彭 鑫，李方義，王黎明，王 耿，李 龍，孔 琳，馬 艷

(山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 機(jī)械工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山東 濟(jì)南 250061)

1 問題的提出

全球氣候變暖是當(dāng)前人類社會(huì)面對的嚴(yán)峻問題，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)第五次綜合報(bào)告[1]指出，1900年至今，全球平均氣溫上升約1.3 ℃，2100年預(yù)計(jì)將上升2.0 ℃～4.5 ℃。由于人類活動(dòng)所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)氣體(GHGs)濃度已達(dá)391 ppm，比有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以來的最高值仍高出約30%之多[2]。根據(jù)國際能源署(International Energy Agency, IEA)[3]與荷蘭環(huán)境評估署(Netherlands Environmental Assessment Agency, NEAA)[4]公布的最新報(bào)告顯示，中國全年碳排放總量高達(dá)90.407億噸，快速發(fā)展的工業(yè)占比達(dá)到31%，相較于俄羅斯(18%)、歐盟(12%)、美國(8%)存在一定差距，降低碳排放已經(jīng)成為工業(yè)重要發(fā)展目標(biāo)。從《京都議定書》、《哥本哈根協(xié)議》到《巴黎協(xié)定》[5-7]的簽署，代表著中國對控制碳排放量的決心，同時(shí)也給低碳工業(yè)帶來前所未有的挑戰(zhàn)。因此，實(shí)施低碳、清潔、綠色、可持續(xù)發(fā)展的新型生態(tài)化工業(yè)模式，成為推動(dòng)工業(yè)產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級的必由之路。

作為工業(yè)活動(dòng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)包括產(chǎn)品規(guī)劃、概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)到原型試制、樣件測試及批量生產(chǎn)[8-9]，設(shè)計(jì)過程的多個(gè)階段均對工業(yè)碳排放形勢有嚴(yán)峻影響。以碳排放為指標(biāo)能夠顯著量化產(chǎn)品設(shè)計(jì)潛在的溫室效應(yīng)影響，并可用于識別設(shè)計(jì)過程中的突出環(huán)節(jié)，因此如何在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法中注重低碳設(shè)計(jì)優(yōu)化，最大程度提升設(shè)計(jì)的低碳可持續(xù)性，使產(chǎn)品更符合低碳生態(tài)的要求[10-12]，已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。

產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)指在保證應(yīng)有的功能、質(zhì)量等的前提下，從設(shè)計(jì)源頭將低碳性引入產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程[13-16]，強(qiáng)調(diào)以碳排放減量化(包括CO2，CH4，N2O，HFCs，PFCs，SF6等溫室氣體)為目標(biāo)，在原材料獲取、產(chǎn)品生產(chǎn)制造、使用維護(hù)、報(bào)廢回收全生命周期中實(shí)現(xiàn)碳排放減緩與控制，強(qiáng)調(diào)低負(fù)荷、再利用和易循環(huán)的生態(tài)平衡設(shè)計(jì)思想。

目前國內(nèi)外學(xué)者對產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)的研究涉及產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)方法研究、產(chǎn)品碳足跡建模與評估、產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)優(yōu)化3個(gè)大類[17]，且彼此存在關(guān)聯(lián)，其中，設(shè)計(jì)方法作為研究基礎(chǔ)對產(chǎn)品低碳性、創(chuàng)造性和設(shè)計(jì)效率有著重要影響。研究內(nèi)容集中于低碳設(shè)計(jì)信息模型建立、低碳設(shè)計(jì)技術(shù)研究等方面[18-23]，由于對低碳設(shè)計(jì)的相關(guān)研究正處于發(fā)展早期，產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生命周期碳足跡關(guān)聯(lián)關(guān)系較為復(fù)雜，仍需要對低碳設(shè)計(jì)方法拓展規(guī)律、知識分類體系、多元決策優(yōu)化和跨域映射機(jī)理等關(guān)鍵科學(xué)問題進(jìn)行深入研究。

