（机械电子工程专业论文）机电产品拆卸序列自动生成模型的理论研究及实现.pdf

机电产品拆卸序列自动生成模型的理论研究及实现 摘要 本文刘机电产品生命周期系统框架、拆卸过程、拆卸影响因素以及拆卸路径 等堆础理论进行了系统、全i | _ 【i f n 研究，探讨了产品拆卸序列自动生成系统实现的 t ，伸1 1 _ l ：。主要研究内容如下： 1 利川p e t r i 网和数拥仓库技术刘绿色产t l f _ ：命j 习期模型进行了系统的分 析，并结合拆卸过程进行了应用分析。 2 对拆卸信息进行了分析和建模，分析了拆卸影响吲素的权重分配，并分 析了产6 6 拆卸方向的零件可拆卸制约矩阵。 3 通过零件之问的关联矩阵，对构成产品的零件进行了予装配体聚类，并 进行空f , j j l i i 约束和拆卸稳定q _ l - i l j 分析，得到了拆卸路径的决策过程模 型。 4 探讨了产品拆卸序列自动爿! 成系统实现的可能性、实现方法；编写了产 t 铺拆卸序列自动生成的分析程序，并结合，i 休产- 口l 进行了验证。 关键词：p e t r i 网零件关联度了装配体聚类拆卸序列决策系统 r e s e a r c ha n dr e a l i z eo nt h em o d e io fd i s a s s e m b l e s e q u e n c e p i o d u c e da u t o m a t i c a l l yo fm e c h a t r o n i cp r o d u c t s a b s t r a c t 1 1 1t h i sp a p e r ，t h el c a s y s t e mf l a m e 、d i s a s s e m b l es e q u e n c e 、t h eb a s et h e o r y o fd i s a s s e m b l ea r cd i s c u s s e dd e e p l ya n d s y s t e m a t i c a l l y s i m u l t a n e o u s l y , t h ep r o b a b l y o l t l i s a s s e m b l c s e q u e n c ep i o d u c c da u t o m a t i c a l l y h a sb e e nr e s e a r c h e d ，i h cm a i n c o n | e l l ta sf o l l o w s ： 1 t h ea p p l i c a t i o no fd a t ah o u s ea n dp e t r iw e bh a sb e e na n a l y z e d f i n a l l y ，t h e a p p l i c a t i o np r o g r e s sa n dm e t h o do fp e t r iw e bi ng r e e nd e s i g ns y s t e mh a s b e e ns e a r c h e d 2 t h ep r o d u c td i s a s s e m b l yi n f o r m a t i o nh a sb e e na n a l y z e d p a r td i s a s s e m b l y r e s t r i c tm a t r i xi su s e dt ow h e t h e ra p a r tc a nb ed i s a s s e m b l e d 3 a c c o r d i n g t ot h e p a r t r e l a t i o n d e g r e e ，w e h a v e g e t t h e s u b - a s s e m b l y c l u s t e r i n g f o l l o w i n g ，t h ep r o b l e mo fd i s a s s e m b l es e q u e n c e c o m b i n a t i o n e x p l o d e c a nb er e s o l v e de f f i c i e n c y 4 t h es y s t e mo fd i s a s s e m b l es e q u e n c ep r o d u c e da u t o m a l i c a l l yi ss t u d i e dr a t h e r p e r f e c t l y k e y w o r d s ：p e t r iw e bp a r tr e l a t i o nd e g r e e s u b a s s e m b l yc l u s t e r i n g d i s a s s e m b l ys e q u e n c ea n a l y z i n gs y s t e m 致谢 相铆f 究生学习期间，我的导师刘光复教授甜h 、：巾_ i 忘对我的! l i 活和学习给予 关怀指导。