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基于多目标决策的绿色产品设计方案生成方法研究 摘要 开展绿色设计方法、理论的研究是解决资源、能源的过度消耗和环境污染等问题 的主要途径之一，是解决绿色贸易壁垒、开发环保产品的重要手段。产品性能的 7 0 - - 8 0 是由设计阶段决定的，同样产品对生态和环境的破坏程度也在很大程度上 是由设计所决定的。绿色设计除了考虑产品的常规性能外，还要考虑产品的可拆卸性、 可回收性等绿色性能。随着绿色消费的兴起，绿色产品受到了人们的亲睐。如何生成 和选择最佳的绿色产品设计方案是产品设计者最关心的问题，本文对其进行了深入的 研究和探讨。 基于以上考虑，本文提出了基于多目标决策的绿色产品设计方案生成方法，建立 了基于多目标决策的绿色产品设计方案生成方法的理论体系框架。根据概念设计的流 程，从客户需求出发，通过对客户需求的收集、分析和处理，将模糊的客户需求规范 化；采用环境质量功能配置方法( q f d e ) 将规范化的客户需求转化为工程参数，实 现了客户需求向配置设计信息参数的转化：采用产品配置的方法生成绿色产品的设计 方案；从绿色性能和常规性能2 个方面对绿色产品设计方案进行评价和量化分析，根 据多目标决策理论方法，建立了绿色产品设计方案的多目标模型，采用t o p s i s 方法 确定最优的设计方案。论文最后以豆浆机为实例验证了此方法。 借助该设计方法既可以迅速开发满足客户个性化需求的绿色产品；又可以 在设计阶段，帮助设计者确定最佳的设计方案。 关键词：绿色设计；客户需求： 产品配置；方案评价；多目标 t h er e s e a r c ho fg r e e np r o d u c td e s i g ng e n e r a t i o n b a s e do n m u l t i o b j e c t i v ed e c i s i o n m a k i n g a b s t r a c t c a r r y i n go nt h er e s e a r c ho fg r e e nd e s i g nt h e o r y i st h em a j o rw a yt os o l v et h e e x c e s s i v ec o n s u m p t i o no fr e s o u r c e sa n de n e r g ya n ds o l v ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o np r o b l e m ， a n di sa ni m p o r t a n tm e a n so fs o l v i n gt h eg r e e nt r a d eb a r r i e r sa n dd e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t a l p r o d u c t s 7 0t o8 0p e r c e n to ft h ep r o d u c t s p r o p e r t i e sa r ed e t e r m i n e db yt h ed e s i g ns t a g e ， a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ee c o l o g ya n dt h ee n v i r o n m e n ti sl a r g e l yd e t e r m i n e db yt h e ( i e s i 星皿g r e e nd e s i g nm u s ta l s oc o n s i d e rt h ed i s a s s e m b l y a n dr e c y c l ep e r f o r m a n c eo i p r o d u c t s i na d d i t i o nt oc o n v e n t i o n a lp r o d u c t s p e r f o r m a n c e w i t ht h e r i s eo fg r e e n c o n s 啪p t i o n g r e e np r o d u c t sa r ep o p u l a rw i t ht h ep e o p l e g e n e r a t i o n a n dh o wt os e l e c tt h e b e s tp r o d u e td e s i g ni st h em o s tc o n c e r no ft h ep r o d u c td e s i g n e r s i nt h i sp a p e rc a r r d n g o u t i n d