（机械制造及其自动化专业论文）制造系统的资源消耗模型及资源消耗状况的分析研究.pdf

重庆大学博士学位论文 摘要 资源、环境、人口是当今人类社会面临的三大主要问题。特别是资源问题， 及人类世界有限的资源如何利用，而且它又直接涉及到环境污染的源头问题 度地利用资源和最低限度地产生废弃物，是当前世界上环境问题治本的观念 造业是国民经济的支柱产业，但同时又是消耗资源、污染环境的主要行业。由于 它不 制造系统量大面广，制造资源的浪费情况严重，因此进行制造系统的资源优化利用技 术的研究，对提高我国制造业资源利用率，降低物质消耗，从而提高我国制造业的整 体效益具有重要意义。本文以国家自然科学基金基础研究项目“制造系统的资源消耗 模型及消耗特性的研究”为依托，对制造系统的资源消耗模型、特性和评价技术进行 了较为深入的研究。 在概述课题的研究背景、现状和发展趋势的基础上，首先研究了制造系统的资源 7 组成、以区别于广义制造资源的物能资源为主要研究对象，从制造系统的总体和全过 7 程的角度出发，建立了涵盖制造系统的主要运行环节、制造系统的物料流和产品生命 周期过程的物能资源流模型。卜一 通过对基于产品生命周期的资源循环流的结构分析，探讨了制造系统中资源消耗 在制造系统的不同运行环节、产品生命周期的不同阶段以及不同流动状态中呈现出的 不同特性和规律。在此基础上，着重分析了产品设计、工艺规划、产品包装和回收处 理等环节对资源? 削毛的影响，从各种影响因素的特性及其发展变化规律出发，揭示了 制造系统中资源消耗的基本特性和变化规律。、一、一 结台可持续发展战略对资源的特性要求，。从经济学的角度和资源利用与环境保护 韵角度阐述了对资源特性的理解及对瓷源的分类，提出了由资源指标、环境保护指标、 工艺性能指标、使用性能指标和经济性指标五大部分组成的制造系统中资源消耗度量 题中的应用，对于其中评价指标的权重、评价指标的隶属度和综合评价数学模型进行 了分析。给出了评价指标体系属性值的获取方法，构造了主客观综台赋权算法，将专 家评判与指标属性值的影响进行了有机的结合，建立了模糊综合评价数学模型。k 应用上述理论，对某制造系统的资源消耗状况进行了系统分析，指出了资源优化 利用的途径和方向。 关键词：制造系统，资源，消耗，评价，模型 卜、 重庆大学博士学位论文 a b s t r a c t r e s o u r c e s ，e n v i r o n m e n ta n dp o p u l a t i o na r et h et h r e em a i np r o b l e m sw h i e hh u m a n b e i n g sm u s tb ef a c e dw i t ha tt h ep r e s e n tt i m e i np a r t i c u l a r , t h er e s o u r c e sp r o b l e mi sn o t o n l yi n v o l v e di nh o w t ou s et h el i m i t e dr e s o u r c e si nt h ew o r l d ，b u ta l s oi st h em a i n o r i g i no f e n v i r o n m e n tp r o b l e m t h e r e f o r ean e wc o n c e p th a sb e e np u tf o r w a r d ：t ou s er e s o u r c e s e r i e c t i v e l ya tm o s ta n dd i s c h a r g ew a s t e a tl e a s ti st h eb a s i cs o l u t i o no f e n v i r o n m e n tp r o b l e m i n d u s t r yi st h ef o u n d a t i o no fn a t i o n a le c o n o m i c s ，i ta l s o i st h e i m p o r t a n to r i g i n o f e n v i r o n m e n tp r o b l e ma sw e l la sr e s o u r c e sc o n s u m p t i o nt h e r ea r em a n ym a n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s e si no a rc o u n t r ya n dt h es i t u a t i o no fw a s t e so fm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e si ss e v e r s or e s e a r c h i n gt h e o p t i m i z a t i o nu s a g e o fm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e si s s i g n i f i c a n t t