师从刘老师只有短短的阿年p ij , j f n j ，但先生高尚的人格、严谨的治学 态度、i f 易近人的待人处事方式和渊博的学识却使我永生难忘。在课题研究和论 义撰写过程巾，先生均不遗余力地给予指导和教晦。值此学位论文完成之际，谨 向刘光复教授致以学生最d 衷的感激和敬意! 在i 论文的 j i = 过程i i ，始终得到刘忐峰教授的人力支特，没自刘教授的关心 和帮助，论文不可能顺利完成。i 司1 1 , j ，我还要感谢刘学平、汀卉彬和朱1 # 炳老师， 他们i t g 给我提 l ：了很多：蠢贵的意见。 啦把此论文献给远方的父母，感跚他们多年米在经济和! l 活上给予我无私的 父心j ! 顾。 感谢潘春霞、一：淑肌等川学的帮助。 作者：竹跃颖 2 0 0 2 5 2 0 埘 l 论义“跃颗 ml ! ； 第一章概论 i 1 机电产品拆卸回收研究的必要性 科学技术的发展为人类文明的飞速进步做小了巨大的贡献。但由于人们传 统思维和生产模式的影响，人们在过去很长一段时n u 内忽视了或者既没有意识 到生产活动对自然环境的影响以及由此产生的对人类社会的反作用。工业化初 j j 的人类无视资源的不可再生性和有限性及资源转化过程中的耗散规律，全球 资源在无止尽的掠夺中迅速耗竭。工业生产导致了全球性的环境污染、生态和 人们的生存环境遭受极大的破坏，人类面临来自自身的威胁和挑战：全球制造 、【k 每年大约产生5 5 亿吨的无害废物和7 亿吨有害废物：世界卫生组织提供的 报告指出：6 0 的城市悬浮颗粒物高于规定值，1 7 亿人j 缺乏安全饮用水，15 0 0 j 人死于环境污染( 环境保护报，1 9 9 0 年4 月1 9 闩) ： 面对r 益严重的生态和环境危机，资源、环境和人类如何协调发展已经成 为人们最为关心的经济社会问题。九十年代初的c i r p 圆桌会议指出：不能在产 品生命周期过程中对环境友好的制造商，将而临越来越多潜在的威胁和问题， 这是环境法和客户要求的结果。各固政府和企业纷纷做出努力来制定新的j 7 , l k 标准，同时投入资会进行可持续发展模式的探索和研究。比如，如果在街头扔 掉一台旧彩电，其结果可能是被警察逮捕并罚款l o j 同元这是同本今年实 施的废弃物处朋! 法所规定的。j 、l 是用旧的电器，在| 亘l 收时必须送到指定的部门 统一处理，并交纳3 0 0 0 - - 4 0 0 0 广l 元的垃圾处理废；东京都废弃物审议会去年8 j 底 7 1 ：会议，提出垃圾的排放者有为垃圾处理交赞的义务，生活垃圾也不例 外；为保护环境，减少垃圾排放，全i 水有4 6 r r j 自治休实行了垃圾收费制度， j 效果显著；北海道伊达市实行垃圾收费制度以来，两年内全市的生活垃圾排 放量从1 3 0 0 0 吨减少到8 0 0 0 吨。要刺废弃物进行合理的处理，对废弃物进行有 效的分类是至关重要的，这需要环保的理念深入人心，成为全民的共同行动。 在h 本，几乎所有的商品的包装上都有在利用标志，并注明材料类别，掘说在 麦当劳用餐，店家要求顾客进行的垃圾分类j l 乎达到了繁琐的程度，一位带着 三个孩子的主妇，拿着用餐后的托盘，整整整理了三分多钟( 环球时报2 0 0 l ， 1l ，3 0 ) ；掘韩国环境部统计，1 9 9 5 年韩国平均每人每天大约产生食物垃圾0 3 4 公斤，一年的食物垃圾多达5 5 0 j 吨，为此韩国政府大力加大节约的宣传，并 做出了相应的措施，为减少污染，甚至连牙签都是用淀粉制成的。制造业作为 资源消耗和环境污染的主要源头，其生产和管理理念也做出了重大的凋整，这 就是绿色设计和绿色制造理论的j “生。它将f l - 态环境和经济社会联结为一个卧 调发展的整体，采取主动和科学的措施，建立个仂、调环境与社会、经济发展 关系的运行模式。更进一步的，a y r e s 提出把自然系统和工业系统进行比较来 决定，l , i k 系统生态周期的决策。 坝f j 沦史眄跃颖筇2 贝 随着我国经济技术的发展，人们的生活水“t 有了显著的提高，机电产品特 ) 川足家i u ，“诮的普及率在迅速捉高，i i j 这些产晶的生命周期在缩短，或者说它 们的更新换代速度加快了。如何快速有效的处理废弃换代产品是绿色设计理论 而| | f i 的艰巨任务之一。我们知道，产w 的回收处理过程是从拆卸入手的，所以 对拆卸过程的分析又显得尤为重要绿色i 焚计理论要求产品在设计过程中考虑产 品全生命周期的各个过程，这样就有必要进行设计过程的拆卸理论的研究，以 促进绿色设计理论的发展，并为拆卸回收处理过程提供理论依据。 1 2 当前拆卸回收研究的现状和主要分析方法 拆卸是产品回收和重用的前提，无法拆卸的产品既淡不上有效回收，更不 可能有效的进行后续处理。能够满足消费需求又尽可能的节约资源的有效途径 是：一为延长产品的使用寿命；二是使构成产品的零部件或材料能够重复利用。 不过随着经济的发展，人们的消费观念发生变化，大部分产品的生命周期在缩 短，更新换代速度加快了。所以有效实现产品的绿色特性唯有从零部件或材料 的重复利用着手，重复利用要求产品i 殳计时的结构、选材等各个方面能较好的 满足拆卸回收设计的需要。