張照輝，牛秦洲，閆 菲

(桂林理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

資源、環(huán)境、人口是當(dāng)今人類社會(huì)面臨的三大主要問(wèn)題，特別是環(huán)境問(wèn)題，正對(duì)人類社會(huì)生存與發(fā)展造成嚴(yán)重的威脅。隨著全球環(huán)境問(wèn)題的日益惡化，人們愈來(lái)愈重視對(duì)于環(huán)境問(wèn)題的研究。

機(jī)械產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)的概念可歸納為：機(jī)械產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)是一種基于產(chǎn)品整個(gè)生命周期，并以產(chǎn)品的環(huán)境資源屬性為核心的現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念和方法。在設(shè)計(jì)中，除考慮產(chǎn)品的功能、性能、壽命、成本等技術(shù)和經(jīng)濟(jì)屬性外，還要重點(diǎn)考慮產(chǎn)品在生產(chǎn)、使用、廢棄和回收的過(guò)程中對(duì)環(huán)境和資源的影響。

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)目標(biāo)不僅包括了設(shè)計(jì)的產(chǎn)品性能、質(zhì)量和成本等常規(guī)評(píng)價(jià)，其主要是要考慮使產(chǎn)品全生命周期的資源和能源的消耗少、利用率高，對(duì)環(huán)境無(wú)害或少害的特征。機(jī)械產(chǎn)品在其整個(gè)生命周期中對(duì)資源和能源的輸入量、對(duì)環(huán)境的輸出量及這些輸入輸出對(duì)環(huán)境友好程度的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，稱為產(chǎn)品的“綠色度 ”[1]。

1評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的制定原則及其評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

由于機(jī)械產(chǎn)品的類型多種多樣，不同類型的產(chǎn)品又有不同的設(shè)計(jì)、使用要求和環(huán)境特性，因此制定合理、全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行綠色度綜合評(píng)價(jià)首先要解決的問(wèn)題。綠色度綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的制定應(yīng)遵循以下主要原則[2]：(1)綜合性原則；(2)科學(xué)性原則；(3)系統(tǒng)性原則；(4)可行性原則；(5)靜態(tài)評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)相結(jié)合的原則；(6)定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的原則；(7)不相容性原則；(8)層次性原則；(9)方案的可比性原則。

綠色產(chǎn)品評(píng)價(jià)是面向產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，應(yīng)從生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等方面進(jìn)行分析。機(jī)械產(chǎn)品的綠色度綜合評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系由產(chǎn)品的基本屬性組成，包括環(huán)境屬性指標(biāo)、資源屬性指標(biāo)、能源屬性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)屬性及宜人屬性指標(biāo)五大方面，每個(gè)屬性又另有一些指標(biāo)組成，如圖1所示。

圖1 機(jī)械產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2基于事例推理(CBR)思想的綠色設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)庫(kù)

2.1事例推理的基本原理

CBR的基本原理：新問(wèn)題被抽象為一個(gè)新事例，并從事例庫(kù)中檢索最相近的事例，同時(shí)采用其解決方案作為新事例的參考解決，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行事例修正，修正后的新事例及其解決方案放入到事例庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)問(wèn)題解決經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)。CBR系統(tǒng)的一個(gè)完整循環(huán)，包括事例的提取、重用、修正、保存[3]，即 4R過(guò)程。

2.2基于本體的指標(biāo)事例描述

機(jī)械產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)庫(kù)分為：環(huán)境屬性指標(biāo)庫(kù)、資源屬性指標(biāo)庫(kù)、能源屬性指標(biāo)庫(kù)、經(jīng)濟(jì)屬性指標(biāo)庫(kù)、宜人屬性指標(biāo)庫(kù)。

以環(huán)境屬性指標(biāo)庫(kù)為例來(lái)說(shuō)明基于CBR思想的指標(biāo)庫(kù)的建立，具體的表示如下：

其中，Ti表示第 i個(gè)事例，其屬性分別為 “大氣污染”、“水體污染”、“噪聲污染”，i=1，2，…，K。

2.3事例檢索算法的設(shè)計(jì)

2.3.1事例聚類

為了提高事例檢索的精度，有必要對(duì)指標(biāo)事例進(jìn)行更細(xì)的分類，因?yàn)椴煌闹笜?biāo)權(quán)值對(duì)環(huán)境的影響度不同。

事例檢索常用的是最近鄰算法，但是此算法沒(méi)有控制策略，導(dǎo)致其判斷盲目、計(jì)算量大等，是一種低效率的算法，這里使用聚類C-均值算法。對(duì)指標(biāo)事例的“對(duì)環(huán)境的危害程度”和“排放率”進(jìn)行聚類，經(jīng)過(guò)C-均值的處理效果如圖2所示。

