1.2　國內外研究現狀

針對資源與環境日益惡化的嚴峻局面，綠色設計相關技術在早期研究基礎上得到了迅速發展。國內外的主要研究集中在以下幾個方面：

1.2.1　綠色設計方法

1.產品信息建模與評價

在產品綠色設計及其評價過程中，如何將環境屬性盡早引入產品信息模型吸引了大量學者的注意。

劉紅旗等將產品結構、功能、生命周期環境影響及設計需求有機結合在一起，嘗試建立較為系統的產品綠色設計信息模型和評價體系^[35]。向東等利用產品系統概念，基于產品功能模塊進行綠色信息的組合及評價，從而實現產品的數據收集和動態描述^[36]。ParkJ.和SeoK.提出了一種基于知識近似的生命周期評價系統框架^[37]，用于協同設計的環境，該系統利用人工神經網絡允許用戶在更大的范圍內接觸與產品設計相關的近似信息，以提高產品環境效率。黃海鴻等應用協同設計原理來進行產品綠色設計，通過分析協同綠色設計中的設計信息流，采用蟻群算法和貝葉斯理論來優化設計方案^[38]。李建軍等探討了面向對象數據庫的產品信息表示和操作方法及產品結構信息的存儲技術^[39]。

Zhu J.Y.和Deshmukh A.采用貝葉斯網絡針對生命周期評價中的不確定信息進行分析，通過對需求域和產品設計信息域關系推導，對產品設計的關鍵節點進行跟蹤，進而對產品設計早期的決策提供支持^[40]。

Dunmade I.等針對不同來源與技術背景、不同使用狀況下的多產品組成的復雜系統的環境影響問題進行分析，提出了多生命周期設計的概念，并將其應用于木薯加工機械的設計^[41]。Hossain K.A.等提出了一種基于風險評估的環境影響評價方法^[42]，該方法將產品生命周期分為兩個域，原材料生產與供應域和門對門的工藝域，每個域可以分別進行影響的逆分析，從而便于工藝設計方案的管理和評價。

張雷等將綠色產品的配置約束分為建議性約束和強制性約束，將一維約束過濾模塊和建議性約束滿足度計算模塊融入回溯算法中^[43]，以實現產品環境屬性與功能、結構及經濟屬性的優化配置。陳建等將可拓學中轉換橋方法引入綠色設計沖突消解研究中^[44]，將綠色設計中的沖突問題表達為形式化基元模型。

2.模塊化綠色設計方法

張雷等將環境影響因素納入產品族規劃的考慮范疇，從拆卸、回收、環境影響以及經濟性四個方面對產品族內部結構單元的綠色性進行量化分析，通過對綠色信息的快速集成，建立一種面向綠色設計的產品族規劃方法^[45]。李方義等提出了一種應用于離散型機電產品多目標模塊化分析的初步框架^[46，47]，對利用模糊圖論和AHP方法解決機電產品綠色設計決策的多目標問題進行了研究。楊繼榮等研究了面向大規模定制生產的產品綠色設計模塊化方法，對綠色度和模塊化評價方法和實現步驟進行了初步探討^[48]。TsengH.等將工程屬性添加到產品部件的聯絡圖模型中，將組合式遺傳算法和改進后的交叉機制用于族劃分和產品模塊設計^[49]。Smith S.等人提出了一種基于原子論的綠色產品設計模塊劃分方法^[50]，產品根據給定的綠色約束（如材料的相容性、零件的重用性和拆卸性等）進行模塊劃分，通過這些綠色約束模塊構建新的產品設計方案。

Sousa I.和Wallace D.提出了一種用于不同產品組的自動分類系統，以支持專門的LCA替代模型，該系統應用層次分析法指導產品族的環境類型辨識^[51]。

黃海鴻等將生命周期評價方法集成到設計過程，提出了環境價值分析方法^[52]，通過功能結構映射將產品實體抽象化為功能系統，并進行基于功能的LCA和環境價值評估，通過功能分析與改進將功能系統再實物化為新的結構實體。

