李小青，龔先政，聶祚仁，王志宏

(北京工業(yè)大學 材料科學與工程學院，北京 100124)

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中國材料生命周期評價數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)庫開發(fā)

李小青，龔先政，聶祚仁，王志宏

(北京工業(yè)大學 材料科學與工程學院，北京 100124)

摘要：作為數(shù)據(jù)密集型方法，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)是開展材料生命周期評價的重要前提，數(shù)據(jù)的可靠性直接影響著材料生命周期評價結(jié)果的可信度和應(yīng)用性能。建設(shè)符合國情的材料生命周期環(huán)境負荷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，是我國開展LCA(Life Cycle Assessment)實踐的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障和技術(shù)支撐。根據(jù)ISO14040系列國際標準，關(guān)于LCA分析的基本框架，從技術(shù)領(lǐng)域、環(huán)境領(lǐng)域和價值領(lǐng)域分析了LCA實踐的數(shù)據(jù)要求和計算需求，建立了各領(lǐng)域?qū)嶓w的數(shù)據(jù)模型及清單數(shù)據(jù)的計算模型，完成了中國材料環(huán)境負荷數(shù)據(jù)庫(Sinocenter 2.0)的總體框架設(shè)計和數(shù)據(jù)庫詳細設(shè)計，并對數(shù)據(jù)庫進行了兼容性分析；進一步簡要介紹了數(shù)據(jù)庫的主要內(nèi)容，并在此基礎(chǔ)上開展了水泥能耗分析、材料生態(tài)設(shè)計等應(yīng)用軟件開發(fā)，以及面向互聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)的LCA數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用研究；探討了材料環(huán)境負荷數(shù)據(jù)庫技術(shù)將來的主要研究內(nèi)容和研究方向。

關(guān)鍵詞：環(huán)境負荷數(shù)據(jù)；生命周期分析；數(shù)據(jù)模型；數(shù)據(jù)庫設(shè)計

1前言

生命周期評價(Life Cycle Assessment， LCA)是一種數(shù)據(jù)密集型方法，需要大量不同層次、不同地區(qū)和不同LCA基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支持。因此，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)是開展材料(產(chǎn)品)生命周期評價的重要前提，數(shù)據(jù)的可靠性直接影響著材料生命周期評價結(jié)果的可信度和應(yīng)用性能[1]。

從LCA方法學的角度，數(shù)據(jù)質(zhì)量方面的研究主要體現(xiàn)為對清單結(jié)果的不確定性分析和對清單數(shù)據(jù)的敏感性分析，辨識出LCA模型中具有高不確定度和高敏感度的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，從而指出控制和改進數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵點。另一方面，在信息技術(shù)領(lǐng)域，可以依靠數(shù)據(jù)庫的完整性約束保證數(shù)據(jù)在描述現(xiàn)實對象時的一致性和正確性。因此，建立可靠的LCA數(shù)據(jù)庫并開發(fā)相應(yīng)的LCA軟件是保證清單數(shù)據(jù)可靠性和質(zhì)量的重要方法，很多國家、研究單位和企業(yè)都在致力于建立專業(yè)的LCA數(shù)據(jù)庫。

由于不同國家和地區(qū)資源分布不平衡、科技水平層次不同以及能源消耗的不對稱，材料(產(chǎn)品)在整個生命周期中對環(huán)境的影響存在很大的差異。國外LCA軟件所依賴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫基本都是基于特定地區(qū)或國家的平均數(shù)據(jù)，并不適合我國的國情。因此，依據(jù)中國國情和地域特點，以及材料生命周期的特點，設(shè)計一個結(jié)構(gòu)合理、效率較高、使用方便，且易擴展的中國材料生命周期評價基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，將在很大程度上提高我國材料LCA應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性和可維護性，對我國LCA實踐的推動意義重大。

2國內(nèi)外研究進展

作為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要方法，許多國家和國際的公開數(shù)據(jù)庫已經(jīng)發(fā)布，比較著名并廣泛應(yīng)用的有瑞士ECOINVENT數(shù)據(jù)庫、瑞典SPINE@CPM數(shù)據(jù)庫、德國Gabi擴展數(shù)據(jù)庫、美國NREL-USLCI數(shù)據(jù)庫、澳大利亞LCI數(shù)據(jù)庫和歐洲生命周期文獻數(shù)據(jù)庫ELCD等[2-5]。