o m a x i m i z et i l er e s o u r c ee f f i c i e n c y , r e d u c et h er e s o u r c e sc o n s u m p t i o nr a i s et h ew h o l eb e n e f i t o ft h en a t i o n a li n d u s t r i e s i nt h i sp a p e r , w ep u tf o r w a r dar e s e t sc o n s u m p t i o nm o d e l ， d i s c u s s e dt h ep r o p e r t ya n da s s e s s m e n tt e c h n o l o g yo ft h er e s o u r c e sc o n s u m p t i o n i tw a st h e m a i nc o n t e n t so f t h ep r o j o c ts u p p o s e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a 一“t h es t u d yo nt h er e s o u r c e sc o n s u m p t i o nm o d e la n dr e s o u r c e sc o n s u m ep r o p e r t yo f m a n u f a c t u r i n gs y s t e m s o nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n gt h eb a c k g r o u n d ，c u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n t t r e n d so ft h er e s e a r c h w o r k s ，t h ec o m p o s e dr e s o a r c e s i n m a n u f a c t u r i n gs y s t e m i s i n v e s t i g a t e d t h em a t e r i a la n de n e r g yr e s o u r c e sw a ss e l e c t e da st h em a i no b j e c t so f r e s e a r c h w o r kt od i s t i n g u i s hi tf r o mt h eb r o a ds e n s er n s o u r c e so fm a n u f a c t u r i n gs y s t e m n 幛n i n a s p e c to f t h eo v e r a l l a n de n t i r e l yp r o c e d u r eo f m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，a k i n do f m a t e r i a l a n d e n e r g yr e s o u r c e sf l o w i n gm o d e lw a su p b u i l t ，w h i c hc o n t a i n st h em a i nf u n c t i o nl i n k ，t h e m a t e r i a l sf l o w i n go f m a n u f a c t u r i n gs y s t e m sa n dt h ep r o d u c tl i f ec y c l e g r o u n do nt h ep r o d u c tl 如c y c l e t h es t r u c t u r eo ft h er e s o a r c e sr e c y c l ef l o w i n gw a s a l i a l y s o d n mv a r i o u sp r o p e r t i e sa n d r u l eo f r e s o a r c ec o n s u m p t i o np r e s e n t e da tt h ed i f f e r e n t f u n c t i o nl i m k , d i f f e r e n tp h a s eo fp r o d u c tl i f e c y c l ea n dd i f f e r e n tf l o w i n gc o n d i t i o n i n m a n u f a c t u r i n gs y s t e m sw a sp r o b e di n t o f o l l o w i n gt h ei m p a c t so ft h ep r o d u c td e s i g n ， p r o c e s sp l a n n i n g , p r o d u