e p t hr e s e a r c ha n ds t u d y b a s e do nt h ec o n s i d e r a t i o i l sa b o v e ，g r e e np r o d u c td e s i g n g e n e r a t i o nb a s e do n m u l t i o b j e c t i v ed e c i s i o n m a k i n g i sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r b u i l d i n gt h et h e o r e t i c a l f r 锄e w o f ko fg r e e np r o d u c td e s i g ng e n e r a t i o nb a s e do nm u l t i o b j e c t i v ed e c i s i o n - m a k i n g a c c o r d i n gt ot h ec o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s s ，s t a r t i n gf r o mt h ec u s t o m e rr e q u i r e m e n t s t h c 如z z 、，c u s t o m e rr e q u i r e m e n t sa l et r a n s f o r m e ds t a n d a r d i z a t i o nr e q u i r e m e n t st h r o u g ht h e e o l l e c t i o l l a n a l y s i s a n dp r o c e s s i n g u s i n gq f d em e t h o d s t ot r a n s f o r mc u s t o m e r r e q u i t e m e n t si n t oe n g i n e e r i n gp a r a m e t e r s ，r e a l i z e s t h es h i r i n gf o r mo r i g i n a lc u s t o m e r r e q u j r e m e n t st op r o d u c tc o n f i g u r a t i o ni n f o r m a t i o n p r o d u c tc o n f i g u r a t i o nm e t h o d i su s e d t og e n e r a t eg r e e np r o d u c t sd e s i g n g r e e na n dc o n v e n t i o n a lp e r f o r m a n c e so ft h eg r e e n p r o d u c td e s i g na r ee v a l u a t e da n dq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e d a c c o r d i n g t om u l t i 。o b j e c t l v e d e c i s i o n m a 虹n gt h e o r ym e t h o d s ，s e tu pam u l t i - o b j e c t i v em o d e lo fg r e e np r o d u c td e s i g n t o p s i sm e t h o di su s i n gt od e t e r m i n et h eo p t i m a ld e s i g no fp r o d u c t f i n a l l y , u s i n g s o y a b e a nm i l k m a k e rf o re x a m p l es h o w st h i sm e t h o d t h ep r o d u c t sc a i lb ed e v e l o p e dq u i c k l yt om e e tc u s t o m e rp e r s o n a l i z e dr e q u i r e m e n t s a n d h e l pd e s i g n e r ss e l e c tt h eb e s td e s i g n a tt h ed e s i g ns t a g ew i t ht h ed e s i g nm e t h o d k e yw o r d s ：g r e e nd e s i g n ，c u s t o m e rr e