生命周期设计

目录

1. 现代设计方法进展............................................ - 2 -

2. 生命周期设计概念............................................. - 2 -

3. 生命周期设计历史沿革......................................... - 5 -

4. 生命周期设计的必要性......................................... - 6 -

5. 生命周期设计研究概况......................................... - 7 -

6. 生命周期设计的目标........................................... - 9 -

7. 生命周期设计方法............................................ - 11 -

8. 生命周期设计程序............................................ - 12 -

9. 生命周期设计的发展趋势...................................... - 13 -

1.现代设计方法进展

随着设计方法学、优化设计、计算机辅助设计、系统化设计、模块化设计等一些新学科的发展，在工程设计领域出现了一些新技术，如并行设计、创新设计、稳健设计、智能设计、绿色设计、模糊设计、虚拟设计、动态设计、疲劳设计等，这些新技术在不断发展的同时，在工程中也得到越来越广泛的应用。

20世纪90年代以来，随着以计算机技术为支柱的信息技术的发展，工业产品由传统的机械产品向机电一体化产品、信息电子产品方向发展，技术含量大为增高；社会的消费观念也不断发生变化，产品的功能已不再是消费者决定购买的最主要因素。产品的创新性、外观造型、宜人性、环保性等因素越来越受到重视，在竞争中占据突出地位。这种趋势促使企业在着手进行新产品开发时把面向产品的创新性、外观造型、人机工程等的设计提到一个新的高度，从而也迫切要求对T业设计的研究能有进一步的突破，以提高企业形象、产品设计水平和市场竞争力。

从整个产品设计与制造的发展趋势看，并行设计、协同设计、智能设计、虚拟设计、全生命周期设计等设计方法代表了现代产品设计模式的发展方向。随着技术的进一步发展，产品设计模式在信息化的基础上，必然朝着数字化、集成化、网络化、智能化的方向发展。计算机辅助下的工业设计的发展趋势则必然与上述发展趋势相一致，最终建立统一的设计支撑模型。工业设计师与工程设计师逐步融合，走向统一化。由于这些新技术多处于起步阶段，限于篇幅，本书将不对上述方法一一介绍，下面只简单介绍创新设计、智能设计、并行设计、虚拟设计和生命周期设计等几种设计思想和方法以及研究进展等主要内容。

2. 生命周期设计概念

生命周期设计也称为生态设计、绿色设计、环境设计，是一种新的产品系统设计方法，将环境因素纳入产品设计中从而帮助确定正确的决策方向。

生命周期设计就是在产品概念设计阶段考虑产品生命周期的各个环节，包括设计、研制、生产、供货、使用、直到废弃后拆卸回收或处理处置，以确保满足

产品的绿色属性要求。产品生命周期设计的各个环节可用图1来描述。由图可以看出，一个产品的生命周期包括以下各个环节：市场需求分析、设计开发、生产制造、销售、使用及淘汰废弃后的回收处理。在设计过程中，依据特定的评价函数进行设计案例的选择，而评价函数必须包含图1中外圈所示的各项因素，即产品的基本属性、环境属性、劳动保护、资源有效利用、可制造性、企业策略和生命周期成本。

图1 产品生命周期设计轮图

产品生命周期设计过程可以划分为三个层次：设计层、评价层和综合层，如图2所示。产品生命周期的市场需求分析、设计开发、生产制造、销售、使用及废弃后的回收处理六个阶段组成了产品生命周期维，而设计层、评价层和综合评价层则组成产品的设计过程维。

图2生命周期设计基本组成的三个层次

生命周期设计就是在产品生命周期的全过程中，综合考虑和全面优化产品的功能性能(F)、生产效率(T)、品质质量(Q)、经济性(C)、环保性(E)和能源资源利用率(R)等目标函数，求得其最佳平衡点。生命周期设计的主要目的可归结为三个。

