機械零件綠色材料評價軟件的設(shè)計與實現(xiàn)
機械零件綠色材料評價軟件的設(shè)計與實現(xiàn),機械零件,綠色,材料,評價,軟件,設(shè)計,實現(xiàn)
一個面向綠色產(chǎn)品開發(fā)的綜合模糊方法的實例研究Xiaojun Wang,Hing Kai Chan,Dong Li摘要由于監(jiān)管要求的存在和公眾意識到需要保護環(huán)境,綠色產(chǎn)品的開發(fā)戰(zhàn)略已成為許多企業(yè)考慮的關(guān)鍵。生命周期評估(LCA)作為一個最受歡迎的衡量新產(chǎn)品開發(fā)對環(huán)境影響的工具。 。然而,通常很難在設(shè)計階段,由于不確定的和/或未知的數(shù)據(jù)進行傳統(tǒng)的 LCA。本研究采用 LCA 的概念,并引入了環(huán)保性能相對于不同的產(chǎn)品設(shè)計評估集成模糊程度分析和模糊 TOPSIS 的綜合方法。在方法論上,它表現(xiàn)出的層次結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性和 TOPSIS 實施,同時捕捉不確定性的模糊容易。關(guān)于消費電子產(chǎn)品為例提出,并通過問卷調(diào)查收集的數(shù)據(jù)被用于設(shè)計評估。在這項研究中提出的方法有望幫助公司篩選出不良的設(shè)計方案減少開發(fā)時間。關(guān)鍵詞:多標準決策分析,綠色產(chǎn)品開發(fā),生命周期評估,模糊分析,TOPSIS1.引言由于對環(huán)境問題認識的提高,綠色產(chǎn)品設(shè)計(如減少碳排放)一直是一個具有挑戰(zhàn)性的新的研究領(lǐng)域。有很多工具是面向綠色產(chǎn)品設(shè)計的,比如一些簡單的清單或材料、能源和毒性矩陣。在它們之中,生命周期評估(LCA)是最值得注意的。LCA作為科學(xué)模型用于分析產(chǎn)品整個產(chǎn)品生命周期的環(huán)境影響,包括材料選擇和生產(chǎn)、制造、使用、交付、報廢處理等等。 (Hawkins, Hendrickson, Higgins, Matthews, Yung et al.,2012.) 。執(zhí)行LCA可以幫助設(shè)計師理解環(huán)境影響量化設(shè)計第二次(不希望得到的)整個生命周期的輸出,然后轉(zhuǎn)換成可測量的影響項目區(qū)來分析(Cerdan, Gazulla, Raugei, Martinez, Vallet et al.,2013) ??傊?,進行LCA不是一項容易的任務(wù)。因此,有必要開發(fā)創(chuàng)新的方法,或者對 LCA 進行補充。在本文中,篩選出了一種方法可以減少 LCA 方法的缺點。準確來說,用一個層次結(jié)構(gòu)來代表一個產(chǎn)品的生命周期設(shè)計是為了將復(fù)雜問題分解成這樣的層次結(jié)構(gòu)。另外,模糊邏輯作為一種篩查工具是用來考慮不確定性的?;旌闲枰獌刹剑毠?jié)將在第三節(jié)討論) 。這個方法可以作為篩選工具來減少生態(tài)設(shè)計選項以及識別關(guān)鍵改進區(qū)域。在設(shè)計的早期階段可以評估和篩選不同的選項是非常有用的。其余的文章結(jié)構(gòu)如下:第二節(jié)簡要回顧了從事這項研究的兩個方法,接著是第三節(jié)是對模型的描述。然后,第四節(jié)提出了如何將該方法應(yīng)用于一個真實的案例研究在選擇生態(tài)設(shè)計選項方面。這一部分提供了有具體數(shù)值的例子。第五節(jié)討論結(jié)果,然后第六節(jié)總結(jié)文章。2.文獻綜述近年來,人們越來越越意識到環(huán)保實踐的重要(CarterRao Sarkis,1998;Yung et al.,2011)。這些實踐包括環(huán)保設(shè)計(有時被稱為生態(tài)設(shè)計) 、綠色采購、可持續(xù)運營以及報廢實踐,比如回收和再制造。