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产品绿色设计与制造的评价及决策支持方法研究 摘要 随着绿色产品的逐渐兴起，对绿色产品的基本特征、绿色设计理论方法和制造模式及有 关技术的研究已成为当前先进制造技术研究的热点在绿色设计与制造方面虽已作了大量工 作并取得了一定的效益，但到目前为止这一领域的研究仍处于起步阶段，基本上还处于一 种独立、非系统化的状态本文在充分了解前人研究成果的基础上，着重对产品绿色设计与 制造的评价与决策支持方法进行了深入研究，其主要研究内容及创新点摘要如下。 首先，建立了系统化的绿色设计与制造的评价体系，给出了绿色产品设计的多层次模糊 聚类决策方法；同时，在阐述绿色制造的评价决策框架模型的基础上，给出了绿色制造评价 系统框架，为以后加工过程的环境属性评价提供了支撑 对l c a ( l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ) 的研究进行了概括和总结，在完成产品生命周期排放 物的环境影响分类后，首次将灰色系统理论引入i , c a 影响评估技术，提出了进行影响评估 的灰色聚类决策方法 提出了产品绿色度评价的可行方法首先，建立了绿色设计影响评估决策支持系统的系 统框架及功能模型；对产品全生命周期信息模型进行了研究，构建了全生命周期过程树模型 及信息描述模型；而后对环境影响分析系统的运行机理进行了研究，给出了产品生命周期各 阶段的环境因子定级准则，并通过案例说明了评价方法的使用 对绿色产品的设计过程进行了探讨，并基于案例深入研究了实现绿色设计不可缺少方法 非线性c a e 方法的应用，应用接触算法和装配分析对设计方案进行了分析研究 深入研究了切削加工过程的环境影响分析方法针对切削加工过程，提出了面向环境的 加工过程模型以直角非自由切削为例，对材料切削机理及加工过程中的废物流进行了研究， 从而确定了加工过程中的能量消耗、加工时间，并实现了切削刀具、切屑和切削液的定量化。 给出了加工过程环境影响分析方法健康影响指数法，可对加工过程中相关要素的环境属 性进行量定，如切削液、刀具等的选取，从而使加工过程的清洁化成为可能而后，构建了 加工过程绿色决策支持系统模型框架；研究了加工工艺环境影响的分析方法，构建了加工工 艺环境影响评估系统模型，决策者可据此来确定环境属性更好的工艺计划；对于加工过程绿 色决策支持系统的核, c , - - - - - 决策代理模块深入探讨了其度量法则及误差向量的构建 关键词：绿色设计与制造环境影响评估灰色聚类绿色度绿色决策支持加工过程 i s t u d yo na s s e s s i n ga n d g r e e nd e s i g n d e c i o nm a k i n gm e t h , i so f e c i s i o n - m a k i n gm e t h o d so f a n dm a n u f a c t u r i n g a b s t r a c t w i t ht h eb o o mo fg r e e np r o d u c t s ，i th a sb e e nb e c o m i n gt h es t u d y i n gf o c u so fa d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yt h a tt h es t u d i e so np r i m a r yf e a t u r e so fg r e e np r o d u c t s t h e o r ya n d m e t h o do fg 糟o nd e s i g na n dg r e e nm a n u f a c t u r i n ga n di uc o r r e l a t i v et e c h n o l o g y s of a r , m a n yj o b s i ng r e e nd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gh a v eb e e nd o n e ，g r e a tb e n e f i tw a st a k e n h o w e v e r ，s t u d yo i l t h i s f i e l di so ni n i t i a t i v ep h a s e ，t h es t u d y i n gs t a t u si ss e p a r a t ea n dn o ts y s t e m i c k n o w i n gt h e e x i s t i n gs t u d yw e l l ，t h i sp a p e rm a d ead e e ps t u d yo na s s e s s i n ga n dd e c i s i o n - m a k i n gm e t h o d s ，t h e m a i nc o n t e n t sa n dc r e a t i v ep o i n