2.1 产品生命周期设计的本质需求

产品生命周期设计的需求是指产品生命周期设计的驱动力，主要包括创新、大批量定制、环境友好和资源节约这四大需求，统称为可持续发展需求。产品生命周期设计的各种需求之间的关系，如图2-2所示。

节约资源，保护生态环境是实现人类社会持续发展的长期战略，产品生命周期设计是实现这一战略的主要措施之一。

图2-2 产品生命周期设计的各种需求之间的关系

用户不仅需要创新的产品，还需要大批量定制的产品。大批量定制产品是个性化的，但成本和交货期与大批量生产产品相差无几，而用户还会进一步要求产品是环境友好的和资源节约的。

在产品生命周期设计中，节约资源和保护环境是相互关联的。资源的可持续使用及管理，保证了未来的环境质量。合理利用资源，不仅减少了排放物对环境的影响，保护了动植物的生长，维护了生态环境，也节约了资源。在产品生命周期设计四大需求中，创新是关键。产品生命周期设计四大需求之间的关系，如图2-3所示。

图2-3 产品生命周期设计四大需求之间的关系

部分行业产品对生命周期设计的需求见表2-1。

表2-1 部分行业产品对生命周期设计的需求

2.1.1 可持续发展的需求

1.可持续发展模式

在人类发展进程面临的重大难题中，最具“瓶颈”性质的是环境问题。人类发展面临两对矛盾：①人类需求的无限性与地球资源的有限性之间的矛盾；②废弃物排放的无限性与自然界恢复力的有限性之间的矛盾。这两对矛盾的激化使人类赖以生存的地球正在遭受着前所未有的严重破坏，资源枯竭，人类生存环境日益恶化。人类对地球不负责任的掠夺式开发已经严重威胁到人类自身，尤其是子孙后代的健康和生存。

日趋严重的资源问题和环境问题促使人们对传统发展观进行反思，寻求人类长期生存和发展的道路，即人与环境可持续发展的道路。世界各国都在制定本国的可持续发展规划。欧美发达国家和日本等国提出了减量化、再利用和再循环的3R战略。

改革开放长期以来，我国一直走的是“高投入、高消耗、高污染”的传统工业化道路。建立在对自然资源长期高强度开发和低效率利用基础上的传统工业化，已经使我国的环境不堪重负，资源也无法再长期维持下去。[8]我国的自然资源虽然在总量上可观，但是，人均资源占有量明显不足，关键资源的人均占有量更是远远低于世界平均水平。例如，人均水资源占有量仅为世界平均水平的1/4，人均能源资源占有量低于世界平均水平的一半，人均石油资源占有量仅为世界平均水平的1/10。加之我国的资源开发和利用的效率不高，作为“世界工厂”又承担了世界分工体系中大量的高能耗产品的加工制造任务，因此我国的资源供给面临着巨大的考验。

我国正处于工业化、城镇化、信息化和农业现代化快速发展的经济转型时期，快速的经济发展和大量的能源需求使我国成为全球二氧化碳排放第一大国。“高碳经济”已经使我国成为发达国家的攻击对象，因此我国急需探索低碳的、环境友好型的经济增长模式。面对巨大的环境责任，我国积极参与有关国际合作，投入大量的人力、物力开展气候变化科学研究。2009年，我国政府公布了碳减排的目标，即到2020年，实现单位国内生产总值二氧化碳排放量比2005年下降40%～45%，并将其作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划。

2015年4月25日，国务院发布《关于加快推进生态文明建设的意见》，首次以党中央、国务院的名义对生态文明建设进行专题部署，将“四个现代化”概念提升为“新型工业化、城镇化、信息化、农业现代化、绿色化”，首次将“绿色化”提升到国家战略层面，强调将绿色发展转化为综合国力和国际竞争优势。2015年5月19日，国务院正式印发了《中国制造2025》，提出了“创新驱动，质量优先，绿色发展，结构优化，人才为本”二十字发展方针。2016年9月14日，为贯彻落实《中国制造2025》，加快推动生产方式绿色化，构建绿色制造体系，工业和信息化部、发展改革委、财政部和科技部联合印发了《绿色制造工程实施指南（2016—2020年）》。习近平总书记也大声疾呼：“那种要钱不要命的发展，那种先污染后治理、先破坏后恢复的发展，再也不能继续下去了。”

