鄧體立，容芷君,b，曹云飛

(武漢科技大學(xué) a.機(jī)械傳動與制造工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430081)

0 引言

隨著人們對物質(zhì)和精神需求的快速提高，綠色觀念逐漸深入人心，產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)[1]研發(fā)愈來愈重要。將產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)、客戶需求信息和產(chǎn)品零部件之間模塊劃分聯(lián)系起來，不僅能達(dá)到客戶對產(chǎn)品的綠色需求、性能需求和使用需求，還能減少產(chǎn)品研究與開發(fā)時(shí)間，降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本，改善資源的循環(huán)使用效率，高效率的滿足市場消費(fèi)需求，從而來響應(yīng)市場。

魏巍等[2]從綠色理念角度出發(fā)，將環(huán)境資源因子和零部件關(guān)聯(lián)矩陣引入到產(chǎn)品平臺模塊劃分模型，滿足了客戶對產(chǎn)品的功能需求以及綠色需求。劉電霆等[3]從綠色設(shè)計(jì)中不確定性因素角度，以模塊內(nèi)部最大聚合度量、模塊之間最小耦合度量和模塊劃分最高綠色度量為目標(biāo)函數(shù)，建立了產(chǎn)品綠色模塊劃分的不確定優(yōu)化模型。Algeddawy等[4]從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣出發(fā)，采用層次聚類算法的方法進(jìn)行產(chǎn)品模塊劃分，并在此基礎(chǔ)上采用聚類樹的方法討論模塊劃分的粒度。Yang J R[5]從綠色度和模塊度的雙因素角度來分析和評估模糊模型，采用層次分析法和模糊綜合評判法計(jì)算和評價(jià)產(chǎn)品的綠色度和模塊度，從而滿足產(chǎn)品的綠色度和模塊度。以上方法從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能以及綠色某一屬性等方面進(jìn)行產(chǎn)品的模塊劃分，很少從客戶需求的角度來考慮產(chǎn)品的模塊劃分，然而企業(yè)推出的一切產(chǎn)品都是以滿足客戶需求為基礎(chǔ)的。

基于此，通過研究產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)、客戶需求信息和產(chǎn)品零部件之間模塊劃分，提出一種基于客戶需求的產(chǎn)品綠色模塊劃分方法，并通過案例進(jìn)行分析和論證。

1 客戶需求和綠色需求重要度

通過問卷調(diào)查，獲取客戶對產(chǎn)品的綠色需求，但是這些客戶需求[6]仍然是客戶的主觀判斷，仍然不能夠直接用于后面的綠色模塊劃分。因此需要把這些主觀的需求信息轉(zhuǎn)化為所需要的信息做進(jìn)一步分析，即進(jìn)行參數(shù)化處理得出個(gè)客戶綠色需求之間的重要程度及其目標(biāo)值。由于問卷調(diào)查時(shí)李克特量表法容易完成，調(diào)查效果比較良好，便于后期的客戶需求分析，故本文采用李克特量表法進(jìn)行調(diào)查。李克特量表常用于問卷調(diào)查中，當(dāng)被調(diào)查者回答問卷調(diào)查相應(yīng)的題目時(shí)，可以很容易的完成而且易于表達(dá)對客戶需求的偏愛程度，通常在重要度方面使用5個(gè)等級(例如被調(diào)查者A對于某個(gè)需求的重要度為3，因此在對應(yīng)的位置給出相應(yīng)的數(shù)字3進(jìn)行說明)。