由于现代机电产晶多是机、电、液相结合或多学科 交叉的技术密集型产品，产品的零件成分多样化、结构复杂，给产品的拆卸过 榭分析带来了较大的困难。例如，某个零件可能兼有污染和非污染的成分；一 些零件结构复杂，拆卸过程过于费事，其经济性太差：等。 拆卸| 回收设计已经成为现代设计领域的研究热，_ 之一，特别足柏：欧荚等发 达凼家，不仅在拆卸回收的理沦研究方面取得了一定的进展，而且刘实物产品 ( 如汽车、冰箱等) 的大规模拆卸回收工作也取得了重大的成就。c i r p l 9 9 5 年 4 5 厢年会提出，当前设计易拆卸及曰f l c q 收产黼已逐渐成为产t 铺i t 汁阶段的关键 问题。令人担心的是：国内许多企业高谈绿色环保产品，只是在赶流行或者是 迎合一种消费需求，而实际上采取的措施则少之又少，甚至根本没有；另外， 相关法律法规并没有在环保上做出明确而又具有针对性的规定，企业界也没有 就此达成共识。面对国内的现状，绿色设计工作任重道远。 经过近2 0 年的探索和研究，拆卸回收理论取得了一定的进展。1 9 9 3 年，a l t i n g 在其论文“持续工业生产的基础：生命周期概念”中，提出“产品在 冶炼、生产、销售、使用及废弃回收的每一阶段都不能对环境造成危害的理念”。 以1 1 b 为基础，当前世界对拆卸分析的研究主要分以下几个方而： 拆卸零件信息系统 产品装配拆卸建模 拆卸深度及评价指标、评价模型 拆卸序列优化生成 产品可拆卸性分析 拆卸经济性分析 坝i 论义曾跃颗 如3 贝 拆卸继承建模模型 目前主要进行的研究和分析方法有：1 w a t a ( 1 9 9 3 ) 提出了基于运动学的 仿真系统评估方法，以评估装配拆卸的难易性，它通过产品的3 一ds o l i d 图形计 算零件的可能运动，并得出零件从产品中拆下的可能性：f e l d m a n ( 1 9 9 4 ) 提出了 綦于知以的拆卸规则；l i 等( 1 9 9 5 ) 提出了计算装配体拆卸经济最优化的序列 的方法，并建议在何处停止拆卸。ts u g a ( 1 9 9 6 ) 对产品的拆卸能量进行了量 化，并从拆卸能量和拆卸熵角度对拆卸难度进行了定量分析。l 1 a p e r r i e r e 等 ( 1 9 9 6 ) 提出了基于自由矩阵判别零件洲几何干涉的判别方法，对b r e p 文件 包含的零件表面信息进行了数学方法的测试，计算稳定性模型的稳定性分析， 并丌发了相应的装配规划软件。j o s e p h f s c h e u r i n g 等以相机为例丌发了集成化 拆卸和装配过程方案，经过装配拆卸模拟，提出了在集成化装配、拆卸条件下 改进产晶设计的方法；h o n gcz h a n g ( 1 9 9 6 ) 提出了生命周期术端产品回收 基j 二图形法的拆卸模型，该模型将拆卸叫收优化决策问题转化为图形搜索问题， 通过图形搜索决定拆卸终点，建立拆卸序列、计算拆卸费用、监测材料物流， 评估产i u l 的环境相容性；r a j i t 等( 1 9 9 8 ) 丌发了产品拆卸及维护的虚拟拆卸软 件工具，列产品原型进行拆卸分析并评估了拆卸的难易程度和拆卸费用；d b e a s l e y 、rrm a r t i n 等( 1 9 9 3 ) 将构成产品的零件采用三维映射成立方体单元 集，进行拆卸序列的分析。 在实际应用中，许多公司和研究所都在收集现有产品的手工、自动拆卸经 验，以将拆卸工艺模型化。在荚囤，从一些同家重点实验室到国家研究中心， 从东海岸的麻省理工学院到西海岸的b e r k e l e y 加州1 大学，大量的研究工作币 在进行，如b e r k e l e y 加州大学不仅设立了关1 ：环境意t 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g r e e n m f g 。 卡奈基美隆大学的绿色设计研究所从事绿色设计、管理、制造、法规制定等的 研究和教育工作，并与政府、企业、基会会等广泛合作。例如，美国克莱斯勒、 通用和福特等三大汽车公司共同创立了汽车回收丌发中心，对新车进行拆卸试 验，他们拆下了全部组件，将每个零件的重量称出来，对整个过程录像，以研 究如何改进汽车设计，使拆卸更容易。德国宝马已设计了一个d f d 车阳j ，改变 传统的连接方式，减少了使用材料的种类，几乎可以1 0 0 回收利用，取得了 明显的社会和经济效益。此外，l j 本的丰h 1 公司- x , j 其产品进行了类似的研究。 困内也有一些学校币在研究与此川关的课题。合肥工业大学在1 9 9 3 年就 丌始进行绿色设计的研究，对绿色产品评价理论与方法、可拆卸性设计等进行 了研究。上海交通大学对轿车的回收、重庆大学对绿色制造中的能源问题、华 中理丁大学对生命周期设计理论进行了研究。同国外的研究不同的是，国内的 研究山于起步较晚，并且受各方面条件的制约( 如研究条件，企业参与程度等) ， 从总休上说，相关工作的水s i 还比较低，尤其刁i 足的是所涉及到的理沦和分析 坝f 论史竹跃颥4 贝 结果的应j j 水j i t 较差。 1 3 卸过程分析主要面临的困难 在国内，山于缺乏相关系统的理论及方法的支持，关于拆卸过程的分析远 未达到实用的阶段，甚至针对个别典型产品的研究出没有取得预期的效果。