基于绿色制造的产品多生命周期工程

作者：陈庄 刘飞 陈晓慧

欢迎访问e展厅 展厅 8 CAD硬件/先进制造技术展厅 图形工作站, 绘图仪/大幅面打印机, 3D控制器/3D鼠标, ... 环境、资源、人口是当今人类社会面临的三大问题，尤其是环境和资源问题，不仅是确保经济社会可持续发展的基本条件，而且直接涉及到人类的生存质量，因此保护生态环境，节约资源、合理使用资源是保证人类社会持续发展的长期战略。 制造业是国民经济的支柱产业，它既是消耗资源的大户，同时也是产生环境污染的源头产业。为了适应人类社会可持续发展的要求，如何最大限度地利用资源和最低限度地产生废弃物，已成为政府、制造企业界和学术界最关心的问题。于是，一种集资源优化利用与环境保护治理于一体化研究的新的制造模式——绿色制造(GreenManufacturing,GM)由此提出，且迅速地在全球范围内(特别是一些发达国家)开展了研究［1］。 GM的研究领域主要包括3项内容和2个层次的全过程控制［2］。3项内容是指绿色资源、绿色生产过程、绿色产品，这3项内容涉及的领域是环境、资源优化和产品制造。2个层次的全过程控制：一是指具体的制造过程即物料转化过程控制、充分利用资源、减少环境污染、实现具体绿色制造过程控制；二是指在产品设计、制造、装配、包装、运输、使用以及报废后回收处理整个产品生命周期中每个环节均充分考虑资源和环境问题，以实现最大限度地优化利用资源和减少环境污染。 为了满足经济社会可持续发展的要求，利用绿色制造的理论技术来研究“产品可持续发展战略”已势在必行，而产品多生命周期工程(PMLE)则是“产品可持续发展战略”的重要组成部分。 1产品多生命周期工程的概念、体系结构及特征模型 1.1产品多生命周期工程概念 产品多生命周期工程的提出和研究历史很短，其概念和内涵尚处于探索阶段，至今仍无统一公认的定义。综合国内外学者的观点可作以下理解： (1)关于“产品多生命周期”的理解产品生命周期是指本代产品从设计、制造、装配、包装、运输、使用到报废为止所经历的全部时间。而产品多生命周期则不仅包括本代产品生命周期的全部时间，而且还包括本代产品报废或停止使用后，产品或其有关零部件在换代——下一代、再下一代、……、多代——产品中的循环使用和循环利用的时间(以下统称为回用时间)。 (2)关于“产品多生命周期工程”的理解产品多生命周期工程是指从产品多生命周期的时间范围来综合考虑环境影响与资源综合利用问题和产品寿命问题的有关理论和工程技术的总称，其目标是在产品多生命周期时间范围内，使产品回用时间最长，对环境的负影响最小，资源综合利用率最高。 由于科学技术的迅猛发展，产品生命周期将越来越短，因此为了实现产品多生命周期工程的目标，必须在综合考虑环境和资源效率问题的前提下，高质量地延长产品或其零部件的回用次数和回用率，以延长产品的回用时间。 1.2产品多生命周期工程的体系结构 绿色制造的理论和技术是产品多生命周期工程的理论和技术基础，而产品或其零部件回用处理技术和废弃物再资源化技术则是关键技术。 1.3产品多生命周期工程的特征模型 产品多生命周期工程的特征模型可视为一多目标规划模型，其目标函数有3个，即在产品多生命周期范围内，产品的回用时间(ft）最长，资源综合利用率(fr)最高，环境负影响(fe)最小。其约束条件主要有5个，即产品的功能(F)、交货期(T)、质量(Q)、成本(C)、服务(S)达到相应的指标值。 2涉及的主要技术内容及研究现状 2.1产品多生命周期的经济与控制策略 产品多生命周期的经济与控制策略研究包括产品多生命周期的成本分析；产品多生命周期的监测系统、信息系统和控制系统的开发研制；可持续工业生产的新型企业的生产、经营、管理集成制造模式研究等。 近年来对产品多生命周期的经济与控制策略的研究已取得了一定的成果［3～5］，但这些研究大都局限在本代产品生命周期时间范围内。如文献［3］提出了制造企业解决资源与环境问题的2个方向，即实施环境管理系统(EMS)和产品服务规划(PSS)。EMS要求制造企业应完全认识到其制造行为所产生的环境后果(包括制造的产品本身及其制造场所)，关心环境应成为企业总经理及其所有员工工作内容的重要组成部分；PSS则是在整个产品生命周期范围内分析并改善资源利用率和履行环境的能力。文献［4］研究了产品生命周期中制造过程阶段的信息系统开发问题，探讨了该阶段信息系统的关系数据库概要设计、库结构体系及设计开发中的有关问题。文献［5］则给出了制造企业面向产品生命周期设计的“7E”战略，即与生态友好竞争(Ecology),保护环境(Environment)，减少能耗和开发清洁能源(Energy),提高资源效率和生产经济产品(Ecolomy),拥有高度责任感和充满活力的员工(Empowering),鼓励进取、摒弃无知和偏见(Education)，在生态竞争中保持优势(Excellence)。 