《Proceedings of the Design Society》：Development and validation of a parametric model for fast life cycle assessment in early embodiment design
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早期实体化设计需要将可持续性考量纳入设计备选方案的评估，而传统的生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）技术无法对此提供有效支持。本研究提出了一种快速参数化LCA模型，该模型将环境影响表示为材料质量、回收物料含量和可回收性潜力的线性
早期实体化设计需要将可持续性考量纳入设计备选方案的评估，而传统的生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）技术无法对此提供有效支持。本研究提出了一种快速参数化LCA模型，该模型将环境影响表示为材料质量、回收物料含量和可回收性潜力的线性函数，从而实现对设计备选方案的快速评估。将该模型应用于两代负荷隔离开关驱动装置时，相对于传统符合ISO标准的LCA结果，其平均绝对百分比误差（Mean Absolute Percentage Error, MAPE）低于5%，并展示了其支持设计空间探索的能力。
## 研究背景
当前，工业产品环境足迹削减的紧迫性日益凸显，可持续性正从边缘考量转变为产品设计的核心要求。在客户压力与新兴法规（如欧盟《可持续产品生态设计法规》）的双重驱动下，企业须遵守环境目标。然而，可持续性通常在详细设计或最终验证阶段才被纳入考虑，此时改进潜力有限且设计自由度已大幅降低。早期设计阶段对产品环境与经济性能的影响最为显著，涉及材料选择、制造工艺、能耗及报废（End-of-Life, EoL）策略等关键决策。但该阶段存在高度不确定性与数据稀缺性，使得以ISO 14040和ISO 14044为规范标准的传统LCA方法难以应用——这些方法需要详尽的工艺清单数据，且适用于设计决策完成后的回顾性分析，无法适应仅具备概念参数的早期迭代设计需求。
## 研究目的与方法
为应对上述挑战，研究人员基于设计研究方法论（Design Research Methodology, DRM）框架，开发了一种面向早期实体化设计的参数化LCA模型——快速LCA（Fast LCA），旨在将环境影响的评估前置至设计参数仍具灵活性和影响力的阶段。该模型将环境影响表达为关键设计参数（包括零部件质量、材料类型、回收物料含量及报废可回收性）的函数，支持新概念的首次实体化设计探索以及不同产品代际之间的比较。
研究遵循DRM框架展开：在描述性研究I（Descriptive Study I, DS-I）阶段，通过审阅初步三维计算机辅助设计（3D CAD）模型，识别概念首次实体化后可获取的信息（如零部件质量、候选材料及制造假设）；在规范性研究（Prescriptive Study, PS）阶段，构建参数化结构，将环境影响与设计变量通过线性关系及单位环境影响因子（即单位质量或体积的环境影响）相关联，参数选择基于识别环境影响最大贡献者的"热点"分析；在描述性研究II（Descriptive Study II, DS-II）阶段，以两代负荷隔离开关（Load Break Switch, LBS）驱动装置为案例验证模型——包括前代参考产品与新设计的首个三维表征，并与商业软件SimaPro 10.2（采用ecoinvent 3.11数据库）进行符合ISO标准的传统LCA结果对比，继而展示其在设计空间探索中的适用性。
## 主要技术方法
本研究采用的关键技术方法包括：参数化LCA建模，将生命周期环境影响表示为设计变量的线性函数；基于单位环境影响因子的生命周期清单（Life Cycle Inventory, LCI）简化输入处理；遵循产品种类规则（Product Category Rules, PCR）设定系统边界与假设；采用"污染者付费"原则处理废料与可回收材料；应用环境足迹方法3.1版（Environmental Footprint method version 3.1, EF 3.1）进行标准化与加权聚合；以MATLAB实现模型并与传统LCA交叉验证；针对负荷隔离开关驱动装置两代产品展开案例研究。
## 研究结果
**5.1 快速LCA精度验证**
研究人员首先将快速LCA与传统LCA在两代系统上进行基准对比。为保证模型一致性，两者采用相同的材料、制造工艺、回收物料含量及报废可回收潜力数据。环境影响的指标与评估方法依据EN 15804:2019+A2定义，并以EF 3.1标准化与加权因子聚合为单一得分。由于所研究的驱动装置为纯机械系统，由操作者手动加载，使用阶段不涉及能耗，故未考虑使用阶段环境影响。
对于参考产品，快速LCA在所有17个影响类别上的误差均低于5%，MAPE为2.4%。对于新一代驱动装置，各影响类别误差均低于10%，MAPE为4.4%。该精度水平符合LCA敏感性分析中通常认为显著的变异阈值。
此外，针对六种不同设计变体（对应不同外壳材料）验证了快速LCA相对于传统LCA的可靠性。结果表明，17个指标中15个的中位百分比误差低于10%等价阈值，确认两模型间无统计学显著差异。超出阈值的误差可能源于模型假设及未被参数化模型捕捉的非线性因素，但在快速比较不同设计备选方案的目标下仍可接受。
**5.2 快速LCA用于设计空间探索**
在验证模型精度后，研究人员将其应用于识别最优环境解决方案。驱动装置外壳被选为目标零部件，因其约占总影响的50%。除钢制基础配置外，评估了五种替代材料：聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate, PET）、30%玻璃纤维增强PET、30%玻璃纤维增强聚对苯二甲酸丁二醇酯（Polybutylene Terephthalate, PBT）、不锈钢及铝。为确保功能等效性，基于投影面积近似法调整各材料外壳板厚，使孔内径处的名义承载应力不超过材料屈服应力。
分析考虑了回收物料含量参数，构建了材料类型与回收参数相结合的多维设计空间。结果表明，环境影响较高的材料通过提高回收率可实现最大降幅潜力；而玻璃纤维增强聚合物因技术限制其回收尚有限，未观察到方差。通过快速LCA，22种变体的完整分析仅需12秒，展现出良好的可扩展性前景。
## 讨论与结论
快速LCA模型采用多项简化的假设以实现早期实体化设计阶段的快速环境评估，包括：使用材料及工艺的单位环境指标、环境影响类别的线性表述、全生命周期阶段仅采用次级数据。这些假设与PCR及ISO 14040/14044指南保持一致。快速LCA与传统LCA结果间的低偏差（通常低于10%）证实，所采用的简化并未损害方法论的准确性与结果可靠性。
研究结果确认，快速LCA模型能够有效支持产品开发早期阶段的快速决策，即时评估不同设计备选方案的环境影响，并通过将环境绩效与材料类型、回收物料含量等设计参数直接关联来识别设计方向。未来工作将进一步探索将参数化LCA数据流与基于系统代际工程（System Generation Engineering, SGE）模型的正式开发与变型路径相集成，以实现预测性跨代际环境评估，并支持产品物质向高价值保留路径的系统转移。此外，研究还将考虑几何特性或替代制造工艺等附加参数，并将快速LCA整合至GreEner Tech项目的整体设计方法论中，结合材料预选、机械评估、快速LCA、生命周期成本（Life Cycle Costing, LCC）及多准则决策（Multi-Criteria Decision-Making, MCDM），以平衡环境、成本与性能目标。为促进不同数据类型和文件格式的处理，将采用资产管理壳（Asset Administration Shell, AAS）作为标准化结构表示，以便数据处理、设计比较及相关环境参数可视化。
