制造企业绿色生产过程实施体系

制造企业绿色生产过程实施体系吴小珍;张华【摘要】现有的绿色制造理论在我国制造企业的生产过程中难以实施，缺乏能够应用于生产车间的切实可行的绿色制造实施体系.为此，在对制造企业生产过程绿色特性研究的基础上，构建了一种面向绿色制造的车间生产过程实施体系,包括绿色生产过程的技术基础、研究内容、软件支撑和目标;对资源环境数据中的模糊数据采用模糊实体-关系方法建模，实现了绿色生产过程数据库系统的模糊化设计，在一定程度上解决了生产过程中具有不确定性的资源环境数据在数据库中的管理问题;并基于产品数据管理提出了一种车间级绿色制造的信息集成模式，为相关软件工具的开发奠定了基础.【期刊名称】《计算机集成制造系统》【年(卷)，期】2010(016)001【总页数】6页(P70-75)【关键词】绿色制造;生产过程;实施体系;模糊数据库;制造企业【作者】吴小珍涨华【作者单位】武汉科技大学，汽车与交通工程学院，湖北，武汉,430081;武汉科技大学,汽车与交通工程学院，湖北，武汉,430081【正文语种】中文【中图分类】TH1860引言绿色制造被定义为一种综合考虑环境影响和资源效率的现代制造方式，其目标是使产品在从设计、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，并使企业经济效益和社会效益协调优化［1］。长期以来，制造企业在生产过程中消耗了大量的能量和物料资源，同时产生了大量的废弃物以及生产车间粉尘、油烟、水雾、噪声等，对自然环境和人体健康都造成了严重的危害［2］。随着绿色制造及其相关问题研究的日益深入，面向绿色制造的生产过程（即绿色生产过程）的研究引起了人们的高度重视。车间生产作为制造企业资源消耗和环境影响的核心环节，其过程的绿色化技术研究成为了绿色制造领域的研究热点和技术前沿，并取得了一定的成果。但是仍然有许多问题亟待更深入的研究，如目前针对各自的生产过程特点进行的绿色化研究，所采用的方法不具备通用性，所获得的资源环境数据具有地域性;不能对车间生产过程中的资源环境数据进行有效管理;缺乏规范化、实用性强、能对制造企业现场生产过程进行绿色性指导和评价的完整的绿色制造方案;特别是我国制造企业长期以来采用粗放式生产方式，生产过程中资源消耗种类多且不确定,环境排放分散而不易监测,各种信息之间关系复杂，单纯照搬国外的绿色化模式显然是行不通的,必须建立起适合我国国情的、能够在我国制造企业实际生产中直接应用的绿色生产实施体系。本文立足于我国国情，针对我国制造企业生产过程中的资源消耗和环境排放特点，研究了车间生产过程的绿色特性;提出的制造企业绿色生产过程实施体系将环境因素纳入整个企业生产的核心功能，为我国制造业实现车间生产过程的绿色化提供了一种解决方案。1制造企业生产过程的绿色特性研究制造企业的生产过程是一个复杂的物质转化的输入输出系统（如图1）,输入的是生产资源，输出的其中一部分转化为产品,另一部分转化为废物，排入环境。生产过程中输入的生产资源可以分为狭义生产资源（物能资源）和广义生产资源两种。其中广义生产资源不仅包括物能资源，还包括资金、技术、信息、人力等资源。与人类可持续发展战略有着直接关系的资源是物能资源，如图2所示。本文所讨论的资源特指物能资源。生产过程中输出的环境排放包括废气污染排放、废液污染排放、固体废弃物的污染排放和物理性污染排放。其中废气排放包括有毒气体、粉尘、烟尘、窒息性气体、燃煤废气、燃油废气等;废水排放包括含铬污水、含油污水、含氰污水、含重金属污水、含尘污水、酸碱污水等;废渣排放包括有毒废渣和其他废渣两大类，有毒废渣又包括氰化电镀产生的氰渣、电解加工产生的铬渣等，其他各种废渣有含油切屑、电石渣、废型砂等;生产过程中还产生许多物理性污染排放,如振动、激光、弧光、噪声、高温、热辐射、电磁辐射和电离辐射等。2制造企业绿色生产过程的实施体系研究基于上述对制造企业生产过程绿色特性的分析，本文构建了制造企业绿色生产过程实施体系，如图3所示。该体系结构是绿色生产过程的内容、目标和过程的集合，能给人们研究和实施绿色生产过程提供多方位的视图和模型。