3.綠色設計評價指標與方案決策

實施綠色設計的關鍵是從全生命周期角度對不同產品設計方案的環境影響進行預測、評價，并做出合理決策，綠色設計本質是多目標、多屬性綜合決策問題。

李方義等通過功能模型、過程樹模型、信息模型和退役決策仿真四個模型對產品生命周期內的環境影響進行了分析，并建立了一個綠色設計決策支持系統框架^[53]。周長春等利用改進的TOPSIS方法對綠色產品設計復雜情況下多目標決策及多標準問題決策進行了研究，提出用GUS方法來解決決策中的非線性問題^[54]。Bojarski A.D.等提出了一種綜合考慮生產地點、工藝技術選擇、產品分布的供應鏈決策模型^[55]，采用IMPACT2002+方法對供應鏈進行了中間點和終點評價，通過建立供應鏈節點和過程的影響映射關系，從環境影響角度優化整個供應鏈，以減少最終的環境負擔。Azzone G.提出了一種用于支持綠色設計決策的產品環境性能綜合衡量方法，針對不同決策目標采用不同的決策工具，在產品開發早期應用重要性識別評價標準，在產品開發后期則根據不同的決策內容選擇最有效的評價技術^[56]。Park P.J.通過對洗衣機的研究對比分析了二維圖譜、生態效率法、貨幣法、多屬性決策法等四種決策方法^[57]。Benetto E.等提出了一種將LCA與生態風險評估（ERA）集成起來進行環境評價的方法，用多目標分析方法對選擇方案進行了排序^[58]。劉志峰等提出了基于模糊物元的綠色產品綜合評價方法^[59]。

Ross S.等認為全生命周期評價方法即LCA是綠色設計的主要量化工具，如何將LCA與產品綠色設計過程有效結合是研究重點^[60]。

趙平等建立了綠色建材產品的評價指標，采用打分法進行量化計算^[61]；周少祥等對能源利用的環境影響評價指標進行了系統研究^[62]；有學者定性地討論了機電產品的綠色性評價指標^[63，64]，但沒有給出指標的具體應用和計算方法。由于產品構成及工藝特性的差異較大，目前各工業領域應用的評價指標與量化方法多為針對幾種具體產品類型，通用性較差，而且評價結果沒有可比性。

1.2.2　生命周期評價技術

今天，人類已經開始從可持續發展的觀點出發，系統評價產業活動對環境、經濟和社會的可持續性影響，指導產品開發和工業化生產。LCA作為產品系統環境影響評價的重要量化工具得到了國內外的廣泛關注與研究。

國際標準化組織把LCA的實施步驟分為目標和范圍定義、清單分析、影響評價和結果解釋四個階段，如圖1-1所示。

圖1-1　LCA階段^[11]

目前的主要研究集中在清單分析階段的數據處理與不確定性研究、影響評價階段的方法研究和LCA工具與實例研究。簡述如下：

1.影響評價方法

由于環境問題的復雜性和動態性，生命周期影響評價（LCIA）是LCA中難度最大的階段，同時也是爭議最多的階段。影響評價方法目前正在發展之中，ISO和SETCA都傾向于把影響評價作為一個“三步走”的模型，即影響分類、特征化和量化評價。雖然近年來一些LCIA方法產生了較大的影響，但還沒有一種普遍接受的方法。環境毒理學和化學學會（SETAC）、美國環境保護署（EPA）、加拿大標準協會（CSA）已公布生命周期影響評價的理論指南。

Jolliet O.等將中間類型與破壞類型有機結合起來，建立了一種新的影響評價方法IMPACT2002+^[65]，考慮致癌物、非致癌物、攝入量、劑量反應的邊界效應計算得到人類損傷；污染物向食品的轉移不再基于消費調查，而是考慮農業和家畜產品水平；室內和室外空氣排放可以進行比較并考慮了間歇性降雨的影響；人體和生態毒性決定于平均反應而不是保守的估計；其他的影響類型則采用Eco-indicator99和CML2002等方法進行特征化，所用的中點類型通過單位對照物質歸類到身體健康、生態質量、氣候變化和資源四種破壞類型。

Hauschild M.等人在丹麥技術大學產品發展研究所（IPU）研究報告中提出了基于終點類型的EDIP2003方法^[66]，是對EDIP97方法的改進，擴充了大量的環境機理，對非全球影響類型（包括酸化、光化學氧化劑生產、生態毒性、富營養化、人體毒性和噪聲影響等）采用了因果關系鏈，計算出的影響環境相關性較高，且更易于解釋對環境的破壞。

美國卡內基梅隆大學的Sub S.等基于政府宏觀數據的統計分析提出了投入產出生命周期評價方法（Economic Input-Output LCA，EIO-LCA）^[67]；戴杜則將基于過程的LCA（PLCA）和基于投入產出的LCA（EIOLCA）結合起來，提出了一種基于混合建模的生命周期評價方法（HMLCA），采用該方法對燃油助動車和電力助動車的生命周期環境影響進行了比較分析^[68，69]。