t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ea s s e s s i n gs y s t e m so fg r e e nd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gw e r eb u i l t t h ea s s e s s i n g t a r g e t ，a s s e s s i n gi n d e xs y s t e mw e r er e l a t e ds y s t e m i c a l l y t h em u l t i - h i e r a r c h yf u z z yc l u s t e rm e t h o d f o rg r e e nd e s i g na s s e s s m e n tw a sg i v e n t h ed e c i s i o n - m a k i n gf r a m em o d e lo fg r e e nm a n u f a c t u r i n g w a sd i s c u s s e d ，t h e na s s e s s i n gs y s t e mm o d e lo fg r e e nm a n u f a c t u r i n gw a sc o n s t r u c t e d ，p r o v i d i n ga b o l s t e rt oe v a l u a t i o no fe n v i r o n m e n t a la t t r i b u t eo fm a c h i n i n gp r o c e s s t h es t u d yo fl c a ( l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ) w a ss u m m a r i z e d w h e nf i n i s h i n gc l a s s i f i c a t i o n o fl i f ec y c l ee m i s s i o n s ，t h eg r e ys y s t e mt h e o r yw a sf i r s t l yi n t r o d u c e dt oi m p a c ta s s e s s m e n to fl e a ， ag r e yc l u s t e r i n gm e t h o dw a su s e dt oc a r r yi m p a c ta s s e s s m e n t i t h ep r a c t i c a b l em e t h o dt oa s s e s sg r e e nd e g r e eo fp r o d u c tw a sg i v e n t h es y s t e mf r a m e w o r k a n df u n c t i o nm o d e lo fd e c i s i o n m a k i n gs u p p o r t i n gs y s t e mf o ri m p a c ta s s e s s m e n to fg r e e nd e s i g n w e r eb u i l t t h el i f ec y c l ei n f o r m a t i o nm o d e lw a ss t u d i e d ，a l ll i f ec y c l ep r o c e s st r e em o d e la n d i n f o r m a t i o nd e s c r i b i n gm o d e lw e r ee s t a b l i s h e d t h e nt h er u nm e c h a n i s mo fi m p a c ta n a l y z i n g s y s t e mw a sd e e p l yd i s c u s s e d ，t h ec l a s s i f y i n gr u l e so fe n v i r o n m e n t a lf a c t o r sw e r eb u i l t t o d e m o n s t r a t et h eu s eo fa s s e s s i n gm e t h o d ，a ne x a m p l ew a sg i v e n t h ed e s i g np r o c e d u r eo fg r e e nd e s i g nw a sd i s c u s s e d t h ea p p l i c a t i o no ff i n i t ee l e m e n tb a s e d n o n l i n e a rc a em e t h o dt h a ti sn e c e s s a r yt og r e e nd e s i g n ，w a sd e e p l ys t u d i e d t h r o u g he x a m p