我國在LCA數(shù)據(jù)方面的工作起步于20世紀末期，在“九五”國家“863”計劃的大力支持下，收集、整理了國內(nèi)主要材料產(chǎn)業(yè)(鋼鐵、水泥、鋁、工程塑料、建筑涂料和陶瓷等)的第一手環(huán)境負荷數(shù)據(jù)，并在北京工業(yè)大學建立了材料環(huán)境協(xié)調(diào)性評價基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(SinoCenter)平臺[6-9]。在持續(xù)的“863”計劃、“973”計劃、國家支撐計劃和北京自然科技基金的支持下，經(jīng)過十幾年的不懈努力和發(fā)展，該數(shù)據(jù)庫已具有較大的規(guī)模，積累材料生命周期分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)近12萬條，并在技術(shù)和商業(yè)上開展了具體的應(yīng)用。此外，中國標準化研究院、四川大學[10]以及上海環(huán)翼環(huán)境科技有限公司等開展了數(shù)據(jù)庫方面的工作。目前國內(nèi)專業(yè)LCA軟件工具的開發(fā)和應(yīng)用還不成熟，相關(guān)研究和實際應(yīng)用中使用較多的是荷蘭的SimaPro和德國的Gabi。文獻[11]和[12]分別通過案例對這兩種軟件的性能進行了比對。

對于LCA研究者和實踐者，在實際應(yīng)用中往往只能得到一部分數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)由于多種原因無法得到。對于LCA的數(shù)據(jù)缺失問題，文獻[13]通過分析產(chǎn)品生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用低秩矩陣的補全技術(shù)，提出一種生命周期分析和投入產(chǎn)出分析的非負矩陣補全模型，并將該模型和相應(yīng)的算法應(yīng)用于Econivent數(shù)據(jù)庫中，補全生命周期評價中的缺失數(shù)據(jù)。

3材料生命周期評價數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫設(shè)計是指對于一個給定的應(yīng)用環(huán)境，構(gòu)造最優(yōu)的數(shù)據(jù)庫模式，建立數(shù)據(jù)庫使之能夠有效地存儲數(shù)據(jù)，滿足各種用戶的應(yīng)用需求。數(shù)據(jù)模型是一種形式化描述數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)之間聯(lián)系以及有關(guān)語義約束的方法，是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中用以提供信息表示和操作手段的形式框架。它包括能精確描述系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)、動態(tài)結(jié)構(gòu)和完整性約束3部分。數(shù)據(jù)庫按數(shù)據(jù)模型的特點分為層次數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫和面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫幾種。材料生命周期評價數(shù)據(jù)庫通過應(yīng)用當前理論最成熟、應(yīng)用最廣泛的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫技術(shù)，提出一套符合材料生命周期特點的數(shù)據(jù)庫建設(shè)方法體系。

數(shù)據(jù)庫的設(shè)計過程分為建立數(shù)據(jù)庫概念模型和生成數(shù)據(jù)庫物理模型兩個階段，前者將現(xiàn)實世界中的實體映射成數(shù)據(jù)庫概念模型，后者再根據(jù)數(shù)據(jù)庫概念模型生成具體RDBMS支持的數(shù)據(jù)庫物理模型。依據(jù)數(shù)據(jù)庫設(shè)計規(guī)范化理論的指導(dǎo)，數(shù)據(jù)庫模型滿足第三范式，從數(shù)據(jù)庫設(shè)計的角度消除存儲異常，減少數(shù)據(jù)冗余，保證數(shù)據(jù)操作的高效率。

3.1材料生命周期評價數(shù)據(jù)模型分析

完成一個產(chǎn)品的全生命周期評價需要3方面的信息，即在不同空間和時間體系上的技術(shù)領(lǐng)域的信息、環(huán)境領(lǐng)域的信息和價值領(lǐng)域的信息。同時，還需要建立清單編制的計算模型和LCI數(shù)據(jù)的不確定性分析框架。

