賴榮燊 林文廣 吳永明

1.廈門理工學院機械與汽車工程學院，廈門，3610242.貴州大學現代制造技術教育部重點實驗室，貴陽,550003

0 引言

隨著全球資源、能源消耗以及環(huán)境惡化等問題的凸顯，環(huán)境保護意識和可持續(xù)發(fā)展理念不斷深入人心。企業(yè)不僅要滿足多樣化個性化的客戶需求，還需遵守日益嚴格的環(huán)保法律法規(guī)。作為當前主流生產模式，大批量定制實現了通過接近大批量生產的成本、質量和效率，來向客戶提供高度個性化產品的需求，基于平臺的產品族設計是實現大批量定制的關鍵使能手段之一，已在制造業(yè)中得到廣泛應用?，F有產品族設計研究主要集中于平臺構建、產品族建模、通用性與多樣性權衡等方面，而對產品族生命周期的環(huán)境因素考慮不足。制造企業(yè)要想建立和保持其競爭優(yōu)勢，必須將綠色設計理念融入大批量定制生產模式，以實現產品族綜合性能最優(yōu)化。

綠色設計與大批量定制技術體系集成研究方面已經有了一些進展。吳迪沖等[1]通過分析大批量定制中的綠色性能以及綠色制造與大批量定制的相通性，提出了面向綠色制造與大批量定制的一般生產模式；張雷等[2-6]針對大批量定制模式下面向綠色設計的產品信息模型、產品族規(guī)劃、配置設計與知識重用等進行了系統(tǒng)深入的研究；KIM等[7]提出了面向產品族設計的可持續(xù)產品平臺識別方法；魏巍等[8]將綠色理念貫穿產品全生命周期，提出了基于環(huán)境資源屬性的產品集成信息模型和產品平臺模塊劃分方法。以上研究已為企業(yè)開展綠色產品族規(guī)劃提供理論與方法支持，但因尚未制定針對綠色性能的強制性標準和/或消費者對產品環(huán)保性能關注不足等，此前一些企業(yè)在規(guī)劃產品族時很少甚至未將綠色性能約束考慮在內，因此在當前形勢下亟需開展產品族綠色化工程[9]。然而，因存在資源與經濟等約束，企業(yè)無法對產品族所有模塊同時開展優(yōu)化設計來提升其綠色性能，故應對面向綠色性能優(yōu)化的產品族模塊再設計工作的優(yōu)先次序進行識別。

本文基于產品族層次結構模型，從通用性角度判別功能模塊的相對重要性,構建了模塊實例的綠色性能評價指標體系，分別采用模糊層次分析法(fuzzy analytic hierarchy process, FAHP)和灰色關聯分析法(grey relational analysis, GRA)計算模塊實例的綠色性能評價值；結合功能模塊相對重要性與模塊實例綠色性能評價值來確定再設計優(yōu)先次序，輔助企業(yè)開展產品族模塊再設計優(yōu)先次序決策。

1 產品族層次結構模型與模塊通用性

通用模塊作為所有變型產品的共享元素，其再設計可提升整個產品族的綠色性能，但必須兼顧通用模塊再設計對所有變型產品、關聯模塊的影響，從而導致再設計難度明顯增加，因此應賦予最大權值；個性模塊的再設計僅影響某一變型產品的綠色性能，故對其賦予較小權值；對于變型模塊和不完全通用模塊，其權值居中。因此定義Ck=ωk/N(ωk=1,2,…,N)為功能模塊Fk的通用性指標,用來反映功能模塊類型對再設計優(yōu)先次序的影響。

圖1 產品族層次結構模型Fig.1 Hierarchical structure model of product family

2 模塊實例綠色性能評價指標體系

基于綠色設計理念的核心思想，產品族綠色化再設計的目標是減少產品族全生命周期的資源與能源消耗以及有害物質排放，使產品便于回收和循環(huán)利用。合理評估產品族模塊實例的綠色性能是成功開展產品族綠色化工程的基礎。張雷等[4]從拆卸性能、回收性能、使用壽命及環(huán)境影響4個方面對產品族基本配置單元(模塊實例)的綠色性能進行了量化分析；張城等[10]從拆卸性能、回收性能、材料環(huán)境性能、制造環(huán)境性能和結構優(yōu)化度等角度構建了產品基本結構單元(零部件)環(huán)境優(yōu)化潛力的評價體系；TIAN等[11]從環(huán)境屬性、能量屬性、資源屬性、經濟屬性等維度構建了冰箱的綠色性能評估層次結構模型；CERDAN等[12]提出了生態(tài)設計的八大改進策略：①減少材料種類并選擇最合適的材料；②降低生產階段的環(huán)境影響；③優(yōu)化運輸環(huán)節(jié)；④降低使用階段的環(huán)境影響；⑤延長產品使用周期；⑥簡化產品拆卸過程(面向拆卸的設計)；⑦面向重用的設計；⑧面向回收利用的設計。基于以上研究成果，結合產品全生命周期技術先進性、經濟合理性和環(huán)境協調性的綠色度評價原則[9]，構建產品族模塊實例綠色性能評價的層次結構指標體系，其中包含目標層A、準則層B和指標層C，如圖2所示。

