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家电产品回收工艺流程决策评价支持系统的研究 摘要 在我国这样一个人均资源占有量很低的国家，进行家电产品回收利用的研 究具有重要的意义。本文在简要介绍家电产品回收利用的现状、关键技术及有 效途径之后，提出了家电产品回收工艺流程的动态评价指标体系框架；引入了 融合灰色群体层次分析法和模糊层次分析法的改进层次分析法，用以确定评价 指标系中各个指标的组合权重：应用图论的基本原理，提出了回收工艺流程有 向图的建模方法，并引入遗传算法求解最优回收工艺；结合实例产品一家用电 冰箱，给出了家电产品回收工艺流程决策评价支持系统的原型框架和具体实现。 关键词：家电产品回收工艺动态指标系框架改进层次分析法遗传算法 决策评价支持系统 r e s e a r c h0 1 1d e c i s i o na n de v a l u a t i o n s u p p o r ts y s t e m o f r e c y c l i n g p r o c e s s e so fh o u s e h o l de l e c t r i ca p p l i a n c e a b s t r a c t i ti s v e r yi m p o r t a n tt o f o c u so nt h er e s e a r c ho fr e c y c l i n ga n dr e u s i n gh o u s e h o l d e l e c t r i ca p p l i a n c e ( h e a ) i no l , a - c o u n t r y a f t e rt h ep r e s e n ts i t u a t i o n ，k e yt e c h n i q u e s a n de f f e c t i v er e c y c l i n ga p p r o a c h e so fh e ah a v eb e e ni n t r o d u c e d ，t h ef r a m eo f d y n a m i cd e c i s i o na n de v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mo fr e c y c l i n gp r o c e s s e so fh e a i s p r o p o s e d t h ei m p r o v e da n a l 【y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( i a h p ) i nw h i c hg r a yg r o u p a h pa n df u z z ya h pa r ei n t e g r a t e di sa p p l i e dt od e f i n et h ec o m p o s i t ew e i g h to f e a c h i n d e x t h e p a p e rh a sp u t f o r w a r dt h e m o d e l i n gm e t h o do fd i r e c t e dg r a p h o f r e c y c l i n gp r o c e s s e sb a s e do ng r a p ht h e o r ya n dt h eg e n e t i ca l g o r i t h m sa r eu s e dt o s e a r c ht h eo p t i m i z e dr e c y c l i n gp r o c e s s e s c o m b i n e dw i t ht y p i c a lp r o d u c t ，h o u s e h o l d r e f r i g e r a t o r ，t h ef r a m ea n di m p l e m e n t a t i o no ft h ed e c i s i o na n de v a l u a t i o ns u p p o r t s y s t e mo f r e c y c l i n gp r o c e s s e s o f h e aa r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：h o u s e h o l de l e c t r i ca p p l i a n c e r e c y c l i n gp r o c e s s e s f r a m eo f d y n a m i c i n d e xs y s t e m i m p r o v e da n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s g e n e t i ca l g o r i t h m sd e c i s i o na n de v a l u a t i o ns u p p o r ts y s t e m 致谢 在此论文完成之际，首先要感谢我尊敬的导师刘志峰教授! 