基于全生命周期的产品绿色设计平台建设

张吉春，孙 锦，孙 薇，史翀祺，张清华，陶怀亮

(北京科吉环境技术发展有限公司技术部，北京 100028)

1 引言

绿色发展已经成为全球经济实现可持续发展的必然选择，也是我国工业转型升级、建设生态文明国家的必由之路。“绿色制造”被《中国制造2025》列入重点实施五大工程之一。绿色产品是绿色制造的重要组成部分，《绿色制造工程实施指南(2016-2020)》明确到2020年开发推广万种绿色产品，绿色发展是个动态过程，要通过技术创新和系统优化，将绿色设计、绿色技术和工艺、绿色生产、绿色管理、绿色供应链、绿色循环利用等理念贯穿于产品全生命周期中，实现全产业链的环境影响最小、资源能源利用效率最高，获得经济效益、生态效益和社会效益的协调优化，是一项长期性、系统性的工作。

为了推动落实绿色设计产品评价工作，近年来国家工信部先后发布了127个产品评价标准，用于指导相关产品绿色设计评价工作。评价主要包括指标评价和生命周期评价(LCA)。但是对于企业来说，绿色产品评价是一项复杂工作，首先要研究是否有相应评价标准，标准中规定了哪些硬性评价指标，根据要求计算出相应评价结果，再根据相应产品全生命周期评价要求，开展产品全生命周期评价，得出其资源环境影响情况，判断是否符合绿色产品。在一系列的计算中涉及的数据量大，计算相对复杂，手动计算容易出错，因此需要借助相关平台系统软件来完成。

本文在完成前期绿色产品评价标准的研究基础上，对绿色产品评价系统软件开发进行了研究。根据前期研究的已发布标准中各类产品的评价指标和全生命周期评价的要求，构建了产品全生命周期评价工具模型，搭建了产品生命周期评价及绿色设计平台系统。不仅能完成对各类产品的全生命周期评价，而且能对全生命周期各阶段进行绿色设计，探索资源环境影响最小的绿色设计方案，平台还有助于企业查询管理各类相关产品评价信息。

2 产品全生命周期评价必要性

产品生命周期评价是对产品整个生命周期各阶段涉及的资源环境影响进行的评价，旨在帮助制造业企业进行资源环境管理。随着我国绿色制造系列工作的开展推进，产品生命周期评价越来越受到社会各界的关注和认可，也成为制造业企业开展绿色升级转型发展的重要工具，对企业的可持续发展起到了至关重要的作用。

2.1 壮大企业绿色产品，推动可持续发展

随着中国制造2025系列工作的推动，越来越多的用户倾向于绿色生态产品，越来越多的企业积极申报绿色产品，产品生命周期评价成为不可或缺的部分。通过开展产品生命周期资源环境影响评价不仅可以让企业了解到产品生产各阶段产生的具体环境影响，也可以为企业进一步优化生产工艺、调节原料配比、改进生产设备等提供支撑，促进企业从源头研发生产绿色产品，推动企业的绿色健康可持续发展。

2.2 提高企业环保质量及效率

当前，我国将控制生态变化、发展低碳绿色经济提到了前所未有的战略高度。开展产品全生命周期评价，可以从源头上控制环境影响，实施生态设计，可以降低环境负荷，实现产品设计的绿色化、生态化、可持续化，从而极大提高环保的质量和效率。

2.3 推动环保相关产业高速发展

当前，环境影响评价、能量流分析、物质流分析、信息流分析、环境绩效、生命周期评价、风险评价等理论体系是比较常见的几种，综合利用共同分析往往可以达到良好效果。可以将物质流分析、风险评价等和产品生命周期评价结合在一起，评价产品生命周期各阶段物质流动情况、各类资源环境影响带来的潜在风险，推动从事风险分析、环境审计等环保类咨询服务企业的发展。

