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基于实例推理的绿色产品配置方法研究 摘要 绿色设计可以满足消费者绿色消费的需求，是可持续发展的必然选择，也 是消除绿色贸易壁垒的最有效途经。以往的设计经验表明，绿色设计方法只有 与现有成熟的设计方法有效融合，才能真正为设计者掌握和利用。作为大规模 定制的核心技术之一，产品配置方法得到了深入广泛的研究，已形成了完善成 熟的理论体系，基于产品配置的设计与生产方式在制造业中得到广泛的应用。 因此，将绿色设计的思想融入产品配置中，进行绿色产品配置，是推动绿色设 计实际应用的有效途径。 基于以上分析，本文将绿色设计方法和产品配置中常用的基于实例推理的 配置方法相结合，提出了基于实例推理的绿色产品配置方法。根据绿色产品设 计具有层次性的特点，建立了绿色设计实例库：在对基于实例推理方法分析的 基础上，给出了产品检索的相似算法：采用分层检索策略和回溯算法，有效的 提高了实例的检索速度；分析绿色产品的特点，给出了产品绿色性能评价方法。 论文最后以豆浆机配置为例，验证了此方法的可行性。 关键词：绿色设计产品配置基于实例推理实例检索 r e s e a r c ho ng r e e np r o d u c t sc o n f i g u r eb a s e do nc a s e b a s e d r e a s o n i n g a b s t r a c t g r e e nd e s i g nc a ns a t i s f yt h eg r e e nc o n s u m p t i o nf r o mc o n s u m e r sa n di st h e i n e v i t a b l ec h o i c et oc o n f o r mt ot h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t t h eo l dd e s i g n e x p e r i e n c e si n d i c a t et h a to n l yd o s et h eg r e e nd e s i g nm e t h o d sc o m b i n e de f f e c t i v e l y w i t he x i s t i n gd e s i g nm e t h o dc o u l dt h ed e s i g n e r sm a s t e rt h eg r e e nd e s i g n e rm e t h o d a so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fm a s sc u s t o m i z a t i o n ，p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n m e t h o dh a sb e e nr e s e a r c h e dm o r ew i d e l ya n dd e e p l y ，a n df o r m sas o u n da n dm a t u r e t h e o r y t h ed e s i g nm e t h o db a s e do np r o d u c tc o n f i g u r a t i o nh a s b e e nw i d e l ya p p l i e d i nm a n u f a c t u r i n g s o ，i n t e g r a t i n gt h et h o u g h to fg r e e nd e s i g ni n t ot h ep r o d u c t c o n f ig u r a t i o na n dc a r r y i n go ng r e e np r o d u c tc o n f i g u r a t i o ni so n eo ft h ee f f i c i e n t w a y st op r a c t i c eg r e e nd e s i g n b a s e do nt h ea n a l y s e sa b o v e ，m e t h o d so fg r e e nd e s i g na n dp r o d u c t c o n f i g u r a t i o nb a s e do nc a s e b a s e dr e a s o n i n gi si n t e g r a t e da n d ag r e e nd e s i g n m e t h o db a s e do np r o d u c tc o n f i g u r a t i o ni sg