在我三年研究 生学习期间，无论是学习上还是生活中，老师都给予我热心的指导和悉心的照 顾。特别是在本论文的撰写过程中，老师不厌其烦、一丝不苟、不遗余力地给 予指导和教诲。老师严谨的治学态度、平易近人的待人处事方式和渊博的学识 使我永生难忘，并将永远是我学习的榜样。 在论文的研究过程中，始终得到刘光复教授的大力支持，没有刘教授的关 心和帮助，论文不可能顺利完成。同时，我还要感谢朱华炳和刘学平两位老师， 他们给我提出了很多宝贵的建议。此外，特别感谢我的合作伙伴蒋中伟同学， 三年的共同研究不仅使我们在学业上相互促进，更是凝结了深厚的友情。 谨把此论文献给我挚爱的父母，感谢他们多年来在经济和生活上给予我无 微不至的关怀和支持。 感谢潘春霞、曹跃颖等同学的帮助。 作者：施震 2 0 0 1 年5 月 插图清单 图1 1 家用电器的回收技术过程 图1 2 家电产品闭环回收系统 图1 3 家电产品回收设计流程 图2 1 倒叉树组合结构示意图 图2 2 动态指标体系运算示意图 图2 3 灰色群体a h p 运算流程 图2 4 改进层次分析法流程示意图 图2 5 冰箱回收工艺流程评价层次结构 图2 6 家用冰箱箱体回收工艺流程 图2 7 无向图g l 和有向图g 2 图2 8 无向图g 的邻接表表示 图2 9 g2 的邻接表和逆邻接表表示 图2 1 0 戴克斯徒拉( d i j k s t r a ) 算法流程图 图2 1 1 最优化问题的可行解及可行解集合 图2 1 2 遗传算法的主要构造过程示意图 图2 1 3 树及其p r i j f e r 数 图2 1 4 最优回收工艺流程搜索遗传算法流程图 图2 1 5 家用冰箱箱体回收工艺流程有向图 图2 1 6 交叉运算的说明 图2 1 7 变异运算的说明 图2 1 8 遗传算法性能评估 图3 1 多准则决策评价系统功能结构 图3 2 多准则决策评价系统工作流程 图3 3 客户n 务器数据库模型 图3 4 回收工艺流程决策评价支持系统结构框架 图3 5 直冷式双门电冰箱剖面图 图4 1d e s s 系统层次化体系结构 图4 2d e s s 系统集成主界面 图4 3 冰箱产品回收工艺流程决策评价向导界面 图4 4 最优回收工艺流程遗传搜索向导界面- 图4 5d e s s 后台数据库操作界面 o 7忠心m捣拍弱四n趴弘船如虬北铊们蚯镐吼雅鹃叭用 表格清单 表1 1 四种家电产品中的材料含量 表2 1 家电产品回收工艺流程评价指标 表2 2 生产车间和作业场所噪声标准 表2 ，30 卜0 9 比例标度 表2 4 回收物料子指标权重分配 表2 5 冰箱回收工艺流程评价指标综合重要度计算 表2 6 冰箱箱体回收工艺流程评价结果 表4 1d e s s 系统菜单结构列表 表4 2d e s s 系统数据库表格清单 卫m均孔押嬲蛆叭眈 第一章概述 1 - 1 家电产品的回收利用 现在，世界家电制造业国际化的趋势日益明显，国际竞争也日益激烈，因 而提高家电产品的质量、缩短交货期、降低家电产品的成本、建立完善的产品 售后服务体系等综合指标成为各家电生产企业考虑的首要问题。虽然丰富多彩 的产品极大满足了人们的物质需求，但由于家电产品在生产时大部分使用的是 新的能源和资源，且传统的家电产品设计很少考虑产品在使用过程中和废弃以 后所产生的环境污染以及能源，资源的回收、再利用等问题。这样就必然导致 消耗大量宝贵的自然资源和能源的同时，也造成了严重的环境恶化，如废旧电 视机和废旧冰箱由于不能得到很好的回收而产生有害的废弃物，对空气、土壤 和水源都造成了极大的污染。 就目前我国部分主要家电产品来讲，电冰箱的社会保有量约为1 1 亿台， 洗衣机1 5 亿台，电视机3 2 亿台。根据社会保有量测算”1 ，今后进入更新期 的电冰箱平均每年4 0 0 万台、洗衣机每年5 0 0 万台、电视机每年5 0 0 万台以上， 预计2 0 0 3 年将开始大批量更新。因此，如何在保持企业持续发展和社会需求的 条件下，有效回收利用这些废旧家电产品已成为我们所面临的一个严峻的现实 问题。 我国人多地少，人均资源占有量在世界上也是靠后的，只有走资源再利用 的道路，才是实现可持续发展和解决环境保护问题的根本途径。一方面，废旧 家电产品的回收，可以实现其组成材料的回收再利用。表1 1 是日本1 9 9 3 年四 种家电产品( 洗衣机为1 9 9 4 年) 的构成比例”。就电视机而言，玻璃为5 3 ， 铁、铜、铝共计约1 6 ，有价物比例为6 9 。电冰箱和洗衣机材料构成相似，铁、 铜、铝合计的有价物比例，电冰箱为5 4 ，洗衣机为5 8 。空调器构成材料比例 值得注意的是和其他家电比较，铜和铝的比例高一些。这些材料构成均随时间 变化不大。以电视机为例，机箱材料为塑料，内部构造趋向简单化和部件小型 化，整体重量变轻，这样玻璃的比例相反是增加了。同时，电冰箱、洗衣机、 空调器等也因为金属零件的塑料化，使塑料的比例有增无减。 