可 以说，现有的研究大多停留在认识阶段、概念阶段，对许多问题尚缺少深入的 研究。研究工作的焦点主要是关于拆卸序列、拆卸路径的规划及评估工具的开 发，带有较大的主观色彩、使用可操作性差、可信度有待提高。这主要因为： 传统，一品没计形成的思维定式仍在统治地位。设计人员对机电产品的绿色设计 理论及应用没有结合进去或考虑不足。另外，产品设计人员对相关方面的自主 j f ：发能力不强，缺乏创新意识：没有适 i ：的绿色产：品没训支持工具和设计方法。 换句话说，有关拆卸的研究仍存在局限性，主要表现在以下几个方面： 一、零件的信息表达 绿色设计理论的丌展需要统一有效的信息源。对拆卸过程来说，零件信息 有与绿色设计相似的部分，也有拆卸过程独有或特别需要考虑的因素。如何在 众多的零件信息中确定起主导性的因素，进行能表示和组织好是我们面临的一 个问题，尤其重要的是拆卸过程中零件信息与我们进行分析的方法以及目的又 有很大的联系，比如拆卸经济性分析需要比较全面的零件信息且考虑每一环节 的成效，而关联拆卸分析方法主要考虑零件几何因素以及零件问的相互关系。 二、拆卸分析的方案欠缺通用性 山于产品的多样a - ( 既组成的零件数材料结构等各方面相距甚远) 针对某 一类或某种产品的拆卸分析方案和方法的适用范围都不广，t ；1 ：1 1 t 适合冰箱拆卸 过程的拆卸方法及分析拆卸方法及分析过程列汽砷i 米8 并不完全适用甚至根本 不能用。这使我们的研究过程面临较大的困难。要想使方案具有较好的通用性， 只能从产品的共性入手。分析产品拆卸过程最基本的因素极其联系，许多关键 问题不能进步细化，只能是一个大的理论框架。需要恰当的处理通用性和可 用性之间的关系，在通用性的基础上，针对0 i 同的目的和要求做出进一步深入 的研究。 当然，产品拆卸过程的分析还面临其他一些问题，但都不是基本的。以上 几个方面都是相关研究的制约因素，我想如果能较系统的解决这几个困难，将 柏i 协丁产讯拆卸分析的深入进行，j 州一j 实川化迈重要的一步。 1 4 本文研究的目标和主要工作 本文的研究工作是结合国家自然基金项目“机电产品绿色设计理论与方法 的研究”进行的，文中对机电产品生命周期系统没计、拆卸信息及其建模、拆 卸序列生成方案和路径优化进行了分析；在他人 i j i ：究的丛蜊j 上，分析了拆卸序 列自动生成模型实现的可能性及实现方法。 主要内容包括以下几个方面： 坝l 沦疋特跃颗 机r 乜产品生命周期系统i 殳讣 在传统绿色没计产品= ! i ! = 生命周j n 】系统框架结构的基础上，引入p e t r i 网对其进行分析：p e t r i 网是一种可视化建模工具，既能从静态反映模型 的联接，又能反映系统的过程，应用p e t r i 网对产品全生命周期过程进行 分析，建立系统框架模型、模块及连接关系，以便静态反映产品全生命周 期过程模型的联接，动态反映系统各个部分的过程。 拆卸信息分类和建模 零件所涉及的信息种类繁多，牵涉到几何形状、材料、零件问关系等 各个方面。我们所要做的是如何把众多的信息合理的分类并有效的表达出 来，根据不同的分析目标和要求，突出重点的关键性因素。文中根据拆卸 分析的需要，对产品的零件信息进行了分析和总结，较好的组织了从结构 角度进行拆卸分析所需要的零件拆卸信息，以推动拆卸分析的进行。 产品自动拆卸决策分析 本文以产品零c h 日j 关联度、制约矩阵以及稳定性图的定义和分析为基 础，得出了一个系统也具有一定严密性的产品拆卸序列自动生成系统的决 策模型。为了一般性的表达拆卸过程的特点和分析方法，文中尽量简化相 关分析与具体产品之间的联系，以达到通用性的要求。最后为验证该决策 模型的可行性，结合具体产品进行了进一步的分析。 系统程序设计 设计了拆卸路径评价系统的主体界面框架结构，在此基础上，实现了 拆卸路径的自动计算过程。界面具有较好的可操作性和可填充性，为后续 埘f 究添 | | 的内7 捉f i 了较女r 的接il 。 坝i j 论史曲跃颧m6 “ 第二章机电产品生命周期系统设计 绿色设计方法的研究丌展多年以来，尽管在确：多方丽取得了较大的进展， f | - l 从总体上说，还不尽如人意。绿色设计作为一个涉及机电、材料、工艺、环 境及能源的大系统，其分析评价过程应该遵循先总体后部分的结构。换句话说， 必须先从系统的角度分析绿色设计理论的框架结构，研究产品全生命周期过程 的阶段划分、相互之间的关系、数据采集和纰织、信息分类以及信息流管理等， 得 j ；系统的模型框架和模块之f 1 1 j 的关系。接下来分别探索系统各个模块( 或阶 段) 的特点、所要解决的问题、算法等：当然，各个子模块的分析过程是在系 统总体框架的指导下进行的，比如相同的数掘源、并行兼容接口等等。最后， 综合评价各个阶段的分析成果，完成系统过程。当然，并不是说绿色设计的总 1 小仃务已经完成了，应浚进行进。步分析循m ：过程，做进步细化和完善二 ：作。 然而，我们前期的研究工作在很大程度上走入了误区：对生命周期的几个阶段 进行了较为深入的研究，但因为缺乏系统从总体上的指导，各个部分的研究是 孤立进行的，缺少统一数据源、信息流规划和兼容接口，不能使我们的研究工 作很好的连接成整体，其成效也就难免打了折扣。 