基于模糊可拓層次分析法的汽車綠色度評價體系研究

劉 源

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院機電工程學(xué)院，河南 鄭州 450015)

汽車工業(yè)是我國國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)，隨著汽車保有量呈快速上升趨勢，汽車給環(huán)境帶來的污染也日益嚴(yán)重，節(jié)能減排，走可持續(xù)發(fā)展道路已成為社會各界的共識。如何使傳統(tǒng)汽車向綠色汽車過渡是一個亟待解決的問題。

綠色度是對產(chǎn)品進行綠色性評價的重要指標(biāo)，是產(chǎn)品對環(huán)境綠色度的量化值[1]。電動汽車綠色度評價包括了環(huán)境屬性、資源屬性、能源屬性、經(jīng)濟指標(biāo)屬性、技術(shù)屬性等指標(biāo)的綜合評價，是一個多目標(biāo)、多層次的評價。通過研究汽車綠色度評價指標(biāo)體系，并給出定量的評價方法，確定影響產(chǎn)品綠色度的關(guān)鍵因素，這對改進和優(yōu)化汽車的綠色設(shè)計，促進可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。對于多級評價指標(biāo)體系可采用層次分析法、模糊綜合評價法或二者相結(jié)合的方法來評價。尹望吾等[2]采用層次分析法計算權(quán)重并利用回歸算法制定權(quán)重分配策略，實現(xiàn)了對裝備制造業(yè)的綠色度評價。王躍進等[3]采用多級模糊綜合評價方法實現(xiàn)對產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的綠色度評價。汪驥等[4]采用層次分析法和模糊綜合評價法相結(jié)合實現(xiàn)對船舶建造過程的整體綠色度評價，為船舶產(chǎn)品整個生命周期的綠色度評價提供了方法。

但是傳統(tǒng)的層次分析法在構(gòu)造判斷矩陣時，兩兩比較的取值為一個具體數(shù)值[5]，不能準(zhǔn)確描述專家判斷的模糊性。而可拓層次分析法用可拓區(qū)間代替具體數(shù)值，能更加準(zhǔn)確地表達(dá)專家在指標(biāo)評價中的主觀判斷模糊性，使得權(quán)重排序更加合理。

1 汽車綠色度評價體系建立

汽車綠色度評價是面向原材料、生產(chǎn)制造、包裝運輸、使用維護和報廢回收等整個產(chǎn)品生命周期的評價[6]，其評價指標(biāo)體系不僅要有環(huán)境方面的指標(biāo)，也要有傳統(tǒng)的產(chǎn)品評價指標(biāo)。因此，建立一套合理、全面的評價指標(biāo)體系是對汽車綠色度進行綜合評價的基礎(chǔ)。

汽車綠色度評價指標(biāo)體系由汽車的基本屬性組成，包括環(huán)境屬性指標(biāo)、資源屬性指標(biāo)、能源屬性指標(biāo)、技術(shù)屬性指標(biāo)及經(jīng)濟屬性指標(biāo)5個大的方面[7－8]。每個屬性指標(biāo)又由一些指標(biāo)組成，形成了不同層次的評價指標(biāo)，從而可全面綜合地評價產(chǎn)品的綠色度。

為了使得評價指標(biāo)體系具有可比性和可操作性，在指標(biāo)選取時應(yīng)綜合考慮其科學(xué)性、目的性、完整性。圖1所示為汽車綠色度評價指標(biāo)體系的基本構(gòu)成。

技術(shù)屬性指標(biāo)是傳統(tǒng)的汽車評價指標(biāo)，是考察汽車是否達(dá)到預(yù)定使用功能的指標(biāo)。技術(shù)屬性指標(biāo)的考察主要包括動力性、操縱穩(wěn)定性和平順性等。

環(huán)境屬性指標(biāo)是綠色性汽車不同于傳統(tǒng)汽車的重要特征之一，也是汽車綠色度評價中最重要的一個環(huán)節(jié)。汽車在使用過程中的尾氣排放、噪聲以及燃油、潤滑系統(tǒng)在維護過程中的含油污水排放都會對環(huán)境造成嚴(yán)重影響。因此，對汽車環(huán)境屬性指標(biāo)的考察主要是指整個生命周期內(nèi)與環(huán)境有關(guān)的指標(biāo)，包括大氣污染、噪聲污染和水油污染等方面的內(nèi)容。

