0 引言

再制造是循環(huán)經(jīng)濟(jì)、再利用的高級形式，是綠色制造技術(shù)研究領(lǐng)域的學(xué)術(shù)熱點(diǎn)問題[1]。國務(wù)院關(guān)于印發(fā)《中國制造2025》的通知，明確提出推進(jìn)資源高效循環(huán)利用：“大力發(fā)展再制造產(chǎn)業(yè)，實(shí)施高端再制造、智能再制造、在役再制造，推進(jìn)產(chǎn)品認(rèn)定，促進(jìn)再制造產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展”[2]。入境舊機(jī)電產(chǎn)品的再制造，能夠?qū)崿F(xiàn)對產(chǎn)品附加資源的最充分回收，高度契合了國家發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略，不僅對緩解資源與環(huán)境壓力、促進(jìn)節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長方式轉(zhuǎn)變具有重要意義[3-4]。隨著經(jīng)濟(jì)全球化步伐的加快以及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，我國入境舊機(jī)電產(chǎn)品的數(shù)量近幾年持續(xù)呈現(xiàn)上升趨勢[5]。雖然我國再制造產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，但規(guī)范化程度依然較低。同時(shí)，由于管理體制與政策特點(diǎn)不同，國外的研究成果的參考價(jià)值也較低。入境舊機(jī)電產(chǎn)品再制造質(zhì)量是制約再制造企業(yè)生存發(fā)展的重要因素，其質(zhì)量控制是再制造企業(yè)面臨的核心問題，也是再制造企業(yè)提升核心市場競爭力的主要手段。與傳統(tǒng)產(chǎn)品制造過程不同，舊機(jī)電產(chǎn)品再制造的毛坯是廢舊零部件，其原始質(zhì)量和服役工況對再制造質(zhì)量影響甚大。因此，開展入境舊機(jī)電產(chǎn)品再制造質(zhì)量的形成規(guī)律研究，構(gòu)建入境舊機(jī)電產(chǎn)品再制造質(zhì)量評估模型，解決入境舊機(jī)電產(chǎn)品再制造質(zhì)量控制問題，具有明顯的環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠模仿人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的自組織能力，結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)且泛化能力卓越，在各種質(zhì)量評估模型中得到廣泛應(yīng)用[6-7]。

綜合上述分析，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的非線性映射能力，開展入境舊機(jī)電產(chǎn)品的再制造質(zhì)量評估，解決復(fù)雜的、高度不確定的入境舊機(jī)電產(chǎn)品再制造質(zhì)量控制問題，對于提高再制造產(chǎn)品質(zhì)量、降低再制造成本、提高再制造系統(tǒng)穩(wěn)定性及對于我國大力發(fā)展再制造工程都具有重要的實(shí)際意義。

1 再制造質(zhì)量評估策略

入境舊機(jī)電產(chǎn)品再制造質(zhì)量的影響因素較多，具體可分為預(yù)處理質(zhì)量、再設(shè)計(jì)質(zhì)量、再生產(chǎn)質(zhì)量和銷售服務(wù)質(zhì)量等4類，如圖1所示。

圖1 再制造質(zhì)量影響因素

預(yù)處理質(zhì)量因素包括回收、拆卸、清洗等質(zhì)量因素。回收質(zhì)量指入境舊機(jī)電產(chǎn)品回收時(shí)的整體質(zhì)量，受報(bào)廢原因、服役工況及時(shí)間、損傷狀態(tài)等影響，具有不確定性。拆卸是再制造的首要工序，其質(zhì)量對入境舊機(jī)電產(chǎn)品的再制造質(zhì)量影響甚大。清洗質(zhì)量將直接影響檢測質(zhì)量，從而對再制造加工質(zhì)量和再裝配質(zhì)量造成影響。

再設(shè)計(jì)質(zhì)量因素包括質(zhì)量總體規(guī)劃、技術(shù)方案設(shè)計(jì)、工藝方案決策等影響因素，分別代表入境舊機(jī)電產(chǎn)品再設(shè)計(jì)過程的3個(gè)階段。首先，根據(jù)現(xiàn)有入境舊機(jī)電產(chǎn)品再制造市場反饋，制定相應(yīng)的產(chǎn)品性能參數(shù)，并基于此對再制造工藝要求進(jìn)行制定。而受制于原有舊產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能與材料等因素，還需對再制造技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，以保證其實(shí)現(xiàn)的可行性。工藝方案決策則是依據(jù)再制造工藝要求進(jìn)行，保證再制造工藝能夠?qū)崿F(xiàn)所有再設(shè)計(jì)加工要求。