如圖1所示，產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)方法研究框架由產(chǎn)品設(shè)計(jì)基礎(chǔ)流程、設(shè)計(jì)方法分類體系、低碳設(shè)計(jì)知識庫及支持工具構(gòu)成。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程中，概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的方法決策對碳排放影響更為顯著，因此本文以設(shè)計(jì)過程碳排放減量化方法研究為目標(biāo)，重點(diǎn)從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段適用的低碳設(shè)計(jì)方法、低碳優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、低碳設(shè)計(jì)知識庫及工具研究4方面對當(dāng)前熱點(diǎn)問題進(jìn)行綜述，針對產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)方法的最新研究趨勢，總結(jié)提出需要關(guān)注的前沿方向。

2 概念設(shè)計(jì)階段的低碳設(shè)計(jì)方法

產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)是以設(shè)計(jì)需求為導(dǎo)向，通過建立功能行為關(guān)聯(lián)尋找正確的組合機(jī)理，確定基本求解途徑，生成設(shè)計(jì)方案的過程。該階段對產(chǎn)品技術(shù)性能、工程成本、環(huán)境指標(biāo)影響最大，設(shè)計(jì)方案生成主要受產(chǎn)品的基本形質(zhì)特征和材料選擇影響[24-25]。

2.1 材料選擇

材料是低碳設(shè)計(jì)與低碳制造的基礎(chǔ)，材料的碳排放強(qiáng)度對產(chǎn)品的低碳性能具有顯著影響。因此，在設(shè)計(jì)階段合理選擇與使用低碳材料，對產(chǎn)品最終的低碳性意義重大[26]，在保證一定機(jī)械性能條件下，耐久性材料、易回收、可再制備的材料和新型復(fù)合材料應(yīng)當(dāng)是替代的首選[20,27-28]。Zarandi等[29]提出一種基于生態(tài)設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)＜抑R，將知識轉(zhuǎn)化為決策規(guī)則和決策樹的模型，以支持指導(dǎo)低碳設(shè)計(jì)材料選擇的初步篩選;Albinana等[30]建立了一種用于概念設(shè)計(jì)階段的材料集成優(yōu)選框架模型;Sakundarini等[31]提出輕量化多元材料選擇模型;Lewis等[32]利用離散數(shù)據(jù)行為預(yù)測模型尋找設(shè)計(jì)空間最優(yōu)材料方案，而且材料優(yōu)選過程中應(yīng)考慮區(qū)域差異性。Yoshizaki等[33]指出，即使設(shè)計(jì)中同種產(chǎn)品使用相同的零部件，其所產(chǎn)生的溫室氣體濃度水平也會(huì)因材料生產(chǎn)區(qū)域不同而有所差異;Zhang等[34]利用自適應(yīng)算法求解液壓滑塊材料與結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化模型，以支持復(fù)雜產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)過程中材料的選擇往往會(huì)影響到系統(tǒng)能量流動(dòng)，能量是生產(chǎn)活動(dòng)的基礎(chǔ)并維持活動(dòng)的穩(wěn)定性。由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程相互關(guān)聯(lián)，在設(shè)計(jì)中更加積極地思考潛在關(guān)聯(lián)的能量流動(dòng)具有重要意義[35-37]。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)源頭考慮降低材料在生產(chǎn)過程中可能需要的高能耗工藝，并使用低碳材料酌情替代[28]，是產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)的要素之一。譬如，某些需要鑄造、鍛造、焊接、熱處理、表面處理的材料往往耗能較高，其將產(chǎn)生較嚴(yán)重的環(huán)境影響。此外，設(shè)計(jì)中依據(jù)具體情況靈活選用易于設(shè)備加工制造的材料能夠降低整個(gè)生命周期的碳排放，Alkadi[38]運(yùn)用面向產(chǎn)品生命周期的設(shè)計(jì) (Design for X, DfX)思想對生產(chǎn)活動(dòng)的能源需求設(shè)計(jì)了決策模型，為材料低碳化提供了可行的思路。

從全生命周期角度來看，設(shè)計(jì)過程中合理選擇低碳材料往往會(huì)對系統(tǒng)物質(zhì)流、能量流產(chǎn)生一定影響，需要重點(diǎn)考慮。