環(huán)保意識也許是作為一種重要的監(jiān)管壓力來使大家保護環(huán)境。例如,歐洲理事會指導(dǎo)(2009)對能源相關(guān)產(chǎn)品(ErPs)要求制造商賣給歐盟的產(chǎn)品要符合他們的生態(tài)設(shè)計原則。預(yù)防而不是糾正的措施應(yīng)該盡可能早的在ErPs的設(shè)計階段是為了識別和減少對環(huán)境的影響在產(chǎn)品整個生命周期中。這種做法正在成為新產(chǎn)品開發(fā)的一個重要要素。決定原材料的選擇、在使用階段的電力消耗、包裝設(shè)計、報廢處理等都可能產(chǎn)生深遠的環(huán)境影響。在設(shè)計過程中增加生態(tài)設(shè)計原則可能會進一步增加負擔。然而另一方面它還有助于提高組織的發(fā)展以減少對環(huán)境的不利影響(Zhu Kobayashi, 2005; Thoming Yung et al., 2012)。從本質(zhì)上講,LCA設(shè)計多個生命周期階段而且需要不同環(huán)境因素的評估(European Council,2009)。決策問題涉及多個標準并不少見。如果有一些在本質(zhì)上有定性的標準,那么就更難解決。Saaty開發(fā)了一個眾所周知的層次分析法(AHP) ,它可以處理這種多種目標決策(MCDM )的問題。最基本的方法是由一個層次結(jié)構(gòu)來表示這些問題有不同的標準和子標準。然后兩兩之間比較這些標準,這樣就可以估計標準的權(quán)重(或優(yōu)先級在某些程序中)問題。層次分析法是一種廣泛使用的方法,能考慮多個因素影響決策涉及多個判斷標準,在不同的因素之間總能權(quán)衡出來(Tan,2005) 。層次分析法的應(yīng)用有很多(Ho,2008) 。盡管離散的層次分析法對于兩兩相比的方法的選擇有簡單和易用性的優(yōu)點,但在文獻中它的幾個方面經(jīng)常被批判(Bana e Costa Belton Smith Lenzen, 2006)。另一個流派使用模糊邏輯研究,它可以通過處理不確定性來緩解這一弱點(Zadeh,1965)。本文使用的兩種方法是通過逼近理想解進行順序模糊程度分析和模糊技術(shù)命令執(zhí)行。前者是由Chang(1996)創(chuàng)立的,后者是由Hwang和Yoon(1981)引進的不確定的一個版本。本節(jié)簡要總結(jié)了兩種方法,并提供了為什么需要一個集成方法的原因。第一個使用模糊層次分析法的應(yīng)用程序是用計算機語言參數(shù)代替確定數(shù)值的成對比較過程(例如,更重要的和非常重要的,等等) ,它是模糊隸屬函數(shù)度的一種特性(Van Laarhoven ki,那么給出向量積W=(d (X1) , d(X2) ,d(Xn ) )T (8)Xi(i=1,2, n)為不同的標準數(shù),其標準等級向量為: W=(R(X1) ,R (X2) ,R(Xn) )T (9)W不是一個模糊數(shù),它為一個不確定性標準或者比其它重要的次級標準提供了優(yōu)先級系數(shù)為了驗證這種方法的準確性,一樣的方法進行篩選得出的反應(yīng)不一致。因為M i是三角述,它必須被解模糊化成為一個確定數(shù)值來計算一致性比率(CR) 。區(qū)域中心(COA)方法在這里可以用于將M i去模糊化。M i=(mi1,mi2,mi3)可以通過公式解模糊成一個明確的值:P(Mi)=(mi3-mi1)+(mi2-mi1)/3+mi1 (10)因此每個判定的CR可以計算并檢查,以確保它是低于或等于 0.1。圖2 重要性評價隸屬度函數(shù)3.3 用模糊層次 TOPSIS 評估替代設(shè)計方案為了評估替代的產(chǎn)品設(shè)計,五個模糊因子決定矩陣 ,構(gòu)造出有關(guān)于五個環(huán)境評估。