2.产品开发设计在可持续发展中的地位^[9]

产品开发设计在产品生命周期和可持续发展中占有非常重要的地位，对于产品总成本、产品质量和产品的环境影响等具有决定性的影响。产品在生命周期中的资源和能源消耗以及“三废”的排放等，都是人类社会对环境的最大影响。例如，目前我国用电量的70%用于驱动电动机、变压器、风机和水泵等21类机电产品，年耗煤量的1/3左右用于发电锅炉和工业锅炉的运行，等等。^[10]

（1）产品开发设计对产品总成本的影响

产品开发设计阶段是降低产品总成本的重要环节。德国工程师协会（VDI）曾经对一些企业做过调查，调查结果表明，虽然产品的开发设计成本只占到产品总成本的6%～7%，但是对产品总成本的影响却占到70%左右。因为产品的开发设计阶段决定了产品的工作原理、零部件的数量、结构尺寸和材料选用等对产品的加工和使用有重大影响的因素，对产品的总成本造成了很大的影响，所以做好产品开发设计管理就抓住了降低产品总成本的源头。在产品总成本中资源和能源消耗往往占了较大比重，因此产品生命周期设计在降低资源和能源消耗，降低产品总成本的同时，不仅提高了社会效益，也提高了经济效益。

（2）产品开发设计对产品质量的影响

产品质量问题不仅损害用户的利益，也损害我国制造业的声誉，并且导致巨大的资源和能源浪费。因此，提高产品质量也是产品生命周期设计的目标。

根据统计，75%的产品质量问题是由产品开发设计阶段引起的，而其中80%的产品质量问题的处理则是在产品制造阶段或后续阶段完成的。处理产品质量问题的时间越滞后，引起的连带质量问题就越多，处理质量问题需要的费用也就越高。尽可能减少发生质量问题，尽可能早地发现和处理质量问题，这是对产品生命周期设计提出的更高要求。

（3）产品开发设计对产品环境的影响

产品开发设计阶段决定了产品的材料、工艺、维修和回收方法等，对产品的可制造性、可装配性、可测试性、可运输性、可服务性、可拆卸性、可维修性、可回收性、可重复利用性和环境友好性等具有决定性的影响。

美国国家发展署组织专家对2020年美国制造业即将面临的挑战进行研究。专家们一致认为，以下几点是对未来制造业发展有重大影响的技术、政策和经济因素。^[11]

1）信息化。企业必须应对由于信息技术而加剧的市场竞争和挑战。

2）大批量定制。在工业发达国家中，以大致相同的价格定制特色产品的需求大于对标准产品的需求。

3）创新性。创新的特色产品，制造企业全方位的创造力和创新能力，这些将是重要的竞争优势，价格因素将退居其次。

4）环境友好性。全球生态系统面临恶化，提高了对产品的环保要求。

5）知识化。迅速有效获得促进创新和市场快速响应的各种信息和知识，掌握应用方法和手段，加快决策过程，这将成为决定企业成败的关键因素。

6）全球化。新的有竞争性的生产技术和资源（包括熟练劳动力）将分布于世界各地，不再集中于某个区域，这将成为促使制造业企业组织变革和全球化的关键因素。

产品生命周期设计的方法和标准在产品生命周期的各个主要环节的作用，如图2-4所示。

图2-4 产品生命周期设计的方法和标准在产品生命周期的各个主要环节的作用

2.1.2 环境友好的需求

空气和饮用水的严重污染、食品的污染、森林面积的缩小、土地沙漠化、生态平衡的破坏和频繁的极端自然灾害等一系列问题，使人类意识到必须协调好人与自然的关系，树立共存共生的发展观念。