曹華軍等基于工藝IPO過程模型和列昂波特相互作用矩陣，提出一種零件制造過程物料和能量消耗、環境廢物排放和安全性的評價方法及其技術框架^[70]。鄧超等研究了LCA與LCC（生命周期成本）的整合與優化，提出了基于工藝約束的工藝方案優化模型^[71]和集成評價框架與集成評價算法^[72]。王賢琳等基于BP神經網絡建立了制造過程環境影響評價模型，通過使用MATLAB神經網絡工具箱對模型進行模擬仿真^[73]。

Gonzalez B.等把模糊邏輯運用于產品生命周期評價中，提出了一種改進的方法^[74]。HurT.等將LCA方法與矩陣方法結合起來提出了一種簡化LCA方法（Simplified LCA，SLCA），用于快速識別產品系統中的關鍵環境影響問題^[75]。高洋等采用簡化生命周期評估方法對消費類產品進行綠色評估^[76]。

2.影響類型及特征化

特征化是LCIA的必備要素和評價基礎，這一過程將影響因子對環境影響的強度或程度定量化，歸納為相應指標。當前特征化模型分為負荷模型、當量模型、固有化學特性模型、總體暴露-效應模型、點源暴露-效應模型等。

ISO 14040和ISO 14044并沒有限定環境影響類型及其特征化方法。不同的機構對影響類型的劃分也不統一^[77]。丹麥的工業產品環境設計EDIP規劃中^[66]，將影響類型分為環境影響、資源消耗和工作環境影響三類，并將影響類型的空間范圍區分為全球、區域和局地。

Spitzley D.V.和Tolle D.A.提出了一種改進的土地占用影響評價方法，通過對三個金礦、鋁礦和銅礦的實際分析，采用噸產量的面積年限等效因子表示土地占用的環境影響^[78]。Wagendorp T.等則采用熱力學原理評價土地占用的環境影響，可以通過測量生態系統對太陽能的散熱水平來直接評價土地占用的影響程度^[79]。Liu Y.等在LCA框架下，建立了中國土地使用導致的生態系統初級生產力變化模型，該方法中土地使用分土地占用和土地性質改變兩種形式，通過土地使用基本量和參數與評價指數的聯系，利用生態理論分別建立兩種形式對應的特征化公式^[80]。Müller-Wenk R.和Branda～o M.基于植被土壤與大氣間的碳儲存與轉移，研究了土地使用對氣候的影響^[81]。Huijbregts MarkA.J.等應用USES-LCA模型計算攝入人口比例和3393種物質對淡水、海水和陸地環境影響因子，這些物質包括中性有機物、游離有機物和無機物，分為7種不同的排放方式，并得出對空氣、土壤結構的不同劃分導致了新舊兩種模型計算結果的差異^[82]。

VanZelm R.等提出了一種用特征因子表示可吸入顆粒物PM10和臭氧對人體健康的影響評價方法，該特征因子包括攝入因子、影響因子和破壞因子，通過研究PM10、NH₃、NO_x、SO₂和NMVOCs5種歐洲主要空氣污染物變化所引起的歐洲居民傷殘調整壽命指數變化，來表示該特征因子^[83]。Struijs J.則提出用特征因子表示平流層臭氧破壞物質（ODS）所導致的皮膚癌和白內障造成的人的壽命損失，該特征因子采用全球范圍內的膚色、人口密度、平均年齡和壽命期望等身體與社會數據進行動態計算，利用該特征因子在2007年ODS物質排放水平下對人體壽命損失進行計算，所得到的結果高于早期的研究結果^[84]。

3.環境空間特性研究

雖然在ISO 14040和ISO 14044中提出了體現環境空間特性的指導原則，在LCA研究初期也有學者對環境影響的時間和空間特性進行了關注，但由于環境與時空間關系的復雜性，所以后期研究相對較少，特別是能在LCIA方法中體現這種特性的更少。

Potting J.對歐洲地區排放物酸化影響的空間特性進行了比較研究，得出了不同酸化排放物沉積區域的影響指數^[85]。Hertswich E.G.和Mckone T.E.通過對288種排放到空氣、水和土地的污染物的研究，指出這些物質產生的環境影響與其空間范圍和高度存在直接聯系^[86]。Huijbregts M.A.J.等應用USES-LCA暴露模型對污染物在西歐、澳大利亞和美國不同條件下的環境影響進行了比較研究，指出淡水與人體健康的影響指數在不同條件下具有較高的不確定性，這主要是由于不同區域的土壤侵蝕率、淡水面積、農田大小以及地下飲用水的比例不同引起的^[87]。Laner D.采用LCA方法對固體廢棄物填埋處理的長期環境影響進行了研究，指出對于垃圾填埋的LCA評價，忽略時空特性是造成不確定性的主要原因，并在論文中討論了不確定性量化的有關問題^[88]。