假設(shè)有 l 個可以替代的 Ak(k=1,2,l)和 n 個生命周期階段,每個主生命周期階段有 ci 個標準,其中標準的總數(shù)等于 ,這代表第 k 個替代的生命周期階段內(nèi)的第 j 個準=1則,可以是準確數(shù)據(jù)或適當?shù)恼Z言變量,并且可以通過模糊數(shù)進一步表示,例如 =() , 分級指標問題可以簡明地用模糊決策矩陣表示為 :,K=1,2,l; i=1,2,n; j=1,2,Ci (11)其中 是與標準值 Cij 有關(guān)的代替 Ak 的模糊評價分值,Ci 是標準的生命周期階段的內(nèi)的數(shù) Li,e 是環(huán)境評估的數(shù)量。在一般情況下,標準可以分為兩類:效益和成本。對于效益標準,更高的價值比較好,相反的成本標準也是如此。決策矩陣 的數(shù)據(jù)來源不同。因此,必須將它標準化,以便將它轉(zhuǎn)變成一個無量綱矩陣,它允許各種標準的比較,在這項研究中,標準化的模糊決策矩陣由 表示為:= lm 并且 k=1,2,l; i=1,2,n; j=1,2,Ci; m= (12)=1標準化處理后可以通過以下模糊運算進行:= (13)(+,+,+), 對 于所有 , 是效益 標 準(,), 對 于所有 , 是成本 標 準 其中 和 分別表示規(guī)模最大和最低的標準。加權(quán)模糊標準化決策矩陣表示為:+ = lm, k=1,2,l; i=1,2,n; j=1,2,Cim= (14)=1= Wij這里 Wij 是每個標準的加權(quán)評分,是主要的類別加權(quán)分數(shù)的乘機積和標準加權(quán)評分,相對于相應(yīng)的主要類別如下:Wij=wLi wLi=wi , (i=1,2,,n) 12.(15)其中 wLi 和 wCij 分別代表加權(quán)分值的第 i 個主要生命周期和標準值 Cij。w Li 和 wCij 都是通過 3.2 節(jié)所討論的模糊程度分析方法獲得的。方程(14)的結(jié)果可以概括為:(16)接著模糊加法原則被用于如下各主要標準內(nèi)聚集的值:= , k=1,2,l; i=1,2,n (17)=1因此矩陣 是轉(zhuǎn)化成最終的加權(quán)標準化模糊決策矩陣 , (18)同樣模糊加成原理的使用如下聚合五個環(huán)境評估的值:, e=1,2,,5 (19)= 5=1 (20)加法操作非常重要,因為分層結(jié)構(gòu)只能反映當每個主要的生命周期階段內(nèi)的加權(quán)值和五個環(huán)境評估聚集的進行?,F(xiàn)在,使 A+和 A-分別表示積極模糊理想解決方案(FPIS )和消極理想解決方案(FNIS),根據(jù)聚合模糊決策矩陣我們有:A+=( )+1, ,+,+A-=( ) (21)1, ,其中 和 分別是是模糊數(shù)的最大和最小的冪平均數(shù)。對于每一個數(shù) i,都可以得到+ 最大的冪平均數(shù) 和最小的冪平均數(shù) 。因此,F(xiàn)PIS( A+)和 FNIS(A -)可以得到。然+ 后,每一個從 A+ 到 A-的距離( d+和 d-)都可以由區(qū)域補償方法計算出:( ) ,k=1,2 ,,l; i=1,2,n +=1 , +(22)( ) ,k=1,2,,l; i=1,2,n =1 , (23)d( )= (24),13(11)2+(22)2+(33)2相對接近指數(shù)的計算方法如下:= +(25)根據(jù)該索引值,則替代方案可以歸于最優(yōu)選放案到最不優(yōu)選方案之間。表 24案例研究在本節(jié)中,以一家制造公司為例來說明所提出的模糊方法如何應(yīng)用以支持決策對環(huán)保產(chǎn)品的設(shè)計評估。該公司生產(chǎn)的無線個人電子產(chǎn)品,并想將環(huán)境問題納入其產(chǎn)品的設(shè)計,因為在這個階段做出的任何決定可能在其整個產(chǎn)品生命周期中產(chǎn)生深遠的環(huán)境影響。LCA一開始為他們的電子產(chǎn)品之一進行指導(dǎo)。Young 等人(2011,2012)和 Chan 等人(2013)報告了 LCA 的詳細結(jié)果。