c tp a c k a g ea n dp r o d u c tr e c y c l e a n d d i s p o s a l t ot h er e s 0 1 e c c s c o n s u m p t i o nw e r ea n a l y s e db ya n a l y s i st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p m e n tr u l eo fe a c h i m p a c tf a c t o r s ，t h ee s s e n c es p e c i a l t i e sa n dd e v e l o pd i s c i p l i n a r i a no f r e s o u r c e sc o n s u m p t i o n i nm a n u f a c t u r i a gs y s t e mw nd i s c l o s e d c o m b i n i n gw i t ht h ed e m a n d so ft h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ts t r a t a g e m t ot h e r e s o u r c e sp e e u l i a r i t y , f r o mt h e p o i n to ft h eo e o n o m i c sa n dr e s o u r c e u t i l i z a t i o na n d 重庆大学博士学位论文 e n v i r o n m e n tp r o t e c t ，r e s o u r c 锚w a ss o r t e da n dt h ec o m p r e h e n s i o no f r 锚a l l r c 鹊p r o p e r t i e s w a ss e tf o r t h t h e r e b yt h ei n d e xs y s t e mw h i c hc a l lm e a s i n tt h er e s o n r c ec o n s u m p t i o no f m a n u f a c t u r i n gs y s t e m sw a sp u tf o r w a r dt h i si n d e xs y s t e mi n c l u d e sf i v ec o m p o n e n t s ，w h i c h i sr e s o m c e i n d e x ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n i n d e x ，p r o c e s sp e r f o r m a n c ei n d e x ，u s e p e r f o r m a n c ei n d e xa n de c o n o m yi n d e x a sas t u d yc a s e , t h ea s s e s s m e n ti n d e xs y s t e mo f p r o d u c tp a c k a g e w a sb u i l tf o r o p t i m i z a t i o nu s et h er e s o u r c e s b r i n gf o r w a r dt h e t h r e e - d i m e n s i o ns y s t e mt oe v a l u a t et h e c o n s u m p t i o no ft h e r e s o u r c e si nm a n u f a c t u r i n g s y s t e m s ，t h ec o n t e n t so f t h eh i e r a r c h y , a s s e s s m e n ti n d e x e sa n d t h ea s s e s s m e n tp h a s e sw a sd e f i n e df r o mt h i sv i e w p o i n t ，a p p l y i n gt h ea h pm e t h o da st h e s o l u t i o no ft h ea s s e s s m e n t q u e s t i o n ，a n a l y z i n gt h ew e i g h t ，m e m b e r s h i pg r a d e o ft h e e v a l u a t i o ni n d e x e s t h es y n t h e s i sm a t h e m a t i c sa s s e s s m e n tm o d e lw a s p r o p o s e d t h em e a l l q o f o b t a i n t h ee h a r a c t e r i s t i cv a l u eo f t