绿色制造工艺优化的物元可拓评价

易湘斌，张 玲，张继林，李宝栋，焦爱胜

（1.绿色切削加工技术及其应用甘肃省重点实验室，兰州 730050；2.甘肃省机械装备先进制造协同创新中心，兰州 730050）

0 引言

绿色制造是一种面向可持续发展战略的现代制造模式，其研究工作包含两个主要分支，一个是绿色制造工艺技术，属于“硬件内容”；另一个是制造过程工艺评价方法，研究制造过程对环境的具体影响的特征及其程度，属于“软件内容”。没有“软件研究”工作的支持，“硬件研究”很难取得实质性的进展。绿色制造工艺评价关键在于对绿色制造概念定量化，这是绿色制造实施中的中心环节，需要考虑制造过程中的环境影响和资源消耗进行综合决策。为此，学术界都在通过研究相应评价模型，以使保护环境的概念在制造科学和工程中具体化、指标化和定量化[1～4]。当前绿色制造工艺评价存在的困难是在环境及资源评价指标中定性描述和定量值混杂，同时生产纲领、生产条件和产品工艺特征的多变性导致在工艺检索、匹配以及综合过程中没有合适的形式化信息模型。

可拓学是用形式化模型研究开拓创新的规律的系统工程学方法[5]，在解决工艺方案评价这种矛盾和不相容的问题时具有独特优势能有效提高复杂产品方案设计问题的求解能力和灵活性。这里通过构建绿色加工工艺过程的层次模型，采用可拓学理论中的多维物元描述各个评价因素，分析它们之间的关联性并依据影响度大小确定其权重系数，通过关联函数计算定量评价加工方案的优劣。

1 工艺方案绿色评价体系

现代制造过程受到企业、社会、环境与生态等系统诸多因素的综合影响，必须通过对制造过程的合理优化和规划，对每个工艺方案按照一定的准则和方法进行评估，从多个制造工艺方案中确定最优方案。将机械、计算机、材料、环境等学科相结合，运用系统工程方法对整个绿色产品制造工艺过程的影响因素进行定性、定量相结合的综合评价，保证产品加工质量和企业经济效益的同时，减少资源消耗，改善环境影响和劳动保护，实现制造过程绿色化。

绿色制造工艺方案评价指标要从生产、技术、质量、经济、资源及环境影响等方面出发，选取最具代表性，对方案实现起重要作用的指标，选取数据应容易取得，且变化具有规律性影响[4]。

这里将绿色制造工艺评价的因素按属性分为两个层次：其中，产品加工质量、资源环境影响和企业经济效益是第一层次影响因素。加工质量属性是指满足工艺的参数要求，强调工艺技术的先进性和加工的可靠性，是关系到产品使用性能和用户利益的关键指标。选取平均工序能力、零件合格率、零件返修率和工艺过程稳定性作为四项二级指标；资源环境影响是绿色加工工艺评价的代表性参数，包括材料、设备、能源等再生和不可再生资源的消耗，也包括加工过程对环境的影响，如三废排放、污染物回收、噪声辐射对人的影响等。经济效益是指企业扣除材料、设备、劳动力、能源及维护等成本后的实际盈利，是企业始终关注的核心内容，通过借鉴全生命周期成本核算法，考虑引入单件工艺成本、设备折旧费、人均产值和人均盈利等二级指标反映企业经济效益[5]。

通过以上分析，运用层次分析法建立绿色制造工艺方案层次模型，包含了加工质量、生产消耗等3个一级指标和平均工序能力、污染物排放、能源消耗等11个二级指标。该绿色制造工艺评价模型中，评价指标的设定主要基于工艺过程和生产管理参数，同时设置了与污染物排放和资源消耗有关的参数以突出绿色制造的环境和资源属性。

2 绿色制造工艺的可拓评价方法

1）物元模型的建立

用N0j表示所划分的j个评价方案，C表示N0j对应的评价指标。各类别N0j对应评价指标C所选的数据范围称经典域，经典域取值以与评价对象有关的原始资料为基础，其量值范围为V0ji=＜aoji,boji＞。将由标准事物N0加上可转化事物的所有可能的取值的极限区间称节域，量值范围为Vpji=＜cpji,dpji＞[6,7]。将各评价指标划分为优、中、差三个等级，建立经典域物元R0和节域物元Rp。