(1)在设计阶段尽可能预见产品全生命期各个环节的问题，并在设计阶段加以解决或设计好解决的途径。

(2)在设计阶段对产品全生命周期的所有费用(包括维修费用、停机损失和报废处理费用)、资源消耗和环境代价进行整体分析规划，最大程度地提高产品的整体经济性和市场竞争力。(3)在设计阶段对从选材、制造、维修、零部件更换、安全保障直到产品报废、回收、再利用或降解处理的全过程对自然资源和环境的影响进行分析预测和优化，以积极有效地利和保护资源、保护环境、创造好的人机环境，保持人类社会生产的持续稳定发展。

生命周期设计不仅要设计产品的功能和结构，而且要设计产品的规划、设计、生产、经销、运行、使用、维修保养，直到回收再用的全寿命周期过程。以往的产品设计通常包括可加工性设计、可靠性设计和可维护性设计，而全寿命周期设计并不只是从技术角度考虑这个问题，还包括产品美观性、可装配性、耐用性，甚至产品报废后的处理等方面也要加以考虑，即把产品放在开发商、用户和整个使用环境中加以综合考察。由于对同一种产品对象进行设计，不同的设计人员很可能会设计出不同的模型，这样往往会造成不必要的紊乱，所以为了解决这个问题，统一的模型是必不可少的。同时，为了进行这一模型的统一讲解，要求丁作人员在表达产品制造、生产设备和管理等方面必须拥有统一的知识表达模式。

全寿命周期设计的最重要的特点是它的集成性，要求各部门工作人员分工协作，所以注定他们的工作地点是分散的，尤其在计算机技术已经充分利用到传统工业设计中来的时候，每个工作人员都拥有自己的丁作站或终端。所以，分布式环境是全寿命周期设计的重要特点。全寿命周期设计始终是面向环境资源(包括制造资源、使用环境等)而言的，它的一切活动都是为了使制造出来的产品能够“一次成功”并在当地的资源环境下达到最优，而不必进行不必要的返工。在设计过程中，不仅要考虑产品功能、造型复杂程度等基本的设计特性，而且要考虑产品设计的可制造性。

全寿命周期设计的关键问题在于建立面向产品全寿命周期的、统一的、具有可扩充性的、能表达不完整信息的产品模型，该产品模型能随着产品开发进程自

动扩张并从设计模型自动映射为不同目的的模型，如可制造性评价模型、成本估算模型、可装配性模型、可维护性模型等，同时产品模型应能全面表达和评价与产品全寿命周期相关的性能指标；面向用户的全寿命周期的产品智能建模策略，开发相应的计算机辅助智能导航产品建模框架系统，包括产品的全过程仿真和性能评价模型、面向全寿命周期的广义约束模型、复合知识的表达模型及其进化策略。全寿命周期设计涉及大量的非数值知识，现有的简单的数值化方法不能很好反映非数值知识的本质，不仅造成模型的失真，更使模型不易被用户理解。解决数值和非数值混合知识的表达和进化已成为产品全过程寻优的关键。

3. 生命周期设计历史沿革

早期，人们对产品生命周期设计(product life cycle)的认识仅仅局限于与产品销量相关的过程，如图3所示。这个时期的产品生命周期就是其市场周期。

图3 产品生命周期曲线

现在，产品生命周期已涉及环境、技术经济、社会等多个领域的概念，是产品整个生命周期各个阶段的总和，包括了产品从自然中获得最初的资源、能源，原材料经过开采、冶炼、加工等生产过程形成最终的产品，又经过产品的存储、批发、使用等过程，直至产品报废或处理的全过程。下面介绍产品生命周期思想产生的背景。

1.环境恶化

进入20世纪80年代以来，由于消费品的消费量日益剧增，产品的使用寿命逐渐缩短，产生了大量的工业废弃品。同时，自然资源面临过快开发和过量消耗的严重局面，带来了日益严重的全球环境污染问题。土地沙漠化、酸雨、大气污染、水源污染、森林减少、物种灭绝等困扰人类已久的问题尚未得到解决，又出现了诸如大气臭氧层空洞、温室效应等全球性的新的环境问题。资源枯竭、自然