l e ， c o n t a c ta l g o r i t h ma n da s s e m b l ya n a l y s i sw e r eu s e dt oa n a l y z ed e s i g ns c h e m e d e e ps t u d yw a sd o n eo nm e t h o do fe n v i r o n m e n t a li m p a c ta n a l y s i so fm a c h i n i n gp r o c e s s f o r m a c h i n i n gp r o c e s s ，t h e e n v i r o n m e n t - o r i e n t e dm a c h i n i n gp r o c e s sm o d e lw a sa d v a n c e d t o d e t e r m i n ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，p r o c e s st i m ea n dt oq u a n t i f yc u t t i n g t o o l ，c h i pa n dc u t t i n g f l u i d ， t h e m a c h i n i n gm e c h a n i s m a n d w a s t es t r e a mi n m a c h i n i n gp r o c e s sw e r es t u d i e d t h e n e n v i r o n m e n t a li m p a c ta n a l y z i n gm e t h o d - - h e a l t hi m p a c ti n d e xm e t h o dw a sg i v e n ，w h i c hc a r lb e u s e dt om e a s u r et h ee n v i r o n m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c so fc o r r e l a t i v ef a c t o r so fm a c h i n i n gp r o c e s s ，f o r i n s t a n c et h es e l e c t i o no fc u r i n g - f l u i do rc u r i n g - t o o l ，m a k i n gi tp o s s i b l et oc l e a nt h em a c h i n i n g p r o c e s s t h em o d e lf r a m e w o r ko fg r e e nd e c i s i o n - m a k i n gs y s t e mo fm a c h i n i n gp r o c e s sw a s e s t a b l i s h e d b a s e do na b o v ew o r k s ，f o rp r o c e s s i n gt e c h n i c ，t h ee n v i r o n m e n t a li m p a c ta n a l y z i n g m e t h o dw a ss t u d i e da n da s s e s s i n gs y s t e mm o d e lo fe n v i r o n m e n t a li m p a c tw a sb u i l t u s i n gt h i s s y s t e m ，t h ed e c i s i o nm a k e rc a nd e t e r m i n em o r ee n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yp r o c e s sp l a n f o rt h e i i d e c i s i o n - m a k i n ga g e n t - - t h ec o r eo fg r e e nd e c i s i o n - m a k i n gs u p p o as y s t e mo fm a c h i n i n gp r o c e s s ， i t sm e a s u r i n gr u l ea n dc o n s t r u c t i n go fd i f f e r e n c ev e c t o rw e r ed e e p l ys t u d i e d k e yw o r d s ：g r e e nd e s i g na n dm a n u f a c t u d n g ，e n v i r o n m e n t a li m p a c ta s s e s s m e n t 。g r e y c l u s t e r i n g 。