i v e no nt h i sp a p e r v i aa n a l y z i n gt h e h i e r a r c h i c a lp r o c e s st h eg r e e np r o d u c t s ，t h eg r e e nd e s i g nc a s eb a s ei sb u i l t s i m i l a r i t ya r i t h m e t i c o fc a s er e t r i e v a li sg i v e nb ya n a l y z i n gt h ec a s e b a s e d r e a s o n i n gm e t h o d b yu s i n gh i e r a r c h i c a l r e t r i e v a l s t r a t e g y a n db a c k t r a c i n g a r i t h m e t i c ，t h es p e e do fc a s er e t r i e v a li sf a s t e d t h e nt h ee v a l u a t i o nm e t h o do f g r e e np r o d u c ti ss h o wv i aa n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eg r e e np r o d u c t f i n a l l y ， a ne x a m p l eo fs o y b e a nm i l ke x t r a c t o rc o n f i g u r a t i o ni sg i v e nt os h o wt h ef e a s i b i l i t y o ft h i sm e t h o d k e yw o r d s ：g r e e nd e s i g n ，p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n ，c a s e - b a s e dr e a s o n i n g ，c a s e r e t r i e v a l 插图清单 图2 1 基于实例推理模型1 9 图2 2 基于实例的推理流程2 0 图2 3 动态存储模式2 l 图2 _ 4 类别样本模式2 l 图2 5 基于实例推理的绿色产品配置系框架图2 3 图3 1 可配置产品2 5 图3 2 产品结构模型2 7 图3 3 等同关系。2 8 图3 _ 4 组合关系2 8 图3 5 数学关系2 9 图3 - 6 绿色产品实例库3 3 图4 一l 产品配置过程示意图。3 4 图4 2 配置产品的检索过程4 l 图4 3 基于模糊层次分析法的评价过程4 5 图4 - 4 产品拆卸性能评价指标的递阶层次结构4 6 图5 一l 豆浆机产品结构模型4 7 表格清单 表1 1 绿色设计与传统设计的比较8 表2 1 绿色设计优先考虑策略1 5 表3 1 能源效率等级3 0 表3 2w e e e 回收率和再循环再利用率计算3 l 表3 3 结构关系分值评判标准3 2 表4 1 评价指标相对重要度判断尺度4 5 表5 一l 豆浆机a 属性4 8 表5 2 豆浆机a 结构系统属性4 8 表5 3 豆浆机a 控制系统属性4 9 表5 _ 4 豆浆机a 加热系统属性4 9 表5 5 豆浆机a 容器部件属性5 0 表5 - 6 豆浆机a 打浆部件属性5 0 表5 7 豆浆机a 控制部件属性5 l 表5 8 豆浆机a 加热部件属性5 l 表5 - 9 豆浆机b 属性5 2 表5 一1 0 豆浆机b 结构系统属性5 2 表5 1 1 豆浆机b 控制系统属性5 3 表5 1 2 豆浆机b 加热系统属性5 3 表5 1 3 豆浆机b 容器部件属性5 4 表5 一1 4 豆浆机b 打浆部件属性5 4 表5 1 5 豆浆机b 控制部件属性5 5 表5 一1 6 豆浆机b 加热部件属性5 5 表5 1 7 豆浆机a 和b 结构关系5 6 表5 一l8 目标产品5 6 表5 1 9 检索约束5 7 表5 2 0 配置产品l 5 7 表5 - 2 1 配置产品2 5 7 表5 2 2 配置产品l 与目标产品相似度5 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 锻迫 l 签字日期珊i ) 彦年妇i 。产 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒肥王些盍堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 翻也 签字日期州年歹月t 彳日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 一名：五、 签字日期：o q 舛j - 月夕日 电话： 邮编： 致谢 非常感谢我的导师刘志峰教授，在三年来的研究生学习和生活中给与了我 无数地关怀和指导。