面向机电产品绿色设计与评价协同的生命周期评价参数计算方法

闫萌　李涛　杨晨　王明宇　杨东东

摘要：为了协同分析机电产品绿色设计与评价过程，采用产品设计域、生命周期活动域和环境影响评价域多域关联的建模方法建立绿色设计与生命周期阶段之间的关联映射，通过生命周期评价参数计算方法，将生命周期活动域与环境影响评价域相关联。开发生命周期评价计算工具，将生命周期评价参数计算方法应用于产品绿色设计全生命周期阶段，当绿色设计信息改变时，只需在计算工具中调整相应参数就可以实时地得到设计信息更改之后的环境影响，从而帮助设计人员重新对产品进行绿色设计。以CWT3300D-165型风力发电机作为典型机电产品进行应用验证，建立产品结构树，计算产品整机、部件、零件的环境影响。由计算结果可知，地基、机舱这两个一级零部件对环境的影响最严重，需在产品设计阶段着重考虑绿色性，改进绿色设计方案。

关键词：生命周期评价；多域关联；FSMPT模型；参数化计算

中图分类号：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

綠色设计可从源头上解决资源、能源的过度消耗和环境污染问题，是落实绿色制造战略的重要途径［1］，但现有绿色设计存在清单数据异构、设计方法多元、设计流程分散、缺乏系统性平台工具支持等问题，阻碍了绿色设计在企业中的应用。目前，以网络化、智能化、集成化为特征的绿色设计工具已成为绿色设计研究的重点和应用的急需。

很多专家在产品设计领域进行了深入研究，GERO等［2］首次提出功能-行为-结构（function-behavior-structure， FBS）模型，该模型可针对功能需求生成相应的结构方案。FBS模型是初代模型，为了适应复杂的产品设计需求和环境需求，许多改良的绿色设计模型应运而生，如功能-环境-行为-结构设计模型［3］、功能流模型［4］、功能分解模型［5］、功能-行为-状态模型［6］。付岩等［7］提出了基于功能-结构-材料-工艺（function-structure-material-process， FSMP）模型的机电产品绿色设计，综合考虑产品材料、工艺、使用、回收阶段的关联关系进行集成表达，结合生命周期评价（life cycle assessment， LCA）完成设计空间节点的环境影响评价，在产品绿色设计方案评价理论方面取得了重大进展，对绿色设计评价具有重要的指导作用。随后，又有许多学者提出设计-知识理论模型，构建了设计与知识的映射空间，从而生成新概念、新知识乃至有实用价值的新功能［8］。公理化设计理论为需求和功能之间的映射提供指导［9］。邢璐等［10］提出一种集成面向环境的设计（environment-based design， EBD）和TRIZ理论的机电系统绿色设计方法，建立“需求-环境-冲突-原模型-解决方案”的设计逻辑，利用面向环境的设计方法识别设计需求与环境约束之间的矛盾，迭代分析需求与环境间的关联关系，从而解耦复杂抽象的专业问题。屠立等［11］提出了基于面向对象技术的知识模板概念，用统一建模语言建立了复杂产品设计阶段的功能-行为-结构模型。杨应虎等［12］提出了一种基于NX软件提供的机电一体化概念设计模块（mechatronics concept designer， MCD）的协同设计方法，考虑产品绿色性进行功能设计。上述基于改进的FBS模型研究可以支持产品绿色设计，但绿色设计涉及产品生命周期多个阶段，将原材料、工艺、使用、回收、运输等信息均考虑在内的协同设计与评价的研究相对较少。

信息技术的发展为生命周期评价软件的研究提供了条件。杨建新等［13］提出了我国产品生命周期影响评价所需的标准化基准以及确定权重的方法。黄娜等［14］提出了一种系统化评估和控制LCA数据质量的方法（CLCD-Q方法），通过LCA实例对清单数据的不确定性进行评估。CIROTH［15］开发了open LCA；ONG等［16］开发了一种基于半定量化原理的快速LCA工具，可以迅速对含有较多部件的机电产品进行LCA分析；SINGH等［17］开发了Eco-LCA，可以对生态资源进行定量评价。除了上述软件，国外还有几款知名的的商用LCA软件，如Simapro， GaBi和TEAM。这些软件功能大体一致，但在方法、速度、适用性上有些许不同，并且这些计算软件通常用在产品服役后，而非用于产品绿色设计阶段，同时对输入清单、参数要求严格。为解决上述问题，笔者开发了一款产品LCA参数计算工具，通过有限的清单数据，将产品各阶段生命周期信息以参数的形式输入，经过计算，获得环境影响评价结果。

