绿色制造理论体系

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1、第二章绿色制造理论体系2.1绿色制造的理论体系框架222.1.1绿色制造理论体系涉及的相关基础理论及概念222.1.1.1可持续发展战略的“三度”理论222.1.1.2绿色与绿色度的概念222.1.1.3资源和制造资源的概念232.1.1.4制造的概念232.1.1.5生产和生产度的概念232.1.2绿色制造理论体系框架的主要内容232.1.2.1绿色制造的“三度”理论232.1.2.2绿色制造的资源主线论242.1.2.3绿色制造的物流闭环特性242.1.2.4绿色制造的时间维特性一一产品生命周期的外延252.1.2.5绿色制造的空间维特性一一制造系统空间的外延252.1.2.6绿色制造的决

2、策属性252.1.2.7绿色制造的集成特性262.1.3绿色制造的理论体系框架262.2制造系统的资源特性及消耗状况分析272.2.1制造系统的物能资源流特性272.2.1.1制造系统的资源构成272.2.1.2制造系统的物料流282.2.1.3制造系统的能量流292.2.2制造系统中物能资源消耗的影响因素312.2.3制造系统的物能资源流模型312.2.4制造系统物料资源消耗状况分析方法322.2.4.1制造系统产品物料资源的构成322.2.4.2制造系统单种物料资源消耗状况分析模型332.2.4.3制造系统产品物料资源消耗状况分析模型342.2.4.4案例分析362.3基于绿色制造的产品多

3、生命周期工程382.3.1产品多生命周期的概念382.3.2产品多生命周期工程382.3.3产品多生命周期工程的体系结构382.3.4产品多生命周期工程的特征模型382.4 绿色制造的决策框架模型392.4.1绿色制造的总体决策目标392.4.2绿色制造的总体决策框架模型412.4.3 绿色制造的决策分析方法432.4.3.1层次分析法432.4.3.2模糊评价法492.4.4绿色制造的决策案例分析502.5绿色制造集成特性及绿色集成制造系统542.5.1绿色制造集成特性542.5.2 绿色集成制造系统562.1绿色制造的理论体系框架2.1.1绿色制造理论体系涉及的相关基础理论及概念绿色制造理

4、论体系涉及的相关基础理论及概念主要包括可持续发展战略中的“三度”理 论；绿色与绿色度的概念；资源、制造、生产、生产度的概念等。2.1.1.1可持续发展战略的“三度”理论国内外对可持续发展战略的理论作过大量研究。其中中国科学院可持续发展研究组已建 立了可持续发展战略的理论内涵体系11。纵观国内外已有的研究，特别是借鉴文献11的研究成果，我们以为，可持续发展的“三 度”（发展度，持续度，协调度）理论是可持续发展战略理论内涵的基础。（1）发展度发展度是指人类社会发展的程度。主要指是否在发展，是否在健康地发展。可持续发展 决非反对发展，而只是反对以牺牲环境利益和子孙后代利益的发展，强调健康地发展。（2

5、）持续度持续度是从“时间维”上去把握发展度，强调人类长远发展的需要，强调了自然生态环 境的需要。（3）协调度协调度强调了发展度与持续度的平衡关系，强调了当代人的利益与子孙后代利益的协 调，发展速度与生态环境效益的协调。以上“三度”之间的关系，如图2-1所示。图2-1可持续发展的“三度关系”可持续发展的“三度”理论也是绿色制造的主要理论基础之一。2.1.1.2绿色与绿色度的概念目前“绿色”这个概念应用很广，如绿色制造、绿色产品、绿色设计等。“绿色”被认 为是一个显而易见的概念，至今没有一个明确的定义。美国制造工程师协会（SME）的Green Manufacturing蓝皮书口中对“绿色”进行了讨

6、论，认为对“绿色”进行明确的定义是绿 色制造发展中的一个难点和障碍，也没有给出明确的定义。综合国内外的研究，我们认为“绿 色”是一个与环境影响紧密相关的概念，具有绝对和相对两种含义。环境影响根据其影响程 度的不同可以分为负面环境影响和正面环境影响。从理论和绝对意义上讲，“绿色”应该是 指正面环境影响。然而在实际情况中，所造成的环境影响往往是负面的，因此取“绿色”的 相对概念。如当前对绿色产品的评价，通常是以相关的环境标准和法规为基准，当产品的环 境影响符合要求时，即认为是绿色的。又如产品甲的负面环境影响比产品乙小，则可认为产 品甲的绿色性比产品乙更好。为了对“绿色”与环境影响程度进行量化和评价

7、，我们引入“绿 色度”的概念。绿色度可定义为绿色的程度或对环境的友好程度。负面环境影响越大则绿色 度越小，反之则越大。相应地，绿色度也具有绝对和相对两层含义。在绝对绿色度中，负面 环境影响对应的绿色度为负值，正面环境影响对应的绿色度为正值，因此在实际情况中，绝 对绿色度往往是负的。在相对绿色度中，可以取相应标准的最低要求作为零值。需要指出的 是，这里的环境影响是一个广义的环境影响，包括资源消耗和一般意义上的环境影响（对人 体健康和生态环境的影响）。当前“绿色度”研究的重点和难点是其量化问题。2.1.1.3资源和制造资源的概念制造系统中的“资源”又称为制造资源，可分为狭义制造资源和广义制造资源两