刘老师在繁忙的工作之中，从未放松过对我的指导。导师 不仅在理论研究上给予我耐心的启发性指导，鼓励我以创造型思维思考问题， 而且为我提供了许多实践的机会，锻炼了我独立解决问题和实际运用知识的能 力，我所取得的每一份成绩都是与导师的精心指导分不开的。不仅如此，导师 在生活上也给予了我很大的帮助。导师独特的教学方法、严谨的治学态度、渊 博广阔的学识、立足前沿的学术目光，以及平易近人的待人方式，都给我留下 了深刻的印象，并指导着我在以后的人生道路上前进。在此再次向导师致以最 深切的敬意和最衷心的感谢! 衷心地感谢刘光复教授、宋守许副教授、朱家诚教授、张雷老师和黄海鸿 老师，三年来各位老师在学习与生活上给与我了很大的帮助；特别感谢张雷老 师和黄海鸿老师，他们不仅在学习和课题研究中给与了我很多指导，在生活上 也给我了很大的帮助，是我学习的榜样。本文论文的选题和撰写也得到了两位 老师的细心指导。 感谢李冰冰、高洋、张福龙、陈清、杨德军、陈志军、鲍宏、仲榕南等硕 士在生活和学业上给予我的支持与帮助，感谢他们在本人科研和完成此文的过 程中所提供的支持和宝贵意见。 感谢已毕业的郭伟祥、戚赞徽、潘君齐博士，莫兴波、吕义等硕士在生活 和学习上给予我的支持和帮助。 感谢我的父母对我的养育之恩，感谢他们二十多年来在我生活、工作和学 习上无私的支持和帮助，没有他们的关怀和帮助就不可能有本论文的完成，本 论文也凝聚着他们2 0 多年来的心血。在以后的学习和工作中我会更加的努力! 作者：胡迪 2 0 0 8 年4 月2 0 日 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 绿色产品的特点 制造业的快速发展一方面为人类创造了丰富的物质文化财富，促进了人类 文明的进步，但另一方面，也消耗了大量的资源和能源，并造成了严重的环境 污染。人类逐渐认识到工业文明所带来的负面影响：近年来相继出现的温室效 应、大气臭氧层破坏、酸雨污染、有毒化学物质扩散、人口爆炸、水资源短缺 和污染、土壤侵蚀、森林锐减、土地沙漠化、生物多样性锐减等各种全球性生 态问题，耗费了人类大量的财富，对人类生产力的进一步发展产生了很大的制 约；越来越短的产品使用寿命( 并非产品丧失了原有的功能，而是消费者选择 了更新、更好的产品) 造成数量越来越多的废弃物；资源的过度开发和过量消 耗，已造成多种资源的枯竭或短缺。 由制造业引发的环境问题引起了越来越多的关注。近二、三十年来，人们 的消费习惯己开始逐渐转向绿色消费。据有关民意测验统计，7 7 的美国人表 示，企业和产品的绿色形象会影响他们的购买欲望；9 4 的德国消费者在超市 购物时，会考虑环保问题；在瑞典8 5 的消费者愿意为环境清洁而付较高的价 格；加拿大8 0 的消费者宁愿多付1 0 的钱购买对环境有益的产品；在日本6 0 以上的消费者常常留意购买对环境友好的商品，4 0 以上的消费者在价格相同 的时候，他们会选择购买再生产品【l l 。在我国广大消费者中，绿色消费意识已 基本形成。2 0 0 1 年3 月至6 月，中消协开展的“千万人绿色消费志愿者在行动一 的调查结果显示：9 5 以上消费者认可和支持绿色消费。对全国3 6 个副省级以 上的城市的调查也表明【2 l ：9 8 9 的消费者愿意为推动绿色消费而尽力；9 7 以 上的消费者愿意将垃圾分类投入和节约用水：9 7 4 的受调查者愿意选择绿色 家居和环保装修，支持发展公共交通，拒绝野生动物制品：有9 5 的人赞同尽 量不用塑料袋、一次性筷子和餐具。“绿色消费 浪潮使市场及消费者对绿色产 品有强烈的需求。 世界各国政府以及国际组织也公布了越来越多的环保法律法规。5 0 年代以 前，涉及环境与环保问题的国际公约只有6 项，7 0 年代增长到1 6 项，8 0 年代 增长到1 0 0 项左右，目前世界签署的与环境和资源有关的国际公约、协定及协 议已达1 8 0 多项，其中就有1 8 项协议含有贸易条款，如保护臭氧层维也纳公 约，关于破坏臭氧层物质的蒙特利尔议定书及其伦敦修正案、生物多 样性公约、联合国气侯变化框架公约等等。针对具体的产品，各国和地区 制定了众多的环境法规指令。其中影响力最大的是欧盟的双环保指令：于2 0 0 5 年8 月1 3 日开始正式实施的报废电子电气设备指令( w e e e 指令) ，于2 0 0 6 年7 月1 日开始正式实施的关于在电气电子设备中禁止使用某些有害物质指 令( r o l l s 指令) 。w e e e 指令规定，自2 0 0 5 年8 月1 3 日起，在欧盟市场上 销售、流通的电子电器设备的生产商必须在法律意义上承担起支付自己报废产 品回收费用的责任。