3 绿色设计平台建设

本文基于生命周期评价理论以及实际绿色产品评价流程，结合实际评价需求，构建符合实际绿色产品评价的系统平台，开展系统平台结构设计，并明确系统平台各模块功能，相继完成系统开发。

3.1 平台系统的建设目标

平台系统的建设目标：本平台系统的建设开发旨在为企业开发绿色产品决策、绿色设计方案制定优化、产品的生产战略、发展规划及管理等提供一套科学有效的评价工具。该系统软件不仅能够完成对绿色产品全生命周期各阶段资源环境影响的科学评价，而且能实现产品各阶段绿色设计，从而调整各阶段资源环境影响，有助于企业全面、准确、及时的掌握产品生产各阶段的资源环境影响，并结合企业实际情况采取科学合理的改进措施，尽可能降低产品生产全生命周期资源环境影响度。本平台系统开发建设的具体目标如下。

(1)为制造行业企业产品绿色设计和资源环境管理人员提供一个易操作和直观的绿色产品评价工具软件，为新产品的绿色开发设计提供支撑。本系统可以针对某一具体产品，建立该产品的子信息库，存储其功能、技术参数，根据系统内嵌的评价工具，基于该产品基础数据，快速开展该产品全生命周期各阶段资源环境影响评价。

(2)在一定程度上可以实现数据资源的共享。本系统采用B/S体系结构，能够实现数据共享，实时进行数据查询，方便数据信息的管理。

(3)本平台系统软件具有较强的通用性和灵活性，能够为后续的平台拓展提供接口，具有易操作、界面友好、适用性强特性。

3.2 平台系统体系结构设计

在产品生命周期评价平台的设计中，主要是采用三层结构，即是将整套服务应用分为表示层、业务逻辑层、数据访问层。对系统进行分层主要是为了降低各模块间的耦合程度，有利于系统开发、维护和扩展工作的开展。平台系统体系结构图如图1所示。

图1 平台系统体系结构

(1)表示层。表示层指的是直接与用户交互的前端界面，直接处理用户的相关操作，即是传递用户请求，显示服务器程序处理结果。

(2)业务逻辑层。业务逻辑层是表示层与数据访问层间的桥梁，主要用于实现业务逻辑。具体表现在接收用户层传递来的具体需求，调用业务逻辑程序，通过使用数据访问层组件对数据库进行存取操作，并把相应结果返回到表示层。

(3)数据访问层。主要是对数据库中的数据进行增删查改操作，即保存业务逻辑层处理的数据，传递表示层需要的数据。

三层架构通过实体层进行连接，实体层独立于三层架构，用于传递数据。

3.3 平台系统的功能模块设计

该平台系统实现对产品全生命周期的绿色设计和评价，主要功能包括产品管理、产品生命周期模型、LCA评价结果、绿色设计等模块。产品评价及绿色设计平台系统的主要功能模块划分如图2所示。

图2 系统功能模块

3.3.1 系统管理功能模块设计

系统管理主要包括管理员管理、角色管理、菜单管理、参数管理、系统日志等内容，在该模块下管理员可以新增用户账号、激活新注册用户账号、分配用户权限、删除用户账号等操作，也可以根据用户的ID或者名称查询用户，可以对用户的权限进行修改，当新增的时候可以同时赋予一定权限。但是上述的这些功能只对权限值最高的用户显示，即管理员，普通用户进入系统是不显示系统管理模块的。

3.3.2 产品管理功能模块设计

产品管理模块主要是凭借产品所属行业和产品名称来查询已经在该平台开展过生命周期评价和绿色设计的产品名称及其他相关信息，具体可以看到相关产品的系统边界、功能单位、评价数量、评价年份等信息，用户也可以在该页面对某一产品进行删除，同步删除该产品的全部数据信息。