g r e e nd e g r e e ，g r e e nd e c i s i o n m a k i n gs u p p o r l ，m a c h i n i n gp r o c e s s i i i 声明尸明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成博士硕士学位论文= = 亡晶堡鱼逡盐皇笠9 造的透俭 及迭筮塞缱友洼硒究：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未 公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 2 0 0 4 年0 6 月0 9 日 各囱彬, s -铷囱w 。 同济大学博士学位论文 1 1 现代产品设计综述 第一章绪论 回顾二十世纪人类所创造的文明成果，计算机的发明乃至随之而来的信息技术革命无疑 给人类社会带来了空前的变革和发展。在产品设计领域，随着全球经济一体化步伐的加快， 市场竞争日趋激烈，同时市场也更趋成熟和理性，这对产品设计都提出了新的更高的要求。 毋庸置疑，现代产品设计必然带有鲜明的时代特征，谓之现代产品设计。现代产品设计的特 征标志包括并行设计、智能设计、协同设计、优化设计、快速响应设计与制造以及绿色设计 等。这些特征围绕着质量、时间、成本及环境展开，即要求以最短的时间、最低的成本设计 出质量最好、环境负荷最小的产品。 并行设计( c o n c u r r e n td e si g n ) ：并行设计从并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，c e ) 衍生而来，是一种全新的设计理念。并行是相对传统的串行设计而言。并行工程要求从产品 概念设计阶段即开始考虑、关注下游设计、活动的相关约束，其目的是尽可能早地发现设计 中存在的问题。减少设计重复次数，改善设计与制造之间的相容性【i 训。支持并行设计的方 法很多，诸如面向制造的设计( d e s i g nf o rm a n u f a c t u r i n g ，d f l v l ) ，面向装配的设计( d e s i g n f o ra s s e m b l y ，d f a ) 等。并行设计理念的提出和实施实际上也是市场竞争的产物，传统串 行方式的弊端通常导致长的设计周期和高的设计成本，使企业很难对市场做出快速反应，削 弱了企业的竞争力。 智能设计( i n t e i li g e n td e s j g n ) ：人类的设计活动本质上是一个复杂的智能决策过程 所谓智能设计是针对基于计算机的( c o m p u t e r - b a s e d ) 的设计活动而言，使计算机具有模拟 人类在设计活动中的智能决策的功能。显然智能设计是商层次的、理想化的，因为使计算机 的工作具有“大脑风格”决非易事。近些年崛起的人工神经网络技术是研究大脑、利用大脑 的生动范例。然而人类对于脑的认识还非常有限，人工神经网络也只是对大脑某一层面非常 简单的一种模拟。人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 理论研究进展的缓慢是制约计算机 智能化的重要原因。尽管如此，智能化仍然是计算机领域未来的重要研究方向。在产品设计 方面，智能设计主要是研究将c a i 技术与a i 技术相融合，使c a d 中的d 不再是“d r a w i n g 一 ( 画图) ，而是真正的“d e s i g n ”，也就是能够对设计活动中的决策过程给予支持显然智能 设计的实现能够显著改善设计质量与效率。迅速提升新手的设计水平，同时也使设计结果更 加一致。 优化设计( o p ti m u md e sig n ) ：优化设计是设计的综合过程。由于现代产品的复杂性、 系统性和综合性导致寻优目标的系统化和综合化，优化目标从传统的局部走向系统整体，从 单目标走向多目标综合。近些年来出现的优化方法如模拟退火法( s i m u l a t e da n n e a l i n g a l g o r i t h m ：s a ) 和遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，o a ) 为优化目标的实现提供了强有力的 支持。 协同设计( c oi ia b o r a tiv qd e sig n ) ：全球计算机网络。特别是i n t e m e t 的发展使得实 时交互协同设计成为可能。不同的设计人员之间，不同的设计组织之间，不同部门的工作人 员之间均可实现资源共享。实时交互协同参与，合作设计1 4 j 、协同设计有助于发挥员工的创 - 1 第一章绪论 造精神和主动性，形成以人为核心的企业内外部计算机辅助工程协同系统，从而提高设计质 量，缩短设计开发周期，降低设计开发成本。与协同设计相对应诞生了敏捷制造方式及虚拟 企业组织等。 快速响应设计与制造( r a p i dr 6 s p o n s ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ) ：市场竟争的残酷 性使得企业不断缩短产品开发周期，能否在第一时间推出新产品常常成为企业能否生存的关 键。