李聰波 王秋蓮 劉 飛 曹華軍

1.重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,400030

2.南昌大學(xué),南昌,330030

0 引言

21世紀(jì)以來,全球面臨著巨大的資源環(huán)境危機(jī)。綠色制造的提出就是為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢處理的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中,對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響最小,資源利用率最高,并使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益協(xié)調(diào)優(yōu)化[1]。近年來,綠色制造相關(guān)問題的研究已經(jīng)吸引了眾多企業(yè)和學(xué)者的注意。企業(yè)如何實(shí)施和運(yùn)作綠色制造,是一個(gè)系統(tǒng)性和綜合性都很強(qiáng)的問題,也是綠色制造理論深入應(yīng)用到企業(yè)中必須研究的關(guān)鍵問題,越來越受到學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的重視[2-3]。然而,由于科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的差異,各國或各地區(qū)綠色制造應(yīng)用水平差別很大。在美國、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū),綠色制造概念已經(jīng)深入人心,綠色制造應(yīng)用也比較成熟,已經(jīng)積累了比較豐富的實(shí)施案例數(shù)據(jù)庫[4]。然而在中國等大部分發(fā)展中國家,綠色制造還停留在理論推廣層面,有代表性的綠色制造應(yīng)用實(shí)例非常少,尚未發(fā)揮綠色制造的經(jīng)濟(jì)效益。綠色制造是企業(yè)長(zhǎng)期戰(zhàn)略,涉及面廣,實(shí)施過程十分復(fù)雜,且投入也比較大,它的應(yīng)用實(shí)施是一個(gè)長(zhǎng)期艱巨的系統(tǒng)工程[5]。鑒于美國、歐洲和日本等國家和地區(qū)已經(jīng)探索出成熟的綠色制造實(shí)施模式,基于知識(shí)共享和知識(shí)重用的理念,如何重用已有綠色制造實(shí)施知識(shí),并進(jìn)而發(fā)展出一套具有本土特色的綠色制造實(shí)施方案,是一個(gè)值得研究的問題[6-7]。

本文基于可拓理論研究綠色制造實(shí)施知識(shí)重用,建立了一套基于可拓理論的綠色制造實(shí)施方案設(shè)計(jì)方法,即根據(jù)可拓學(xué)[8-10]所提出的物元的概念,建立將質(zhì)與量統(tǒng)一起來的綠色制造實(shí)施方案的多維物元模型,并利用可拓學(xué)的關(guān)聯(lián)函數(shù)對(duì)歷史相似設(shè)計(jì)方案進(jìn)行基于距的實(shí)例檢索;然后,利用可拓學(xué)的可拓變換和可拓邏輯推理對(duì)檢索后獲得的設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行修改,使修改后獲得的設(shè)計(jì)方案很好地滿足設(shè)計(jì)需求。

1 模型建立

1.1 綠色制造實(shí)施方案的知識(shí)結(jié)構(gòu)

綠色制造實(shí)施方案設(shè)計(jì)為企業(yè)實(shí)施綠色制造的前期規(guī)劃工作,其任務(wù)是確定企業(yè)實(shí)施綠色制造的思路、方法和保障措施。根據(jù)筆者的前期研究,實(shí)施方案具體可以分為組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)方案、綠色工藝方案、綠色再制造方案[11]。各部分有不同程度的關(guān)聯(lián)及交互影響,其中每個(gè)一級(jí)方案又可以進(jìn)一步分解為二級(jí)方案,逐級(jí)細(xì)化,如圖1所示。

企業(yè)具體實(shí)施綠色制造時(shí)并不一定要實(shí)施上述模型中的所有子方案,可以根據(jù)企業(yè)自身情況自由選擇各層子方案,故而方案設(shè)計(jì)過程中具有不確定性和矛盾性。所以本文采用物元模型來建立知識(shí)模型,并采用可拓轉(zhuǎn)化得出可行設(shè)計(jì)方案。

1.2 實(shí)例的物元模型表示

為實(shí)現(xiàn)綠色制造實(shí)施知識(shí)的重用,要將實(shí)施實(shí)例用知識(shí)建模方法表達(dá)出來。本文把物元模型引入綠色制造實(shí)例的知識(shí)表達(dá)中。同時(shí),考慮到綠色制造實(shí)施方案是一個(gè)層次模型,我們可以對(duì)實(shí)例進(jìn)行模塊化定義,即圖1中的每個(gè)二級(jí)方案可以看作一個(gè)模塊,若干個(gè)相關(guān)的模塊又可以組成一個(gè)模塊族。比如綠色工藝規(guī)劃模塊和新型綠色工藝模塊構(gòu)成綠色工藝方案模塊族,而綠色工藝規(guī)劃又可以作為其子方案的模塊族,如此層層分解。這樣,可以建立實(shí)例的模塊物元模型和模塊族物元模型。