q u i r e m e n t , p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n ， d e s i g ne v a l u a t i o n ，m u l t i - o b j e c t i v e 插图清单 图卜1 人口、资源、环境、经济发展、社会发展之间的关系l 图卜2 电子垃圾堆积如山严重污染水源4 图卜3 小孩子在废弃电子产品的垃圾山上玩耍4 图1 - 4 产品绿色设计流程6 图1 - 5 基于多目标决策的绿色产品设计方案生成的理论体系框架1 3 图2 - 1 产品设计流程1 4 图2 - 2 概念设计流程1 6 图9 - 3 客户需求信息模型1 7 图2 - 4 冰箱功能模型1 7 图2 - 5 空调零部件信息模型1 8 图2 - 6 客户需求的k a n o 模型1 9 图2 7 客户需求分解过程2 0 图2 8q f d e 的质量屋模型2 1 图2 - 9 面向客户需求的绿色产品设计方案生成的体系框架2 6 图3 1 产品设计方案评价流程2 8 图3 2 产品生命周期阶段3 0 图3 3l c a 的技术框架3 0 图3 4 环境影响评价模型3 2 图3 5 螺纹联接结构简图3 6 图3 - 6 功能系统图4 0 图4 1 优先关系指向图4 9 图4 2 理想解和负理想解5 1 图5 - 1 中国钢材生产系统边界5 7 图5 - 2 环境影响的层次模型5 9 图5 - 3 方案6 个零部件的结构关系6 1 图5 4 拆卸性能层次模型6 1 图5 5 方案6 的功能系统图6 3 表格清单 表2 1 客户需求基本单元自相关矩阵2 2 表2 2 客户需求与技术需求关系矩阵2 2 表3 10 1 0 9 比例标度3 4 表3 2 零部件联接交互系数3 5 表3 3 产品回收方法及关键要素分析3 7 表3 - 4 噪声评分标准表3 8 表3 5 强制决定法4 2 表3 - 6 改进f d 法计算功能系数4 3 表4 1 绿色产品设计方案的多目标决策矩阵4 7 表5 1 豆浆机客户需求分解表5 3 表5 2 客户需求单元的自相关矩阵5 4 表5 3 客户需求与技术需求关系矩阵5 4 表5 4 豆浆机技术参数及相关零部件5 5 表5 5 满足c s p 算法的豆浆机可配置单元5 5 表5 - 6 约束分类5 5 表5 7 最终配置结果5 6 表5 8 方案6 的零部件材料及其重量5 6 表5 - 9 中国生产1 钢材对环境的排放( g k g ) 5 7 表5 1 0 中国生产l k g 钢材对全球变暖的影响潜值e p ( g w ) 5 8 表5 1 1 中国生产l k g 钢材对酸化的影响潜值e p ( a e ) 5 8 表5 1 2 中国生产l k g 钢材对富营养化的影响潜值e p ( n e ) 5 8 表5 1 3 中国生产l k g 钢材对光化学臭氧的影响潜值e p ( p o ) 5 9 表5 1 4 中国生产l k g 钢材对粉尘灰尘的影响潜值e p ( s a ) 5 9 表5 1 5 中国生产l k g 钢材对粉尘灰尘的影响潜值e p ( s a ) 5 9 表5 1 6 各指标权重计算结果6 0 表5 1 7 方案6 的连接类型和拆卸能耗6 0 表5 1 8 方案6 的零部件结构深度。6 1 表5 1 9 方案6 的零部件回收方式6 2 表5 2 0 功能系数表6 3 表5 2 1 豆浆机功能区别6 3 表5 2 2 功能成本表6 4 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 金坦王些太堂一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： 惭浮签字日期：砒、广月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月垦王些太堂有关保留、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。本人授权金世王些态堂可 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：- 篱渚 签字日期：d 8 年f 月lc i 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 一名：玉悻辱 签字日期：函辟厂月 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予了我无数的 关怀和指导。他在学习和科研方面给了我大量的指导，并为我提供了良好的科研环境， 让我学到了知识，掌握了科研的方法，也获得了实践锻炼的机会。导师渊博的专业知 识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，是我以后工作和学习的榜样。