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面向客户需求的产品绿色设计方法研究 摘要 环境的恶化与人们环保意识的提高，使产品设计的环保压力骤然增加，这 种压力推动绿色设计迅速发展起来。而客户需求是产品绿色设计的主要驱动 力，满足客户需求是设计活动的最终目标，因此，如何将客户需求充分地融入 设计的各个环节，是绿色设计必须重视的问题。 随着社会的进步与产品设计理念的发展，客户的概念已经不再局限于最初 的消费者群体，客户需求的内容也得到了相应延伸。本文将与产品有关的社会 公众、相关法规、自然环境、产品设计制造人员等纳入客户范围，提出了包括 “常规客户”、“设计制造客户”、“社会公共客户”的广义客户的概念，分析了 他们各自的需求特点，并对面向广义客户需求的绿色设计方法做了研究。 论文系统归纳了面向客户需求的绿色设计流程；研究了客户环境化需求的 提取方法，并对客户需求项、需求水平、需求重要度等进行规范化处理；对适 宜进行配置的产品，提出了以规范化的客户需求为出发点、基于实例推理 ( c b r ) 的配置设计方法；对不宜进行配置设计的产品，以改进的质量功能配 置( q f d ) 方法实现了客户需求向产品工程特性的转化，通过绿色化改进的t r i z 工具实现了绿色设计冲突的消解，经改进设计后得出绿色设计方案，最终用面 向客户需求的评价方法对设计方案做出评价。 采用面向客户需求的绿色设计方法进行产品开发，可以使客户需求充分地 融入产品设计制造的各环节，在保证产品全生命周期环境友好性的同时，满足 客户的个性化需求，最终达到最高的客户综合满意度。 关键词：绿色设计客户需求需求模板冲突消解 r e s e a r c ho ng r e e n d e s i g nm e t h o do r i e n t e dt o c u s t o m e rr e q u i r e m e n t s a b s t r a c t a l o n gw i t h t h ed e t e r i o r a t i o no fe n v i r o n m e n ta n dw i m p e o p l e si n c r e a s i n g c o n s c i o u s n e s so fp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t ，t h ee n v i r o n m e n t a lp r e s s u r eo fp r o d u c td e s i g n i n c r e a s e dr a p i d l y , a sar e s u l t ，g r e e nd e s i g nd e v e l o p e dq u i d d y a n di ti st r u et h a tc u s t o m e r r e q u i r e m e n ti st h em a i nd r i v eo fp r o d u c tg r e e nd e s i g n ，a n dt os a t i s f yc u s t o m e rr e q u i r e m e n t i st h ed e s i g n e r sf i n a la i m s ot h ed e s i g n e rs h o u l da t t a c hi m p o r t a n c et ot h em a t t e ro fh o w p u t t i n gc u s t o m e rr e q u i r e m e n ti n t ot h ep r o c e s so fp r o d u c td e s i g n t h er a n g eo fc u s t o m e rh a sb e e ne x t e n d e da st h ew o r l da n dd e s i g nt h e o r y sa d v a n c i n g , a n dc u s t o m e rr e q u i r e m e n ti sa l s oe x t e n d e da c c o r d i n g l y t h i sp a p e rb r o u g h tt h ep u b l i c p e o p l e ，r e l a t e dr u l e s l a w s ，e n v i r o n m e n t ，p r o d u c td e s i g n e ra n dp r o d u c e ri n t ot h ec o n c e p to f c u s t o m e r ,a n dp u tf o r w a r dab r o a ds e n s ec o n