3.1.1技術(shù)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)模型

(1)過程與中間流

過程與中間流是LCA研究的核心概念與關(guān)鍵模型，LCA系統(tǒng)可以抽象為過程，而過程的內(nèi)容體現(xiàn)為流的交換，過程和中間流之間通過輸入輸出和所屬關(guān)系相互關(guān)聯(lián)，其概念模型如圖1所示。

圖1　過程和中間流的概念模型Fig.1　The conceptual model of the process and intermediate flows

(2)產(chǎn)品系統(tǒng)

圖2給出了產(chǎn)品系統(tǒng)的概念模型。產(chǎn)品系統(tǒng)是通過物質(zhì)和能量聯(lián)系起來的，具有一種或多種特定功能的單元過程的集合。為了便于描述，將代表產(chǎn)品的實體記為計劃。為了說明產(chǎn)品系統(tǒng)的層次性，需進一步抽象出過程連接實體，用于描述過程所屬的計劃以及過程間產(chǎn)生聯(lián)系的中間流，從而體現(xiàn)各個過程如何通過一定的關(guān)系組成層次結(jié)構(gòu)。同一個產(chǎn)品系統(tǒng)的所有過程是相互聯(lián)系在一起的，通過對所有過程連接實體進行追蹤，就可以將產(chǎn)品系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)描述出來[14]。

圖2　產(chǎn)品系統(tǒng)的概念模型Fig.2　The conceptual model of the product system

在LCA實踐中，首先對研究對象進行產(chǎn)品系統(tǒng)建模，然后根據(jù)模型進行基于過程的實際流的平衡計算，通常采用自上而下、自下而上或從選定基點開始兩端同時計算，但每種方法都必須使整個產(chǎn)品系統(tǒng)的物質(zhì)平衡保持穩(wěn)定性和確定性。因此，所有的計算必須以唯一特定的中間流為參考基準，計算其他的物質(zhì)流和能量流，才能保證整個系統(tǒng)的平衡特性，該參考中間流就是基準流。

(3)分配

當某過程擁有多產(chǎn)品的輸出流時，則需考慮資源和排放物質(zhì)在不同產(chǎn)品間的分配。無論根據(jù)經(jīng)濟價值或質(zhì)量分配都必須提供具體比率，以決定資源和排放物在不同的產(chǎn)品中的數(shù)量比例。因此分配也是客觀存在的一個實體。對于不同的體系，同樣物質(zhì)的分配關(guān)系有所不同，分配方法只依賴于所選取的系統(tǒng)。分配的數(shù)據(jù)模型如圖3所示。

圖3　分配的概念模型Fig.3　The conceptual model of allocations

(4)基礎(chǔ)流

基礎(chǔ)流是組成客觀世界的實體，不依賴于產(chǎn)品系統(tǒng)中數(shù)據(jù)中間流而存在，而是中間流的具體內(nèi)容?；A(chǔ)流包括各種具體的物質(zhì)，如材料、產(chǎn)品、能源形式、資源和排放等。為了便于在數(shù)據(jù)庫中調(diào)用特定的基礎(chǔ)流，需要對基礎(chǔ)流進行分類，如基礎(chǔ)流所屬的分類是原材料、排放物還是能源物質(zhì)等，從而構(gòu)成數(shù)據(jù)庫中物質(zhì)的命名系統(tǒng)。每一個基礎(chǔ)流都有自己的詳細信息，為避免數(shù)據(jù)冗余，抽象出流信息實體用來描述基礎(chǔ)流的化學公式、數(shù)據(jù)收集地點、屬性等信息。基礎(chǔ)流的數(shù)據(jù)模型如圖4所示。

圖4　基礎(chǔ)流的概念模型Fig.4　The conceptual model of the basis flows

在技術(shù)領(lǐng)域中，除了上述概念模型，單位以及管理信息相關(guān)實體也是數(shù)據(jù)庫概念模型設(shè)計階段的重要組成，其概念模型的分析與構(gòu)建過程類似。