除此之外， 他对我生活的关心和照顾也使得我得以顺利完成研究生的学业。在此祝愿他身体健 康，全家幸福! 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予我很大的帮助；特别感谢张雷老师 和黄老师，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2 位老师的 细心指导。 感谢李冰冰、张福龙、胡迪、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。 感谢己毕业的郭伟祥、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，感谢他一f t ：l - 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。同时感谢我的姥姥、姥爷和爷爷、奶奶对我学习上的鼓励和 生活上的关怀，感谢老姨父、二姨父、大舅全家人对我生活上的关怀和帮助。在以后 的学习和工作中我会更加的努力! 作者：高洋 2 0 0 8 年4 月l o 日 第一章绪论 1 1 绿色设计研究概述 1 1 1 绿色设计产生背景 当今世界科学技术突飞猛进，社会生产力极大提高，经济规模空前扩大。 然而随之而来的环境问题也日益凸现，全球气候变暖、同温层臭氧耗竭、地面 臭氧污染、水体污染和资源枯竭等环境问题严重的影响人们的生命和健康。全 球生态环境的迅速恶化已成为2 0 世纪人类发展过程中的重大问题，也是2 1 世 纪人类生存和发展所面临的重大危机，已成为国际社会普遍关注的焦点之一。 面对当前在人口、资源、环境、社会和经济之间的发展关系( 如图1 1 所示) 中所出现的一系列尖锐矛盾，人们该需要重新认识人类发展与环境之间的关 系，通过对生产理论、技术及观念的不断更新和创新，找到一种新的方法促进 人与环境的协调发展，绿色设计就是在以下几个因素的推动下产生并得到发展 的： 图1 1 人口、资源、环境、经济发展、社会发展之间的关系1 1 1 注：实线代表直接关系，虚线代表间接关系 ( 1 ) 日益恶化的生态环境 进入2 0 世纪以来，工业社会的经济增长方式主要以自然资源的高投入，低 产出为主，资源的利用率水平不高。据有关部门统计，造成我国生态环境日益 恶化的7 0 8 0 来自工业生产。尤其是近几十年来，由于人口激增，无限制 地向地球索取资源，而不顾环境的允许容量，不断地将大量暂时无用的废物排 入环境中，引起环境质量恶化，以致破坏了生态系统，危害了经济发展和人类 健康。据联合国环境署的报告表明，整个地球的生态环境正在全面恶化：1 ) 南极臭氧空洞正以每年一个美国陆地面积的速度在扩大，受其臭氧空洞的影 响，太阳紫外线辐射长驱直入，人类皮肤癌的发病率不断上升；2 ) 空气质量 严重恶化，全球有1 2 5 亿人口生活在污浊的空气中；3 ) 温室气体过度释放造 成全球气候变暖，使沿海低地和一些岛屿国家处在岌岌可危之中；4 ) 全球1 2 的哺乳动物和1 1 的鸟类濒临灭绝，每2 4 h 就有1 5 0 种到2 0 0 种生物从地球上 消失；5 ) 全球有1 2 亿人口生活在缺水地区，1 4 亿人口的生活环境中没有生活 污水排放装置；6 ) 全球每年土壤流失达2 0 0 亿t ；7 ) 每年化学杀虫剂的使用 量超过2 7 0 亿t t8 ) 世界上有1 0 亿人口主要靠鱼类获取蛋白质，由于人类的 过度捕捞，全球海洋的鱼类资源已减少了1 4 以上，捕鱼量已大大超过每年l 亿t 的上限，有4 0 多种鱼类因人类的过度捕捞而濒临灭绝；9 ) 全世界的森林 正以每年4 6 0 万h a 的速度从地球上消失【2 j 。以沙漠化和酸雨为例说明日益恶化 的生态环境。 目前，全球约1 4 的陆地面积、近1 0 亿人口受荒漠化危害，并且以每年5 万7 万平方千米的速度扩展，每年造成的直接经济损失约合4 2 3 亿美元。我 国近年来每年因荒漠化造成的直接经济损失达5 4 0 亿元，间接损失则是直接损 失的2 8 倍。沙漠化使全球2 6 1 亿公顷雨水充沛的耕地发生土壤流失，4 3 0 0 万公顷可灌溉耕地严重恶化，3 3 亿公顷山地处于过度开发和退化状态。我国自 1 9 4 9 年以来，共有6 6 7 万公顷耕地沦为沙地，2 3 5 3 万公顷草地严重沙化。沙 漠化的不断发展的同时，也带来了严重的沙尘暴，再度鸣响了我国生态危机的 警钟。不断袭来的沙尘暴不仅对塞外广大地区的人民生活和生态安全造成了严 重的损害，而且直接危及华北和江南。2 0 0 0 年一年全国就发生1 2 次沙尘暴， 其中强或特强级即达9 次【3 | 。 酸雨的危害十分严重。它能使湖泊河流酸化。据调查，美国纽约州阿第伦 达克山区有5 1 湖泊的水呈酸性( p h 绿色设计有利于保护环境，维护生态系统平衡。设计过程中分析和考虑产 品的环境需求是绿色设计区别于传统设计的主要特征之一，因而绿色设计 可从源头上减少废弃物的产生。 拓展了产品生命周期。