c e p to fc u s t o m e r , t h e na n a l y z e dt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h e i rr e q u i r e m e n t t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h ep r o c e s so fg r e e nd e s i g no r i e n t e dt oc u s t o m e rr e q u i r e m e n t s ； a n dc o n s t r u c t e dar e q u i r e m e n tt e m p l a t et oh e l pt h ed e s i g n e rc o l l e c t i n gc u s t o m e r s r e q u i r e m e n t ( e s p e c i a l l yt h ee n v i r o n m e n t a lr e q u i r e m e n t ) ，m e a n w h i l es o m es t a n d a r d i z a t i o n w o r kh a sb e e n d o n et od e a l 谢n lt h ei t e m ，t h el e v e la n dt h ew e i g h to fc u s t o m e rr e q u i r e m e n t t h ec o n f i g u r em e t h o do fc b rw a si n t r o d u c e dt oh e l pf o r m i n gas c h e m eo fg r e e nd e s i g n 淞 t ot h ep r o d u c tt h a tc a nc o n f i g u r e de a s i l y ；o t h e r w i s e ，u s i n ga ni m p r o v e dq u a l i t yf u n c t i o n d e p l o y m e n tt o o lt oc a r r yo u tt h et r a n s f o r m a t i o nf r o mt h ec u s t o m e rr e q u i r e m e n tt ot h e p r o d u c tc h a r a c t e r , t h e ne m p l o y e dt h e t o o lo fi m p r o v e dt r i zt oe l i m i n a t et h ec o n f l i c t s w h i c ha p p e a r e dd u r i n gg r e e nd e s i g np r o c e s s ，f i n a l l ym a d eag r e e nd e s i g ns c h e m ea n d e s t i m a t e di t i ti sv e r yi m p o r t a n tt a k i n gg r e e nd e s i g nm e t h o do r i e n t e dt oc u s t o m e rr e q u i r e m e n t s i n t ot h ep r o c e s so fp r o d u c td e s i g n i tc a nh e l pt h ed e s i g n e rm a k i n gab e u e rd e s i g ns c h e m e w h i c hc a ns a t i s f yc u s t o m i z a t i o nr e q u i r e m e n ta sw e l l 嬲a c h i e v e st h ep u r p o s eo fp r o t e c t i n g t h ee n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：g r e e nd e s i g n ，c u s t o m e rr e q u i r e m e n t ，r e q u i r e m e n tt e m p l a t e ， e l i m i n a t ec o n f l i c t 插图清单 图1 - 1 面向客户需求的产品设计流程1 2 图1 2 论文组织结构图13 图2 1 客户需求的k a n o 模型15 图2 2 客户需求状态的动态性。