基于可拓理论的绿色制造实施方案设计

李聪波 王秋莲 刘 飞 曹华军

1.重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆,400030

2.南昌大学,南昌,330030

0 引言

21世纪以来,全球面临着巨大的资源环境危机。绿色制造的提出就是为了实现产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中,对环境的负面影响最小,资源利用率最高,并使企业经济效益和社会效益协调优化[1]。近年来,绿色制造相关问题的研究已经吸引了众多企业和学者的注意。企业如何实施和运作绿色制造,是一个系统性和综合性都很强的问题,也是绿色制造理论深入应用到企业中必须研究的关键问题,越来越受到学术界和企业界的重视[2-3]。然而,由于科学技术发展水平的差异,各国或各地区绿色制造应用水平差别很大。在美国、欧洲、日本等发达国家和地区,绿色制造概念已经深入人心,绿色制造应用也比较成熟,已经积累了比较丰富的实施案例数据库[4]。然而在中国等大部分发展中国家,绿色制造还停留在理论推广层面,有代表性的绿色制造应用实例非常少,尚未发挥绿色制造的经济效益。绿色制造是企业长期战略,涉及面广,实施过程十分复杂,且投入也比较大,它的应用实施是一个长期艰巨的系统工程[5]。鉴于美国、欧洲和日本等国家和地区已经探索出成熟的绿色制造实施模式,基于知识共享和知识重用的理念,如何重用已有绿色制造实施知识,并进而发展出一套具有本土特色的绿色制造实施方案,是一个值得研究的问题[6-7]。

本文基于可拓理论研究绿色制造实施知识重用,建立了一套基于可拓理论的绿色制造实施方案设计方法,即根据可拓学[8-10]所提出的物元的概念,建立将质与量统一起来的绿色制造实施方案的多维物元模型,并利用可拓学的关联函数对历史相似设计方案进行基于距的实例检索;然后,利用可拓学的可拓变换和可拓逻辑推理对检索后获得的设计实例进行修改,使修改后获得的设计方案很好地满足设计需求。

1 模型建立

1.1 绿色制造实施方案的知识结构

绿色制造实施方案设计为企业实施绿色制造的前期规划工作,其任务是确定企业实施绿色制造的思路、方法和保障措施。根据笔者的前期研究,实施方案具体可以分为组织结构设计、绿色设计方案、绿色工艺方案、绿色再制造方案[11]。各部分有不同程度的关联及交互影响,其中每个一级方案又可以进一步分解为二级方案,逐级细化,如图1所示。

企业具体实施绿色制造时并不一定要实施上述模型中的所有子方案,可以根据企业自身情况自由选择各层子方案,故而方案设计过程中具有不确定性和矛盾性。所以本文采用物元模型来建立知识模型,并采用可拓转化得出可行设计方案。

1.2 实例的物元模型表示

为实现绿色制造实施知识的重用,要将实施实例用知识建模方法表达出来。本文把物元模型引入绿色制造实例的知识表达中。同时,考虑到绿色制造实施方案是一个层次模型,我们可以对实例进行模块化定义,即图1中的每个二级方案可以看作一个模块,若干个相关的模块又可以组成一个模块族。比如绿色工艺规划模块和新型绿色工艺模块构成绿色工艺方案模块族,而绿色工艺规划又可以作为其子方案的模块族,如此层层分解。这样,可以建立实例的模块物元模型和模块族物元模型。

模块物元模型

模块族物元模型

式中,M为模块的名称,根据该名称M可以建立模块的索引;c为模块的特征名;v为特征相应的量值;MF为模块族的名称;CF为隶属于该模块族的所有模块的共有特征集合;VF为CF所对应的特征量值集合。

绿色制造实施实例可以表示为

其中,T表示时间(time);Q表示质量(quality);C表示成本(cost);R表示资源消耗(resource consumption);E表示环境影响(environmental impact)。

由于篇幅所限,二级方案的物元模型在此不详述。

模块物元模型表示了实例的内容和结构,是知识重用的基础。实例方案的表示方法直接关系到之后的可拓转化的效率和准确度,准确和完整地表达实例方案是进行基于知识重用的绿色制造实施方案设计的重要步骤。