8、种情形。 狭义制造资源主要指物质资源，包括物料（原材料、坏件、半成品等）、能源、设备等；广 义制造资源除包括物质资源之外，还包括资金、技术、信息、人力等。绿色制造中的“资源”是指物质资源，重点是指物料资源和能源。2.1.1.4制造的概念传统地理解，人们一般将“制造”（Manufacturing）理解为产品的制造过程，如机械加 工过程。这就是通常称作的“小制造”概念。随着生产力的发展，“制造”的概念和内涵已大大拓展。目前国际上比较公认的定义是 国际生产工程学会（CIRP）1990年给“制造”的定义：制造是涉及制造工业中产品设计、 物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售等一系列

9、相关活动和作业 的总称。这就是通常称作的“大制造”概念。绿色制造中的“制造”，除在某些特定环境外，一般是指“大制造”的概念。2.1.1.5生产和生产度的概念生产（Production） 一般理解为物料资源转化为产品的过程或制造产品的具体过程。比较生产与制造两个概念，可以看出生产是制造中的一个环节，是制造活动中的一个物 质运作过程。生产是一个输入/输出过程，也是一个物料资源和能源的流动过程和消耗过程。生产量 越大，输出产品就越多，但同时物料资源和能源消耗就越多，所排放的废弃物也相应地增多， 对环境的影响也就越大。为此，用“生产度”的概念来描述生产量的大小。2.1.2绿色制造理论体系框架的主要内容

10、总结绿色制造的有关研究，并借鉴可持续发展战略的有关理论，特别是“三度”理论， 作者建立了绿色制造的理论体系的初步框架。现将框架中的主要内容介绍如下。2.1.2.1绿色制造的“三度”理论绿色制造的“三度”理论，可用图2-2进行描述。图2-2绿色制造的三度理论示意图图中可见，绿色制造顾名思义，可分解为“绿色+制造”。其中“制造”的目的是创造 财富，推动人类社会的发展，因此，“制造”应对应着“发展度”；结合制造业的特点，本文 用“生产度”来代替“发展度”。“绿色”强调是“环境影响极小”、“资源效率极高”，应与 “持续度”相对应；结合制造业的特点，以及绿色工艺、绿色产品等一系列的习惯性叫法， 本文用“

11、绿色度”来代替“持续度”。本文仍采用“协调度”概念，表示“绿色度”与“生 产度”的协调关系，因此，绿色制造中的“三度”变为“生产度、“绿色度”和“协调度”。2.1.2.2绿色制造的资源主线论当前，环境问题的主要根源是资源消耗后的废弃物（废液、废气和固体废弃物等）。因 此，资源问题不仅涉及人类世界有限的资源如何可持续利用问题，而且它又是产生环境问题 的主要根源。制造业在将制造资源转变为产品的制造过程中和产品的使用和处理过程中，同时产生废 弃物（废弃物是制造资源中未被利用的部分，所以也称废弃资源），废弃物是制造业对环境 污染的主要根源。由于制造业量大面广，因而对环境的总体影响很大。因此，绿色制造的

12、根本途径是优化制造资源的流动过程，使得资源利用率尽可能高，废 弃资源尽可能少，这就是所谓的资源主线论，如图2-3所示。图2-3绿色制造资源主线论示意图图2-4绿色制造的物流闭环特性2.1.2.3绿色制造的物流闭环特性传统制造的物料流是一个开环系统。物料流的终端是产品使用到报废为止，如图2-4 中加黑方框。绿色制造的物料流是一个闭环系统，如图2-4所示，其中开环物料流和产品报 废后的反馈形成大闭环系统；在此过程中，又可能形成若干小闭环系统，如图中的绿色包装， 加上包装件的回收就形成了一个小闭环系统。2.1.2.4绿色制造的时间维特性一一产品生命周期的外延传统制造中的产品生命周期是到产品使用报废为

13、止。绿色制造则将产品生命周期大大外 延，提出了产品多生命周期和产品多生命周期工程的概念6产品生命周期是指本代产品从设计、制造、装配、包装、运输、使用到报废为止所经历 的全部时间。而产品多生命周期则不仅包括本代产品生命周期的全部时间，而且还包括本代 产品报废或停止使用后，产品或其有关零部件在换代一一下一代、再下一代、多代产 品中的循环使用和循环利用的时间(以下统称为回用时间)。产品多生命周期工程是指从产品多生命周期的时间范围来综合考虑环境影响与资源综 合利用问题和产品寿命问题的有关理论和工程技术的总称，其目标是在产品多生命周期时间 范围内，使产品回用时间最长，对环境的负影响最小，资源综合利用率最

14、高。由于科学技术的迅猛发展，产品生命周期将越来越短，因此为了实现产品多生命周期工 程的目标，必须在综合考虑环境和资源效率问题的前提下，高质量地延长产品或其零部件的 回用次数和回用率，以延长产品的回用时间。2.1.2.5绿色制造的空间维特性一一制造系统空间的外延制造系统是一个十分复杂的大系统，至今尚无公认的统一的定义。目前用得相对较多的 是国际生产工程学会(CIRP) 1990年公布的定义：“制造系统是制造业中形成制造生产(简 称生产)的有机整体；在机电工程产业中，制造系统具有设计、生产、发运和销售的一体化 功能”。以上可看出，制造系统的主要空间范围还在企业内部，当然与外部有着各种物料、 信息和

15、能量的交换。绿色制造及相应的绿色制造系统将传统制造系统的空间范围大大外延，与外部的各种交 换也大大拓展。由于此问题的复杂性，此处只举出几个例子加以说明。(1) 由于产品制造过程和产品使用过程产生的废液、废气和固体废弃物等对环境的污 染往往是没有明确的空间界限，因此绿色制造必须在更大的空间范围内来考虑产品制造问 题。(2) 产品寿命终结后的回收处理，是绿色制造系统的重要组成部分；这就可能导致企 业、产品和用户三者之间的新型集成关系的形成。例如，有人就建议，需要回收处理的主要 产品，如汽车、电冰箱、空调、电视机等，用户只买了其使用权，而企业有所有权而且必须 进行产品报废后的回收；为此导致一个回收系