1.环境污染已经威胁到人类的生命安全

其典型例子是世界著名的八大污染事件：比利时马斯河谷烟雾事件（1930年12月1—5日）、美国洛杉矶烟雾事件（20世纪40年代）、英国伦敦烟雾事件（1952年12月5—8日）、日本水俣病事件（1953—1968年）、日本富山骨痛病事件（1955—1977年）、日本四日市废气事件（1961年）、日本爱知县米糠油事件（1963年3月）和美国多诺拉烟雾事件（1948年10月26—30日）。世界卫生组织报告指出，世界各地每年约有4900万人致残，其中3/4是由于环境恶化所致。^[12]联合国统计显示，全世界1/5的疾病与环境有关，每年约有1200万人死于饮用水不洁引发的疾病，空气污染每年夺去近300万人的生命。目前，全世界有一半的河流被严重污染，有11亿人得不到安全卫生的饮用水，有80个国家严重缺水，其人口总量占世界人口的40%。

在过去几十年里，我国用高能耗换取了经济的高增长，但是也随之带来了环境的高污染。2011年，我国工业产值超过美国成为世界第一，与此同时，我国几乎所有与大气污染有关的指标的排放都是世界第一，这给我国资源、能源的合理利用和环境保护带来了巨大的压力。工业污染排放是大气最主要的污染物，其中二氧化硫排放量占全国二氧化硫排放总量的90%，氮氧化物排放量占全国氮氧化物排放总量的70%，烟尘排放量占全国烟尘排放总量的85%。我国工厂不严格执行环保标准是造成污染的主要原因。^[13]

所有这一切都在向人类发出警告：人类在破坏地球环境的同时，也在毁灭人类自己。

2.地球生态系统正在逼近九大极限

2009年，瑞典斯德哥尔摩环境研究所所长约翰·罗克斯特伦与来自环境、地球系统领域的28位国际专家组成了一个研究小组。

根据对地球系统的科学认识，研究小组确定了9个对人类生存至关重要的“地球生命支持系统”：海洋酸化、臭氧浓度、淡水消耗量、生物多样性、氮磷循环、土地使用率、二氧化碳浓度、气溶胶浓度以及化学污染，并对目前人类的消耗水平和系统的“临界点”进行了量化和评估。地球生态系统正在逼近九大极限见表2-2。研究人员警告称，一旦9个“临界点”全部或者大部分被突破，人类生存环境将面临“不可逆转的变化”，此后的地球将不再像今天这样适宜人类居住。由于认知水平的限制和大量不确定因素的存在，这些“临界点”目前还只是一种“粗略的估计”。

表2-2 地球生态系统正在逼近九大极限

（续）

人类对自然资源长期过度开发造成的恶果已经充分显露。从饮用水、空气到海洋和森林，整个地球环境正在全面恶化。对于整个人类社会和经济发展而言，失去了大气、水质和土地等的保护无异于釜底抽薪，将使人类社会和经济发展丧失根基。人类向生物圈和各类生态系统排放的一切有害物质，最终都将以各种方式返还到人类自己身上。

3.我国生态环境的脆弱性

我国生态环境具有脆弱性。这是因为我国巨大的人口总量，人们不断增加的活动强度和提高生活质量的要求，与我国生态环境的承载能力构成了尖锐的矛盾，导致我国生态环境总体功能下降，抵御各种自然灾害的能力减弱。

近年来，受全球气候变化的影响，我国极端气候灾害带来的损失不断扩大。我国自然灾害受灾统计部分指标（2009年—2015年）见表2-3。在这种情形下，春季防旱和夏季防涝已经成为我国各级政府年度常态化的工作内容。

表2-3 我国自然灾害受灾统计部分指标（2009年—2015年）

资料来源：民政部、国家减灾委员会办公室统计报告。

2015年国务院《政府工作报告》指出，环境污染是民生之患、民心之痛，要铁腕治理。

根据原国家环保总局发布的中国因环境损失而下调的GDP估计，清理2004年所产生的环境污染就需要840亿美元，相当于当年GDP的3%。但是更现实的估计认为，环境损失占中国每年GDP增长的8%～13%。^[14]

（1）水污染问题

2015年，全国967个地表水国控断面（点位）开展了水质监测，Ⅰ～Ⅲ类、Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质断面分别占64.5%、26.7%和8.8%。5118个地下水水质监测点中，水质为优良级的监测点比例为9.1%，良好级的监测点比例为25.0%，较好级的监测点比例为4.6%，较差级的监测点比例为42.5%，极差级的监测点比例为18.8%。^[15]