r o l l s 指令规定，自2 0 0 6 年7 月1 日起，所有在欧洲市场 上出售的电子电气设备必须严格控制铅、镉、汞、六价铬、聚溴二苯醚( p b d e ) 和聚溴联苯( p b b ) 六种有害物质的含量。2 0 0 7 年8 月1 1 日，欧盟开始实施耗 能产品设计指令( e u p ) ，e u p 指令首次将“生命周期”理念引入产品设计环节中， 旨在从源头入手，在产品的设计、制造、使用、维护、回收和后期处理这一周 期内，对能源产品提出环保要求。美国先后颁布了资源保护回收法、l ：有毒 物质控制法以及资源保护与恢复法，并于1 9 9 2 年开始执行。能源之星一 计划。日本也先后出台了环境基本法、 基于规则推理的产品配置方法； 基于描述逻辑的产品配置方法： 基于资源的产品配置方法； 基于约束的产品配置方法； 基于实例推理的产品配置方法： 基于本体的产品配置方法； 基于g b o m 的产品配置方法； 产品配置优化与评价方法。 l o 在众多的产品配置方法中，基于实例推理的产品配置与其它推理方法中需 要用到推论演绎机制不同，基于实例推理( c a s eb a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 的依 据是：相似的问题往往有相似的解法，通过检索以往相似配置，只要稍加修改 就能应用到新的配置中。因此，基于实例推理的产品配置方法具有如下优点： ( 1 ) 设计案例是对企业以前设计的成型产品及其相关属性特征的描述，其 本身包含了大量的设计经验知识，可为产品配置过程提供大量的基础数据。 ( 2 ) 基于实例推理的求解方法恰恰符合一般产品设计的过程，设计者在进 行产品方案设计时，总是先查询以前的案例，找出相似设计方案对其进行修改， 从而获得新的产品设计方案。在产品配置中采用c b r 思想，可以使得计算机支 持的产品配置过程与人类的思维方法相吻合。 ( 3 ) 通过对成功或失败案例的分析，可以避免在设计过程中犯同样的错误， 提高设计效率。 近年来针对基于c b r 的产品配置研究越来越多，t s e n g 和c h a n g 等【4 9 】使用 c b r 的算法来构造b o y 结构并融入到产品配置中，克服了传统的基于规则的产 品配置系统维护困难的缺点，有效的提高了产品研发的效率缩短了研发周期， 并使公司的研发经验和知识能系统化和标准化的保存下来：w u 和l o 等p o j 提出 模糊c b r 技术配置概念产品的方法，将产品用1 0 0 个属性向量描述，其中8 7 个为常规属性，1 3 个为回收再制造属性：用模糊a h p 法确定属性的权重，再用 模糊c b r 检索机制配置概念产品以加强“基线产品一的功能。h a n 和l e e t j 提 出了虚拟功能生成器的概念，虚拟功能生成器从历史设计案例中得到，通过它 辅助生成新的概念设计，为产品配置提供了一种新的思路。王新和谭建荣等p 2 j 通过对大规模定制生产模式下的需求产品配置技术的研究，提出了产品族需求 类和需求匹配模板的概念，建立了相应的需求产品模型以及基于实例的需求产 品配置模型，采用二级相似性匹配的方法，得到需求产品的配置结果，并分析 了配置方法对需求响应的影响。 c b r 与r b r 系统相比有以下的优点：首先，丰富的c b r 系统知识库是一个 不断收集以往设计案例的过程，不必掌握其潜在的复杂的推理规则；其次，案 例与案例之间并没有实质性的关联，所以可以对个别案例添加各种个性化的信 息，而不必担心对其他案例产生影响；再次，相似问题的不同案例有不同的解 法，在c b r 系统中能方便的实现；最后，当新的问题得到解决或问题有了新的 解法，用户可以方便的把案例储存到c b r 系统中以丰富c b r 系统知识库【5 引。 1 3 论文的主要工作及内容 本文的研究目的是通过分析绿色设计与基于实例推理的产品配置方法的特 点，找出二者的结合点及结合方法，提出了基于实例推理的绿色产品配置理论 和方法。该方法设计出来的产品除了具有设计周期短，设计效率高的优点外， 更重要的是产品可以满足产品绿色性能方面的要求。根据论文的研究目标和研 究内容，本论文主要由以下章节组成： 第一章简要地综述了研究背景，以及绿色设计和产品配置相关领域的国内 外研究现状，提出了本文的研究内容一一将绿色设计的思想引入到基于实例推 理产品配置中。 第二章主要是从整体上论述了绿色设计和基于实例推理产品配置的结合， 提出了基于实例推理的绿色产品配置的基本理论框架。 第三章通过分析产品绿色设计的层次性结构，提出了绿色设计实例的表达 模型，并且建立了层次型绿色设计实例库。 第四章研究了基于实例推理的原理，基于实例推理与绿色产品配置的关系， 并针对基于实例推理实例的检索和绿色产品评价入库做了研究。 第五章以豆浆机产品配置为实例，介绍了本文方法的可行性。 第六章对全文进行了总结和展望。 1 2 第二章基于实例推理的绿色产品配置理论框架 2 1 绿色设计基本理论 绿色设计的目的是克服传统设计的不足，使所设计的产品满足绿色产品的 要求。