4.LCA不確定性和敏感性研究

產品生命周期評價中存在著廣泛的不確定因素，包括產品系統（包括生命周期的各階段）邊界范圍的確定、輸入輸出清單數據的獲取、評價模型的建立或選擇以及各種評價假設等^[89]。生命周期中的不確定性研究是一個熱點領域，雖然已取得了一些研究成果，但仍然是LCA研究中的一個難點問題。

目前的生命周期評價方法對所使用數據有很大依賴性，數據精度決定產品全生命周期評價結果的準確性和可靠性^[90]。關于LCA數據不確定性的研究主要從定性和定量兩個方面進行處理。莫華和張天柱提出了一種DQI與隨機模型相結合的數據質量評價指標系統^[91]。Weidema B.和Wesnaes M.提出了一種對于不精確數據和非代表性數據混雜的清單數據評估過程^[92]。Finnveden G.L.L.討論了經驗法則在LCA不確定性方面的應用^[93]。Benetto E.等提出了模糊集的方法在噪聲影響評價中的應用^[94]。很多學者應用蒙特卡羅方法（Monte Carlo）處理生命周期清單數據的不確定性^[95-97]。

在有關特征化模型中的不確定性研究方面，一部分研究是通過完善特征化模型以降低這種不確定性。例如，Weber C.L.等對碳排放影響中的數據和方法論的不確定性進行了討論^[98]。Rosenbaum R.等通過矩陣方式對環境排放的多途徑影響問題進行了分析^[99]。Hayashi K.等對臭氧層破壞影響模型進行了擴展研究^[100]。

另一部分研究是通過數學和其他方法對評價數據和過程進行處理以減少不確定性。Lloyd S.M.等對LCA特征化過程中的不確定性量化處理方法進行了綜合分析^[101]，包括蒙特卡羅方法、模糊集理論。Benetto E.等基于模糊處理技術提出一種改進的NAIADE方法處理LCA中的不確定性^[102]。Lo S.C.和Bergin M.S.等分別將貝葉斯與蒙特卡羅方法結合起來用以減少LCA的不確定性^[103，104]。

對于方案選擇帶來的不確定性，多數采用概率統計方法、蒙特卡羅方法、貝葉斯方法、重要性分析、回歸分析以及集成方法進行研究^[105-107]。

5.LCA應用研究及軟件工具開發

在LCA理論得到迅速發展的同時，各研究機構和企業紛紛推出LCA軟件及數據庫^[108]。這些軟件和數據庫的出現大大促進了LCA的應用。

清華大學較早在綠色設計支持工具方面進行了研究，提出了生命周期評價系統GDO-LCA軟件^[5]。華中科技大學開發了一種生命周期評價原型系統PLCAPS^[109]，該系統包括產品建模、數據處理、計算和影響評價三個模塊。張智慧等基于生命周期評價理論開發了建筑物環境影響評價系統BEPAS，從建筑設備運行、建筑材料和建筑場地3個方面來研究建筑的環境影響。D.X.開發了一種綠色產品生命周期設計工具GPLCD，將產品的配置管理集成到軟件中，通過葉輪材料的選擇對該軟件進行了驗證^[110]。Her-mann B.G.等集成LCA、多目標分析和環境績效指標，提出了一種新的分析工具COMPLIMENT^[111]，用于商業行為的環境影響評價。

美國能源部、環境保護局等9個部門于2001年發起了U.S.Life-Cycle Inventory Database的項目，旨在建立美國的生命周期清單數據庫及應用平臺^[112]。BareJ.等介紹了美國環境保護部（EPA）基于對48個州、地區數據統計所建立的歸一化數據庫的情況，數據庫中化學數據和其他影響類型數據來自于EPA的評價工具TRACI^[113]。歐洲8個LCA研究機構自2007年開始在歐盟支持下建立統一的歐洲LCA應用平臺^[108]。Aoki R.在文獻^[114]中介紹了LCA技術在日本的研究和應用情況。

在產品數據庫研究方面，劉明周等提出了一種基于工藝配置的產品數據與工藝數據集成管理的方法^[115]。張亞平等將數據分為產品評價數據、產品檔案數據、基礎材料數據和影響評價基礎數據，建立了生命周期評價數據庫系統^[116]。