近几年，我国水污染事故每年都在1700起以上。例如，2012年1月，广西龙江河受到高浓度含镉污水污染，导致柳州等地数百万人饮用水安全受到严重威胁；2012年2月，江苏镇江船舶违法排污，导致自来水发生苯酚污染，引发当地居民抢购纯净水；2012年2月，广东佛山一家养殖场违法排污，导致附近自来水厂的水源受到污染，约5万当地居民受到停水影响，等等。

（2）空气污染问题

2015年，我国338个地级以上城市中，有73个城市环境空气质量达标，占21.6%；265个城市环境空气质量超标，占78.4%。338个地级以上城市平均达标天数比例为76.7%；平均超标天数比例为23.3%，其中轻度污染天数比例为15.9%，中度污染为4.2%，重度污染为2.5%，严重污染为0.7%。480个城市（区、县）开展了降水监测，酸雨城市比例为22.5%，酸雨频率平均为14.0%，酸雨类型总体仍为硫酸型，酸雨污染主要分布在长江以南—云贵高原以东地区。[15]

根据国际能源机构（IEA）的估算，我国已经在2009年超过美国，成为全球能源消耗最多的国家，也是全球碳排放总量第一大国。虽然我国的碳排放总量超过了美国，但是考虑到两国的人口差距，我国的人均碳排放量只有美国人均碳排放量的1/4。

在国际气候变化的谈判桌上，仅仅通过强调我国人均碳排放量低来抗衡发达国家要求我国减排，已经不太可能了。这是因为：①我国的经济总量增长确实很快；②国际气候变化谈判设定了一个上限——气温上升不高于2℃，与之对应的大气中二氧化碳的浓度不高于350ppm。超过这个上限，地球生态系统就有可能发生灾难性变化，而为了确保这个上限，发达国家已经确定了全球的碳排放总量到2050年比1990年的水平应减排一半，其中发达国家减排80%，包括我国在内的发展中国家的碳排放量也必须实质性地减下来。

在这种话语体系下，局面就变成了“我国先要考虑全球排放总量不要超标到让地球生态系统崩溃”这种立场。

（3）土地污染问题

环境保护部发布的《2016年全国大、中城市固体废物污染环境防治年报》指出：2015年，全国246个大、中城市一般工业固体废物产生量为19.1亿t，生活垃圾产生量约为1.86亿t。乡镇、农村垃圾露天堆放，垃圾围城现象普遍，垃圾焚烧厂二英污染不容忽视。

国家环保部数据显示，2009年重金属污染事件致使全国4035人血铅超标、182人镉超标，引发32起群体性事件。

家用电器报废的高峰期已经来临，每年报废电冰箱400万台、电视机500万台，计算机和手机更新更快。由于废家电含有大量有毒有害物质，处理技术和方式简单落后，因此污染严重。美国80%废家电进入亚洲，其中相当一部分非法进入我国。

我国单位工业产值产生的固态废弃物比发达国家高10多倍。

案例：广东汕头贵屿的电子垃圾之殇。根据汕头大学医学院实验室近年的一份健康报告显示，在对贵屿的165名1～6岁儿童进行严格的体检测试之后发现，所有儿童均血铅超标，发生铅中毒。广东贵屿的儿童铅超标与电子垃圾的污染化处理有直接的联系。

——李辉.百度回收站上线国内22城市[EB/OL].2015-11-12[2015-11-12].http：//news.sina.com.cn/o/2015-11-12/doc-ifxkrwks3777515.shtml.

4.环境友好型设计的需求

面向环境友好的产品生命周期设计，简称环境友好型设计。

产品在制造和使用中会产生“三废”，即废气、废水和固态废弃物，产生环境污染。废气排入大气，会污染空气。废水排入江河湖海，会导致水质败坏，破坏水产资源，影响生活和生产用水。根据世界卫生组织的报告，制造业是环境污染的罪魁祸首，如图2-5所示。