產(chǎn)品綠色需求重要度[7]是反映客戶對產(chǎn)品綠色需求的重要程度，是綠色模塊劃分的關(guān)鍵因素。由于不同的產(chǎn)品綠色需求在產(chǎn)品的綠色模塊劃分中所起的作用不同，具有不同的綠色需求重要度。傳統(tǒng)的綠色需求重要度確定方法有客戶調(diào)查法，專家打分法，層次分析法，但是都存在計(jì)算量大、效率低等問題。本文采用SPSS軟件因子分析法得到產(chǎn)品綠色需求的需求重要度，SPSS軟件因子分析可以滿足大批量數(shù)據(jù)計(jì)算，可以清晰看到各個(gè)因子所占的成分，以客戶調(diào)查法為基礎(chǔ)，通過因子分析描述多個(gè)客戶需求之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)綠色需求重要度的量化分析。

因子分析通過因子表現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的信息，采用這種方法可以容易且清晰的得到影響客戶綠色需求的主要因子以及他們的需求重要度。因子分析的模型表示為：設(shè)有m個(gè)公共因子表示為F=(F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)m)，p個(gè)原有變量表示為X=(X1，X2，…，Xp)，且都是潛在可觀測的，因子載荷為aij，則

矩陣表達(dá)為：X=AF+ε，其中A為因子載荷矩陣，ε為不能被m個(gè)公共因子線性解釋的部分。

2 基于遺傳算法的產(chǎn)品綠色模塊劃分

2.1 遺傳算法

遺傳算法[8]是一種通過模擬自然進(jìn)化過程搜索最優(yōu)解，解決潛在解集最優(yōu)的方法。通常采用二進(jìn)制編碼，隨機(jī)產(chǎn)生初始種群，按照自然選擇的原理逐代產(chǎn)生更好的種群，根據(jù)種群個(gè)體的適應(yīng)度選擇個(gè)體，并借助遺傳算子進(jìn)行組合交叉和變異，從而產(chǎn)生最優(yōu)的解集，或無限接近最優(yōu)的解集。遺傳算法一般包含6個(gè)基本要素：①參數(shù)編碼，②初始種群，③適應(yīng)度，④選擇，⑤交叉，⑥變異。遺傳算法進(jìn)行求解的流程如圖1所示。

圖1 遺傳算法流程

2.2 產(chǎn)品綠色模塊劃分

產(chǎn)品模塊劃分是以滿足產(chǎn)品的功能為前提，結(jié)構(gòu)交互關(guān)系是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的基礎(chǔ)，產(chǎn)品的綠色屬性是產(chǎn)品對周圍環(huán)境屬性的影響。因此對產(chǎn)品零部件的基本屬性和綠色屬性的分析對產(chǎn)品模塊的劃分具有直接的影響。

產(chǎn)品的基本屬性包括功能屬性和結(jié)構(gòu)屬性[9]，產(chǎn)品的功能交互關(guān)系是根據(jù)結(jié)構(gòu)屬性來聯(lián)系的，而結(jié)構(gòu)交互關(guān)系是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)交互關(guān)系和功能交互關(guān)系如表1、表2所示。

表1 結(jié)構(gòu)交互關(guān)系

表2 功能交互關(guān)系

通常產(chǎn)品的綠色需求包括容易拆卸、便于裝配、便于回收、減少材料消耗、使用壽命長和能源利用率高等[10]，通過這些需求可以得到產(chǎn)品綠色因子為拆卸因子、回收因子、材料因子、壽命因子、能量因子等，將這5個(gè)綠色因子選擇為客戶對產(chǎn)品的綠色屬性需求。

(1)拆卸因子

產(chǎn)品聯(lián)接的強(qiáng)度越大，拆卸消耗的能量越高，產(chǎn)品拆卸所需能量與產(chǎn)品聯(lián)接方式和拆卸難度有關(guān)。產(chǎn)品的拆卸因子表示解除產(chǎn)品聯(lián)接得復(fù)雜程度，對任意零部件i和j，其拆卸因子定義如下：

(1)