圖1 汽車綠色度評價指標(biāo)體系

資源包括產(chǎn)品生命周期各個階段中使用的材料資源、設(shè)備資源、信息資源和人力資源，是產(chǎn)品生產(chǎn)和使用所必需的基本條件。汽車產(chǎn)品對環(huán)境影響最直接、最重要的是材料資源，對汽車資源屬性指標(biāo)的考察主要包括材料利用率和廢舊材料回收率。

能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，節(jié)約和充分利用能源是現(xiàn)代社會生產(chǎn)的必然要求，能源利用率高，也就節(jié)約了資源，減少對環(huán)境的污染。汽車在生產(chǎn)、使用和回收中都要消耗掉大量的能源，因此要盡量使用清潔能源和再生能源，并采用合理的生產(chǎn)工藝，以提高對資源的利用率。對汽車能源屬性指標(biāo)的考察主要包括能源類型、能源利用率和能源消耗量。

提高經(jīng)濟效益是制造生產(chǎn)企業(yè)追求的最重要目標(biāo)之一。以往衡量產(chǎn)品的經(jīng)濟性指標(biāo)大多只考慮設(shè)計成本、生產(chǎn)成本以及運輸費用、儲存費用等附加成本，很少考慮因工業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟活動所造成的環(huán)境污染而導(dǎo)致的社會費用，也很少或不考慮產(chǎn)品達(dá)到生命周期后的拆卸、回收和處理處置費用對產(chǎn)品總體經(jīng)濟性的影響。對汽車綠色度評價的經(jīng)濟屬性指標(biāo)的考察必須考慮治污和回收對經(jīng)濟性的影響。經(jīng)濟屬性指標(biāo)主要由生產(chǎn)成本、使用成本和治污成本組成。

2 可拓層次分析法

2.1 構(gòu)造可拓判斷矩陣

SAATY提出的互反性1－9標(biāo)度法可作為可拓區(qū)間層次分析法的標(biāo)量化方法[9]。在某一準(zhǔn)則下，專家對隸屬于同一層次的各元素之間的相對重要性進行兩兩比較，建立正互反一致性矩陣Ak=[aij]n×n，i，j=1，2，…，n，其中aij=＜aij，a+ij＞是一個可拓區(qū)間數(shù)，aij，a+ij分別為判斷矩陣第i行j列可拓區(qū)間元素的上、下端點。為了把可拓判斷矩陣中的每個元素定量化，將可拓區(qū)間的中值取值為層次分析法中1－9標(biāo)度法取值的整數(shù)值。

2.2 綜合可拓區(qū)間數(shù)判斷矩陣和權(quán)重向量

由可拓區(qū)間數(shù)aij=＜aij，a+ij＞可得可拓區(qū)間數(shù)判斷矩陣A=＜A－，A+＞，其中A－為區(qū)間下端點構(gòu)成的矩陣，A+為區(qū)間上端點構(gòu)成的矩陣。求其滿足一致性條件的權(quán)重向量步驟如下。

a.求A－，A+的最大特征值所對應(yīng)的具有正分量的歸一化特征向量x－，x+。

由A－=[aij]n×n，A+=[a+ij]n×n，計算k和m的值，可得

式中k和m分別為滿足0＜kx－≤mx+的全體正實數(shù)。

判斷矩陣的一致性。若0≤k≤1≤m，則說明可拓區(qū)間判斷矩陣的一致性較好。

b.求可拓區(qū)間數(shù)權(quán)重向量。

2.3 層次單層排序

設(shè)Si=＜S－i，S+i＞，Sj=＜S－j，S+j＞，如果D(Si－，Si+)≥0(i≠j)表示 Si－≥Sj+的可能性程度，則

式中Pi表示某層上第i個因素對上一層次上的某個因素的單層排序，經(jīng)歸一化處理后，得到P=(P1，P2，…，Pn)T表示某層上各因素對上一層次上的某個因素的單層排序權(quán)重向量;S－i，S+i，S－j，S+j表示兩個單層權(quán)重向量可拓區(qū)間數(shù)的上、下端點。

2.4 層次總排序

在求出所有Pkl=(P1kl，P2kl，…，Pknkl)T以后，其中 k 為第 k 層，l為第 l個因素。當(dāng) l=1，2，…，nk－1時，得到 nk× nk－1階的矩陣，即

