一种焊接工艺资源环境综合评价 方法及应用

张华 王栋梁 鄢威 史梦成

摘要：针对量大面广的焊接工艺过程原材料、能源消耗大，环境污染严重等问题，提出了一种基于组合权证与TOPSIS的焊接工艺资源環境属性评价方法。首先，基于焊接工艺流程框架，构建了焊接工艺资源环境属性综合评价指标体系;其次，提出了基于AHP-熵值法的评价指标主观/客观权重量化方法，利用TOPSIS法计算最终评价值与评价区间;最后，通过以某工件焊条电弧焊工艺资源环境属性评价案例分析，对上述方法的有效性和实用性进行了验证。

关键词：焊接工艺;AHP-熵值法;评价指标模型;TOPSIS法;综合评价

中图分类号：TH16         文献标志码：A         文章编号：1001-2003（2021）01-0054-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.01.08

0    前言

焊接因其成本低廉，操作简单，连接可靠，适用于各种工作环境和各种厚度、结构形状的金属材料，成为了工业生产中应用最广泛的加工方法。但是焊接会消耗大量的电能并产生多种有害气体、烟尘和光辐射，资源消耗和环境污染排放非常大。随着工信部确立“ 中国制造2025 ”目标以来，关于重点发展绿色制造的理念深入人心[1]。对加工过程进行绿色性评价是实施绿色制造的一项重要基础工作，这对于提高加工过程的绿色性，实现制造业高效循环的发展具有重要的作用。

随着绿色制造理论的不断发展，国内外学者对焊接工艺的绿色性做了大量的研究。例如：张华[2]等人通过分析不同工艺及材料下焊接工艺的物料资源消耗特性、能量资源消耗特性和环境排放特性，对资源环境消耗进行探讨并设计基于资源环境属性的焊接工艺清单分析表;鄢威[3]等人构建了电弧焊工艺参数多目标优化模型，利用自适应进化梯度小生境遗传算法寻求最优解;谢玉婷[4]等人分析焊接工艺的资源环境属性，在此基础上建立一种层次分析和模糊评价相结合的综合评价方法，从而分析出对焊接工艺中资源和环境影响最大的因素。苏勇[5]等人运用熵权算法和生命周期分析方法进行焊接方法评价，以多种影响因素为准则进行熵权综合评价，确定合适的焊接方法。马达[6]根据资源消耗和排放提出一种组合评价方法，对绿色焊接工艺进行评价，并开发出绿色焊接工艺评价系统。

在上述的焊接研究中评价指标的选取具有一定的不完整性，且权重的选择一般很难保证评价的客观性，评价结果只能反映出整个制造过程的绿色性，无法看出具体加工工艺的绿色性。文中通过对焊接工艺进行分析，提出了一种绿色性评价方法，采用一种组合权-TOPSIS评价方法建立了焊接工艺绿色性评价指标体系，并通过实际案例进行了验证分析，结果证实了该评价体系的有效性和实用性。

1 焊接工艺资源环境评价指标体系的建立

焊接工艺通常是指焊接过程中的一整套技术规定，包括焊接方法、焊前准备、焊接材料、焊接设备、焊接顺序、焊接操作、工艺参数以及焊后热处理等[7]。其具体的加工工艺如图1所示。

焊接会消耗一定的资源，产生一定种类和数量的环境污染排放物，并且各个加工设备的操作安全系数不一样，因此，焊接工艺资源环境评价指标的选取关系到最终的评价结果的准确性。基于消耗的能源和产生的环境污染排放物，以及加工设备操作安全性，确定焊接工艺资源环境评价指标。参考绿色制造工艺数据库，将评价指标体系分为三个层次，具体的评价指标体系如图2所示。

2 基于AHP-熵值法和TOPSIS法的焊接工艺资源环境评价方法

2.1 评价指标

由图1和图2可知，对焊接工艺资源环境的评价共有10个评价指标，它们的数值分别用y11，y12，…，y27表示。

假设对m个项目进行评价，评价指标体系中共有n个评价指标，那么它们可以构成原始数据矩阵R=（rij）m×n，其中rij表示第i个项目的第j个指标值。

不同的数据类型对评价结果有不同的影响，采用极差法对原始数据矩阵进行标准化处理。其中的评价指标可以分为成本型指标和效益型指标，其计算公式如下：

成本型指标：

效益型指标：

在焊接工艺中，原材料、能源和环境都属于成本型指标，其值越小越好[8]。根据上述公式计算后可得归一化的标准矩阵：A= （aij）m×n。

2.2 确定评价指标权重构造加权标准化规范矩阵

在多目标决策的评价体系中权值的确定将决定决策结果的准确性，在实际确定指标权重时，一方面要强调与相关领域专家的经验有关的主观权重，另一方面要重视反映指标信息量大小的客观权重，因此为了使评价的结果更加准确，采用由AHP主观赋权和熵值客观赋权线性组合而形成的组合赋权法[9]。

2.2.1 层次分析法确定主观权重

将焊接工艺的绿色性评价分为三个层次：目标层为最终的资源环境评价结果，准则层为资源消耗和环境污染排放，指标层包括焊条、烘焙能耗、焊机能耗、CO、CO2、SO2、粉尘、废渣、噪声、弧光射线。由专家根据现场的具体情况按照九级标度法对同一级别的评价指标相对于上一级别指标的相对重要性进行打分，构建相应的判断矩阵，再对判断矩阵进行一致性检验得到最终的主观权重rj =（r1，r2，…，rn）（j=1，2，…，n）。