绿色设计面向产品的整个生命周期，它包含产品从概念形成到生产制造、 使用乃至废弃后的回收、重用及处理处置的各个阶段，是从摇篮到再现的过程。 其基本思想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设计目标和出发点，力求产品在其生命周期全过程中，资 源能源利用率最高，环境影响为最小。也就是说，要从根本上防止污染，节约 资源和能源，关键在于设计与制造，不能等产品产生了不良的环境后果再采取 防治措施，要预先设法防止产品及工艺对环境产生的负作用。 研究表明，在产品设计过程中，尽管设计费用只占总成本的3 0 左右，但是 设计阶段却决定了产品生命周期中全部消耗的8 0 - 9 0 。因此产品的设计在整个 产品的开发过程中起到了非常重要的作用。因为当今的环境问题和社会发展的 需要对产品的设计提出了更高的要求，在这种情况下，绿色设计孕育而生。同 时基于环境、资源和质量等各方面的因素，绿色产品成为时代呼唤的主题。而 绿色设计是获得绿色产品的基础，所以绿色设计也就成为人们广泛研究的热点 之一。 绿色设计指的是在产品整个生命周期内，着重考虑产品环境属性( 自然资源 的利用、环境影响及可拆卸性、可回收性、可重复利用性) ，并将其作为设计目 标，在满足环境目标的同时，并行地考虑并保证产品应有的基本功能、使用寿 命、经济性和质量等。所以绿色设计是面向产品全生命周期用于获得绿色产品 的设计理论、思想和方法的集合，同时，绿色设计又是一种将资源环境属性考 虑到产品设计中的系统工程方法。 2 1 1 绿色设计原则 绿色设计所要解决的根本问题，就是如何减轻由于人类的消费而给环境增 加的生态负荷。这里所谓的生态负荷包括：生产过程中能量与资源消耗所造成 的环境负荷，由能量的消耗过程所带来的排放性污染的环境负荷，由于资源减 少而带来的生态失衡所造成的环境负荷，由于流通与销售过程中的能源消耗所 造成的环境负荷，最后还包括产品消费终结时废旧物品与垃圾处理时所造成的 环境负荷。 到今天为止没有纳入绿色设计轨道的产品生产，已经不同程度地将无法处 理的垃圾问题带入了2 1 世纪，这是这一代人类无奈之中“送一给新世纪的很不 礼貌的一份“礼物 1 3 因此，起始于2 0 世纪最后几十年的绿色设计运动提出从今天的设计师手中 开始新的设计的口号，这是实实在在的为新世纪着想的设计，为未来社会造福 的设计。 绿色设计将这一目标具体地归纳在三个“r 之中即：r e d u c e 、r e u s e 以 及r e c y c l i n g 。这三个“r 也被称为绿色设计运动的三个主题词，或三个设计 原则。 “r e d u c e ”是“减少”的意思，可以理解成物品总量的减少、面积的减少、 数量的减少；通过量的减缩而实现生产与流通、消费过程中的节能化。这一原 则，可以称之为“减量化设计原则一。 “r e u s e 是“回收 的意思，即本来己将脱离产品消费轨道的零部件返回 到合适的结构中，继续让其发挥作用；也可以指由于更换影响整体性能的零部 件而使整个产品返回到使用过程中。这一原则，可以称之为。再利用设计原 则 。 “r e c y c l i n g 是“再生一的意思，即构成产品或零部件的材料经过回收之 后的再加工得以新生，形成新的材料资源而重复使用，这一原则可从称之为“资 源再生设计原则 。 2 1 2 绿色设计策略 从前面分析可知，绿色设计综合考虑产品寿命周期各个阶段的环境保护、 劳动保护、资源和能源优化利用等同题，故绿色设计首先是在产品寿命周期各 个阶段的设计“绿色化 基础之上，再从寿命周期整体角度上进行“绿色一优 化。因此，进行产品绿色设计时必须十分清楚地知道产品寿命周期各阶段的绿 色设计策略。将之前绿色产品设计原则转化到具体产品设计、生产制造、包装、 使用与报废等全生命周期绿色设计中，一般产品在材料选择、制造过程、装配、 使用、拆卸以及回收各生命周期绿色设计阶段绿色设计策略归纳如表2 一l 所示。 从上述绿色设计策略可以看出，绿色设计过程中，在考虑产品材料选择时 应优先考虑材料本身制备过程中低损耗、少污染且产品报废后材料便于回收再 生重用或者易于降解( 对于产品报废后的无法回收再生的废弃材料) 的具有良好 环境协调性的绿色材料。在产品制造时应选用节资节能、低污染的工艺；应大 力强化对后勤运输的管理和减小产品的重量以尽可能减少产品运输过程中资源 能源消耗，产品的包装材料最好采用可回收包装材料以便能进行多次回收利用 从而实现资源的优化利用：在考虑产品“绿色一使用时，应有针对性地对具体 产品使用阶段的资源和能源消耗情况进行节资节能设计( 比如家用电器，就应着 手于进行节能性设计) 。同时还应对产品进行长寿命设计和均衡寿命设计，以延 长资源产品化后的寿命和减少甚至消除产品零部件闯寿命不匹配而造成的资源 浪费。此外，产品的易操作性和对使用者良好的保护也必须慎重考虑：要真正 1 4 实现合理利用资源和保护环境就必须有效地对报废产品进行回收，并实现资源 的再生重用。