h ea s s e s s m e n t i n d e x e sa n d t h ea l g o r i t h mo f e n d o w m e n t w e i g h t si n t e g r a t e ds u b j e c t i v ea n do b j e c t i v ew a sd i s c u s s e d c o m b i n et h ea u t h o r i t yj u d g et o t h ea t t r i b u t ev a l u eo f t l l ei n d e x e s a no b s c u r es y n t h e s i z em a t h e m a t i c sa s s e s s m e n tr o o d e lw a s s e t u p a p p l y i n gt h et h e o r i e sm e n t i o n e db e o r e ，t h et e s o u r c e sc o n s u m p t i o ns t a t eo f ac e r t a i n e n t e r p r i s ew a sa l i a l y s e ds y s t e m a t i c a l l y a tl a s tt h ew a ya n da p p r o a c ho fo p t i m u mu s i n g r e s o u r c e sw a s p o i n t e do u t k e yw o r d s ：m a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ，r e s o u r c e s ，c o n s n m p t i o n ，a s s e s s m e n t , m o d e l 重庆大学博士学位论文 1 ，1课题概述 1 1 1 课题的来源 第一章绪论 ”制造系统瓷源消耗模型和资源消耗特性的研究”是由国家自然科学基金资助的 研究项目( 批准号：5 9 5 8 5 0 0 5 ) 。本研究是其重要组成部分。同时本课题也是国家 8 6 3 c i m s 主题资助项目”绿色制造的资源流模型及其关键技术”的重要组成内容。 ( 项目批准号：8 6 3 5 1 1 7 0 8 0 0 4 ) 。 1 12 本文的研究目的与意义 资源、环境、人口是当今人类社会面临的三大主要问题。特别是资源问题，它不 仅仅涉及人类世界有限的资源如何利用，而且它又直接涉及到环境污染的源头问题。 最有效地利用资源和最低限度地产生废弃物，是当前世界上环境问题治本的新观念。 制造业一方面是制造人类财富的支柱产业，一方面消耗大量资源并产生大量废弃物对 环境造成污染。因此，制造系统中资源优化利用问题研究显得愈来愈重要。 世界经济在近几十年特别是二战后以来，其发展速度愈来愈快，发展的规模也愈 来愈大，这种经济发展规模的空前扩张致使资源投入的数量骤增，资源存量以惊人的 加速度锐减。经济的高速发展对人类社会未来生存前景已构成了潜在威胁。资源问题 已经同人口问题、环境问题联系在一起，成为当代人类所面临的三大问题的首要问题。 首先，由于人口的增长引起了对资源的需求量急剧增长，使资源的供应能力同人类需 求之间的矛盾越来越尖锐。人口激增，资源的消耗量剧增。消耗量增长的速度也剧增。 由于对自然资源的大量开采、利用和消耗，不仅使人类濒临着全球性能源危机、资源 日益缺乏的严重威胁，而且还造成了日益严重的环境破坏、污染和生态失衡，并由此 造成了大量公害，诱发或者加重了许多自然灾害，使人民生命财产直接遭受巨大损失。 为了维护人类赖以生存的地球，使资源与环境问题能得到切实有效的解决，由联 合国发起，世界上大多数国家参加拟定了”2 l 世纪议程”，提出了可持续发展的战 略思想。可持续发展是”人类应享有以与自然相和谐的方式过健康而富有生产成果的 生活的权力，并公平地满足子孙后代在发展与环境方面的需要。可持续发展的思想具 有极为丰富的内涵，它将生态环境与经济发展联结为一个互为因果的有机整体，认为 重庆大学博士学位论文 经济友展要考虑到自然生态环境的长期承载能力，使环境和资源满足经济发展的需 要，以使其作为人类生存的要素之一而直接满足人类长远生存的需要，从而形成了一 种综合性的发展战略。可持续发展从资源限度和环境保护两个方面指出了人类社会未 来的发展模式，即改变传统的靠大量消耗资源得以支撑的发展模式，代之以资源节约 型的在资源和环境基础上都可以长期支持的新型发展模式。 可持续发展正在为企业的发展和调整刨造新的机会。企业要发展，就要在提高企 业刨新能力，采用环境无害化技术，改善管理，提高资源利用效率，降低物耗、能耗 上下功夫，这样不仅企业管理水平和国际竞争力上去了，而且为资源、环境与社会、 经济的协调发展创造了内在的有利条件。 近年来，世界各国都在致力于研究制造业可持续发展战略模式和技术，如”绿色 制造”、”清洁化生产”、”工业生态学”、”面向环境的设计”等等，其实质是一 个资源优化利用与环境污染问题一体化考虑的系统工程问题。由此可见，资源优化利 用问题的研究十分重要，是当今人类社会最主要的研究课题之一，也是我国国民经济 建设中亟待解决的重大课题。