传统产品生命周期包括从“产品制造到投入使用及报 废”的各个阶段，即“从摇篮到坟墓”的过程；而绿色设计将产品的生命周期 延伸到了“产品使用结束后的回收重用及处理处置”，也即“从摇篮到再现 的过程。这种拓展了的生命周期便于在设计过程中从总体的角度理解和掌 握与产品有关的环境问题及原材料的循环管理、重复利用、废弃物的管理 和堆放等，便于绿色设计的整体优化。 绿色设计是闭环设计。传统设计是串行开环设计过程，而绿色设计不仅拓 展了产品的生命周期，而且要求产品生命周期的各个阶段必须被并行考虑 并建立有效的反馈机制，即实现各个阶段的闭路循环。 绿色设计是动态设计过程。为获得较高的环境性能，在产品设计中需不断 地对其生命周期环境影响进行评价和再设计，这是一个复杂的动态设计过 程。h a nb r e z e t 分析了s o n yv i d e o 产品的绿色设计实践后，将绿色设计分 为四个动态阶段；第一阶段为产品提高：第二阶段为产品再设计：第三阶 段为产品功能创新：第四阶段为产品系统创新。即绿色设计是一个从部分 到系统、从简单到复杂、从渐进创新到根本创新的动态过程。 掌握绿色知识的设计人员是绿色设计的主体。设计人员在绿色设计过程中 起着举足轻重的作用，因为他们必须将包括社会需求和用户需求在内的所 有需求体现在产品的设计过程中，因此，必须注重人员的培养和知识的积 累。 为了缓解环境、资源和能源、法律法规等方面的压力，人们越来越意识到 开展绿色设计研究的重要性。目前绿色设计研究的主要内容有以下几个方面： ( 1 ) 绿色设计的材料选择 传统的材料选择只从产品的功能出发，考虑了材料的性能、可加工性、成 本等，很少考虑材料的环境性能，造成了产品废弃后回收处理难，大量的有毒 有害材料进入到生态环境中。绿色设计的材料选择除了考虑性能和成本外，还 有考虑环境约束准则，综合考虑材料对环境的影响，例如材料的有毒性、可回 收性、可重用性和可降解性，使其减少对环境的影响。 a s h b y 为了辅助设计人员进行材料选择与决策评价，开发了材料选择图方 法，并得到了广泛应用【l2 1 。为了在材料选择过程中融入环境意识，国内外学者 分别研究了基于材料能量因素的材料选择图方法【l3 1 、基于材料生命周期水体排 放与大气排放的材料选择图方法等【1 4 】。c h e n t l 5 】等建立了材料选择的成本函 数，将材料生产与制造过程中的环境影响转换成内部环境成本与外部环境成本， 7 提出以经济成本为目标的多约束决策模型。国内外学者进一步将生命周期评价 方法( l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ，l c a ) 应用于材料选择中6 ，并对木材、汽车底 盘用材料等具体材料选择过程进行了讨论【1 7 】【1 8 】。 ( 2 ) 产品的拆卸性设计 产品的可拆卸性决定了产品废弃后回收处理的难易程度，如果产品的可拆 卸性不好，废弃后造成大量可重复利用的零部件和材料的浪费，如果废弃物不 好好处理，也会造成环境的严重污染。所以产品的可拆卸性已经成为产品设计 中的一个准则，具有良好拆卸性能的产品，可以提高其报废后的有效回收和重 用，从而达到节约资源和保护环境的目的。国内外学者对产品的可拆性进行了 深入的研究： d a s 等开发了计算产品d f d 值( d f d r a t i o ) 的工具包，可以评估产品的拆 卸难度、拆卸可达性和回收性【1 9 i 。m o k 提出一个集成在c a d c a m 环境中的 虚拟装配和拆卸系统，能够指导设计人员在产品设计过程中对装配和拆卸效率 进行评估。该系统用一般装配拆卸工作单元的分等级模式产生逐步融合的树型 结构，来模拟装配和拆卸过程。在一般装配拆卸工作单元中，每个对象既是制 造产品的一个部件，又是推动工作单元运行的输送装置。每个工作单元的运行 都伴随的装配和拆卸的开支。评估出来的费用就代表了产品的可制造性，这提 供给设计人员一个重要的反馈【2 0 1 。s u g a 2 1 1 提出一种与实际拆卸操作无关的拆卸 性定量评价方法。他引用d e l f t 大学提出的自动拆卸( a c t i v ed i s a s s e m b l y ) 思 想，认为未来的产品所有的零件都是设计成可拆卸的，零件之间为能量的耦合， 拆卸时只需释放它们的耦合能量即可，而不需要借助直接接触工具。为此引入 两个定量描述拆卸性的参数：拆卸能，拆卸熵。拆卸能是为解除所有联接所消 耗的能量之和；拆卸熵依赖于联接方式种类的数量和拆卸操作中不同拆卸方向 的数量。r a n k y 2 2 1 的c o r a ( c o m p o n e n t o r i e n t e dr e q u i r e m e n t sa n a l y s i s ) 是为拆卸 线管理者和拆卸工人开发的系统方法，用以确定他们的需求( 包括用户界面需 求) ，并在一个有效的环境中向他们提供( 软件的或其他形式的) 满足需求的工 程解决方案。