就应对产品进行可拆卸性设计( 从原理上讲，可回收设计包括可拆 卸设计。而可拆卸设计也基本上完全体现出可回收设计思想) 。也就是在产品设 计时，就根据产品各个零部件的材料特性和经济性等明确了产品将来报废后哪 些零部件将要被拆卸并实现回收再利用，并在产品结构充分考虑这些零部件材 料性能的稳定性( 即能相容材料才进行接触，防止材料间由于氧化、腐蚀、磨损 等原因而产生变性) 和易于无损拆卸等问题。在对产品寿命周期各阶段设计“绿 色化纾后，还应从总体上对设计方案进行经济可行性分析、技术可行性分析和 环境技术经济三者协调分析，以确保所设计的方案最优“绿色化一和切实可行。 表2 1 绿色设计优先考虑策略 产品生命周期阶段 设计策略相关后果 制造前 选用回收材料防止资源枯竭，减轻环境负担 选用节能型材料减轻环境负担 选择环境友善型元件( 零件) 操作性好，减轻环境负担 选用可再生材料防止资源枯竭减轻环境负担 选用可降解材料减轻环境负担 制造 选择高产出工艺 减轻环境负担，提高经济效益 选择节省资源工艺 防止资源枯竭减轻环境负担 选择节省能源工艺减轻环境负担 包装、运输 提高后勤管理水平减轻环境负担，提高经济效益 低能耗和物耗的运输手段防止资源防止资源枯竭，减轻环境负担，提高 枯竭，( 如减轻重量) 经济效益 选用可回收包装材料防止资源枯竭，减轻环境负担 使用 低能耗、低物耗设计防止资源枯竭，减轻环境负担 均衡寿命设计防止资源枯竭，减轻环境负担 长寿命设计防止资源枯竭减轻环境负担 操作性好，低污染减轻环境负担，劳动保护 最终处理 可拆卸设计 防止资源枯竭 可回收设计 防止资源枯竭，面向环境设计 防止资源枯竭减轻环境负担，保证 保护材料特性。防止发生材料变形 产品性能与质量 经济可行性分析 设计可行性分析技术可行性分析 枯束、绎济、环墙= 者协调分析 2 1 3 绿色设计的主要内容和关键技术啼印 绿色设计的主要内容包括：绿色产品设计的材料选择与管理：产品的可拆 卸性设计；产品的可回收性设计：绿色产品的成本分析；绿色产品设计数据库 等。 ( 1 ) 绿色产品设计的材料选择与管理。绿色设计要求产品设计人员要改变 传统选材程序和步骤，选材时不仅要考虑产品的使用条件和性能，而且应考虑 环境约束准则，了解材料对环境的影响，选用无毒、无污染材料及易回收、可 重用、易降解材料。除合理选材外，同时还应加强材料管理。 绿色产品设计的材料管理包括两方面内容：一方面不能把含有有害成份与 无害成份的材料混放在一起；另一方面，达到寿命周期的产品，有用部分要充 分回收利用，不可用部分要采用一定的工艺方法进行处理，使其对环境的影响 降低到最低限度。 ( 2 ) 产品的可回收性设计可回收性设计是在产品设计初期充分考虑其零 件材料的回收可能性、回收价值大小、回收处理方法、回收处理结构工艺性等 与回收性有关的一系列问题，最终达到零件材料资源、能源的最大利用，并对 环境污染为最小的一种设计思想和方法。可回收性设计主要包括以下几方面主 要内容：可回收材料及其标志；可回收工艺与方法；可回收性经济评价：可回 收性结构设计。 ( 3 ) 产品的可拆卸性设计拆卸在现代生产良性发展中起着重要的作用， 已成为机械设计的重要内容。可拆卸性是绿色产品设计的主要内容之一，它要 求在产品设计的初级阶段就将可拆卸性作为结构设计的一个评价准则，使所设 计的结构易于拆卸，维护方便，并在产品报废后可重用部分能充分有效地回收 和重用，以达到节约资源和能源、保护环境的目的。可拆卸性要求在产品结构 设计时改变传统的连接方式代之以易于拆卸的连接方式。 ( 4 ) 绿色产品的成本分析由于在产品设计初期就必须考虑产品的回收、 再利用等性能，因此成本分析时，必须考虑污染物的替代、产品拆卸、重复利 用成本、特殊产品的环境成本等。对企业来说，是否支出环保费用，也会形成 产品成本上的差异，同样的环境项目，在各国或地区间的实际费用，也会形成 企业间成本的差异。因此，在每一设计决策时都应进行绿色产品成本分析，以 便设计出的产品“绿色程度 好且总体成本低。 ( 5 ) 绿色产品设计数据库。绿色产品设计数据库是一个庞大复杂的数据库。 该数据库对绿色产品的设计过程起着举足轻重的作用。该数据库应包括产品寿 命周期中与环境、经济等有关的全过程数据，如材料成份、各种材料对环境的 影响值、材料自然降解周期、人工降解时间、费用，制造、装配、销售、使用 过程中所产生的附加物数量及对环境的影响值，环境评估准则所需的各种判断 标准等。 2 。2 配置设计与实例推理基本理论 2 2 1 配置设计 配置设计( c o n f i g u r a t i o nd e s i g n ) 是在一系列己设计的零部件中寻找并组 1 6 合出满足一定要求，符合一定约束的产品设计方法和过程。配置设计作为一种 设计方法，通过合理组织己有的设计成果，根据客户需求选择零部件迅速组成 新产品，已经成为实现大规模定制设计生产的核心方法。