2.2 基本設(shè)計(jì)特征建模

面向低碳設(shè)計(jì)的特征建模方法用于表達(dá)產(chǎn)品基本形質(zhì)信息，可使產(chǎn)品設(shè)計(jì)在其全生命周期內(nèi)具有較好的信息篩選與傳遞性[39]。因此，作為設(shè)計(jì)過程各種信息載體的設(shè)計(jì)特征，例如基本幾何特征、形狀特征、約束特征、拓?fù)涮卣鞯扰c碳足跡關(guān)聯(lián)關(guān)系研究，能夠?qū)Ξa(chǎn)品設(shè)計(jì)方案進(jìn)行碳排放初步評估并提供設(shè)計(jì)改進(jìn)。因此，與碳足跡相關(guān)聯(lián)的特征模型建立、特征識別、特征映射等問題成為研究重點(diǎn)， Gaha等[40]研究了設(shè)計(jì)特征中涵蓋的工程約束、公差、材料等與環(huán)境影響關(guān)聯(lián)的關(guān)系;Nian[41]研究了光伏系統(tǒng)設(shè)備制造過程中碳排放與其設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)問題;Cao等[42]分析了機(jī)床生命周期碳排放特征，提出固定碳排放與可變碳排放，并證明了輕量化設(shè)計(jì)與可再制造設(shè)計(jì)可減少固定碳排放，能效與需求匹配可減少變動(dòng)碳排放。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards Technology, NIST)通過將機(jī)械公差原則引入到碳權(quán)重的計(jì)算中，引入“碳權(quán)重公差(Carbon Weight Tolerance Approach, CWTA)”概念，運(yùn)用設(shè)計(jì)原理、公差分析和公差積累等原則支持碳權(quán)重分析[43]。另外，因?yàn)樵O(shè)計(jì)特征的變化會(huì)影響制造工藝、拆卸裝配操作和回收方式，所以通過幾何形狀優(yōu)化研究[44-45]和基礎(chǔ)尺寸優(yōu)化研究[46]等實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的低碳降耗成為關(guān)鍵。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案中設(shè)計(jì)特征組成的多樣性和產(chǎn)品生命周期信息的不確定性，使得設(shè)計(jì)初期階段的設(shè)計(jì)參數(shù)與碳足跡難以關(guān)聯(lián)和量化，系統(tǒng)性地考慮設(shè)計(jì)初期產(chǎn)品全生命周期環(huán)境問題(3R原則)，即可回收性(recycling)[47-48]、可再制造性(remanufacturing)[49-50]和可再生性(reuse)[51-52]存在一定難度，目前大多仍依賴于產(chǎn)品設(shè)計(jì)師積累的知識與經(jīng)驗(yàn)[53-57]，已經(jīng)成為該領(lǐng)域研究中的瓶頸問題。

Fukushige等[51]提出一種在設(shè)計(jì)初期通過描述生命周期場景來支持設(shè)計(jì)人員確定產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)策略的認(rèn)知設(shè)計(jì)模型；He等[53]提出用于概念設(shè)計(jì)階段碳足跡量化模型和低碳概念設(shè)計(jì)框架，評估了產(chǎn)品生命周期的環(huán)境影響；Devanathan等[57]提出一種面向概念設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)品半定量低碳設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用質(zhì)量功能影響矩陣建立了產(chǎn)品功能與環(huán)境的關(guān)系，案例表明該方法能夠使溫室氣體排放量減少20%；徐鋒等[58]提出基于低碳約束的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)思路，給出概念設(shè)計(jì)階段碳足跡計(jì)算模型和基于低碳約束的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方法;He等[59]考慮產(chǎn)品生命周期中概念設(shè)計(jì)階段的數(shù)據(jù)不確定性，提出一種支持概念設(shè)計(jì)低碳方案決策的碳足跡模型。

為解決設(shè)計(jì)初期信息不確定性這一關(guān)鍵點(diǎn)，解析算法(如動(dòng)態(tài)規(guī)劃[60]、流程情景[61]等)、信息智能(如BP-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[62]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[63]、模糊規(guī)劃[64]、灰色關(guān)聯(lián)[65]等)發(fā)揮了重要作用。