1 6 图2 - 3 客户需求采集分析过程模型1 7 图2 4 客户需求的采集1 9 图2 - 5 需求信息品质损失与客户满意度关系图2 0 图2 - 6 电冰箱客户需求的层次框架结构2 1 图2 7f r 拓补结构及f r 分层矢量2 2 图2 - 8 跃变式需求水平2 3 图2 - 9 逼近式需求水平。2 3 图2 1 0 “彳截集”需求水平2 4 图2 1 1 三角模糊数示意图2 5 图2 1 2 评语的模糊含义2 5 图2 - 1 3 引导式客户需求模板系统模型2 8 图2 - 1 4 客户动态需求的提取2 9 图3 1 面向客户需求的产品配置设计框架。3 l 图3 2 面向客户需求的产品配置思想3 2 图3 3 面向客户需求的c b r 配置过程3 5 图3 4 集合型属性3 7 图3 5c b r 算法流程图3 7 图4 1 面向客户需求的产品设计流程3 9 图4 2 绿色客户需求提取过程模型4 0 图4 3q f d e 之h o q 结构图4 2 图4 - 4 绿色性能与设计原则绿色设计技术关系图4 5 图4 5 绿色设计方案集成信息模型4 6 图4 6 设计制造客户需求评价指标5 0 图4 7 设计方案评价层次结构5 1 图4 - 8 绿色性能评价雷达图5 2 图5 1 豆浆机初始化n o q 6 0 图5 2 豆浆机h o q 矩阵计算结果6 1 图5 3 豆浆机结构示意图6 3 图5 4 豆浆机总体设计方案评价6 5 表格清单 表1 1 产品客户与需求表9 表2 1 复杂客户需求分解示例2 1 表2 2 需求信息模板2 6 表2 3 冰箱的固有需求2 8 表4 1 技术冲突矩阵4 4 表4 2 绿色设计原则( 技术) 与t r i z 参数关联表4 6 表4 3 光电鼠标功能与性能信息4 8 表4 4 光电鼠标主要零件及材料4 8 表4 5 光电鼠标零件连接方式4 8 表4 6 绿色设计方案评价指标体系4 9 表5 1 豆浆机的规范化需求5 4 表5 2 重要度参数计算值表1 m ? 5 6 表5 3 重要度参数计算值表2 彰5 7 表5 4 重要度参数计算值表3 5 7 表5 5 重要度参数计算值表4 彰5 7 表5 - 6 客户需求项及需求参数。5 8 表5 7 产品实例库5 9 表5 8 产品相似度计算过程5 9 表5 - 9 各实例与输入需求的相似度6 0 表5 1 0 豆浆机绿色冲突消解过程6 1 表5 1 1 面向需求的总体概念设计方案6 2 表5 1 2 豆浆机主要零部件设计方案6 3 表5 1 3 豆浆机总体设计方案评价数据6 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金旦旦王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 饧 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金胆王些太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名0 灸俪毛 签字日期游f 月夕日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师戳：司 签字日期；函年厂月夕日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师刘志峰教授的悉心指导下完成的，从入学以来研究方向的 确定到论文的撰写、修改、定稿整个过程都凝聚着导师大量的心血。导师个人 渊博的知识、开拓的视野、以及在学术上严谨的态度、科研上无私奉献的精神 和工作上勤奋务实的作风一直是我学习的榜样。导师的谆谆教导和生活上对我 的关心与帮助我将永远铭记，在此谨向导师致以崇高的敬意与诚挚的感谢! 衷心地感谢绿色设计与制造研究所的刘光复教授、宋守许副教授、朱家诚 教授和黄海鸿老师，三年来各位老师在学习与生活上给了我很大的帮助：特别 感谢张雷老师，张老师在这三年中对我学习上倾注了大量心血，在生活上给了 我兄长般的关心与帮助，对本文的选题及撰写进行了深入细致的指导，在此表 示衷心的谢意。 感谢高洋、李冰冰、胡迪、陈清、 在生活和学业上给予我的支持与帮助， 中所提供的支持和宝贵意见。 杨德军、陈志军、鲍宏、伸榕南等硕士 感谢他们在本人科研和完成此文的过程 感谢已毕业的莫兴波等硕士在生活和学习上给予我的支持和帮助。 感谢我的家人。感谢父母对我的养育之恩，感谢我的姥姥、父母和我的姐 姐、妹妹多年来对我学习、生活上的关怀与呵护，没有他们默默的付出与全力 的支持，我不就可能顺利完成学业。我将用更大的努力来回报所有关爱我的亲 人。 最后，向所有给予我关心和帮助的老师、同学和亲友致以深深的谢意和美 好的祝福。 张福龙 2 0 0 8 年4 月 第一章绪论 1 1 研究背景 我国在2 0 世纪9 0 年代以前，大多数工业品处于短缺状态。在这种产品供 不应求的市场状况下，各产业的发展模式基本上都是粗放型的总量快速扩张， 这在较短的时间内形成了非常可观的生产能力，这一时期产品的设计与生产均 以设计者为主导，企业对广大客户的需求重视程度比较低，甚至经常忽视客户 自身的需求。