在时间、质量、成本三个方面，从一定意义上讲时间是第一位的。八十年代末出现的快 速原刑制造技术( r a p i dp r o t o t y p em a n u t a c t u r i n _ r p m ) 和c a d 技术的结合可形成快速原 型制造能力，从而能有效缩短产品的开发周期。 绿色设计( g r e e nd e s i g n ) ：可持续发展战略已得到全球的认同。绿色设计是指在产品 设计时就必须考虑产品在制造、销售、使用和回收可能对环境带来的负面影响，应尽可能减 少产品的环境负荷。一般认为，绿色设计应遵循这样一些基本原则，即生态环境友善、节约 资源、延长产品使用寿命、提高可回收性纠卸【6 l 。 以上对现代产品设计进行了简单的概括，这些设计活动基本上是围绕着时间、成本、质 量、环境四大要素展开的( 见图1 1 ) 。其目标就是要从产品设计入手提高企业的竞争能力【7 1 。 需要指出的是。这些活动并不是孤立的，它们是彼此联系，相互支持，互相依托。 图1 1 现代产品设计特征 f g 1 1c h a r a c t e r i s t i c so fc o n t e m p o r a r yp m d u c ld e s i g n 资源、环境、人e l 是当今社会面临的三大主要问题。特别是环境和资源问题，正在对人 类的生存与发展造成严重威胁。随着全球环境问题的日益恶化，迫使人们对环境问题的研究 愈来愈重视，环境问题已构成2 l 世纪人类生存和发展所面临的重大挑战【8 1 【9 1 。因此，在以上 这些代表前沿的设计活动中。绿色设计作为可持续发展的必然选择已引起人们的普遍关注 与绿色产品有关的技术、方法和工具的研究也正在迅速兴起和不断发展。这构成了本文的研 究动机。 1 2 绿色技术的研究背景与现状 1 2 1 绿色技术的研究背景与意义 二十世纪入十年代以来，全球经济高速发展，人类的物质文明程度达到了前所术有的高 2 同济大学博士学位论文 度。但由于无视环境与资源的影响。人类不得不面对一系列严峻的后果。目前，全球每年向 大气排放5 0 亿吨的二氧化碳，是导致温室效应的直接原因；过度使用的氟利昂，造成了南 极上空的臭氧层空洞：此外，酸雨、大气污染、水源污染、水土流失、沙漠化等现象，不仅 给人类健康构成严重的威胁，更是制约了人类的生存和发展。另一方面，发达国家奢侈的利 用资源，发展中国家粗放式的使用资源，都造成了地球资源迅速的消耗。有关资料估计，到 2 5 0 0 年前，主要的工业原料将多数被开采耗尽。人类即将面临资源贫乏的窘境。 值得注意的是随着人们的生活水平和质量的提高，使得各式各样的新产品层出不穷， 大量产品因为功能过时而被迅速淘汰i l2 1 。而利用现有的固体废弃物的堆放、填埋和焚烧技 术，要全部处理这些废弃产品，特别是机电产品，就需耗费上百年的时间。对废弃物的回收 处理，不仅关系到充分利用有限的不可再生资源，而且还涉及防止废弃物污染环境。 我国人均资源拥有量不高，每单位国民生产总值所消耗的矿物原料比发达国家高2 - - 4 倍，而二次资源的利用率只有世界先进水平的1 钆l ：3 ，资源浪费严重。目前，全国固体废 弃物的年产生约为6 2 亿吨，累积堆存6 0 亿吨，有毒废弃物约占5 ，安全处置率极低。近 几年来，我国仅大气污染和水污染每年造成的损失就高达5 4 0 亿美元，这个数字接近1 9 9 5 年中国国民生产总值的8 。如何充分利用资源和保护环境的形势相当紧迫1 1 0 1 1 j 。 环境和资源问题已经引起世界各国的普遍重视，推行“不仅要防止污染，而且要节约地 球上有限的资源”的可持续发展已经得到了广泛的共识。1 9 9 2 年的里约热内卢全球首脑会 议上，更加明确了“可持续发展”的概念，并签署了“2 1 世纪议程”等文件。因此，许多 国家纷纷制定相应的法律和政策，以引导企业走“超越绿色”的可持续发展道路。美国于 1 9 7 6 年制定颁布了资源保护和回收法，并对该法修订延用至今；德国在1 9 8 6 年就制定 了( 废物管理法，1 9 9 6 年又公布了更为系统的循环经济和废物管理法，在发展循环经 济方面走在了世界的前列：日本也于1 9 9 1 年颁布有关促进再生资源利用的综合利用法， 明确提出有关促进再生资源利用的汽车、家电产品的判断标准。 。 此外，西方许多国家推行制造商责任制( e p r ) 和环境标志( e e o - l a b e l i n g ) ，也是引导 企业生产环保性能好的产品，提高消费者环保意识的有效手段。如美国的“能源之量”，德 国的“蓝天使”等。国际i s o 标准化组织也正式颁布了i s 0 1 4 0 0 0 系列环境管理体系标准。 绿色产品将在国际市场上占主导地位，不符合环境保护标准的产品将不受欢迎并被淘汰出国 际市场( 引。 我国于1 9 9 4 年5 月成立了中国环境标志产品认证委员会，1 9 9 7 年4 月1 日起实施等同 于i s 0 1 4 0 0 0 系列国际标准的国家标准g b 1 2 4 0 0 0 环境管理体系及环境审核系列标准。我 国政府已明确确定实施可持续发展战略，对固体废弃物及其他废弃物进行综合利用。 由于政府立法和公众环保意识的提高，充分利用资源，对环境影响又极小的绿色产品无 疑是今后消费的主流。