p e t r i 网作为一种可视化建模工具，既能从静念反映模型的联接，又能反 映系统的过程，应用p e t r i 网对产i w 全生命周期过程进行分析，建立系统框架 模型、模块及连接关系，具有简沽、严潍、商观的优点。p e t r i 网技术综合考 虑产品全生命周期的各个过程，需要统一的数据源和数据组织结构，本文采用 数据仓库技术，可以建立统一、协调和集成的信息j ： ：境，支持绿色产品生命周 j j 过成的全局决策和对各个阶段的深入综合分析。 2 1 产品绿色设计生命周期体系结构 绿色设计( g r e e nd e s i g n g d ) 也称为生态设计( e c o l o g i c a l d e s ig n e d ) 、生命周期设i - i ( l i f e c y c l ed e s i g n l c d ) 等，其内涵是 在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳入产品设计之中，将环境性能作 为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响为最小。虽然绿色设计的 重要性已得到普遍认同，研究范围和深度也在不断拓展，但针对具体产品如何 进行绿色设计至今尚缺乏系统、可行的方法。在系统分析研究绿色设计特点的 祭础一i ：，我们认为绿色设计的体系结构可以划分为3 个部分，即产品结构设 计、材料选择、产品环境性能设计与产品资源性能设计，每一部分都从全生命 周期的角度进行设计选择，并通过相关环节( 如评价等) 相互联系和进行信息 交换。 ( 1 ) 绿色产品结构设计。绿色产品的结构除满足普通产t 讯的基本要求外，在绿 色设计过程中主要考虑的是结构的易于拆卸与回收处理。良好的拆卸性能和回 收性能是绿色设计的主要内容。其研究内容包括： 坝1 1 论文竹跃颖第7 贝 产品拆卸设计方法研究。 产品可回收性评价模型的建立。 拆卸结构模块的划分及其结构设计与分析。 拆卸评价指标体系的建立：。 零部件及木才料分类编码及识别系统的建立等。 ( 2 ) 绿色设计的材料选择。绿色材料是构成绿色产品的基础，绿色设计应选择 绿色材料。绿色设计的材料选择模型包括以下内容： o 绿色材料的定义和内涵。 o 材料选择剥环境的影响。 0 材料选择的经济性分析。 o 产m 材料相容性分析等。 ( 3 ) 产品资源性能设计。绿色设计通过并行考虑产晶生命周期的各个阶段， 达到使产品的资源得到合理利用和配置。绿色产品的资源性能设计模型主要内 容包括机电产品生命周期的资源消耗模型的建立以及生命周期资源使用的耗散 规律。 2 2 数据仓库技术和p e t r i 网简介 2 2 1 数据仓库及在绿色设计中的应用 数据仓库是面向对象的、集成的、稳定的、随时n u 变化的数掘集合。数掘仓 库需要列各数据源中提取的数据进行加工和组织，使之适合并行分析系统的功 能和；箔求，值得注意的是，数掘仓库升i 仪足个人的数据库，在一定程度上， 它f 司时也是一系列技术和解决方案的集合。 1 体系结构 如柏所述，数据仓库从多个信息源中获取原始数据，经加工处理后，存储在 数据仓库的内部数据库中，通过数据仓库访问工具，向数掘仓库的用户提供统 一、叻、调和集成的信息环境，支持绿色设计全局决策过程和划产品全生命周期 的深入综合分析。为达到这样的目标，数据仓库一般包括以下几个主要组成部 分： ( 1 ) 数据源( s o u r c ed a t a ) ( 2 ) 数据提取( e x t r a c t i o n ) 和刷新( r e f r e s h ) 等工具。 ( 3 ) 数据建模工具( m o d e lt o o l s ) ：为数据源和目标数据库建立信息模型，以 描述相应数掘过程。 ( 4 ) 用于存储数据模型和元数据的元数掘仓储。 ( 5 ) 掘监控和管理工具。 ( 6 ) o l a p ( 联机分析处理) 服务器：把视图f l j * t l 应操作映剁到关系表与s q l 查询上。 ( 7 ) i j 端数据查询和分析工具。 坝f 。沦义阿跃颗 2 数据仓库技术在绿色设计数据库建立过程中的应用 数据仓库的组织方式可分为虚拟存储方式、基于关系表的存储方式和多 维数据库存储方式三种。鉴于绿色设计全过程巾数据使用和数据源的特点，我 们采j 日基于关系表的存储方式。它足将数据仓库的数据存储在关系型数据库的 表结构h 在冗数据的管耻i i 完成数据仓库的功能。这种表结构f f f j 数川组纵力 式何利于对数据的查询分析等操作；同时，便于数据的随时更新和扩充，这对 于绿色设计过程是极为重要的，因为绿色设计巾包括产品信息、环境性能标准 以及零部件信息状态等都是变化的。此外，绿色i 殳计过程山许多过程组成，如 i 5 2 汁过程、制造过程、拆卸回收等，而每个过程都有各自的特点，所涉及的 数锯和侧重点不尽相同；这种基于关系表的c s 数据管理模式能够较好的实现 数据的并行使用，同时可以减少数据的) c 余度、节省系统的数据存储空间、大 大减轻设计人员在数据操作过程中的编程工作。 