3.3.3 产品生命周期模型功能模块设计

平台系统将产品生命周期划分为原料阶段、生产阶段、销售阶段、使用阶段、回收处理阶段，通过对产品进行定义并填写各阶段对应的基础数据，可完成对产品的生命周期资源环境影响的评价。首先，要对产品进行目标定义，明确功能单位、系统边界、产品规格型号、产品名称、评价年份等信息。其次，分别填写各阶段资源消耗、能源消耗、污染物排放、包装信息、原料运输信息等内容。

3.3.4 LCA评价结果功能模块设计

平台系统根据产品生命周期模型中各阶段填写的相应基础数据，进行LCA计算，选中某一产品，查询后即可查询到该产品LCA结果，结果包含14种资源环境影响类型，分别是初级能源消耗(PED)、非生物资源消耗(ADP)、水资源消耗(WU)、全球变暖(不含生物炭)(GWP)、臭氧层消耗(ODP)、酸化(AP)、可吸入颗粒物、光化学烟雾(POCP)、光化学臭氧合成(POFP)、富营养化(EP)、生态毒性、人体毒性(HTP)、人体毒性-致癌、人体毒性-非致癌。

3.3.5 绿色设计功能模块设计

产品绿色设计是根据对应产品名称及批次编号，查询该产品的原料阶段、生产阶段、销售阶段、使用阶段、回收处理阶段的资源环境消耗数据，并对不同阶段的投入产出数据进行相应修改设计，修改完成后重新命名后保存。通过查看绿色设计结果，可以将该产品绿色设计前后的两种方案进行LCA结果比对，看出前后的变化情况，并且可以将结果以Excel的形式导出下载到本地。

3.3.6 配置中心

配置中心主要包括“特征化指标”“行业管理”和“背景因素配置”三部分。通过特征化指标可以查看14个特征化指标的相关信息，包括物质名称、物质单位、因子值等；行业管理包括新增、修改和删除行业相关信息，背景因素配置模块主要是用于实时录入修改各类产品所用到的大宗物料、资源能源等资源环境影响背景因子数据，用于支撑各类产品全生命周期资源环境影响评价和绿色设计。

3.4 绿色产品评价流程

本平台系统上绿色产品评价流程包含以下几个阶段。

(1)产品目标定义：明确评价对象及评价目标。

(2)清单分析阶段：评价产品的目标和范围确定以后，根据确定的评价模型，录入各阶段投入产出基础数据，量化分析产品生命周期各阶段资源能源使用以及环境影响过程。

(3)绿色设计阶段：根据计算的产品生命周期全过程各阶段资源环境影响情况，适当调整资源能源投入数据、污染物排放数据，重新计算资源环境影响，找寻最适合企业的产品生产方案，实现产品绿色发展。

3.5 绿色设计平台的开发实现

产品绿色设计平台系统采用B/S架构，平台使用JSP+JQuery开发，系统后台采用Java语言集成SSH框架，数据库采用MySQL。

3.5.1 系统管理模块实现

系统管理主要包括管理员管理、角色管理、菜单管理、参数管理、系统日志等内容，如图4所示，在该模块下管理员可以进行新增用户账号，激活新注册用户账号，为用户分配权限，删除用户账号等操作。

图3 绿色产品评价流程

图4 系统管理模块界面

3.5.2 产品管理模块实现

产品管理模块主要是凭借产品所属行业和产品名称来查询已经在该平台开展过生命周期评价和绿色设计的产品名称及其他相关信息，用户也可以在该页面对某一产品进行勾选删除，如图5所示。

图5 产品管理模块界面

3.5.3 产品生命周期模型模块实现

绿色设计平台系统将产品生命周期划分为原料阶段、生产阶段、销售阶段、使用阶段、回收处理阶段，通过对产品进行定义并填写各阶段对应的数据，可完成对产品的生命周期资源环境影响的评价。