2）确定权重

绿色工艺评价指标相对重要性是合理正确评价工艺绿色性的依据，准确客观地确定评估指标的权重是进行绿色工艺参数决策的前提。排除某些不满足特定指标的方案后，根据重要程度赋予其他指标[0，1]的权重，权重可采用层次分析法、粗糙集法、证据推理法确定[8,9]。限于篇幅，此处不再赘述。权重记为：

3）关联度及其规范化

按照文献中的方法，式(1)～式(3)分别计算各物元之间的距和位值，进而确定评价方案对于各等级的关联度。对关联度规范化：

4）优度评价

首先计算底层的综合关联度——优度Kj；然后再根据上一层权重矩阵A，计算上一层的关联度，最后形成评价结果矩阵K。优度反映了备选方案接近理想方案的程度，其值越大，说明该方案越佳。

3 实例

针对某制造企业叉架零件的机械加工，拟从同行业的三套加工工艺方案中进行优选。

方案1采用通用机床，工艺路线为：车端面、外圆、螺纹；钻、扩花键底孔、锪沉头孔；倒角；拉花键孔；钻螺纹孔；粗铣叉脚两端面；钻、扩孔；镗孔；磨叉脚两端面；钻底孔；攻螺纹。

方案2采用车铣复合加工中心，工序较为集中，工艺路线为：粗精铣叉脚面，钻、扩、铰孔，铣端面，钻、扩花键孔，倒角，锪沉头孔，钻底孔，攻螺纹；车削外圆、螺纹。加工过程中广泛采用硬态切削工艺。

方案3采用专用机床生产线，工艺路线为：车端面、外圆、螺纹，钻、扩花键孔；拉花键孔；钻、镗孔、平端面；钻底孔、攻螺纹。

表1 绿色加工工艺方案评价方案评分表

建立绿色制造工艺评价层次结构体系，形成表1所示的两级评价指标，依据文献[6]对定量指标进行测算，通过专家评分方式确定定性指标，形成了三种工艺方案的评分表。

1）第二层次可拓综合评价

采用上述方法，将待评工艺方案统一用物元模型表示：

对C1～C4，C5～C7，C8～C11按照相互之间重要性取比值1：3：5：3， 1：2：5和1：5：3：3确定。两两比较，得出各指标权重为：

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）。

计算待评方案对于在各个等级下的综合关联度，并进行关联度规范化，如表2所示。

2）第一层次可拓综合评价

按B1、B2、B3之间相对重要性取比值1:2:3，得到权重A=（0.164，0.297，0.539），不同的权重说明对相应因素的重视程度，显然此次评价更重视经济效益的考核。

依据第二层次的优度评价结果建立关联度矩阵，采用同样的评价方法，计算最终的工艺方案评价结果如表3所示。

采用物元可拓评价方法，既能对多个方案综合比较，又能分析每个方案的具体情况。由表3可知：在等级为优的综合评价中，K1＜K3＜K2，在等级为差的综合评价中，K1＞K2＞K3，确定工艺方案B为最佳方案；同时，可以看出方案B胜出主要在于其生产组织灵活，经济效益好，尽管在生产中采用了绿色加工工艺，但其污染物排放和能源消耗的得分仍较批量化生产的方案C低，从节约资源和减小环境影响的角度考虑，还应进行改进。

表2 第二层次优度评价结果

表3 第一层次优度评价结果

4 结束语

制造工艺评价技术是绿色制造的关键技术之一，对于绿色制造工艺评价体系的研究重点放在加工质量指标、能源消耗指标、环境影响指标及经济性指标等项目上。实例证明，将可拓工程引入工艺方案综合评价是有效的，其评价结果和评价过程均可为生产工艺的分析和调整提供依据。和文献[10,11]采用的方法相比，本方法表述更清晰，计算简便，为多目标、多层次的绿色工艺方案智能决策提供了新的思路。