所以，许多企业都将绿色产品作为未来企业竞争的重要筹码，不惜投 入大量财力，人力、物力进行研究。1 9 9 3 年，美国大汽车公司就结成回收联盟，在密西根 建立车辆拆卸中心，专门研究车辆的回收拆卸技术；柯达公司研制了新型相机，8 7 的重量 可回收：由美国m c c 等著名电器公司发起的“电子产品和环境 年度研讨会已经成为i e e e 有影响的学术会议之一i i 扣引j 。 而长期以来，我国制造业实行的是高投入、高消耗、粗放型为主的发展方式，资源浪费 和环境污染严重，制约了我国经济的可持续发展。同时，由于没有对产品的绿色形象给予足 够重视，影响了我国产品的出口和产品的国际市场竞争力，因此迫切需要研究和应用绿色设 一3 - 第呻绪论 计及制造理论和技术。 1 2 2 产品绿色设计与制造的研究现状 绿色产品设计已经得到众多研究机构和企业的重视，从系统模型到专门技术研究都己取 得了一定的成果。 1 、系统理论研究方面儿2 1 2 羽。 国外的学者对此作了大量的研究工作，这对我们进一步的技术研究起着指导性的作用。 作为一套系统的理论，要在产品全生命周期的每一个阶段，都要考虑环境保护、工作条件、 资源优化、产品成本、企业方针、产品特性和便于制造的产品，这才是真正意义上的绿色产 品设计。目前得到普遍认可的绿色产品设计系统是由三个层次构成：第一层是设计的总目标； 第二层是产品用后处理过程设计，包括再利用、再制造、回收和处置；第三层是影响第二个 层次的五个设计因素：时间、成本、材料、能量和模块化。 此外，有学者提出利用国际i s o 标准化组织颁布的i s 0 1 4 0 0 0 系列环境管理体系标准建 立生命周期模型，来模拟加工过程和支持产品设计。由于人为因素对产品和加工系统的生命 周期都有重要影响，他们还建议研究动态的社会技术系统和网络化描述。 2 、专门技术与理论研究方面。 全生命周期评估( l c a ) 1 2 3 2 6 l 生命周期评价( l c a ) ，也称为生命周期分析，其最初应用可追溯到1 9 6 9 年美国可口可 乐公司对不同饮料容器的资源消耗和环境释放所作的特征分析。该公司在考虑是否以一次性 塑料瓶替代可回收玻璃瓶时，比较了两种方案对环境的影响，并肯定了前者的优越性。通过 类似分析，他们还决定用铝制饮料罐替代原来的钢制饮料罐，因为铝制产品的可重复利用性 较好。从此，l c a 方法学不断发展，现已成为一种广泛应用的产品环境特征分析和决策工 具。 8 0 年代中期至9 0 年代初，l c a 研究进展迅速，发达国家开始推行环境报告制度，要求 对产品形成统一的环境影响评价方法和数据。一些环境影响评价技术，例如对温室效应和资 源消耗等的环境影响定量评价方法，也不断发展。这些都为l c a 方法学的发展和应用领域 的拓展奠定了基础。1 9 9 3 年出版的( l c a 原始资料。被认为是当时最全面的l c a 活动综 述报告。 9 0 年代以后，由于国际环境毒理学和化学学会以及欧洲生命周期评价开发促进会的大 力推动，l c a 方法在全球范围内得到较大规模的应用。国际标准化组织制订和发布了l c a 系列标准。其他一些国家( 美国、荷兰、丹麦、法国等) 的政府和有关机构也通过实施研究计 划和举办培训班，研究和推广l c a 方法学。在亚洲，日本、韩国和印度均建立了本国的l c a 学会 由于l c a 其研究对象的复杂性及目的的多重性，l c a 技术尚处在发展阶段。目前有待 改进的主要问题是： 1 ) 清单分析技术，特别是影响评估技术尚不成熟。影响评估是将l c a 得到的各种排放 物对现实环境的影响进行定性定量地评价，这是l c a 最重要的阶段，也是最困难的环 节，到目前为止，还缺乏公认的科学方法。 4 - 同济大学博士学位论文 2 ) l c a 的完成需要大量的数据支持、所能获得的数据完整性和精度有限； 3 ) 完成费用较高( 国外做1 次l c a 通常花费1 万一1 0 万美元) 。 产品的环境影响评估【2 7 3 8 l 产品对环境影响的程度是绿色产品设计中考虑的首要因素，是方案选择的标准来源。因 此，大量研究人员的目标是开发通用的模型、方法和工具。针对产品的全生命周期或某一阶 段进行研究，从而能够科学的对产品的环境影响和资源利用作出评估，找到最佳的设计方案。 m s f i n i v a s a n ，t w u 和p s h e n g 利用a h p ( a n a l y t i eh i e r a r c h yp r o c e s s ) 的方法考虑到废弃 物对人健康的影响。a a m u n o z 和e s h e n g 提出了加工过程的环境评估模型，该模型集中 考虑y = i ! j n t 过程的力学行为，磨损特征和润滑流，能对能量利用，加工效率，工件物料和辅 助物质流给出定量的分析。 国内提出的由阶段维、层次维和目标维组成的三维矩阵的绿色产品评估系统构架比较直 观。阶段维由开发设计、生产制造、产品使用、回收处理构成；层次维分为零件、部件和产 品三个层次；目标维由基本目标、绿色目标和安全目标构成。 综上所述，产品( 包括零件、部件) 的“绿色度? 及它们之间的关系是值得研究的。