生态破坏以及诸多全球性环境问题威胁着人类的生存，影响人们的生命健康，并且以各种途径制约社会的可持续发展。环境问题导致了产品设计理念的根本性转变，近年来国内外学者提出的产品周期设计的思想与理念，主要包括面向环境、生态设计、绿色设计、环境意识设计和制造、敏捷制造等。

2．市场竞争

21世纪是充满竞争的时代，面对国际市场竞争的压力，企业既面临生死存亡的挑战，也可能获得广阔的发展机遇，其关键取决于是否能及时而有效地开发出适应市场需求的新产品。要使产品具有市场竞争力，产品的生产周期、质量、外观、价格、环保性等都起着关键作用。在可持续发展战略思想深入人心的时代，产品设计的绿色环保性在竞争中起了很重要的作用，有绿色商品标志的产品的销量远远大于一般产品，国际市场中注重环保的产品更有竞争力。面对当今这样激烈的、多样化的市场竞争，产品设计必须走生命周期设计路线，将设计、质量、经济性、环保一同考虑，从设计出发，围绕核心的竞争因素展开设计，以质量竞争作为产品的基础，以经济环保竞争作为再次提升质量的动力，设计的最初规划表明了后续的回收再利用方法与原则，为减轻环境压力和满足用户需求而设计出高质量、美观大方、环保的产品。

4. 生命周期设计的必要性

●公众的需要

生产对环境无害的产品或绿色产品，已成为公众的普遍要求。

随着环境污染的加剧、环境公害的不断发生，引起了社会各界的强烈反应：现在，对改善环境质量的要求越来越迫切。1991年美国NBC进行了民意调查结果，80％的美国人把环境问题放在第一位，15％的人强烈要求对环境的损害要赔偿；不购买有环境污染的产品。大多数人认识到，必须对现有的产品、生产方式和消费方式进行变革，以减少环境污染，而不是等待环境出现问题后来解决。产品的制造者采纳公众的要求，即首先就应考虑产品的环境与用户安全要求，要求设计者采用生命周期设计：设计者则要将环境要求与产品性能和其他要求综合在一起。

●提高产品竞争力，降低成本

一些国家已经把产品的环境因素作为产品质量的一部分，现在许多公司已经

清楚认识到，高质量的产品是成功竞争的基础，将环境因素纳入到产品质量控制中，在未来的国际市场竞争中，产品必将有更大的竞争力。高明的企业家都清楚，高质量的产品不是高费用的、最佳的产品，而是少缺陷的、质量高成本最低的产品。他们也认识到，发现并降低环境“缺陷”，也同时降低了产品的成本，提高了产品的质量。产品总费用的评占，有助于公司确定产品开发的真实成本。产品成本不仅包括通常所应包括的项目，还应考虑到一些潜在的、隐蔽的法律责任和确定的环境方面的费用。这些费用都应在产品开发中考虑到的。

满足环境保护的要求

产品生产就是资源的消耗，每一种产品都有多种的环境影响：首先，产品要消耗可再生的和不可再生的资源。随着资源的消耗，产生严重的影响。如稀有植物和动物将濒临灭绝；可再生的资源将枯竭，如石油将耗尽伴随资源消耗的另一些环境影响，即是产品在开发和使用中，使用了有害的物质，产生了有害的废物。产品在生产中排放物和使用后的废弃物，以各种形式构成了对大气、水和土壤的污染或对生态环境、人类健康的危害：而且这种危害往往不只是对工厂自身的和周边的环境影响，它还涉及到长远的、区域的，甚至是全球范围的影响，如温室效应，全球气候变暖和臭氧层破坏等。

产品设计中的环境目标，既控制了现在的，也预防了未来可能发生的环境问题。因而，产品的环境要求设计，有助于推动可持续的资源使用和管理，也保证了未来的环境质量。同样，资源的合理利用、减少排放物和废物的产生，不仅仅是减少了环境影响，同时也是节约了资源，保护了动、植物的生长，维护了生态环境质量。