薛善良在产品拆卸b o m “与或 树模型的基础上，构造产品 拆卸经济性优化配置算法【2 3 1 。蔡雪原等提出拆卸逻辑网络方法，主要包括拆卸 点、拆卸活动、元、逻辑关系和拆卸线路等五个基本要素1 2 训。 ( 3 ) 产品的可回收性设计 产品的可回收性设计是在产品设计初期充分考虑其零部件和材料的可回收 性、可回处理方法、回收经济效益等一系列与回收性有关的一系列问题，以达 到零部件及材料资源和能源的充分高效利用、环境污染最小目标的设计思想和 方法【25 1 。当产品报废后，具有良好的可回收性产品有很大的回收价值，可以为 企业带来经济效益，也可以减少废弃物对环境的影响。很多学者对产品的可回 收性设计进行了一定的研究。 8 k a n a i 等人基于图论给出了一个表示产品拆卸和回收规划的信息模型，该模 型包括四个图：产品结构图( 材料、结构等信息) 、产品连接图( 零件、部件间的 连接信息) 、基于p e t r i 网的过程模型、回收图( 指定产品零部件的回收方式) 。图 之间的过渡条件代表了回收过程中的决策问题1 2 引。h o n g c h a oz h a n g 提出了一 个材料回收管理决策的系统框架模型，模型包括分类分离、破碎分离和回收 工艺规划三个子系统，在回收工艺规划决策中考虑了成本、环境影响和材料再 生三个因素【2 川。m a n b i rs s o d h ，分别从废旧产品的制造者、回收商和材料处 理商的角度建立了回收的经济性模型【2 引。江吉彬等人通过建立c a d 设计域到回 收设计域信息映射数学模型，实现c a d 设计与回收设计的集成【2 9 1 。王淑旺【3 o l 等人将产品看作是回收元的有机集合，提出了一种基于回收元的回收设计方法， 通过回收元及回收元间接口的设计实现回收设计过程。 ( 4 ) 绿色产品评价 绿色环境设计的最终结果是否满足预期的需求和目标，是否还有改进的潜 力，如何改进等是绿色设计过程中所关心的问题。要对这些问题作出回答，则 必须进行绿色产品评价。绿色产品评价是绿色设计的重要环节之一，对指导设 计过程的进行和对设计方案的完善具有重要作用。 刘志峰【3 1l 等在描述了绿色产品的概念后，提出很直观的绿色产品评价框架 体系，该体系可以看成层次维、时间维、目标维共同组成的三维矩阵，在此基 础上，建立了绿色产品评价指标体系以及绿色产品评价系统。向东等人根据绿 色产品具有绿色性、先进性、经济性、生命周期性等四个特点，提出了绿色产 品评价指标体系的框架结构，即技术属性指标、经济性指标以及绿色性指标， 具体产品可结合其具体情况细化评价指标【3 2 1 。曹华军等人1 3 3 1 ，运用价值工程的 理念，建立了一种绿色产品综合效益协调度模型，对绿色产品经济效益、环境 效益及其协调优化程度进行评价分析。y p n u e l i 等对达到生命周期的产品利用 所提出的一种新的算法，以量化的评价方法分析了产品的价值，并可找出设计 中的缺陷，反馈建议与c a d 系统相集成可以指导产品的再设计，提高产品的 绿色性能i3 4 】。a a z a p a g i c 等将线性规划方法l p ( l i n e a rp r o g r a m m i n g ) 、多目 标优化方法与l c a 方法相结合，用于分析和管理与产品有关的环境问题，既 解决了l c a 中清单分析阶段环境负担的分配问题，也可使产品系统的环境性 能最优化【”】。a n n eb r i n k l e y 等在i b m 新产品一绿色笔式计算机的设计中，将 环境因素集成到产品开发过程中，并讨论了这种产品的绿色性能评价过程与方 法【36 1 。y p n u e l i 等对达到生命周期的产品利用所提出的一种新的算法，以量化 的评价方法分析了产品的价值，并可找出设计中的缺陷。反馈给设计人员，提 高产品的绿色性能l j7 1 。 ( 5 ) 生命周期评价 生命周期评价是一种评价产品、工艺或活动从原材料采集，到产品生产、 9 运输销售、使用、回用、维护和最终处置整个生命周期阶段有关的环境负荷过 程。它首先辨识和量化整个生命周期阶段中能量和物质的消耗以及环境释放， 然后评价这些消耗和释放对环境的影响麻醉后便是和评价减少这些影响的机 会。最早提出生命周期评价概念框架的是s t e a c ，该学会于1 9 9 3 年制定的生 命周期评价大纲依然是目前国际学术界和工业界开展生命周期评价工作的主 要指南。生命周期评价的框架( 如图5 所示) 由4 个部分组成：定义目标与确 定范围；清单分析；影响评价和改善评价 38 1 。生命周期评价能够量化一个产品 整个生命周期对环境的影响，并提供改进的原则，所以很多国内外学者对生命 周期评价展开了深入研究。 生命周期评价最早应用于可口可乐公司饮料包装评价，可口可乐公司用玻 璃瓶包装取代了纸包装【3 9 1 。基于e c o i n d i c a t o r 方法，荷兰开发了目前应用最为 广泛的l c a 软件系统s i m a p r o ，为产品进行复杂的生命周期分析奠定了基 础。