图2-5 制造业是环境污染的罪魁祸首

“三废”中含有多种有毒有害物质。例如，废气包括二氧化碳、二硫化碳、硫化氢、氟化物、氮氧化物、氯、氯化氢、一氧化碳、硫酸雾、铅、汞、铍化物、烟尘及生产性粉尘等，如果不经过妥善处理，未达到规定的排放标准就排放到环境（大气、水域、土壤）中，若超过环境自净能力，则会对环境产生污染，破坏自然资源和生态平衡，影响工农业生产和人民健康。污染物在环境中发生物理变化和化学变化之后又产生了新物质，其中很多都是对人的健康有危害的。这些有害物质通过呼吸道、消化道和皮肤等不同的途径进入人体内，有的直接产生危害，有的还有蓄积作用，会更加严重危害人的健康。

案例：常州外国语学校的“毒地”案件。常州外国语学校的新校址因为与以前的化工厂为邻，导致不少学生出现皮炎、湿疹、支气管炎、血液指标异常和白细胞减少等异常症状，个别学生还被查出了淋巴癌、白血病等恶性疾病。

——新华社.江苏500学生身体异常：新校址污染物超标近10万倍[EB/OL].2016-04-18[2016-04-19].http：∥huanbao.in-en.com/html/huanbao-2246127.shtml.

我国制造业环境污染严重的主要原因如下。

1）工业污水处理率较低。

2）汽车的排放标准低。

3）能源结构以煤炭为主，导致大气污染严重，二氧化硫排放量高居世界榜首。

4）产业结构不合理。发达国家纷纷将高污染的产业转移到我国，因为在发达国家这种产业罚款很重，无法生存。而在我国，由于许多地方政府急于引进外资增加GDP，导致我国的高污染产业结构的比重大。例如，在2002年—2011年期间，我国20%的二氧化硫、20%的化学需氧量和30%的二氧化碳排放量是由净出口到国外的产品中的隐含污染物排放所致，这些污染物留在了我国，而产品却输出到国外。^[16]

我国的人均生存空间特别狭小，因此就要以十倍甚至百倍的努力保护环境和治理环境污染。

我国2014年《政府工作报告》提出：“要像对贫困宣战一样，坚决向污染宣战”；2015年《政府工作报告》提出：“环境污染是民生之患、民心之痛，要铁腕治理”；2016年《政府工作报告》提出：“将节能环保产业培育成我国发展的一大支柱产业。”

制造业是指通过制造过程，将包括能源在内的可用资源转化为可供人们使用或利用的工业产品或生活消费品的产业。制造业一方面制造人类财富，是支柱产业；另一方面又产生大量废弃物，是环境污染的主要源头。因此，如何使制造业尽可能少地产生环境污染，是环境友好型设计需要考虑的一个重要方面。由于国际环境保护战略已经从末端治理拓展到污染预防，因此，环境友好型设计得到人们越来越多的重视。

环境友好型设计的主要需求如下。

（1）产品和过程的高效化

产品和制造过程的效率越低，消耗的资源就越多，“三废”排放也就越多。

需要开发高效装备帮助解决下列问题。

1）小机组发电效率低，耗煤多，粉煤灰和二氧化硫排放量多。

2）立窑水泥的矿物利用率低，废石和粉煤灰排放多。

3）草浆造纸的耗水量大，废水排放量多。

4）低效磷肥生产线的磷矿石利用率低，废渣和废石多。

但是，目前我国严重缺乏高效装备的关键技术，如工业燃气轮机的关键技术。工业燃气轮机比工业汽轮机的效率高，是一种节能减排的高效装备。

（2）产品和过程的清洁化

少无污染、清洁化的制造装备属于高端装备，如可以使造纸过程中产生的废水经过处理重新使用的无污水排放的造纸机械。这类高端制造装备的关键技术也主要控制在发达国家的手中。

（3）产品使用过程的透明化

一些企业虽然购买和安装了“三废”处理装置，但是由于这些装置的运行需要成本，他们舍不得花钱，就将企业产生的“三废”偷排或者低价转卖给其他企业或个人，由别人去偷排。因此要加强产品使用过程中的排放监控，实现产品使用过程的透明化。

环境友好型设计的需求，如图2-6所示。

图2-6 环境友好型设计的需求

荷兰的菲利浦公司、美国的AT&T公司和德国的奔驰汽车公司等先后进行有关产品生态设计的尝试，并且取得了成功。实践表明，生态设计可以减少产品30%～50%的环境负荷。