圖2 模塊實例綠色性能評估體系Fig.2 Green performance evaluation system for model instance

在上述評估體系中，設計性能準則中的設計可靠性指標主要考慮模塊實例的設計時間、穩(wěn)健性、設計信息的集成度與協調性等；結構合理性指標主要考慮模塊實例易制造性、接口標準化程度、結構的開放性等；工藝合理性指標主要考慮模塊實例的生產類型、易加工性、材料與毛坯選擇的合理性等。經濟性能準則中的生命周期成本指標不僅考慮設計、制造和營銷成本，還需考慮消費者使用成本和最終處理成本；生命周期效益指標同時考慮企業(yè)、用戶和社會效益；效益費用比指標反映計算期內模塊實例的盈利能力。環(huán)境性能準則中的人員健康損害指標用來判斷從原材料制備、設計和生產、流通、使用到回收處理和再利用的全過程是否實現了良好的勞動保護；生態(tài)環(huán)境損害指標主要考慮模塊實例生命周期內對水資源、大氣、土壤等的破壞作用，涉及廢水、有毒物質、懸浮顆粒和固體廢棄物排放，以及噪聲、振動和射頻輻射等；生命周期資源消耗指標主要考慮材料資源、設備資源、人力資源和信息資源等；生命周期能源消耗指標主要考慮能源種類、消耗量、利用率、回收率、獲取形式以及環(huán)境協調性等?；厥招阅軠蕜t中的回收可能性指標主要考慮模塊實例的材料資源類型(如可再生資源或不可再生資源等)；回收處理方式指標主要考慮模塊實例整體回收使用、材料回收、焚燒或填埋等回收方法；回收價值指標主要考察回收所帶來的收益與回收成本；回收結構工藝性指標主要反映實現回收的難易程度與回收結構的合理性。拆卸性能準則通過模塊實例間的連接關系、結構深度和拆卸能耗進行評價[4]。包裝性能準則通過包裝材料種類、包裝材料用量、包裝再利用性和包裝回收性進行評價[9]。

通過對各個指標的深入分析與模糊量化(利用模糊數學評價理論中的優(yōu)、較優(yōu)、中、較差、差表示，相對值衡量分別為9-7-5-3-1)，采用專家打分法建立產品族模塊實例綠色性能評價表，當某個指標的分值較大時，則表示模塊實例在該方面具有較優(yōu)的綠色性能，見表1。為方便計算公式表達，將指標層中的21個指標自上而下分別用f1,f2,…,f21表示。

3 產品族模塊再設計優(yōu)先次序識別

3.1 基于FAHP的模塊綠色性能評價與再設計優(yōu)先次序識別

模糊層次分析法(FAHP)是一種多準則決策方法，它對定性問題進行定量分析，將人對事物的認知強弱程度用模糊數來表示，克服了層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)判斷矩陣一致性檢驗困難、一致性標準缺乏科學依據等缺陷，并擴展了AHP的適用范圍。采用FAHP計算各準則的權重以及每一準則所對應指標的權重的步驟如下[13]。

(1)建立模糊互補判斷矩陣。通過因素間的兩兩比較判斷，采用“兩個因素對其上層指標(準則)的相對重要程度”的方式進行定量表達，若采用表2所示的0.1～0.9標度法進行數量標度，則得到模糊互補判斷矩陣R=(rij)n×n(i,j=1,2,…,n)，其中，rii=0.5表示因素ri與其自身相比同等重要；若rij∈[0.1, 0.5)，則表示因素rj比因素ri重要；若rij∈(0.5, 0.9]，則表示因素ri比因素rj重要。

表2 0.1～0.9標度法及其含義

(2)權重計算。若R=(rij)n×n為模糊互補判斷矩陣，而W=(W1,W2,…,Wi,…,Wn)為R的權重向量，則利用文獻[14]提出的通用公式來求解模糊互補判斷矩陣的權重，其表達式如下：

(1)

式中，Wi為因素ri的權重。

(3)一致性檢驗。為判斷根據式(1)計算得到的權重值是否合理，需進行比較判斷過程的一致性檢驗?；谖墨I[15]中判斷矩陣的相容性指標I(A,B)和特征矩陣W*的定義，計算得到判斷矩陣與其特征矩陣的相容性指標，其表達式分別如下：