在這些研究中,LCA 也被證明是一個耗時且繁瑣的過程。在這項研究中,作者提及這種情況下,證明了該模型如何促進并從生態(tài)設(shè)計的角度簡化新產(chǎn)品的開發(fā),尤其是當一個 LCA 已經(jīng)進行。在這種參照情況下(Young 等人 2011,2012;和 Chan 等人 2013) ,主生命周期階段被定義,并且每個相下的關(guān)鍵標準被識別,如表 2 所示。如材料和制造工藝的紙幣相關(guān)的數(shù)據(jù)都被收集來構(gòu)建分層結(jié)構(gòu)。構(gòu)成分層模型后,重要的是要知道的生命周期階段(或者其相關(guān)聯(lián)的條件)對另一對生態(tài)設(shè)計目的是多么重要。換句話說,決策者必須確定主要的生命周期階段和相關(guān)標準的權(quán)重。調(diào)查問卷分發(fā)給小組專家評估整個產(chǎn)品生命周期的各個階段識別每個標準的重要性。在附錄中提供了調(diào)查問卷的屏幕截圖。調(diào)查問卷發(fā)送給五名專家:其中兩個是在 R Hur, Lee, Ryu, Yung 等., 2011, 2012; Chan 等., 2013) 。LCA 是一種科學(xué)的強大的工具,而它的主要優(yōu)點之一是全面性。一個標準的LCA由一個目標和范圍定義,庫存分析,并影響評估和解釋(ISO,1997) 。在整個產(chǎn)品的生命周期定義的目標與范圍的確定后,必須收集材料和能源的投入和廢物和排放數(shù)據(jù),和對環(huán)境的負荷需要在庫存分析進行定量。在結(jié)果出來之前,環(huán)境影響評估可以用于檢查由所使用的材料和能量的潛在的和實際的環(huán)境影響。然而,如第1節(jié)所討論的,全面的LCA是一個繁瑣且耗時的過程,因為它需要大量的數(shù)據(jù)和科學(xué)證據(jù)。許多企業(yè),特別是中小企業(yè),沒有足夠的資源和專業(yè)知識進行全面LCA。此外,LCA在處理不確定的困難和/或未知的數(shù)據(jù),其中,在產(chǎn)品設(shè)計中通常是共同的情況。這種模糊方法的應(yīng)用可以幫助企業(yè)優(yōu)先考慮替代性的設(shè)計。通過采用LCA的是認為產(chǎn)品生命周期的所有重要方面的概念,所提出的方法可以作為一種有效的方式發(fā)展環(huán)境無害的設(shè)計解決方案。 代替破壞LCA的實用性或更換LCA,這項研究目的是公司使用傳統(tǒng)的LCA有困難時的補充在由于不確定的和/或未知在設(shè)計階段的數(shù)據(jù)造成的。它還提供了一個快捷方式到設(shè)計師對篩選出不太可行的設(shè)計方案。一個完整的LCA仍建議特別是關(guān)于最終的設(shè)計選擇表現(xiàn)出類似的相對封閉指數(shù)。本文的主要目的集中在提議的方法評估生態(tài)設(shè)計用途的替代設(shè)計方案。特別是研究已經(jīng)施加在該方法工業(yè)情況下,消費類電子產(chǎn)品制造商的評估替代產(chǎn)品設(shè)計其個人電子產(chǎn)品之一產(chǎn)品。所提出的方法是基于Chan等人(2013)提出的分層模型和模糊綜合程度分析和模糊層次TOPSIS。使用集成的方法能夠捕捉數(shù)據(jù)的不確定性并提供有效率和靈活性挖掘的主體和決策者的偏好。就計算而言,參照張(1996) ,對于nn模糊成對相比較而言,綜合的程度分析的時間復(fù)雜度是N (N + 6) 。計算的復(fù)雜性往往抑制組織在日常操作中執(zhí)行復(fù)雜的方法。整合模糊TOPSIS和模糊程度分析作為集成方法已顯著減少了需要兩兩比較做出設(shè)計決策的數(shù)量,在Chan等人的方法(2013年) 。事實上,所有的計算可以在Excel電子表格來完成;因此,它可以容易使用在工業(yè)方面,而不需要昂貴的軟件。因此,它是一種更有效的和實際的決策支持工具用于執(zhí)行這種評估。