另一方面，从整体来讲，我国居民消费水准还不是很高且具有地区差异性， 因此，通过一定的回收渠道和技术保障，开展家电产品的回收、重用研究，走 循环经济的发展模式，不仅可以为企业带来显著的经济效益，而且也具有极大 的社会效益，同时获得的经验、数据和积累的知识反过来可以用于指导家电产 品的绿色设计，以便最终从源头保证家电产品具有良好的回收性能。 因此，无论从那一方面来讲，系统地研究废旧家电产品的回收再利用技术， 对我国家电产品制造企业的持续发展及资源能源的有效利用具有重要的意义。 表1 1 四种家电产品中的材料含量 铁铜铝塑料玻璃其他 电视机 1 2312 65 35 电冰箱 4 9414 3o3 洗衣机 5 2243 3o9 空调器5 4 t 891 6o3 1 1 1 废旧家电产品回收利用的现状 废旧家电产品属于固体废弃物，它不同于一般的城市垃圾，体积大，不可 能自行溶入大自然。大量的废旧家电被废弃后，如不妥善处理，直接作为城市 垃圾烧掉或埋掉，必将造成土壤、空气和水源的严重污染，影响人民的身体健 康，并造成资源能源的浪费。因此，如何回收利用废旧家电产品已引起世界各 国，特别使工业发达国家的高度重视。在日本，通产省与日本家电制造商联合， 投资5 0 亿曰元研究开发家电回收处理集成系统，已于1 9 9 8 年建成一座示范型 小规模实验工厂，并取得了良好的运行效果；东芝公司和松下电工联合投资在 位于福岗县的北九州市建立了西日本家电再利用工厂，该工厂可以对电冰箱、 洗衣机、电视机和空调器进行回收再利用。荷兰通过研究产品的回收和拆卸策 略，开发了具有处理6 0 万台电冰箱的回收系统以及相应的拆卸流水线，有效 地减少了环境污染，也减轻了工人的劳动强度。德国、加拿大、英国等国在拆 卸技术及方法，回收工艺及方法等方面已开展了大量的研究。 此外，有关国家也制定相关的法律法规来约束或指导废旧家电产品的回收 再利用。1 9 9 8 年欧盟委员会完成了废旧电子产品回收法( 草案) ，它包括了 绝大多数的电子产品，要求电子产品的回收与再利用率达到9 0 ，到2 0 0 0 年， 禁止使用镉、铅、水银和卤化阻燃剂材料，到2 0 0 4 年，所有新电子产品使用 的塑料中，至少含有5 的再生塑料。德国制定了电子产品的拿回制度、日 本将于2 0 0 1 年4 月1 日执行废旧家电回收法等，已引起了企业界的高度 重视，即生产企业必须对自己生产的产品负责回收或支付废旧产品的回收费 用，这些法律法规也将成为我国家电产品进入相应国家的新的“壁垒”。 国内在这一领域的研究尚属空白“。虽然结合电冰箱等家电产品进行了有 关的拆卸回收研究0 1 ，但由于缺乏必要的数据支持，无法得到可行、实用的方 法支持家电产品的设计过程，也使得设计的产品及其结构将面临严峻的国际市 场挑战。特别是随着我国即将加入世界贸易组织( w o r l dt r a d eo r g a n i z a t i 0 1 3 ， w t o ) ，家用电器所面临的国际竞争也将越来越激烈，我们生产的产品不但要符 合国内的有关标准，还要符合国际惯例及有关国家的标准，如欧洲的“制造商 责任制”等，也就是说，我们要承担出口家电产品的回收利用和再商品化义务， 同时也要设计、制造在产品最终废弃时其回收利用性能和处理性能均良好的家 用电器产品。 1 1 - 2 废旧家电产品回收再利用的关键技术 废旧家电产品的回收过程可用图1 1 来表示，即废旧家用电器产品通过一 定渠道由消费者手中进入废品收购站或产品维修站，其中进入废品收购站的一 部分性能较好的废旧产品也流入了产品维修站，经过整修后再又重新进入旧货 市场进行流通。其余无法再使用的废旧产品则经过拆卸后，有些零部件还可以 重新再利用或者作为原材料进行回收，最终无法利用的部分成为垃圾而需要进 图1 1 家用电器的同收技术过程 一步的处理处置。要达到回收再利用的目的，首先应尽可能提高家电产品中可 重用部分的比例；其次，采用相关技术，尽可能分离回收各种组成材料；最终 使成为垃圾的废弃物达到最少。 为此，建立有效的废旧家电产品回收系统模型就显得非常重要。这里的回 收系统模型是用有关的参数来描述( 这些参数通常涉及经济、生态、技术和社 会等方面的因素) 回收系统及其各组成部分的行为，以使回收过程高效运行， 体现这种系统模型的具体载体是废旧家电产品回收企业或工厂。该系统模型通 常由两部分组成，即企业内部的技术条件和企业外部的支撑环境。企业内部的 技术条件包括先进的废旧家电产品回收工艺技术、回收工艺装备和回收过程管 理。企业外部的支持环境包括顺畅的回收渠道、优惠的政策、消费者和政府部 门的支持。 要使回收系统达到预期的目标，必须解决好以下几个问题： ( 1 ) 要具有一定的规模效益。如果回收工厂没有一定规模的可处理产品， 回收效益就体现不出来。回收效益可以用以下公式来表示： t + 1n 一， 扩c 一c 加- c m = c w - ( s 。丁) 一c ，( 1 - 1 ) i = l卜1j = 1 其中：k 。一总效益；c 一总回收价值；c 。一总拆卸费用；c ，一总 处理费用；n 一产品零部件总数；t 一已回收的零件数；p 一需处理的零件数；s 。 一单位时间的拆卸费用；t 一零件拆卸时间。 若要提高零部件的总回收价值，则需要降低零部件的拆卸费用与处理费用。 