但 是，产品全生命周期的跨时域、地域性给产品环境影响评估带来很大的困难，合理的模型与 算法必将是今后的一个研究热点 面向环境的设计i 3 9 1 1 4 0 l 面向环境的设计( d f e ) 涵盖的面十分广泛，这就造成了其研究方法的多样性。其中具 有典型意义的有：利用面向对象的方法，将环境影响分析集成到现有的设计系统中。使设计 人员在设计产品时就能够预测产品今后可能对环境产生的影响并作出方案比较，达到绿色 设计的目的；利用公理化设计( a x i o m a t i cd e s i g n ) 的原理，通过基于信息的设计方法来解决 设计中的环境问题；将环境评估度量归纳为产品在某个环保标准内的表现级别的一种算法上 的解释，并将相关的环保标准转化成一个环境评估量度，在决策支持系统中得到了运用。 同时，包含加工模型、危害物评估和系统模拟的基于环境意识的加工过程规划法的研究 也是热点之一。p s h c n g 和m s r i n i v a s a n 还对复杂零件的加工工艺，通过基于零件几何特征 进行宏微观规划，以环境影响作为目标函数，得到最佳的加工工艺。 设计中材料的选择也是减轻产品环境影响的关键，选择合适的，安全的相容性好的材 料是设计者经常面临的问题。 面向拆卸的设计 废弃产品的回收利用能减轻对原材料的消耗，同时减少废弃物对环境的危害。产品能否 方便拆卸直接影响到产品的可回收性。所以，产品的可拆卸设计已成为当前绿色产品研究的 一个热点。 尽管人们对可拆卸性设计给出了一些准则，但如何在设计中客观的贯彻这些从经验和常 识得出的准则还有待探索。当前研究的方向可分为可拆卸性评估、拆卸序列的生成和拆卸方 法的研究。t s u g a 等人首次对可拆卸性给出量化评估方法。两个评估量是拆卸能和熵- 其中 熵表征了连接方法及拆卸操作的随机性，熵越大，拆卸性越差，对拆卸能来说，也是如此。 该方法有两个大的缺陷，一是拆卸能的计算不方便，二是仅适合于螺栓和扣件( s n a pf i t ) 联 接。k s u b r a m a n i 和d e n b u r s t 通过建立产品的装配模型和零件的关系模型，实现了产品拆 卸序列的自动生成。不足的是没有考虑到部件在拆卸中的角色，拆卸序列不能保证最优，计 算量也较大l a l t i n g 和旧l d e s m 由用a n d o r 图代表技术上可行的拆卸序列。从而将拆 s - 第一章绪论 卸问题转化为计算机图形搜索问题，有利于自动生成拆卸序列。h s r i n i v a s a n 等人提山可 拆卸性设计的框架由四步组成：产品分析，可拆卸性分析，拆卸序列和方向，设计评估。可 拆卸性由零件配合面的几何关系确定，构造目标函数来生成优化的拆卸序列。缺点在于仅仅 考虑了平面配合，没有涉及连接件，所以该方法距实用性还有一定的距离。z s i d d i q u e 和 d a v i d w r o s e n 提出建立虚拟原型的方法来分析产品的可拆卸性。虚拟模型由c a d 模块导 出，用自动推理原理产生拆卸过程模型，同时能模拟拆卸过程，具有很好的直观性越l 。 在拆卸方法方面，柏林工大i w f 提出的四阶段法已被普遍承认：包括产品分析、装配 分析、使用模式和后果分析以及决定拆卸策略。拆卸的深度由拆卸的经济性决定，这将涉及 到产品在生命周期内的成本分析。要想从根本上解决产品的不易拆卸问题，就必须研制和开 发新的联结方式与联结件。 还有些学者注重产品拆卸的经济性分析，如通过搜索最小成本的拆卸序列来优化拆卸过 程，提出净收益是回收评估的重要指标之二。上海交大蔡建国、倪俊芳和杨晓东就废旧品拆 卸过程中的回收价值，拆卸费用，处理费用等主要指标进行分析，建立了零件材料的合理回 收方法。蔡建国、倪俊芳认为产品经济性回收的价值评价分为两步：产品设计阶段，主要评 价基于简化a n d o r 图的材料回收经济性；产品回收阶段。根据产品的报废程度、回收工 艺、市场需求、处理费用等状况，采用层次分析法对产品零部件重刚的拆卸层次进行决策。 评价废旧产品的最大回收价值i 硎。 3 、国内研究基础及现状。 国内一些高等院校和研究院所在国家科委、国家自然科学基金会和有关部门的支持下对 绿色设计与制造技术进行了广泛的研究探索。 机械科学研究院已完成了国家科委“九五”攻关项目清洁生产技术选择与数据库的 建立、机械工业基金项目绿色设计技术发展趋势及对策研究。围绕机械工业中九个行业 对绿色技术需求和绿色设计技术自身发展趋势进行了调研，在国内首次提出适合机械工业的 绿色设计技术发展体系，同时还进行了车辆的拆卸和回收技术的研究。目前正在开展国家自 然科学基金项目“环境绿色技术评价体系的研究”。 清华大学为创建绿色大学，已将绿色工程技术列为优先发展和支持项目，在美国“c h i n a b r i d g e ”基金和国家自然科学基金会的支持下，已与美国t e x a st e c hu n i v e r s i t y 先进制造实 验室建立了关于绿色设计技术研究的国际合作关系，对全生命周期建模等绿色设计理论和方 法进行系统研究，取得一定进展 上海交通大学针对汽车开展可回收性绿色设计技术的研究，与f o r d 公司合作，研究中 国轿车的回收工程问题：与内贸部中国物资再生利用华东分公司合作，撰写了“探讨中国汽 车销售、维修、二手车交易及回收利用一条龙管理模式的可行性报告；与德国柏林工业大 学x w f 研究所建立了合作关系，在废弃工业品回收方面展开了研究工作。 