但是，进入9 0 年代，尤其是9 0 年代中期之后，随着现代生产管 理制度的健全和现代生产技术的发展完善，许多产业陆续出现了生产能力过剩 的情况，各产业供大于求的局面基本形成，过去的卖方市场也逐步的向买方市 场过度，买方市场的格局逐渐形成并得到巩固。根据对6 1 3 种典型商品的调查 统计，1 9 9 7 年下半年供过于求的有1 9 5 种，占总数的3 1 8 ，供求平衡的是4 0 8 种，占总数的6 6 6 ，而供不应求的仅为1 0 种，占总数的1 6 。 与此同时，统一的市场逐渐向多元化的市场转变，市场的稳定性逐渐改变， 变得很难预测，客户需求越来越趋向于多样化、个性化，而且要求产品保持低 价格、高质量且要按时迅速交货。因此，企业想通过粗放型、大批量设计与生 产的模式在市场竞争中取得优势，变得越来越困难。在这种形势下，企业之间 的竞争越来越倾向于更好的满足客户需求，提高客户的忠诚度，在保持原有客 户的前提下，不断挖掘新客户。在现代产品设计中，“客户至上”的设计理念已 经被越来越多的企业所接受，而产品质量的好坏在很大程度上也是以客户的满 意程度为标准的，以最短的时间，开发出最符合客户需求的产品，才能让企业 立于竞争的不败之地。这就促使以产品为中心的商业模式迅速向以客户为中心 的商业模式转变。 客户对产品的需求是产品设计的出发点，也是连接市场与产品开发过程的 桥梁，有效地获取和理解客户需求，并在设计过程中准确地定义产品需求信息， 是当今在竞争激烈的全球化市场环境中成功地设计产品的必要前提。准确和有 效地获取产品需求信息是产品设计过程的重要环节，是顺利开发产品的基础， 它直接影响到产品开发过程的其他后续步骤，不仅能缩短产品的上市时间，而 且对以客户满意度为衡量标准的产品设计质量有重大影响，因此，产品制造企 业各方面的工作都要围绕客户需求来进行，以便将满足客户需求的设计理念充 分地融入产品开发的每一个环节中。 目前，在面向客户需求的设计方法中，对可配置产品进行产品配置设计， 是一种有效方法。在可配置产品中，产品的组件组成产品的策略是预先定义和 设计好的，通过可能的策略对组件进行可能的组合或配置，就可以得到产品所 有可能的产品组合个体，这些个体能向客户提供预先定义的一定范围内的功 能，即产品的功能范围是预先定义的，并映射为产品的组件组成产品的策略， 如果通过不同的策略对组件进行组合，就可以得到不同功能的产品个体。产品 配置实际上就是根据预先设定的组合方式和客户需求对可选择组件进行选取， 并组合成为产品个体，形成初步设计方案，对该方案进行修改与完善后，使其 表现出特定的功能和性能，以满足不同的需要。 对于不易配置的产品，越来越多的企业倾向于采用质量功能配置法( q u a l i t y f u n c t i o nd e p l o y m e n t ，q f d ) 来进行辅助设计，q f d 要求产品开发直接面向客 户需求，是把顾客或市场的要求转化为设计要求、零部件特性、工艺要求、生 产要求的多层次演绎分析方法，它体现了以市场为导向，以客户需求为产品开 发唯一依据的指导思想。根据文献报道，运用q f d 方法，产品开发周期可缩 短三分之一，成本可减少二分之一，质量大幅度提高，产量成倍增加。q f d 中 与客户需求直接相关的阶段质是量屋( h o u s eo fq u a l i t y ，h o q ) 转换阶段，通 过它可以将客户需求转换为专业化设计需求( 最终产品的技术特征) 。 1 2 绿色设计 上述面向客户需求的设计方法，都极大地推动了面向客户需求的产品个性 化设计。然而仅仅关注客户需求或者人类本身的狭隘需求是远远不够的，正是 由于人类目光的短浅，已经带来了一些灾难性的后果： 在过去几十年里，人们把主要关注点放在了人类自身短期的需要以及产品 本身的功能、性能方面的需求上，而这一段时期正是人类活动能力与生产力空 前强大的时期，人类在发展经济的同时，对自然资源肆意开发，对环境进行了 无偿利用，再加上几百年来的工业发展过程中产生的累积影响，生产活动所消 耗的资源远远超过了工业化之前三千年消耗资源的总和，造成的自然生态破坏 和环境污染也远远超过了大自然自身的净化与恢复能力，打破了农耕时代“收 支平衡”的良性循环状态，并严重威胁到人类的生存与发展。近年来相继出现 的温室效应、大气臭氧层破坏、酸雨污染、有毒化学物质扩散、人口爆炸、水 资源短缺和污染、土壤侵蚀、森林锐减、土地沙漠化、生物多样性锐减等各种 全球性生态问题，耗费了人类大量的财富，对人类生产力的进一步发展产生了 很大的制约；产品使用寿命越来越短( 并非产品丧失了原有的功能，而是消费 者选择了更新、更好的产品) ，废弃后又不能有效地回收利用，造成数量越来 越多的废弃物；而资源的过度开发和过量消耗，已造成多种资源的短缺甚至枯 竭。 以保护环境为己任的绿色设计就是在这种大背景下产生的。