2.2.2 熵权法确定客观权重

熵是一种在信息论中用来描述系统不确定程度的度量。如果系统的不确定程度越高，则熵值越大，系统所包含的信息量就越小，反之则系统所包含的信息量就越大。熵权在用来评价指标权重时具有一定的客观性，它只与系统所提供的原始数据有关[10]。熵权法确定客观权重的步骤如下：

第一步，计算第j个指标下的第i个项目占该指标比重：

第二步，计算第j项指标的熵值Aj：

式中 k=1/lnn，使得0≤Aj≤1，方便后续处理。如果Pij=0，则定义lim Pijln （Pij）=0。

第三步，计算第j个指标的熵权：

2.2.3 组合赋权确定指标权重

采用线性组合赋权法，将AHP求得的主观权重和熵值法求得的客观权重线性叠加，得到最终组合权重计算公式如下：

由以上得到的标准矩阵A和最终计算得到的组合权重向量wj可以得到标准化的加权矩阵Z：

2.3 TOPSIS法综合评价

TOPSIS的全称是“ 逼近于理想值的排序方法 ”，根据多个指标、对多个项目进行比较选择的分析方法[11]。这种方法的中心思想在于首先确定各项指标的正理想值和负理想值。所谓正理想值是一设想的最好值（方案），它的各个属性值都达到各候选方案中最好的值，而负理想解是另一设想的最坏值（方案），然后求出各个方案与正理想值和负理想值之间的加权欧氏距离，由此得出与理想解相对接近程度Ti，最后根据Ti值来评价方案的优劣。

2.3.1 计算评价对象与最优水平和最劣水平间的距离

由上述标准矩阵A加权标准规范化得到标准化的加权矩阵：Z= （zij）m×n。

计算正理想解：

计算负理想解：

式中 J1为效益指标的集合;J2为成本型指标的集合。

待评价对象与正理想解的欧式距离为：

待评价对象与虚拟点向量的欧式距离为：

2.3.2 评价结果计算

焊接工艺与理想解的相对贴进度Ti为：

贴进度Ti越接近1，代表焊接工艺越符合绿色制造要求，Ti进行百分制转换后确定等级如下表1所示[12]。

3 实证研究

文中案例选取了某工件的焊条电弧焊工艺，焊接工艺资源环境评价是该项目的一个重要环节，根据机械加工工艺数据库和焊接工艺获取了工件焊接的评价指标具体数据，用上述评价方法对其资源环境属性进行分析、评价。运用MATLAB等运算工具对采集的原始数据进行处理，其具体的计算过程如下。

3.1 确定评价指标权重构造加权标准矩阵

本项目中的数据指标直接从生产车间利用传感器等设备收集，某次测量的工件焊条电弧焊的焊接数据如表2所示。

按设定的评价标准，定性指标邀请五位专家按照九分制标准打分，可直接得标准化数据矩阵A：

首先采用层次分析法确定主观权重。由层次分析法打分构造判断矩阵并对判断矩阵进行一致性检验，得到各二级评价指标的权重及一级评价指标的总权重值如表3所示。

则评价指标的主观权重向量：rj =（0.134，0.062，0.138，0.176，0.165，0.087，0.077，0.053，0.024，0.084）。

然后根据熵值法确定评价指标的客观权重。通过式（3）～式（5）求得指标的客观权重：aj=（0.152，0.061，0.126，0.166，0.172，0.092，0.085，0.045，0.031，0.070）。

将得到的主观权重和客观权重通过式（6）线性组合得到评价指标的组合权重：

w1= （0.166，0.031，0.142）

w2= （0.238，0.231，0.065，0.053，0.019，0.006，0.048）

w= （0.339，0.661）

根据组合权重及式（7），得到加权标准化矩阵Z：

3.2 改进TOPSIS法综合评价

确定焊接工艺绿色性的正负理想解。采用改进TOPSIS法，用九分制进行打分，根据式（8）、式（9）及各指标的权重可得评价指标加权绝对正、负理想解分别为：

z+=（1.494，0.277，1.275，2.143，2.082，0.587，0.480，0.175，0.055，0.431）

z-=（0.166，0.031，0.142，0.238，0.231，0.065，0.053，0.019，0.006，0.048）

计算二级指标的相对贴近度，根据式（10）、式（11）和式（12）计算待评价项目二级指标与正理想解和负理想解的欧式距离及相对贴近度，计算结果如表4所示。

计算焊接工艺总的相对接近程度。计算待评价项目的总的相对贴近度，计算结果如表5所示。

通过对该工件焊条电弧焊工艺的综合评价结果可知，总的相对贴近度为0.548 2，说明该工件焊条电弧焊工艺的绿色性良好，符合绿色生产的基本要求。从该二级评价指标来看，环境污染排放贴进度比较高，说明该工件焊条电弧焊工艺对环境的污染较低;但在资源消耗方面的相对贴近度比较低，需要改善相关的加工工艺，提高焊接工艺的绿色性水平。

4 结论

以焊接工艺的资源消耗量和环境污染排放量为基础，构建了焊接工艺的绿色性综合评价指标体系，运用AHP-熵值法组合赋权确定评价指标体系的权重，通过TOPSIS法对焊接工艺进行资源环境评价。该评价方法充分考虑了专家意见和客观的数据，评价结果较为客观和准确。将此评价体系应用到某工件的焊条电弧焊工艺，评价结果与实际结果相符，证明此方法是高效可行的。以焊接工艺为基础确立评价指标体系，可以从各个工艺评价结果和总的评价结果看出焊接工艺的资源环境属性，对提高焊接工艺的绿色性水平具有一定的指导意义。

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