由此可知，當(dāng)前需要找到一種將設(shè)計(jì)特征域與碳排放域關(guān)聯(lián)的方式，從而更好地處理設(shè)計(jì)早期信息的不確定性，以幫助設(shè)計(jì)者理解設(shè)計(jì)方案中隱含的低碳信息并作出優(yōu)化改進(jìn)，這是未來一大重要研究趨勢。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的低碳設(shè)計(jì)方法

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)功能目標(biāo)使零部件構(gòu)成一定的組織形態(tài)，生成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹并將各部分編制成一個(gè)有機(jī)整體，從而確定了產(chǎn)品主要零部件結(jié)構(gòu)及裝配關(guān)系。以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的低碳設(shè)計(jì)研究在該領(lǐng)域占據(jù)了很大比重。Song等[66]提出一種基于零件結(jié)構(gòu)獲取產(chǎn)品碳排放物料清單的g-BOM方法，使設(shè)計(jì)師容易并快速評估低碳產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，不足之處在于簡化了低碳設(shè)計(jì)中的零件優(yōu)化替代過程，且對產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)限制較大;Zhang等[67]提出一種基于典型機(jī)械結(jié)構(gòu)聯(lián)接單元的遞歸碳排放關(guān)聯(lián)求解模型，深入研究了螺紋連接、銷、鍵、鉚接和焊接連接等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對產(chǎn)品生命周期碳排放的影響，從機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面發(fā)掘出與碳足跡的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

近年來,最新研究從產(chǎn)品拓?fù)潢P(guān)系設(shè)計(jì)角度分析與量化碳排放。例如，Li等[37]建立了一種新型幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，優(yōu)化了焊接箱梁結(jié)構(gòu)布局參數(shù)，為增強(qiáng)焊接結(jié)構(gòu)機(jī)械性能、低碳性能提供了合理且有效的方法;Ramos等[68]在研究中證明了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法簡單有效，然而其最優(yōu)性仍取決于最初的基本結(jié)構(gòu)并受總體結(jié)構(gòu)單元數(shù)量的限制。此外，由于在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案中需要考慮各獨(dú)立方案在實(shí)施時(shí)的沖突、結(jié)構(gòu)載體聯(lián)接的難易程度等復(fù)雜關(guān)聯(lián)因素，孫良峰[69]圍繞面向低碳的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)展開研究，提出結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)碳排放信息映射與量化的分層遞階模型。不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案會(huì)影響產(chǎn)品全生命周期的材料用量、裝配方式、回收方式等，多種設(shè)計(jì)方法如輕量化、模塊化設(shè)計(jì)、可拆卸性設(shè)計(jì)、可再制造設(shè)計(jì)技術(shù)等在低碳設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要作用。

3.1 基于輕量化的低碳設(shè)計(jì)

輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在保證產(chǎn)品性能與質(zhì)量的前提下，通過優(yōu)化產(chǎn)品布局來實(shí)現(xiàn)低碳目標(biāo)[70]，具體包括輕量化材料、輕量化結(jié)構(gòu)、成型工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)、連接工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)等，設(shè)計(jì)方法多用于大型工程機(jī)械、航空航天、汽車等領(lǐng)域。Sch?ggl等[71]研究了早期設(shè)計(jì)階段應(yīng)用新材料、新零件和新工藝的輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)的意義;Bein等[72]總結(jié)了輕質(zhì)材料技術(shù)在歐洲綠色電動(dòng)汽車項(xiàng)目中的應(yīng)用。以上研究均說明輕量化設(shè)計(jì)在未來低碳產(chǎn)品發(fā)展中的價(jià)值。

值得注意的是，產(chǎn)品低碳輕量化設(shè)計(jì)需要綜合考慮產(chǎn)品強(qiáng)度剛度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、構(gòu)件斷裂韌性等要求，保障良好的靜動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性，以避免出現(xiàn)支柱結(jié)構(gòu)壓彎、薄壁結(jié)構(gòu)凸起、局部載荷過大、結(jié)構(gòu)塑性極限、參數(shù)諧振等現(xiàn)象。

