PyGREET：一个基于GREET生命周期分析模型的模块化Python平台，用于技术评估

《Environmental Modelling & Software》：PyGREET: A modular Python platform of the GREET life cycle analysis model for technology assessment

　　何塞·D·埃尔南德斯-贝坦库尔（Jose D. Hernandez-Betancur）、汤姆·西科拉（Tom Sykora）、欧龙文（Longwen Ou）、托马斯·哈莫里（Thomas Hamori）、瓦迪姆·索科洛夫（Vadim Sokolov）、阿姆加德·埃尔戈韦尼（Amgad Elgowainy）、蔡浩（Hao Cai）、迈克尔·王（Michael Wang）

美国伊利诺伊州莱蒙特市阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）能源系统与基础设施评估部门，邮编60439

摘要
温室气体、受监管排放和能源使用技术模型（R&D GREET?）的研发版本已公开发布，并被广泛用于能源系统和新兴技术的生命周期分析（LCA）。然而，其当前的Excel和.NET平台在扩展性和维护方面存在挑战。本文介绍了PyGREET，这是一个基于Python的模块化平台，旨在实现可扩展性和与其他LCA工具的互操作性。PyGREET的架构将领域建模与数值求解器分离，便于维护和重新用于网络托管或独立的应用程序。通过对2,119种技术路径的广泛验证，确认了其与现有平台的计算等效性，平均相对差异仅为3.24×10^-8%。通过建立强大的模块化框架，PyGREET提高了透明度、用户体验和互操作性。该平台为可靠的LCA建模奠定了基础，并推动了阿贡国家实验室在技术评估和决策支持方面的持续发展。

引言
生命周期分析（LCA）已成为评估能源和交通系统等技术的能源和环境性能的标准方法。然而，这些评估的可靠性与LCA模型及其相关数据库和方法密切相关。随着LCA在技术发展、研发决策和政策制定中的应用日益增多，对强大、透明且可重复的计算LCA工具的需求也在增加。因此，选择LCA模型不再仅仅是个人偏好问题，而是LCA结果科学有效性的关键因素。比较研究表明，使用不同的LCA工具对同一产品系统进行评估可能会因数据库管理、LCA方法、特征因子和计算引擎的差异而产生不同的结果（Gong等人，2025a；Gu等人，2024）。

历史上，私营部门的LCA软件开发主要由通用商业工具如SimaPro和GaBi引领（Dharmarathna等人，2024；Se?kár等人，2025）。虽然这些工具提供了适用于多种产品的数据库，但它们通常需要付费订阅才能使用，并且缺乏定制集成或高度专业化领域建模所需的灵活性（Popowicz等人，2025）。作为回应，科学界越来越多地转向模块化、开源工具，如openLCA，它引入了灵活插件的概念以改善数据交换（GreenDelta，2024），而基于Python的框架如Brightway则展示了使用现代编程进行高性能矩阵计算的计算优势（Mutel，2017）。在广泛的LCA生态系统中，由阿贡国家实验室开发的温室气体、受监管排放和能源使用技术模型（R&D GREET）的研发版本作为一个公开可用的专业工具占据独特地位，拥有庞大的技术评估数据库。与通用LCA软件不同，R&D GREET专门设计用于表示燃料路径、车辆技术以及新兴材料和制造技术的复杂性，并强调透明度和可访问性（Wang等人，2025）。30多年来，R&D GREET在美国被广泛使用和引用，用户基数超过70,000人，涵盖学术界、工业界、非政府组织和政府机构。多个R&D GREET的衍生版本已被联邦和州机构用于政策制定，例如加利福尼亚州低碳燃料标准（加州空气资源委员会，2025）以及《通胀削减法案》下的美国45V和45Z条款中关于清洁氢气和清洁燃料碳强度的计算（美国能源部，2026）。

为了实现方法论的透明度，R&D GREET将生命周期清单（LCI）数据组织成一个反映技术供应链复杂性的层次结构。R&D GREET数据库包含七个数据元素：路径（Pathways）、路径组合（Pathway mixes）、过程（Processes）、资源（Resources）、排放（Emissions）、转换（Conversions）和车辆（Vehicles）。如图1所示，这些数据元素通过映射基础单元和复杂系统之间的功能依赖关系进行组织。在这个层次结构中，资源和转换是基本构建块，用于构建模拟材料转换的固定过程（Stationary Processes）和描述货物通过特定方式和载荷运输的过程（Transportation Processes）。这些过程随后被排序成路径（Pathways）和路径组合（例如区域电力网格组合），以模拟特定能源或材料产品的完整价值链。车辆模型包括车辆制造和动力总成操作，以及对排放的全面跟踪，这些统称为“流量”（Flows）。这种层次结构对于软件的模块化设计至关重要，因为它允许PyGREET将异构的领域特定配置映射到第4节描述的数学框架所需的统一数值结构中。每个数据元素的详细操作属性、参数定义和命名约定在支持信息（SI）的第S1节中提供。

