綠色制造工藝優(yōu)化的物元可拓評價

易湘斌，張 玲，張繼林，李寶棟，焦愛勝

（1.綠色切削加工技術及其應用甘肅省重點實驗室，蘭州 730050；2.甘肅省機械裝備先進制造協(xié)同創(chuàng)新中心，蘭州 730050）

0 引言

綠色制造是一種面向可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的現(xiàn)代制造模式，其研究工作包含兩個主要分支，一個是綠色制造工藝技術，屬于“硬件內(nèi)容”；另一個是制造過程工藝評價方法，研究制造過程對環(huán)境的具體影響的特征及其程度，屬于“軟件內(nèi)容”。沒有“軟件研究”工作的支持，“硬件研究”很難取得實質(zhì)性的進展。綠色制造工藝評價關鍵在于對綠色制造概念定量化，這是綠色制造實施中的中心環(huán)節(jié)，需要考慮制造過程中的環(huán)境影響和資源消耗進行綜合決策。為此，學術界都在通過研究相應評價模型，以使保護環(huán)境的概念在制造科學和工程中具體化、指標化和定量化[1～4]。當前綠色制造工藝評價存在的困難是在環(huán)境及資源評價指標中定性描述和定量值混雜，同時生產(chǎn)綱領、生產(chǎn)條件和產(chǎn)品工藝特征的多變性導致在工藝檢索、匹配以及綜合過程中沒有合適的形式化信息模型。

可拓學是用形式化模型研究開拓創(chuàng)新的規(guī)律的系統(tǒng)工程學方法[5]，在解決工藝方案評價這種矛盾和不相容的問題時具有獨特優(yōu)勢能有效提高復雜產(chǎn)品方案設計問題的求解能力和靈活性。這里通過構建綠色加工工藝過程的層次模型，采用可拓學理論中的多維物元描述各個評價因素，分析它們之間的關聯(lián)性并依據(jù)影響度大小確定其權重系數(shù)，通過關聯(lián)函數(shù)計算定量評價加工方案的優(yōu)劣。

1 工藝方案綠色評價體系

現(xiàn)代制造過程受到企業(yè)、社會、環(huán)境與生態(tài)等系統(tǒng)諸多因素的綜合影響，必須通過對制造過程的合理優(yōu)化和規(guī)劃，對每個工藝方案按照一定的準則和方法進行評估，從多個制造工藝方案中確定最優(yōu)方案。將機械、計算機、材料、環(huán)境等學科相結合，運用系統(tǒng)工程方法對整個綠色產(chǎn)品制造工藝過程的影響因素進行定性、定量相結合的綜合評價，保證產(chǎn)品加工質(zhì)量和企業(yè)經(jīng)濟效益的同時，減少資源消耗，改善環(huán)境影響和勞動保護，實現(xiàn)制造過程綠色化。

綠色制造工藝方案評價指標要從生產(chǎn)、技術、質(zhì)量、經(jīng)濟、資源及環(huán)境影響等方面出發(fā)，選取最具代表性，對方案實現(xiàn)起重要作用的指標，選取數(shù)據(jù)應容易取得，且變化具有規(guī)律性影響[4]。

這里將綠色制造工藝評價的因素按屬性分為兩個層次：其中，產(chǎn)品加工質(zhì)量、資源環(huán)境影響和企業(yè)經(jīng)濟效益是第一層次影響因素。加工質(zhì)量屬性是指滿足工藝的參數(shù)要求，強調(diào)工藝技術的先進性和加工的可靠性，是關系到產(chǎn)品使用性能和用戶利益的關鍵指標。選取平均工序能力、零件合格率、零件返修率和工藝過程穩(wěn)定性作為四項二級指標；資源環(huán)境影響是綠色加工工藝評價的代表性參數(shù)，包括材料、設備、能源等再生和不可再生資源的消耗，也包括加工過程對環(huán)境的影響，如三廢排放、污染物回收、噪聲輻射對人的影響等。經(jīng)濟效益是指企業(yè)扣除材料、設備、勞動力、能源及維護等成本后的實際盈利，是企業(yè)始終關注的核心內(nèi)容，通過借鑒全生命周期成本核算法，考慮引入單件工藝成本、設備折舊費、人均產(chǎn)值和人均盈利等二級指標反映企業(yè)經(jīng)濟效益[5]。

通過以上分析，運用層次分析法建立綠色制造工藝方案層次模型，包含了加工質(zhì)量、生產(chǎn)消耗等3個一級指標和平均工序能力、污染物排放、能源消耗等11個二級指標。該綠色制造工藝評價模型中，評價指標的設定主要基于工藝過程和生產(chǎn)管理參數(shù)，同時設置了與污染物排放和資源消耗有關的參數(shù)以突出綠色制造的環(huán)境和資源屬性。