其中制造系统资源优化利用问题的研究是其重要组成部 分。 制造业是国民经经济的支柱产业，它涉及到机械、冶金、电子、化工、航空、航 天等众多行业。但同时又是消耗资源，污染环境的主要行业。特别是近年来，随着各 种高新技术的迅速发展及其在制造领域的广泛渗透，极大地促进了制造技术在宏观制 造系统建立和微观精密和超精密加工两个方向上的蓬勃发展，使现代制造业成为发展 速度快，技术刨新能力强，技术密集的工业部门。然而，目前这些革新性进步还主要 集中在面向市场需求，促进人类经济发展的方向，而忽视了资源和环境方面的问题， 并因此而导致了对环境的许多负面影响。制造系统及其产品对能源、原材料及各种自 然资源的强大需求，导致自然生态环境和资源受到过度开发和冲击，同时在产品使用 和废弃过程中，由于缺乏有效的回收措施，致使大量可重复利用的资源无情地流失， 并造成环境污染。当今社会存在的各类与环境有关的问题，无不与传统的靠大量消耗 资源和破坏环境为代价的制造模式有直接或间接的关系。可见，在制造系统中，资源 的不合理开发和利用是导致环境污染的根本原因。 要从根本上解决环境问题，就必须转变发展模式和消费模式，即由资源消耗型发 展模式逐渐转变为技术密集型发展模式，依靠科技进步，节约资源和能源，提高效益， 减少废物排放，实捕清洁生产和文明消费，建立经济、社会、资源与环境相协调的新 的发展模式。 制造资源优化利用技术的研究近年来越来越受到国际、国内的重视，研究非常活 跃。一方面是由于它涉及面大，经济效益前景很大。 例如，我国是一个发展中国家，至今仍沿用着高消耗、粗放型的传统工业发展模 2 重庆大学博士学位论文 式，资源浪费问题非常严重。 在我国，制造系统的资源消耗状况十分令人担忧。以原材料和能源为例，世界工 业发达国家钢材利用率大多为8 0 以上，而我国仅6 5 左右，钢材综合成材率只有 8 0 ，比工业发达国家低1 0 个百分点。更为严重的是我国锻造行业材料利用率仅为 4 8 ，有近5 2 的钢材变成了切屑和废料。发达国家的废钢铁回收量般占钢产量 的7 0 以上，而我国仅为5 0 左右。因生产中产品加工成品率低，每年全国的工业 废品损失约占当年工业总产值的1 5 1 。此外，由于产品设计不合理，造成高耗材产 品，如在我国5 万多种机电产品中，约有3 4 的产品比国外同类产品重2 0 一3 0 ， 以及”大材小用“、”优材劣用”等现象，都说明我国工业生产中原材料的浪费现象 比较严重。 原材料的浪费同时带来了巨大的能源浪费。首先是加工能耗，以机械加工每吨铁 屑平均耗电4 0 0 一5 0 0 千瓦小时计算，全国机械行业每年几十万吨铁屑就要多消耗上 亿度的电能。其次是浪费了冶金能耗，我国冶金工业的吨钢能耗约l8 亿吨标准煤， 几十万吨废屑意味着浪费上0 0 万吨标准煤，最后还浪费了运输能源，加剧了运输紧 张程度。据资料报道，我国单位产值能耗约为美国的5 倍多，约为日本的8 倍。 我国制造业及其制造系统中，特别是量大面广的机械制造系统中，制造资源的利 用率极低。例如，我们通过十多年的研究和实际测量，机床在加工过程中只有平均3 0 左右的能量被转化为了有效能( 切削能) ，7 0 左右的能量被损耗掉了。还有，设 备资源浪费严重，由于工艺路线不合理，造成”大马拉小车”、”小马拉大车”、” 车马不配套“等设备资源利用不台理现象。 因此进行制造系统的资源优化利用技术的研究，对提高我国制造业资源利用率， 降低物质消耗，从而提高我国制造业的整体效益具有重要意义。 另一方面，制造系统资源优化利用涉及现代制造理论和制造技术的各个方面，技 术难度很大。随着制造业向着高技术发展，现代制造过程及其相应的制造理论、制造 技术，如制造工艺、设计方法等，愈来愈向着系统性、综合性等方面发展。制造资源 优化利用技术的研究近年来虽已作了大量研究，已取得不少研究成果，但现有研究大 多集中在某些单项技术上，如制造过程的能源节约问题，设备资源的优化调度问题， 原材料优化利用的算法问题等。因此如何从系统的角度，如何从制造系统全局和整体 的角度来研究制造系统资源优化利用的综合问题和成套技术，是当前面向2 l 世纪急 需研究和解决的课题。其研究成果一方面可以为我国制造业提高资源利用率，降低资 源消耗提供评估系统和成套实用技术，从而有利于提高我国制造业整体水平和整体效 益，同时也可为国家制定有关产业政策提供技术基础。 重庆大学博士学位论文 1 2 国内外研究现状及发展趋势综述 随着可持续发展战略思想的深入，人们对资源、环境问题及其本质的联系有了 进一步的认识。国内外学者都把资源节约与环境保护结台起来考虑，对其制造、设计 技术进行了不懈的探索，提出了许多新的设计、制造观，如绿色制造、面向环境的产 品设计、清洁生产、生态设计、产品多生命周期工程等等。其中以减少资源消耗为目 的的资源优化利用技术成为最重要的研究内容之一。如：日本京都大学著名教授，国 际上公认的制造系统工程学科创始k h i t o m i 把”资源节约与环保生产”( r e s o u r c e s s a v i n ga n de n v i r o n m e n t - p r c s s r v i n gp r o d n c t i o h 、列为束来制造业的四大主要方向之 一p 】。