循环产品开发中的分层生命周期建模

《Proceedings of the Design Society》：Hierarchical lifecycle modelling in circular product development

　　

随着企业在资源效率方面面临日益增强的责任约束，修理、再制造等循环性措施为解决这一问题提供了有前景的方案。在设计早期阶段，对预期产品生命周期进行建模，对于规划这些措施的有效应用至关重要。本文提出了一种分层生命周期模型，用于在单一模型中表征产品架构各层级上组件特异性的生命周期路径。该方法确保了层级之间的一致性，并促进了组件特异性循环措施的精确应用，从而推动高效的循环产品设计。

本文发表于《Proceedings of the Design Society》，聚焦循环产品开发（circular product development）中早期设计阶段的生命周期建模问题。研究背景在于，随着企业在资源效率与生态可持续性方面承担更高责任，循环经济（circular economy）要求产品不仅在使用阶段具备功能价值，还应在寿命终结后支持再利用、再制造、修理与回收等R策略（R-Strategies）。然而，循环性的实现并非仅依赖末端处理技术，而是高度受制于前期设计决策。若在模糊前端（fuzzy frontend）或概念设计阶段未考虑可达性、可拆卸性、材料可回收性等属性，则后续修理、翻新与回收往往难以实施。同时，早期设计又存在典型的生态设计悖论（eco-design paradox）：设计自由度高，但生命周期信息不完备、后果不确定，导致设计人员难以准确判断某一循环措施是否真正改善产品全生命周期的循环性与可持续性。因此，研究人员认为，必须在产品开发初期同时考虑静态产品架构与预期生命周期路径，并将产品及其部件可能经历的多种状态及其概率纳入统一表征框架。

现有研究虽已提出概率型生命周期模型，可借助随机Petri网（stochastic Petri net）描述产品实例在开发、生产、使用和寿命终止阶段之间的概率性迁移，也有研究进一步将具体循环措施嵌入生命周期状态之中，但这些方法主要停留在整机层级，忽视了现实产品由模块、组件和零件构成的层级化产品架构。由此带来三类核心问题：其一，修理、再制造、复用、部分回收等循环措施通常作用于特定子组件，现有模型无法正确表示组件脱离母体产品后的独立路径及其再并入过程；其二，若不同层级生命周期分别独立建模，父子部件之间可能出现逻辑不一致，例如子组件仍处于生产状态而父组件已进入使用阶段；其三，循环措施只能面向整体产品规划，难以落实到最适宜的具体子组件，容易导致过度处理、资源贬值及不必要的劳动和材料投入。基于此，本文目标是提出一种新的分层概率生命周期模型，为基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering, MBSE）支持下的循环产品开发提供一致、稳健的建模基础。

研究人员的核心工作是，在既有概率生命周期建模思路基础上，构建一种能够映射产品层级结构的统一模型。该模型一方面通过“上下文（context）”概念，将每一个生命周期状态显式关联到产品架构中的一个或多个元素，从而指明某状态究竟对应哪些模块、组件或零件；另一方面引入“嵌套状态（nested states）”，允许父状态内部包含子状态，用于表示更细粒度的过程步骤，或特定子组件在该大状态内部的行为。这样，较高层级的生命周期阶段可包容较低层级的具体过程，天然形成层级一致性。与此同时，研究人员设计了分裂网关（split gateway）与汇合网关（join gateway），用于描述组件从共同路径中分离、分别经历独立过程、再在适当时点重新合并的情形。整个模型仍基于随机Petri网思想运行，其中令牌（token）代表产品实例及其子组件实例，通过状态、迁移及网关在网络中流动，以形成单个产品实例在一次仿真中的确定性生命周期轨迹；多次仿真则可依据迁移概率采样出不同可能路径。

用于开展研究的关键方法主要包括以下几类：第一，以随机Petri网为底层形式化机制，构建概率生命周期序列；第二，通过状态上下文分配与嵌套状态结构，将生命周期状态与产品架构层级显式耦合，保证父子部件状态一致性；第三，引入分裂/汇合网关及部件进入点、退出点，实现组件级独立路径、拆解、替换与再集成的建模；第四，将有形循环措施（tangible circularity measures）作为专门生命周期状态嵌入模型；第五，在Cyclometric研究项目开发的MBSE软件工具中进行实现，并以一个绿色场景（greenfield）的汽车中控台开发项目作为评估案例，参与者为来自汽车制造商与设计机构的5名设计师和工程师。

