船舶动力系统全生命周期绿色设计的评价方法

王瑞昌, 陈志华, 明新国

(上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240)

随着全球化进程的不断推进，船舶货运业务也在不断发展.但是，日益密集的船舶货运在推动全球经济不断增长的同时，也给环境带来了沉重负担.船舶在制造、航行和报废过程中，会排放大量污染物，严重影响生态环境的健康持续发展，而船舶动力系统的绿色性能在船舶整体绿色性能中具有决定性的作用.船舶动力系统是一个复杂的系统产品，建立系统有效的绿色设计评价方法，对于改进船舶动力系统的绿色性能具有重要意义.全生命周期评价(LCA)是一种常见的绿色设计评价方法，Azapagic等[1]将线性规划方法、多目标优化方法与LCA相结合，在解决环境负担分配问题的同时，保证了研发产品的环境性能最优化.Woolridge等[2]结合LCA方法比较了利用回收废旧纺织品原料和未加工原材料在节约能量方面的区别.国内关于产品全生命周期评价的研究起步较晚，黄志甲等[3]利用全生命周期评价方法，确定了汽车燃料生命周期清单分析参数和评价边界，提出了燃料上游阶段清单的计算逻辑.挪威船级社与Aalesund University College合作，利用Eco-indicator 95全生命周期分析工具对船舶进行LCA评估，指出NOx和SOx是船舶的首要空气污染物，且船舶营运是全生命周期中对环境影响最大的阶段.文献[4]利用LCA方法，基于环境影响因素评价方法研究了拆船过程的决策；蒋春林等[5]采用模糊层次分析法建立了船舶绿色度评价的递阶层次结构模型，定量计算出船舶的绿色度值.针对层次分析法不能确定强关联因素间权重的问题，Asadabadi[6]研究了利用网络分析法(ANP)和Markov链的以客户为导向的供应商选择方法；Bhattacharya等[7]利用模糊ANP，提出了一种协作决策方法对绿色供应链进行绩效评估.代言明等[8]基于模糊ANP，提出了公路隧道火灾风险综合评价模型.赵振武等[9]对机场旅客安检系统保障能力进行了评估.

目前，面向全生命周期的船舶绿色设计评价指标体系主要是针对整船进行评价的，收集数据较为困难，操作难度较大.同时，现有体系多将船舶全生命周期中的各阶段视为各自独立的，但在实际设计和建造过程中，设计阶段的结构方案和原材料的种类选择直接决定了制造、营运和报废回收阶段的绿色性.本文结合前人的研究成果，针对在船舶整体绿色度中起决定性作用的船舶动力系统，建立面向全生命周期的绿色设计评价指标体系，采用ANP确定各评价指标的综合权重，为船舶动力系统的绿色设计提供一种较为完整并且可行性较强的评价方法.

1 模型构建

1.1 船舶动力系统绿色设计评价方法

船舶动力系统的绿色设计主要包括概念设计和详细设计阶段.通过概念设计阶段的环境影响识别和预评估，选出较为合理的设计方案后，进行详细设计评价.详细设计评价主要包括船舶动力系统的研发设计、生产制造、交付使用和报废回收4个阶段.利用面向全生命周期的船舶绿色设计评价指标体系，可以对不同的设计方案进行评价，从而有效指导船舶动力系统的绿色设计，船舶动力系统绿色设计的具体流程如图1所示.

图1 船舶动力系统绿色设计流程图

1.2 全生命周期评价标准框架

全生命周期评价标准框架(见图2)含有目标与范围定义、清单分析、影响评价和解释4部分.

(1)目标与范围定义.鉴定船舶动力系统的功能单元，选择能够提供选定功能单元的参考产品或参考服务，并限定船舶动力系统全生命周期系统的边界，如图3所示.

图2 全生命周期评价框架

图3 面向全生命周期的船舶动力系统边界图

(2)清单分析.搜集船舶动力系统全生命周期中与环境交换的输入输出信息，构建船舶动力系统的全生命周期清单，包括船舶交付情况记录、电子数据库、文献数据、未公开发表的数据以及实地的测量计算等.

(3)影响评价.将收集的全生命周期清单数据，定性或定量地转化为所能造成的环境影响指标，主要包括分类、特征化、规范化和加权，进而得出不同设计方案下船舶的绿色性能，以便于调整设计方案.

(4)解释.根据全生命周期评价设定的目标，通过分析模拟，形成最终意见或者建议.