其中的目标和技术基础已经十分明确，下面重点介绍研究内容和软件支撑两部分。2.1绿色生产过程实施体系的研究内容绿色生产过程的实施体系包括实施的方法、实施的管理以及对实施效果的评估等研究内容，分别由生产过程绿色规划模块、绿色过程控制模块和生产过程环境影响评估模块组成。生产过程的绿色规划是以系统的观点将可持续发展思想和预防为主、治理为辅的〃全面预防污染”思想有机地融入产品的物料转化过程中,在生产进行前，对生产过程中的物能资源、工艺路线等进行规划,从资源消耗和环境污染的源头对整个生产过程进行绿色性指导，在提高生产过程的生产效率T(time)、节约劳动力成本C(cost)、保证生产质量Q(quality)的同时,使其对资源的利用率R(resourceconsumption)最高，对环境造成的影响E(environmentalimpact)最小，达到系统指标T,Q,C,E,R整体最优;所采用的理论方法包括先进制造系统的建模理论、绿色制造理论及方法、优化决策与评价理论等;规划的对象是生产过程中的各种工艺过程如毛坯制造、机械加工、热处理及装配等。绿色过程的控制与管理是基于绿色制造的理论及方法,把过程控制的理论与技术应用于车间生产过程，对生产过程中的信息流和物料流进行有效管理，实时监控生产过程各环节的资源消耗量和各种环境排放的情况,以达到减少资源消耗和环境排放的目的;并且特别强调对循环过程(如切削液的循环使用系统)的监控以及对废弃物处置过程的数据收集，这些数据将是环境影响评估的重要数据基础。生产过程的环境影响评估是在生产结束后通过对生产过程绿色性的评定找出生产过程中不够绿色的环节，从而为改进提供依据。环境影响评估的方法主要有:环境影响评估(EnvironmentalImpactAssessment,EIA)、生态风险评估(EcologicalRiskAssessment,ERA)、物质流分析(MaterialFlowA-nalysis,MFA)、单位产出物料密度伽aterialsIntensityPerUnitofService,MIPS)、成本效益分析(CostBenefitAnalysis,CBA)和生命周期评价(LifeCycleAssessment,LCA)等。目前国际上最为流行的LCA对人类所从事活动全过程的资源消耗和造成的环境影响能彻底、全面、综合地进行评价,也被广泛地应用于生产过程的环境友好性评估中。其他可用于评估生产过程环境影响的方法有澳大利亚悉尼大学ManfredLenzen等[3]采用的投入一产出分析方法、新加坡南洋技术大学S.H.Yeo和K.G.Neo[4]在分析焊接过程的环境污染问题中提出的健康一危害评分系统等。2.2绿色生产过程的软件支撑绿色生产过程资源环境数据库的建立和相关软件工具的开发,将有效支持车间级绿色制造的实施。2.2.1基于模糊实体一关系的生产过程资源环境数据库绿色生产过程的资源环境数据库采用Microsoft公司的SQLServer关系数据库系统。数据库中包含绿色生产过程涉及的物料、能源的消耗量和污染排放量等与环境相关的信息,也包括原材料、生产设备、生产工艺等的绿色属性数据。随着生产过程的进行，环境信息如各种形态的污染物排放,原材料、电能、切削液等的资源消耗都在不断地变化,对这些环境数据进行实时监控和及时更新是数据库必须考虑的问题。同时，为更好实施绿色生产过程，数据库应该对现有的一些环境体系及法律法规文件进行管理,包括ISO14000环境管理体系、OHSAS18000职业安全卫生管理体系等。为更好地体现生产过程中各类信息的资源环境属性,笔者曾经提出生产过程资源环境数据库服务器结构，如图4所示［5］。资源环境数据普遍存在不完全、不确定的模糊特性，对这些模糊数据进行合理有效的管理，不仅是数据库系统需要解决的关键问题，也是为生产过程环境影响评估的顺利进行奠定基础。模糊数学的提出使人类可以将〃模糊”这个概念用一种不模糊的数学方法来描述，使得本来被认为模糊不清、多少有点不可琢磨的模糊对象有了得以描述和处理的可能。将模糊数学引入数据库，研究如何在数据库中表示模糊数据，以及如何进行模糊数据的运算和处理的问题，是有必要的。