2 綠色制造工藝的可拓評價方法

1）物元模型的建立

用N0j表示所劃分的j個評價方案，C表示N0j對應的評價指標。各類別N0j對應評價指標C所選的數(shù)據(jù)范圍稱經(jīng)典域，經(jīng)典域取值以與評價對象有關的原始資料為基礎，其量值范圍為V0ji=＜aoji,boji＞。將由標準事物N0加上可轉(zhuǎn)化事物的所有可能的取值的極限區(qū)間稱節(jié)域，量值范圍為Vpji=＜cpji,dpji＞[6,7]。將各評價指標劃分為優(yōu)、中、差三個等級，建立經(jīng)典域物元R0和節(jié)域物元Rp。

2）確定權重

綠色工藝評價指標相對重要性是合理正確評價工藝綠色性的依據(jù)，準確客觀地確定評估指標的權重是進行綠色工藝參數(shù)決策的前提。排除某些不滿足特定指標的方案后，根據(jù)重要程度賦予其他指標[0，1]的權重，權重可采用層次分析法、粗糙集法、證據(jù)推理法確定[8,9]。限于篇幅，此處不再贅述。權重記為：

3）關聯(lián)度及其規(guī)范化

按照文獻中的方法，式(1)～式(3)分別計算各物元之間的距和位值，進而確定評價方案對于各等級的關聯(lián)度。對關聯(lián)度規(guī)范化：

4）優(yōu)度評價

首先計算底層的綜合關聯(lián)度——優(yōu)度Kj；然后再根據(jù)上一層權重矩陣A，計算上一層的關聯(lián)度，最后形成評價結果矩陣K。優(yōu)度反映了備選方案接近理想方案的程度，其值越大，說明該方案越佳。

3 實例

針對某制造企業(yè)叉架零件的機械加工，擬從同行業(yè)的三套加工工藝方案中進行優(yōu)選。

方案1采用通用機床，工藝路線為：車端面、外圓、螺紋；鉆、擴花鍵底孔、锪沉頭孔；倒角；拉花鍵孔；鉆螺紋孔；粗銑叉腳兩端面；鉆、擴孔；鏜孔；磨叉腳兩端面；鉆底孔；攻螺紋。

方案2采用車銑復合加工中心，工序較為集中，工藝路線為：粗精銑叉腳面，鉆、擴、鉸孔，銑端面，鉆、擴花鍵孔，倒角，锪沉頭孔，鉆底孔，攻螺紋；車削外圓、螺紋。加工過程中廣泛采用硬態(tài)切削工藝。

方案3采用專用機床生產(chǎn)線，工藝路線為：車端面、外圓、螺紋，鉆、擴花鍵孔；拉花鍵孔；鉆、鏜孔、平端面；鉆底孔、攻螺紋。

表1 綠色加工工藝方案評價方案評分表

建立綠色制造工藝評價層次結構體系，形成表1所示的兩級評價指標，依據(jù)文獻[6]對定量指標進行測算，通過專家評分方式確定定性指標，形成了三種工藝方案的評分表。

1）第二層次可拓綜合評價

采用上述方法，將待評工藝方案統(tǒng)一用物元模型表示：

對C1～C4，C5～C7，C8～C11按照相互之間重要性取比值1：3：5：3， 1：2：5和1：5：3：3確定。兩兩比較，得出各指標權重為：

A1=（0.52，0.08，0.20，0.20）；

A2=（0.6，0.27，0.13）；

A3=（0.52，0.08，0.2，0.2）。

計算待評方案對于在各個等級下的綜合關聯(lián)度，并進行關聯(lián)度規(guī)范化，如表2所示。

2）第一層次可拓綜合評價

按B1、B2、B3之間相對重要性取比值1:2:3，得到權重A=（0.164，0.297，0.539），不同的權重說明對相應因素的重視程度，顯然此次評價更重視經(jīng)濟效益的考核。

依據(jù)第二層次的優(yōu)度評價結果建立關聯(lián)度矩陣，采用同樣的評價方法，計算最終的工藝方案評價結果如表3所示。

采用物元可拓評價方法，既能對多個方案綜合比較，又能分析每個方案的具體情況。由表3可知：在等級為優(yōu)的綜合評價中，K1＜K3＜K2，在等級為差的綜合評價中，K1＞K2＞K3，確定工藝方案B為最佳方案；同時，可以看出方案B勝出主要在于其生產(chǎn)組織靈活，經(jīng)濟效益好，盡管在生產(chǎn)中采用了綠色加工工藝，但其污染物排放和能源消耗的得分仍較批量化生產(chǎn)的方案C低，從節(jié)約資源和減小環(huán)境影響的角度考慮，還應進行改進。

表2 第二層次優(yōu)度評價結果

表3 第一層次優(yōu)度評價結果

4 結束語

制造工藝評價技術是綠色制造的關鍵技術之一，對于綠色制造工藝評價體系的研究重點放在加工質(zhì)量指標、能源消耗指標、環(huán)境影響指標及經(jīng)濟性指標等項目上。實例證明，將可拓工程引入工藝方案綜合評價是有效的，其評價結果和評價過程均可為生產(chǎn)工藝的分析和調(diào)整提供依據(jù)。和文獻[10,11]采用的方法相比，本方法表述更清晰，計算簡便，為多目標、多層次的綠色工藝方案智能決策提供了新的思路。