3.2 基于模塊化的低碳設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)指系統(tǒng)中具備基本功能的零件、組件或部件，通過標(biāo)準(zhǔn)化關(guān)聯(lián)接口相互選擇、聯(lián)接、組合構(gòu)成產(chǎn)品的方法。低碳模塊化設(shè)計(jì)的意義不僅考慮了設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)或功能，還從模塊化設(shè)計(jì)中提升了產(chǎn)品全生命周期的低碳拆卸性、可再制造性等。Qi等[73]依據(jù)模塊化設(shè)計(jì)原則提出一種低碳產(chǎn)品技術(shù)動(dòng)態(tài)配置應(yīng)用模型;Su等[74]提出一種在設(shè)計(jì)階段量化評估環(huán)境影響的方法，該方法基于遺傳算法搜索裝配結(jié)構(gòu)和序列，從裝配結(jié)構(gòu)、裝配順序和供應(yīng)鏈配置進(jìn)行優(yōu)化，以減少其全生命周期碳排放;鮑宏等[75]以模塊單元構(gòu)建產(chǎn)品多層次碳足跡分析模型，提出產(chǎn)品碳足跡的結(jié)構(gòu)單元映射方法，并將產(chǎn)品多層次碳足跡分析方法與敏感性分析相結(jié)合，探索其在低碳設(shè)計(jì)方案改進(jìn)中的應(yīng)用。另外，基于產(chǎn)品族的模塊化設(shè)計(jì)同樣是低碳設(shè)計(jì)方法之一，組件標(biāo)準(zhǔn)化與組件共享展現(xiàn)出多元性與互換性的特點(diǎn)，Wang等[76]針對低碳產(chǎn)品族設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)環(huán)境問題提出一種新的規(guī)劃方法，并驗(yàn)證了其可靠性。面向低碳的產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)有助于減少碳排放帶來的不利影響，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)周期，加速產(chǎn)品系列化與標(biāo)準(zhǔn)化過程。

3.3 基于可拆卸的低碳設(shè)計(jì)

可拆卸性設(shè)計(jì)在滿足基本功能的前提下，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就充分考慮裝配結(jié)構(gòu)的易拆卸性，從而達(dá)到減少溫室氣體排放的目的，該過程間接減少了拆卸過程消耗的物料與時(shí)長?？刹鹦缎栽u估、拆卸深度分析與拆卸序列規(guī)劃是近年來研究的重點(diǎn)，其作用是保障產(chǎn)品在生命周期終結(jié)(End of Life, EOL)階段降低拆卸回收的時(shí)長與物料消耗。Veerakamolmal等[77]提出基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解樹的拆卸索引與評估，分析了壽命末端設(shè)計(jì)對環(huán)境的影響問題;Eckelman等[78]從初級生產(chǎn)使用的各種統(tǒng)計(jì)和工業(yè)數(shù)據(jù)源模型分析計(jì)算了航空合金金屬回收問題，以降低生命周期溫室氣體排放;Favi等[79]建立了基于拆卸知識的產(chǎn)品可拆卸性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，分析了設(shè)計(jì)階段與壽命末端的環(huán)境影響關(guān)聯(lián)關(guān)系;Harivardhini等[80]提出一種集成框架支持產(chǎn)品早期設(shè)計(jì)階段的可拆卸性設(shè)計(jì)決策，以降低設(shè)計(jì)方案對環(huán)境的影響。

隨著可拆卸性設(shè)計(jì)研究的不斷發(fā)展，局部拆卸設(shè)計(jì)思想可靈活用于產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)過程，方法側(cè)重于產(chǎn)品關(guān)鍵組件易于更換、維護(hù)或回收，使設(shè)計(jì)更為靈活。Smith等(2016)[81]提出了一種局部拆卸序列規(guī)劃方法，能夠降低生態(tài)影響并有利于改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

3.4 基于可再制造的低碳設(shè)計(jì)