1.3 绿色制造实施方案设计流程

由于研究侧重点的关系,本文的研究需要基于以下假设:

假设1 绿色制造实例模块库已经建立。

假设2 企业能够给出期望的实施方案。

基于可拓理论的绿色制造实施方案设计过程包括4个关键步骤,下面分别说明。

1.3.1 企业需求表达

根据期望方案的特征值和重要度,检索与匹配模块库中的实例,若不存在可用实例,则需要进行模块分解,进一步建立子模块族物元模型。

1.3.2 模块分解

根据绿色制造实施方案的层次模型(图1),确定其所属模块族下一层次的子模块族{MF1,MF2,…,MFk,…,MFφ}。子模块族 MFk的特征模型为CF=(ck1,ck2,…,ckq),对应的特征重要度为(cwk1,cwk2,…,cwkq)。

1.3.3 基于距的模块物元相似匹配

实际应用中的期望模块的特征值往往是以区间的形式给出的,而实例方案的特征值一般是以给定的数值点的形式存在,为此引入可拓学中距的概念来准确地描述点与区间的接近程度,建立基于距的模块物元关联函数,将期望模块和模块库中已经存在的模块(存在模块)进行相似匹配分析,定量并准确地获取存在模块中隶属于相应模块族的最相似模块。主要包括以下步骤:

(1)确定期望子模块族MFk的特征值集合

(2)搜索现有模块库中隶属于模块族MFk的所有存在模块,得到这些存在模块物元的集合:

其中,s表示模块族MFk中有s个存在模块。

(3)量纲一处理。由于模块特征包括定性特征和定量特征,故可以采用模糊处理方式对定性特征值进行评估与分级,如表1所示。

表1 定性特征量值模糊分级表

x=1,2,…,s;i=1,2,…,q式(3)描述了存在模块与期望模块特征值区间的位置关系。当存在模块物元特征值vkix在期望特征值区间[vkic,vkid]之外时,ρ(vkix,vki)为正值;当物元特征值vkix在期望特征值区间[vkic,vkid]端点时,ρ(vkix,vki)为0;当物元特征值vkix在期望特征值区间[vkic,vkid]之内时 ,ρ(vkix,vki)为负值,负值的不同表示vkix在区间内的位置不同,及vkix与区间的接近度不同。

(5)由于不同特征物元的特征值量级不同,则由式(3)获得的接近度也不同,因此需要对存在物元与期望物元特征值区间的接近度进行规范化处理。则第x个存在模块关于第i个物元特征与期望模块第i个物元特征的关联度为

当Rkix＞0时,存在模块物元特征与期望模块物元特征为负关联;当Rkix=0时,存在模块物元特征与期望模块物元特征为临界关联;当Rkix＜0时,存在模块物元特征与期望模块物元特征为正关联。

(6)第x个存在模块与期望模块的加权关联度为

1.3.4 可拓物元变换

最相似模块并不一定完全符合期望模块的要求,这时就需要对存在模块进行可拓物元变换,建立其变型模块,从而得到满足企业需求的模块。变换过程是:基于模块物元模型,将期望模块和在存在模块中检索得到的最相似模块进行比较,列出所有不同的特征以及特征量值。针对这些特征量值,以期望模块的设计要求及其特征量值为约束和目标,通过置换、分解、增删、扩缩等多种变换手段以及菱形发散拓展逻辑方法,对最相似模块进行修改,建立新的特征和特征量值,从而实现期望模块的要求。

2 算例分析

应用上述的绿色制造实施知识重用方法可以对历史绿色制造实施知识建模,对实施实例检索、相似性匹配,并根据企业实际情况修改最相似方案得到个性化实施方案,从而实现绿色制造实施知识重用,降低企业实施绿色制造成本,降低绿色制造项目风险。为了具体阐述面向知识重用的绿色制造实施方案设计方法,本文给出一个算例。