LCA需要应用在产品生命周期的所有阶段，从而对产品环境影响进行全面的评价，提高产品绿色性能。除此之外，LCA通常被用于产品服役后评估，而非用于改进产品绿色设计，因此无法提升产品的环境性能。本文的目标是将LCA方法应用于机电产品全生命周期阶段，协同分析产品设计与评价过程，并开发LCA参数计算工具。设计人员将产品生命周期信息以参数形式输入，即可对其进行完整的评估。此外，该工具允许随着设计的不断改进，输入改进之后的参数信息，以快速准确地获得环境影响结果。

本文提出了设计与评价协同模型，对产品设计信息进行生命周期评价，从而得到产品各零部件环境影响结果，回溯产品关键设计参数，提升产品绿色性。基于产品绿色设计模型—FSMPT（function-structure-material-process-transport）模型和产品生命周期阶段之间的关联关系建立生命周期映射矩阵（life cycle mapping matrix， LCMM［18］），再结合产品结构树对零件、部件、整機进行LCA计算，最后得到环境影响结果。

1 多域关联模型整体框架

由于机电产品设计信息存在着大量不确定性、跨生命周期阶段性，易在产品生命周期的不同阶段间形成信息孤岛，因此机电产品生命周期设计信息缺乏有效的集成以及形式化表达。传统绿色设计模型的数据关联性不强，设计与评价缺乏有效的关联，设计与评价协同运行机制的研究依然处于探索阶段。针对上述问题，本文建立了产品多域关联的绿色设计与评价协同模型，基于机电产品生命周期的物质流、能量流、信息流分析，构建机电产品环境影响评价指标体系，提出了产品多域关联的绿色设计与评价协同建模技术，支持产品设计与评价集成管理。通过建立绿色设计与生命周期阶段关联映射模型，将产品设计域与生命周期活动域相关联；通过参数LCA计算，将生命周期活动域与环境影响评价域相关联。

图1展示了多域关联模型，产品设计域包括产品的功能、结构、材料、工艺、运输五部分；生命周期活动域包括产品的五个生命周期阶段的活动信息，通过绿色设计模型（FSMPT模型）和生命周期活动信息建立生命周期映射矩阵（LCMM）；环境影响评价域包括六类环境影响指标和生命周期评价（LCA）。

2 产品设计域与生命周期活动域关联模型

2.1 产品结构树模型

机电产品是由其零部件组成的。以树的形式表示产品的零部件关系可以将复杂产品自顶向下地分解为部件和零件，产品结构树如图2所示。产品结构树组成如下：

（1）根节点。根节点指结构树中最顶端的节点，根节点只有一个。产品结构树中产品为根节点。

（2）子节点。除根节点之外，自身下面还连接节点的部件节点为子节点。

（3）叶子节点。叶子节点指结构树中最底端的节点，该节点下面没有子节点。零件节点为叶子节点。

2.2 FSMPT模型

为了更加科学、全面地进行产品生命周期评价，笔者在付岩等［7］提出的FSMP模型基础上添加运输阶段，建立了包括功能、结构、材料、工艺、运输在内的产品绿色设计模型，即FSMPT模型，该模型中的功能（F）与结构（S）之间的映射是参考FBS模型中功能、行为、结构三者的关联关系建立起来的。为了解决产品绿色设计与生命周期阶段集成度低、缺乏有效关联的问题，将FSMPT模型与生命周期阶段相关联。产品生命周期阶段包括原材料获取阶段、制造阶段、使用阶段、回收阶段和运输阶段。

FSMPT模型与产品生命周期阶段的关联关系如图3所示。在FSMPT模型中，功能表示产品具有的功能，与使用阶段相关联；结构表示为实现某种特定功能所具有的特定结构，与回收阶段相关联；材料表示产品生产所需的原材料，与原材料获取阶段相关联；工艺表示产品生产制造方式，与制造阶段相关联；运输描述产品地理位置移动的过程信息，表示产品零部件的运输以及零部件原材料的运输，与运输阶段相关联。

2.3 基于FSMPT模型的生命周期映射矩阵

基于FSMPT模型建立生命周期映射矩阵Li如下：

3.2 参数化LCA计算方法

3.2.1 清单分析

以下二元数组展示了各节点的清单信息Qi：

（10）

当i分别为零件节点、部件节点、产品节点时，Qi分别对应不同节点的清单信息。Qi中Iin表示每个节点的初级能源消耗的种类Sa和数值Va（以煤、石油、天然气作为清单物质，单位为kg）；Oout表示环境影响排放的种类Sb和数值Vb（以CO、CO2、SO2、NOx、CH4、H2S、HCL、COD、NH3、CFCs作为清单物质，单位为kg）。Iin和Oout二者共同构成了该节点整个生命周期过程的清单。