国际c i r p 执行委员、丹麦工业大学教授l e o a i r i n g 于1 9 9 3 年提出了对环境、 职业健康、资源消耗产生影响最小的可持续制造模式( s u s t a i n a b i l i t ym a n u f a c t u r i n g ) ”。 美国s m e 总会1 9 9 6 年发表了绿色制造( g r e e nm a n u f a e t u r i n g ) ) 的蓝皮书，指出绿 色制造的最终目标就是最大限度地减少产品在其生命周期内的环境有害影响，以及最 大限度地提高资源利用率口】。与此相类似的环境意识制造( e n v i r o n m e n tc o n s c i e n c e m a n u f a c t u r i n g ) 、环境负责制造( e n v i r o n m e n tr e s p o n s i b i l i t ym a n u f a c t u r i n g ) 【2 】、 工业生态( i n d u s t r i a le o o l o g i e a l ) i7 j 和全面环境管理( t o t a le n v k o n m e n tm a n a g e m e n t ) f 1 2 】睁】等等都从系统工程的概念上提出了对环境负责、减少资源消耗的制造观。由此， 制造系统资源优化利用的研究范围、内容与方法都发生了根本性的变化，即从产品生 命周期全过程出发，定量分析各个阶段对资源消耗的影响采用系统的综合评价方法 选优。 概括起来，制造系统的优化利用主要可从生态、经济和技术三个层次和制造理 论、制造模式、应用技术与实验研究等多角度来进行分析。 1 2 1 从生态的观点研究制造系统的资源利用问题 传统生态学是研究生物与环境之间相互关系的科学，针对人类日益频繁的产业 活动，主要是制造业及其对自然系统的影响，8 0 年代末由n g a l l o p o u l o s 从生态系 统的角度提出了产业生态系统和产业生态学的概念。其后美国国家科学院与贝尔实验 室、国际电力与电子工程研究所以及耶鲁大学、麻省理工大学( mit ) 等对工业生态 学的定义、特征、研究方法和内容进行了研究，提出：”工业生态学从局部、地区和 全球三个层次上系统地研究产品、工艺、产业部门和经济部门中的能流和物流，其焦 点是研究产业界在降低产品生命周期过程中的环境压力的作用。”系统分析是产业生 态学的核心方法，在此基础上发展起来的工业代谢分析和生命周期评价是目前产业生 4 重庆大学博士学位论文 态学中普通使用的有效方法。 由此可见，产业生态学既是一种分析产业系统与自然系统、社会系统以及经济 系统相互关系的系统工具，又是一种发展战略与决策支持手段。 1 2 2 从经济学的观点研究资源优化利用技术”z 忆”3 资源经济学是国际上近二三十年来自然科学与社会科学相互结合、交叉渗透的新 兴边缘学科。资源经济学从经济学的角度研究人类生产及消费与自然资源负荷及改善 的关系、合理利用自然资源与保护环境质量的关系、自然资源的价值理论等。 传统的经济系统模型把整个经济社会看作为一个系统没有特别考虑环境和自然 资源的影响。现代资源经济学把资源和环境包容于社会、经济系统中，形成一个资源 一经济大系统，大大开阔了经济学家的眼界，扩大了经济学的研究范围，形成了资源 经济学、环境与自然资源经济学等学术流派，它们运用传统经济学的原理、提出经济 发展与保护环境和资源之间的协调、控制策略c 2 6 ，资源的最优配置c 一，等等。 在许多工业发达国家，政府已制定出了相关法律、法规和经济政策，以期利用市 场经济的体制来保护环境和实现资源的优化利用。国内外的许多经济学家纷纷利用经 济学的原理、方法，探讨资源的价格，以正确反映出它们的真实价值和对国民经济产 生的效果，包括生态环境的社会经济效益 2 “。如确定自然资源的影子价格的理论和 方法，自然资源的机会成本、替代价格和补偿价格的理论与方法、自然资源的区位价 格理论和方法等等。 此外还有从宏观经济分析角度研究制造系统中的资源优化利用的技术经济分析方 法，如费用效益分析、投入产出分析等等。 例如，通常企业内部通过开展能源审计，进行能源监测和诊断，建立能源管理信 息系统用投入产出分析方法一一能量平衡定量分析技术对企业用能系统内部各环节 和单元的各种能源投入、利用及损失，采用统计、测试、分析和计算等手段，通过能 耗、设备效率、能源利用率及损失率、回收率等指标，来研究企业的耗能状况、用能 水平及其节能潜力。然而，这种方法有很大的局限性。文献口” 指出现有的能量统 计方法都是把能源加工转换效率简单地定义为”能源加工转换产出量与投入量之 比”，丽没有考虑加工转换过程中各种能源之间转制因素的影响，使得最后的统计结 果产生失真，同时这种方法只能研究该系统的能源收入量与支出量的平衡关系，无法 分析用能系统内部各种环节间的能量平衡关系。 再如，从整个国家、地区、部门的宏观控制与管理来说，工业节能可以通过降低 各工业部门的产值单耗和调整工业结构来实现，也称为单耗节能和结构节能。实现工 业结构节能，需要具备一些客观条件，比如需要理顺能源价格，完善企业制度，消除 重庆大学博士学位论文 地方保护主义等，使资源配置合理化等。