研究结果部分可按论文主体中的关键板块进行概括。

3.1. The concept of hierarchical probabilistic lifecycles
在这一部分，研究人员提出分层概率生命周期的理论框架。首先，通过“上下文”定义每个状态对应的具体产品元素，使同一模型能够同时表征整机状态、模块状态与子组件状态。例如，中控台模块在拆解前可整体处于某一状态，而拆解后仅侧盖（side covers）进入修理状态，其余子部件进入清洁状态。由此，模型能够在单一生命周期图中描述不同组件的分化路径，并使循环措施只作用于故障或关键部件，而非整个上层模块。其次，嵌套状态结构使生命周期不再只是线性状态序列，而可形成父状态—子状态的层次关系。这样，子组件的生产、装配或维修过程被包含在父组件相应大阶段之内，模型从结构上避免了父子阶段冲突。再次，研究人员区分了两类位置（places）：常规状态和网关。常规状态要求进入与离开的组件集合保持一致；分裂网关和汇合网关则支持令牌拆分与合并，以刻画拆卸、替换、重组等真实过程。通过这些形式化规则，模型不仅可以在仿真时自动检查产品完整性与子组件供给条件，而且能在组件经复用等循环措施离开系统后，引入来自外部路径的新实例，从而维持后续路径的可执行性。该部分结论是：通过上下文、嵌套状态和网关机制，模型能够在保证层级一致性的同时，真实表达组件级生命周期分岔、循环措施介入及替代件再集成等复杂过程。

3.2. Model application
这一部分说明了模型在设计流程中的应用方式。研究人员指出，该模型对瀑布式或迭代式开发流程均保持中立，但在实践中更适配迭代式流程，因为设计早期知识会逐步增长。建模可从高层抽象开始，例如仅设定“生产—使用—寿命终止”三个主状态，随后随着产品架构细化到模块、组件和零件层面，再逐步扩展其子状态与低层路径。状态和转移概率既可以来源于专家经验与估计，也可以利用既有产品的统计知识与历史经验。为降低复杂性，研究人员开发了两类可视化视图：一类是过程图（Process Diagram），聚焦某一父状态及其直接子状态之间的顺序关系；另一类是树状层级视图，用于展示状态之间的嵌套结构而不强调顺序。该部分表明，所提模型具有渐进式建模能力，能适应早期产品定义不充分、知识逐步积累的开发环境。

4. Implementation and evaluation
在实施与评估部分，研究人员将该模型用于循环型汽车中控台开发，并在Cyclometric项目的MBSE工具中实现。评估目的并非定量证明循环性或可持续性指标的提升，而是验证模型在真实开发情境中的可用性与形式可行性。评估围绕引言提出的三个挑战展开。第一，关于循环措施及其对组件影响的正确建模：设计团队共建模了26项作用于中控台不同部件的循环措施，涵盖修理、再制造、复用、再目的化（repurpose）与回收。模型成功将这些措施分配至不同层级的模块或组件，并能表示对子组件的影响，例如扶手（armrest）再制造需要拆除、修复并清洗纺织件。由此证明，模型可正确表征循环措施及其组件层面的后果。第二，关于跨层级生命周期一致性：由于元模型规定子组件状态只能定义在父组件状态内部，因此除非组件经拆解转入独立路径，否则不会出现与父状态冲突的情形。分裂/汇合网关以及部件进入点、退出点，使这种分支仅能在预定义位置发生，并确保父组件在需要时获得替换件，因此这一问题从模型设计上得到形式化解决。第三，关于循环措施应用不精确：研究人员承认，缺少未使用该模型的对照案例，因而无法形式化证明其必然导向更高循环性；但在实际设计中，团队最初提出了50余项粗略分配给高层模块的措施，模型要求其明确层级与语义后，最终收敛为26项具体、清晰、组件特异性的措施。例如，触敏纺织件（touch sensitive textile）起初被分配11项循环措施，最终精炼为3项与具体组件相匹配的措施。由此可见，该模型促使设计团队更审慎、精确地部署循环设计策略。

5. Discussion and conclusion
讨论与结论部分指出，本文提出的分层概率生命周期模型以随机Petri网为基础，通过显式上下文、嵌套层级与分裂/汇合网关，实现了组件特异性循环措施的建模，并在形式上维持父子组件之间的一致性。研究结论表明，该模型有效应对了三项持续存在的难题：一是正确表示循环措施及其对组件的影响，二是在不同产品架构层级之间实现一致建模，三是支持面向具体组件、层级恰当的循环措施部署。汽车中控台案例进一步显示，该模型不仅能够表示层级化产品架构的生命周期，而且能够在设计早期降低复杂性、结构化假设与决策，并为后续生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）或权衡分析（trade-off analyses）奠定基础。

同时，研究人员也明确指出当前方法仍存在若干简化。首先，生命周期状态持续时间采用离散化处理，概率状态转移无法在连续时间上建模，因此循环措施的介入时点尚不能与实际退化过程精确对齐。其次，模型尚不具备历史跟踪（history tracking）机制，因而无法反映早期生命周期事件对后续行为的影响。未来研究需引入时间依赖与历史依赖的概率建模，以更真实地表征连续退化、识别循环措施最佳介入时机，并评估先前生命周期事件的后续效应。此外，还需开展更全面的验证，包括实践适用性、定量收益、工业规模化评估、与开发流程集成能力以及建模过程部分自动化的可行性。研究结论部分可译为：本文提出了一种用于循环产品开发的分层概率生命周期模型。该模型使用随机Petri网，通过定义具有显式上下文的状态、嵌套层级以及分裂/汇合网关，在保持父子组件形式一致性的同时，实现了组件特异性循环措施的集成。案例评估表明，该方法能够支持层级化产品架构的生命周期表示、循环措施的正确建模与精确部署，并为设计早期的循环产品开发提供稳健基础。