(2)

A=(aij)n×nB=(bij)n×n

W*=(Wij)n×n

(3)

Wij=Wi/(Wi+Wj) ?i,j=1,2,…,n

其中，A、B均為模糊互補判斷矩陣。若相容性指標值小于特定閾值α(一般取α=0.1)，則可認為判斷矩陣為滿意一致矩陣。α越小，表明決策者對模糊判斷矩陣的一致性要求越高。

對于多個專家參與評判的情形，每一專家根據表2給出同一因素集的模糊互補判斷矩陣，根據式(1)可計算得到相應的權重集，若每一個判斷矩陣與其對應的特征矩陣之間的相容性指標，以及任意兩個判斷矩陣之間的相容性指標均小于特定閾值α，則可認為將所有權重集的均值作為因素集的權重分配向量是合理和可靠的。

基于FAHP的產品族模塊實例綠色性能評價與再設計優(yōu)先次序識別方法如下：①采用FAHP計算各個指標相對于對應準則層的權重以及各個準則相對于對應目標層的權重，進而得到21個指標相對于目標層的權重；②針對所有模塊實例采用專家打分法給出21個指標的分值；③通過加權和法計算各個模塊實例綠色性能的綜合評價值，評價值越小則表明其綠色性能越差；④計算同一功能模塊不同實例的綠色性能評價值的平均值，將該平均值除以該功能模塊的通用性指標，得到的商值越小，表明該功能模塊在多個產品變型中使用且模塊實例的綠色性能較差，并將該功能模塊作為綠色化再設計的優(yōu)先選項。

3.2 基于GRA的模塊綠色性能評價與再設計優(yōu)先次序識別

灰色關聯分析(GRA)是根據各因素變化曲線幾何形狀的相似程度來判斷因素之間關聯程度的方法[16]，其主要目的是將多屬性決策問題簡化為單屬性決策問題，即集成多種性能指標值至一個[0，1]范圍內變化的量綱一數值，以實現全局比較。基于GRA的模塊再設計優(yōu)先次序識別方法的過程如下。

(1)針對所有模塊實例應用專家打分法給出其21個指標的分值(表1)，構建決策矩陣Y，其表達式如下：

(4)

其中，yvt表示模塊實例t(t=1,2,…,T)對應指標v(v=1,2,…,V)的分值。

(2)根據打分規(guī)則，所有指標均屬于效益型屬性(即屬性值越大越好)，利用下式對決策矩陣Y進行處理：

(5)

yv={yv1,yv2,…,yvT}

式中，minyv、maxyv分別為yv中所有元素的最小值和最大值。

依據式(5)得到處理后的規(guī)范化矩陣X，其表達式如下：

(6)

(3)由規(guī)范化矩陣X中各個指標的最優(yōu)值構成參考序列x0(v)={maxx1,maxx2,…,maxxV}，其中xv={xv1,xv2,…,xvT}，利用下式計算得到每個模塊實例t的指標序列xt(v)={x1t,x2t,…,xVt}與參考序列x0(v)對應指標v的關聯系數ct(v)：

ct(v)=

(7)

其中，ρ為分辨系數，在[0,1]范圍內取值。ρ越小，表明關聯系數間差異越大，區(qū)分能力越強，通常取ρ=0.5。

(4)對各個模塊實例(比較系列)分別計算每個指標與參考序列對應元素的關聯系數的均值，其表達式如下：

(8)

其中，ct用來表達評價對象(模塊實例)與參考序列的關聯關系(關聯度)，且關聯度越小則表明其綠色性能越差。

(5)計算同一功能模塊不同實例的關聯度的平均值，將該平均值除以該功能模塊的通用性指標，得到的商值越小，表明該功能模塊在多個產品變型中使用且模塊實例的綠色性能越差，并將該功能模塊作為綠色化再設計的優(yōu)先選項。

4 實例研究

東莞某實業(yè)有限公司是一家集產品研發(fā)、設計、生產、國內外銷售于一體的新型現代化制造企業(yè)，其中電動剪刀產品族是其三大主打品牌之一。為順應綠色制造時代潮流，企業(yè)擬針對電動剪刀產品族開展綠色化再設計試點工程，而模塊綠色性能評估與再設計優(yōu)先次序識別是綠色化再設計工程的重要環(huán)節(jié)。電動剪刀產品族采用模塊化體系結構，主要包含電池模塊、主控電路板模塊、電機模塊、齒輪傳動模塊、刀刃模塊和機殼模塊等。以上模塊均屬于必選變型模塊類型，因此本實例不考慮模塊通用性對再設計優(yōu)先次序的影響。

