基于全局能量足迹图模型的产品生态设计准则提取方法研究与应用

提升产品的生态属性是当前国际产品设计领域的研究热点。而决定着产品主要属性的早期设计阶段，却由于不确定性及环境数据缺乏等问题难以找到实用的生态设计准则。本项目搭建了全局能量足迹图模型(GFGM)，并基于此对生态设计准则的提取和应用等做深入研究。主要包括：突破不同生命周期产品结构模型无法转换的限制提出用模糊折算系数配平相邻周期能量守恒式，通过实例分析确定最优参变量；针对功能-环境需求矩阵转换系数确定困难，构造面向全局环境数据的多粒度系数转换熵算法；基于以上关键技术生成完备的GFGM系统，结合实例分析找到生态设计准则推演机制；最后通过定义产品族能量主函数和行业相关系数扩展生态设计准则的适用范围。本项目创新性提出了设计过程一体化的GFGM系统对研究生态设计相关理论具有重要的科学意义；研发的准则推演工具用来指导环境-功能相融合的生态设计过程，对提升我国产品的生态创新水平具有重要意义。

在产品早期概念设计阶段，利用动态、全局、物理意义明确的“能量足迹图模型EFGM”工具对设计方案未来环境影响水平进行预估和设计干预，是从提升产品生态属性（环境适应性）的最有效途径，也是现阶段“环境可适应性产品设计” 领域研究的关键课题。.建立基于能量属性的通用模型是一个很新的跨学科领域，可以借鉴的经验很少，对全生命周期的动态能量描述更是一个复杂的系统工程。为实现建模的系统性和有效性，项目组设计了一套三阶段程度渐进式的研究方案，对EFGM建模问题展开研究。.第一阶段：对功能较简单的典型用能产品设计过程进行分析，探讨EFGM模型系统的基本逻辑框架、使用过程的EFGM数学建模方法以及组件功能模型与EFGM模型间的参数对应关系等问题。执行过程中通过对制造业“功率平衡方程”等的文献分析，结合“键和图”理论基本思想，提出基于“能量属性”本质及传递规律的建模方法。并对基于EFGM系统搭建环境适应性产品的优化设计理论体系的逻辑框架。实验部分主要针对“多需求榨汁机产品”的生态设计过程展开研究。.第二阶段：拓宽研究对象，展开对多能域、复杂设备的可适应性设计过程的分析，继续探讨EFGM模型的通用形式和生态设计方案的优化机理。结合“机床能量平衡方程建模理论”“功率键和图理论”、“环境可适应性产品设计理论”等三大基础领域的理论成果上，提出建立统一的EFGM数学模型，建立与动力学分析过程并行的“用能设备环境可适应性”节能优化设计方法论体系。实验部分主要针对“四工位颜料灌装设备设计”等工艺类复杂设备的生态设计过程展开研究。.第三阶段：对“能量足迹图模型”的建模原理及生态设计准则生成机制展开研究。提出层次化EFGM分析及节能优化设计理论体系。通过实例设计过程的对比分析，以及单个设计实例中不同生命周期数据模型的研究，提取全局EFGM的建模步骤和基于此的生态设计准则提取方法。.面向产品制造环节，直接应用“能量足迹图模型”的建模方法；建立制造周期EFGM与使用周期EFGM间的参数对应关系。实现EFGM的全局化。.本项目从理论研究、数据建模以及实验等三个方面开展EFGM建模研究。研究结果可解决“环境可适应性产品设计”领域发展的技术瓶颈问题，具有普遍的科学意义和应用价值。项目逐步细化和充实了设计方法论理论体系；完善和明确了数学模型；拓展和丰富了实验数据。使得“全局能量足迹图建模”的研究成果会达到该领域的国际领