1.3 评价指标体系的构建

船舶动力系统的全生命周期绿色评价指标体系主要分为如表1所示的4个层级.第1层为总目标层，即船舶动力系统全生命周期综合绿色度(Gs)；第2层为子目标层，包括研发设计、生产制造、交付使用、报废回收4个阶段在内的各阶段绿色度(Gm,m=1,2,3,4)；第3层为一级指标，主要包括资源属性、环境属性、能源属性、技术属性和经济属性5个因素集(Am,i,i=1,2,3,4,5)；第4层为二级指标，主要包括材料利用率、废旧材料回收率等(Am,ik,k=1,2,…,gi,gi为第i个因素集中因素的个数).各个层级之间的指标相互独立，且上一层级指标可支配下一层级指标.确定目标和范围，可以明晰船舶动力系统全生命周期绿色设计评价的系统边界.根据该边界，查找相关建造资料，完成船舶动力系统全生命周期清单的构建.但是，船舶动力系统绿色评价指标之间并非完全独立，而是相互影响、相互依存的，如先进设备的利用率会显著影响材料利用率，材料利用率则会直接影响固体污染程度，各个指标的权重不能简单依据传统的层次分析法获得.因此，可以通过建立基于ANP的船舶动力系统绿色设计评价模型，得到更加合理的指标权重.以研发设计阶段的绿色度评价为例，建立网络分析模型，如图4所示.

表1 船舶动力系统的全生命周期绿色评价指标体系

图4 船舶动力系统研发设计阶段绿色度评价网络分析模型

船舶动力系统的全生命周期绿色度评价步骤如下.

步骤2根据步骤1中确定的各指标的权重，对船舶动力系统的研发设计、生产制造、交付使用和报废回收各阶段的绿色度进行综合评价.

2 权重的确定

本节以研发设计阶段(即m=1时)的权重确定为例，并省略各指标符号中的下标m.

(1)利用层次分析法中的权重确定方法构造单一因素集的权重矩阵.利用Delphi法，以第j个因素集中任一因素z为基准，比较第i个因素集中各个因素相对重要程度，判断矩阵标度含义如表2所示.构造判断矩阵

表2 判断矩阵标度

对矩阵Wij,z的每一列进行归一化处理，即

得到

再对Bi,z按行求和，得到

Ci,z=[c1c2…cgi]T

将Ci,z归一化处理后，可得权重向量

Di,z=[d1d2…dgi]T

此时对应的最大特征值的近似值为

分别以第j个因素集中其他因素为基准，构造判断矩阵，通过求得每个判断矩阵的最大特征值对应的特征向量，最终得到第i个因素集相对第j个因素集的权重矩阵：

(2)对判断矩阵Wij进行一致性检验：

其中：

RI为平均随机一致性指标，是根据足够多个随机发生的判断矩阵计算而得的一致性指标的平均值，矩阵的维数越大，RI值也会越大.RI的取值如表3所示.

一般而言，如果由计算得到的CR值越小，则判断矩阵的一致性越好，通常认为当CR<0.1 时，判断矩阵就会具有满意的一致性.如果由计算得到的CR值较大，则判断矩阵不满足一致性，即属性因素集中不同因素之间的重要度存在矛盾，此时则需要细化专家打分的准则或有聘请更多的专家参与重要度评价打分并且求取其平均值，直至判断矩阵满足一致性检验要求.

表3 平均随机一致性指标的值

(3)构造未加权的超矩阵.计算出各项判断矩阵Wij后，得到未加权的超矩阵

(4)构造加权超矩阵.考虑到不同因素集间的相互影响，以第i个因素集为基准，构建因素集间的判断矩阵

进而求得因素集的权重矩阵

加权超矩阵由未加权矩阵W与影响权重矩阵S相乘得到，即

(6)根据各个二级指标的实际评价值以及权重，通过线性计算即可得到船舶全生命周期各阶段的绿色度.

(7)利用判断矩阵得到船舶动力系统设计全生命周期各阶段的重要度，采用线性计算得到船舶动力系统全生命周期总体绿色度，从而为船舶的绿色设计提供参考.

3 示例验证

基于上文船舶动力系统绿色设计评价体系，参照现有的某功率级船舶动力系统，对相同功率级的某新型船舶动力系统的全生命周期绿色度进行分析评价.

3.1 指标权重的确定

(1)通过专家打分的形式，确定指标体系中的各个判断矩阵，以资源属性指标因素集为例，构建判断矩阵

表4 未加权的二级指标超矩阵

因此，可以计算得到各个二级指标在研发设计阶段、制造阶段、交付使用阶段、报废回收阶段的权重，如表7所示.