3.1.2環(huán)境領(lǐng)域的數(shù)據(jù)模型

LCA中環(huán)境是指研究對象邊界外的自然環(huán)境系統(tǒng)，通常表示一個較小空間區(qū)域。當研究對象的流穿越系統(tǒng)邊界進入自然環(huán)境系統(tǒng)時，將產(chǎn)生潛在的環(huán)境影響，環(huán)境影響的性質(zhì)則取決于環(huán)境的性質(zhì)(如環(huán)境容量)，影響效果則體現(xiàn)為環(huán)境的特定性質(zhì)變化。因此，環(huán)境領(lǐng)域的數(shù)據(jù)指人類活動發(fā)生的地理區(qū)間及其所影響的環(huán)境類型，其主要實體是地理信息和環(huán)境。地區(qū)和環(huán)境作為環(huán)境領(lǐng)域的實體，與技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)流和過程有直接聯(lián)系。

LCA方法將人類活動對環(huán)境的影響分為典型的幾類，稱為影響分類，通常包括資源耗竭、人類健康影響和生態(tài)影響3大類。根據(jù)不同的評價方法，每一大類下又包含有許多小類，如ReCiPe方法中生態(tài)影響下又包含有全球變暖、臭氧層破壞、酸雨和富營養(yǎng)化等。特征化用來衡量相同數(shù)量的不同基礎(chǔ)流對同一相關(guān)影響分類的貢獻大小。LCA方法的數(shù)據(jù)模型如圖5所示。

圖5　LCA方法的概念模型Fig.5　The conceptual model of LCA methods

3.1.3價值領(lǐng)域的數(shù)據(jù)

價值領(lǐng)域通常屬于社會體系的范疇，是社會價值體系取向的一種表現(xiàn)。生命周期分析過程中，無論是在影響評價過程中的影響模型的建立，還是在標準化和權(quán)重分析時對影響類型的重要性判斷，都依賴于執(zhí)行者的個體經(jīng)驗，即執(zhí)行者的社會價值取向。此外，價值體系還決定了LCA 執(zhí)行者如何從技術(shù)領(lǐng)域和環(huán)境領(lǐng)域選取所需要的數(shù)據(jù)。

3.1.4清單編制的計算模型

對于材料的生命周期，一般包含多個相互聯(lián)系的單元過程，而且每個單元過程存在大量的輸入和輸出，正確建立計算模型是開展清單分析的基礎(chǔ)。清單分析方法基于不同的計算模型，具有多種計算與數(shù)據(jù)處理方式，主要有基于流程圖的矩陣分析算法、基于輸入—輸出表的分析方法和混合清單分析方法，本研究采用當前清單編制最常用的矩陣法，具體計算模型見文獻[15]。

目標管理是進行任何一項管理工作的基本方法和手段，成本控制也應(yīng)遵循這一原則，即目標設(shè)定、分解、責任到位和成本執(zhí)行結(jié)果、評價和目標修正，從而形成目標管理的計劃、實施、檢查、處理的循環(huán).在實施目標管理過程中，目標的設(shè)定應(yīng)切合實際，更落實到各部門、班組甚至個人；目標責任應(yīng)全面，既有工作責任，更有成本責任[3].

3.1.5LCI數(shù)據(jù)的不確定性分析框架[16]

不確定性分析用來判定與量化由于輸入的不確定性和數(shù)據(jù)變動的累積給LCI結(jié)果帶來的不確定性的系統(tǒng)化程序。我國目前LCI研究的數(shù)據(jù)來源主要為公開發(fā)表的統(tǒng)計資料，無從判定與量化輸入的不確定性。因此，對于LCI數(shù)據(jù)的收集者來說，積累特定現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計信息，對不確定性分析有著重要作用。目前，大多根據(jù)文獻中推薦的方法來估計常見數(shù)據(jù)類型的不確定性，主要方法有：利用高斯誤差傳遞公式計算的誤差傳遞算法；基于概率分布的隨機模擬方法；基于區(qū)間表述的區(qū)間算法和基于模糊數(shù)學表述的模糊集算法等，其中隨機模擬方法是應(yīng)用最為廣泛的方法，其基本分析框架見圖6。