模塊物元模型

模塊族物元模型

式中,M為模塊的名稱,根據(jù)該名稱M可以建立模塊的索引;c為模塊的特征名;v為特征相應(yīng)的量值;MF為模塊族的名稱;CF為隸屬于該模塊族的所有模塊的共有特征集合;VF為CF所對(duì)應(yīng)的特征量值集合。

綠色制造實(shí)施實(shí)例可以表示為

其中,T表示時(shí)間(time);Q表示質(zhì)量(quality);C表示成本(cost);R表示資源消耗(resource consumption);E表示環(huán)境影響(environmental impact)。

由于篇幅所限,二級(jí)方案的物元模型在此不詳述。

模塊物元模型表示了實(shí)例的內(nèi)容和結(jié)構(gòu),是知識(shí)重用的基礎(chǔ)。實(shí)例方案的表示方法直接關(guān)系到之后的可拓轉(zhuǎn)化的效率和準(zhǔn)確度,準(zhǔn)確和完整地表達(dá)實(shí)例方案是進(jìn)行基于知識(shí)重用的綠色制造實(shí)施方案設(shè)計(jì)的重要步驟。

1.3 綠色制造實(shí)施方案設(shè)計(jì)流程

由于研究側(cè)重點(diǎn)的關(guān)系,本文的研究需要基于以下假設(shè):

假設(shè)1 綠色制造實(shí)例模塊庫已經(jīng)建立。

假設(shè)2 企業(yè)能夠給出期望的實(shí)施方案。

基于可拓理論的綠色制造實(shí)施方案設(shè)計(jì)過程包括4個(gè)關(guān)鍵步驟,下面分別說明。

1.3.1 企業(yè)需求表達(dá)

根據(jù)期望方案的特征值和重要度,檢索與匹配模塊庫中的實(shí)例,若不存在可用實(shí)例,則需要進(jìn)行模塊分解,進(jìn)一步建立子模塊族物元模型。

1.3.2 模塊分解

根據(jù)綠色制造實(shí)施方案的層次模型(圖1),確定其所屬模塊族下一層次的子模塊族{MF1,MF2,…,MFk,…,MFφ}。子模塊族 MFk的特征模型為CF=(ck1,ck2,…,ckq),對(duì)應(yīng)的特征重要度為(cwk1,cwk2,…,cwkq)。

1.3.3 基于距的模塊物元相似匹配

實(shí)際應(yīng)用中的期望模塊的特征值往往是以區(qū)間的形式給出的,而實(shí)例方案的特征值一般是以給定的數(shù)值點(diǎn)的形式存在,為此引入可拓學(xué)中距的概念來準(zhǔn)確地描述點(diǎn)與區(qū)間的接近程度,建立基于距的模塊物元關(guān)聯(lián)函數(shù),將期望模塊和模塊庫中已經(jīng)存在的模塊(存在模塊)進(jìn)行相似匹配分析,定量并準(zhǔn)確地獲取存在模塊中隸屬于相應(yīng)模塊族的最相似模塊。主要包括以下步驟:

(1)確定期望子模塊族MFk的特征值集合

(2)搜索現(xiàn)有模塊庫中隸屬于模塊族MFk的所有存在模塊,得到這些存在模塊物元的集合:

其中,s表示模塊族MFk中有s個(gè)存在模塊。

(3)量綱一處理。由于模塊特征包括定性特征和定量特征,故可以采用模糊處理方式對(duì)定性特征值進(jìn)行評(píng)估與分級(jí),如表1所示。

表1 定性特征量值模糊分級(jí)表

x=1,2,…,s;i=1,2,…,q式(3)描述了存在模塊與期望模塊特征值區(qū)間的位置關(guān)系。當(dāng)存在模塊物元特征值vkix在期望特征值區(qū)間[vkic,vkid]之外時(shí),ρ(vkix,vki)為正值;當(dāng)物元特征值vkix在期望特征值區(qū)間[vkic,vkid]端點(diǎn)時(shí),ρ(vkix,vki)為0;當(dāng)物元特征值vkix在期望特征值區(qū)間[vkic,vkid]之內(nèi)時(shí) ,ρ(vkix,vki)為負(fù)值,負(fù)值的不同表示vkix在區(qū)間內(nèi)的位置不同,及vkix與區(qū)間的接近度不同。