再生產(chǎn)質(zhì)量因素包括零件再制造、部件再裝配、整機(jī)調(diào)試與檢驗(yàn)等影響因素。具體而言，再生產(chǎn)過程包括入境舊機(jī)電產(chǎn)品零部件的再制造、新零件的采購或加工、再制造零部件的質(zhì)量檢驗(yàn)與裝配、整機(jī)調(diào)試與檢驗(yàn)。由于入境舊機(jī)電產(chǎn)品零部件的再制造工藝路線具有不確定性，從而對再制造質(zhì)量造成影響。

銷售服務(wù)質(zhì)量因素包括售前服務(wù)、售中服務(wù)、售后服務(wù)等影響因素。用戶最終感受到的入境舊機(jī)電產(chǎn)品再制造質(zhì)量不僅是產(chǎn)品本身的質(zhì)量，還包括產(chǎn)品的售前、售中和售后的服務(wù)質(zhì)量，尤其在國內(nèi)對再制造認(rèn)可度不高的前提下，銷售服務(wù)質(zhì)量更是入境舊機(jī)電產(chǎn)品再制造質(zhì)量的重要影響因素。

采用上述12個(gè)再制造質(zhì)量影響因素進(jìn)行綜合評估，可將入境舊機(jī)電產(chǎn)品再制造質(zhì)量等級分為可再利用、可修復(fù)、可再制造、報(bào)廢處理等4個(gè)等級。

基于上述再制造質(zhì)量影響因素分析，構(gòu)建入境舊機(jī)電產(chǎn)品再制造質(zhì)量評估策略框架如圖2所示。再制造質(zhì)量評估策略框架為交互層、預(yù)測層、建模層組成的3層結(jié)構(gòu)。交互層具有友好的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。預(yù)測層是入境舊機(jī)電產(chǎn)品再制造質(zhì)量評估策略的核心層，包括數(shù)據(jù)組織與管理和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型等2個(gè)模塊。4類評估指標(biāo)通過交互層輸入后傳遞給預(yù)測層的數(shù)據(jù)組織與管理模塊，數(shù)據(jù)組織與管理模塊調(diào)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型對入境舊機(jī)電產(chǎn)品再制造質(zhì)量評估并將評估結(jié)果反饋給交互層，通過人機(jī)界面將結(jié)果呈現(xiàn)給用戶。需要時(shí)，數(shù)據(jù)組織與管理模塊利用存儲的樣本數(shù)據(jù)調(diào)用建模層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模塊重新建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。

圖2 再制造質(zhì)量評估策略框架

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型是再制造質(zhì)量評估策略的核心。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型采用三層結(jié)構(gòu)，包括輸入層、隱含層和輸出層，如圖3所示。輸入層共12個(gè)神經(jīng)元，輸入向量為X=[x1，x2，…，x12]。與入境舊機(jī)電產(chǎn)品再制造質(zhì)量影響因素對應(yīng)，X的各個(gè)元素分別代表回收x1、拆卸x2、清洗x3、質(zhì)量總體規(guī)劃x4、技術(shù)方案設(shè)計(jì)x5、工藝方案決策x6、零件再制造x7、部件再裝配x8、整機(jī)調(diào)試與檢驗(yàn)x9、售前服務(wù)x10、售中服務(wù)x11和售后服務(wù)x12等影響因素。輸出層共有4個(gè)神經(jīng)元，輸出向量Y=[y1y2y3y4]與再制造質(zhì)量評估結(jié)果的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。值得注意的是，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型計(jì)算得到的輸出層各個(gè)神經(jīng)元的輸出值yi（i=1，2，3，4）不一定是整數(shù)，因此必須對各個(gè)yi進(jìn)行圓整。隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)K對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的預(yù)測精度有較大影響，神經(jīng)元個(gè)數(shù)太少則網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)性能較差，需要訓(xùn)練次數(shù)較多，訓(xùn)練精度也受影響，而神經(jīng)元個(gè)數(shù)太多則所需訓(xùn)練時(shí)間較長且網(wǎng)絡(luò)容易過擬合。為此，采用式（1）～式（3）計(jì)算隱含層神經(jīng)元數(shù)量K對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型進(jìn)行訓(xùn)練，并以預(yù)測精度最高的模型對應(yīng)的數(shù)K作為最終取值[8]。