应用于模糊关系数据库的模糊实体-关系(Entity-Relation,ER)模型及其设计方法，正是这样一种处理模糊数据的数据库数据模型［6］。模糊ER图给模糊数据库提供了一个直观而形象的描述，为数据库处理不确定性数据奠定了基础。模糊ER的数据模型描述如下:设D表示一个论域,F(D)表示论域D上的所有模糊集构成的集合,Vi(i=12...,n)是F(D)的子集，是实体属性aei的值域。在模糊ER模型中仍然沿用实体、联系的概念来刻画数据模型的基本数据结构，其中实体被模糊化为模糊实体。模糊实体用一个三元组表示：其中:ide是模糊实体FE的名,它是实体的唯一标识，也可用来表示实体的功能或含义；照是模糊实体FE的隶属度/0<pe<1,表示实体的模糊度、存在度或可见度之类的含义;Ae是模糊实体FE的一组属性，它们取值于相应的值域，aei分别取值于Vi中的模糊集，当ae1,ae2,...,aen在值域中取不同的值时，就得到该实体的不同实例。因此，一个实体其实可以被认为是一种实体模型，它由其中的实例构成。实体用来描述各种客观事物，客观事物之间的各种联系用模糊联系来描述。模糊联系也用一个三元组表示:其中:idr是模糊联系FR的名,它是联系的唯一标识，也可用来表示联系的功能或含义;fe1和fe2分别表示模糊联系FR的起端实体集和末端实体集，它们指明在fe1和fe2之间存在该模糊联系FR,根据两实体集中实体个数的不同情况，可将联系分为一对一、一对多、多对一和多对多四种；闵是模糊联系FR的隶属度,0却r<1,表示联系的模糊度、存在度或可见度之类的含义。理论上，模糊ER数据模型(FERDBM)可形式化地表示为四元组其中:D为一个论域，实体(FE)、联系(FR)和值域(V)的模糊化，能方便地处理客观事物的模糊性。在模糊ER图中，分别用矩形、菱形、椭圆形和圆形来表示模糊实体、模糊联系和模糊实体的属性及其值域。绿色生产过程中的实体包括原材料（如毛坯）、辅助物料（如切削液）、加工设备（如机床）、能源（如电能）属于资源消耗类，废水（如含铬废水）、废气（如烟尘）、废渣（如含油切屑）、物理性排放（如噪声）属于环境排放类,工艺过程（如切削加工过程）、循环过程（如切削液循环利用过程）、安全处置过程（如废渣掩埋）属于生产过程类，各实体又能进一步细分。以上各实体的绿色特性已经在第1章中进行了详细分析和归类。它们之间最上层的ER图如图5所示。对最上层ER图经过层层分解后可以得到底层更详细的ER图，这里不再螯述。在分解过程中，模糊量常常需要应用模糊ER方法来解决，如实体之间的联系常需要用模糊量来表达。图6所示为加工设备和工艺过程之间的模糊ER图。这两个实体之间是〃执行”的联系，在该模糊ER图中，联系〃执行”是一个模糊量，实体〃加工设备”和“工艺步骤”之间存在模糊关系，即一个加工过程中的某个工艺步骤，可能采用加工设备号为001的设备，也可能采用加工设备号为002的设备。联系〃执行”的模糊关系数据表如表1所示，表中f_grade表示设备执行工艺步骤的概率。表1模糊联系的关系数据表设备编号步骤编号f_grade002120.8003120.7004250.5在车间生产过程中,不仅存在模糊的联系，实体的属性也有可能是模糊量。例如，在图7所示的实体废气模糊ER图中，属性〃区域编号”指在对生产车间废气污染存在的不同区域进行编号后，该废气所属的区域号；"污染程度”指在该区域空气质量无法定性测量时，对其污染程度进行的定量评价,是一个模糊量，在图中用“f”标识，值域范围是｛轻微，中等严重，很重｝。对应于该模糊实体，其关系模型如表2所示，并由此产生了一个新的实体“状态”，其关系模型如表3所示。表2实体废气的关系数据表区域编号污染程度001{轻微/0.1，中等/0.8,严重/0.1}002仲等/0.6,严重/0.2,很重/0.2}003{严重/0.4,很重/0.6}表3状态的关系数据表区域编号污染程度描述f_grade001轻微0.1001中等0.8001严重0.1002中等0.6002严重0.2002很重0.23严重0.4003很重0.6在处理车间生产过程中的数据时，还会出现非模糊的属性值模糊化的情况。