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【z j 。 2 1 2 1 绿色设计产生的背景 ( 1 ) 消费者环保意识提高。 随着地球环境状况的恶化，人类也面临着日益严峻的环境问题，面对如此 严重的问题，人类的环保意识逐步被唤醒了，世界各国都在积极将环保措施付 诸实施，积极倡导有利于环境的生产、消费活动，尽量限制破坏环境的行为， 建设资源节约和环境友好型社会已成为一股潮流和趋势。 绿色消费迅速成为各国人们所追求的新时尚。据有关民意测验统计，7 7 的美国人表示，企业和产品的绿色形象会影响他们的购买欲望；9 4 的德国消 费者在超市购物时，会考虑环保问题；在瑞典8 5 的消费者愿意为环境清洁而 付较高的价格；加拿大8 0 的消费者宁愿多付1 0 的钱购买对环境有益的产品； 在日本6 0 以上的消费者常常留意购买对环境友好的商品，4 0 以上的消费者 在价格相同的时候，他们会选择购买可再生产品 3 1 。2 0 0 1 年3 月至6 月，中国 消费者协会开展的“千万人绿色消费志愿者在行动”调查结果显示：9 5 以上消 费者认可和支持绿色消费。对全国3 6 个副省级以上城市的调查也表明【4 j ：9 8 9 的消费者愿意为推动绿色消费而尽力。 ( 2 ) 各国政府的推动。 1 ) 政府进行绿色采购 世界各国政府纷纷实施了“绿色采购”计划，即国家要求法律承认的各级国 家机关、事业单位和团体组织等利用财政资金进行采购时，在技术、服务等指 标同等的条件下，通过政府庞大的采购能力，优先购买对环境冲击较小的产品， 促进企业环境行为的改善，推动国家循环经济战略及具体措施的落实，同时对 社会绿色消费起到巨大的推动和示范作用。 2 ) 政府推动绿色标志 1 9 7 7 年，德国实施了“蓝色天使 计划，对在生产和使用过程中都符合环 保要求且对生态环境和人体健康都无害的产品，授予“绿色产品 标志，无此 标志的产品在进口时要受到数量和价格上的限制，到2 0 0 5 年，德国环境标志 产品已达7 5 0 0 多种，占全国销售商品总数的3 0 。1 9 9 2 年，美国能源部与美 国环境保护署共同推广实施了“能源之星”计划，其目的是降低能源消耗及减 少发电厂所排放的温室效应气体。我国于1 9 9 3 年开始实施绿色标志认证制度， 并制定了严格的绿色产品标准，绿色消费意识也逐渐为人们所接受。 3 ) 订立国际公约，制定环保立法 2 0 世纪5 0 年代以前，涉及环境与环保问题的国际公约只有6 项，7 0 年代 增长到1 6 项，8 0 年代增长到1 0 0 项左右，目前世界签署的与环境和资源有关 的国际公约、协定及协议已达1 8 0 多项，如保护臭氧层维也纳公约，关于 破坏臭氧层物质的蒙特利尔议定书及其伦敦修正案、生物多样性公约、 联合国气候变化框架公约等。 2 1 世纪出台的环境保护法规或指令中，对机电产品影响力最大的是欧盟的 三大环保指令：报废电子电气设备指令( w e e e ) ，规定自2 0 0 5 年8 月1 3 日 起，在欧盟市场上销售、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；关于在电子电气设备中禁止使用某些 有害物质指令( r o l l s ) ，规定自2 0 0 6 年7 月1 日起，所有在欧洲市场上出售 的电子电气设备必须严格控制铅、镉、汞、六价铬、聚溴二苯醚( p b d e ) 和 聚溴联苯( p b b ) 六种有害物质的含量；耗能产品设计指令( e u p ) ，首次将 “生命周期”理念引入产品设计环节中，旨在从源头入手，在产品的设计、制 造、使用、维护、回收和后期处理这一周期内，对能源产品提出环保要求。 ( 3 ) 企业竞争与企业发展的必然产物。 绿色消费与环保法规的出台，对企业传统产品的生产提出了严峻的挑战。 企业是实施绿色设计的主要载体，是环保压力的主要承担者之一，同时也是绿 色设计的直接获益者。绿色消费中也蕴含着无限的商机，它给企业提供了一个 全新的竞争平台，经营者逐渐意识到尽早采取绿色设计方法生产绿色产品才能 在市场竞争中占据主动地位，同时也可为企业本身树立良好的环保形象。实施 绿色设计还可以突破绿色贸易壁垒这一国际贸易障碍，如果说达到国内环保法 规的要求是企业生存的基础，那么突破绿色贸易壁垒则是企业走向世界的必要 条件，企业只有通过实施绿色设计，提高产品的绿色性能，才能突破绿色贸易 壁垒，增强企业的国际竞争力。 1 2 2 绿色设计现状及发展趋势 绿色设计与传统设计方法不同，它涵盖了概念设计、生产工艺设计、使用 乃至废弃后的回收、重用及处理等设计内容，贯穿了产品全生命周期的各个阶 段，实现了产品“从摇篮到再现”的过程，使产品生命周期形成了一个封闭环。 在绿色设计过程中考虑了产品及工艺对环境产生的负作用，并将其控制在最小 范围之内或最终消除，这就是绿色设计的基本思想【5 】。 