尽管R&D GREET模型在分析上非常严谨，但其之前的实现存在架构限制，限制了其可扩展性、可维护性、可用性和互操作性。历史上，R&D GREET主要在两个平台上维护：基于Excel的版本和基于Microsoft .NET的版本，两者都依赖于Windows桌面环境，这限制了跨平台使用和与现代基于Web和云的工作流程的集成。虽然GREET.Excel提供了透明度，但由于复杂的公式链和循环引用，小错误可能导致系统逻辑故障。GREET.NET提供了图形界面，但依赖于难以重构的单一代码库，且不便于利用现代开源工具和数据科学库。这些传统结构使得未来的R&D GREET开发更加耗时，并面临数据完整性风险。为了解决这些限制，本文介绍了PyGREET，这是一个为计算可扩展性和与第三方LCA软件的无缝互操作性而设计的Python实现。PyGREET的开发需要平衡生命周期建模平台中经常冲突的三个目标：（i）保持R&D GREET的科学完整性；（ii）确保审计和研究的透明度；（iii）提供一个适合大规模场景分析的生产就绪工具（Lopes Silva等人，2019；Silva等人，2017）。这些目标与当前平台的关键技术挑战之间的对应关系在表1中详细说明，表1总结了在PyGREET开发过程中确定的关键问题及相应的战略目标。R&D GREET平台的历史演变及其关键特性的随时间变化在SI的第S7节中有详细说明。

多级和模块化系统架构
为了实现表1中描述的战略目标，PyGREET从其前身的单一结构转变为模块化、分层架构。这种架构变化明确区分了领域特定数据建模（例如用户如何定义燃料路径）与执行核心LCA计算的数值算法。这种分层结构确保数据模型、场景逻辑或数值算法的更改可以独立进行，支持长期使用。

用户导向的过程工作流程
SI的第S6节总结了PyGREET的功能，并将其分为Gong等人（2025b）提出的六类LCA软件。为了展示PyGREET的功能如何支持日常研究任务，图3展示了一个泳道图（即跨职能流程图），说明了用户导向的PyGREET应用程序的典型工作流程。该图分为三个水平部分：用户（User）、前端（Frontend）和后端（Backend），明确了各自的功能。

数学框架和方法论
将丰富的、用户定义的技术配置转换为一致的生命周期结果需要一个清晰的数学框架。具体来说，PyGREET需要一个中间转换层，将高度专业化的层次数据结构（如第1.2节所述）映射到计算算法所需的平面数值结构。以下部分描述了这种转换及其相关解决方案过程，利用概念类比进行说明。

评估设置和数据集
确保结果与GREETExcel和GREET.NET平台的一致性是PyGREET开发的核心。鉴于从GREET.NET的XML格式迁移到PyGREET的SQL规范格式，以及将GREET.NET使用的迭代计算算法转换为PyGREET采用的新矩阵公式的前提，这一点尤为重要。验证和跨平台一致性不仅确认了数据的准确传输，还确保了基于矩阵的结果。

结论
PyGREET通过提供一个用户友好、科学严谨、领域特定且计算强大的平台，增强了R&D GREET的建模方法，支持研究人员、工业界、组织、决策者以及其他参与技术研究、开发和商业化的利益相关者。PyGREET通过其模块化架构、规范的数据表示和CRediT作者贡献声明保持了对现有GREET.NET和GREET.Excel的方法论忠实度。

作者贡献声明
蔡浩（Hao Cai）：撰写——原始草稿、软件开发、项目管理、资金获取、概念化。
迈克尔·王（Michael Wang）：撰写——原始草稿、软件开发、项目管理、资金获取、概念化。
欧龙文（Longwen Ou）：撰写——原始草稿、验证、软件开发、概念化。
托马斯·哈莫里（Thomas Hamori）：撰写——原始草稿、软件开发。
瓦迪姆·索科洛夫（Vadim Sokolov）：撰写——原始草稿、软件开发、概念化。
阿姆加德·埃尔戈韦尼（Amgad Elgowainy）：撰写——原始草稿、资金获取。

未引用的参考文献
美国能源部（U.S. Department of Energy），2026；美国能源部（U.S. Department of Energy），2025a；美国能源部（U.S. Department of Energy），2025b；Wang，1999。

软件和数据可用性
软件名称：PyGREET
开发者：何塞·D·埃尔南德斯-贝坦库尔（Jose D. Hernandez-Betancur）、汤姆·西科拉（Tom Sykora）、欧龙文（Longwen Ou）、托马斯·哈莫里（Thomas Hamori）、瓦迪姆·索科洛夫（Vadim Sokolov）、阿姆加德·埃尔戈韦尼（Amgad Elgowainy）、蔡浩（Hao Cai）、迈克尔·王（Michael Wang）
首次可用日期：2025年11月25日
系统要求：Windows、macOS（Apple Silicon）、Linux（x86-64）
编程语言：Python、JavaScript、TypeScript
软件版本：PyGREET测试版（beta version）
文档：PyGREET用户指南

利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢
该项目由基础设施投资和就业法案通过技术商业化基金资助，该基金由美国能源部（DOE）技术商业化办公室（OTC）与关键矿物和能源创新办公室（CMEI）合作管理，授予编号为TF-23AN020102的合同和DE-AC02-06CH11357。我们衷心感谢Matthew Mattozzi、Kyle Fricker、Felipe Barcia、Emanuele Pecora、Andrew Bray的支持和指导。