绿色制造的决策框架模型及其应用 - 文章

绿色制造的决策框架模型及其应用

作者：重庆大学刘飞张华陈晓慧

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摘要分析了绿色制造过程中决策问题的决策目标，提出了包含T(时间)、Q(质量)、C(成本)、E(环境影响)和R(资源消耗)等5大决策目标变量的决策目标体系，并由此建立了绿色制造的决策框架模型，最后用一个制造过程中的决策问题实例，说明了绿色制造的决策框架模型的应用。
叙词：绿色制造决策模型资源环境

0 前言

制造业是将可用资源(包括能源)通过制造过程，转化为可供人们使用和利用的工业品或生活消费品的产业。制造业在将制造资源转变为产品的制造过程中及产品的使用和处理过程中，同时产生废弃物(废弃物是制造资源中未被利用的部分，所以也称废弃资源)。废弃物是制造业环境污染的主要根源。由于制造业量大面广，因而对环境的总体影响很大。可以说，制造业一方面是创造人类财富的支柱产业，但同时又是当前环境污染的主要源头。

有鉴于此，如何使制造业尽可能少地产生环境污染是当前环境问题研究的一个重要方面。于是一个新的概念—绿色制造由此产生。综合现有文献的观点和作者们所作的研究绿色制造可被定义如下：绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响(负作用)最小，资源效率最高。

该定义体现出一个基本观点，即制造系统中导致环境污染的根本原因是资源消耗和废弃物的产生，因而本绿色制造的定义中体现了资源和环境两者不可分割的关系。

绿色制造(Green manufacturing)，又称环境意识制造(Environmentally conscious manufa c-turing)和面向环境的制造(MFE)等。近年来的研究非常活跃。如：1996年，美国制造工程师学会(SME)发表了关于绿色制造的兰皮书《Green manufacturing》，提出绿色制造的概念，并对其内涵和作用等进行了较系统的介绍；1998年SME又在国际互联网上发表了“绿色制造的发展趋势”的网上主题报告。美国机械工程师学会也在网上公布了不少研究论文。美国Berkeley加州大学不仅设立了关于环境意识设计和制造的研究机构，而且还在国际互联网上建立了可系统查询的绿色制造专门网页(http://Greenmfg.me.berkeley.edu)。美国麻省理工学院也在这方面开展了不少研究，国际生产工程学会CIRP近几年均有不少论文对环境意识制造和多生命周期工程等与绿色制造本质一致的问题进行了研究，美国AT＆T和许多企业以企业行为投入大量研究。还有其他许多文献，也分别对绿色制造及相关问题作了初步的研究和探索。特别是近年来，国际标准化组织ISO提出了关于环境管理的14000系列标准，如14001、14040后，推动着绿色制造的研究更加活跃。可以不夸张地说，绿色制造研究的强大绿色浪潮，正在全球兴起。

国内在这方面也进行了一些研究。如本文作者们从80年代初以来已对与绿色制造直接相关的制造系统中的资源问题和能源问题进行了长期研究，近年来又直接对绿色制造进行了一定研究。

绿色制造的研究虽然已在国内外特别是国际上迅速开展，但是由于“绿色制造”本身提出和研究历史较短，现有的研究大多停留在概念研究、认识研究和一般面上谈观点和方法的阶段，许多问题还有待于深入。特别是要实施绿色制造，必须面临着一系列决策问题，如何提高决策的科学性和可靠性，是一个十分复杂但又很有研究意义的问题。本文就是对此问题作出的初步探索。

1 绿色制造的决策目标框架

无论绿色制造还是传统制造均存在着大量复杂的决策问题。

对一个问题的决策往往由问题的分析、决策模型的建立、决策分析、综合评价和决策等步骤组成，在这复杂的过程中，正确适用的决策模型的建立和在此基础上决策分析的成功，是实现正确决策的关键，也是解决提高决策可靠性的一个重要途径。

要建立制造过程的决策模型，首先需要确定决策目标，即决策活动所追求的目标。对传统制造，人们追求的目标变量主要可归类为3个：时间T，质量Q和成本C。其中时间T包括两方面涵义：一是指产品开发周期；二是指生产率。质量Q包括产品质量、过程质量、服务质量和工作质量，这是广义质量内容；通常所说的质量主要指产品质量，它又包括产品性能、使用寿命、可靠性、安全性和经济性等。成本C包括材料成本、设施和设备成本、劳动力成本、能源成本、维护和培训成本和其他杂项成本等。