3 模糊綜合評價法

3.1 單因素模糊綜合評價

構(gòu)建因素集。將各種評價指標(biāo)構(gòu)成的集合稱為因素集，由n個評價指標(biāo)組成的因素集記為U={U1，U2，…，Un}。

建立評語體系 V={v1，v2，v3，v4，v5}，來表征評價指標(biāo)的綠色度水平。

a.求評語隸屬度的矩陣。

對于隸屬度計算采用專家打分法(菲爾德法)，隸屬度rij等于評價因素Ui被評為評語Vj的次數(shù)除以有效的咨詢次數(shù)，得到評語隸屬度矩陣為

b.建立單因素綜合評價模型。

計算權(quán)重向量。由可拓層次分析法求得權(quán)重向量W。

根據(jù)模糊綜合評價概念，若已知下層n個因素的隸屬度向量分別為 R1，R2，…，Rn，以及權(quán)重分配向量 Wk=(W1，W2，…，Wn)，則可以根據(jù)式(7)計算上一層因素綜合評價結(jié)果B。

最后，根據(jù)最大隸屬度原理可得到評價指標(biāo)影響程度排序值。

3.2 模糊綜合評判

汽車綠色度評價體系是一個多層次的評價體系，因此模糊評價也分為多個層次，即需要進行二級模糊評價、三級模糊評價等。

二級模糊綜合評價模型為

式中:Wi為第i因素的單層排序權(quán)重向量，Wi=(wi1，wi2，…，wik);Bi為第 i因素的一級模糊評價結(jié)果;M為各因素之間的模糊綜合評價結(jié)果。

對于最終的評價結(jié)果可用量化分值來表示，將評價集 V={很差，差，一般，較好，很好}賦予分值，即 V={0.2，0.4，0.6，0.8，1.0}，則各級指標(biāo)的綠色度綜合評價得分為:

得分越高表示綠色度評價結(jié)果越好。

4 某汽車產(chǎn)品綠色度綜合評價分析

利用模糊可拓層次分析法對某以汽油為燃料的小排量汽車進行綠色度綜合評價。汽車是一種復(fù)雜的機械系統(tǒng)，要進行綠色度評價，首先就要確定一個能科學(xué)、客觀且盡可能全面反映對象目標(biāo)特性的評價指標(biāo)體系。前文給出了汽車綠色度評價指標(biāo)體系(如圖1所示)。

4.1 確定各指標(biāo)權(quán)重

邀請一組專家對每個評價指標(biāo)給出等級評價，評價過程中，專家組按照1－9標(biāo)度法原則兩兩構(gòu)造各級可拓區(qū)間數(shù)判斷矩陣。準(zhǔn)則層各屬性對目標(biāo)層的重要度及權(quán)重見表1。

根據(jù)表1求A－，A+的最大特征值所對應(yīng)的、具有正分量的歸一化特征向量，即

然后，根據(jù)式(1)和式(2)分別求出k=0.919，m=1.041。由計算結(jié)果可知k＜m，說明矩陣一致性較好。

表1 準(zhǔn)則層各屬性對目標(biāo)層的重要度及權(quán)重

由式(3)求出滿足一致性條件的可拓區(qū)間數(shù)權(quán)重向量，為

根據(jù)式(4)求出5項指標(biāo)對總目標(biāo)層的單層排序，為

經(jīng)歸一化處理后，可得準(zhǔn)則層技術(shù)、環(huán)境、能源、資源性、經(jīng)濟5個評價指標(biāo)對目標(biāo)層的權(quán)重向量為

P=(0.220，0.325，0.261，0.165，0.029)T

按照單層排序確定權(quán)重的方法，分別計算環(huán)境屬性指標(biāo)、資源屬性指標(biāo)、能源屬性指標(biāo)、技術(shù)屬性指標(biāo)及經(jīng)濟屬性指標(biāo)的二級評價指標(biāo)的權(quán)重向量，結(jié)果見表2。

4.2 計算隸屬度

邀請專家對指標(biāo)層的各項指標(biāo)進行打分，將評價結(jié)果經(jīng)歸一化處理后可得到各項指標(biāo)的評語隸屬度向量，再由各項指標(biāo)的評語隸屬度向量構(gòu)成評價矩陣，結(jié)果見表2。