圖6　LCI數(shù)據(jù)的不確定性分析框架Fig.6　The uncertainty analysis framework of LCI data

3.2材料生命周期評價數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)

3.2.1數(shù)據(jù)庫總體結(jié)構(gòu)

生命周期評價數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是一個復(fù)雜而龐大的應(yīng)用系統(tǒng)，為了維護系統(tǒng)的完整性與一致性，必須對一些基本的對象進行規(guī)范化，通常這些對象是數(shù)據(jù)庫中的最基本的數(shù)據(jù)，如基礎(chǔ)流、單位、地點和分類信息等。因此，數(shù)據(jù)庫總體框架分為基本數(shù)據(jù)集、標準數(shù)據(jù)集和應(yīng)用數(shù)據(jù)集3部分。基本數(shù)據(jù)集和標準數(shù)據(jù)集為應(yīng)用數(shù)據(jù)集的建立提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考標準，從而保證數(shù)據(jù)的一致性和可追溯性，同時使數(shù)據(jù)庫具有良好的兼容性、可擴展性和易維護性。數(shù)據(jù)庫整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　數(shù)據(jù)庫總體結(jié)構(gòu)Fig.7　The structure of database

基本數(shù)據(jù)集包括基礎(chǔ)流、單位、地點和分類等實體，存放整個數(shù)據(jù)庫體系中所用物質(zhì)的相關(guān)信息數(shù)據(jù)、各種度量單位及相應(yīng)換算關(guān)系、地理信息數(shù)據(jù)以及分類信息數(shù)據(jù)。

應(yīng)用數(shù)據(jù)集包括管理信息庫、產(chǎn)品系統(tǒng)庫、評價方法庫3部分。管理信息庫主要存儲項目相關(guān)的管理及建模驗證等數(shù)據(jù)，以及LCA實踐中各數(shù)據(jù)來源及其特性的描述，以增加數(shù)據(jù)透明性。產(chǎn)品系統(tǒng)庫中存儲LCA實踐的核心數(shù)據(jù)，包括計劃、過程和中間流等。LCA方法數(shù)據(jù)庫中存儲評價方法及對應(yīng)評價指標體系數(shù)據(jù)。

參考標準數(shù)據(jù)集主要存儲國內(nèi)相關(guān)企業(yè)、行業(yè)和國家環(huán)境標準及指標體系數(shù)據(jù)信息。

數(shù)據(jù)庫平臺需要能夠滿足數(shù)據(jù)收集和查詢等基于Web的網(wǎng)絡(luò)操作需求。目前比較流行的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平臺主要有Oracle、MySQL、DB2以及SQL Server等。Oracle和DB2在大型的商業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用，對于多并發(fā)的大數(shù)據(jù)量事務(wù)處理應(yīng)用，具有很高的穩(wěn)定性和較快的響應(yīng)速度，且具有跨平臺的優(yōu)點，但價格昂貴。MySQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以運行在當前主流操作系統(tǒng)上，且代碼開源，體積小、速度快，在許多中小型網(wǎng)站中得到廣泛應(yīng)用，但安全性較差。SQL Server的優(yōu)勢在于與Windows操作系統(tǒng)具有良好的兼容性，已成為Windows平臺下性能最佳的數(shù)據(jù)庫，性價比較高，且可以擴展到TB級的數(shù)據(jù)庫，能輕松處理千萬級以下的數(shù)據(jù)量。結(jié)合具體需求，本研究選擇SQL Server 2008企業(yè)版作為建立LCA基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)平臺。

3.2.3數(shù)據(jù)庫物理模型生成

數(shù)據(jù)庫物理模型中各實體屬性的建立主要參考ISO14048標準及國際主流EcoSpold02和ILCD數(shù)據(jù)格式，以保證和其他LCA數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的兼容性。