5. 生命周期设计研究概况

对生命周期设计的研究始于20世纪90年代。生命周期设计是产品设计方法学的一个重要分支。传统产品设计方法学将工程设计过程分为四个阶段：任务明确阶段、产品概念设计阶段、具体化设计阶段和详细设计阶段，这种设计模式是典型的串行的产品开发方式。虽然利用相关技术各阶段之间能够实现信息交流和专业互补，但始终不能克服串行模式的致命缺陷，即设计生产的周期太长；阶段间交流与反馈力度不够；设计只关注当前环节，忽视了后续环节的重要影响等。

国外著名高校对生命周期设计进行了研究，其中丹麦工业大学奥尔廷教授提

出了对环境、职业健康、资源消耗产生最小影响的持续工业生产。并提出了“生命周期概念”，指出：如果产品及其生产系统最初也是为环境特性而设计，将会取得更为显著的经济及技术效果。从奥尔廷教授的研究成果中可见，生命周期设计已被重视，成为研究人员所关注的理论方法，并已广泛开展研究。产品生命周期设计是解决目前环境、人口和资源问题的最重要方法之一。生命周期设计是从并行工程发展而来，它不同于传统的从摇篮到坟墓的设计，而是一种从摇篮到再生的设计，其目标是所设计的产品对社会贡献最大，而对制造商、用户和环境的成本最小，是一种在产品设计阶段就考虑产品全生命周期中各个阶段(包括需求识别、产品开发、产品制造、产品销售、产品使用、回收处理等阶段)的所有因素的设计方法，如图4所示。

图4 生命周期设计的概念

从产品设计开始防止环境污染是一条经济和最有效的途径。保护环境是我国政府和研究人员的重要职责。我国解决环境污染问题不应再采用“先污染，后治理”的方法，而必须从源头开始，应该采取“污染预防，全程控制”以及“让产品全生命周期里不产生环境污染”的策略，生命周期设计思想正是实施这一策略的有效方法。生命周期设计方法具有以下特点。

(1)系统性。指对整体的考虑，设计不仅仅是设计对象的单纯的设计．而是把握整体，着眼于对象或产品有关的外部环境的各种冈素，通过它们对产品的相互影响，从而得出产品的制约因素以及设计想法。

(2)并行性。将产品存在的整个生命周期进行同时考虑，分析每个阶段可能存在的不利因素，在设计时加以解决，有效地利用了时间，提高了效率。

(3)集成性。因为生命周期设计需要在各个阶段进行频繁的信息交流与反馈，

因此采用系统化、模块化的知识结构，利用计算机技术，通过信息的存储与选择，设计师可以很精确地给设计定位，确定设计的方向和方法手段，以及设计的具体规划，保证了设计的顺利开展。

6. 生命周期设计的目标

生命周期设计的终极目标是寻求合理的建设性的方案，实现资源能源的可持续利用和对环境的影响最小化，降低全部环境影响和对人体健康的风险。所以，首先需要开发新的理念，包括非物质化产品共享、以服务功能代替产品等。其次需要开发产品结构优化设计战略，包括整合产品功能、增加产品的可靠性和耐用性、易维护和维修、进行模块化设计等。

生命周期设计追求的是：

图5显示了有关生命周期设计的目标。

图5. 有关生命周期设计的目标

●节约资源

产品的全生命周期各阶段及有关的经济活动，都离不开资源的消耗。尽管风能和太阳能是免费的，但要获得这些能源也需要花费。高效功能产品的设计可节约资源，因而由原材料的获取和生命周期各阶段消耗的资源而产生的环境影响，也得到降低。

●预防污染

污染是人类活动的副产物或不应有的排放物或残留物产生的。经过长期的认识与实践，人们认识到，只有从源头减少与预防污染，才能有效地控制日益蔓延的污染趋势，减少复杂的环境影响。污染预防对减少环境影响也是有多重的作用。一方面提高了大气、土壤和水的环境质量：另—方面，污染预防又能通过减少原材料的流失、减少昂贵的末端处理费用和废物处置达标的稳定性，而降低成本。