例如，若设计的零部件可达性好、易拆卸，则单位时间内的回收价值就能得到 提高，拆卸费用也就随之降低。其最终结果是更少的零部件需要处理，因此， 产品废弃物的处理费用也随着降低。 要达到规模回收效益，并不是要求每一个家用电器产品生产企业都要建立 回收工厂。因为建立这样的一个工厂往往需要大量的投资，另一方面，设立过 多的回收工厂会使工厂的回收规模减小，回收力量分散。最好的方法是由政府 和有关家电产品制造企业共同合作，在大中城市或某一区域建立集中的废1 日家 电回收工厂，政府给予有关优惠政策或提供部分资金支持，位于该区域的若干 家电产品制造企业共同出资参与，回收这些企业生产的或其他企业生产的相同 ( 或相似) 类型的废旧家电产品。当然，这样一个企业的有效运行还需要消费 者的大力支持，消费者应积极参与和支持废旧家电产品的收集和供给。 ( 2 ) 先进的回收工艺技术和回收工艺装备。废旧家电收集以后的重要出路 在于环境无害化的处理、处置，只有这样，才能真正艉决废旧家电的环境污染 问题。而处理处置技术和装备的先进程度直接影响着整个废旧家电管理工作的 最终效果。因此，为有效实施废旧家用电器的环境无害化管理，开发先进的废 旧家用电器处理处置技术及其工艺装备就显得极其重要。如电冰箱中r 1 1 和 r 1 2 的回收技术与装备等。 ( 3 ) 家用电器回收的人工智能技术。规模化经营的废旧家电产品回收企业， 应该以自动化处理手段为主，因而人工智能技术在回收过程的应用就成为必不 可少的技术手段。其中包括待处理废旧家电识剐系统( 例如自动判断待处理的 产品是电冰箱、洗衣机还是电视机等) 、搬运自动化系统、分解处理系统，原材 料平衡管理系统等。 ( 4 ) 各种先进破碎技术的研究。在废旧家电产品回收处理过程中，广泛采 用了各种破碎技术，如低温和常温破碎技术，这些技术在家电产品回收过程中 起着重要的作用。低温破碎技术使利用液化天然气制冷制作的液氮，使电冰箱、 空调器上的压缩机等坚固部件在- 1 9 0 0 c 左右的超低温下冷却，利用铁的低温脆 性，使铁和非金属高效剥离破碎。而常温破碎技术就是对电冰箱门体等大部件 和小零件分别归类，而金属碎片和塑料分别在分选装置中分选。 ( 5 ) 其它材料的分离分类技术。包括电路板( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d s ， p c b ) 、电线等的分离与处理技术。 ( 6 ) 回收系统的总体评价技术。包括环境负荷性评价、回用的有价物评价、 处理费用计算等。 1 1 3 废旧家电产品回收利用的有效途径 实现废旧家电产品有效回收，可以从以下途径着手： ( 1 ) 进行家用电器的绿色设计。绿色设计( g r e e nd e s i g n ，g d ) 是这样一 种设计，即在产品整个生命周期内，着重考虑产品的环境属性( 可拆卸性、可回 收性、可维护性、可重复利用性等) ，并将其作为设计目标，在满足环境目标要 求的同时，保证产品应有的功能、使用寿命、质量等o 。家用电器的绿色设计要 求在产品设计的初期就要考虑到有关环境保护、资源有效利用、节约能源等要 求，应力求延长家用电器产品的使用寿命，力求不使用或减少使用有毒重金属 及其它有毒有害物质。为了促进废旧家用电器产品的再利用，1 9 9 1 年1 0 月日本 制定了“与家电产品有关的产品评价手册”，以新设计、制造的家电产品为对象， 提供考虑环境因素的产品设计方针。而我国家用电器生产行业对绿色设计方法 尚没有给予足够重视。 ( 2 ) 建立废旧家用电器产品的回收市场机制。目前，废弃淘汰的家用电器 产品缺乏良好的市场回收机制，这主要表现在，一是由于折价太低，许多用户 不愿意卖掉废弃或淘汰的家电产品，但是放在家里却又占据了本身就比较紧张 的空间：二是回收缺乏正规渠道，至今仍然主要是零散的个体回收者在经营此 项业务；三是虽然有一些商业企业进行以旧还新业务，但回收的废旧家电产品 也没有很好处理手段；四是尚缺乏系统、高效的回收技术和设备。我国在废旧 家电产品的回收利用方面，与国外尚有一定的距离。因此，通过相关的法律法 规和规范的市场机制，使政府、生产企业和消费者共同参与废旧家电产品的回 收，可以极大的改善回收效率和效果，也可促进回收市场健康有序的发展。 ( 3 ) 转变消费观念，树立良好的环境意识。这可从两个方面着手，一是宣 传媒介要大力宣传，使人人都意识到废旧产品的回收利用与可持续发展的关系。 通过舆论宣传和导向，使人人都懂得保护环境、防止污染，节约资源。同时， 要使每个社会成员都自觉参与到废旧产品回收利用的行列中来，提高全民素 质。二是要转变消费观念和消费方式。现在人们在进行消费活动时，往往追求 新颖的或个性化的产品，这样便导致产品生产者不惜大量地消耗资源去生产一 个又一个新产品，以迎合消费者的消费心理和生活方式。这样，势必对社会造 成不堪重负的资源浪费和大量影响环境的废弃物质。通过废旧产品的回收利用， 可使上述大量影响环境的废弃物能够再生而被重用或移用。但必须要求消费者 改变消费观念和消费方式，积极使用再生产品及含有再生零部件的产品，并将 废弃不用的产品送到相应的回收部门，对生活垃圾分类存放，以利于回收。 ( 4 ) 建立规模化的回收系统。