合肥工业大学开展了机械产品可回收设计理论和关键技术及回收指标评价体系的研究。 重庆大学承担了国家自然科学基金和国家8 6 3 c i m s 主题资助的关于绿色设计与制造 技术的研究项目，主要研究可持续发展c i m s ( s c i m s ) 的体系结构研究、清洁化生产系统 和体系结构及实施策略、清洁化生产管理信息系统等。 华中科技大学、浙江大学、北京航空航天大学等高院校也开展了绿色制造技术研究。 6 - 同济大学博士学位论文 1 3 选题背景与依据 综上所述，由于绿色产品资源和能源消耗量少、利用率高、环境危害小，对人类的可持 续发展有着非常积极的作用，因而在环境恶化和资源短缺的今天已引起人们的普遍关注。与 绿色产品有关的技术、方法和工具的研究也正在迅速兴起和不断发展，绿色设计与制造的急 需解决的问题有以下几点僻1 ： 典型机电产品的绿色设计。机电产品的绿色设计是结合几种典型的机电产品，研究 具有环境意识的产品全生命周期设计的理论、方法及设计决策支持系统( 含相应数 据库、知识库) ，且该系统应尽量和c a d 系统集成。 绿色产品评估系统的研究。研究产品的功能性、经济性和全生命周期内对环境的影 响程度，以及综合评价能源及资源利用率，可为设计人员提供方案改进的依据。 绿色制造数据库及信息系统。在实施绿色设计和制造过程中，数据和信息的共享是 一个必须解决的关键问题，这是做出正确环境设计决策的前提。 制造系统环境影响评估系统。环境影响评估系统要对产品生命周期中的资源消耗和 环境影响的情况进行评估。制造系统中资源种类繁多，消耗情况复杂，因而制造过 程对环境的污染状况多样、程度不一、极其复杂。如何测算和评估这些状况，如何 评估绿色制造实施的状况和程度是一个十分复杂的问题。因此，研究绿色制造的评 估体系和评估系统是当前绿色制造研究和实施急需解决的问题。 智能绿色设计决策支持系统。设计过程的决策对产品的环境影响起着主导作用，要 想在设计过程中满足功能、质量、环境等多目标，必须开发智能设计决策支持系统 工具，帮助设计人员做出正确的决策。 理论框架体系的研究。 由于上述问题涉及面很广，本文拟将以下几点作为研究重点： l 、l c a 的影响评估算法。 2 、可行的产品绿色度的评价方法。 3 、制造系统切削加工过程的影响评估及决策支持方法。 1 4 总体研究思路及章节安排 1 4 1 总体研究思路 绿色产品就是符合特定的环境保护要求，对生态环境无害或危害极少、资源利用率最高 和能源消耗最低的产品。产品的“绿色度”贯穿于生命周期全过程，并不局限于某一过程或 某一阶段。绿色产品的开发应从产品规划、设计、制造、使用及报废等每个环节都充分考虑 到环境资源因素，在环境资源前提下保证时间、质量、成本的实现。因此绿色产品开发所应 用的各种使能工具，已不是传统意义上的c a x 和d f x ，而应是c a x f e ( c a xf o re n v i o m m e n t ) 和d f x f e ( d f xf o re n v i o m m e n o ，即基于环境意识的计算机使能工具。 对于产品而言，其真正的“绿色化”应着眼于全面的系统集成，实现这一点目前仍存在 较人的难度。但可以通过对绿色产品设计技术与绿色制造技术的研究探讨，寻求可行的解决 - 7 - 方法，并进一步开发山相虑的集成化的计算机使能l ：具，使产 在现有条件卜尽可能地“绿 色化”。这也是绿色技术发展必经阶段。 本文以理论研究为基础，以绿色设计和制造过程中诸多因素环境属性的确定为主线，来 探讨绿色产品设计及制造的决策支持方法。由于绿色技术涉及的面十分广泛，本文在系统开 发的研究上，着重于概念的提出与系统框架的构建，并力求能在点上有所突破。 1 4 2 全文章节安排 本文的主要研究内容包括绿色技术的理论基础及评价体系，l c a 影响评估方法研究， 产品绿色设计中的影响评估研究，加工过程的环境影响评估方法及决策支持系统的研究等。 各章节的组织安排如下： 第一章绪论。综合论述现代产品设计及绿色技术的研究背景与意义，并在介绍了绿色设 计与制造研究背景与现状的基础上，阐明了课题的提出背景及研究思路。 第二章绿色产品设计与制造的评价体系及方法研究。绿色产品是一个相对的概念，产品 的绿色性是相对于评价标准而言的。目前，对绿色设计与设计的研究不深，缺乏统一的认识， 尚未制定具体、统一、系统的评价标准。本章试图从产品绿色属性的几个关键方面入手，以 期建立系统化的绿色设计与制造的评价体系。研究的主要内容包括绿色产品设计与制造的评 价目标、评价指标体系以及评价方法等。 第三章基于灰色系统理论的l c a 影响评估算法研究。影响评估是将l c a 得到的各种排 放物对现实环境的影响进行定性定量地评价，它可以为设计人员或企业决策人员提供有效决 策更有用的信息，这是l c a 最重要的阶段，也是最困难的环节。到目前为止，还缺乏公认 的科学方法。本章主要研究了应用灰色系统理论进行影响评估的有效方法，并给出了一个应 用例子。 ： 第四章产品绿色设计影响评估决策支持系统研究。实施绿色设计的关键在于如何对产品 设计方案进行功能、经济和环境影响的综合评估，其瓶颈环节在于对产品设计做出科学的环 境影