结合绿色设计特征和数掘仓库的纽成及作用，可以建立绿色设计数据仓库 方案的基本结构，如图2 1 所示。 材料、j t 寸 驶污染等 标准 产品零部 件f 弃息 t 岂衍 息j 卞 丁其f i i 息库 c ，s ： 甜j = i | i 件请i ，仆析敬据输入 绎济忡分析制造装配过 程 中央数据库 服务器 拆卸h 收过 程 坡弁物处删 过程 零件问 关系f 青 息 专用程 序接l i 玮境忡耳绿 色度分析 图2 1绿色产晶设计数据仓库系统总体框架 2 2 2 p e t r i 网理论及其在绿色产品生命周期模型中的应用 l p e t r i 网理论及特点 p e t r i 网理论是2 0 世纪6 0 年代山德国的c a r la d e np e t r j 1 尊士在他的沦 文j n 自动机通讯中提出的，1 ：要研究系统- 1 1 并发现象的一种理沦，同时又足 坝h 女竹踬颧 严格定义的数学刘象，其分析办法= 手【j 技术即r 】j 于静态结构分析，又可j f j 于动态 行为分析。虽然近年以来有了若干发展分支( 如时问p e t r i 网、着色p e t r i 网 等) ，其应j i 】涉及计算机学科的各个领域，例如软件l i - 程、形式语言、数据管理 等，并与而向对象技术紧密结合。 p e t r i 网可山资源、库所、变迁、容量等基本术语进行描述： 资源：指与系统状念发生变化有关的元素，如设备、数掂及信息等。 库所：又称状念元素。它不仅表示一个场所，而且表示在该场所存放了 一定的资源。 变迁：资源的消耗、使用及产生对应f 状态元素的变化。 容量：库所对储存资源的数量的限制称为库所的容量。 定义：六元组= ( p ，t ；f ，k ，w ，m 。) 构成网系统的充要条件是： ( 1 ) p n t = ( d ( 2 ) f u 1 巾 ( 3 ) f c l ，t u t l ( “”为t 行苦尔年j ) ( 4 ) d o m ( f ) uc o d ( f ) = p u t 其中d o r a ( f ) = x | y ：( x ，y ) f 7 ) ，c o d ( f ) = y 1 x ：( x ，y ) f )分别为 f 的定义域和值域。 ( 5 ) k ：j ，一i n u u )其小i n = “，2 ，：；，) ，6 0 表示无穷。 ( 6 ) w ：l ? 一i n ( 7 ) m ：p i n 。其中i n 。= 0 ，1 ，2 ，3 ， ) 和t 分别称为的库所集和变迁集，f 为关系流。k ，w ，m 依此为的容 量函数，权函数和标识。m 。称为的初始标识。 网论尊重资源有限的事实，所以代表资源分斫j 的标识m 只能为每一个库所 指定有限多个资源。库所的容量也是有限的。按定义允许有些库所的容量为u ， 这只是表明这些库所的容量不会对系统的行为构成限制。 p n 图2 2p e t r i 网图例 9 坝i 论义扮跃颧筇1 0 负 网系统除了上述的形式化定义外，同时网系统还具有直观的图形表示，如 幽2 2 所示，其中p 表示状态元素，l 表示变迁元索，k 表示库所的容量，箭头 j ：的数字表示所需或产生该种资源的数量 l 隆g r - n 年l l 变迁分别川圆l j ! 1 0 用i 力框口表示，俅个。代表1 。种资源，j e q i 黑点个数代表该利一资源的数景。库所所代表的资源在发小变迁时如箭头一所 示的方向流动。 利用p e t r i 网进行系统建模，能够支持从需求分析直至模型实现的全生命周 期迩模过程，它具有以下显著的特点： ( 1 )使用例图描述产 全生命j 嗣j 系统f 门建模需求。使j j 例图，可以实 现系统功能目标( 在例图叫1 定义) 和系统行为( 在模型j _ i y i 述雨l 设计 中定义) 的分离，使得对它们的修改互不影响。 ( 2 )建立的模型足一个町执行f i j 过程( 系统) 模型，功能分解l j j 分层进 行、逐步优化：是可继承和重用的模型，支持剥各构件的程序设计 方法，实现过程、需求描述、系统结构与软件的复用和组装，降 低建模的复杂性。 ( 3 ) 模型采用可视化的图符与1 1 i 文描述棚结俞的表达方式，按照系统内 外部的约束条件对模型的建寺进行灵活的控制。 陔系统最初主要应刚于制造资源舰划过程q 一，描述制造过程中储料、工件 位胃规划、输送方案管理、资源竞争与冲突等内容，在对p e t “网表示的系统结 构进行分析后，实现制造过程的优化和系统资源的合理配置。此外，p e t r i 网也 有表示状态、行为、条件、动因的含义和作用，所以我们在绿色设计的结构体 系研究中引入该理论。当然，该理论在绿产1 全生命周期r | j 的应f j 尚属首次， 其结构和应用方法并不一定完全适合产：品生命周期过程，也就是说需要进行一 定的简化，我们只取其理论精义；另外在科学技术发展史一i z ，对一复杂系统的 研究都是从各个部分入手，通过简化和研究主要影向因素丌始的。这种分析研 究的递进方法具有较强的方法论和现实意义，而且以被无数次证明是行之有效 的。这样，我们对该理论进行以下简化，1 1 然后续的分析和应用也足以此为基 础的： p n s = ( p t i ，0 ) 四要元的含义为： ( 1 ) p 为位置的有限集合，表示状态或资源。 ( 2 ) t 是变迁的有限集合，加工过程或分析行为。 ( 3 ) i 是从p 到t 的有向弧的重复数或杖的集合，表示事件的前提条件、动因。 ( 4 ) o 为从t 到p 的有向弧的重复数或权的集合，表示事件发生的结果。 依据以上分析的简化方法，以绿色产品设计理论的前期研究成果为基础， 建立基于p e t r i 网的绿色设计产品生命周期模型结构。 坝i j 论史| i i 跃颖 0 2 5 2 0 2 3 绿色i 殳计的体系结构 图2 4 绿色产品全生命周期结构模型p e t r i 网 f 叭- 沦殳跃颗 2 3 绿色设计结构的p e t r i 网模型 图2 3 所示的绿色设计的体系结构，将绿色设计划分为四大部分，即产品 结构设计、材料选择、产品环境性能设计与产品资源性能设计，每一部分都从 全生命周期的角度进行设计选择，并通过相关环1 ，( 如评价等) 相互联系和进 行信息交换。 采川i e n s e a 提出的谓词变迁网的定义结构，结合谓词变迁网的性质和特 点，将图2 3 所示的绿色产品全生命周期结构模型描述为图2 4 所示的p e t “网。 图2 1 网t j l 悄词库所存放的 4 容以及变迁的功能如表l 所示：其建立过程 如下： 表lp e t r i 网变量声j j ：所 存放山容变j 上j j j 能 1 1 1产品选择t 1对产品i 韭计的初始准需 p 2 对产品要求的描述 t 2 对p i 、p 2 进行综合 i 对产品所需资源的描述t 3 结构蟛响分析 i ，4 h 设计准则t 4 利 ： 蟛响分析 p 5利利选样准则l 5叫、境r i j j l ；响分析 1 1 6 环境忡分析准则 t 6 资源忡| ； ；响分析 i 7资源准则l 7议h 方案托生产过程中的计价 i 8 结构啦i l j ：f ；响 l 8 设计方粲介使用过程中的计价 p 9 利料选掸彬响 t 9设计方案nh 收处理过程中的w 价 p 1 0 环境r 影响 t 1 0总体计价 r l l资源影响t l l数据库和知识库参考过程 i ，l2 生产过程w 价结果 2 将甜价 果j 标准世上行比较 p 1 3 使用过程计价结果 t l3小满足蛰求 r 1 4i a l 收处理过程评价结果t 1 4满足赞求 p 1 5综合计价结果t 1 5改进方案分析 p t 6综合计价数据库年兀知识库t 1 6蕈新选择口标产品 i ，i7 绿色度鼗求 ，1 8输m 改汁力案 l ，1 9 改址方：艇 坝 j 论殳牲 | ! 疋： l i i ( 1 ) 当p l 巾出现了产i f 选择，即有了一个托肯( t o k e n ) 则t l 满足活动 条件，可以触发。在t l 中进行两项：第一，对产品进行描述，主要考 虑产。1 l l l 的要求：筇二，刘产二品设计所要求的核心资源进行州i 述。 ( 2 ) 当p2 和p 3 中有了1 4 容后，t 2 有触发条件，对p2 和p 3 中的内容 进行综合之后完成有关产i 设计过程t t 结构、材料、环境性和资源等 的决策，包括标准、评价过程、决策结果等行为。在p 8 、p 9 、p l o 、p l l 的内容确定之后，丌始触发产品设计过程中关于结构、材料、环境性 以及资源性等方案在生产过程、使用过程、回收处理过程。f 的表现， 或者说评价其影响。这样一米就得到p 1 2 、p 1 3 、p 1 4 中的内容。 ( 3 ) 得到设计决策在生产、使用和回收过程中的影响后，可以触发t 1 0 完成对产品设计的总体分析，参考p 1 6 ( 综合评价数据库和知识库) ， 进行设计规划的评价。 ( 4 ) p 1 7 中分析设计方案是否满足绿色度的要求，产生两种结果：一是 满足要求，则输出设计结果，并转入下一次产品分析；二是不满足要 求，则提出修改意见，再进入方案设计阶段。 ( 6 ) 提出修改意见，进入方案设计阶段后，产品的绿色设计过程大体上 仍然按原来的分析过程和步骤进行；不过要以前期的分析研究过程为基 础，并充分考虑提出f r j 改进意见。 2 4 在拆卸过程中的应用 如前所述，p e t r i 网具有分层细化的功能，| j 在系统模型的子系统部分同 样可以利用p e t r i 网来进行类似的分析，以达到逐步完善系统的目的。这罩仅 为说明其分层细化的功能，对拆垂l jj y , j s 0 的生成过程作简要的分析( 关于拆卸序 列的生成过程是本文的中心内容，在第四章有详尽的论述) 。 进一步进行系统 模型的细化工作，以手电筒的拆卸为例( 主要从结构上进行分析) 。文献 5 3 洋细分析了拆卸过程的影u 向因素，并得出了产品拆卸序列生成的完整模型框架 流程图。