這可能提供機會對于在廣泛的工業(yè)中的公司應(yīng)用行業(yè),以促進工程師和設(shè)計師的生態(tài)設(shè)計評估。對LCA的一個主要目的是確定改進選項綠色產(chǎn)品的開發(fā)。使用相對接近的指數(shù),案例研究發(fā)現(xiàn),設(shè)計2(A2)均居中排名列表四種可供選擇的設(shè)計中,接著是設(shè)計3(A3 )和設(shè)計4(A4) 。盡管如此,檢查臨界生命周期很重要而且具有較高的環(huán)境相應(yīng)的標準影響。為了提供分析上市公司選擇決策,做了進一步分析。因為設(shè)計是1在底部排名列表的,它不包括在分析中。圖3所示其余三個的環(huán)保性能評級替代設(shè)計相對于所述主生命周期段??偟膩碚f,材料的選擇階段(L1)的貢獻最大對環(huán)境的影響,其次是在制造階段(L2) 。重要的是,設(shè)計2(A2)具有更好的環(huán)保性能比在這兩個生命周期階段的設(shè)計。這是設(shè)計2在這兩種設(shè)計中脫穎而出的關(guān)鍵原因。此外,環(huán)境評估的輸出依賴于整個產(chǎn)品生命周期中的所有標準,個別標準有助于每個環(huán)境評估不同。每個設(shè)計方案表現(xiàn)出自己的長處和弱點在不同的評價區(qū)域,這反映在三個匯總環(huán)保性能分析替代設(shè)計對于詳細的評價標準,如圖4。例如,盡管設(shè)計4具有相對包裝更好的性能(C31) ,交通運輸( C32) ,和評價標準在生命周期階段結(jié)束(C51, C52, C53,C54,和 C55) ,設(shè)計4仍然是不太優(yōu)的選設(shè)計方案,因為兩者的材料中的高的環(huán)境影響選擇和制造階段。由于特征這種個人電子產(chǎn)品,這些地區(qū)仍然是最關(guān)鍵的標準。然而,這不應(yīng)損害其他生命周期階段內(nèi)的評價標準。事實上,當采取平衡的方法設(shè)計方案進行生態(tài)設(shè)計的目的時它是設(shè)計師重要的評估。為了進一步改善所選擇的設(shè)計(設(shè)計2) ,如果選擇其他設(shè)計方案也可以通過審議這些規(guī)范不損害其退出的環(huán)保性能。除了環(huán)境制約的研究解決,客戶需求和組織的性質(zhì)還引入了操作上的限制到產(chǎn)品的設(shè)計中。這些是多種多樣的,并且可以隨時間改變,但它們通常包括勞動力和原材料成本壓力,安全和有效的生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計中,所使用的傳輸類型,材料的可獲得性和具體正在開發(fā)的產(chǎn)品的質(zhì)量要求。盡管這項研究只關(guān)注環(huán)境評價性能,但是還考慮經(jīng)濟的關(guān)鍵各種可能的替代設(shè)計和成本在競爭性的影響,在產(chǎn)品生命周期中的設(shè)計需求,以達到最終的可持續(xù)發(fā)展地新產(chǎn)品開發(fā)。圖3 前三名對于主要的生命周期階段的設(shè)計評價排名6總結(jié)從我們的社會過渡到綠色經(jīng)濟社會,綠色產(chǎn)品的開發(fā)發(fā)揮著越來越重要的角色。生態(tài)設(shè)計對于制造商來說可以滿足不同的競爭策略客戶和政策制定者的要求。在電子產(chǎn)業(yè),產(chǎn)品的生命周期越來越短,而對于綠色產(chǎn)品發(fā)展的需求正變得更高,由于監(jiān)管壓力,客戶的認知度較高,等等。企業(yè)進行 LCA 的所有產(chǎn)品和相關(guān)設(shè)計方案在目前幾乎是不可能的。 因此,該方法能夠縮短開發(fā)領(lǐng)先時間篩選出各種設(shè)計方案。這在電子行業(yè)是特別重要的,因為模塊化的設(shè)計和大規(guī)模定制很受歡迎。這些做法使應(yīng)用程序更加輕松,可以幫助優(yōu)選替代方案,并選擇新的設(shè)計方案及時進行產(chǎn)品改進。