智慧城市的全生命期评价和成本分析

2014-02-27上海世博会有限公司李祝军

智能建筑与智慧城市 2014年2期

文│ 上海世博会有限公司李祝军

现代工程实践证实，凡是人工系统都需要进行全生命期的成本分析，在项目启动前应对其制造/建设成本、运行成本、维护成本及销毁处置成本进行评估，并在实施中保证各阶段所需的费用。这是一个科学的论证与运作过程，如果违背，那么人工系统项目的最终结果不是成为烂尾工程，就是投运后因没有足够的运维费用而使建设投资付诸东流。特别在积极推进智慧城市建设的今天，更要做好其全生命期的成本分析，使得各项决策更加科学。

1 全生命期

人的生命总是有限的，但人类的精神与物质财富都得到代代传承，因为精神与物质财富的再创造，决定了人类创造的万事万物必有其生命期。比如一种产品从原材料开采开始，经过原料加工、产品制造、产品包装、运输和销售，然后由消费者使用、回收和维修，再利用、最终进行废弃处理和处置，整个过程称为产品的生命期。

既然一个人、一个组织、一个产品都有其生命期，智慧城市是基于他们而建设起来的，自然也就不例外。智慧城市的各类信息系统是由各类硬件与软件组成，其中的硬件与一般产品同样具有全生命期的特征，但就系统而言，它要经历一个研制开发、调试、测试、运行、维护、升级、再调试、运行、维护、停机、数据保全、拆除和处置的全过程。

2 全生命期评价

全生命期评价是从20世纪80年代开始的。由于区域性与全球性环境问题的日益严重以及全球环境与可持续发展思想的兴起，大量的REPA研究重新开始，公众和社会日益关注政府、研究机构、工业企业、产品消费者等相关的研究。1989年荷兰国家居住、规划与环境部（VROM）针对传统的环境政策，首次提出了制定面向产品的环境政策，内容涉及产品的生产、消费乃至最终废弃物处理的所有环节，即所谓的产品生命期。还提出对产品整个生命期内的所有环境影响进行评价，并对生命期评价的基本方法和数据进行标准化。

全生命期评价可以表述为：对一种产品及其包装物、生产工艺、原材料能源或其他某种人类活动行为的全过程，包括原料的采集、加工、生产、包装、运输、消费和回收以及最终处理等，进行资源和环境影响的分析与评价。它采用全程方式分析一件产品或活动的整个生命期，这一全程包括原材料提取的处理、制造、运输和配送、利用、再利用、维修、回收和最后的处置。

生命期评价的主导思想在源头上预防和减少环境问题，而不是等问题出现后再去解决，是评估一个产品或整体活动的一种方法。一个完整的全生命期评价包括四个部分，即目的与范围的确定、清单分析、影响评价和生命期解释。前三个独立但又相互关联，全生命期评价包括能量和资源的利用、向空气、水和土地的环境排放的识别和量化、技术质量和数量的特征和环境影响分析的后果评价，减少环境负担的评估和实施。一些全生命期评价所定义的范围和目标或是启动步骤，可以为使用的分析结果服务。生命期清单既可用在组织的内部，也可在外部应用，需要适用性的标准。生命期清单分析可以应用在工艺分析、材料选择、产品评估、产品比较和政策制定等方面。

综上所述，全生命期评价是面向产品系统，对产品或服务进行全过程的评价。全生命期评价充分重视环境影响，是一种系统性的、定量化的评价方法，同时也是一种开放的评价体系，对经济社会运行、持续发展战略、环境管理都具有十分重要的意义。

经过多年的实践，全生命期评价得到了完善与系统化，国际标准组织推出了ISO 14040标准《环境管理一生命周期评价一原则与框架》（1997）、ISO 14041《环境管理一生命周期评价一目标与范围的确定及清单分析》（1998）、ISO 14042《环境管理一生命期评价一生命周期影响评估》周（2000）和ISO 14043《环境管理一生命期评价一生命周期说明》（2000）。

3 全生命期的成本分析

全生命期的成本分析始于20世纪90年代初，把价值工程管理技术引入产品/项目的成本分析，强调产品/项目的全生命期成本，以面向成本的设计DFC形式而提出，在满足用户需求的前提下，尽一切可能降低成本。在分析产品制造过程、销售、使用、维修、回收、报废处置等全生命周期中各阶段成本组成情况的基础上进行评价，从中找出原设计中影响产品成本的过高费用部分，通过修改设计来降低成本。DFC把全生命期成本作为设计的一个关键参数，为设计者分析、评价成本提供支持工具。