配置设计的具体内容 包括创建通用产品结构树、制定产品配置规则和已有实例相似度匹配计算等 【5 6 】 口 配置规则( c o n f i g u r a t i o nr u l e ) 是配置设计的核心。产品配置规则是在进 行产品配置时选择零部件的准则，方便、灵活、高效的配置规则是配置设计以 及大规模定制得以实现的前提条件。配置规刚可分为弧大类：装配规则和企业特 殊的配置规则1 5 7 1 。企业常用的产品配置规则一般有变量配置、有效性配置和发 放状态配置p 引。 ( 1 ) 变量配置。当某个产品形成系列产品时，将该系列产品按产品族的思想 建立产品族。例如，同样是冰箱，它的容积属性可以是1 8 1 l ，i o o l ，1 2 5 l 等多 个可选值。可以把这些属性作为变量，根据这些变量韵取值决定哪个型号的零 部件入选具体的产品结构。用这种配置方法进行产品结构配置称为变量配置。 在按变量配置产品结构时，必须考虑几个基本数据对象：变量、配置条件和配置 规则。配置条件是变量的取值范围。配置规则是配置条件、配置条件逻辑运算 法则以及可供选择的零部件的组合。利用这些配置规则和配置条件构成选择表 可以构造各种配置选择表，来选择所有可选的零部件。其中，变量值可以 是数值型、字符型、日期型等。在配置条件中，可以是精确的变量匹配值，也 可以是带有逻辑运算符( 如。 ， 。= ，! = 。l i k e 等) 的变量匹配值。用以 表示一定的匹配范围。如果有若干个配置条件，则需要用逻辑运算符号a n d ，o r ， x o r 等表示这些条件之间的组合方式。 ( 2 ) 有效性配置。有时在产品结构中，某一零部件由于某种理由可能使用了 一个零件的多个版本。此时要装配具体产品结构，需要按照有效性规则进行配 置，确定哪一个零件舨本在哪一层产品结构中能够入选。有效性规则可以有多 种：结构有效性、时问有效性、价格有效性和地域有效性等。其中常用的是结构 有效性和时间有效性。结构有效性指的是零部件在某个具体的装配关系中的数 量。例如，在一个自行车完整的产品结构中，可以有变速器这个部件。在一个 自行车的具体产品结构中，可能不安装变速器。通过设置结构有效性的规则， 反映这种配置意向，时间有效性是用零部件各个版本的有效时间段来确定哪个 版本的零部件入选。这里，零部件各版本的有效时间段不应当有重叠，以避免 零部件选择的二义性。当然，零部件各版本的有效时间段也必须紧密衔接，不 应出现空白区间。进行配置时，可以把这些配置规则经过逻辑组合而使用，得 到同一产品的不同配置。 ( 3 ) 发放状态配置。一个零部件的资科可能具有多个不同的版本，这些版本 具有不同的状态，如工作状态、发放状态等。处于工作状态的资料是正在修改 1 7 的资料。处于发放状态的资料是已经通过审核和批准的资料，一般不再进行修 改。在发放状态中，还可以分为设计发放和制造发放等状态。设计发放是指该 零部件的结构合理性已经得到审核和批准。在这两种状态之间，还可以设定多 种中间状态，以满足进行工艺规划设计的需用。可以按照资料版本所处的不同 状态进行产品配置。一般情况下，企业都是按照已发放的版本进行配置。此时， 配置规则可以指定为“版本状态为己发放的最新版本 或“所有已发放的版本一。 有时企业为了临时加速设计进度，加大并行设计的重叠程度：或者为了对不同的 产品结构进行比较，也可以利用处于工作状态的版本进行配置。 实现产品的配置有两种算法，一种是给出产品模型，由客户来对每个节点 进行选择，这种可称为过程式的产品配置。对于产品模型上的每一个节点，首 先判断其类型是构件还是零部件，如果是构件，则根据配置规则决定其选配情 况：如果配置规则不能确定，则由客户确定，一旦确定了构件选中，必须确定其 参数，确定参数可根据客户输入的要求求解，从参数系列中选择一个，这时构 件己经变成了一个零部件。如果求解失败，则要求客户重新输入，直到成功为 止。如果节点是零部件，则由配置规则决定是否选择装配：如果配置规则不能确 定是否选装，则由客户决定。此时的零部件还不能用于生产，必须由有效性来 确定零部件的版本，确定了具体版本的零部件才是可用于生产的零部件。 另一种算法是客户一次输入所有的要求，系统根据已知条件对模型库进行 检索，这实际上是一个根据规则进行匹配的过程，在这之中不再需要客户的意 见。检索的策略是先对模型进行选择，然后再对模型的每一个节点进行检索匹 配。每一个工作周期( 一次检索) 由模式匹配、选择、执行三个阶段组成。首先 将数据( 事实) 存储到工作存储器中，系统利用这些事实对产品模型和模型下面 的节点进行规则的前提匹配，匹配过程是对模型中的每个节点扫描知识库中的 每条规则：如果经过冲突集检验有冲突，则要进行冲突消解，然后触发规则，规 则执行后将执行结果放入工作存储器中，再对下一条事实进行匹配，直到所有 的事实匹配完成，得出所要的产品。在这之中如果冲突无法消解，则要退出， 选择下一个产品模型。如果匹配成功，则生成产品结构树。 2 2 2 实例推理 基于实例的推理是指在以前成功设计的实例库中检索与客户需求的设计目 标特征相匹配的一个或多个设计实例的过程。