产品绿色设计以省材、节能、降耗、环保、资源循环利用为宗旨，提出了 面向环境、面向能源、面向材料的新设计思路和方法，强调资源的高效利用和 循环利用，以“减量化、再利用、资源化 为原则，以低消耗、低排放、高效 率为基本特征，可以减缓地球上矿物资源的消耗速度，保护地球的矿物资源， 使其得到合理可持续的利用，因此这种设计模式已在世界范围内形成了共识， 同时也得到了快速发展。 1 2 2 1 绿色设计发展现状 近年来国内外对绿色设计的研究非常活跃，与之相关的理论和方法从2 0 世 纪9 0 年代中期开始就成为产品设计领域的重要研究课题。人们通过对绿色设 计内涵、理论基础、体系结构等的研究，逐步形成与完善了绿色设计理论体系 【6 - l 0 1 。 4 些发达国家特别是美国、日本、加拿大和西欧各国对绿色设计技术及产 业化的研究开展比较早，其绿色设计的推行力度比较大，产业化程度也远高于 其他国家。美国c a r n e g i em e l l o n 大学的绿色设计研究所( g d i ) 近年来一直在 从事产品回收系统设计、全生命周期成本核算、有毒排放物数据库、电脑的报 废处理技术、环境标准制定和管理系统等研究工作；b e r k e l e y 加州大学绿色设 计与制造研究机构c g d m ，主要从事半导体制造业的环境意识设计、电子产品 回收和废弃处理、环境供应链管理、基于经济收支分析的生命周期评价等研究 工作；伊利诺斯大学( u n i v e r s i t yo fi l l i n o i s u r b a n ac h a m p a i g n ) 对产品设计、 制造、使用及废弃处理等作了系统严格的定量分析，结合统计学、l c a 和并行 工程及多目标决策技术，研究了新的产品优化设计方法。日本大阪大学的梅田 研究室 1 1 】长期从事面向生命周期的绿色设计相关方面的研究，并取得了一定的 成就。加拿大w i n d s o r 大学环境意识设计与制造实验室( e c d ml a b ) 建立了 支持环境设计与制造的基于万维网的信息数据库【l 引，2 0 0 4 年完成了单纤维回 收再利用工程( m r r p ) 1 3 - 1 4 】并发布到互联网上。荷兰代尔夫特工业大学( d e l f t u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 、c r a n f i e l d 、s u r r e y 、b r u n e l 和m a n c h e s t e rm e t r o p o l i t a n 大学及科学研究机构t n o 等，分别在不同的产业和行业( 如电子器具、包装 行业等) 做了重点研究，并开发了许多绿色设计工具。英国c f s d ( t h ec e n t r e f o rs u s t a i n a b l ed e s i g n ) 对生态设计、可持续性产品设计等进行了集中研究。 我国在产品绿色设计理论方法上的研究与发达国家基本处于同一水平，但 在实际应用方面，与国外差距还比较大。合肥工业大学从1 9 9 4 年起，就通过 与海尔、美菱等家电企业的合作，结合空调、冰箱等家电产品，对绿色产品设 计理论与方法、产品可拆卸性设计、绿色产品评价理论等方面进行了较为深入 的研究，并取得了阶段性研究成果；清华大学已与美国德克萨斯理工大学先进 制造实验室建立了关于绿色设计技术研究的国际合作关系，对全生命周期建模 等绿色设计理论和方法进行了系统研究，取得一定进展，并在机电产品绿色设 计、印刷线路板的回收再制造技术等方面进行了研究；重庆大学对与绿色设计 与制造直接相关的制造系统的资源与能源问题进行了研究；另外华中理工大 学、上海交通大学、山东大学、机械科学研究院等也在绿色设计领域打下了坚 实的基础。 除上述各种学术及科研机构外，国内外许多著名企业，如i b m 、d e l l 、三 洋、东芝、索尼等企业非常重视产品绿色设计与制造技术的研究与应用，多数 已经开展了企业绿色采购，并在各自研发的多种产品中采用绿色技术，有了一 定的产业化基础。国内的海尔、美菱、美的等企业对绿色家电产品的开发也非 常关注，并开展了相应的研究，但是，由于国内将绿色设计理论转化为实际应 用成果的能力较弱，又缺乏绿色设计相应的支持工具与支撑数据，所以还没有 形成一套完整的绿色设计应用体系，更没有自主开发出充分考虑节能、环保、 5 回收性、易拆卸的真正意义上的绿色产品。 在研究内容上，目前绿色设计的研究热点，主要集中于关键的绿色设计技 术及产品生命周期不同阶段的环境化处理方面，如材料的选取、面向制造的绿 色设计、面向包装的绿色设计、面向拆卸的绿色设计、面向回收的绿色设计、 全生命周期设计等。 ( 1 ) 绿色设计中有关材料的研究。 绿色设计有关材料的研究，前期主要集中在材料的环境性能分析方面( 材 料毒性、回收性能、废弃后的降解性能或污染情况等) ，通过对大量的材料从 原料开采到加工、使用、及废弃后的环境性能等数据的分析，人们积累了丰富 的经验，进而总结出了指导性的选材原则。