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

表1 輸出向量與再制造質(zhì)量等級對應(yīng)關(guān)系

式中，N為輸入層的神經(jīng)元數(shù)量，U為輸出層神經(jīng)元數(shù)量，α為[1，10]之間的常數(shù)，此處N=12，U=4。

2 再制造質(zhì)量評估實(shí)例研究

基于入境舊機(jī)電產(chǎn)品再制造質(zhì)量評估策略，以某入境舊車床再制造質(zhì)量評估為研究對象，在現(xiàn)有評估樣本的基礎(chǔ)上，對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型進(jìn)行訓(xùn)練?，F(xiàn)有評估樣本共237個(gè)樣本，按7:3的比例確定訓(xùn)練樣本和測試樣本，其中訓(xùn)練樣本數(shù)量為166個(gè)，測試樣本數(shù)量為71個(gè)。訓(xùn)練過程均方誤差收斂曲線如圖4所示。訓(xùn)練過程迭代次數(shù)為163次，最終收斂誤差為0.0018954，利用71個(gè)樣本對預(yù)測BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型進(jìn)行測試，正確預(yù)測樣本數(shù)為69個(gè)，預(yù)測精度為97.18%，滿足模型預(yù)測精度要求。

圖4 訓(xùn)練過程均方誤差收斂曲線

在獲得BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建入境舊車床再制造質(zhì)量評估系統(tǒng)如圖5所示。通過該評估系統(tǒng)，在輸入預(yù)處理質(zhì)量、再設(shè)計(jì)質(zhì)量、再生產(chǎn)質(zhì)量和銷售服務(wù)質(zhì)量等12個(gè)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，點(diǎn)擊“質(zhì)量評估”按鈕，即可實(shí)現(xiàn)根據(jù)當(dāng)前指標(biāo)值對入境舊車床再制造質(zhì)量進(jìn)行評估，并將網(wǎng)絡(luò)輸出及評估結(jié)論顯示在評估結(jié)果欄內(nèi)。如當(dāng)輸入向量 為X=[0.85，0.92，0.93，0.88，0.85，0.82，0.78，0.74，0.82，0.75，0.80，0.82]時(shí)，網(wǎng)絡(luò)輸出為Y=[0，1，0，0]，評估結(jié)論為可修復(fù)。此外，系統(tǒng)還提供了樣本集添加和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型重新訓(xùn)練等功能。以當(dāng)前指標(biāo)值與其對應(yīng)的評估結(jié)果作為新樣本，點(diǎn)擊“添加至訓(xùn)練集”按鈕可將當(dāng)前樣本添加至系統(tǒng)訓(xùn)練樣本集，點(diǎn)擊“添加至測試集”按鈕可將當(dāng)前樣本添加至系統(tǒng)測試樣本集，點(diǎn)擊“重新訓(xùn)練”按鈕即可利用訓(xùn)練樣本集重新訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，并利用測試樣本集測試BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的精度。

圖5 入境舊車床再制造質(zhì)量評估系統(tǒng)

3 結(jié)論

針對入境舊機(jī)電產(chǎn)品再制造質(zhì)量影響因素多、質(zhì)量控制難度大等問題，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的非線性映射能力，開展了入境舊機(jī)電產(chǎn)品的再制造質(zhì)量評估。首先，分別從預(yù)處理質(zhì)量、再設(shè)計(jì)質(zhì)量、再生產(chǎn)質(zhì)量和銷售服務(wù)質(zhì)量等4個(gè)方面對入境舊機(jī)電產(chǎn)品再制造質(zhì)量的影響因素進(jìn)行分析，構(gòu)建了包括回收、拆卸、清洗、質(zhì)量總體規(guī)劃、技術(shù)方案設(shè)計(jì)、工藝方案決策、零件再制造、部件再裝配、整機(jī)調(diào)試與檢驗(yàn)、售前服務(wù)、售中服務(wù)和售后服務(wù)等12個(gè)影響因素的入境舊機(jī)電產(chǎn)品再制造質(zhì)量影響因素體系。其次，進(jìn)而提出由交互層、預(yù)測層、建模層等3層結(jié)構(gòu)組成的再制造質(zhì)量評估策略框架，并基于入境舊機(jī)電產(chǎn)品再制造質(zhì)量影響因素體系，構(gòu)建了3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。最后，以入境舊車床再制造質(zhì)量評估為例，訓(xùn)練得到3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型并構(gòu)建了入境舊車床再制造質(zhì)量評估系統(tǒng)。通過實(shí)例測試，入境舊車床再制造質(zhì)量評估系統(tǒng)的預(yù)測精度為97.18%，表明系統(tǒng)預(yù)測精度滿足要求，對于提高再制造產(chǎn)品質(zhì)量、降低再制造成本、提高再制造系統(tǒng)穩(wěn)定性及對于我國大力發(fā)展再制造工程都具有重要的實(shí)際意義。