3.2.2 环境影响评价

结合ISO、SETAC以及美国环保署提供的LCIA框架模型，建立典型的“分类、特征化、量化”三步走的生命周期环境影响评价模型如图4所示。

生命周期影响评价方法步骤如下：

（1）指标选择。基于中点法（midpoints），着眼于环境影响，采用EDIP2003方法［21］解释LCI数据对环境问题的贡献度。选择的环境影响指标为初级能源消耗（PED）、全球变暖（GWP）、酸化（AP）、富营养化（EP）、光化学烟雾（POCP）、臭氧层破坏（ODP）。本文采用的指标选择方法为EDIP2003方法，为了方法具有通用性，决策者也可以根据需要选择其他的环境影响指标作为其他案例进行研究，而不对本文所提出的LCA参数计算方法进行更改。

（2）分类。将不同类型的清单物质划分到不同的环境影响指标中，分类方法以及标准参考物质如表1所示。

（3）特征化。清单数据的特征化就是计算环境影响潜值，是量化生命周期资源消耗、环境排放所产生的环境影响潜在贡献的过程，利用特征化因子对归属于各个环境影响指标的清单物质进行加和，計算公式如下：

（11）

式中，K（q）为第q种环境影响类型的环境影响潜值；K（q）p为第p种排放物或消耗的资源对所属的第q种环境影响类型的贡献值；C（q）p为第p种排放物或消耗的资源对所属的第q种环境影响类型的特征化因子，详见表1特征化因子。

（4）标准化。对所选择的各个环境影响指标进行比较，量化各环境影响类型对综合环境影响的贡献率，采用标准人当量（每人每年平均环境影响潜值）作为标准化基准，计算公式如下：

（12）

式中，y为基准年；H（q）y为在基准年指定区域的第q种环境影响的人均环境影响潜值，即标准化因子，如表1所示；N（q）为在基准年指定区域的第q种环境影响的总环境影响潜值。

（5）加权评估。为了确定综合环境影响大小，需给予每一个环境影响指标相应的权重。权重利用“目标距离法”（当前某项环境水平与目标水平的距离商）来表征其重要性。权重因子如表1所示，利用下式得到综合环境影响：

（13）

式中，E为生命周期综合环境影响；W（q）为第q种环境影响类型的权重。

3.2.3 结果解释

产品结构树上的节点类型分为零件节点、部件节点以及产品节点。选择各节点生命周期过程中的原材料获取阶段、制造阶段、使用阶段、回收处理阶段、运输阶段，环境影响指标选择PED、GWP、AP、EP、POCP、ODP，计算各节点环境影响。

节点i的最终计算结果三元组Wi由节点的清单信息Qi（包括Iin和Oout）和环境影响指标Dres共同组成：

（14）

其中，Dres表示该节点各项环境影响指标的种类Sc和计算结果Vc，Vcr（r=1，2，…，6）表示6类环境影响指标的环境影响潜值。将数据清单Qi中Iin和Oout根据式（11）～式（13）进行特征化、标准化、加权计算得到三元组Wi中的环境影响指标Dres，然后将计算方法集成到LCA参数计算工具上。

4 软件实现及案例分析

4.1 计算工具开发和运行环境

LCA计算工具选择了最流行的开发环境和工具，便于使用和维护。其中，工具开发平台为Windows 10操作系统；工具开发语言为Java、JavaScript；工具开发工具为IDEA 2019.3、Powder Designer 15.0、WebStorm 2020；工具开发数据库为MySQL 5.5、Redis 3.2；工具开发框架为Spring Boot、BootStrap；

工具运行平台为Linux 7.6操作系统；工具运行服务器为阿里云轻量型服务器；Java运行环境为JDK1.8；工具运行数据库为MySQL 5.5、Redis 3.2；工具反向代理为OpenResty。

4.2 风力发电机产品结构树

以CWT3300D-165型风力发电机作为典型机电产品构建产品结构树，如图5所示。部件轮毂、部件机舱、部件塔架、零件叶片、零件变流器、零件地基构成1级零部件，1级零部件再往下分为2级零部件，变桨系统为2级零部件，其标号为1.1，2级零部件之下还有3级、4级、5级零部件，3级零部件标号为1.1.1，所有零部件共同组成完整的产品。根据中车山东风电有限公司提供的CWT3300D-165型风力发电机物料清单（bill of material，BOM）进行筛选、整合可得到进行LCA计算的物料清单。