其中，md表示零部件i和j之間拆卸因子值。

(2)回收因子

產(chǎn)品回收是將部分損壞或者完全損壞的零部件，經(jīng)過重復(fù)使用、材料回收利用、能量回收利用、廢棄處理等能夠使其重新獲得使用價(jià)值。產(chǎn)品回收應(yīng)最大化地利用其資源，盡可能使同一模塊中的零部件具有相同或相近的回收價(jià)值。產(chǎn)品的回收因子表示重獲產(chǎn)品價(jià)值的指數(shù)，對任意零部件i和j，其回收因子定義如下：

(2)

其中，Vi、Vj分別表示零部件i和j的回收價(jià)值。

(3)材料因子

產(chǎn)品綠色材料是在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的要求下具有良好的材料相容性，就是盡可能使同一模塊中的元素相同或相似。如果零部件之間具有同種材料，則可以歸為一類回收利用，從而較少產(chǎn)生報(bào)廢時(shí)材料的消耗。材料因子表示產(chǎn)品零部件之間材料相容的程度，對任意零部件i和j，其材料因子定義如下：

(3)

其中，mm表示零部件i和j之間材料因子值。

(4)壽命因子

產(chǎn)品在使用時(shí)需要有較長的使用壽命，當(dāng)產(chǎn)品某個(gè)零部件損壞時(shí)可以方便地替換，為了更好地節(jié)約資源這就要求替換的模塊有相近的壽命，實(shí)現(xiàn)零部件的多次循環(huán)使用；產(chǎn)品壽命因子表示產(chǎn)品模塊壽命的指數(shù)，對任意零部件i和j，其壽命因子定義如下：

(4)

其中，Li、Lj分別表示零部件i和j的物理壽命。

(5)能量因子

產(chǎn)品在使用過程中會產(chǎn)生能量的損耗，如產(chǎn)生的排放物、熱量、以及振動等，產(chǎn)品的損耗越小，產(chǎn)品對環(huán)境造成的影響就越小。產(chǎn)品的能量因子表示產(chǎn)品能量轉(zhuǎn)換過程中能量的轉(zhuǎn)化效率，對任意零部件i和j，其能量因子定義如下：

(5)

其中，ep、eo分別是零部件i到零部件j之間的輸入能量和輸出能量。

本文以上述的5項(xiàng)綠色屬性因子(拆卸因子、回收因子、材料因子、壽命因子、能量因子)為產(chǎn)品綠色屬性的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，由此獲取產(chǎn)品綠色屬性的交互關(guān)系值。將產(chǎn)品的基本屬性與綠色屬性的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則相結(jié)合，對其交互關(guān)系值以及其對應(yīng)的交互關(guān)系矩陣進(jìn)行加權(quán)求和獲得零部件間的綜合關(guān)系值，如式(6)所示。

M(i,j)=ω1M1(i,j)+ω2M2(i,j)

(6)

其中，M(i,j)表示零部件i和j之間的綜合關(guān)系值，ω1,ω2分別為基本屬性和綠色屬性對應(yīng)的權(quán)重，且ω1+ω2=1，M1(i,j)、M2(i,j)分別為零部件i和j的基本屬性交互關(guān)系值和綠色屬性的交互關(guān)系值。

模塊本身內(nèi)部之間的平均聚合度：

(7)

各個(gè)模塊之間的平均耦合度 ：

(8)

模塊度優(yōu)化函數(shù)：

(9)

D為聚類生成的模塊數(shù)量，N為零部件個(gè)數(shù)，nk、mk分別為生成的第k個(gè)模塊中第一個(gè)和最后一個(gè)零部件的序列號。

模塊度[11]表示了各個(gè)模塊之間以及模塊本身內(nèi)部之間的關(guān)系，模塊度越高，則模塊劃分的結(jié)果越好。由得到的產(chǎn)品的綜合關(guān)系構(gòu)建產(chǎn)品的綜合矩陣，通過綜合矩陣計(jì)算產(chǎn)品模塊本身內(nèi)部零部件之間的平均聚合度和各個(gè)模塊之間的平均耦合度，以此得到產(chǎn)品的模塊度優(yōu)化函數(shù)，通過遺傳算法進(jìn)行分析計(jì)算，得到產(chǎn)品的綠色模塊。