通過設(shè)計(jì)初期的優(yōu)化材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可使產(chǎn)品在壽命末端具備良好的可再制造和再利用性，提高產(chǎn)品服役周期，從產(chǎn)品全生命周期角度增強(qiáng)低碳性能。劉濤等[82]提出面向主動(dòng)再制造的可持續(xù)設(shè)計(jì)概念;宋守許等[83]分析了主動(dòng)再制造設(shè)計(jì)中的產(chǎn)品級設(shè)計(jì)、零部件級設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)級設(shè)計(jì)，闡述了主動(dòng)再制造設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論和基本流程;鮑宏等[84]提出基于發(fā)明問題解決理論(Theory of Inventive Problem Solving, TRIZ)的主動(dòng)再制造綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，對產(chǎn)品設(shè)計(jì)低碳性能起到了積極影響。

綜上所述，面向低碳的產(chǎn)品設(shè)計(jì)促進(jìn)了生命周期過程中資源的高效利用，對溫室氣體減排具有重要意義。設(shè)計(jì)過程常結(jié)合質(zhì)量功能配置、實(shí)例推理、沖突消解、可拓理論、協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)等方法，針對設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)條件、設(shè)計(jì)約束與標(biāo)準(zhǔn)關(guān)聯(lián)進(jìn)行求解。

4 低碳設(shè)計(jì)決策的多目標(biāo)優(yōu)化問題

低碳設(shè)計(jì)是一個(gè)多學(xué)科、多變量、多目標(biāo)且包含不確定因素的決策、協(xié)調(diào)與優(yōu)化過程。產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)研究不僅著眼于某產(chǎn)品生命周期所產(chǎn)生的碳排放，還會(huì)考慮產(chǎn)品的性能與生產(chǎn)成本等因素；另一方面，由于產(chǎn)品生態(tài)化、輕量化、模塊化設(shè)計(jì)影響其在使用維護(hù)回收階段的難度與成本[85]，已成為制約低碳設(shè)計(jì)綜合協(xié)調(diào)的關(guān)鍵問題之一。

低碳設(shè)計(jì)中的優(yōu)化方法包括優(yōu)化問題辨識、模型抽象、設(shè)計(jì)目標(biāo)求解與算法選擇等。其中，問題辨識和模型抽象仍需要設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)累積，目標(biāo)求解和算法選擇已形成系統(tǒng)性研究。在設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)求解中常用約束法、理想點(diǎn)法、min-max法、功效系數(shù)法、目的規(guī)劃法、多屬性效用函數(shù)法等。

在早先大型設(shè)計(jì)多目標(biāo)問題尋優(yōu)算法上，常用數(shù)學(xué)規(guī)劃法、最優(yōu)準(zhǔn)則法，但求解精度與效率不高。計(jì)算智能(Computational Intelligence, CI)提供了可行解決方法，例如結(jié)合遺傳算法(Genetic Algorithm, GA)[86]、帶精英策略的非支配排序的遺傳算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm, NSGA-Ⅱ)[87]、模擬退火 (Simulated Annealing, SA) 算法[88]、粒子群優(yōu)化 (Particle Swarm Optimization, PSO) 算法[89-90]、蟻群優(yōu)化(Ant Colony Optimization, ACO) 算法等常規(guī)優(yōu)化方法，或結(jié)合差分進(jìn)化 (Differential Evolution, DE) 算法、量子進(jìn)化算法(Quantum Evolutionary Algorithm, QEA)、生物地理學(xué)優(yōu)化 (Biogeography-Based Optimization, BBO) 算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (Neural Network, NN) 算法等進(jìn)化優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品或零部件低碳化。Chiang等[62]基于逼近理想解排序法提出一種雙目標(biāo)績效決策模型，幫助企業(yè)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師快速選擇最優(yōu)低碳方案，提高設(shè)計(jì)效率;Xu等[87]建立了企業(yè)、用戶、政府需求三級耦合系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化問題，并運(yùn)用非支配排序的遺傳算法對其進(jìn)行求解，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)下的多方共贏;He等[91]提出一種低碳足跡約束下的輕量化設(shè)計(jì)方法，識別出了對整個(gè)設(shè)計(jì)對象影響最大的參數(shù)。