用户对某一产品进行LCA评价时，首先点击“目标产品定义”，根据要求依次输入相应信息，如图6所示。

图6 产品目标定义界面

确定好开展生命周期评价的产品后，点击“新增原材料”按钮，填写原材料数据来源等信息，用户可根据需要，点击操作按钮，如图7所示。若开展生命周期评价的产品中某一原材料存在来源于上游原料数据时，可点击“添加上游原料”按钮，添加上游数据，如图8所示。点击“添加原材料消耗”按钮，添加消耗的相应物质及数量后点击“保存”按钮，即可保存，如图9所示，其他能源消耗数据、排放数据等依次按照此模式填写。确认上游数据都填写完毕后，可以点击“返回”按钮，返回上一层操作。

图7 原料阶段界面

图8 原料阶段界面

生产阶段、销售阶段、使用阶段、回收处理阶段和原料阶段操作一样，按照同等模式操作即可。

图9 原料阶段界面图

3.5.4 LCA评价结果模块实现

绿色设计平台系统根据产品生命周期模型中各阶段填写的相应数据，进行LCA计算，选中某一产品，点击“查询”即可，结果包含14种资源环境影响类型，用户若需下载保存某一产品结果，点击“结果导出”即可对将该产品结果以Excel形式下载到本地，如图10所示。

图10 LCA评价结果界面

点击“原料阶段”后可直接看到原料阶段各类原料的资源环境影响结果，如图11所示。

图11 原料阶段各类原料资源环境影响结果界面

点击“详情”，可通过饼图形式查看产品各阶段各环境影响占比，如图12所示。

图12 结果饼图显示界面

3.5.5 绿色设计模块实现

对某一产品进行绿色设计，可点击“绿色设计方案”进入选择对应产品及批次号，点击“查询”后进行各个阶段的设计。用户可分别选择“原料阶段”、“生产阶段”、“销售阶段”、“使用阶段”、“回收利用阶段”，对不同阶段的数据进行修改设计，修改完成后点击“保存修改数据”按钮，对绿色设计方案进行命名保存，如图13所示。

图13 绿色设计方案界面

用户可通过点击“绿色设计结果”对产品的两种方案进行结果对比，用户选择对应产品及不同设计的批次号，点击“结果对比”后可直观不同设计的结果，及其对比结果，如图14所示。

图14 绿色设计结果界面

用户可将将对比结果进行下载保存，点击“结果导出”按钮，即可下载到本地。

3.5.6 配置中心模块实现

配置中心主要包括“特征化指标”、“行业管理”和“背景因素配置”三个部分。点击“查看详情”可以查看特征化指标的相关信息，如图15所示。

图15 特征化指标界面

背景因素配置主要用于将原材料种类、上游原料种类、资源能源种类、排放与废弃种类、运输方式种类和包装材料种类数据录入到数据库中，从而进行产品全生命周期资源环境影响评价，可凭借物质名称，点击“查询”按钮，查询数据库中是否已有该物质相关数据，可点击“新增”按钮，增加相应物质名称及数据，可点击“修改”按钮，对某一物质相关数据进行修改，此部分功能只能由最高权限的管理员进行操作，如图16、图17所示。

图16 背景因素配置界面图

图17 背景因素配置界面图

4 结语

本文围绕产品生命周期评价及绿色设计平台建设主要做了以下几方面工作。

(1)研究产品全生命周期评价理论，分析产品开展绿色设计的必要性，以及开展产品绿色设计为制造行业企业带来的益处，为制造业企业开展产品绿色设计奠定了理论基础。

(2)结合产品绿色设计评价流程，构建产品生命周期各阶段资源环境评价工具，开发产品生命周期评价及绿色设计系统平台，内嵌各类大宗原料、能源等资源环境影响特征化背景数据库，并实时更新库中各类数据，为制造业企业了解产品生命周期各阶段资源环境影响并根据企业实际情况开展产品绿色设计奠定了数据基础。

在今后的研究中，将进一步拓展平台的多功能性，增加绿色制造和绿色设计的相关政策信息以及国内开展绿色设计的成功案例，增加用户之间交流分享功能等，丰富平台的全面性、实用性等，调动制造业企业的积极性，推动产品绿色化发展。