基本數(shù)據(jù)集中各實體是最基本的引用數(shù)據(jù)，被過程、數(shù)據(jù)中間流以及評價方法所引用和參考。產(chǎn)品系統(tǒng)庫是LCA數(shù)據(jù)庫的核心，是進行材料(產(chǎn)品)全生命周期評價的直接數(shù)據(jù)。圖8是根據(jù)概念模型建立起來的基于SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)集和產(chǎn)品系統(tǒng)庫的物理模型圖。

圖8　產(chǎn)品系統(tǒng)的物理數(shù)據(jù)模型Fig.8　The physical data model of the product system

管理信息庫、評價方法庫及標準數(shù)據(jù)集等數(shù)據(jù)庫物理模型的建立方法類似。

3.2.4數(shù)據(jù)庫兼容性分析

國際上，對于LCA數(shù)據(jù)集的研究與開發(fā)，一般遵從ISO14040系列標準的要求，尤其是ISO14048環(huán)境負荷數(shù)據(jù)報告的格式，但在技術(shù)實現(xiàn)上存在較大的差異。目前，Ecoinvent數(shù)據(jù)庫的EcoSpold以及ELCD數(shù)據(jù)庫的ILCD格式得到了廣泛的應(yīng)用，絕大多數(shù)LCA軟件工具和數(shù)據(jù)庫都支持這兩種格式的LCA數(shù)據(jù)交換。

為了實現(xiàn)Sinocenter 2.0數(shù)據(jù)庫與其他LCA數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)交換，材料LCA數(shù)據(jù)庫SinoCenter 2.0中的數(shù)據(jù)格式設(shè)計時參考了ISO14048標準數(shù)據(jù)文件格式以及ILCD格式，和Ecoinvent 3.0中使用的最新的EcoSpold02版數(shù)據(jù)格式，通過對詳細數(shù)據(jù)字段的分析和比對可以發(fā)現(xiàn)，SinoCenter 2.0數(shù)據(jù)庫與國際上當前主流的數(shù)據(jù)庫具有良好的兼容性，可以完全兼容其主要數(shù)據(jù)，通過設(shè)計接口程序便可以實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)庫間數(shù)據(jù)的交換。

3.3生態(tài)設(shè)計數(shù)據(jù)庫

材料的生態(tài)設(shè)計是將環(huán)境因素納入到材料設(shè)計過程之中，在材料生命周期的各個環(huán)節(jié)考慮其可能產(chǎn)生的環(huán)境負荷，通過改進設(shè)計將材料生命周期的環(huán)境影響降到最小程度。從生態(tài)設(shè)計角度來看，材料環(huán)境負荷數(shù)據(jù)還遠不能滿足材料生態(tài)設(shè)計的要求，還需要大量材料性能、工藝技術(shù)、事實規(guī)則、設(shè)備、使用等，全方位、多尺度的數(shù)據(jù)和分析工具等綜合平臺的支持。因次，在Sinocenter 2.0中擴展材料性能和經(jīng)濟成本數(shù)據(jù)集，為材料的生態(tài)設(shè)計提供相應(yīng)的材料性能和成本方面的信息。

4材料LCA數(shù)據(jù)庫的主要內(nèi)容及應(yīng)用開發(fā)

4.1單元過程清單數(shù)據(jù)的收集

對于材料(產(chǎn)品)的環(huán)境負荷數(shù)據(jù)，一般按照生產(chǎn)過程劃分為單元過程，然后各單元過程按定義的功能單元，進行資源和能源輸入和相應(yīng)的輸出及環(huán)境排放數(shù)據(jù)的收集和管理。數(shù)據(jù)源自于大量的調(diào)研數(shù)據(jù)、公開出版的各類統(tǒng)計年鑒和計算數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)集的入庫過程中，嚴格按照ISO14040系列要求進行數(shù)據(jù)的審核、分類與計算，并按照一定的功能單元進行數(shù)據(jù)的存儲，主要信息為功能單元的定義、數(shù)據(jù)質(zhì)量信息、環(huán)境負荷信息(資源消耗、能源消耗、空氣排放、水體排放和固體廢棄物)。對于公用領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，如電力生產(chǎn)環(huán)境負荷數(shù)據(jù)、交通運輸環(huán)境負荷數(shù)據(jù)，則定義為相對獨立的環(huán)境負荷數(shù)據(jù)集，并重點說明數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)質(zhì)量信息。