表5 二级指标加权超矩阵

表6 二级指标加权超矩阵的收敛矩阵

表7 船舶动力系统绿色度评价指标权重

Tab.7 The assessment index weight of marine power system’s greenness

指标权重m=1m=2m=3m=4Am,110.0580.0610.0280.048Am,120.0660.0710.0360.057Am,130.0260.0190.0200.067Am,210.0360.0400.0420.038Am,220.1160.1340.1530.128Am,230.2490.2630.2730.251Am,240.1430.1570.1650.174Am,310.0420.0480.0490.030Am,320.0610.0490.0610.032Am,410.0200.0180.0130.011Am,420.0440.0360.0430.028Am,430.0150.0100.0130.053Am,510.0550.0620.0390.020Am,520.0380.0140.0440.021Am,530.0310.0180.0210.042

3.2 全生命周期绿色度分析

参照现役某型号船舶动力系统，聘请10位中船重工某研究所船舶动力系统设计与制造方面的专家，对标国际和国家船舶动力系统绿色设计标准，对以下3种不同的新型船舶动力系统设计方案进行绿色设计评价.例如，现役某型号船舶动力系统的材料利用率为45%，则新型船舶动力系统绿色设计评价中的“材料利用率”一项的得分可由下式计算：

其中：Mt,11表示第t种方案船舶动力系统绿色设计评价中“材料利用率”的得分；Ot,11表示第t种方案船舶动力系统的材料利用率.

通过求取专家打分的平均值，得到评价结果如表8所示.方案1改进现有制造工艺，采用模块化设计和精益制造理念的船舶动力系统绿色设计方案；方案2对标军用船舶动力系统要求，采用先进制造技术保障功能及性能先进性；方案3对标国际绿色船舶设计要求，采用先进加工设备和工艺技术降低环境污染.

考虑到船舶动力系统绿色设计过程中全生命周期各个阶段间会相互影响，故对全生命周期的各个阶段进行重要度分析，通过建立判断矩阵，最终得到全生命周期各个阶段的权重为

P=[P1P2P3P4]=

[0.360 1 0.205 4 0.262 8 0.171 7]

3种不同设计方案绿色度的计算结果，如表9所示.

表8 不同船舶动力系统绿色评价结果

Tab.8 Green evaluation indices of different marine power systems

二级指标评价得分方案1方案2方案3现役某型号船舶动力系统材料利用率69788260先进设备利用率67758460废旧材料回收率65688960噪声污染68748560空气污染71728760水体污染62689260固体污染60649060能源利用率69738460清洁能源比例64698660设计制造技术先进性67768460功能性能技术先进性79858760拆卸处理技术先进性73768860设计制造成本84644860使用维护成本82625260报废回收成本62676960

表9 3种设计方案的绿色度

3.3 解释与评价

通过比较表9中3种不同设计方案的全生命周期绿色度，可以发现方案3的绿色度最高，优于其他两种设计方案，且3种方案的绿色度均优于作为参考的现役某型号船舶动力系统.但是，不同的经济发展水平和工作性能要求，对船舶动力系统的整体绿色度有不同的要求.

经济成本对整体绿色度的贡献在整体绿色度中的占比为

功能性能对整体绿色度的贡献在整体绿色度中的占比为

通过计算可以得到3种不同设计方案各自的Gs、CP和FP值，如表9和10所示.

比较3种不同设计方案的Gs、CP和FP值可以发现，方案1经济成本对整体绿色度的贡献即其在整体绿色度中的占比明显高于其他两种方案，适用于需特别注重经济效益的造船厂；方案2功能性能对整体绿色度的贡献要高于其他两种方案，适用于对船舶动力系统功能性能要求较高的船型；方案3绿色度最高，对环境的污染程度最低.

表10 不同设计方案的CP和FP值

4 结语

本文通过梳理绿色船舶全生命周期绿色设计流程，确定了系统边界，并构建了船舶动力系统的全生命周期绿色度评价指标体系.通过分析各个二级评价指标的相互作用关系，采用网络分析法求解各指标的综合权重，比传统的层次分析法求解得到的综合权重更具客观性和合理性.本文参照某现役型号的船舶动力系统，利用Delphi法对3种不同的绿色设计方案进行打分，对网络分析法在船舶动力系统绿色设计评价中的应用进行示例验证，并对不同绿色设计方案进行解释说明，并为船舶动力系统的绿色设计评价提供了新的研究方法，船厂可以根据自身的发展阶段选择合适的设计方案.