2.2产品多生命周期的工艺和生产技术 该研究内容涉及面甚广，包括产品设计、制造、装配、包装、运输、使用、报废回收、拆卸以及回用处理整个产品多生命周期中每个环节的所有工艺和生产技术。目前在该内容上的研究仅局限于理论和实验阶段［6～7］。如文献［6］分别对真空吸尘器上使用的2种相互可替代的吸管——聚氯乙烯(PVC)吸管和钢制吸管，在其产品多生命周期中(特别是制造过程)的物能资源消耗和对环境负影响状况开展了实验研究。结果表明，PVC吸管的物能资源消耗量和对环境负影响程度明显低于钢制吸管。文献［7］则探讨了面向环境的产品拆卸设计技术问题。 2.3产品多生命周期的环境技术 产品多生命周期的环境技术(或清洁化技术)，是实现环境负影响最小这个目标的关键技术。随着人们对环境意识的加强，对环境技术的研究也显得十分活跃［8］，但是现有研究基本局限于某个特殊生产工艺或产品多生命周期的某一阶段，尚缺乏系统的成套的环境技术。如文献［8］研究了用超低温液体(如液氮等)作切削液来对某些特殊材料(如钛合金钢)进行切削加工的低温加工方法，该方法可显著减小环境污染且有较高的加工性能价格比。 2.4产品多生命周期的资源技术 关于产品多生命周期工程的资源技术的研究近年来越来越受到国际上的重视，研究非常活跃，但现有研究大都集中在原材料优化下料、制造过程优化控制、制造设备优化调度等某些单项技术上，未能从系统的角度，从整个产品多生命周期整体和全局角度来研究资源技术及其成套技术。 3产品多生命周期工程的实施战略途径 3.1加强环境和资源的法制法规建设 加强环境和资源的法制法规建设是实施产品多生命周期工程的根本保障。实施产品多生命周期工程本身是一种企业行为，但要使企业真正将其作为自觉的企业行为，政府必须先行一步，因此它也是一种政府行为。而政府行为的具体体现就是要建立、健全环境和资源的法制法规。关于环境和资源问题的法制法规建设，在一些发达国家已引起足够重视［1］，如日本1991年出台了《废弃物回收法》，德国1991年出台了《包装材料处理法》,而美国及其各州均有众多的环境和资源的法制法规，且其数量以每年3%～5%的速率增加。我国近年来也十分重视环境和资源的法制法规建设，如1997年11月出台了《节约能源法》，目前正在起草《资源综合利用法》。总之，环境和资源法制法规的建立和健全将有力地保证产品多生命周期工程的顺利实施。 3.2深入研究绿色制造的理论、技术和绿色设计的并行工程模式 绿色制造的理论、技术主要涉及5个方面，简称“五绿”问题：绿色设计、绿色材料、绿色工艺、绿色包装、绿色处理，其中绿色设计是关键。绿色设计又称为面向环境的设计(Design for Environment,DFE)，主要包括6方面内容：①面向环境的产品结构设计；②面向环境的产品材料选择；③面向环境的制造环境设计(或重组)；④面向环境的工艺设计；⑤面向环境的包装方案设计；⑥面向环境的回收处理设计。 绿色设计的并行工程模式，又称并行式绿色制造系统设计(或并行式绿色设计模式)，是并行工程在绿色制造中的具体应用，它综合考虑了绿色设计的设计内容广泛性(包括上述6方面内容)、设计目标复杂性(包括环境、资源、功能、成本等)、设计人员多样性(如环境工程师要参与设计)等众多因素。但要系统实施并行式绿色设计模式，许多问题(如支撑环境、team work集成模式等)有待作进一步深入研究。 3.3大力开发面向环境的资源优化利用技术 在制造系统中，最大限度地利用资源和最低限度地产生废弃物，是全球性环境治本的根本措施。因此大力开发面向环境的资源优化利用技术是实施产品多生命周期工程的主要途径。这些技术包括废弃物再资源化技术(如废弃物降解、再生、加压、碎裂、浮选等技术)、产品零部件循环使用技术(如重用、整修等技术)和循环利用技术(如有关物理处理技术和化学处理技术)、制造系统优化技术、制造过程物料优化控制技术、制造设备优化利用技术等，尤其是前2项资源优化利用技术是实施产品多生命周期工程的关键技术。 3.4研制产品多生命周期工程评估系统 实施产品多生命周期工程是一个极其复杂的系统工程，产品多生命周期过程中，资源消耗繁多，消耗情况复杂，且对环境的影响状况也多种多样。如何测算和评估这些状态，如何评估产品多生命周期工程实施状况和程度，至今仍无系统的、统一的方法和指标体系。因此，要推广实施产品多生命周期工程，急需研制产品多生命周期工程评估系统，包括评价指标、评估内容和评价方法等。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/28/2006)