16、统的形成。(3) 现代产品的生产模式往往是多个企业参与的供应链运作模式。绿色制造要求必须 从更大的系统范围内考虑绿色制造问题。例如，某企业产品包装由白色泡沫改为纸板包装， 这样使得产品包装大大减少了环境污染;但是纸板包装材料的生产过程及其企业又可能增加 对环境的污染，因此产品包装方案的考虑应从一个更大的系统范围内来思考。所有上述内容，体现了绿色制造系统空间的外延。2.1.2.6绿色制造的决策属性制造中的决策属性(Decision Attributes)主要指制造决策过程中需要考虑的主要因素或 追求目标。美国麻省理工学院Chryssolouris教授1992年曾提出过著名的制造决策属性的 TQC

17、F四面体模型。这里T (Time) 制造系统对市场的快速响应能力；Q(Quality) 产品质量；C (Cost)成本，F制造系统柔性。由于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生命周期中，对环境负面影响极小，资 源利用率极高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。因此绿色制造的决策属性有着明显 不同。绿色制造的决策属性框架如图2-5所示。图中： E环境影响(Environmental Impact)；R资源消耗(Resource Consumption)；T, Q, C同上所述。相对于Chryssolouris的

18、四面体模型，本模型中增加了 E, R,减少了 F,其原因是因为 产品制造过程往往是中小批量生产，要实现对市场的快速响应，必须要求系统柔性化程度高; 因此T中实际隐含了对F的要求。另外，该模型中也没有包括常见的S(Service)属性，这 是因为现代产品质量的含义已经发展到包括用户的满意程度，服务S是其重要组成部分之*2.1.2.7绿色制造的集成特性关于绿色制造的集成特性用图2-6简要描述如下，详见2.5节。绿色制造的领域集成绿色制造的问题集成绿色制造的集成特性绿色制造的效益集成绿色制造系统中的信息集成绿色制造的过程集成绿色制造的集成功能目标体系 绿色制造的社会化集成特性图2-6绿色制造的集成特

19、性2.1.3绿色制造的理论体系框架综上所述，可汇总和建立绿色制造的一种理论体系框架，如图2-7所示。图2-7的各理 论要点之间有着密切的联系。如绿色制造的三度理论直接决定着绿色制造的决策属性，并在 很大程度上影响着集成特性，在一定程度上决定着时间维特性和空间维特性。顺便指出，上 述理论体系框架仅是一个初步框架，内容上有待于丰富和完善，各理论要点之间的关系也有 待于进一步研究和完善。绿色制造理论体系图2-7绿色制造的理论体系框架2.2制造系统的资源特性及消耗状况分析制造资源是制造系统存在和运行的物质基础，同时也是产生环境污染的源头所在。本节 从资源构成、物料流、能量流、资源流模型几个方面来描述制

20、造系统的资源体系，其中资源 构成考虑制造系统主要的制造资源结构与分类;物料流考虑从原材料进厂到检验出厂的全过 程；能量流考虑能量在制造系统中的流动特性；资源流模型在物料流、能量流、信息流的基 础上从产品生命周期全过程的角度给出了资源消耗状态和影响因素。2.2.1制造系统的物能资源流特性2.2.1.1制造系统的资源构成按照资源分类的范围，制造资源的概念分为狭义制造资源（即物能资源）和广义制造资源 两种，如图2-8所示。其中广义制造资源涉及的面很广，不仅包括物能资源，还包括资金、 技术、信息、人力等资源。对人类可持续性发展战略有着直接关系的资源是物能资源，其中 主要的又包括物料和能源，因此本章所讨

21、论的资源特指物能资源，重点是指物料和能源。厂义制造资源物能资源-物料（原材料、坯件、半成品等）-设备（机床、生产线等）-能源（电能、燃料等）金术息力他资技信人其（市场、后勤等）其他（土地、厂房、工具等）图2-8广义制造资源的构成2.2.1.2制造系统的物料流从某种角度来说，在制造系统中，把制造资源转变为产品或零件的制造过程，实质上是 一个物料流动的动态过程，如图2-9所示。这个动态过程主要由五种基本的运动形态或生 产活动组成，它们是加工、传送、储存、检验和装配。不合格件合格品存储米购产品销售外购件外协件市场存储工序 间存 储W存储k 装配是决定最终产品质量和可靠性的关键环节，因此要特别强调装配

22、质量；装配具有系统性和综合性强的特点，要特别强调整体优化； 装配场地或装配线上集中或流过的零部件种类、数量多，要特别强调秩序性。2.2.1.3制造系统的能量流us能量是一切物质运动的基础。制造系统是一个动态系统，其制造过程中的所有运动，均 需要能量来维持，都伴随着能量的流动。来自制造系统外部的能量(如电能)，流向制造系统 的各有关环节或子系统，一部份用以维持各环节或子系统的运动，另一部份通过传递、损耗、 储存、释放、转化等有关过程，以完成制造过程的有关功能。这种制造系统中的能量运动过 程，称为制造系统的能量流。由于机械加工系统是大多数制造系统的基本组成部分，因此下面以机械加工系统为例， 讨论其