基于实例的推理是近年来人工智 能领域新兴起的一种推理方法。它起源于1 9 8 2 年美国学者r o g e rs c h a n k 关于人 类学习和回忆的动态存储模型的研究工作。第一个真正意义上基于c b r 的专家系 统是1 9 8 3 年由y a l e 大学j a n e tk o l o d n e r 教授领导开发的c y r u s 系统。它以 - s c h a n k 的动态存储模型和问题求解、学习的m o p 理论( l e m o r yo r g a n i z e dp a c k e t ) 为基础，做与旅行相关问题的咨询回答工作【5 引。 1 3 基于实例的推理是一种类比推理，其核心是依据过去的成功的或失败的案 例来推导出所求问题的解。基于实例的推理就是直接利用以前一系列设计中的 设计经验和结果，利用类比推理的匹配方法，选择与新问题相近的设计实例， 达到解决新的设计问题的目的。它提供了一种近似人类思维模型的建造专家系 统的新方法学，这与人对自然问题的求解是相一致的它强调这样的思想：人类 在解决问题时，常常回忆过去积累下来的类似情况的处理，通过对过去类似情 况处理的适当修改来解决新的问题。过去的类似情况及其处理技术被称之为实 例( c a s e ) 。过去的实例还可以用来评价新的问题及新问题的求解方案，并且对 可能的错误进行预防，运用这一基本思想进行推理被称为c b r 技术。c b r 核心思 想主要有三点： 基于实例推理是通过访问实例库中的同类事物的求解，从而获得当前问题 的解决方法的一种推理技术。它是近年来人工智能领域内兴起的一项重要的推 理技术，它不同于基于规则的推理模式，在进行新问题求解时，借助以前求解 类似问题的经验来进行推理。如图2 - 1 所示。 设刊实例库( c m ci m s c ) 卜的设计问题卜一设计解 实例i l 图2 一l 基于实例推理模型 ( i ) 基于实例推理流程。简单地说，基于实例的推理就是通过回忆以前曾 经成功解决过的相似问题，比较新、旧问题发生背景和时间等差异，经过一系 列的调整、修改后重新使用以前的知识和信息，达到最终解决当前问题之目的 的一整套思维方法。它无需显示的领域知识模型，避免了知识获取瓶颈，而且 系统开发、易于维护、推理速度快，同时增量式的学习使实例库的覆盖度随系 统使用逐渐增大，效果愈好。基于实例的推理主要包括五个步骤，其推理流程 如图2 - 2 所示。 i ) 实例检索：实例检索就是根据问题构造问题特征，然后从实例库中找出 一个或者多个“最相关、最相似 的实例的过程。 2 ) 实例重用：根据检索到的一个或者若干个实例，直接选用或者对这些实 例综合选用。 3 ) 实例修改：对已检索到的实例通过一定的调整、修改使其适用于新问题 的解决。 4 ) 实例评价：检查所检索到的实例是否满足要求，如果不满足要求，则返 回步骤3 。 5 ) 实例保存：向实例库中增加新实例。 1 9 ( 设计明) d 多 、 学习实例 新实例 一5 i 、。易峄 y弋fl - j 耋 。 检索到的实例山u实例1 叫 修正实例 常识性知识 慕 彳j、 3 念 、 - ， 弋7( 7 一 醉 厂、书i 可用实例 l 确认方案夕剖弓 ( 建议方案) 图2 2 基于实例的推理流程 基于实例的推理是一种充分利用过去经验知识的推理方法，与基于规则、 基于模型等推理模式相比，具有几个明显的优势： 便于设计知识的重用。基于实例的方法能够通过提取、存储先前的相似问 题的解和重用这些解起到重用设计资源和知识的作用。 在可维护方面，比规则库更容易维护和保持一致性。 尽管一个配置问题可以被精确的表示成一个约束满足问题，但是实际中的 一些客户需求仍然是一些模糊的不能被形式化表达的。基于实例的推理能够把 客户的要求映射成一些不精确的需求。 c b r 的关键技术主要包括实例的表示、实例的检索、实例的修正及实例的保 存等。其中，实例保存是将新问题及其解决方案组成新的实例保存到实例库中， 这使得c b r 系统有了学习功能，因而可以通过不断解决新问题提高系统的性能。 ( 2 ) 实例的表示。实例的表达根据不同的问题有不同的方法，大致上可以分 为两种思路：动态存储模式和类别样本模式。所谓动态的存储模式如图2 3 ，就 是通过一种通用的实例结构来组织具有共同特征的实例，再用它们的不同点作 为索引把不同的实例区分开来。分类样本如图2 - 4 ，其模式中的实例处于分类、 特征、实例所组成的网状结构中，它包括三种指针：特征指针一一从不同特征指 向分类：实例指针一一从分类指向实例：差异指针一一从一个实例指向差异最小 的另一个实例。 共同特征 j r 不同藉征l不同特征2 不同特征l 0上上 实例i实例2 实例3 图2 3 动态存储模式 图2 4 类别样本模式 ( 3 ) 实例检索策略。实例检索是基于实例推理( c b r ) 研究中的一个热点问题， 检索到的实例是一个c b r 系统工作的起点，其准确与否很大程度上决定了一个 c