3 案例

本文以冰箱為例，其中冰箱包括25個(gè)零部件[12]，包含了冰箱所必須的基本結(jié)構(gòu)部件，具體零部件名稱見表3。

表3 冰箱零部件

通過問卷調(diào)查得到客戶對冰箱產(chǎn)品的綠色需求，其綠化因子為能量因子，拆卸因子，回收因子，材料因子，壽命因子。獲取需求后需將主觀的客戶需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品綠色需求重要度，通過李克特量表法進(jìn)行參數(shù)化處理得出客戶需求之間的重要程度及其目標(biāo)值。由于簡化模型的需要，本文選取1000個(gè)客戶，篇幅所限只列出部分?jǐn)?shù)據(jù)，通過李克特量表進(jìn)行參數(shù)化，得到如表4所示，表中行表示客戶，列表示綠色因子，數(shù)值表示客戶對綠色因子的量值。

表4 客戶需求信息表

將得到的大量客戶需求信息通過SPSS軟件進(jìn)行因子分析如表5、表6所示，通過公因子方差得到冰箱綠色屬性的提取值，從而得出被調(diào)查的客戶對冰箱的綠色屬性需求依次是拆卸因子、材料因子、能量因子、壽命因子和回收因子，通過解釋總方差得到綠色因子的貢獻(xiàn)率，即產(chǎn)品的綠色屬性需求重要度，其大小體現(xiàn)了客戶對綠色屬性的要求程度。

表5 公因子方差

表6 解釋的總方差

根據(jù)產(chǎn)品基本屬性和綠色屬性得到產(chǎn)品的屬性權(quán)重，對產(chǎn)品的綠色模塊劃分有重要作用，權(quán)重分配系數(shù)如表7所示。

表7 產(chǎn)品屬性權(quán)重分配

通過上述方法獲得基本屬性交互關(guān)系矩陣和綠色屬性交互關(guān)系矩陣后，結(jié)合產(chǎn)品屬性權(quán)重分配，通過公式(5)計(jì)算得到冰箱的綜合關(guān)系矩陣，如表8所示。

表8 冰箱的綜合關(guān)系矩陣

各參數(shù)設(shè)置如下：最大模塊數(shù)為D=7，種群規(guī)模大小為400，遺傳代數(shù)為300，交叉概率為0.9，變異概率為0.1。運(yùn)行遺傳算法，其相應(yīng)迭代歷程如圖2所示。

圖2 遺傳算法迭代歷程

由圖2可知，最優(yōu)模塊度值為0.5308，最優(yōu)模塊聚類結(jié)果見表9。

表9 聚類結(jié)果

表9中行表示聚類模塊，列表示冰箱的零部件，表中數(shù)字1表示相應(yīng)的零部件在聚類模塊中，0則表示零部件不在模塊中，因此，冰箱模塊劃分方案如表10所示。

表10 冰箱綠色模塊劃分方案

4 結(jié)論

在產(chǎn)品綠色模塊劃分前期，通過獲取客戶需求并通過李克特量表法進(jìn)行參數(shù)化處理，利用因子分析得到產(chǎn)品綠色屬性權(quán)值。通過綜合考慮產(chǎn)品零部件之間的基本屬性和綠色屬性，建立了產(chǎn)品的綜合矩陣，以產(chǎn)品模塊度為適應(yīng)度函數(shù)，運(yùn)用遺傳算法計(jì)算出產(chǎn)品最佳的綠色模塊劃分結(jié)果，既滿足了客戶對產(chǎn)品的綠色需求，也滿足了產(chǎn)品的模塊劃分。以冰箱為例劃分冰箱的綠色模塊，驗(yàn)證了該方法的有效性。通過對基于客戶需求的綠色模塊劃分方法研究，對國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)提供研究思路。