其中，家电产品的绿色设计是改善回收性能， 提高回收效率的最有效手段。因为，按绿色设计过程设计的产品不仅使用了比 较少的原材料，减少了产品制造及使用过程中的能量消耗；而且当其废弃或淘 汰后，拆卸非常方便，其中可以重复利用或经过再加工后再用的零部件比例增 大，材料分类也比较方便，绝大多数材料可以回收处理，而只有很小的一部分 需要进行最终处置，且这一部分随着相关科学技术的发展还会下降。因此，进 行绿色设计对家用电器行业来讲是非常必要和重要的。 i 2 家电产品的回收设计 1 2 1 回收设计的概念及特点 由上述分析可知，家用电器的绿色设计是一种源头控制方法，它有效地解 决了家用电器生产、使用及达到其使用寿命后的再利用、再造和回收处理问题。 家电产品的回收设计( d e s i g nf o rr e c y c l i n g ，d f r ) 就是实现废旧家电广义 回收所采用的手段和方法，即在进行家电产品设计时，充分考虑产品零部件及 材料回收的可能性、回收价值大小、回收处理方法、回收处理结构工艺性等 系列问题，以达到零部件及材料资源和能源的充分有效利用，环境污染最小的 一种设计思想和方法”1 。 资源回收和再利用是家电回收设计的主要目标，其途径一般有两种，即原 材料的再循环和零部件的再利用。鉴于材料再循环的困难程度和高昂的成本， 目前较为合理的资源回收方式是零部件的再利用。对回收及重复利用零部件的 家电产品可行性研究表明：零部件的重复利用可使产品的最终成本下降3 0 。 因此家电产品的回收设计具有明显的社会和经济效益，它不仅降低了与家电废 弃物处理有关的一切费用，而且减少或消除了违反有关法律后所受到的相关处 罚。 家电产品的回收设计具有以下特点： ( 1 ) 回收设计可使材料资源得到最大限度的利用，并减少了固体废弃物的 数量。由于从一开始就考虑了家电产品废弃淘汰后通过各种途径和方式使产品、 零部件或材料得到充分有效的重用、移用和再生，最终剩下的是数量很少的无 法利用的废弃物，使资源得到了最大限度的利用。同时，废弃物的种类、数量 大大减少，从而实现资源利用和环境保护同步发展。 ( 2 ) 回收设计有利于持续发展战略的实施。回收设计使新产品构成中的回 收成分增大，减缓了对新资源的开采、消耗速度，有利于生态平衡和可持续发 展战略的实施。 ( 3 ) 扩大就业门路，提供了更多的就业机会。废旧家电产品的回收重用是 一个劳动密集型产业，经过回收设计的家电产品，使其回收级别得到的提高， 会出现更多的就业岗位，也就提供了更多的就业机会。 ( 4 ) 物流的闭合性。某一种家电产品的废弃物可能就是另外一种产品的原 料。只要技术、经济上可行，物质就不停地处于不同功能、不同形式或状态下； 6 在不能完成某一功能时，只要经过回收就可能再生具有新的功能。 ( 5 ) 回收过程本身是清洁生产，应对环境无害，不造成对环境的二次污染。 1 2 2 家电产品回收设计的流程及准则 传统家电产品的寿命周期是一个线形过程或开环直线过程，产品由生产者 通过生产过程进入流通领域，然后由销售者将产品售于消费者。消费者使用产 品直至其寿命周期终止而将其废弃，或产品的使用功能虽未损耗至尽，但由于 已不能满足消费者的时尚需求，也被淘汰。这样便产生了大量的废弃产品。而 回收设计则要求改变这种模式，将其开环直线型的寿命周期转变成图1 2 所示 的闭环式的寿命周期”1 。在这种情况下，经过有效的回收处理可以使废旧家电 的部分零部件得到重用，其材料经过再加工后能够成为新的生产原料。 表示产品的回收路线表示产品的生命周期路线 图1 2 家电产品闭环回收系统 与开环直线型的产品寿命周期相比，闭环回收系统中增加了多个回收环节。 按产品的废旧程度，有的可以在产品级加以重新利用；有的可以在部件级加以 翻新重用或移用：有的只能回炉冶炼成原材料。如此逐级分解，能被重用，移 用或再生的，都得到了充分利用。到最后数量很少的无法利用的废弃物，往往 是有害或有毒的物质，只好当作垃圾予以填埋或焚烧。家电产品回收设计的流 程如图1 3 所示。 在家电产品的回收设计中，应遵循以下几个设计准则： ( 1 ) 设计的结构易于拆卸 合理的部件结构应保证毫无损伤地拆下目标零件( 要回收的材料及重用 的零部件) ，这可通过选用易于接近分离的联结结构来实现。需要时，可将有害 材料集成在一起，并能以一种简单的分离方式拆下； ( 2 ) 可重用零部件材料要易于识别分类 收设： 规则： 倒1 3 冢电产品回收设计流程 即可重用零件的状态( 如磨损，腐蚀等) 要容易且明确地识别，这些具有明确功 能的可拆卸零件应易于分类，并根据结构，连接尺寸及材料给出识别标志： ( 3 ) 结构设计应有利于维修调整 设计的结构尽可能用简单的工具调整，布局应符合人机工程学原理，便 于对拆下的零件进行加工，易于调整及更换零部件。同时尽可能避免磨损或使 磨损最小，根据任务分解原理，将易损件布局在能调整、再加工或需更换的零 件上或区域内； ( 4 ) 尽可能利用回收零部件或材料 在回收零部件的性能、使用寿命满足使用要求时，应尽可能将其应用于 新产品设计中；或者在新产品设计中尽可能选用回收的可重用材料，这样可充 分利用材料资源，节约生产费用，降低生产成本，保护生态环境； ( 5 ) 应便于分离拆卸不合理的材料组合 有些零件为满足使用性能要求，在目前状况下不得不采用不同材料组 合，这样在设计时应从结构上考虑使其便于拆卸分离，便于以后回收。 