对绿色制造，显然只考虑上述3个目标变量是不够的，而应该把环境影响和资源消耗作为重要因素加以考虑。为此，绿色制造的决策目标变量一共有5个，如图1所示。

图1绿色制造的决策目标变量体系
E—环境影响R—资源消耗

图1中各目标变量旁边的箭头表示追求的目标变量的变化方向，即时间T希望越小越好，质量Q希望越高越好，成本C希望越低越好，环境影响希望越小越好，资源消耗希望越少越好。

环境影响E主要包括以下几个方面。

(1)生态环境影响：制造系统和产品在整个生命周期中可能对生态环境造成的影响，如制造过程中产生的废气、废液、废物等对环境的影响，产品寿命结束后的处置对环境的影响等。
(2)职业健康影响：制造系统在其运行过程中可能对劳动者职业健康造成的损害。
(3)不安全性：制造系统及其产品在运行或使用过程中因各种原因产生的不安全性。
资源消耗R主要包括以下几个方面。
(1)资源种类：可再生资源还是不可再生资源，稀有资源还是丰富的资源等。
(2)资源特性：重点是可加工特性、可利用特性和对环境的影响特性等。
(3)资源消耗状况：消耗量、利用率和损耗率等。

以上5个决策目标之间存在着密切的联系，它们共同构成了绿色制造系统决策目标系统。绿色制造中的任何一个决策问题都与上述5个决策目标变量中的某些或全部有关。

2绿色制造的决策框架模型

2.1决策目标矢量的构成

对前面所说的绿色制造的任一决策目标，一般情况下均包括复杂的组成部分，如环境问题包括固体废弃物污染、噪声污染、废液污染和废气污染等。因此可将以上各目标变量T，Q，C，E，R可看成是由各组成部分组成的矢量，如E可看成由e个组成部分组成，

E=(E1，E2，…，Ee)

2.2决策问题矢量的构成

一个决策问题可看作由若干类决策变量组成，每类决策变量可看作一个决策矢量；每一个决策矢量又包含若干个决策变量，构成了各决策矢量中的元素；于是整个决策问题的决策变量可用如下决策矢量组描述

2.3技术经济模型的构成

制造中的决策问题的决策变量大多是与技术有关的，而绿色制造中的决策目标T，Q，C，E，R主要是经济学问题和社会学问题。本文将联系决策变量和决策目标之间的模型称为技术经济模型，即

T=T(X，Y，…)
Q=Q(X，Y，…)
C=C(X，Y，…)
E=E(X，Y，…)
R=R(X，Y，…)

技术经济模型体现了决策变量到决策目标的映射关系，如图2所示。

图2决策变量到决策目标的映射示意图

2.4绿色制造的决策框架模型

综前所述，可建立绿色制造的决策框架模型如下。

3应用举例

某机床厂生产的压力机床的床身原是由铸铁构成，因铸铁床身无论翻砂铸造还是在机械加工过程中，粉尘污染较大，该工厂曾希望采用钢板焊接床身代替铸铁床身，并要求作者们对此帮助作出决策。

机床床身采用铸件还是采用钢板焊件，是一个较普遍的决策问题，传统的决策仅从成本C，加工周期T和质量Q等几方面考虑多，而从资源和环境两方面考虑很少，现在从绿色制造的角度对此问题作出系统决策。

3.1确定决策变量

用X=(X1，X2)来描述此决策问题，其中X1代表铸件床身，X2代表钢板焊接床身。于是有：当X=(1，0)时，即采用铸件床身(X1=1)，而不采用钢板焊接床身(X2=0)；当X=(0，1)时，即不采用铸件床身(X1=0)，而采用钢板焊接床身(X2=1)；其中X1+X2=1。