DFC中的成本是指全生命期成本（LCC），一般是指产品从策划开始，经过论证、研究、设计、生产、使用一直到最后报废的整个生命期内所耗费的研究、设计与发展费用、生产费用、使用和保障费用及最后废弃费用的总和。LCC的概念最早由美国国防部提出并用于军事领域，由于典型的武器系统运行和维护的成本占了总成本的75%，需要对全生命期的各项成本进行分析，从而有效地控制总成本。

全生命期的设计成本包括可行性研究、图纸设计、产品试验、修改设计、准备技术说明书等所花费的费用；制造成本包括材料、加工、半成品运输、存放、装配、调试、检验、废品、修复等各种费用；销售成本包括产品包装、运输、储存以及广告等费用；维修成本是在使用期限内，为维护设备进行修理或更换零件所需花费的费用；使用成本是用户使用机器设备期间，需要支付的人力消耗、材料与动力消耗以及维修保养等的费用；回收报废成本是产品报废处理和再生的费用。一般设计成本大致占全生命期成本的10%～15%，制造成本约占30%～35%，使用与维修成本约占50%～60%，其他成本所占比例一般小于5%。

以云计算中心为例，一般运行周期为15～20年。据统计，传统数据中心的电力消耗已经占到全球能源电力消耗的8%左右，且每三年电力消耗即会翻倍增长，更是给新建的数据中心提出了严峻的挑战，资金、固定资产投入＝战略性投资+滚动性投资和运营成本＝维护费用+营销费用+人工成本（+折旧）的不均衡，也是长期困扰数据中心管理者的问题。云计算数据中心则可以IT运用资源共享（虚拟化、网络计算等）的方式对IT服务模式进行优化。基于在云计算环境下的业务竞争需要和对IT负载迁移的考虑，在构建数据中心时，不仅需要将数据中心的高可用性视为先决条件，如何实现数据中心的高效率也成为不可忽略的重要因素。因此，通过标准化的设计及优秀的运维来建造和管理一个密集的、灵活的、自动化的数据中心，既满足未来的应用需求，也可将未来新技术的更新纳入设计范畴给予考虑。这就意味着在数据中心建设的初始阶段，就需要以战略部署的全局角度来审视云计算中心的设计，全面规划数据中心的供电、环境、安防及后期的运营管理等内容，通过有效地优化数据中心的整体架构和运营方式，节约30%甚至更多的电力消耗，以期降低数据中心的运营成本。

软件产品或软件系统生命期的使用层面和环境都不尽相同，但由于软件系统升级换代比较频繁，所以软件产品的生命期一般都不超过10年，比如数据库软件的生命期一般为3～5年，操作系统的生命期一般是2～3年，大多数应用软件的生命期为1年，而多媒体视听等工具类的软件生命期多为1年或者更短。软件的生命期要经历孕育、诞生、成长、成熟、衰亡等阶段，这样划分就使得每一个阶段都有明确的任务，使规模庞大、结构复杂、管理复杂的软件开发变得容易控制和管理。

通常，软件生命周期包括可行性分析与开发项计划、需求分析、设计（概要设计和详细设计）、编码、测试、维护等活动，可以将这些活动以适当的方式分配到不同的阶段去完成。在智慧城市建设中，数以百计的云端应用需要并行研发和整合，如果没有软件生命期的管理，最终的软件应用功能必定不完善，不仅无法实现智能的城市控制，更是在浪费人力、财力和物力，耽误智慧城市的建设周期。因此，智慧城市中的软件应用平台不仅需要软件生命期的管理，更需要在智慧城市的整体规划下，进行软件生态圈的生命期管理，即综合的、并行的、整合的软件生命期管理。软件生命期管理的薄弱环节一般多在需求调研与确定阶段，因为前期调研不足，又为赶进度仓促施工，所以在具体的实践中，多数软件项目都是无法按合约准时交付的，一旦拖延就会造成项目损失，产生不必要的分歧与矛盾。因此，为了充分降低软件生命期的管理成本，一般建议采用快速原型开发模型，这种模型的好处在于，它可以准确地获取用户对计算机软件的真正需求，在最短的时间内，根据最终用户的迫切需求，做出一个可演示的产品程序，以直观的界面展示最终的开发成果，它可能只是界面的设计制作与切换，后台并没有编程与数据库的支撑；同时，客户就快速模型功能进行签字确认，也避免了软件生命期管理过程中的阶段性反复，从而保障项目进度，减少双方人、财、物的损失和时间上的浪费。