4.3 模糊綜合評價

以技術(shù)屬性指標(biāo)為例，技術(shù)屬性指標(biāo)的3項子指標(biāo)的評價矩陣為:

3項子指標(biāo)相對于技術(shù)屬性指標(biāo)的權(quán)重為W1=(w11，w12，w13)=(0.335，0.350，0.315)。

根據(jù)式(7)計算得到技術(shù)屬性指標(biāo)綜合評價結(jié)果 B1=(0.0000，0.0063，0.3177，0.5041，0.1484)。

表2 各屬性評價指標(biāo)權(quán)重及隸屬度

依次類推，可得到環(huán)境屬性指標(biāo)、能源屬性指標(biāo)、資源屬性指標(biāo)、經(jīng)濟屬性指標(biāo)綜合評價結(jié)果為

根據(jù)式(8)計算得

綠色度評分值G=66.18。一般來說，可將綠色度分值高于60分的產(chǎn)品稱為綠色產(chǎn)品。

進一步分析各個屬性指標(biāo)的綠色度，技術(shù)屬性指標(biāo)的綠色度評分值G1=74.48，說明燃油汽車具有良好的動力性、操縱穩(wěn)定性和平順性，能夠較好地滿足汽車使用要求。環(huán)境屬性指標(biāo)綠色度評分值G2=62.63，稍低于汽車整體綠色度分值，說明汽車在行駛過程中排放的尾氣、噪聲以及保養(yǎng)維修時排放的廢油、廢水對環(huán)境造成了污染，而作為主要污染源的汽車尾氣卻達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，因此總體來說燃油汽車的環(huán)境屬性指標(biāo)較好。能源屬性指標(biāo)綠色度評分值G3=59.66，說明燃油汽車綠色度較低。隨著石油資源日益緊張，可以通過使用新型清潔能源、提高能源利用率等途徑來提高汽車綠色度。資源屬性指標(biāo)綠色度評分值G4=65.38，說明汽車生產(chǎn)時的材料利用率和報廢時的材料回收率較高。經(jīng)濟屬性綠色度評分值G5=72.85，說明燃油汽車對于生產(chǎn)廠家、用戶和回收企業(yè)的成本都較低，具有較好的經(jīng)濟性。

5 結(jié)束語

本文提出的模糊可拓層次評價方法是在以往研究的模糊層次分析法的基礎(chǔ)上，引入了可拓理論，將專家的判斷由一個具體數(shù)值擴展為一個區(qū)間，更加準(zhǔn)確地描述了專家經(jīng)驗判斷的模糊性特點，使評價結(jié)果更加真實可信。

研究表明，傳統(tǒng)燃油汽車面臨著石油資源匱乏、環(huán)境污染嚴(yán)重的問題，影響著汽車綠色度水平的進一步提高。未來汽車綠色度提高的途徑應(yīng)重點放在清潔能源的使用以及提高燃料利用率等方面。

[1] HUR T，KIM I，YAMAMOTO R.Measurement of green productivity and its improvement[J].Journal of Cleaner Productivity，2004，12(7):673－683.

[2] 尹望吾，魏吉雙.裝備制造業(yè)綠色度評估技術(shù)研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，38(9):50－54.

[3] 王躍進，孟憲頤.綠色產(chǎn)品多級綜合評價方法的研究[J].中國機械工程，2000，11(9):1016－1019.

[4] 汪驥，劉玉君，魯大鵬，等.船舶建造過程綠色度評價方法研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報，2012，52(2):221－226.

[5] 劉源，趙又群.基于模糊層次分析法的車輛故障影響評估模型[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2009(6):23－26.

[6] 孔玉霞，李嵐.液壓系統(tǒng)資源屬性的綠色度評價方法[J].機床與液壓，2008，36(12):113－115.

[7] 劉紅旗，陳世興.產(chǎn)品綠色度的綜合評價模型和方法體系[J].中國機械工程，2000(9):1013－1016.

[8] 代應(yīng)，蔣長兵.汽車逆向物流系統(tǒng)綠色度評價研究[J].計算機工程與應(yīng)用，2009，45(3):220－222.

[9] SAATY T L.TheAanalytic Hierarchy Process[M].New York:Mc Graw－Hill，1980.