例如，在电火花加工中,电极消耗是一种很重要的资源消耗，在现有的工艺数据库中，一般只提供四个电极消耗值(5.0,1.7,1.0,0.5),而在实际加工中，电极消耗率却是数值域的连续量。因此，为便于查询和评估资源消耗，笔者在建立数据库时把该属性模糊化。模糊化后工件电极消耗率的属性值为很高、高、中、低，对应的隶属函数为everyhigh(),ehigh(),emedium(),elow(),如图8所示。从图中可以看出，隶属度为1的各个点，其对应的属性值就是原始工艺数据库中所对应的各个离散点。图中以编号为234的电火花加工过程为例，将属性值为0.7的电极消耗率属性进行了模糊化。通过模糊化过程可知,其存储、查询的关键依据是图6中的隶属度函数的确定,其设计的合理与否直接影响结果的准确性。隶属度函数的确定是个逐步的过程，它应该在实际生产加工中不断修正，才能使模糊化的结果更好、更准确地反映真实存在的情况。因此，模糊数据隶属函数的合理建立实际上是数据库处理模糊数据的核心和关键。从这些例子可以看出，针对资源环境数据中的模糊数据，采用模糊ER方法建立模糊ER图，并将其转换为模糊关系模型后，就可以方便地实现模糊数据在数据库中的存储和记录。2.2.2绿色生产过程系统集成结构研究产品数据管理(ProductDataManagement,PDM)是一种管理与产品相关的信息(包括工程规范、电子文档、扫描图像、产品结构等)和与产品相关的过程(包括工作流程、审批/发放过程等)的技术。在企业内部，现有的多数PDM系统力图将整个产品生命周期中的产品信息和与产品相关的过程信息进行全面控制和管理,为企业实现信息集成提供了不可缺少的环境平台。目前，以PDM系统为集成框架已经成为计算机集成制造系统(ComputerIntegratedManufacturingSystem,CIMS)应用的一个方向,PDM集成框架能够很好地支持企业产品开发的全生命周期，对各阶段、各种活动和各类应用(包括设计、制造和经营管理)等进行信息、应用和过程的集成，能够支持不同规模的企业和多种多样的企业信息环境，适合在多厂商网络和平台上运行应用软件，具有良好的可扩展性。本文采用PDM作为绿色生产过程软件开发的信息集成平台，主要基于以下几点考虑：PDM作为一种集成平台厩能支持底层数据库的信息集成,也能支持应用系统的集成,做到即插即用。这正是绿色生产过程所需要的集成特性。绿色制造的实施离不开资源环境数据的支持,绿色生产过程的实现同样需要以资源环境信息为数据支撑。目前，环境数据研究普遍存在数据获取困难、数据主观性强、数据质量不能保证等问题;并且由于不同国家和地区的资源和能源占有量各不相同,使得环境数据具有很强的地域性。PDM在数据管理方面具有天然的优势，因此针对我国制造业生产过程的特点，基于PDM开发适合我国国情的生产过程资源环境数据库，将起到事半功倍的作用。PDM技术已经相对成熟，其中的流程管理、项目管理、文档管理等方法,对实现生产过程的绿色化都有重要的借鉴意义。PDM理论已被我国许多企业接受，围绕PDM系统的实施工作已经在上百家企业中展开，以此为基础开发的软件支撑工具可以减少企业实现生产过程绿色化的成本，易于绿色制造的实施和推广。有关PDM集成结构的文献并不少见，李海峰等于2003年提出了分布式企业PDM系统集成框架，并建立了多层应用体系结构，利用面向对象的思想和统一建模语言，对分布式企业PDM系统集成框架的核心逻辑层进行了详细的分析与建模［7］;雷军环等于2002年提出了基于公共对象请求代理体系结构(CommonObjectRequestBrokerArchitecture,CORBA)技术PDM集成框架的体系结构，并给出了实现该集成框架的方法及实现模型［8］;薛善良于2002年研究了面向敏捷制造的PDM系统结构［9］;孟汉峰于2001年研究了基于快速重组制造的PDM平台［10］;黄宇辉等于1999年研究了并行设计的PDM集成框架［11］。这些文献以PDM为平台，集成了敏捷制造、重组技术等先进制造技术。借鉴以上文献在PDM应用集成方面的经验，本文提出的绿色生产过程的信息集成平台如图9所示。该平台采用三层客户机/服务器(Client/Server)架构，通过中间层服务器实现了客户端、数据、数据处理逻辑的完全分离。