23、能量流动状况及特征。机械加工系统根据系统中机床的数量可分为单机床加工系统和多机床加工系统两种情 况。由于多机床加工系统能量流状况完全由各单机状况决定，因此本章重点讨论单机床加工 系统，即所提及的机械加工系统主要是指单机床机械加工系统。机械加工系统的能量流动路线，可用图2-10所示的结构图描述。图中的表示系统的 输入总能量。图2-10 机械加工系统的能量流结构图对于某一时间段的机械加工过程而言，机械加工系统的能量流可用图2-11描述。图2-11机械加工系统的能量流图中，EC切削能(Cutting Energy)是机械加工系统的有效能；ES一系统广义储能(StoringEnergy)，是机械加工过

24、程中系统贮存能量和释放 能量的代数和；el系统损耗的总能量，它的构成和机理均非常复杂，包括电机和机械传动系 统中的各种能量损耗。对于某一时刻，机械加工系统的瞬态能量流如图2-12所示。图2-12机械加工系统的瞬态能流图(一)其中P输入总功率PI=dEj / dtPC切削功率Pc=dEc / dtPL损耗总功率PL=dEL/ dt当图2-12中的Pc=0时，即系统处于无载荷空运行时，此时系统消耗的功率称为系统 空运转功率。实际上，此功率不仅是维持机床空运转所需的功率，而且也是在整个机械加工 过程中，维持系统运转必不可少的功率，是一种与机床载荷无关的功率。因此称为非载荷功 率，用P一(unload

25、ingpower)表示。当P产0时，即系统处于负载时，加工系统的总损耗 PL要在非载荷功率的基础上增加，增加的这部份损耗称为系统附加损耗功率P,，又称载荷 损耗，则有：“Pl = Pu + Pa(2-1)于是图2-12可改为图2-13。图2-13机械加工系统瞬态能流图(二) 由图2-13可得P = E + P + P + P(2-2)1 dt u a c忽略过渡过程的影响，即只考虑机床稳态运行时，有P = Pu + Pa + Pc Pj(2-3)通过研究机械加工系统的能量流，可以建立制造系统的能量流理论，该理论主要包括以下几个要点： 能量信息论：机械加工系统的能量流动状态是加工运行状态的综合反

26、映，加工系统 的能量流中包含着丰富的加工状态信息； 能量损失论：机械加工过程中总是存在大量的能量损失，特别是空载功率带来的机 械加工全过程损失相当大，从而使得机械加工能量效率和能量利用率低；节能效益论：机械加工过程中的能量损耗是一种有害的损耗。节能措施不仅有利于 减少能量损失，而且有利于改善机床其它性能。2.2.2制造系统中物能资源消耗的影响因素 从制造过程的运行环节看物能资源消耗的影响因素制造系统可看成是制造生产的运行过程，包括市场分析、产品分析、产品设计、工艺 规划、制造、装配、包装、运输、产品销售及售后服务等各个环节的制造全过程。这个制造 全过程的主要环节及信息流如图2-14所示。制造全

27、过程的主要环节都直接影响制造系统的 资源消耗。例如，产品分析和市场信息将直接决定企业生产产品的种类和数量，产品设计将 决定产品的具体形态和特性；而产品的种类、数量、形态和特性直接影响消耗资源的种类、 数量和资源利用率。又如：生产同样的产品，不同的工艺方案和不同的工艺路线，将会使得 物料和能源的消耗不一样；制造过程是资源直接转化和资源直接消耗的主要环节。产品包装 方式、运输状况、销售和服务状况（如是否回收用户消耗后的产品废弃物）也都直接或间接 影响资源消耗状况。 从制造系统的物料流看物能资源消耗的影响因素制造系统的物料流动过程不仅是物料资源转化和消耗的主要过程，而且因为物料的流动 和物料的加工制

28、造均需要能量来驱动或转化，因此物料流动过程也是能量消耗的主要过程。 物料流的各主要环节也都直接或间接影响制造系统的资源消耗。例如市场采购的原材料的规 格型号不同，将直接造成原材料的利用率不同；外购件和外协件越多，直接减少本制造系统 的物料和能源消耗量；零件存储量太大可能直接造成积压而最终报废，导致物料资源的浪费 等等。图2-14制造系统的主要环节及信息流2.2.3制造系统的物能资源流模型综合考虑制造系统的内涵和制造系统中资源消耗状态的影响因素，可以构造了一种制造 系统的物能资源流模型。如图2-15所示。T销售服务产品寿命终结图2-15制造系统的物能资源流模型图2-15所示制造系统的物能资源流模

29、型说明了如下几个观点：(1) 从模型中可看出，制造系统的特征目标是追求废弃物最少和环境污染最小，而决定 此两个目标的根本因素是资源流。(2) 制造系统是一个不断输入制造资源，通过制造过程而输出产品，并同时产生废弃物 的输入输出系统。(3) 制造系统中资源的输入、消耗、转化、浪费、回收、处理及这些过程的影响和控制， 形成了制造系统的资源流。(4) 影响制造系统资源流(包括资源输入量、资源消耗过程和废弃物的产生量)的因素是 系统性的，包括制造系统的结构(如设备构成、车间布局等)、产品设计、工艺方案、 制造过程、产品出厂及使用后的处理。上述资源流模型指出了提高制造系统资源利用率的战略途径，即以资源利

30、用率最高或废 弃物产生最小作为目标，充分考虑优化产品生命周期过程中影响资源消耗的各个环节，特别 还包括了产品寿命终结后的处理，从而优化资源流动过程，最有效地利用资源和最低限度地 产生废弃物。2.2.4制造系统物料资源消耗状况分析方法【15】要研究制造系统的资源消耗问题，首先要对制造系统物料资源消耗状况进行分析。前面 已建立了一种制造系统的物能资源流模型，但这些还只是定性的图形模型和分析方法，现有 的研究可操作性还不够。如制造系统中消耗的资源种类繁多，消耗状况复杂，如何测算和评 估其利用状况，至今尚无一种可定量分析计算的方法。2.2.4.1制造系统产品物料资源的构成制造系统中消耗的资源种类繁多，