3.2确定目标变量及其构成

(1)时间T
这里的时间T应指每一个压力机床身从原材料购进后到完成全部加工后(可用于装配)的平均制造周期。它主要包括：T1—床身毛坯制作时间，对铸件床身，还应包括分摊的型模制作和翻砂造型等时间，铸件时效时间等；T2—机械加工时间，它决定于加工工艺方式、工艺路线、原材料加工难易程度；T3—热处理时间；T4—其他时间。
(2)质量Q
质量Q包括的内容很广。其中与本决策问题直接相关的问题主要有：床身的结构质量和加工质量。
(3)成本C
成本C包括的内容也很广。其中与本决策问题直接相关的问题主要有：C1—床身原材料成本；C2—制造加工成本；C3—能源消耗成本。
(4)环境影响E
环境影响E是个非常复杂的问题。其中与本决策问题直接相关的环境影响问题包括：E1—粉尘污染；E2—废气污染；E3—冷却液污染；E4—噪声污染。
(5)资源消耗R
与本决策问题直接相关的资源消耗主要构成是：R1—原材料消耗，包括种类、总量和利用率等；R2—能源消耗，包括种类、总量和利用率等；R3—辅助资源：如刀具、冷却液和电焊条等。

3.3技术经济模型及其分析

3.3.1时间模型及其分析

这里的时间T恰好是各段时间之和，因而成为标量

对铸铁床身方案

对钢板床身方案

由于Ti(1，0)和Ti(0，1)(i=1,2,3,4)均可定量求出，因而Tc和Ts可比较准确地量化。根据该厂实际情况有

3.3.2质量模型及其分析

Q=Q(x1,x2)

Q(x1,x2)难以量化，但可从结构质量和加工质量综合定性分析得知，采用钢板焊接床身和铸造床身，产品质量大致相当，即

3.3.3成本模型及其分析

这里成本C也可看成标量C。

由于钢材价格高于铸铁，钢板加工比较困难，因而刀具消耗大等多方面因素，通过综合分析，在产量有一定规模时

3.3.4环境影响

E=E(x1,x2)=(E1,E2,E3,E4)=
(E1(x1,x2),E2(x1,x2),E3(x1,x2),
E4(x1,x2))

E难以量化，但可定性分析得知，铸造床身的粉尘污染，废气排放均远大于钢板焊接床身，冷却液水雾污染小于钢板床身，噪声污染综合全过程考虑高于钢板床身，即

E1(1,0)》E1(0,1)E2(1,0)》E2(0,1)
E3(1,0)＜E3(0,1)E4(1,0)＞E4(0,1)

综合上述结果，仍有

3.3.5资源消耗

R=R(x1,x2)=(R1，R2)=(R1(x1,x2)，R2(x1,x2))

R也很难以量化，但可定性分析得知，铸造床身因铸造强度相对低，因而机身材料总量相对要多，同时铸造过程要消耗掉较多的不可再生资源(煤或天然气等)，因而总体上分析得

Rc=R(1,0)＞Rs=R(0,1)(5)

3.4多目标优化和决策

因本决策问题的决策变量只有两种选择(1，0)和(0，1)，因而最优化方案只需要在以下两种方案中选择一种即可

上述多目标优化问题，完全采用定量求解很困难，本文推荐采用定性与定量相结合的层次分析法求解。
首先建立如图3所示的模型。

图3多目标优化决策模型

然后应用层次分析法提供的程序和方法，包括构造判断矩阵，进行层次单排序和层次总排序(具体过程限于篇幅从略)，最后得：

方案B优于方案A。

最后该厂采用方案B，即采用钢板焊接床身。并因此而取得了较显著的综合效益(经济效益和社会效益)。实践证明，这种绿色制造决策模型的应用是成功的。

4结论

当前人类社会面临着十分严峻的环境问题和资源问题，绿色制造是制造业中综合考虑这两大问题的现代制造模式。要实施绿色制造，必然面临一系列决策问题。绿色制造中的决策问题应综合考虑时间T、质量Q、成本C、环境影响E和资源消耗R等5大决策目标问题。决策问题中的决策变量和5大决策目标之间的映射可用技术经济模型来实现。根据绿色制造中决策目标变量的构成，决策问题变量的分类及组成和技术经济模型的构成，本文建立了一种绿色制造的决策框架模型。一个制造过程中的决策问题实例，说明了本文所建立的决策框架模型的成功应用过程。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/25/2005)


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