随着设计需求的不断发展，及科技 的进步，人们对材料的研究也在逐步深入，目前研究热点已经转向材料的相容 性研究、材料检测、替代材料与新型绿色材料的开发方面。例如美国的瓦那兰 巴特制药公司已率先推出了药用淀粉胶囊以及热塑性生物降解塑料；意大利孟 特爱迪生集团的诺瓦孟特公司用淀粉和变性聚乙烯醇的混合物开发了名为 “m a t e r - - b i ”的生物降解塑料；日本的工业技术院四国工业技术研究所开发出了 纤维素、脱乙酰多糖天然高分子的复合生物降解塑料【”】，我国上海某降解树脂 制品公司研制的“生物降解淀粉基聚苯乙烯发泡材料”属于生物降解塑料，它采 用的是亲水性普通淀粉，但其中加入了自氧化剂，所以具有优良的使用性能与 降解性能，用它制成的发泡板材厚度在1 5 m m 6 m m 之间，可用于制作各种包 装制品，如快餐具、包装衬垫，冰箱托盘等。 ( 2 ) 面向制造的绿色设计。 面向制造的设计是指在设计阶段就考虑到制造阶段的诸多因素，通过计算 机仿真和模拟等手段，使设计者在设计阶段就可以确定产品的可加工性，在产 品设计结束后的制造过程中，能够容易地、经济地制造，提高制造效率，减少 加工时间，降低生产成本，提高产品质量6 | 。 面向制造的绿色设计需要考虑清洁生产、节省材料、节省能源等因素。清 洁生产是实现绿色制造的重要一环，它要求对产品及其工艺不断实施综合的预 防性措施，在提高生产效率的同时必须兼顾削减或消除危险废物及其它有毒化 学品的用量，改善劳动条件，减少对操作者的健康威胁，并能生产出安全的并 与环境兼容的产品【l 引。 ( 3 ) 面向包装的绿色设计。 绿色包装，英文为“g r e e np a c k a g e ”，有人也称其为环境友好性包装 ( e n v i r o n m e n t a lf r i e n d l yp a c k a g e ) 或生态包装( e c o l o g i c a lp a c k a g e ) ，是指生 产制造及使用过程中，资源、能源消耗最少，对环境和人体无毒害或危害极小， 使用后不产生环境污染及永久性垃圾，并可回收重用或可再生的包装。 绿色包装具有以下特点：材料最省，废弃物最少，且节省资源和能源， 6 即绿色包装在满足保护、方便、促销、提供信息功能的条件下，应是使用材料 最少又文明的适度包装。易于回收利用和再循环。产品包装及其包装制品的 多次重复使用或利用回收废弃物生产再生制品，焚烧利用热能，堆肥改善土壤 等，达到再利用的目的，既不污染环境，又可充分利用资源。包装材料可自 行降解且降解周期短，为了不形成永久垃圾，不可回收利用的包装废弃物要能 分解腐化，进而达到改善土壤的目的。当前世界各工业国家都非常重视发展生 物或光降解的降解包装材料。包装材料对人体和生物系统无毒无害，或将有 害物质含量控制在有关标准以下，这主要是要求包装所用材料中不含有毒性的 元素、卤素、重金属。包装产品在其生命周期全程中，均不应产生环境污染， 即包装产品从原材料采集、材料加工、产品制造、使用、废弃物回收再生等均 不产生环境污染，包装废弃物燃烧产生新能源时也不产生二次污染。 ( 4 ) 面向拆卸的绿色设计。 在产品设计阶段，除了使产品满足传统设计的要求外，还应将提高其可拆 卸性作为结构设计的一个目标，使产品的连接结构易于拆卸，维修方便，制造 工艺好，并在产品废弃后实现零件或材料的再利用，达到节约资源、能源和保 护环境的目的【l 。 u h l m a n n 等【l8 j 探讨了自动化拆卸的可能性；j o h n s o n 1 9 】主要评估和优化了产 品回收的拆卸工艺，提出了材料相容、易归类、并行拆卸操作等用于简化拆卸 过程的方法；b a u e r 2 们，z a h e d 等【2 1 】利用虚拟原型的方法对产品拆卸进行了分 析，利用该方法可以在不制造物理实体的情况下对设计的产品原型进行拆卸分 析；h o n gcz h a n g 2 2 提出了基于图论的产品回收拆卸模型，该模型将拆卸回收 优化决策问题转化成图论中的搜索问题，通过建立拆卸序列、计算拆卸费用、 监测材料流，评估产品的环境相容性；k r o l l 和m c g l o t h l i n 等【2 3 。2 4 】采用拆卸零 件个数、可达性、拆卸工具、拆卸力等指标对产品的可拆卸性进行打分综合评 价：s u g a 【z 5 j 对产品的拆卸能量进行了量化，并从拆卸能量及拆卸角度对拆卸难 度进行了定量评估。 ( 5 ) 面向回收的绿色设计。 面向回收的绿色设计，就是在进行产品设计时，充分考虑产品零部件及材 料回收的可能性、回收价值的大小、回收处理方法、回收处理结构工艺性等与 回收相关的一系列问题，以达到零部件及材料资源和能源的充分高效利用、环 境污染最小这一目标的设计思想和方法【1 7 】。 目前面向回收设计的研究主要集中在回收策略分析、回收性能分析与评估， 以及面向回收的设计方法研究等。