绿色设计与面向成本的设计

作者：陈晓川 田怀宇

欢迎访问e展厅 展厅 8 CAD硬件/先进制造技术展厅 图形工作站, 绘图仪/大幅面打印机, 3D控制器/3D鼠标, ... 2003年初欧盟颁布了《废旧电子电器设备(WEEE)指令》和《电子电器设备中限制使用某些有害物质指令》，在《电子电器设备中限制使用某些有害物质指令》中，欧盟要求成员国确保从2006年7月1日起新投放市场的电子电器产品不得含有超过标准要求的铅、汞、镉、六价铬、聚溴二苯醚(PBDE)、聚溴联苯(PBB)等有害物质[1]。根据WEEE 指令，自2005 年8 月13日起，欧盟市场上流通的电子电气设备的生产商必须在法律意义上承担起支付自己报废产品回收费用的责任[2]。WEEE 指令的目的在于提高报废电子电气产品的回收及再循环率，从而降低最终处理的电子废料的数量，以此减少对环境的污染， 提高对自然资源的利用率。同时，欧盟有关专家还认为，WEEE 指令的实施将迫使电子电气设备生产商加快环保绿色产品的研究、设计和产业化生产。欧盟各成员国有义务制定自己的电子电气产品回收计划，并建立相关配套回收设施，以方便电子电气产品的最终用户能够方便并且免费处理报废设备。 欧盟即将实施的法案中规定，制造商必须负责回收其产品，并控制有害物质，这就说明在今后无视环境保护的电子电器产品在欧洲将不能进行销售了，也预示着今后的发展趋势即世界各国今后也都会在这方面进行一定的立法。我国信息产业部组织制订的《电子信息产品污染防治管理办法》已在部门会签阶段。国家发改委牵头的《废旧家用电器和电子产品回收利用条例》和国家环保总局的《废弃电气及电子产品污染防治技术政策》也都在起草中。为了实现绿色化的产品，关键离不开绿色设计，可以说企业将不得不进行绿色设计和制造。 随着并行工程研究的深入和发展，已经出现了很多的DFX 工具，例如：DFM，DFA 和DFQ 等。绿色设计和面向成本的设计(DFC)也属于DFX 的研究领域[3]。有关DFC 和绿色设计的论文已经出现较多，但分析两者关系的论文仍然不多。文中通过绿色设计与面向成本的设计两者的分析和对比，得到了绿色设计方法在DFC 中的应用途径，为DFC 与绿色设计方法相结合指出了方向，而且也给出了在绿色设计中应用DFC 方法的途径，该研究将对在产品设计中降低全生命周期成本和实现绿色化产品的设计和制造产生积极作用。 1 面向成本的设计简介 DFC(Design For Cost)的意思是面向成本的设计，它最早出现于20世纪90年代初期，是指在满足用户需求的前提下，尽可能地降低成本，通过分析和研究产品制造过程及其相关的销售、使用、维修、回收、报废等产品全生命周期中各个部分的成本组成情况，并进行评价后，对原设计中影响产品成本的过高费用部分进行修改，以达到降低成本的设计方法[4]。DFC 将全生命周期成本作为设计的一个关键参数，并为设计者提供分析、评价成本的支持工具。 DFC 的主要研究内容有[5]： (1)对全生命周期成本进行分析，提取相应的成本特征，建立全生命周期成本数据库和成本估算方法库； (2)分析设计过程和模型，在不同的设计模型中提取与全生命周期成本有关的设计特征，为成本估算提供设计方面的信息； (3)DFC 软件工具的设计与开发：DFC 是面向设计者的设计方法，为了提高设计效率和提高设计质量，就需要使用DFC 软件工具进行产品设计； (4)依据市场情况进行设计和成本的平衡：在市场竞争日益激烈的情况下，只是具有最低的成本已经不够了，必须寻求最佳的性能/价格比，即在客户能接受的范围内以适当的价格提供最佳的功能，而价格主要是由成本决定的，产品性能与设计是密切相关的，即成本与设计之间需要进行平衡； (5)与其他DFX 工具的集成：由于DFC 是面向产品全生命周期的，这就要求它必须能够与其他DFX(如：DFM，DFA 等) 工具协调一致进行工作，即需要建立不同评价标准的协调原则和方法。 另外还有建立目标成本说明书和对照表，依据产品和投入工程的费用进行设计和制造手段的选择等。由于篇幅所限，有关DFC 的详细论述请参考文献[5]。 