产品体系设计中，预先考虑到了避免环境污染，提出有效预防的措施，即时避免在产品生命周期各阶段产生的环境影响，提高企企在公众、媒体中的有利形象，提高其在市场中的竞争力。

●环境责任的平等性

在发达国家与欠发达国家之间存在着资源与污染分配中的巨大的不公正。在国家内也存在着资源与污染分配的不同地区。

由于发达国家对产品生产的环境控制要求，一些污染严重的产品生产，逐渐转移到了不发达国家或地区，这些产品大多是资源消耗性产品或污染严重的产品。生产中产生的污染和其他影响加速了这些欠发达国家或地区与发达国家或发达地区的差距。

也就是说，不同国家可接受的环境影响和健康风险的水平是有很大的不同。很多欠发达国家，把生存放在第一位，为发达国家提供这些环境影响大，价值低的产品，没有顾及自身承担的环境影响和健康风险，调查表明，正是那些收入低的地区的人们，消耗资源，为发达地区或国家生产加工污染严重的材料或产品，比收入高的人群承受更多的健康和环境风险

生命周期的设计足要从产品全生命周期考虑降低环境影响，生命周期的每一阶段都要均衡分担环境责任，而不只是材料获取和产品制造者承担责任。产品在销售和使用上都对环境责任进行补偿。同时，从设计如手，减少原材料获取和产品制造的环境影响，才能降低这些地区、国家的产品制造者承担的风险。此外，传统的产品成本没有考虑环境影响和生态破坏恢复的成本，只用现有的制造成本价值表示，致使欠发达国家生产的产品价格低廉，发达国家与欠发达国家在环境和资源上消耗与补偿责任上的不公正性更加加剧。生命周期的成本设计，可从环境与生态恢复的经济补偿上平衡产品制造和使用者的环境责任。

●可持续的生态体系

节约资源、预防污染和平等地承担资源与环境风险有助于维护一个多样性的、可持续的生态体系，可持续性，即是使生态系统自身维持长时期稳定运转。可持续的生态系统也是星球生命的支持体系、健康的、功能全的生态系统，才能维持人类的基本需要，有足够的食物、清洁的水、清洁的空气和良奸的居住、衣物和所需的原料。

●有活力的经济体系

环境的污染、资源的枯竭、生态的破坏、人类的健康遭到危害，这些都是经

济繁荣带来的代价，也是不能维持经济持续发展的-产品应该根据平衡人类资源、自然资源和环境容量来设计，以达到污染预防、资源的节约和生态系统的可持续性。合理的、稳定的经济增长速度，或降低人口增加速度，都是维持生态系统的活力不可缺少的。从长远来看，增加产品的附加值，提高生活质量，远比增加产品的生产和消费更重要。消耗物质的、传统的致富方式，将要被精神的和非物质的致富方式替代。

7. 生命周期设计方法

生命周期设计就是谋求在整个生命周期内资源能源的优化利用，减小或消除环境污染。产品生命周期设计的方法包括以下几个方面的内容。

(1)产品设计面向生命周期全过程。产品设计应考虑从原材料采集直至产品废弃后的处理处置全过程中的所有活动。

(2)环境需求分析应在产品设计的初期阶段进行。在产品设计的初期阶段就应归纳出对其系统的环境要求，而不是依赖于末端处理，要综合考虑环境、功能、成本、美学等设计准则，在多目标之间进行权衡，做出合理的设计决策。

(3)实现多学科跨专业的合作设计开发。由于生命周期设计涉及生命周期的各个阶段、各种环境问题和环境效应，以及不同的研究对象，如减少废弃物排放、现有产品的再循环、新产品开发及再循环等，所以，产品的设计任务涉及广泛的知识领域。