圖2 經(jīng)過(guò)C-均值的處理效果圖

2.3.2事例匹配

當(dāng)需要?jiǎng)討B(tài)地增加新環(huán)境屬性指標(biāo)時(shí)，也就是動(dòng)態(tài)地?cái)U(kuò)展指標(biāo)庫(kù)。按照事例推理的思想就是要進(jìn)行事例匹配，其步驟如下：

(1)把事例庫(kù)中的所有指標(biāo)事例先進(jìn)行聚類處理，分成子聚類指標(biāo)事例，其表達(dá)式為：

其中，ZT表示事例庫(kù)中子聚類指標(biāo)事例的集合，ZTi表示第i個(gè)子聚類事例集合，n為子聚類個(gè)數(shù)。

(2)初始化閾值θ，定義各指標(biāo)事例的權(quán)值w為：

其中，β表示權(quán)值系數(shù)，he表示對(duì)環(huán)境的危害程度，er表示排放率。

(3)依次計(jì)算待匹配的指標(biāo)Tw與事例庫(kù)中的子聚類航跡事例ZT中各指標(biāo)事例的權(quán)值差值的絕對(duì)值，分別記為 Dt1，Dt2，…，DtK。

(4)計(jì)算事例庫(kù)中各子聚類指標(biāo)事例集合與待匹配指標(biāo)Tw的平均距離：

其中，N表示某一子聚類航跡事例中指標(biāo)事例ZTi的個(gè)數(shù)。

(5)比較事例庫(kù)中各子聚類指標(biāo)事例的Di，找出擁有最小距離值Dmin的子聚類指標(biāo)事例ZTmin。

(6)如果 Dmin≤θ，則待匹配的指標(biāo) Tw與 ZTmin相關(guān)；如果Dmin>θ，則待匹配的待匹配的指標(biāo)Tw為一新的指標(biāo)事例，并把它存入指標(biāo)事例庫(kù)，轉(zhuǎn)到步驟(3)繼續(xù)操作添加新的指標(biāo)事例。

(7)算法結(jié)束。

3指標(biāo)庫(kù)的具體形式

以環(huán)境屬性指標(biāo)庫(kù)的建立為例，將“對(duì)環(huán)境的危害度”分為五個(gè)等級(jí)(1、2、3、4、5)，權(quán)系數(shù)按照指標(biāo)類型確定(大氣污染 β=0.4，水體污染 β=0.4，噪聲污染 β=0.2)，權(quán)值計(jì)算公式為 w=β×he×er。

在指標(biāo)庫(kù)中動(dòng)態(tài)的增加指標(biāo)，則需要采用以上所論述的基于CBR思想的事例匹配算法，使用此算法可有效動(dòng)態(tài)地完善評(píng)價(jià)指標(biāo)庫(kù)，還可以很方便地管理優(yōu)化指標(biāo)庫(kù)，且可以對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，為綠色設(shè)計(jì)提供參考。環(huán)境屬性指標(biāo)庫(kù)的具體形式如表1所示。

表1 環(huán)境屬性指標(biāo)庫(kù)的具體形式

綠色設(shè)計(jì)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的研究熱點(diǎn)和主要內(nèi)容[4]，也是實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一。目前對(duì)綠色產(chǎn)品整體工業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)尚無(wú)一致、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。而基于事例推理(CBR)研究的興起，體現(xiàn)了人類認(rèn)識(shí)世界、改造世界的一種方法論上的轉(zhuǎn)變，其在解決非結(jié)構(gòu)化、知識(shí)獲取困難、復(fù)雜環(huán)境下的決策問(wèn)題方面顯示了其優(yōu)越性。因此，采用CBR思想構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)庫(kù)對(duì)技術(shù)和應(yīng)用的研究具有廣闊的前景和巨大的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]Xie Yifeng．The research of the evaluation index system of green products in machinery industry [J]．China Scince Technology Infomatton Feb．2006：20-23．

[2]Wang Chunpeng．Evaluation index system of green products in industrial design [J]．Packaging Engineering， 2009，30(12)：130-151．

[3]PLAZA E， ARMENGOL E， SAN T O．The explanatory power of symbolic similarity in case-based reasoning[J]．Artificial Intelligence Review， 2005，24：145-161．

[4]Zhang Shaotong．Appraisal of green design for construction machinery[J]．Subject Research，2008，02：42-44．