5.环境友好型设计的意义

（1）满足用户对环境友好型产品的需求

用户对环境友好型产品的要求越来越高，希望产品在使用过程中对人的身体无害。

（2）满足居民对环境友好型企业的需求

将污染型企业搬离城市，并不能从根本上解决环境污染问题。因为其他地方造成的污染，最终还会通过水源、空气和农产品等各种渠道伤害到城市居民。并且企业搬迁后，住在城市的企业员工每天都要在上下班的路上奔波几个小时，既耗费能源，又产生污染，还浪费宝贵的时间。

环境友好型企业不仅不对周围环境产生不良影响，还可以成为城市居民的好邻居，甚至可以成为城市的一个观光点。

2016年8月22日，上海市向全社会公示《上海市城市总体规划（2016—2040年）》草案。该规划显示，到2040年，营造宜居、宜业、宜游和宜学的15min社区生活圈，城市平均通勤时间不大于40min，保证每个社区生活圈内400m²以上的公共开放空间的5min步行可达率达到90%以上。这是一种低碳绿色的社区，通过步行就能够解决居民在社区里的基本生活，乃至于工作、休闲和学习等需求。

——郭儒逸.上海城市规划出炉2040年的大上海是啥样？[EB/OL].2016-08-23[2016-08-28].http：//business.sohu.com/20160823/n465519678.shtml.

2.1.3 资源节约的需求

1.产品要消耗大量资源，其中95%成为“三废”

产品生产就要消耗资源。产品要消耗大量的可再生的和不可再生的资源。随着资源的大量消耗，会产生很多严重的问题。例如，稀有植物和动物将濒临灭绝；不可再生的资源将枯竭耗尽等。伴随资源消耗，还会产生大量有害的固态废弃物。

在全世界消耗的资源中，只有5%是真正消耗在用户身上，如食品、耐用品和服装等，其余绝大部分是在中间过程中以“三废”的形式返回自然界，只有非常少的部分被回收利用。资源消耗的隐蔽的高山，如图2-7所示。

图2-7 资源消耗的隐蔽的高山[17]

2.我国资源严重短缺

我国的资源总量虽然可观，但是由于庞大的人口基数，使得我国人均资源占有量明显不足，其中关键资源如能源、水资源和矿产资源等的人均占有量只有世界平均水平的一半以下。我国人均自然资源短缺，如淡水、耕地、森林和草地资源分别只占世界人均水平的28%、32%、14%和32%。重要矿产资源的人均储量低于世界平均水平的10%。加之我国的资源开发和利用效率低，在世界分工体系中承担了大量的高能耗产品的加工制造任务，又进一步恶化了我国的资源供给状况。例如，我国钢铁、煤炭、水泥和化肥等高能耗产品的产销量近年来高居世界榜首。

1）水资源短缺。我国人均水资源拥有量为2200m³，仅为世界平均水平的1/4，而且时空分布相当不均衡，正常年份总缺水量约为400亿m³。

2）矿产资源短缺。我国对铁矿石的需求量大幅提高，铁矿石进口量从2002年的1.22亿t提高到2016年的10.24亿t；我国铜的消耗量几乎占据全球铜消耗总量的半壁江山。我国原储量、产量和出口量均居世界首位的钨、稀土、锑和锡等优势矿种，因为滥采乱挖和过度出口，绝对储量已经下降了1/3～1/2，按照现有产量水平也已经不超过10年就会枯竭。专家估计，到2020年，我国工业生产需要的45种矿产资源中，国内能够满足需求的仅有9种。从长期看，主要矿产资源的短缺对我国经济发展的制约将会进一步加大。

近年，我国在进出口结构上发生了巨大的变化：纺织服装、五金家电、电气机械、电子信息甚至汽车等终端产品相继由进口转为出口；石油、铁矿石和铝土矿等大宗资源相继由出口转为进口。经济规模的扩张和产业结构的转变在带给我国巨额贸易顺差的同时，也带来了巨大的“生态逆差”。若这种发展模式不转变，贸易顺差越大，则“生态逆差”越大，我国也就越容易被锁定在资源高消耗、经济低产出的低水平发展轨道上。^[18]

