張比鵬，韓 聰，王靖涵

(遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州 121000)

0 引言

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程以及環(huán)境保護(hù)進(jìn)度的加快,綠色制造將成為制造業(yè)發(fā)展的趨勢。集裝箱制造業(yè)作為典型的高消耗、高污染產(chǎn)業(yè),對其制造過程進(jìn)行綠色度評價,能夠在一定程度上反映出制造業(yè)自身綠色制造的情況,從而引起人們對綠色制造的重視[1-3]。

本文結(jié)合集裝箱制造過程中可能影響綠色度的因素,初步建立了綠色度評價指標(biāo)體系,之后基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了集裝箱綠色度評價模型。根據(jù)各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行了界線劃定,生成了訓(xùn)練樣本,并對構(gòu)建的評價模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。最后通過實(shí)際調(diào)研,對某工廠的集裝箱制造過程的綠色度進(jìn)行了評價。

1 集裝箱制造過程綠色度評價指標(biāo)體系

1.1 集裝箱制造過程及屬性分析

集裝箱結(jié)構(gòu)由箱頂、端面和側(cè)壁等構(gòu)件構(gòu)成,制造過程中需經(jīng)過預(yù)處理、沖壓、自動打砂、(前端、后端、底架)自動焊、總裝、總焊、油漆、美妝等班組的加工處理,主要產(chǎn)生了資源消耗與環(huán)境污染。

制造過程中的資源消耗主要是零件制造過程中所產(chǎn)生的各種原材料以及人力資源上的消耗,主要包括原材料、能源、人力資源以及其他消耗四部分。其中,原材料消耗包括鋼材、焊絲、鋁材、鐵材和水性漆;能源消耗為水和電;人力資源消耗采用安全滿意度、環(huán)境影響、難易程度、工作時長作為評價指標(biāo);其他消耗分為設(shè)備使用率和綠色資源。

集裝箱的制造過程是各原材料、零部件經(jīng)過層層加工并最終裝配成集裝箱的過程,在這個過程中產(chǎn)生了一些污染物從而對環(huán)境造成了影響。在制造過程中產(chǎn)生的對環(huán)境造成不利影響的因素主要包括一些污染物的排放,例如焊接廢氣、粉塵以及廢水。

1.2 集裝箱評價指標(biāo)體系確定

結(jié)合以上的分析及評價指標(biāo)構(gòu)建的原則[4,5],對評價指標(biāo)初步選取,構(gòu)建出的制造過程綠色度評價指標(biāo)體系如表1所示。

表1 初步確定的評價指標(biāo)體系

2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的集裝箱制造過程綠色度評價模型

2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本及檢測樣本確定

用五分制法劃分集裝箱制造過程的綠色度等級,綠色度評價結(jié)果也分為5種,分別是深綠色[1,0,0,0,0]、中綠色[0,1,0,0,0]、淺綠色[0,0,1,0,0]、淡綠色[0,0,0,1,0]和非綠色[0,0,0,0,1],所以輸出節(jié)點(diǎn)為5。

(1) 對于評價中涉及到的定量指標(biāo),如單位車間用電量、原材料利用率和機(jī)械性噪聲等指標(biāo)主要從以下三個方面進(jìn)行綠色度等級的劃定:①按照相關(guān)法律法規(guī);②以國家未來所要達(dá)成的目標(biāo)排放值為標(biāo)準(zhǔn);③若沒有參照標(biāo)準(zhǔn),則以學(xué)者研究的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 對于定性指標(biāo)(24、27、28、29)則采用調(diào)查問卷和專家經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行收集,具體評價等級如表2所示。

表2 定性評價等級標(biāo)準(zhǔn)

為訓(xùn)練并提升神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確率,按隨機(jī)生成均勻數(shù)據(jù)的方式來產(chǎn)生數(shù)據(jù),每個類別生成300個數(shù)據(jù),共計生成1 500組數(shù)據(jù),以1 300組數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練值,200組作為網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測值。

2.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價模型實(shí)質(zhì)上就是非線性化的輸入-輸出的模式映射過程,由表1可知評價指標(biāo)體系共有33個測量維度,因此輸入單元數(shù)為33個,將綠色度評價的結(jié)果作為輸出對象,具體BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評價模型如圖1所示。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評價模型

由于包含一個隱含層的網(wǎng)絡(luò)就能夠逼近任何閉區(qū)間內(nèi)連續(xù)函數(shù),所以三層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在本質(zhì)上就能夠?qū)Υ蟛糠诛@式問題進(jìn)行描述和分析,因此選用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為3層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。對于隱含層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的選擇是通過經(jīng)驗(yàn)公式來確定的,即:

(1)

其中:m為隱含層的節(jié)點(diǎn)數(shù);n為輸入層的節(jié)點(diǎn)數(shù);l為輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù);a為1～10之間的常數(shù)。本文選取33個指標(biāo)作為樣本輸入、5個輸出節(jié)點(diǎn)的值作為網(wǎng)絡(luò)輸出,當(dāng)隱含層為9個神經(jīng)元時,網(wǎng)絡(luò)的均方誤差最小為0.993 25,所以確定隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為9。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完成后得到網(wǎng)絡(luò)的梯度值、確認(rèn)檢查情況和學(xué)習(xí)率,如圖2所示。

圖2 迭代222步后的梯度值、確認(rèn)檢查和學(xué)習(xí)率

由圖2可知經(jīng)過222步迭代后的網(wǎng)絡(luò)確認(rèn)檢查率為0,說明訓(xùn)練已完成,且此時模型的正確識別率為94.5%,說明該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可用于對集裝箱制造過程進(jìn)行評價。

3 實(shí)證分析

A集裝箱制造公司是專業(yè)設(shè)計生產(chǎn)國際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱和各種特種結(jié)構(gòu)集裝箱的中外合資企業(yè)。公司年產(chǎn)能為100 000 TEU,主要生產(chǎn)22.5箱、45箱、48箱、開頂箱、側(cè)開門箱和水溶油漆糧食箱等。圖3為制造過程現(xiàn)場。

圖3 制造過程現(xiàn)場

通過實(shí)際調(diào)研,得到各評價指標(biāo)的量化值如表3所示。

表3 評價指標(biāo)量化值

在MATLAB中建立集裝箱制造過程綠色度評價的GUI界面,可根據(jù)需求對網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和訓(xùn)練參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,并輸出訓(xùn)練誤差的曲線圖和測試樣本的實(shí)際值和期望值,得到的評價結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯龇抡娼Y(jié)果為[0,0,1,0,0]與淺綠色的隸屬度最符合,說明該評價模型能夠?qū)b箱制造過程的綠色度進(jìn)行評價。

圖4 仿真結(jié)果

4 結(jié)論

通過對集裝箱制造過程進(jìn)行分析,初步構(gòu)建了集裝箱制造過程綠色度評價體系,利用問卷調(diào)查的方法優(yōu)化了指標(biāo)體系,在MATLAB上建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的集裝箱制造過程評價模型,以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)對其進(jìn)行了訓(xùn)練,并對評價模型的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,最后將模型應(yīng)用于某集裝箱廠的制造過程進(jìn)行綠色度評價,其評價結(jié)果為淺綠色,從而驗(yàn)證了該評價方法的可行性。該方法克服了其他一些評價方法的模糊性和主觀性,具有一定的科學(xué)性、客觀性和準(zhǔn)確性。