客户机向服务器发出服务请求，服务器根据客户的请求完成相应的任务，并将处理后的结果返回给客户机，客户机只需要了解服务器的界面而不必知道服务器的具体处理过程。由图9可以看出,绿色制造生产过程实施体系的内部结构由各应用层组成，其中:用户界面层完成用户的接口功能，用户接口组件是表示层的组成部分;核心服务层由应用逻辑组成,并利用服务器处理事务管理，完成客户的应用功能;数据支撑层采用前述的基于模糊£日的资源环境数据库系统，完成数据和文件的存取、修改等操作;功能模块层应客户请求实现模块的各项功能，包括应用组件和应用软件两部分，其中应用组件是由调用基础服务的一组程序组成、并能够完成一定应用功能的功能模块，在原PDM功能模块的基础上集成了生产过程绿色规划模块、绿色过程控制模块和生产过程环境影响评估模块;应用软件包括CAx/DFx等工程设计领域软件、Word办公用软件等,通过多种方式与应用软件实现集成，如使用应用编程接口(ApplicationProgrammingInterface,API)。3结束语本文针对我国制造企业生产过程中资源环境属性的特点，构建了制造企业绿色生产过程的实施体系，将环境因素纳入整个企业生产的核心功能中，为我国制造业实现车间生产过程的绿色化提供了解决方案。采用模糊ER方法实现了数据库的模糊化设计，在一定程度上解决了生产过程中资源环境数据的不完全性、不确定性在数据库中的管理问题;基于PDM研究了绿色生产过程的系统集成，为车间级绿色制造的实施奠定了良好的基础。参考文献：【相关文献】LIUFei,CAOHuajun,ZHANGHua.Thetheoryandtechnologyofgreenmanufacturing[M].Beijing:SciencePress,2004(inChinese).[刘飞,曹华军，张华，等.绿色制造的理论与技术[M].北京科学出版社,2004.]JIANGZhigang,ZHANGHua.Thetheorysystemanditsimplementedstrategyforgreenreproducing[J].ChinaMechanicalEngineering,2006,17(24):2573-2576(inChinese).[江志刚，张华.绿色再制造管理的理论体系及其实施策略[J].中国机械工程,2006,17(24):2573-2576.]MANFREDL,SHAUNAAM,BRITTAK,etal.Environmentalimpactassessmentincludingindirecteffects—acasestudyusinginput-outputanalysis[J].EnvironmentalImpactAssessmentReview,2003,23(3):263-282.YEOSH,NEOKG.Inclusionofenvironmentalperformancefordecisionmakingofweldingprocesses[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,1998,82(1/2):78-88.WUXiaozhen,ZHANGHua.ResearchontheframeworkanddatabseofGPDM[J].MachineryDesign&Manufacture,2008,5(5):62-64(inChinese).[吴小珍，张华.GPDM的系统框架及其数据库研究[J].机械设计及制造,2008,5(5):62-64.]NAUMANC,JAMESM,ELKEAR.Anextendeddatabasedesignmethodologyforuncertaindatamanagement[J].InformationSciences,1999,121(1/2):83-112.LIHaifeng,WANGXiankui,WUDan,etal.ResearchonintegratedinfrastructurefordistributedenterpriseP