重庆某机床制造企业计划实施绿色制造方案,结合文献[12]提出的下一代生产系统要求,建立绿色制造实施方案物元

通过模块分解,并根据企业的绿色机床要求和滚齿机行业特征量水平[13],我们可以建立绿色设计子期望模块物元为

再根据专家的经验分配6个物元特征对应的权值,分别为{0.15,0.15,0.10,0.20,0.20,0.20}。

2.1 模块相似性匹配

根据绿色滚齿机设计的期望物元模型,在模块库[13]中搜索隶属于绿色设计模块族的所有存在模块,检索到3个满足约束条件的设计实例,分别为

其中,括号内数值表示定性指标的模糊评分值。

根据式(3),计算期望物元特征与实例中对应物元特征的关联度,得到关联度矩阵

由式(4)可得到期望物元特征与实例中对应物元特征的关联度矩阵

由式(5)可得到期望物元与实例的加权关联度序列(—0.254 01,—0.009 40,0.151 81)。

舍去与加权关联度序列对应的关联度为正值的方案实例,并将实例按距的取值由小到大排序,加权关联度最小的实例,即 YS3116CNC7,就是期望绿色设计方案的最佳匹配实例。

2.2 模块物元变换

虽然YS3116CNC7是最相似的模块,但其特征“可回收性设计”达不到期望模块的要求,因此,需要进行物元变换。

机床可回收性设计可划分为面向拆卸设计(DFD)、面向循环设计(DFR)和模块化设计。YS3116CNC7采用了模块化设计,根据可拓变换原理,可以对该模块的可回收设计特征的特征值进行增加变换,即增加面向拆卸设计和面向循环设计,从而达到期望模块的要求。而且,面向拆卸设计又可以发散为{拆卸工作量最小准则,与结构有关的准则,易于拆卸准则,易于分离准则,产品结构的可预估性准则},面向循环设计又可以发散为{设计的结构易于拆卸,尽可能地选取可整新的零件,洁净的净化工艺,可重用零部件材料要易于识别分类,结构设计应有利于维修调整,限制材料种类,采用系列化、模块化的产品结构,考虑零件的异化再使用方法,尽可能利用回收零部件或材料,考虑材料的相容性}。考虑机床回收利用的主要部件是床身、导轨、底座和主轴箱,其中导轨的破损情况最为严重,不利于回收再利用,因此,可回收性设计最后可收敛为机床主要导轨采用HNT耐磨矩形大平面贴塑导轨,避免导轨磨损。基元转化和拓展推理过程如下:

(1)基元转化过程为

(2)拓展推理过程为

其中,⊕表示增加,┤表示发散,├表示收敛。

经过可拓变换以后,建立新的滚齿机绿色设计方案,即采用干式高速切削方式、全密闭式的切削加工区域、能快速排屑的装置、钢件床身进行模块化设计,另外机床的主要导轨采用HNT耐磨矩形大平面贴塑导轨等。

出于篇幅考虑,案例部分只分析绿色设计子模块的可拓方案设计,其余子模块的设计方法类似,最后可以形成绿色制造实施方案。

3 结论

(1)提出了一种包括组织结构设计、绿色设计方案、绿色工艺方案和再制造方案等的绿色制造实施方案知识结构,其中组织结构设计包括目标定义、一把手工程、绿色制造培训、项目组成立、企业各部门支持等;绿色设计方案包括绿色材料选择、材料节约型设计、能源节约型设计、环境友好型设计、产品宜人性设计、可拆卸性设计、可回收性设计、可再制造性设计等;绿色工艺方案包括绿色工艺规划和新型绿色工艺等;再制造方案包括废旧产品回收性分析与评价、废旧产品绿色拆卸、废旧产品绿色清洗、废旧产品绿色材料分离回收、逆向物流网络规划等。

(2)提出了一种基于物元模型和可拓理论的绿色制造实施方案设计方法,即面向知识表达和知识重用建立将质与量统一起来的绿色制造实施方案的多维物元模型;利用可拓学关联函数对历史相似设计方案进行实例检索,并利用可拓变换和拓展推理对检索后获得的设计实例进行多级菱形思维的发散性修改以得到满足企业需求的最优方案。

(3)最后结合某机床制造企业的绿色制造实施方案设计实践验证了该方法的可行性和有效性。

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