優(yōu)化設(shè)計(jì)方法已經(jīng)研究多年，但與低碳設(shè)計(jì)相結(jié)合的研究仍然不足，如何快速選擇低碳設(shè)計(jì)方案，如何在全生命周期視角下準(zhǔn)確識別并定位高碳設(shè)計(jì)單元，仍然存在困難。低碳設(shè)計(jì)模型正向多維度、多約束、多目標(biāo)、高跨度發(fā)展，其中設(shè)計(jì)參數(shù)與碳足跡建模、約束條件的建立、最優(yōu)解集取舍、收斂效率與魯棒性等方面成為低碳設(shè)計(jì)多目標(biāo)決策過程中需要考慮的主要問題。

5 低碳設(shè)計(jì)知識庫及支持工具研究

產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷對設(shè)計(jì)知識進(jìn)行拓展與優(yōu)化的過程。產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)知識庫和實(shí)例庫作為信息支撐基礎(chǔ)，包含了設(shè)計(jì)原則與規(guī)范、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與方法、專家經(jīng)驗(yàn)等信息，其有效構(gòu)建能夠幫助設(shè)計(jì)人員管理產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)實(shí)例信息，提高產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)效率。

Chiu等[92]建立了一種連接產(chǎn)品功能性與低碳物理設(shè)計(jì)構(gòu)件的知識庫體系，幫助支持低碳設(shè)計(jì)過程中的組件選擇決策;趙燕偉等[93]提出一種基于多維關(guān)聯(lián)函數(shù)的產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)實(shí)例分類方法，并通過建立產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)實(shí)例庫的方法集成量化了產(chǎn)品碳足跡和資源消耗成本，分析了需求變換對產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)實(shí)例分類的動(dòng)態(tài)影響關(guān)系。

產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)知識庫有效支持了設(shè)計(jì)過程建模及設(shè)計(jì)對象建模中的知識重用，He等[94]提出一種支持低碳設(shè)計(jì)的產(chǎn)品碳足跡集成模型，以提供有效的知識重用；張雷等[95]將知識重用方法引入綠色產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)中，提出基于功能—行為—結(jié)構(gòu)—綠色設(shè)計(jì)域映射關(guān)系的綠色設(shè)計(jì)單元實(shí)例檢索方法，幫助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)早期階段提供能耗及環(huán)境影響預(yù)估。

產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)支持工具作為應(yīng)用拓展，集成了設(shè)計(jì)知識庫、實(shí)例庫、數(shù)據(jù)庫與產(chǎn)品模型，有助于設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)初期信息不完備的條件下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品低碳評估、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化。近年來，低碳設(shè)計(jì)工具著重考慮產(chǎn)品開發(fā)過程中與計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)(Computer Aided X, CAX)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management, PDM)、企業(yè)資源計(jì)劃(Enterprise Resource Planning, ERP)、萬維網(wǎng) (World Wide Web, WWW)的環(huán)境集成與接口關(guān)聯(lián)問題[96-99]，尤其在瀏覽器/服務(wù)器 (Browser/Server, B/S)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，基于.NET Framework、JAVA服務(wù)器頁面(Java Server Pages, JSP)編譯器、超文本預(yù)處理(PHP Hypertext Preprocessor, PHP)編譯器開發(fā)原型系統(tǒng)逐漸代替組件對象模型(Component Object Model, COM)編譯成為趨勢，在很大程度上方便了產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)開發(fā)過程，更體現(xiàn)了集成——優(yōu)化——迭代設(shè)計(jì)的思想。表1所示為近年來幾種典型低碳支持工具及主要特點(diǎn)，可以看出，低碳設(shè)計(jì)軟件工具正在向平臺(tái)化、網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化、融合化的方向發(fā)展，更適用于產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)過程建模與設(shè)計(jì)優(yōu)化。但未來低碳設(shè)計(jì)軟件如何應(yīng)用于更復(fù)雜的場景，軟件架構(gòu)如何更加系統(tǒng)地集成異構(gòu)數(shù)據(jù)，如何增強(qiáng)信息挖掘重用，元數(shù)據(jù)和元模型如何與設(shè)計(jì)軟件高效對接，需要進(jìn)行更深入的研究。