1 - 3 家电产品回收设计的研究现状 1 3 1 理论研究 回收设计理论与方法是9 0 年代才开始发展起来的，是产品设计的新领域。 目前回收设计的理论研究主要集中在如下几个方面： ( 1 ) 基于拆卸和装配策略的方法 d e wh u r s tp 等”1 开发了能生成产品拆卸序列的软件系统。该系统基于 产品的面向可装配设计，进行零件拆卸方式的分析与选择。当产品拆卸序列一 旦生成，根据零件和零件之间的联接关系，就可以利用面向装配设计( d e s i g n f o r a s s e m b l y ，d f a ) 工具评估产品拆卸时间。a k s u b t a m a n i 等。1 应用四个实体： 零件、联接、接触和关系，使用节点、边来估计各种零件在其拆卸方向上的拆 卸序列的最小成本。m o l l ye 等。3 开发了应用产品信息和基于特征c a b 的系统以 及对每一零件都定义其拆卸方向的产品拆卸序列分析软件。r v u j o s e v i c ”提出 了产品维护过程分析的仿真方法。空问上可行的拆卸序列可由拆卸时间，成本 和人力来分析，以达到最少拆卸时间、成本和减轻劳动量。在软件的开发中， 使用工作站在产品设计中对拆卸过程进行仿真，以便在产品的早期设计阶段， 发现和解决产品设计与维护中的问题。 ( 2 ) 基于产品生命周期的方法 k i s h i i m l 在产品设计的早期阶段，对产品寿命周期( l i f ec y c l e ，l c ) 质量加以改善，同时研究寿命周期的集成设计工具一产品的设计描述及寿命周 期评估。其特点是基于网络和产品的面向维护设计进行回收评估。他领导的研 究小组根据产品结构，零件之间的联接开发了基于p c 机的寿命周期分析软件。 虽其主体结构尚未完善，但在以后实用软件的开发中，上述概念是基本模型。 ( 3 ) 基于回收策略的方法 r i c h a r dm n o l l e r “”对近5 年的回收设计进行了总结，阐述了家电产品 设计的一般原则和方法、材料选择、零件联接方式和废旧产品的回收、处理的 策略。g s e l i g e r 等详细地研究了以废旧产品回收价值为评价因素的回收方法。 在产品设计与回收理论方面，提出了长远规划( p r e d i c t i v ep l a n n i n g ) 和现实规 蓟j ( r e a c t v ep l a n n i n g ) 。此外还开发了废旧产品的快速拆卸工具。 1 3 2 家电产品回收设计的实际应用 目前，美国至少已有1 5 家计算机厂商推出了符合“能源之星”标准的个人 计算机；德国旌耐德公司已经设计和制造出“绿色”电视机，其有害“电磁辐 射”只有德国辐射标准的千分之一，机壳改用钢材或铝材，消除原先使用塑料 在变热时产生的异味，且便于产品的回收和再生。 在考虑家电产品回收、重用的效益和费用时，德国推出了“取回”( t a k e - b a c k ) 的回收政策，这是对产品设计的个全新的认识，产品不是向用户销售，而是 向生产厂商“租用”。k o d a k 已设计了易于拆卸和重制造的相机，其制造的绿色 相机中有6 0 的零件都是通过回收直接装配在新产品中。 1 4 本论文的主要研究内容 本课题是国家自然科学基金重点项目一“机电产品绿色设计理论及方法” 的一部分。 由上述分析可知，进行家电产品回收过程的系统分析研究，可以发现现有 产品设计在回收性能方面所表现的不足，可以积累大量的数据资料：同时反过 来又可以促进家电产品的绿色设计、节约资源和能源、减少垃圾、保护环境。 促使我国更快地向经济循环型社会迈进，并最终实现家电制造业的可持续发展。 目前面向回收设计理论的研究工作已经取得了很大的进展，但他们的研究 工作主要是考虑旧产品的拆卸工艺和回收方法，而对家电产品的可回收性和回 收工艺流程的优化考虑较少。因此本课题研究的中心内容是“家电产品回收工 艺流程决策评价支持系统的研究”，其目标是针对具体的家电产品，建立回收工 艺流程的评价指标体系，引入合适的评价方法对家电产品的回收工艺进行评价 分析，从而根据家电产品的回收性优化回收工艺，并且反馈指导产品的回收设 计。本论文主要内容包括： 1 家电产品回收工艺流程的决策评价指标体系的建立 家电产品回收工艺流程的决策评价指标体系是实现回收工艺流程决策评 价的前提条件。该指标体系必须能够科学地、客观地、并且能够尽可能全面地 反映影响回收工艺流程优劣的各种因属，同时也应有利于采用定的评价方法 进行多目标评判。在研究大量国内外文献的基础上，本文提出了动态决策评价 指标体系框架以取代原有的固定评价指标体系，来实现动态地、全面地涵盖 影响回收工艺流程决策评价的各种因素。 2 家电产品回收工艺流程的决策评价方法 家电产品回收工艺流程的决策评价涉及了多个评价因素和评价准则，因 而评价方法的选用将会直接影响评价结果的优劣次序和产品工艺人员的决策。 