同时，各国也开发了与s i m a p r o 软件相似的系统：英国的b o u s t e a dm o d e l 、 瑞典的l c ai n v e n t o r yt o o l 、德国的g a b il c a 、瑞士的e c o p r o 、奔腾公司的 d a i m l e r b e n z 、法国的t e a m 等。我国对生命周期评价也有相关的研究，与1 9 9 9 年和2 0 0 0 年相继推出了g b t 2 4 0 4 0 1 9 9 9 环境管理生命周期评价原则与框 架及g b t 2 4 0 4 1 - 2 0 0 0 环境管理生命周期评价原则与框架等国家标准【4 0 1 。 1 2 产品概念设计 1 - 2 1 产品概念设计概述 p a l h 在( ( e n g i n e e r i n gd e s i g n ) ) 一书中将概念设计定义为：“确定任务之后， 通过抽象化拟定功能结构，寻找适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解 途径，得出求解方案，这一部分设计工作叫做概念设计。【4 l 】 在产品概念设计书中将“产品概念设计”定义为“由分析用户需求到 生成概念产品的一系列有序的、可组织的、有目标的设计活动。它表现为一个 由粗到精、由模糊到清楚、由抽象到具体、不断进化的过程 。其中有序是指 概念设计是按一定的程序一步一步进行。产品概念设计的直接结果是获得概念 产品，概念产品用以评估、验证产品对目标市场的适应性和符合产品需求说明 书的满意度，也是制定、实施产品后续开发过程即生产、营销、服务等计划的 技术基础，简言之，概念产品是以市场以及指导生产为目的的，是面向未来市 场的设计它必须具有前瞻性，反映科技前沿和未来消费需求。产品概念设计一 方面要符合消费者的需求，另一方面要不同于市场上的现有产品。概念设计应 该表达新产品将如何实现它独有的最大可能性优势1 1 4 2 1 。 1 2 2 产品概念设计的研究现状 由于概念设计的应用领域广泛，主要包括：工程设计、建筑设计、电子工 程、软件工程、人工智能等，国内外很多学者针对概念设计的研究方向：设计 l o 理论与设计方法、模型表示、推理技术等展开了深入的研究。 u m e d a 将设计知识表达为功能一行为一状态的组合关系，从而生成新方案， u m e d a l 4 3 1 总结了概念设计过程中与功能分析相关的各种方法，包括价值分析 法、失效分析、概念分析、信息分析、人工智能方法等：s t u r g e s 4 4 】通过定义功 能之间的关系，使功能图的表达更加完善，并对价值工程中的功能逻辑方法进 行了扩展以支持概念设计的计算机化。上海交通大学机械学与设计自动化研究 所邹慧君教授等人自1 9 8 9 年开始进行机械运动方案设计专家系统的研究，他们 以机械运动系统作为概念设计的对象，用组合分类法对机构分类，开发了“机 构系统方案设计专家系统 4 5 , 4 6 】。孔凡国将方案创新设计过程划分为两个主要 阶段：基于实例功能推理的原始机械方案生成阶段和基于结构推理的方案创新 设计阶段，开发了机械方案创新设计智能支持系统【4 7 1 。同济大学王小同等将人 工神经网络与传统人工智能相结合，提出智能设计系统i d s ( i n t e l l i g e n td e s i g n s y s t e m ) 模型及实现的关键技术，其侧重点在结构设计上，开发了机翼结构方案 智能设计系统【4 引，华中理工大学周济教授等人在基于实例的基础上，将概念设 计应用于工程中的再设计问题及实例检索与重用【4 9 1 。 1 3 多目标决策概述 决策分析( d e c is i o n m a k i n ga n a l y s i s ) 是一门年轻的学科，正式开始于 2 0 世纪4 0 年代，随着研究程度的逐步深入和应用范围的日益扩大，已经从单 目标决策发展到多目标决策，从单阶段决策发展到序贯决策等，决策分析已经 形成了一个十分活跃和广阔的研究领域。从2 0 世纪6 0 年代开始，决策分析方 法在经济管理部门逐步得到应用，并取得了较好的经济和社会效益【5 们。 多目标决策( m u l t i p l eo b j e c t i r e sd e c i s i o nm a k i n g 一一m o d o m ) 问题最 早是由法国经济学家帕累托( p a r e t o ) 于1 8 9 6 年从政治经济学角度提出的， 他把很多本质上不可比较的目标化成一个单一的最优目标进行求解。1 9 4 4 年冯 诺依曼( v o nn e u m a n n ) 和摩根斯特恩( m o r g e n s t e r n ) 又从对策论的角度提出 了几个有多个决策者、彼此之间有相互矛盾的多目标决策问题，并首次使用了 “有效向量 这个概念”。 