(5)由于不同特征物元的特征值量級(jí)不同,則由式(3)獲得的接近度也不同,因此需要對(duì)存在物元與期望物元特征值區(qū)間的接近度進(jìn)行規(guī)范化處理。則第x個(gè)存在模塊關(guān)于第i個(gè)物元特征與期望模塊第i個(gè)物元特征的關(guān)聯(lián)度為

當(dāng)Rkix＞0時(shí),存在模塊物元特征與期望模塊物元特征為負(fù)關(guān)聯(lián);當(dāng)Rkix=0時(shí),存在模塊物元特征與期望模塊物元特征為臨界關(guān)聯(lián);當(dāng)Rkix＜0時(shí),存在模塊物元特征與期望模塊物元特征為正關(guān)聯(lián)。

(6)第x個(gè)存在模塊與期望模塊的加權(quán)關(guān)聯(lián)度為

1.3.4 可拓物元變換

最相似模塊并不一定完全符合期望模塊的要求,這時(shí)就需要對(duì)存在模塊進(jìn)行可拓物元變換,建立其變型模塊,從而得到滿足企業(yè)需求的模塊。變換過程是:基于模塊物元模型,將期望模塊和在存在模塊中檢索得到的最相似模塊進(jìn)行比較,列出所有不同的特征以及特征量值。針對(duì)這些特征量值,以期望模塊的設(shè)計(jì)要求及其特征量值為約束和目標(biāo),通過置換、分解、增刪、擴(kuò)縮等多種變換手段以及菱形發(fā)散拓展邏輯方法,對(duì)最相似模塊進(jìn)行修改,建立新的特征和特征量值,從而實(shí)現(xiàn)期望模塊的要求。

2 算例分析

應(yīng)用上述的綠色制造實(shí)施知識(shí)重用方法可以對(duì)歷史綠色制造實(shí)施知識(shí)建模,對(duì)實(shí)施實(shí)例檢索、相似性匹配,并根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況修改最相似方案得到個(gè)性化實(shí)施方案,從而實(shí)現(xiàn)綠色制造實(shí)施知識(shí)重用,降低企業(yè)實(shí)施綠色制造成本,降低綠色制造項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。為了具體闡述面向知識(shí)重用的綠色制造實(shí)施方案設(shè)計(jì)方法,本文給出一個(gè)算例。

重慶某機(jī)床制造企業(yè)計(jì)劃實(shí)施綠色制造方案,結(jié)合文獻(xiàn)[12]提出的下一代生產(chǎn)系統(tǒng)要求,建立綠色制造實(shí)施方案物元

通過模塊分解,并根據(jù)企業(yè)的綠色機(jī)床要求和滾齒機(jī)行業(yè)特征量水平[13],我們可以建立綠色設(shè)計(jì)子期望模塊物元為

再根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)分配6個(gè)物元特征對(duì)應(yīng)的權(quán)值,分別為{0.15,0.15,0.10,0.20,0.20,0.20}。

2.1 模塊相似性匹配

根據(jù)綠色滾齒機(jī)設(shè)計(jì)的期望物元模型,在模塊庫[13]中搜索隸屬于綠色設(shè)計(jì)模塊族的所有存在模塊,檢索到3個(gè)滿足約束條件的設(shè)計(jì)實(shí)例,分別為

其中,括號(hào)內(nèi)數(shù)值表示定性指標(biāo)的模糊評(píng)分值。

根據(jù)式(3),計(jì)算期望物元特征與實(shí)例中對(duì)應(yīng)物元特征的關(guān)聯(lián)度,得到關(guān)聯(lián)度矩陣

由式(4)可得到期望物元特征與實(shí)例中對(duì)應(yīng)物元特征的關(guān)聯(lián)度矩陣

由式(5)可得到期望物元與實(shí)例的加權(quán)關(guān)聯(lián)度序列(—0.254 01,—0.009 40,0.151 81)。

舍去與加權(quán)關(guān)聯(lián)度序列對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)度為正值的方案實(shí)例,并將實(shí)例按距的取值由小到大排序,加權(quán)關(guān)聯(lián)度最小的實(shí)例,即 YS3116CNC7,就是期望綠色設(shè)計(jì)方案的最佳匹配實(shí)例。