4.2主要數(shù)據(jù)集

目前，材料LCA數(shù)據(jù)庫中涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)近12萬余條，內(nèi)容涉及68類材料及過程清單，如電力產(chǎn)品清單[17-19]、化石能源產(chǎn)品清單[20-22]、交通運輸清單[23-24]、鋼鐵材料清單[25-26]、建筑材料清單[27-30]、有色金屬編目清單[31-34]、高分子材料清單[35-37]、聯(lián)接材料編目清單等[38]。

評價方法庫中選擇性的分析了目前廣泛使用的LCA評價方法的特點，主要包括Eco-indicator 99、CML、IPCC等評價體系，并重點對CML、Eco-indicator 99指標體系，進行了本地化研究，結(jié)合我國的資源特點，建立了42種金屬礦產(chǎn)和58種非金屬礦產(chǎn)的本地化資源損害因子、歸一化因子。同時，基于我國土地資源狀況，建立了不同土地使用與轉(zhuǎn)換的土地資源損害因子和歸一化因子。詳細的環(huán)境負荷數(shù)據(jù)集種類及數(shù)據(jù)來源見表1。

表1　材料生命周期環(huán)境負荷數(shù)據(jù)集

此外，引進了國外著名LCA環(huán)境負荷數(shù)據(jù)庫，如Simapro、Umberto、Gabi、DEAM、IVAM和Ecoinvent，主要涉及日用品、造紙、鋼鐵、石化、有機(無機)料、能源、運輸和電子產(chǎn)品等方面的環(huán)境負荷數(shù)據(jù)，它們也是材料LCA數(shù)據(jù)庫的重要組成部分，為開展我國材料(產(chǎn)品的)LCA比較研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，特別是對Ecoinvent數(shù)據(jù)庫關(guān)鍵內(nèi)容進行了本地化的對比研究與開發(fā)。

4.3數(shù)據(jù)庫應(yīng)用軟件開發(fā)

基于建立的材料環(huán)境負荷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，集成北京工業(yè)大學LCA研究團隊的十多年來在模型、方法和指標體系方面的大量科研成果，如礦產(chǎn)資源耗竭特征化模型、土地使用環(huán)境影響特征化模型、材料生產(chǎn)流程能質(zhì)的模型、材料生產(chǎn)多工序過程的物質(zhì)流(資源、能源和廢棄物)的環(huán)境負荷累積模型，針對典型材料行業(yè)節(jié)能減排和生態(tài)設(shè)計的實際情況，開發(fā)了相應(yīng)需求和應(yīng)用的軟件工具包，如《水泥產(chǎn)品生命周期能耗分析系統(tǒng)(2013SR038488)》、《材料生命周期能耗分析軟件(2010SRBJ1357)》、《復(fù)合水泥生態(tài)生態(tài)設(shè)計軟件(2007SRBJ2464)》等，幫助企業(yè)辨識產(chǎn)品生命周期中的能耗“熱點”，從而找到改善產(chǎn)品生產(chǎn)階段能效的有效途徑，為企業(yè)開展節(jié)能減排與產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計提供數(shù)據(jù)與方法支持，用于典型建材、鎂等材料生產(chǎn)環(huán)境負荷評價與管理、節(jié)能減排技術(shù)方案優(yōu)選，以及區(qū)域及行業(yè)布局調(diào)整等，企業(yè)應(yīng)用節(jié)能減排效果明顯。

4.4面向互聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)的應(yīng)用開發(fā)

在面向互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)方面，材料(產(chǎn)品)全生命周期環(huán)境負荷評價數(shù)據(jù)已成為“國家材料科學數(shù)據(jù)共享網(wǎng)”的節(jié)點之一：材料環(huán)境負荷數(shù)據(jù)共享資源節(jié)點。在該數(shù)據(jù)平臺上，可實現(xiàn)基于材料種類、生產(chǎn)規(guī)模和時間范圍等查詢條件的分類查詢，檢索網(wǎng)址：http://cnmlca.bjut.edu.cn。該數(shù)據(jù)平臺采用安全性較高的ASPX網(wǎng)站開發(fā)技術(shù)，用戶通過Web注冊與認證后，根據(jù)授權(quán)模式的差異，進行共享資源訪問和授權(quán)資源訪問。