以啤酒生产为例，不仅仅涉及啤酒酿造工艺和酿造设备的设计，还涉及啤酒的包装问题，在瓶装啤酒中，包括啤酒瓶、瓶盖、标签等的设计。啤酒瓶是灌装含气液体并多次重复使用的包装容器，应具备足够的坚固性，同时又要减小质量、易于清洗；瓶盖直接与啤酒接触，瓶盖材料和垫片材料应无毒性，并能保证在保质期内有足够的密封性能；标签纸要有足够的牢度，以免在运输过程中脱落，印制图案的油墨应不含毒性。显然，有关啤酒瓶、瓶盖、标签纸、印制油墨、黏结剂等问题都不是啤酒工艺设计师的擅长。多学科的合作设计，可以从一开始就仔细谋划设计的各个方面，集思广益，做出最佳的选择。这样不但可以增加产品成功开发的机会，而且可以缩短设计周期。

8. 生命周期设计程序

图6 产品生命周期设计的程序

产品生命周期设计的程序如图6所示。首先，进行产品需求分析，主要是对产品设计范围和目的进行分析，除了进行产品基本性能要求分析之外，着重分析产品的环境要求和法规要求。对于环境需求，一般以最小需求的形式给出，即确立环境需求的极限值不超过某一规定的界限，如小型日光灯中的汞含量不得超过5mg／灯，对于气体放电灯，组件、材料和物质再利用和再循环率将达到灯质量的80％以上等。通过产品需求分析确定产品设计要求后便可以对产品的设计、制造工艺、使用及废弃处理等生命周期不同阶段进行整体规划设计，并对各阶段的设计过程和结果进行协调，从而达到资源优化利用，减小或消除环境污染的目的。

9. 生命周期设计的发展趋势

综观生命周期设计及其相关领域的研究现状，可以总结出目前还存在着如下一些问题和不足需要解决，如生命周期设计研究方法体系的建立和进一步完善；对产品的寿命没有进行有效的预测，不能为产品生命周期设计决策提供必要的支持；缺乏支持产品全生命周期过程的统一的集成产品信息模型；缺乏全生命周期的实时知识库和数据库的支持；生命周期设计方法与CAD系统的集成力度不够；缺乏实用的设计评价方法以及环境影响评估方法。随着计算机技术、互联网的高速发展，必将为上述问题的解决提供强有力的技术支持。因此，根据对产品生命周期设计文献综述和对产品生命周期设计理论的研究，产品生命周期设计领域的发展趋势如下。

(1)产品全生命周期设计集成体系结构的研究。从目前的现状看，在产品全生命周期设计领域取得的研究成果还仅仅局限于生命周期的某一阶段或几个阶段的集成，真正意义上的产品全生命周期集成体系结构的研究还存在很大的难度，集成化是产品生命周期设计的发展趋势之一。

(2)产品的寿命预测与等寿命设计研究。产品的设计寿命和使用寿命是传统机械设计的指标，也是产品全生命周期设计的主要内容之一，产品的寿命预测与等寿命设计是目前需要解决的课题。

(3)知识库、数据库和知识共享。面向全生命周期的设计必须建立在现代最先进的知识平台之上。建立面向全生命周期各阶段设计的知识库、数据库并通过各种方式共享知识是实现全生命周期设计的重要基础。

(4)支持全生命周期设计的集成产品信息模型。支持产品全生命周期设计的产品信息模型是成功进行生命周期设计的关键技术之一，其目的是提供产品在全生命周期分析与评价时均能通用与数据共享的统一模型。

(5)产品生命周期多目标综合评价理论体系的研究。产品生命周期多目标评价理论体系研究产品的技术性能、经济性能和全生命周期内对环境的影响程度以及综合评价能源及资源的利用率，建立相应的评价标准体系和在此基础上的产品分析与评价模型。

(6)产品生命周期设计系统与CAD系统的集成。为了能及时地根据评价的结果对设计方案进行修改，必须将生命周期设计系统与CAD设计系统进行集成。