31、其构成十分复杂，但与环境问题关系最密切的是产品 物料资源。产品物料资源是指输入制造系统的能够转化为产品(包括产品的组成部分)的原 材料、半成品等物质资源。产品物料资源的消耗特点如图2-16所示。图2-16产品物料的消耗特点根据制造系统及其制造过程的不同，产品物料资源、产品和废弃物均有着不同的状态和 组成。以量大面广的机械制造系统为例，产品物料资源的构成非常复杂。图2-17是其构成 系统的一种描述。图2-17中，产品物料资源主要由三部分组成。其中原材料资源一般情况下为最主要的 产品物料资源。对原材料资源又可进一步地分类和分解。毛坯件和外购件中分解出的半成品 是需要进一步加工的，因而存在着资源消耗

32、问题，实际分析时也应考虑其组成成分归属何种 原材料问题，因此它们用虚线与原材料的分类联系起来。L黑色金屈L金雇材料产 品 物 科 资源2.2.4.2制造系统单种物料资源消耗状况分析模型如果仅单独考虑制造系统中某一种资源消耗状况，并设其在制造系统中有q个加工制造 过程（工序），则可建立如图2-18的分析模型。图2-18中：RI, RO该种资源在制造系统中的输入（Input）和输出（Output）,其中输出为最终 产品中该种资源的含量RI，RO 该种资源在制造系统中的第p个加工制造工序的输入和输出由图2-18可知，该种资源的总的资源利用率U（Utilization Rate）损耗率L（Losing

33、Rate )和废弃物W(Waste)分别为U = RO / RI(2-4)L = (RI - RO)/ RI(2-5)W = RI - RO(2-6)其中第P个加工制造工序的资源利用率Up,损耗率Lp和废弃物Wp分别为：Up = ROp / RIp(2-7)Lp = (RIp - ROp) / RIp(2-8)Wp = RIp - ROp(2-9)式（2-4）式（2-9）以及图2-18统称为制造系统单种物料资源消耗状况分析模型。2.2.4.3制造系统产品物料资源消耗状况分析模型前面单独考虑产品物料资源中的某一种资源的消耗状况分析相对比较简单，但要从系统 的角度分析制造系统中整个产品的物料资源消

34、耗状况，相对就要复杂得多。例如，一辆汽车 的制造消耗了大量的不同种类、不同基本价值、不同利用率的原材料，怎样评价这个制造过 程的原材料消耗？如果按单个资源消耗状况分析，可能是成千上万个孤立的资源利用率、损 耗率等，怎么能描述整个汽车的资源消耗状况。因此作者的研究希望能从系统的角度建立制 造系统的产品物料资源消耗状况分析模型。设制造系统中某产品物料的种数为n，并用RI，RO，U，L.（7=1，2，n）分别 表示第j种物料资源的输入量、转化为产品零部件后的资源量、利用率、损耗率。将这n种资源参照图2-17的分类方法进行适当分类。例如，将n种资源按相近的资源 属性原则（相接近的材料物理特性、化学特性

35、、环境影响特性、差别不大的价格特性等）- 次性分成若干类。设这样的类别数为e第i类用C表示（i=1，2，m），其资源种数为 鸟，则有K + K +. + K +. + K = n（2-10）综上所述，可建立如下制造系统产品物料资源消耗状况分析模型。如图2-19所示。某产品中啥有相rl,-(RirRaj/Ri,U- RO /Rl；U,- RO JRI,L,-(R.lrRaj/Rh制造系统产品物料资源消耗状况分析模型图 2-19-RO JfRI.L.-tRI.-Rjaj/RI,第j种产品物料资源的资源利用率和资源损耗率的计算式分别为:Uj = ROJ / RIj(j*.,沁(2-11)Lj = (

36、RIj - RO.)/RIj = 1 - U j(2-第j种资源的第p个加工制造工序的资源利用率%和损耗率匕分别为;j ROjp / RIjp(2-13)L = 1 - U jpjp(2-14)为了描述各类和整个系统的资源利用率和损耗率，我们引用权系数及其加权平均的 方法，可得第C类资源的当量利用率Uci和当量损耗率Lci分别为(2-15)、(2-16)式。S斯 +&+.+ t +3 *斯 +&+.+ t +3匚=航+担+J * 应|+威X,_+j(2-15)Lc，= 1 - U &(2-16)整个系统或全部产品物料资源的当量总利用率U和当量总损耗率Le为;(2-17)Le =1-Ue（2-1

37、8）式（2-17）、（2-18）中的权系数 .的确定是一个复杂问题。确定权系数应从人类社会可持续发展的角度，根据资源的稀有性、贵重性、可再生性、对环境的影响特性等多方面的因 素加以综合确定。这是一个值得今后深入研究的重大课题。不过现阶段，为分析问题方便， 作者建议可采用价格系数作为权系数，因为资源的价格在一定程度上考虑了资源的稀有性、 贵重性和可再生性。并且近年来也开始在考虑环境影响问题，即对环境影响大的资源（如木 材）有价格逐步上升趋势。当然价格系数也可根据资源的环境特性等因素进行修正后作为权 系数。式（13）式（18）是对制造系统产品物料资源的多方面描述，它们以及图2-18、图2-19 合