1 9 6 8 年j o h n s o n 系统地提出了关于多目标决策模型的研究报告，这是多目 标决策这么学科开始发展的一个转折点。到2 0 世纪7 0 年代末期，多目标决策 已经成为运筹学管理学中的广泛应用领域之一。2 0 世纪7 0 年代末期，美国 w h a r t o n 商学院的萨蒂( t h o m a ss a a t y ) 提出的层次分析法( t h ea n a l y t i c a l h i e r a r c h yp r o c e s s ，a h p ) 可以把定性目标定量化，同时对多准则问题的准则 优先序，或多目标决策方案或策略( 一般有限、离散) 的优劣进行排序。该方 法允许决策者采用一种层次结构模型去模拟复杂的决策问题，从而显示出问题 的最终目标( g o a l ) 、决策目标( o b j e c t i v e s ) 、子目标( s u b o b j e c t i y e s ) 、 选择项或决策方案( a l t e r n a t i v e s ) 之间的相互关系【5 2 1 。 1 4 本文主要研究内容与基本思路 1 4 1 本文研究的主要背景 由于生态环境恶化、资源能源危机以及国内外法律法规的压力，绿色产品 逐渐得到了人们的青睐。由于市场供给与需求态势的转变，消费者已经从过去 被动接受商品与服务，发展到今天主动提出要求，以满足其真实需求即客户需 求( v o i c eo fc u s t o m e r ，v o c ) ，面向客户需求的产品设计方法成为了设计主流， 高效地开发满足客户需求的绿色产品成为必然地趋势。绿色产品除了考虑产品 的功能、可靠性、经济性等还要考虑产品的绿色性能，例如可拆卸性和可回收 性。如何开发出既满足客户需求的，又具有良好的绿色性能和功能的产品，是 本文的出发点。 本文根据产品概念设计的流程，从客户需求出发，采用产品配置的方法， 生成了满足客户需求的多个产品设计方案。然后采用多目标决策方法，综合考 虑产品功能、成本以及材料的环境性、可拆卸性和可回收性等绿色性能，确定 最优的产品设计方案，从而开发出既可以满足客户需求，又具有较好绿色性能 的产品。 1 4 2 本文研究的主要内容 本文首先在绪论部分阐述了绿色设计理论方法产生的背景，以及介绍了绿 色设计理论方法的主要研究内容，分析了国内外绿色设计的研究现状。绪论另 一方面介绍了产品概念设计的产生及其意义和在产品概念设计阶段考虑绿色 性能的重要性，还介绍了多目标决策的发展现状。最后阐述了为产品设计者开 发综合考虑产品功能、环境性、经济性和可回收性的绿色设计方案生成方法的 目的及意义。 接着本文在第二章着重阐述了产品概念设计的内涵和特点，根据概念设计 的流程，采用面向客户需求的产品配置方法生成产品设计方案。说明了客户需 求分析的定义及特点，总结了客户需求的获取方法以及客户需求的分解和处理 的过程，阐述了客户需求向产品功能参数转化的方法。最后采用产品配置的思 想生成绿色产品的设计方案 在第三章中对绿色产品设计方案的绿色性能和常规性能进行了量化和评 价。其中在绿色性能方面，主要对绿色产品设计方案的材料环境性、可拆卸性、 可回收性、能源利用率和使用噪声进行评价：采用价值分析法对绿色产品设计 方案的常规性能进行评价。为第四章建立多目标模型提供了数据支持。 在第四章总结了多目标决策方法的概念及相关术语，介绍了几种多目标属 性的规范方法，建立了绿色产品设计方案的多目标模型，以及阐述了几种模型 求解方法。 为了进一步验证此方法，在第五章中采用了豆浆机为实例进行了验证。 1 4 3 本文的的理论体系框架 本文的理论体系框架如图1 5 所示。本文采用面向客户需求的产品配置方 法，通过对客户需求的采集、分解，采用q f d e 方法将客户需求转化为功能参 数，为产品配置提供数据，采用基于约束满足问题的配置方法，生成多个产品 设计方案。然后对产品设计方案进行绿色性能和常规性能评价，按照多目标决 策的建模原则，建立多目标决策模型，通过多目标决策方法确定最优方案。 图1 5 基于多目标决策的绿色产品设计方案生成的理论体系框架 第二章基于产品配置的产品设计方案生成 产品的概念设计是在需求分析的基础上，生成产品设计方案的。准确、全 面地获取客户需求是开发满足市场需要产品的基础；对客户需求的处理和及其 向工程参数地转化是对产品配置的数据支持：采用有效的产品配置方法，是得 到合理的产品设计方案的关键。所以本章从客户需求出发，将其规范化处理， 采用q f d e 的方法将其转化为工程参数，并采用产品配置的思想，生成产品设 计方案。 2 1 产品的概念设计 2 1 1 产品概念设计的内涵及特点 ( 1 ) 概念设计的内涵 产品的设计过程一般可分为需求分析、概念设计、技术设计、详细设计四 个阶段，如图2 1 所示。需求分析是产品设计的第一步，它是在市场预测、可 行性分析的基础上，根据客户需求，确定设计参数以及约束条件，最后给出详 细的设计要求作为设计、评价、决策的依据。概念设计是在需求分析的基础上，