基于拆卸树模型的定制产品绿色设计支持系统

引言
   
    大规模定制是以大规模生产的低成本和高效率提供满足客户需求的、定制的个性化产品，现已成为一种适应全球化市场竞争和更好地满足消费者多样化需求的生产模式。但是，随着环境意识的不断增强，消费者不仅关注产品的基本属性(功能、质量、成本、个性特征)，还特别关注产品的环境属性，如产品的有毒有害物质的含量、对环境的影响程度等。这就要求企业在提供个性化产品的同时，提供相关的环境属性信息。同时，一系列环保法律、法规和标准的发布与实施，也要求企业综合考虑产品在整个生命周期中的环境影响和资源消耗。在设计阶段就系统地考虑产品在整个生命周期过程中所产生的环境影响，这就是绿色设计，也称面向环境设计、环境意识设计等，其目标是减小产品对生态环境造成的负面影响。而在整个产品生命周期中，产品报废后对环境的负面影响最大。因此，在产品设计阶段就考虑对产品的回收处理和再制造非常重要。
   
    近年来，对产品绿色设计和产品定制的相关研究非常活跃。文献[4]提出了一种面向可重用的产品设计模型，并阐述了其设计过程。文献[5]基于全生命周期的思想，对如何在产品开发过程中集成环境因素进行了细致地分析。文献[6]对产品概念设计阶段产品方案的评价和决策问题进行了研究，并提出了一种选择方法。文献[7]讨论了在产品设计阶段考虑产品环境属性的重要性，在对40家瑞典公司产品研发和设计部门进行调查的基础上，详细讨论了绿色设计的障碍性因素，并提出了几种开展绿色设计的方案。文献[8]对绿色设计的概念和设计策略等进行了系统分析，并提出了几种绿色设计的系统方法。文献[9]采用环境生态指数方法，对家用电器产品(咖啡机)进行了绿色设计研究。文献[10]就绿色设计中的材料选择问题，提出了几种选择方法。文献[11]提出了一种面向绿色制造与大规模定制的一般生产模式，通过案例分析，验证了绿色制造与大规模定制生产方式相结合，可以使企业的经济效益和社会效益得到协调优化。文献[12]提出了大规模定制模式下的绿色产品信息模型。

    纵观国内外的研究，虽然取得了不少成果，但多数是在大规模生产环境下，从不同的层次和角度对产品环境属性进行分析。然而，在定制生产环境下，由于客户提出的需求一般是产品总体性能或特色，使得产品的设计方案往往不惟一。如果对每一种定制产品的产品方案都进行系统地全生命周期分析，显然是不可行的。当产品已经定制完毕、而这些产品在设计时又没有考虑对环境的不良影响时，产品回收后如何易于拆卸处理和再制造就显得尤为重要。因此，有必要在设计定制产品时就考虑到产品报废后的可拆卸和易于回收性，并提高和改善产品的环境属性。针对上述问题，本文对定制产品设计方案中集成环境影响和易拆卸性等因素的方法进行了研究，设计并开发了一种基于拆卸树模型的、用于在定制产品的设计阶段可提高和改善产品可拆卸性和环境属性的绿色设计支持系统。

1 拆卸树模型
   
    在满足客户定制需求的条件下，可选的产品方案往往有多种。不同产品方案的部件构成、加工工艺等都不一样。为了提高产品报废后的易拆卸性，并对所有可行产品方案环境属性进行对比分析、评价和决策，得出最优产品方案，使得所定制的产品的绿色性能较优，需要构建一个包含产品构成、工艺流程、资源消耗和环境影响等信息的产品模型。为了达到产品回收后易于拆卸的目的，本文提出一种产品拆卸树模型，对定制产品方案的环境影响和资源消耗属性进行分析和评价。

    1.1 模型的描述

    拆卸树模型是一种包含构成部件和加工工艺过程的产品模型。构成产品的部件主要从部件组合结构和易回收处理两个方面进行划分，以提高和改善产品的易回收处理性。过程是指对部件或模块的一系列处理过程。如图1所示，产品Pt由A1，C1，D1，D2组成，其组合过程为p1，其中A是与模块，表示它由其他模块和部件构成；D是或模块，表示它由多个可选部件构成。A1由D3，C2，D4组合而成。对于D1，D2，D3，D4分别有多种构成部件可供选择，如构成D1的部件可以是C8或C9。根据各部件的不同功能和特点，分别用互斥、共存、无关表示各部件间的关系，其数学表达分别为。互斥表示某几个部件不可同时选择(如焊接部件与栓接部件)，共存表示某几个部件必须同时选择(如螺母、螺杆等)，无关表示这些部件在选择上无关联(图1中表示为部件间无连线)。图1中，C3和C6为共存关系，表示为C3 ∨ C6；C8和C10为互斥关系，表示为即如果选择C3，则C6必选；如果选择C6，则一定不能选择C1O。p代表过程，于是，如果选择C6，则一定要经过两个过程p3和p4。产品的环境属性可以通过产品构成部件的资源消耗量和环境影响值进行评价，但在过程中也会对环境产生影响，为了简化计算，可以把过程的环境影响值累加到部件上。因此，C5的总环境影响值为