此外，大數(shù)據(jù)在零售行業(yè)中已經(jīng)發(fā)揮了舉足輕重的作用，材料產(chǎn)業(yè)也是如此，不管是國家提出的中國制造2025，還是工業(yè)4.0，實現(xiàn)材料大國向材料強國的邁進，都需要分析和考慮如何在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，實現(xiàn)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)模式的創(chuàng)新與重塑。鑒于以上需求，本課題組開發(fā)和部署了大數(shù)據(jù)環(huán)境下的材料環(huán)境負荷數(shù)據(jù)采集軟件，正在研究開發(fā)基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的中國材料生命周期數(shù)據(jù)管理平臺，同時發(fā)展適合材料領(lǐng)域的新型數(shù)據(jù)挖掘方法。

5結(jié)語

中國生命周期清單數(shù)據(jù)庫的建立和應(yīng)用，為我國節(jié)能減排、碳排放(碳足跡)分析、清潔生產(chǎn)審計等提供了科學、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。同時，大數(shù)據(jù)在材料行業(yè)的運用與發(fā)展也面臨一些困難，總體來講，搜尋行業(yè)數(shù)據(jù)還比較困難，相關(guān)信息的自由流通還存在很大的阻礙，甚至相關(guān)信息的統(tǒng)計還有不準確的情況出現(xiàn)。

我國生態(tài)設(shè)計與生命周期評價數(shù)據(jù)庫的發(fā)展方向主要包括以下3方面：首先是對數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)質(zhì)量保證等相關(guān)技術(shù)的進一步研究，為數(shù)據(jù)庫更新與擴展提供技術(shù)保障；其次需要進一步研究數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)的擴展方法，以支持動態(tài)生命周期評價；最后是在材料基因組理念的指導(dǎo)下，篩選并建立材料環(huán)境負荷基因組，研究材料的結(jié)構(gòu)-性能-環(huán)境友好性之間潛在的深層次關(guān)系。

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(編輯蓋少飛)

Data Model and Database Development forMaterials Life Cycle Assessment in China

LI Xiaoqing，GONG Xianzheng，NIE Zuoren，WANG Zhihong

(College of Materials Science and Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Abstract：As the data intensive method, high quality environmental burden data is an important premise of carrying out materials life cycle assessment, and the reliability of data directly influences the reliability of the life cycle assessment results and its application performance. Therefore, building Chinese LCA database is the basic data needs and technical supports for carrying out and improving LCA practice. Firstly, according to requirement of ISO14040 series standards, the data request and computation demand were studied from the scope of technique, environment and value fields, together with the detailed analysis and systemic abstract of LCA process, finally related models for LCA practice were developed. Based on the built models and the analysis of LCA database structure, functional assign and application demand, the general framework of Chinese LCA database named Sinocenter 2.0 had been accomplished, the detailed design of database was also achieved, the compatibility of Sinocenter 2.0 with the Ecoinvent database and ISO14048 standard was analyzed. Secondly, the main contents of the database were briefly introduced, and the application software of cement energy consumption analysis and materials ecodesign were developed. Then the applied researches orient to internet and big data technology were promoted. Finally, the future research works were proposed and discussed.

Key words：environmental loads data; life cycle assessment; data model; database design

中圖分類號：X828

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3962(2016)03-0171-08

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.03.02

通訊作者：龔先政，男，1967年生，教授，Email:gongxianzheng@bjut.edu.cn

基金項目：國家863計劃(2007AA03Z432,2013AA031602)；國家973計劃(2007CB613206)；國家支撐計劃(2007BAE42B05, 2011BAJ04B06, 2011BAC04B06, 2011BAB02B04);北京市重點基金(2081001, 2141001)；國家自然科學基金(51304009)

收稿日期：2015-09-24

第一作者：李小青，女，1983年生，助理研究員