表1 典型產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)軟件工具

6 研究展望

產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)是一個(gè)從設(shè)計(jì)思維出發(fā)，以全生命周期碳排放減量化為目標(biāo)，并在企業(yè)戰(zhàn)略與設(shè)計(jì)規(guī)范約束下，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)產(chǎn)品價(jià)值與功能且滿足客戶需求的多學(xué)科系統(tǒng)工程。然而，對產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)的研究尚處于不斷發(fā)展中，仍存在以下需要關(guān)注的若干方向：

(1)當(dāng)前研究表明，制定合理的設(shè)計(jì)方案對減少產(chǎn)品生命周期碳排放具有重要意義。目前，對大型復(fù)雜產(chǎn)品的低碳設(shè)計(jì)與決策仍存在周期長、成本高、數(shù)據(jù)需求量大等困難，解釋產(chǎn)品設(shè)計(jì)與碳排放關(guān)聯(lián)影響規(guī)律、建立設(shè)計(jì)域與碳排放域本質(zhì)關(guān)聯(lián)關(guān)系、提高產(chǎn)品模型映射精度與設(shè)計(jì)效率、幫助設(shè)計(jì)者從設(shè)計(jì)源頭上指引低碳設(shè)計(jì)方向，還有待深入研究。

(2)面向低碳的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的跨空間設(shè)計(jì)問題，由于與產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息關(guān)聯(lián)覆蓋面大、影響因素多，挖掘設(shè)計(jì)方案中隱含的碳排放信息成為關(guān)鍵。在產(chǎn)品全生命周期場景中，需要綜合考慮各階段由設(shè)計(jì)方案帶來的碳減排潛力，提升產(chǎn)品制造過程的易加工性和能量效率，以及產(chǎn)品回收過程的易拆解性和可回收率等；在產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程中，概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等早期階段對降低產(chǎn)品系統(tǒng)的碳排放強(qiáng)度影響明顯，應(yīng)重點(diǎn)協(xié)調(diào)產(chǎn)品碳排放、功能、成本綜合效益，降低低碳設(shè)計(jì)的不確定性。以上從功能、材料、結(jié)構(gòu)、參數(shù)等角度需加強(qiáng)與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的信息融合，進(jìn)一步探究一般規(guī)律。

(3)伴隨工業(yè)信息化與智能化的大力發(fā)展，產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)理論方法的實(shí)施最終需要借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用于更復(fù)雜的設(shè)計(jì)場景。當(dāng)前基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、知識驅(qū)動(dòng)的計(jì)算與分析較少，具有時(shí)效性、區(qū)域性、行業(yè)性的支撐數(shù)據(jù)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分散且不足，低碳設(shè)計(jì)知識的表達(dá)、傳遞與重用需要加強(qiáng)。因此，提供高效可行的計(jì)算機(jī)低碳設(shè)計(jì)集成開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方法、數(shù)據(jù)庫、知識庫與現(xiàn)有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)平臺(tái)的對接與交互，仍將是未來一個(gè)重要的研究方向。

7 結(jié)束語

本文對產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了系統(tǒng)性的關(guān)聯(lián)研究，重點(diǎn)梳理了產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段適用的低碳設(shè)計(jì)方法、低碳設(shè)計(jì)過程多元優(yōu)化、低碳設(shè)計(jì)知識庫及支持工具研究4方面的熱點(diǎn)問題，并進(jìn)行了論述。通過分析相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)提出了低碳設(shè)計(jì)中的3大研究難點(diǎn)與關(guān)注方向。

產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)作為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，是一項(xiàng)涉及多學(xué)科的復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要設(shè)計(jì)人員與研究者協(xié)同合作，從多角度深入研究設(shè)計(jì)要素與碳足跡影響機(jī)制，使產(chǎn)品功能、價(jià)值、環(huán)境屬性協(xié)調(diào)優(yōu)化，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)為未來的低碳、清潔、可持續(xù)社會(huì)發(fā)展助力。