而传统的层次分析法存在着很多缺点，本文则在综合参考各种文献的基础上， 提出了融合灰色群体层次分析法和模糊层次分析法的改进层次分析法来确定各 个评价指标的组合权重，并且引入基因算法用以获得复杂工艺流程有向图中的 最优解。 3 家电产品回收工艺流程决策评价支持系统的构成 家电产品回收工艺流程决策评价支持系统是综合利用大量数据，有机结 合众多模型( 数学模型和数据处理模型) ，通过人机交互，依据专家知识辅助产 品工艺人员进行决策的系统。本文在研究了国内外的相关资料后，分析了家电 产品工艺流程决策评价支持系统的构成，将其分为1 3 个模块：信息输入模块、 产品回收工艺流程预选模块、产品回收工艺流程生成模块、评价指标权重计算 模块、最佳产品回收工艺流程搜索和评价模块、回收工艺流程性能报告模块、 前台系统控制模块、o d b c 驱动管理器、回收工艺数据库、回收工艺知识库、回 收工艺方案库、评价指标库、回收工艺评价方法库。 4 家用冰箱产品回收工艺流程决策评价支持系统的研究和开发 冰箱产品回收工艺流程决策评价支持系统是应用计算机技术进行冰箱产 品回收工艺流程决策评价的软件系统。该软件系统提供了一个集成化的图形界 面，涵盖了冰箱产品信息输入、工艺流程预选等多个模块的功能。目的是向产 品工艺设计人员提供一个高度集成的、易于掌握和使用的决策评价系统，使操 作者能应用先进的计算机辅助技术，分析冰箱产品的可回收性，从而选择优化 的冰箱产品回收工艺流程，并反馈指导冰箱产品的回收设计。 第二章家电产品回收工艺流程决策评价指标体系及评价方法 家电产品回收工艺流程的选择和评价是一项涉及多学科内容的工作，其涉 及面广并要求有大量的工艺、环境、经济、法律和法规等方面的知识和数据作 支持。为了将多层次、多因素、多阶段、多准则的复杂决策评价问题用科学的 计量方法进行量化，首先必须建立能够衡量产品回收工艺流程优劣的标准，即 家电产品回收工艺流程决策评价指标体系。该指标体系是工艺设计人员进行家 电产品回收工艺流程选择的基础，因此它必须能够科学地、客观地、并且能够 尽可能全面反映影响家电产品回收工艺流程优劣的各种因素，同时也应有利于 采用一定的评价方法进行多准则评判。在建立一个客观、公正的决策评价指标 体系之后，还需要考虑选择一种可靠、实用、客观的评价方法进行决策评价。 家电产品回收工艺流程的评价，涉及了多个评价因素和评价准则，因而评价方 法的合理选用将会直接影响评价结果的优劣次序和工艺设计人员的决策。 本章针对家电产品回收工艺流程决策评价的多阶段、多目标的特点，用层 次分类法建立了回收工艺流程的评价指标体系，并且引入了融合灰色群体评判 层次分析法和模糊层次分析法的改进层次分析法来确立各个评价指标的组合权 重，然后应用遗传算法在工艺流程有向图中进行优化搜索，从而求得最优的回 收工艺流程。 2 1 家电产品回收工艺流程决策评价指标体系 对于待回收的家电产品，不同的工艺设计人员会根据企业的设备情况、当 地的资源、能源以及自己的偏好等因素，选择不同的回收工艺流程。因而家电 产品回收工艺流程的决策评价指标体系要能够尽可能地涵盖回收工艺流程决策 评价中的各种因素。然而随着各种新产品的开发、新材料和新技术的应用，使 得这些评价指标本身也在不断变化。所以一个固定的、不能够进行调整的评价 指标体系，将不能满足家电产品回收工艺流程决策评价系统的要求。因此本文 在“”的基础上提出了动态决策评价指标体系框架( f r a m eo fd y n a m i cd e c i s i o n e v a l u a t i o ni n d e xs y s t e m ，简称f d d e i s ) 用以动态地、全面地涵盖影响家电产 品回收工艺流程决策评价的各种因素。该指标框架具有以下几个特点： ( 1 ) 动态性。该决策评价指标体系框架中所有的指标都是动态的。设计者 可以根据实际需求增加、删除、移动或修改指标体系中的任一指标。 ( 2 ) 灵活性。该指标体系框架结构灵活，具有可移动性和可扩展性。即指 标体系中的子指标结构都可以独立成为新的评价指标方案，同时各个子结构之 间可以进行组合，形成新的评价目标。 ( 3 ) 唯一性。该指标体系中的评价指标都具有唯一性，即体系中的任一被 编辑的指标都不允许重复出现在同一个评价指标方案中。 ( 4 ) 层次性。该指标体系中每一个指标( 除端点指标外) 都可以由若干个子 指标构成，这样可以尽可能全面描述某项评价因素的复杂内容。 ( 5 ) 顺序性。该指标体系要求有严格的顺序性，即已经标定层次的评价指 标不能再同它的父指标或子指标交换位置，从而保证整个指标体系具有一致的 方向性。 该动态决策评价指标体系框架可以用如图2 i 所示的倒叉树结构表示“”3 ， 图2 i 倒叉树组合结构不意图 整个倒叉树由组节点和叶节点构成。组节点可包含叶节点和组节点，叶节点对 应的是基本的评价指标( 不可再分) ，组节点由叶节点和其它组节点组合构成， 对应的是评价指标组( 下面可设子指标) 。倒叉树最终构成复杂的指标组合关系。 其描述格式为： 节点类型 域组或叶 该动态结构体系的几种操作运算如图2 2 所示。 指标体系体现了设计者的设计意图和和实际需求。如果设计准则有所改变， 则衡量设计方案的性能指标体系所做出的评价结果也将随之发生变化。