把它转化为图2 5 所示的p e t r i 网模型： 运用图2 5 的结构模型( 其建立过程和语义、变迁的涵义分析与系统过程 的分析相似) ，以文 5 3 提出的扳手为例进行分析： l ，l 为产：品选择，这1 b 选择扳手；t l 对产- 的结构进行分析，得出产品的关 联矩阵( p 3 ) 、制约矩阵p 4 以及稳定性关系图p 2 ；t 2 对产品进行聚类，得出子 装配体p 5 ，再结合p 4 的信息山过程t 3 计算予装配体的空间制约关系，有两种 结果p 8 ( 满足条件) 和p 9 ( 不满足儿何约束) ：对后一种情形，把不满足条 件的零件加入到予装配体i l ，返回l 3 ，即从p 9 一 t 5 一 p 1 0 t 3 的过程：结 俞p 8 和p 2 的信息进行稳定性分析t 4 ，如果稳定( p 6 ) 则把子装配体作为一个 坝论史婀断颗第15 贝 第三章产品拆卸的分类及信息组织方式 如i j 所述，绿色设计过程由许多过程组【成，如设计过程、制造过程、拆卸 i 收筲，| | 每个过样挪n 符f | 的特l l ，所涉及n 0 数 l 阳l 侧m l i i 越川州：刈 一个产1 7 ，的生命周期过私! 来浇，f 齐息包j j l 荇个办，这些信息的构成、来源、 述及其合理的组织足本章的形f 究重j _ 。 3 i 拆卸分类 1 针刘零件从装配体中拆下的拆卸办法，可剥拆卸进行以下的分类： ( 1 ) l m 维可拆：丛0 ：从装配仆at ，拆卜c ：所需的j j 砷 l j 线肜移动的方向 次数，分为1 1 1 维可拆，1 维呵拆。 i n 维可拆指基于从装配体a 中拆下c i 在空n u 或平呵内需要m 次连续的线 彤移动，l 维可拆指拆下c 只需1 次线形移动即可。 ( 2 ) 直接或问接拆卸：基于拆卸某个同标零件时是否需要先拆去其它的零件， 分为直接拆卸，问接拆卸。若拆卸c i 时，必须移走其他零件，称为划接拆卸。 一i 需要移走其他零件，称为直接拆卸。 ( 3 ) l q j i 序或，f 行拆卸；麟于同时拆缶的零什数的多少：分为顺序拆卸，并行 拆卸。顺序拆卸指每次只能拆下一个零件，并行拆卸允许同时拆下几个零件。 如果予装配体 c l ，c 2 ，c 3 ) 作为一个整体拆下，然后再从中拆下c 3 ，这种拆卸 称为顺序拆卸。若c 1 ，c 2 ，c 3 作为t 弘个零件可同时拆下，这种拆卸也称为并 行拆卸； ( 4 ) 单纯或非单纯拆卸：基于拆卸某个目标零件时，需对其它零件的操作情 况进行分析，分为单纯拆卸，非单纯拆卸。例如拆卸某个i j 标零件u 、j ，需转动 其它零件，这种操作便为非单纯拆卸。 ( 5 ) 破坏或非破坏拆卸。基于拆卸零件方式是7 i 要对零件进行破坏，分为破 坏或非破坏拆卸。在非破坏拆卸中，所有零件均不被破坏。若有一个或多个零 什被破坏了，则称为破坏拆卸。 2 根据个产品被拆卸的程度，拆卸可分为完企拆卸、部分拆卸、目标零 件或部件拆卸几种方式： ( 1 ) 完全拆卸：指将一个产品完全拆卸至每一个单个的零件。这种拆卸方式 主要应用于理论研究，在实际应用中应用很少。 ( 2 ) 部分拆卸：指将一个产品中的部分零部件进行拆卸。通常进行部分拆卸 的原因足出于：经济因素考虑，当拆到某一个零件时，剩下的零件所具有的回 收价值已经小于对它们的拆卸费用，从经济角度出发，认为继续进行拆卸已经 没有价值：或者作为材料回收时，剩下零件为同一种的材料，便不再对它们继 续进行拆卸而将它们作为整体一起回收。这种拆卸方式存实际应用 】应用最为 j “泛。 n i ! f 。论站汀跃颛 f 3 ) 日标零4 1 ：或部什拆卸：j f f x , j 产品中指定的零部件进行拆卸的方式。进行 i 二i 标零件或部件拆卸的原因主要出于重用或环境等因素的考虑。例如，在产品 使门j 阶段，j ：品r i 的某个零部什失效而需要将其拆下进行维修；或当产品寿命 终结丽被废弃时，其中的某个零件或部件具有较大的价值j ：仍然可以重用或可 以修整翻新：或者废弃产出i j 的某个零什或部件剥环境具有较大的破坏性：此时 应考虑将这样的零部件作为日标零件进行拆卸。这种拆卸方式在实际应用中也 较为常见。 3 2 产品全生命周期信息组织模式 棚互关联的一组零件按照特定的装配关系组装成部件，一系列的零件和部 i i ：y j + 机的装配在一起则形成为产； 。将产，昏按n ； f l i f l ：、零件进行分解，部件在 进一步分解成组件和零件，直到不可冉分为止，山此形成分层的树状结构，即 产t 记结构树。在产品结构树中，根节点代表产品或部件，枝= 肖点和i 叶节点分别 代农部件( 或 j l f q ：) 、零件。通过建立零什利部件m 的灭联关系| j 可表达产t 铺结 构层次。产品结构树中，每个组成部分都有自己的属性，如零件标识、材料、 类型、对外连接属性( 表示该零件或部件与其他部分之间的空问约束关系) 等， 町以按照单个或多个属性进行单独或联合查询获取零部件的详细信息。如图3 1 所永： 产品或 部件 r 部件零件 文档 图3 1 产品结构树及文档刺应关系 以上足对产品信息的结构来进行分析的，没有剥单个零件的信息属性进行 石j 究。包括环境属性、工艺信息、基本信息、过程信息、零件问关系信息以及 ：i ：具信息等：结合一些已经丌展的研究工作，我认为零件的信息可以分为两个 人类，即挂本信息和过程信息，作以下的总结： 甸甸甸| | 甸 一 帧f j 论史凹跃颖第17 贝 图3 2 零件的信息 丛本信息 零件的基本信息是指零件许多固有的特性或特征，如零件的几何形状、 材料等，这些参数受产品的使用或其他过程的影响很小，可以在分析过程 中认定是不变的。 过程信息 这垠的过程是指与产品生命周期各个阶段相关的活动，比如生产、装