    为了方便表达，式(1)也可以表示为

    式中k是因为过程的加入而对C5环境影响值产生的加权系数，可由式(1)得到。基于上面的描述，图1中，产品Pt可以表示为：

    式中：向量P是所有产品方案的集合，表示为P=；A是nXn矩阵，它的每一行表示的是某一种产品方案中所有构成部件的数量；向量K是过程对部件环境影响值产生的加权系数的集合，表示为；向量C是产品方案中所有构成部件(Ci)的集合，而Ci则代表根据产品易拆卸处理标准组成的产品最小单位，表示为

图1 拆卸树模型

    1.2 环境影响评价因子及其计算方法
   
    为了选取产品构成部件生成产品方案，并对产品方案的环境属性进行分析，需要建立一系列环境影响评价因子，并确定其计算方法。参考文献[14]和文献[15]，本文从产品的资源消耗和环境影响两方面来考察产品的环境属性。其中，资源消耗主要考虑原材料(r1)、能源(r2)和辅助材料(r3)三个方面，度量单位为“元/单位产品”；环境影响主要考虑有毒有害物质量(e1)、固体废弃物量(e2)、废液量(e3)、废气量(e4)四个方面，度量单位为“g/单位产品”。

    (1)有关定义

    为了方便计算，现定义如下：
   
    1)产品寿命即产品设计寿命。

    2)产品功能量为产品的一般功能和特殊功能的数量。

    3)重用资源价值指从报废产品中回收再处理后，重新用于产品生产的部件及材料的价值。

    4)可重用资源价值指从报废产品中回收后，只能用作其他用途而不能重新用于产品生产的资源的价值。

    5)所计算的环境影响值和资源消耗量针对的是产品构成部件及生产过程，而产品的绿色使用性能也是产品的环境属性，考虑到使用性能的绿色性不便于定量分析，其绿色使用性能的度量方法由专家对产品在使用时的不同环境影响进行打分和评价，以供客户和设计人员参考。

    (2)环境影响值和资源消耗量的计算根据式(3)，可得：

    式中：i表示部件的序号；ai表示产品方案中第i号部件的个数；ki与式(2)中的k含义相同，表示因为过程的加入而对第i号部件环境影响值产生的加权系数；ej表示第j个环境影响方面的值；rj表示第j个资源消耗方面的值。

    (3)影响率的计算

    (4)评价因子的计算

于是其需求约束可表示为g_μ1(X)=0.98-μ(x) ≦0求解可得x约等于17a，于是在选取部件时，其寿命应在17a以上。同时，根据其他约束及拆卸树模型中的部件关系，采用最短路径算法，选取所有构成部件和过程，生成产品方案，并由设计人员对方案可行性进行判断，生成可行方案。根据实验数据，系统产生的产品方案列表及产品部件构成如图4所示。

图4 产品方案列表及产品部件构成

    对室内推拉门而言，影响其环境属性和拆卸性的主要因素是门的结构和部件，或模块组合的工艺过程。结构的不同导致产品方案在构成部件、部件的材质及工艺上有较大差别，因此选取其中三种典型结构方案(如图5)进行资源消耗和环境影响分析。其评价因子及数值如表2所示。

图5 产品方案

表2 产品方案的资源消耗和环境影响发析

    (2)方案分析和选择

    利用模糊层次法对这几种方案进行分析和选择(具体方法参见文献[17])，包括：①建立层次结构图；②确定权重比向量和模糊判断矩阵；③计算候选方案的综合评价向量；④层次总排序。

    得到各方案的评价值为0.849，0.786，0.8131。因此方案1的环境属性较优。

    (3)环境影响率和资源消耗率计算
   
    系统根据式(6)和式(7)计算方案1的环境影响率和资源消耗率，并根据式(8)和式(9)计算方案1的环境影响评价因子和资源消耗评价因子。

    (4)确定产品定制方案

    设计人员与客户根据系统提供的各产品方案的资源消耗和环境影响数据进行沟通和交互，进一步明确产品定制方案，得到既符合客户需求又具有较优环境属性和易拆卸性的产品方案。

4 结束语

    本文提出了一种面向产品回收拆卸处理的拆卸树模型，并设计了一种基于该模型的、针对定制产品的绿色设计支持系统。该系统在产品模型库和BOM数据库的支持下，依据产品拆卸树模型，生成易于拆卸和回收的产品方案。通过对产品方案中各构成部件和工艺过程进行环境影响和资源消耗分析与评价，可帮助设计人员改善产品的环境属性和易拆卸性。最后，以推拉门定制方案的环境影响和资源消耗属性的测试为例，验证了该系统的可行性。

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