38、在一起统称为制造系统产品物料资源消耗状况的系统分析模型。应用上述分析模型，可对制造系统产品物料资源消耗状况进行较系统分析，其分析结果 带有层次性和树状结构，以资源利用率为例，式（2-10）式（2-15）的分析结果形成了制造系 统产品物料资源利用率的树状系统。如图2-20所示。Ui i 卫7. pTJj l . rTJjp?.带蜡系统产翩料资源总利用率档量利用率）常噂统产翩）料资源分魅此率（当垦利用率）带蜡系统单脚渤闻率带蜡系疝力叮:带蜡工序资渤闻率图2-20 制造系统资源利用率的树状描述系统应用上述分析模型，通过有关的分析，有利于较系统、科学地掌握制造系统产品物料资 源消耗状况，从而针对资源消

39、耗中的问题环节和问题物料采取措施，一方面提高系统资源利 用率；另一方面有利于减少制造系统对环境的污染。2.2.4.4案例分析应某自动控制设备厂要求，为分析和掌握企业资源消耗状况和消耗规律，我们以该企 业一具体产品双缸举升器为例，跟踪其设计、制造、加工、装配等过程，应用制造系统物料 资源消耗状况分析模型，对其资源消耗状况和消耗规律进行了分析。该企业生产的双缸举升器产品主要由滑柱体、汽缸体、活塞、导座几大部件构成。根 据上述制造系统中的资源消耗状况分析模型，我们将双缸举升器产品物料资源消耗状况用表 2-1描述。表2-1双缸举升器物料资源消耗状况产 品 名 称型号规格部件名称零件名称使用材料名称、型

40、号规格、牌号原材料消耗量（kg）单价 元/kg产品中材料争重（kg/个）计量单位重量kg/个双缸举升器CB-1010DAFZ-10B滑 柱上板（2个）A3kg4.33.12.8座（8个）A3Kg0.933.10.03滑柱体（2个）30无缝钢管Kg7.95.04.6下板（2个）A3kg1.453.10.978汽缸体下板（2个）A3Kg5.73.104.107上板（2个）A3Kg7.83.106.22低板（2个）A3Kg4.853.103.16螺管（4 个）28必冷拔无缝钢管Kg0.513.900.116焊接直角接头（2个）A3Kg0.423.10.21气管（2个）225无缝钢管Kg0.514.8

41、0.314缸筒（2个）20热扎无缝钢管kg18.84.78.08导座（2个HT-200Kg20.060.016.0活塞（2个HT-200kg8.525.57.87紫铜垫片紫铜T2Kg0.00236.00.0015应用上述制造系统物料资源消耗状况分析模型，并采用价格系数作为权系数，对双缸 举升器产品物料资源消耗状况进行计算分析，得到如表2-2所示的分析结果。对此结果进行 分析研究发现，资源利用率最低的零件是下板，资源利用率最低的工序主要集中于下料和车 削工序，资源消耗量最大的材料是HT-200和A3钢。因此，我们从这些方面对产品的工艺流 程和资源利用方式进行了详细的资源环境影响分析，提出了一些改

42、进建议，最典型的是将下 板下料时切下的部分直接用作上板的坯料，这一项改进就使A3的资源种利用率从62.3%提 高到83.4%。表2-2双缸举升器自制件种/类/总当量资源利用率计算消耗资源类消耗资源种RI (kg)RO(kg)价格系数UUU结构钢28x 6冷拔无缝钢管j2.4j.4643.9j.193ci.530(.589)e.542(.601)A356.48(42.18)35.193.1.623(.834)20热扎无缝钢管37.616.164.7.42930无缝钢管15.89.25.0.5825无缝钢管1.02.6284.8.616灰铸铁H T - 2 0 057.047.74.33.838.

43、838有色金属紫铜 T 20.004.00336.75.752.3基于绿色制造的产品多生命周期工程162.3.1产品多生命周期的概念产品生命周期是指本代产品从设计、制造、装配、包装、运输、使用到报废为止所经历 的全部时间。而产品多生命周期则不仅包括本代产品生命周期的全部时间，而且还包括本代 产品报废或停止使用后，产品或其有关零部件在换代一一下一代、再下一代、多代产 品中的循环使用和循环利用的时间（以下统称为回用时间）。2.3.2产品多生命周期工程产品多生命周期工程是指从产品多生命周期的时间范围来综合考虑环境影响与资源综 合利用问题和产品寿命问题的有关理论和工程技术的总称，其目标是在产品多生命周

44、期时间 范围内，使产品回用时间最长，对环境的负影响最小，资源综合利用率最高。由于科学技术的迅猛发展，产品生命周期将越来越短，因此为了实现产品多生命周期工 程的目标，必须在综合考虑环境和资源效率问题的前提下，高质量地延长产品或其零部件的 回用次数和回用率，以延长产品的回用时间。2.3.3产品多生命周期工程的体系结构产品多生命周期工程的体系结构如图2-21所示。其中绿色制造的理论和技术是产品多 生命周期工程的理论和技术基础，而产品或其零部件回用处理技术和废弃物再资源化技术则 是关键技术。自然的再资源化废弃物旧产品或其零 部件回用处理制造加产品产品产品产品产品报拆卸 工过程装配包装运输使用废回收分类