需要明確的是,該方法的目的并不是要取代 LCA 或破壞 LCA 的實用性。 LCA 仍是一個科學(xué)的用于分析環(huán)境影響強大的工具設(shè)計。然而,從管理的觀點上說,我們的模型得有兩個關(guān)鍵的貢獻。第一,它往往是難以進行在設(shè)計階段,由于有限的或傳統(tǒng)的 LCA 不能使用不確定的數(shù)據(jù)。我們的模型仍然可以通過企業(yè)用來評估產(chǎn)品的環(huán)境性能設(shè)計,因為它是能夠處理不確定數(shù)據(jù)并結(jié)合專家“判斷為生態(tài)設(shè)計評估。第二,它提供了一個補充 LCA篩選差的設(shè)計方案。實際上,完成一個完整的 LCA 為每個設(shè)計選項是一個耗時的過程,需要大量的資源。本文的方法提供了一種替代對于不需要專有 LCA 中篩選目的軟件進行分析和要求不高的時間方面和數(shù)據(jù)要求。此外,還有一個方法在合并模糊程度分析和模糊TOPSIS 的貢獻。集成模糊方法表現(xiàn)出它的理想點執(zhí)行的層次結(jié)構(gòu)和容易性的優(yōu)越性。 它還能夠捕捉到的不確定性的模糊性,并且它提供了效率和靈活性挖掘和主觀性決策者的偏好。通過在應(yīng)用程序為例,它已被證明是一種有效的和實際的生態(tài)設(shè)計評估建模方法。以最好的知識的作者,這是第一個使用集成的研究方法作為生態(tài)設(shè)計的應(yīng)用程序。最后,通過案例研究,提供了深入了解,從提出的綜合方法的應(yīng)用結(jié)果分析敏感性如何支持綠色產(chǎn)品開發(fā)的理性決策過程。盡管上文說了很多益處,但該研究還是有自己的限制,可能導(dǎo)致失去未來研究的機會。例如,雖然這項研究只針對評估環(huán)境替代新產(chǎn)品設(shè)計的性能,采取其他相關(guān)的操作和經(jīng)濟因素考慮進去是同樣重要的。因此,一個未來的研究機會是對經(jīng)濟、社會和環(huán)境因素納入一個多目標處理可持續(xù)發(fā)展設(shè)計評估。擬議方法的另一個限制是決策者必須做出主觀決策在成對比較,并進行環(huán)境影響評估替代設(shè)計。用客觀的數(shù)據(jù)源而不用主觀的決策可能得到更準確的決定。因此,一個未來的研究方向是考慮一個更客觀的加權(quán)技術(shù),如熵方法或數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(DEA) 。最后,像許多其他的多目標決策方法,等級逆轉(zhuǎn)層次分析法,這是由 Belton 和Gear(1983 )首次采用的,是一個對于所提出的方法的潛在問題。逆序是指如果一個新的替代方案是添加或移除的決定將改變,原則上,是不應(yīng)該改變的決定(例如,加一個拷貝這不是最好的一個現(xiàn)有的替代) 。詳細討論這個不是作者的意圖,因為這是本研究外的范圍,不涉及理論的這方面的發(fā)展。因此,讀者可以參考 Maleki 和 Zahir(2013 年)進行了很好的回顧,以總結(jié)和逆序分類不同的研究,特別是鏈接到 AHP 以獲取更多信息。其他學(xué)者提出了許多方法,可以在所提出的方法被應(yīng)用。僅舉幾例,Belton 和 Gear(1983)提出的,它利用了最大值的方法而不是基本正?;目偤停?,公式(7) ) 。Barzili 和Lootsma(1997 )提出了一個乘法的方法來代替該添加劑的方法來權(quán)衡保持排名。最近,Wang 和 Elhag(2006)聲稱,這種等級反轉(zhuǎn)是由于改變本地優(yōu)先前后的替代添加后或移除。他們開發(fā)了一個程序,以避免改變局部重點發(fā)生變化。盡管這些研究是可用的,但是否可以避免逆序也是有爭議的(BarziliGolany,1994) 。
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