将CWT3300D-165型号风力发电机BOM导入计算工具，产品各级零部件结构如图6所示，这里只展示产品、1级零部件和2级零部件。

本研究的功能单元为：一台风力发电机每天工作18 h，服役20年。系统边界为：从原材料采掘到风机部件回收的全过程，产品应用在中国西北内陆地区。由于产品的安装和维护阶段对结果影响小于5%，因此在计算时不予考虑。

4.3 应用验证

CWT3300D-165型风力发电机一小时发电量约为3000 kW·h，发电效率为80%，一年运转300天，一天工作18 h，累计工作20年的发电量为2.592×108 kW·h。火力发电发一度电需要0.3 kg煤，产出等量的电，风力发电相当于节省7.776×107 kg煤。通过对中国某风机企业实地调研，得到风机详细信息如表2所示，包括产品质量、产品材料、运输距离、运输方式、使用阶段标准化煤质量。

根据表3和式（9）建立风机产品节点生命周期映射矩阵如下：

使用计算工具依次计算轮毂总成、机舱总成、塔筒总成、叶片、地基、变流器的环境影响，环境影响结果如表4所示，上述部件节点的背景清单数据见表5～表10。经过LCA计算工具计算之后，得到产品节点最终结果Wprd如下：

LCA计算工具提供了丰富的图表展示，图7所示为风机各零部件环境影响对总环境影响贡献度情况。图8展示了对环境影响最大的前19个零部件，以及6项环境指标对该零部件的环境影响分布情况。图9列举了风力发电机生命周期各阶段的环境影响情况。

因为零件数量过多，图8仅展示了1级和2级零件，分析图8可以看出，1级零部件中环境影响最大的是地基，占比66.34%，其次是机舱总成，占比17.51%，影响最小的是变流器，占比0.05%。分析2级零部件的对比结果可以得出，影响最大的2级零部件是叶片1、叶片2、叶片3，各占14.01%。

由图9可以看出，该风力发电机所有零部件中环境影响最大的前3个零部件依次为：地基、机舱总成、塔筒总成。1级零件地基对富营养化（EP）和光化学烟雾（POCP）这两类环境影响贡献度最大，分别为17 125.16和21 831.86。

由图9可知，对PED贡献度最大的是原材料获取阶段，其次是制造阶段；对GWP、AP、EP贡献度最大的均是运输阶段，因此在进行产品LCA分析时，很有必要考虑运输阶段的信息；对POCP贡献度最大的是制造阶段；风机生命周期所有阶段对ODP的贡献度很小。产品使用阶段和回收阶段对6类环境影响均有一定的抑制作用。

5 结论

（1）提出机电产品绿色设计与评价协同的多域关联模型，通过产品绿色设计与生命周期阶段关联建模将产品设计域与生命周期活动域相关联；通过LCA计算将生命周期活动域与环境影响评价域相关联。将LCA参数方法应用于产品绿色设计中，并开发LCA参数计算工具，将产品生命周期信息以参数的形式输入能够快速准确地进行环境影响评价。此外，该工具允许设计不断改进，输入改进之后的产品信息可以快速准确地获得环境影响结果。

（2）基于产品绿色设计模型（FSMPT模型）和产品结构树建立生命周期映射矩阵（LCMM），实现了对机电产品零部件设计信息和生命周期阶段信息的有效集成，通过对产品结构树各节点的遍历，实现了对具有复杂零部件关系的机电产品进行生命周期评价的目标，并获得了最终环境影响结果。以CWT3300D-165型风力发电机作为典型机电产品，计算出在其生命周期内的5个阶段所消耗的能源以及相应的环境影响。根据1级部件的环境影响结果可知，地基对环境影响最大，其次是机舱总成，因此这两个主要1级部件需在产品设计阶段着重考虑产品绿色性，改进产品绿色设计方案。

（3）本文采用EDIP2003影响评价方法进行研究，为了方法具有通用性，决策者也可以根据需要选择其他的环境影响指标进行其他案例研究。

（4）设计人员将生命周期信息以参数输入，对产品进行环境影响评价，帮助设计人员快速地找到对环境影响较大的零部件并重新对其进行绿色设计，可提高机电产品整体的绿色性，使产品设计朝着“更绿色，可持续”的方向发展。

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（编辑 王艳丽）

作者简介：

闫 萌，男，1998年生，硕士研究生。研究方向为机电产品可持续设计与评价。

李 涛（通信作者），女，1977年生，副教授、博士研究生导师。研究方向为产品可持续性评价方法、激光增材修复技术、机械装备能耗分析与评估方法等。E-mail：litao@dlut.edu.cn。

收稿日期：2022-09-15

基金项目：国家重点研发计划（2020YFB1711600）