随着我国经济的快速增长和工业规模的迅速扩大，资源对我国经济发展的制约作用将会越来越大。

3.我国资源利用效率低

（1）水资源浪费严重

农田灌溉用水量比农作物实际需水量多出1/3甚至1倍以上；工业用水中的单位产品耗水率高于发达国家几倍甚至十几倍；城市万元产值取水量平均为270m³，而发达国家仅为20～30m³。城市水资源的重复利用率为30%～50%。随着我国工业化与城市化步伐的进一步加快，预计到2020年，总需水量将增加到6800亿m³左右，水资源短缺的压力将会持续增大。

（2）我国资源利用率较低

我国能源利用效率的36.3%，比发达国家低10%。我国发电、钢铁、乙烯及水泥的能耗比国际先进水平分别高出19.1、19.5、20.0及31.4个百分点。目前我国机械工业的钢材利用率为65%左右，而1982年美国的钢材利用率就已经达到80%。我国铸件一般比国外同类铸件重10%～20%，加工余量大一倍多，其不但消耗了大量的工模具材料，而且占用了大量的机床、消耗了大量的电力和劳动力，也使铸件的质量受到一定影响。

我国每万美元GDP消耗的钢材、铜、铝、铅和锌分别是世界平均水平的5.6倍、4.8倍、4.9倍、4.9倍和4.4倍。

（3）我国能源消费世界第一

《中国能源发展报告2016》指出，中国的能源消费从总量上看已经处于世界首位，但是由于人口基数大，人均能源消费量仍然低于世界平均水平。

假如我们按照发达国家的人均能源消费标准衡量，要达到发达国家现在的人均能源消费标准，我国需要约120亿t石油，相当于160亿t标准煤，显然这是地球难以承受的。

2016年我国国内石油对外依存度升至65%。根据目前国际能源利用格局，可以预见我国可能会比世界其他国家更早地面临传统能源危机。

（4）我国能源资源浪费严重

2011年12月28日，国家发改委主任张平向全国人大常委会做报告时透露，2010年中国单位国内生产总值能耗是世界平均水平的2.2倍。

例如，我国工业锅炉的热效率一般在55%～65%之间，而发达国家工业锅炉规范运行的热效率能达到80%。

世界自然基金会发布的《气候变化解决方案——WWF 2050展望》（中文版）报告称，目前中国的能源利用效率仅为33%左右，相当于发达国家20年前的水平。

4.资源节约型设计的需求

在我国的工业化进程中，无法回避由于水资源、能源和主要矿产资源等严重短缺形成的“瓶颈”约束。我国特殊的国情，决定了我们必须一方面以更加积极和开放的视野，努力开拓各种新的资源空间；另一方面还要将大幅度降低资源消耗作为实现工业现代化的基本要求。

目前，全球资源压力逐渐增加，资源供应日趋紧张，经济危机的影响还在持续。在这种大环境下，我国政府致力于落实科学发展观，将节约资源当作一项基本国策，实施《中华人民共和国循环经济促进法》，提出“提高全社会资源忧患意识和节约意识，大力发展循环经济，建立节约型社会”的发展计划，进一步增强了全社会节约资源的意识，也使节约资源成为企业健康稳定发展的重要标志。

资源节约型社会，是指在社会再生产的生产、流通和消费环节中，通过健全机制、调整结构、技术进步、加强管理和宣传教育等手段，动员和激励全社会节约和高效利用各种资源，以尽可能少的资源消耗支撑全社会较高福利水平的可持续的社会发展模式。资源节约型社会是以满足人们的生活需要为前提的，离开这个前提，虽然资源节约了，但却是“不发展的社会”，就与科学发展观背道而驰了。

面向资源节约的产品生命周期设计，简称资源节约型设计。资源节约型设计的主要需求如图2-8所示。

（1）产业结构的绿色化

目前我国工业自有环境消耗强度大，产业结构不合理，高能耗、高资源的产业占比较高，发展的可持续性面临严峻挑战。2009年，我国粗钢、水泥和煤炭产量分别占到全世界的45.4%、50%和45.6%。因此需要调整产业结构，向知识型产业、服务业等绿色产业拓展。