指标准 则通常是通过层次分解的方法，首先确定总目标，然后将其分解为各个性能指 标，性能指标还可再划分为子指标，逐层细分。其结构实际上反映了满足功能 需求的设计准则与达到设计准则的解决方案之间的一种映射关系。原则上，各 个设计准则之间的相关性应尽量小，即准则之间应具有定的独立性。这样， 准则体系中的各个属性才能够： 完整地体现设计的各个属性和侧面； 表达设计原则并可进步分解； 不会存在冗余的评价过程； 用少量的元素来表达一个决策评价问题。 根据家电产品的实际回收工艺流程，评价指标体系由经济和环境两个方面 组成，经济指标体系包括产品回收收益和回收成本，环境指标体系则包括大气 影响、水质影响、噪声影响、固体废弃物四个方面的子指标，用以全面估测产 品回收工艺流程的环境友好性。指标体系结构如表2 1 所示。 ( a ) 指标体系的添加操作 ( b ) 指标体系的删除操作 塑型! 皇 - ( c ) 指标体系的编辑操作 ( d ) 指标体系的分解操作 ( e ) 指标体系的组合操作 图2 2 动态指标体系运算示意图 1 经济指标 这是家电产品回收过程中最为关心的指标，即要求待回收产品在整个回 收过程中具有最小的成本消耗。即使产品的回收不可能带来较大赢利，但仍然 希望将产品的回收成本降低到最小。 ( 1 ) 产品回收收益 如前所述，废旧家电中有很多可以回收或重用的部件、零件和材料。甚 至一些结构在进行稍微地修理之后，又可以成为某些因部件损坏而无法正常工 作的产品的配件。因此家电产品回收根据其回收级别可以分为产品回收、部件 回收、零件回收和材料回收四个级别。这样废 日家电经过适当的回收处理后， 可以提供相当数量的可重用零部件和新的生产原材料。另外在产品的回收过程 中，还会产生大量的可以被再次利用的能量( 如塑料混合物在分解过程中产生的 热能) ，这些能量又可以成为再生产的动力能源。因此产品回收收益指标下设回 收重量百分比、能源回收和物料回收三个子指标。回收重量百分比为回收物料 的重量占整个产品重量的比值，该比值是衡量产品回收性能的一个重要指标。 如比值越大，则说明产品的可回收性越好。物料回收分为物料回收方式和回收 物料种类两个指标。物料回收方式则包括产品回收、部件回收、零件回收和材 料回收四个指标。回收物料种类包括稀有金属回收率、有害物料回收率和有毒 物料回收率三个子指标。稀有金属回收率指产品回收物料中稀有金属占的比例， 有害物料回收率指产品回收物料中有害物料占的比例，有毒物料回收率则指产 品回收物料中有毒物料占的比例。 ( 2 ) 产品回收成本 回收成本是回收工艺流程决策评价指标体系的一个重要内容。对于同一 种待回收产品，不同的回收过程其经济性不同。回收成本通常包括两个方面的 内容：其一是回收过程的能源消耗，该指标分为能源利用率和能源消耗种类两 个指标。能源利用率反映了产品回收过程中能源的利用效率。能源消耗种类指 的是回收过程中经常使用的电力、煤炭等能源；其二是回收过程中的资源消耗， 资源消耗又可分为人力资源成本和物料资源消耗。人力资源成本主要是指产品 回收过程中支付给工人的工资；物料资源消耗包括资源利用率和资源消耗种类。 资源利用率反映了产品回收过程中物资资源的利用效率。而资源消耗种类主要 是产品回收过程中需要新添加的材料，这些物料的加入能够促使回收的零部件 经过重新的加工后达到新部件的要求，如旧冰箱中的果菜盒经过清洗、喷塑就 可重新应用于新冰箱；或使回收的材料经过回收处理后成为新的生产原料。例 如废旧冰箱中的制冷机r t 2 通过式2 一l 表示的裂化回收工艺，由冷却水冷却后通 过沉降膜吸收器就可以得到成品的盐酸和氢氟酸“。产品回收工艺流程中可能 使用到的资源主要是原油、原木、原矿和辅料等。 表2 1 家电产品回收工艺流程评价指标 回收重量百分比 能源回收 产品回收 回收收益 物料回收方式 部件回收 物料 零件回收 材料回收 回收 稀有金属回收比率 回收物料种类有毒物料回收比率 有害物料回收比率 经济 能源利用率 蒸汽 指标 能源 消耗 能源消耗种类 电力 煤炭 其它 回收成本 资源利用率 人力资源成本 资源原油 消耗 资源消耗种类 物资资源 原木 指标体系 原矿 其它 回收收益成本比率 c o x n o x s o x 大气影响 c f c s 粉尘 其它 b o d c o d c r 环境 水质影响 c d 指标p 其它 噪声影响 废料 废渣 固体废弃物 有毒物 有害物 其它 c f a 2 + h2 0 c 0 2 + 2 h f 七2 h c l t 2 - 1 、 ( 3 ) 产品回收收益和成本比率 该指标用产品回收工艺流程中回收收益与回收成本的比值表示。其相关的 计算公式如下“3 ： r 6 c = ( 尽p + r m + e r ) ( c d + c s + c r + d c )( 2 - 2 ) 回收成本公式： c o = c d + c s + c r + d c i c r = ( r c i ) ( w r i ) l = 1 回收收益公式： 月m p c d = c d h ( 巧) c s = c s h ( s t ) ( w s ) ，= i l = l d c = d c ( w d ) r e = r p + r m + e r 印= p u ，r