文献 1 1 3 分析了影响能源消费的四个因素： 产出增长因紊、能源单耗因素、结构因素和其他一些因索，结合我国工业能耗的实际 情况，通过因素分析法得知，单耗节能比结构节能更具实用价值，应是工业节能的主 要手段。国外的一些研究表明，在美、日等发达国家，单耗节能的效果也高于结构节 能。单耗节能，即各工业部门的产值单耗的降低达到节能，主要通过技术创新与高效 管理来实现。然而单耗节能的难度很大，与国外先进水平相比，我国工业部门的单耗 水平仍然存在很大的差距。 1 23 从技术的角度研究制造系统的资源优化利用 从技术的角度研究制造系统的资源优化利用涉及制造系统理论、先进制造模式、 应用技术与实验研究三方面： i 、制造系统理论研究【i 3 7 ”1 3 7 1 3 8 制造系统理论对于指导人们正确地研究、设计、制造、管理和运行制造系统及其 制造自动化系统具有重要的作用。需要应用系统科学和工程的观点和方法来研究描述 制造系统的概念和制造系统的基本特性。 日本的k h i t o m i 教授提出了将制造系统中的物料流和信息流综合处理的制造系 统理论。称为“制造系统工程”n ，受到广泛重视。美国mit 的g c h r y s o l o u d s 教 授提出的制造系统理论的主要特点是从系统综合、整体最优的角度研究制造系统，重 点考虑制造系统在以成本、生产率、质量、柔性为总体目标时，制造系统的设计、工 艺规划、制造装备的组织、运行管理等问题。 国内学者提出了制造系统动态分析理论，生物型制造系统理论，独立制造岛理论 等等，在理论体系、运行方式等方面进行了积极探索。 刘飞教授等总结了现有研究成果的不足，研究了制造系统的理论体系 1 “”“3 8 ， 主要内容包括： ( 1 ) 制造系统的定义和内涵 制造过程及其所涉及的硬件包括人员、生产设备、材料、能源和各种辅助装置， 以及有关的软件包括制造理论、制造技术( 制造工艺和制造方法等) 和制造信息等组 成了一个具有特定功能的有机整体，称之为制造系统。 以上定义可看成是制造系统的基本定义。根据所研究的问题的侧重面的不同，制 造系统还可有以下三种特定的定义： 制造系统的结构定义：制造系统是制造过程所涉及的硬件( 包括人员、设备、物 料流等) 及其相关软件所组成的一个统一整体。 6 重庆大学博士学位论文 制造系统的功能定义；制造系统是一个将制造资源( 原材料、能源等) 转变为产 品或半产品的输入输出系统。 制造系统的过程定义：制造系统可看成是制造生产的运行过程，包括市场分析、 产品设计、工艺规划、制造实施、检验出厂、产品销售等各个环节的制造全过程。 ( 2 ) 制造系统的基本特征 现代制造系统是有大量决策变量和多个优化目标的复杂大系统。可以将制造系统 看作一个以生产效率最高为优化目标的技术一经济系统，也可看作一个追求社会适应 性最优的自然技术系统：还可看作为一个人一机集成系统或一个制造信息处理系统。 它的基本特性包括集合性、相关性、目的性、环境适应性、动态特性、反馈特性和随 机特性等。 ( 3 ) 制造系统的三流结构论 制造系统在运行过程中，无时无刻不伴随着”三流”的运动，即总是伴随着物料 流、信息流和能量流的运动。制造系统中的物料流、能量流、信息流之间相互联系， 相互影响，组成了一个不可分害的有机整体。 ( 4 ) 制造系统的信息制造观 随着计算机、自动化及通迅等现代信息技术的飞跃发展及其在制造系统中的应 用，信息在制造系统中起着越来越重要的作用。制造过程的实质是对制造过程中各种 信息资源的采集、输入和加工处理过程，最终形成的产品是信息的物质表现。从信息 的角度看，制造过程实质上是一个使原材料的熵降低，使产品信息含量增高的过程。 ( 5 ) 制造系统的人机集成论 在现代制造系统中，人的作用不但依然重要，而且在信息与知识的处理和生产方 面变得更加关键。充分发挥人在制造系统中的核心作用，使人与机器处于优化合作的 地位，实现制造系统中人与机器一体化的人机集成决策机制，是制造系统取得最佳效 益的重要途径。 ( 6 ) 制造系统的集成决策观 制造系统是一个复杂的大系统，制造过程中时刻面临着各种复杂的决策问题。为 此需要将制造企业的经营、管理、计划、产品设计、加工制造、销售及服务等全部活 动集成起来，将各种局部自动化系统集成起来，将各种资源集成起来，将人机系统集 成起来，实现整个企业的信息集成和功能集成，以实施最优决策，达到制造过程整体 优化和提高制造企业综合效益的目的。 本文的研究内容是以制造系统理论为指导，是对上述制造系统理论体系的进一步 深入和发展，因此，制造系统理论的这些观点是本文研究工作的理论基础。 7 重庆大学博士学位论文 2 、先进制造模式的研究髓一。1 3 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。 绿色制造( g r e e nm a n u f a c t u r i n g ) ( 2 1 ，又称环境意识制造( e n v i r o n m e n t a l l yc o n s c i o u s m a n u f a c t u r i n g ) ，面向环境的制造( m f e ) 等。近年来的研究非常活跃。