以硬件为例，相关产品的设计生命期一般是：笔记本电脑3 年、台式电脑4年、服务器5年、网络设备5年、监视器8 年，而锂电、光驱、键盘、鼠标等易耗品均不超过1年。但设计的生命期并不等于应用的生命期，而是一般会长于应用的生命期，也就是说，这些硬件设备一般会被使用者提前更新换代。随着硬件研发的速度加快和水平不断提升，到2012年，硬件的应用生命期可能只有设计生命期的60%～70%之间，虽然硬件性能的提升总是好事，但同时也提高了建设的折旧成本，如果没有更实际的应用生命期的考虑，原来预期可以保证正常运营的项目，在交付后可能会由于过重的摊销负担而面临经营的困境。

以公共建筑物为例，其生命期成本分配如图1所示，其中运行与管理费用约占生命期成本（LCC）总费用的85%以上，而一次建设费用仅为15%。为了维持设备的功能，确保设备的高效率，尽量减少设备的故障，是发挥设备投资效益的重要环节。信息化与自动化的系统则为现代物业设施管理提供了平台与基础。

图1 建筑物生命期成本中各项费用的比例

图2所示的是设备在其生命期内发生故障的情况，根据可靠性工程可表示为故障曲线，因其形状像一个浴缸，可称之为“浴槽曲线”。图中1、2、3三条曲线分别代表了三种不同的保养方式：1为只使用不保养；2为事后保养；3为预防保养。当采取预防保养后，可以大大延长设备的使用寿命。

图2 设备故障曲线

在初期故障期，为了减少设备故障时间，设施管理人员应了解装置中寿命最短的部件或组件，并加以特别注意；同时还要找出设计、施工和材料方面的缺陷和不足，分析造成设备故障的原因并加以解决，尽快使设备故障率下降并进入稳定运行状态。为此，设施管理人员需要熟悉整个系统，学习操作和设备保养的方法和程序。

在偶发故障期，设备的故障率下降到容许故障率之下。此时，应着重提高设施管理人员对故障的检测诊断能力和维修能力，合理管理设备品。为降低设备故障率、延长设备寿命，还需进行必要的改造。

在磨耗故障期，设备和系统接近或达到各自的寿命期，由于零部件的磨损和材质的劣化使故障率上升。因此，磨耗故障期更应精心进行预防保养，定期对零部件进行检测，同时坚持日常的清扫、调整，减缓零部件的磨损和劣化速度，来延长设备寿命（如图2的曲线3）。

通过这“三期”的管理工作，可以大大地降低图1中的设备更新周期，从而减少建筑物生命期成本（LCC）的总费用。

图3a 智慧城市的生命期成本构成

图3b 智慧城市的生命期成本构成

4 智慧城市的全生命期成本探索

智慧城市是人工创造的信息化形态，其生命期的成本可分为建设成本与运行成本两部分。

智慧城市的建设成本由信息通信基础建设（城市通信管线、机房、无线通信基站等）费用、信息应用系统（硬件、软件等）建设费用、服务体制与机构建设等费用构成。

智慧城市的运行成本由信息通信基础运行（包括设备使用与能耗）维护及升级扩展费用、信息应用系统的运行（包括设备使用、通信与能耗）维护及升级扩展费用、服务体制与机构的运行维护费用构成。

根据目前的技术和应用情况加以统计分析，智慧城市信息通信基础的生命期一般在15年左右，信息应用系统与服务机构的生命期一般为6年。这就意味着即使智慧城市的设施在运行过程中不断地进行维护、升级与扩展，到一定时候还是需要重新建设。如果粗略地测算，将信息通信基础的建设、运行维护及升级扩展费用平均分摊到6年，加上信息应用系统生命期的建设、运行维护及升级扩展费用和服务体制与机构的建设、运行维护管理费用，其测算构成如图3a、3b所示。

由图3a、3b可见，智慧城市的生命期成本中建设费用占23%，运行维护管理费用占55%，升级扩展费用占22%。这就表示智慧城市投入建设后，在生命期中需要更多的后续费用，当我们在规划建设智慧城市时，必须充分考虑运行维护管理费用和升级扩展费用，对于各阶段的费用落实具有切实的计划，以保证智慧城市的可持续发展。