45、产品结材料制造环工艺 构设计I I选择I境设计I I设计包装 设计回收处理设计图2-21产品多生命周期工程的体系结构2.3.4产品多生命周期工程的特征模型产品多生命周期工程的特征模型可视为一多目标规划模型，其目标函数有3个，即在产 品多生命周期范围内，产品的回用时间）尽可能长，资源综合利用率（4）尽可能高，环境 负影响）尽可能小。其约束条件主要有5个，既产品的功能（F）、交货期（T）、质量（Q）、 成本（c）、服务（S）达到相应的指标值。产品多生命周期工程的特征模型:(2-19)max V = f (X), f (X),f (X)T tres.t. gq (X) I q gf (X) I f

46、gt (X) 11gc (X) I c gs (X) I s式中，X = （x ,x ,x，,x ）t ,x （i = 1,2,3., n）表示影响产品多生命周期工程的回用时间、 111 n i资源利用率、环境状况以及产品FTQCS的各种因素；gq（X）、今（X）、gc（X）、gt（X）、gs（X） 一 一产品的质量、功能、成本、交货期及服务的函数或向量函数；Iq、if、Ic、I：、Is-产品 的质量、功能、成本、交货期及服务指标常数或常向量。2.4绿色制造的决策框架模型14, 17对一个问题的决策往往由问题的分析、决策模型的建立、决策分析、综合评价和决策等 步骤组成，在这复杂的过程中，正确适

47、用的决策模型的建立和在此基础上决策分析的成功， 是实现正确决策的关键，也是解决提高决策可靠性的一个重要途径。绿色制造中存在着大量复杂的决策问题，其复杂性体现在多个决策目标、多个决策变量 以及决策难以作出精确的定量分析等三个方面。这时对决策问题作出正确的决策往往比较困 难。为此，提出建立绿色制造的总体决策框架以及相应的分析方法，从而为解决绿色制造总 体决策分析问题提供一种有效的途径。2.4.1绿色制造的总体决策目标进行绿色制造的总体决策首先要确定决策目标，即决策活动所追求的目标。当前，对 传统制造，人们追求的目标变量主要可归类为三个：时间T（Time），质量Q（Quality）和 成本C（Cos

48、t）。其中时间T包括两方面涵义：一是指产品开发周期；二是指生产率。质量Q 包括产品质量、过程质量、服务质量和功能质量，这是广义质量内容；通常所说的质量主要 指产品质量，它又包括产品性能、使用寿命、可靠性、安全性和经济性等。成本包括材料 成本、设施和设备成本、劳动力成本、能源成本、维护和培训成本、其他杂项成本等。对绿色制造，只考虑上述三个目标变量显然是不够的，而应该把绿色制造的特征目标； 环境影响E（Environment）和资源消耗R（Resourc作为重要因素加以考虑。为此，作者认为， 对绿色制造而言，在考虑决策问题时，通常追求的目标应是:尽可能低的制造成本，尽可能 快的市场响应，尽可能高的

49、产品质量，尽可能低的资源消耗和尽可能小的生态环境影响，即 通常应考虑5大类决策目标：成本C、时间T、质量Q、资源消耗R和环境影响E，从而建立 了如图2-22所示的绿色制造的五角形总体决策目标框架。这里的决策目标是从绿色制造全 局的角度提出的，而不是局部的优化目标。Q +丁匕RE *图2-22绿色制造的总体决策目标框架图2-22中，各目标变量旁边的箭头表示追求的目标变量变化的方向，即时间T希望越 小越好，质量Q希望越高越好，成本C希望越低越好，环境影响E希望尽可能小，资源消耗 R希望尽可能少。因此，绿色制造的总体决策目标框架是对影响绿色制造规划、设计、试验和运行的各种 因素（包括技术的、管理的、

50、经营的、环境的、资源的因素进行高度抽象和概括，将绿色制 造实施中许多要素之间的纵横交错的影响关系简化为几个特征要素之间的影响关系。各决策 目标的内涵非常丰富。（1）成本C绿色制造的成本目标包含了许多方面的因素，可以大致归类如下：1）设施和设备成本：实施绿色制造需要基础设施（场地、水、电、气供应、房屋等）、 制造设备和贮运装置等，这些方面的投资费用都将以折旧费的形式计入制造或产品的成本 中。2）材料成本：包括制造产品所需要的原材料、工具消耗和制造所用的辅助材料（冷却剂、 润滑油、清洗剂等）消耗。3）劳动力成本：制造产品的直接劳动，也包括开发新工艺或产品付出的劳动。4）能源成本：对耗能小的绿色制造

51、过程，能源所占成本的比例低，可以忽略不计；但 对耗能大的绿色制造过程，能耗甚至可能成为制造或产品的主要成本因素。5）维护和培训成本：为保证绿色制造的正常实施所进行的维护、修理工作和需要的维 护人员、备件等，以及为适应新设备、新技术、新法规、新标准的必要培训。6）其他杂项成本。进行绿色制造决策分析时，上述成本要素都应尽可能数量化。在保证其他决策目标的情 况下，绿色制造所追求的成本目标为越小越好。（2）时间T绿色制造的时间目标要素包括：1）绿色制造对于产品的设计和生产过程变化（品种、批量、要求的交货时间等）反应的 快慢程度。为了使绿色制造具有较强的生存能力，一般都希望从产品的定货、设计、制造到 产

52、品出厂的整个过程时间要短；当生产过程发生变化时，反应要快，响应时间要短。2）绿色制造的生产率，即绿色制造能以多快的速度制造出产品。绿色制造的生产率是 指单位时间内生产绿色产品的数量。绿色制造的实际生产率除了与加工设备的生产率、工艺、 夹具的先进性和操作人员的技术熟练程度有密切关系外，还与设备的可靠性有很大关系。可 靠性是系统或设备在给定条件下和确定时间内完成所要求工作的可能程度。为了使绿色制造 能可靠地正常运行，除了强调单个要素的可靠性外，最主要一点是要简化整个系统或设备结 构。在满足制造功能的情况下，优化结构，舍弃那些可有可无的环节，使整个系统或设备的 可靠性提高。可见，生产率的要求将直接或