如：1 9 9 6 年， 美国制造工程师学会( s m e ) 发表了关于绿色制造的兰皮书( g r e e nm a n u f a o i u r i n g ) ) i i l - 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；1 9 9 8 年s m e 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b e r k e l e y 加卅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 ( h t t d ：l l g r e e n m f g m e b e r k e l e ye d u ) 。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c i r p 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1 6 , ? , 1 0 - 1 3 ，美国a t & t 和许多企业以企业行为 投入大量研究限9 。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i s o 提出了关于环境管理的1 4 0 0 0 系列 标准，如1 4 0 0 1 、1 4 0 4 0 后，推动着绿色制造的研究更加括跃。可以不夸张地说，绿 色制造研究的强大绿色浪潮，正在垒球兴起。 3 、应用技术与实验研究 - c 制造系统建模技术- ” 制造系统建模是对广义制造资源优化利用的研究，即对包含物质、能源、劳动力、 资金等在内的资源的最优调度、控制与决策。虽不专门研究物质与能量的消耗问题， 但其从制造系统整体最优出发的思想和方法具有报好的借鉴使用。 系统模型是用适当的语言和表达式对系统或系统的某一部分的情况或状态的抽象 表示。以典型的离散制造系统为例，在研究生产和制造时常用的系统建模方法有：( 1 ) 数学方程。如给出描述系统的微分方程、偏微分方程等数学模型；( 2 ) 控制论，给出 系统的输入、响应、传递函数、状态方程等；( 3 ) 数学规划，如线性规划、非线性规 封j 、动态规划等用于系统最优决策：( 4 ) 圈与网络法，如计划评审法( pe rt ) 、 关键路径法( cpm ) 、活动循环图( acd ) 、p e t r i 网等描述离散事件系统模型： ( 5 ) 随机理论和排队论，用以描述随机系统。 系统评价技术”5 8 重庆大学博士学位论文 目前，对于产品的环境影响和资源消耗问题的评价技术研究主要基于生命周期评 价思想”。生命周期评价是一种对产品、生产工艺以及活动对环境的压力进行评 价的客观过程，它是通过对能量和物质利用以及由此造成的环境废物排放进行辨识和 量化来进行的。其目的在于评估能量和物质利用，以及废物排放对环境的影响，寻求 改善环境影响的机会以及如何利用这种机会。这种评价贯穿于产品、工艺和活动的整 个生命周期，包括原材料提取与加工，产品制造、运输以及销售，产品的使用、再利 用和维护，废物循环和最终废物处理。 近年来许多工业发达国家对产品生命周期评价进行了大量研究。但大多数是基于 is01 4 0 0 0 提出的，同时由于产品生命周期评价涉及的变量和约束条件太多，使得 较多研究还主要是定性分析，定量分析也仅处于探讨阶段。如建立产品矩阵，把产品 生命周期阶段作为矩阵的列向量，把产品生命周期过程中的资源消耗和环境影响指 标，譬如原材料消耗量、能量消耗量、固体废弃物的排放量、液体废弃物的排放量、 气体废弃物的排放量等，作为矩阵的行向量，通过定性与定量相结合的分析方法确定 矩阵中的元素值及其权重j 通过示解该矩阵可以得到产品的环境影响效率值re 。， 阳l ”“。在具体应用中还可对上述指标进行分解，以使评价结果更具说服力。 例如文献 1 8 3 指出作为决策分析的一个重要工具，lca 应是一个多目标优化 评价方法，但lca 定义中仅仅只给定了一个优化目标，即环境影响程度，在现实的 评价决策中还应考虑其他一些因素，如社会、经济、技术等。文献 1 0 3 提出了一 种建立产品生命周期评价的经济模型思想，针对传统的制造成本模型、管理成本模型 和微观经济模型己不能满足lca 的要求，可以采用作业成本法( a c t i v i t yb a s e d c o s t i n g ) 等来确定出产品的质量损失和工艺损失的处罚成本。文献 9 7 3 提出现有 的生态平衡方法己不适用于lca ，成本分析方法此时也有一定的局限性。c a r u e g l e m e l l o n 大学开发了e i o - l c a 评价软件，用产品生命周期的资源输入输出矩阵，结合 测定的不可再生资源的消耗数据、环境影响数据，用环境成本法来确定产品的生命周 期过程中的生态效率( 9 5 。德国的ipk 研制了一种评价工具，称为g a bi ，其数据 库内含有关化学、冶金、聚合物等产品制造方面的3 0 0 多项数据，采用对产品生命周 期过程建立模型的方法来评价方案的环境特性 1 2 。 制造工艺、设计技术等旧“3 产品设计方面的研究：主要的是在传统设计目标上加上对环境和资源节约目标， 诸如面向环境的产品设计( d e s i g nf o re n v i r o n m e n t ) ，环境意识设计( e n v i r o n m e n t c