要包含数据收集准备、数据收集、数据计算三部分。

数据收集准备阶段：根据产品全生命周期所经历的各阶段，绘制产品生命周期主流程图，并依据生命周期主流程图中各阶段的不同特性，再将相应的阶段细分为子流程图。各流程图中的每个阶段均称为单元过程，每个单元过程都包含多个输入流和输出流，如图1所示。

图1 单元过程示例图

数据收集：清单分析需要大量数据基础，在产品系统边界中，清单数据可根据以下几种类型进行分类：

（1）能源与资源输入、原材料输入、辅助性输入、其他实物输入；

（2）产品、共生产品和废物；

（3）向空气、水体和土地排放的污染物；

（4）其他环境因素。

这些数据有时可以从公开出版物中搜索和收集，但大多数情况下，单元过程的输入和输出数据都很难从文献出版物中全部获得，因此大多数数据需要从企业工厂中获取，再与单元过程相结合。

数据计算：根据产品工艺流程图中各单元过程，按给定功能单位找出基本流与主物质流间的关联关系，并根据相应数据模型，对产品系统中每一单元过程采用的方法进行简化，最后将清单结果准确展示。

2 清单分析算法

在清单数据分析中，通常需要遵循物料平衡原理。所谓物料平衡，在工业生产中主要是指原材料的平衡，即产出品中含有的物料应当与投入品相等。二者之间形成物料平衡，可以从源头避免一些由于物料不平衡造成的原材料遗失，同时也能保证产品或工艺流程中数据清单的完整性。因此，本文将物料平衡原理代入清单分析中，对数据进行矩阵建模，并运用递推法将各单元过程进行同类数据汇总，最终完成清单列表。

2.1 基于物料平衡原理的矩阵模型分析

2.2 基于递推算法的清单数据汇总

在系统流程图中，各单元过程、工艺流程以及外界环境之间的联接关系如图2所示。

图2 产品过程流

一般情况下，清单分析的计算结果为系统与环境之间的输入输出数据，即基本流数据。当基于物料平衡原理求解出各单元过程的输入流和输出流之后，将各单元过程的基本流数据汇总即可得出清单分析结果，再根据清单结果进行资源、能源和环境影响分析，得出产品或工艺的环境影响特性。

假设系统中有个单元过程，则第个单元过程的第个物质流可定义为X（=1, 2, ...,K；=1, 2, ...,），系统中每个单元过程的基本流数量不一，K为变量，代表第个单元过程中基本流的总数量，表示系统中所有单元过程的总数量。一个系统中，每个单元过程之间可能含有相同类型的基本流，因此，我们将设为系统中所有单元过程基本流的交集，则有：

设第个单元过程中的基本流集合X减去子集后，用X（=1, 2, ...,）表示，并且将系统中个单元过程的总基本流集合用表示，则可用递推算法计算得出：

通过上述计算，我们可以建立种基本流，个单元过程的矩阵，并将其表示为D，其中为中的基本流数量，而矩阵中第个单元第个物质流的实际数值用d表示。任意单元过程中的所有基本流以G（=1, 2, ...,K；=1, 2, ...,）表示，单元过程中的基本流实际数值用g表示，由此关系可推出清单汇总算法为：

当矩阵中的所有元素都被个单元过程的基本流数值替换或设置完成后，可按自上而下的顺序依次进行每行数值量化计算，即可得出最终的清单分析结果。

2.3 算法论证

基于上述理论算法与原理，以一个瓦楞纸箱的全生命周期作为测试案例，如图3所示。参照上述方法过程，进行案例的清单分析。

图3 瓦楞纸箱全生命周期流程

根据瓦楞纸箱的全生命周期过程，将它分为5个单元过程，即原材料获取、生产过程、使用过程、拆卸回收过程和废弃回收过程。单元过程之间的物质流连接用f表示，U1为物质流汇总标志，D1为分流标志。

瓦楞纸箱清单数据见表1、表2所列，根据清单计算方法与数据汇总分析得出清单结果列表见表3、表4所列。结合汇总数据，得到各影响类型的评价结果，以二氧化碳为例，如图4所示。

图4 二氧化碳影响结果显示

表1 瓦楞纸箱全生命周期各阶段资源、能源投入

表2 瓦楞纸箱全生命周期各阶段环境排放

表3 瓦楞纸箱全生命周期过程资源、能源投入

表4 瓦楞纸箱全生命周期过程环境排放

3 结 语

清单分析是LCA的推动力，也是生命周期影响评价的基础。本文根据产品系统所设定的功能单位初始值，对系统流程图中所有单元过程的物质流数值，基于物料平衡原理采用矩阵模型进行分析，并运用高斯消元法简化计算复杂度，得出输入、输出流的数据清单。在此基础上运用递推原理，根据相邻单元过程之间的物质流关系，对产品或工艺所包含的物质流类型进行整理，并对各单元过程的数据进行汇总分析，最终得出准确清晰的清单分析结果，为工业生产过程中的影响评价和改善方法提供了较好的理论和实践基础。