在企業(yè)現有產品數據庫中，每一功能模塊均有多個模塊實例，且各模塊實例采用相同的實現原理，實例總體結構基本一致，僅在性能參數方面(電池容量、電機扭矩、產品功率等)存在差異，因此本實例將同一功能模塊的不同實例進行綜合考察。經與企業(yè)多位設計工程師和技術管理人員共同討論，根據全生命周期原則并結合評價指標具體涵義，建立電動剪刀產品族功能模塊綠色性能評價表，見表3。

表3 電動剪刀模塊綠色性能評價表

4.1 基于FAHP的優(yōu)先次序識別

采用專家打分法，建立目標層相對于準則層的模糊互補判斷矩陣、每一準則相對于其對應指標的模糊互補判斷矩陣。構建目標層相對于準則層的模糊互補判斷矩陣RA_B如下：

依據式(2)可計算得到判斷矩陣與特征矩陣的相容度為0.062 3<0.1，因此可以認為將權重向量WA_B作為準則層的權重分配是可靠的。同理可計算得到指標層相對于對應準則層的權重向量，結果如下：

WB1=(0.383 3，0.333 3，0.283 3)
WB2=(0.266 7，0.316 7，0.416 7)
WB3=(0.283 3，0.283 3，0.216 7，0.216 7)
WB4=(0.25，0.25，0.25，0.25)
WB5=(0.333 3，0.333 3，0.333 3)
WB6=(0.25，0.25，0.25，0.25)

綜合準則層相對于目標層的權重和指標層相對于準則層的權重，得到各個指標相對于目標層的權重向量WA_C如下：

WA_C=(0.061 3，0.053 3，0.045 3，0.041 8，0.049 6，
0.065 3，0.054 8，0.054 8，0.041 9，0.041 9，0.045，
0.045，0.045，0.045，0.054 4，0.054 4，0.054 4，
0.036 7，0.036 7，0.036 7，0.036 7)

結合表3可計算得到電動剪刀產品族功能模塊的綠色性能綜合評價值分別為5.283 0、5.062 0、5.444 0、4.574 4、7.120 2、3.572 0，各模塊均為必選變型模塊，其通用性指標均為1，由此可得功能模塊綠色化再設計優(yōu)先次序(從前往后)為：機殼模塊，齒輪傳動模塊，主控電路模塊，電池模塊，電機模塊，刀刃模塊。

4.2 基于GRA的優(yōu)先次序識別

基于表3中專家對每一功能模塊不同指標的打分，利用式(4)～式(8)可以計算得到電動剪刀產品族功能模塊相對于參考序列的關聯度分別為0.587、0.598、0.592、0.438、0.921、0.398，各模塊均為必選變型模塊，其通用性指標均為1，由此可得功能模塊綠色化再設計優(yōu)先次序(從前往后)為：機殼模塊，齒輪傳動模塊，電池模塊，電機模塊，主控電路模塊，刀刃模塊。

4.3 比較分析

利用Spearman秩相關分析法[17]可求得兩個序列的相關系數為0.828 6，盡管小于Spearman秩相關系數界值表中的0.886，但通過比較排序結果可知，兩種方法所得的優(yōu)先再設計的功能模塊均為機殼模塊和齒輪傳動模塊，其主要原因是：機殼模塊的結構受其內部零部件影響大，重用可能性小，且材料回收性能差，制造過程與廢棄處理時對環(huán)境產生嚴重的負面影響；齒輪傳動模塊采用行星齒輪、傘齒輪和不完全齒輪傳動，結構復雜，安裝與拆卸性能差，且其必需的潤滑劑對環(huán)境的負面影響較大。

5 結論

(1)針對企業(yè)產品族綠色化再設計的需求，構建了產品族模塊實例和功能模塊綠色性能評價指標體系。

(2)提出了基于模糊層次分析法與灰色關聯分析法的功能模塊再設計優(yōu)先次序識別方法，應用電動剪刀實例驗證了方法的可行性，并對2種方法得到的優(yōu)先次序進行比較分析，以輔助企業(yè)進行再設計決策。

然而，本文研究仍存在以下不足之處有待進一步研究：綠色性能評價指標設置的合理性有待深入分析、比較與驗證；模糊層次分析法基于同一準則下不同指標之間相互獨立這一潛在假設前提，而忽略了評價指標之間必然存在的關聯關系；專家對功能模塊或模塊實例的綠色性能評價采用模糊打分方式，主觀性較強且缺乏可靠的參考標準等。

致謝本文得到了東莞嘉航實業(yè)有限公司的支持，對此表示感謝！