2.2 模塊物元變換

雖然YS3116CNC7是最相似的模塊,但其特征“可回收性設(shè)計(jì)”達(dá)不到期望模塊的要求,因此,需要進(jìn)行物元變換。

機(jī)床可回收性設(shè)計(jì)可劃分為面向拆卸設(shè)計(jì)(DFD)、面向循環(huán)設(shè)計(jì)(DFR)和模塊化設(shè)計(jì)。YS3116CNC7采用了模塊化設(shè)計(jì),根據(jù)可拓變換原理,可以對(duì)該模塊的可回收設(shè)計(jì)特征的特征值進(jìn)行增加變換,即增加面向拆卸設(shè)計(jì)和面向循環(huán)設(shè)計(jì),從而達(dá)到期望模塊的要求。而且,面向拆卸設(shè)計(jì)又可以發(fā)散為{拆卸工作量最小準(zhǔn)則,與結(jié)構(gòu)有關(guān)的準(zhǔn)則,易于拆卸準(zhǔn)則,易于分離準(zhǔn)則,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可預(yù)估性準(zhǔn)則},面向循環(huán)設(shè)計(jì)又可以發(fā)散為{設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)易于拆卸,盡可能地選取可整新的零件,潔凈的凈化工藝,可重用零部件材料要易于識(shí)別分類,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)有利于維修調(diào)整,限制材料種類,采用系列化、模塊化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu),考慮零件的異化再使用方法,盡可能利用回收零部件或材料,考慮材料的相容性}?？紤]機(jī)床回收利用的主要部件是床身、導(dǎo)軌、底座和主軸箱,其中導(dǎo)軌的破損情況最為嚴(yán)重,不利于回收再利用,因此,可回收性設(shè)計(jì)最后可收斂為機(jī)床主要導(dǎo)軌采用HNT耐磨矩形大平面貼塑導(dǎo)軌,避免導(dǎo)軌磨損。基元轉(zhuǎn)化和拓展推理過程如下:

(1)基元轉(zhuǎn)化過程為

(2)拓展推理過程為

其中,⊕表示增加,┤表示發(fā)散,├表示收斂。

經(jīng)過可拓變換以后,建立新的滾齒機(jī)綠色設(shè)計(jì)方案,即采用干式高速切削方式、全密閉式的切削加工區(qū)域、能快速排屑的裝置、鋼件床身進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),另外機(jī)床的主要導(dǎo)軌采用HNT耐磨矩形大平面貼塑導(dǎo)軌等。

出于篇幅考慮,案例部分只分析綠色設(shè)計(jì)子模塊的可拓方案設(shè)計(jì),其余子模塊的設(shè)計(jì)方法類似,最后可以形成綠色制造實(shí)施方案。

3 結(jié)論

(1)提出了一種包括組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)方案、綠色工藝方案和再制造方案等的綠色制造實(shí)施方案知識(shí)結(jié)構(gòu),其中組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括目標(biāo)定義、一把手工程、綠色制造培訓(xùn)、項(xiàng)目組成立、企業(yè)各部門支持等;綠色設(shè)計(jì)方案包括綠色材料選擇、材料節(jié)約型設(shè)計(jì)、能源節(jié)約型設(shè)計(jì)、環(huán)境友好型設(shè)計(jì)、產(chǎn)品宜人性設(shè)計(jì)、可拆卸性設(shè)計(jì)、可回收性設(shè)計(jì)、可再制造性設(shè)計(jì)等;綠色工藝方案包括綠色工藝規(guī)劃和新型綠色工藝等;再制造方案包括廢舊產(chǎn)品回收性分析與評(píng)價(jià)、廢舊產(chǎn)品綠色拆卸、廢舊產(chǎn)品綠色清洗、廢舊產(chǎn)品綠色材料分離回收、逆向物流網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃等。

(2)提出了一種基于物元模型和可拓理論的綠色制造實(shí)施方案設(shè)計(jì)方法,即面向知識(shí)表達(dá)和知識(shí)重用建立將質(zhì)與量統(tǒng)一起來的綠色制造實(shí)施方案的多維物元模型;利用可拓學(xué)關(guān)聯(lián)函數(shù)對(duì)歷史相似設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)例檢索,并利用可拓變換和拓展推理對(duì)檢索后獲得的設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行多級(jí)菱形思維的發(fā)散性修改以得到滿足企業(yè)需求的最優(yōu)方案。

(3)最后結(jié)合某機(jī)床制造企業(yè)的綠色制造實(shí)施方案設(shè)計(jì)實(shí)踐驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

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