2 绿色设计简述 绿色设计(GD-Green Design)有许多类似的名称，例如：生态设计(ED-Ecological Design)、面向环境的设计(DFE-Design for Environment)、生命周期设计(Life Cycle Design)和环境意识设计(ECD-Environmental Conscious Design)等，由于这些方法的目标基本相同，都是设计和制造生命周期环境影响为最小的产品，因而，经常被互换使用。绿色设计也可以被认为是以绿色技术为原则所进行的产品设计。概括来说，绿色设计是这样一种设计，即在产品整个生命周期内，着重考虑产品环境属性(可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等)，并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的功能、使用寿命、质量等[6]。 绿色设计的特点有： (1)从产品全生命周期进行考虑； (2)着眼于产品早期的实现过程； (3)使用一系列的与工业生态相一致的价值进行决策，从系统的角度考虑问题。 应用绿色设计可以有如下好处： (1)在提高利润的同时，它给改善环境提供了商业机会； (2)降低产品的环境影响； (3)优化原材料消耗和能源消耗； (4)改进废物管理或污染防治系统； (5)推进良好的设计和产品革新； (6)降低成本； (7)通过产品的性能、价格和质量赢得顾客，提高市场占有率。 另外，绿色设计还可以提供一个方法建立公司未来产品的战略。总之，绿色设计是一个能够实现可持续发展的有效方法。 3 DFC 与绿色设计的关系分析 DFC 与绿色设计两者的关系是看问题的角度不同，前者是从经济性的角度评价方案，而后者是从绿色性的角度评价方案。从研究内容看两者同属于DFX 领域；从产品全生命周期的角度考虑设计问题；同时采用两者方法才能全面评价设计方案。从DFC 的角度看，绿色性贯穿于全生命周期成本的构成中；从DFE 的角度看，成本问题也贯穿于绿色设计中，即在DFC 中必须考虑绿色性，在DFE 中必须考虑全生命周期成本。两者是你中有我，我中有你的关系，处于同等的重要地位，不可偏废任何一个方面。两者的关系可以概括为如图1所示。 3.1 在DFC 中应用LCA 国际标准化组织(ISO)和许多国家都明确指出对绿色产品的评价应采用寿命周期分析(LCA-Life Cycle Asesment)的方法[7]。所谓LCA 就是在产品生命周期中对与产品相关的各类信息进行汇集和测定的一种系统方法。该方法有助于获得目标信息在产品寿命周期各阶段中的具体情况和在整个过程中的总体情况，为产品改进提供完整、正确的信息。绿色产品的寿命周期分析分为个步骤，即选定标准参照产品、确定LCA 所要分析或评估的目标和范围、清单分析、影响评价，以及制定标准和改进分析，这个阶段构成一个反馈系统，并不断地与产品数据库、知识库交换信息[8]。 在DFC 中可以应用LCA 方法对生命周期各个环节进行绿色性评价，在每一阶段中分析如下： (1)制造阶段：在这一阶段应该从绿色性的角度考虑材料的加工过程和产品的包装，所选择的设计方案必须降低产品对环境的影响，例如：选择可循环使用的材料。 (2)运输阶段：在运输的过程中，应该从环境保护的角度选择运输工具和装卸工具。同时，应该优化销售渠道，这样可以降低运输成本和能源消耗。 (3)储存阶段：机械制造产品在正常情况下储存一般不会对环境有污染。 (4)维修阶段：在维修中需要注意产品是否会产生污染环境的废气和垃圾等。 (5)使用阶段：这一阶段需要注意使用中不要产生污染环境的废气和垃圾。 (6)废弃阶段：在这一阶段材料的回收和产品功能的重用是需要进行考虑的关键问题。 3.2 在绿色设计中应用LCC 在DFC 中的成本是指全生命周期成本(LCC-Life Cycle Cost)，它是指产品从开始酝酿，经过论证、研究、设计、发展、生产、使用，一直到最后报废的整个生命周期内所耗费的研究、设计与发展费用、生产费用、使用和保障费用及最后废弃费用的总和[9，10]。