53、间接影响绿色制造总体决策目标中其他目标要素的选择。 高的生产率一般都会使生产成本降低，但高的生产率要求使用专用机床、传输线和专用自动 化控制等新技术或设备，这些又会使绿色制造首期成本增加。进行绿色制造总体决策时，在保证其他决策目标的情况下，绿色制造所追求的时间目标 越短越好。（3）质量Q产品质量反映的是产品满足用户期望值的程度。但是，用户满足与否不仅取决于产品的 技术特性，往往还取决于产品的实用性、耐用性、绿色性和其他许多主观的、难以用数值来 描述的因素。在规划、设计和运行绿色制造时，应该建立起绿色产品的质量指标体系。绿色产品的质量，应该从产品设计、产品制造和产品的使用维护等几方面考虑。产品设

54、 计之初就不合理（例如结构欠佳，提出过高和不必要的技术要求等），会给制造和装配带来很 大的困难，会增加制造和装配成本、增加制造和使用过程中物料和能源消耗等，因此，用户 对这类“天生”有缺陷的产品难以满意。不合理的产品设计可以通过性能评价、仿真技术、 绿色产品生命周期评价等给予修正。在制造过程中的产品质量，可以用许多不同的尺度来评 价。在制造阶段，产品的质量是指生产工艺满足产品设计参数（技术特征、性能、技术要求 等）的程度，产品的质量实质上就是产品各种技术特征和性能的集合，它主要包括两个方面 的要求：构成产品结构和外形的几何特征以及产品所用材料表现出的物理和化学性能。绿色 制造生产出来的产品一方

55、面要与事先提出的技术及资源环境要求相吻合，另一方面要很快地 被市场所接受，这是质量的两方面内涵。有些制造质量方面的指标，要通过使用和时间才能 给出确切的评价，例如产品的能源消耗、环境影响、耐磨性、抗疲劳性等。在制造阶段，合理地规定产品质量的公差是很重要的。产品质量公差是产品特征参数 可以被接受的变化范围。公差限制过紧，将使产品制造的成本急剧上升，也给绿色制造的正 常运行施加不必要的压力。而公差放得过宽，又会导致产品性能不良、没有竞争力的产品。进行绿色制造决策时，在保证其他决策目标的情况下，绿色制造追求的质量目标为越高 越好。（4）资源消耗R绿色制造资源消耗目标要素主要包括以下几个方面：1）资源

56、种类：可再生资源还是不可再生资源，稀有资源还是丰富的资源等。2）资源特性：重点是制造资源对环境的影响特性、价格特性。3）资源消耗状况：绿色制造中资源消耗的绝对量、利用率、损耗率等状况。进行绿色制造决策时，在保证其他决策目标的情况下，绿色制造追求的资源消耗目标为 越小越好。（5）环境影响E绿色制造的环境影响是指一种包含生态影响、环境影响、资源利用、职业健康、安全 性等一系列问题的广义环境影响，它体现了绿色制造与当前全球关注的三大主要问题（资源、 环境、人口）的关系。本世纪70年代以前，人们对制造业着重强调的是成本和时间（生产率） 这两大目标。70年代后，随着市场竞争的加剧，产品的质量成为影响竞争

57、力的重要目标。 进人90年代后，资源、环境和人口成为全球关注的三大问题，人们对这些问题的关注也反 映到绿色制造的研究上。近年来国际上对制造的环境适应性问题越来越重视。绿色制造的环 境性包含了许多内容，可归类如下：1）生态环境影响绿色制造及其产品在整个生命周期中对生态环境造成的影响，如制造 过程中产生的废气、废液、废物、噪声、辐射、产品寿命终结后的处置等对生态环境的影响。2）资源综合利用 绿色制造对自然资源特别是不可再生资源的综合利用和优化利用能 力，包括生产过程可能要用到的原材料、能源、土地和水资源等的优化利用。3）职业健康产品全生命周期过程中各个环节可能对劳动者职业健康造成的损害。4）安全性

58、产品全生命周期过程中各个环节因故障等原因产生的设备及其周围环境的 不安全性。进行绿色制造总体决策时，在保证其他决策目标的情况下，绿色制造所追求的环境影响 目标为越小越好。综上所述，绿色制造的五大目标都非常重要，它们之间存在着密切的联系、不可偏废， 它们共同构成了绿色制造的总体决策目标。绿色制造中的任何一个决策问题都或多或少与上 述5个决策目标变量中的某些或全部有关。当然，针对不同的具体制造系统而言，要同时达 到五个决策目标的优化是困难的，只能根据具体制造系统的不同要求，采用多目标优化方法， 求得最优解或满意解。2.4.2绿色制造的总体决策框架模型（1）决策目标向量的构成对前面所说的绿色制造的任一决策目标，一般情况下均包括复杂的组成部分，如环境问 题包括废弃物污染鸟、噪声干扰、粉尘污染E、废气污染Ee等。因此可将以上各 目标看成是由各组成部分组成的向量，如E可看成由e个组成部分（E1、E2、与、） 组成，即：S (E1，E 2,，E(2-20)同理，其他各目标可表示为:=(T1，T 2,，T )(2-21)=(Q 1, Q2,，Qq)(2-22)、C = (C 1, C 2, . , Cc)、R = (R 1, R 2,，Rr)(2)决策问题向量的构成一个决策问题可看作由若干类决策向量X、Y、