图2-8 资源节约型设计的主要需求

（2）资源利用的高效化

在生产消费过程中，用尽可能少的资源，创造出尽可能多的财富，力争实现最大产出。

1）产品轻量化不仅能够有效地减少材料的使用，而且能够在一些高能耗产品中起到降低能耗的作用。

2）提高产品的可靠性，延长产品寿命。

3）采用低能耗的加工技术，尽可能多地采用标准件和通用件，提高零件加工效率。

4）设计高效率的能耗装备，并对高能耗装备进行监控和维护，使其处于高效节能状态。

（3）资源浪费的少量化

在产品制造和使用过程中，减少资源的浪费，如减少产品的过度包装。

（4）资源和零部件重用化

1）产品模块化可以提高模块的重用度，可以形成较大批量，便于采用高效的生产技术。

2）提高产品的可维护性，延长产品寿命。

3）提高产品的可回收性，使资源得到重用。

2.1.4 大批量定制的需求

大批量定制（Mass Customization，MC），又称为大规模定制、批量化定制和工业化定制等，是指以一种类似于标准化或大批量生产的成本和时间，提供满足用户特定需求的产品和服务的生产方式。

德国工业4.0的目标是通过智能制造技术，即信息物理系统（Cyber-Physi-cal System，CPS）实现大批量定制。

生产方式的演变与产品批量、种类的关系，如图2-9所示。从理论上讲，大批量生产的效率最高，即环境友好性和资源节约性最好。但是大批量生产不适合当前用户需求多样化和个性化的发展趋势。

图2-9 生产方式的演变与产品批量、种类的关系

大批量定制将大批量生产和单件定制生产这两种完全不同的生产方式融合在一起，以大批量的效益进行定制产品的生产，即单件定制产品的成本与大批量生产的成本一样低，单件定制产品的交货期与大批量生产的交货期一样短，单件定制产品的质量与大批量生产的质量一样稳定，然而产品却是根据用户的个性化需求定制的。大批量定制融合了大批量生产和单件定制生产的优点，如图2-10所示。由此可见，大批量定制是一种满足用户个性化需求的环境友好型和资源节约型的生产模式。

图2-10 大批量定制融合了大批量生产和单件定制生产的优点

完全融合了大批量生产和单件定制生产的优点的大批量定制生产模式是一种理想的生产模式。大批量定制生产模式是在实践中逐渐进化完善的。

大批量定制的进化过程，如图2-11所示。从中可以看到大批量定制的进化与各种新技术有关。通过各种技术的重组优化，可以使大批量定制深入发展，因此大批量定制是一种融合了各种方法和技术的系统工程。

图2-11 大批量定制的进化过程

产品生命周期设计充分吸收了大批量定制的方法和技术。其中的CAX（Computer Aided X）是所有计算机辅助技术之总称。

2.1.5 创新的需求

我国制造业单位GDP的能耗和其他资源消耗远远超过发达国家，其主要原因之一是我们的创新能力不足。实现环境友好和资源节约的关键就是创新。创新是产品生命周期设计中最核心、最难的部分。

1.占领产品价值链制高点的需要

国外学者认为，中国是21世纪世界上最大的“身体”国家，工业发达国家是“头脑”国家。这些学者眼中的世界分工体系，如图2-12所示。在产品价值链中，工业发达国家通过创新，主导产业的发展，获取绝大部分利润。

2.支持环境友好和资源节约的需要

环境友好和资源节约的实现要依靠创新。例如，我国的高铁通过创新取得了很大发展，高铁的人均公里能耗远远低于飞机的人均公里能耗，在降低中程距离出行的能耗方面具有重要意义。

图2-12 世界分工体系

但是，还有大量的面向环境友好和资源节约的创新需要突破。例如，汽车节能的许多关键技术还控制在发达国家手中；大批量定制的关键装备——工业机器人、高档数控机床还主要依赖进口，等等。

3.满足用户对新产品的需要

创新的产品将开辟未知的市场空间，即“蓝海”，可以获得较大的利润。而一般的产品处于已知的市场空间，即“红海”，价格战非常激烈，利润薄如纸。企业只要有利润，就可以继续支持创新，支持产品和过程朝着环境友好和资源节约的方向发展。