LCC 的概念最早由美国国防部(DoD-Department of Defense)提出并使用，因为在一个典型的武器系统中运行和维护的成本占总成本的75%[11]，对LCC 的研究是迫不得已的， 但DoD 开发的方法不是用于设计的，而是用于采购的。从全生命周期的角度探讨成本的组成，一般包括设计成本、制造成本、销售成本、维修成本、使用成本和回收报废成本，其分布大致为设计成本占全生命周期成本的10%～15%，制造成本约占30% ～35%，使用与维修成本约占50% ～60%，其他成本所占比例一般小于5%[10]。 绿色产品虽然是流行的趋势，但消费者负担不起过于昂贵的绿色产品。如何在进行绿色产品设计和制造过程中降低产品的全生命周期成本是个关键问题，可以在进行绿色设计的时候采用DFC 中的LCC 评价方法，即全生命周期成本的估算采用DFC 中的方法。表1中给出了常用的成本估算方法和特点， “不确定性”是指使用估算方法时所需要信息的“不确定性”程度，“应用阶段”是指估算方法应用时，其处在企业生产和经营过程中的前期或后期。对其中的5 种方法有较详细的论述，请参阅文献[5]和[12]。 这里特别指出虽然LCC 与LCA 有类似的地方，但在应用领域、方法等方面仍有明显不同，个别学者在研究中有所混淆文献[13]中详细分析了两者的异同，不再赘述。 4 结论 在世界各国都强调走“经济可持续发展道路”的今天，生产及使用绿色环保产品已经是大势所趋，已经成为国际社会的潮流。绿色设计是提高产品绿色性的有效方法，从理论和实践方面看，其发展速度很快。为了实现绿色设计的目标，还没有统一的技术和方法。但绿色设计的思想已经扩展到多种领域，已经在世界范围内发生影响。文中通过分析绿色设计和面向成本的设计关系，指出两者在绿色性和全生命周期成本方面具有互补性，即在绿色设计中应用LCC 方法降低产品的全生命周期成本，在DFC 中应用LCA 方法提高产品的绿色性，这样实现两者的集成化应用。 参考文献 [1] 陈伟.欧盟2002/95/EC 指令对我国电子电器产品出口的影响[J].认证与标志，2003(6)：4-5. [2] 驻德国使馆经商处.浅析“欧盟报废电子电气设备指令”[J].对外经贸研究，2003(7)：2-7. [3] 刘继红.DFX：面向产品生命周期的设计[J].计算机辅助设计与制造，1998(9)：34-36. [4] 陈晓川，张暴暴，冯辛安.面向成本的设计的关键技术及其概念模型[J].大连理工大学学报，1999，39(6)：775-780. [5] 陈晓川.并行工程中面向成本的设计(DFC)[M].长春：吉林人民出版社，2003. [6] 刘志峰，刘光复.绿色设计[M].北京：机械工业出版社，1999. [7] 郭连城，辛志伟，张永真，等.国外环境标志产品评价方法和研究与发展[J].环境科学动态，1997(2)：9-12. [8] 向东，张根保，汪永超，等.绿色产品及其寿命周期分析[J].机械设计与研究，1999(3)：25-26，35. [9] 阮镰，章国栋.工程系统的规划与设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1991. [10] Booz Alen，HamiltonIne[美].美国系统工程管理[M].王若松，章国栋，阮镰，等译.北京：北京航空航天大学出版社，1991. [11] Gupta Y P，Life cycle cost models and associated uncertainties[R].In Electronics Systems Efectivenes and Life Cycle Costing ，NATO ASI Series ，Vol.F.J.K.Skwirzynski(ed.)，1983： 535-549. [12] 陈晓川，刘晓冰，冯辛安.面向成本的设计中的成本构成及其估算框架的研究[J].中国机械工程，2001，12(5)：510-514. [13] 束庆，张旭.生命周期评价和生命周期成本分析的整合方法研究[J].同济大学学报(社会科学版)，2003，14(4)：81-86.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/17/2006)