c a t h e r i n e e 2 6 之8 】建立了通过产品的使用寿命、 设计周期、技术周期、功能复杂度、尺寸、材料数量、零件数量和产品集成度 等参数来分析产品及其零部件回收策略模型，并以此为基础，研究了提高产品 可回收性的方法；c h a n d r a 2 9 论述了回收工艺选择信息对设计支持的必要性， 研制了支持产品设计的产品回收决策软件；t a k a ob a m b a 和n i a l lm u r t a g h 3 0 1 介 绍了一个考虑零部件的移除、回收率、回收成本和环境影响的面向回收的设计 支持平台；刘志峰等【3 l 】对家电产品回收设计的内容、方法及流程作了研究，提 出了指导家电产品回收设计的方法。 ( 6 ) 全生命周期设计。 全生命周期设计研究领域包括设计过程建模研究、生命周期成本分析、生 命周期管理和生命周期评价等，全生命周期设计是一个非常复杂的过程，要同 时考虑从产品概念设计到详细设计过程中的所有阶段，包括需求分析、产品设 计、生产、运输、使用、回收处理等各个阶段。 这一设计理念在二十世纪8 0 年代一经提出，立刻引起了广泛关注，相关的 研究和应用在国外已经取得了较大的进展，如b r i s t 0 1 m y e r ss q u i b b 公司开展了 名为“p r o d u c tl i f ec y c l e ”( p l c ) 的产品生命周期设计工程，旨在识别和减少产 品在生命周期各个阶段对环境的消极影响【3 2 1 ，截至1 9 9 6 年，该公司共完成1 8 项产品的p l c 工程，创造潜在效益2 8 0 万美元。 全生命周期设计中，发展比较迅速且比较成熟的一项技术是生命周期评价， 它包括原材料提取与加工、产品制造、运输以及销售、产品的使用、再利用和 维护、废物循环和最终废物处理等生命周期阶段的评价。由于生命周期评价对 于分析产品在生命周期中的环境影响有着非常积极的作用，所以该技术迅速在 多个领域得到了应用，如英国开发的生命周期评估软件b o u s t e a dm o d e l 、德国 i n s t i t u tf i i rk u n s t s t o f f p r i i f u n gu n dk u n s t s t o f f k u n d e 开发的环境冲击评估软件 g a b i 、荷兰p r dc o n s u l t a n t 开发的环境影响评估软件s i m a p r o 等。 1 2 2 2 绿色设计发展趋势 实施绿色设计不仅可以满足市场绿色消费的需求，而且是提高企业自身竞 争力的有力工具，同时也是解决生态环境及资源短缺问题，实现可持续发展的 有效途径。不久的将来，绿色、环保的设计理念必定会成为设计的主流，绿色 设计发展的黄金时期很快就会到来。现阶段绿色设计发展主要有以下几个大趋 势： ( 1 ) 社会化。在饱尝了环境污染、生态失衡、资源枯竭等带来的痛苦之后， 人类保护环境的呼声越来越高，各国政府正在积极制定相关法律法规、经济政 策等，以引导企业与个人的绿色行为，这些构成了绿色设计的社会支撑系统。 随着全民环保意识的提高、以及对绿色设计的关注和参与越来越多，绿色设计 社会化程度会越来越高。 ( 2 ) 全球化。环境压力在增加，人们的环保意识也在日益增强，世界各国 都在积极推动绿色消费，制定环保法规，建立绿色准入制度等，这在一定程度 上促进了各国企业发展绿色设计的热情，以便为消除国际贸易壁垒进入国际市 场提供有力的支撑。同时世界各国的沟通交流也越来越多，绿色设计理论、技 术的发展也越来越迅速，因此，绿色设计的全球化已是大势所趋。 ( 3 ) 集成化。绿色设计涉及机械制造学科、材料学科、管理学科、社会学 科、环境学科等诸多学科的内容，具有较强的多学科交叉特性。显而易见，仅 仅靠单一的设计方法将难以实现真正的绿色设计。随着人工神经网络技术等一 批新理论、新方法的日益完善，绿色设计与这些方法的综合、交叉应用也会越 来越成熟，这些方法与绿色设计的集成，会更有力的支持和完善绿色设计，这 是绿色设计发展的重要途径之一。 ( 4 ) 智能化。绿色设计包含了管理、环境、经济等众多因素，是很复杂的 多目标优化问题，如果结合智能技术和方法则可以更高效地解决诸多难题。以 人工神经网络、模糊逻辑、遗传算法为代表的新一代智能技术互相渗透，取长 补短，形成的所谓“计算智能”技术，给智能设计的发展注入了新的活力【33 1 ，随 着计算机及智能技术、异地协同设计、虚拟设计技术的日益完善与普及，绿色 智能技术将会越来越被社会所认可接受。 ( 6 ) 产业化。绿色设计与制造的实施将带起一批新兴产业，包括废弃物的 回收处理装备制造业、废弃物回收处理的服务产业、绿色产品设计与制造业和 实施绿色设计与制造的软件产业等【3 钔。 1 3 绿色设计中的客户需求 客户( 或顾客) 是指接收产品的组织或个人，包括消费者、委托人、最终 使用者、零售商、受益者和采购方等。不同的客户对产