面向绿色再制造的产品模块划分方案评价方法

薄振一,耿秀丽,何建佳

(上海理工大学 管理学院,上海 200093)

摘要： 将再制造思想和模块化设计方法相结合,能增加产品的回收次数和重复利用的机会,是制造业节约资源、保护环境的重要手段之一。针对面向绿色再制造的模块化设计方法无法得到唯一划分方案的问题,提出了考虑模块耦合的模块划分方案作为评价方法。通过对物理、环境和成本三方面零件间的关联关系分析,得到零件间的关联度矩阵。在零件间关联度矩阵的基础上,基于“高内聚、低耦合”的原则,以模块内平均聚合度、模块内聚合离散度和模块间的平均耦合度作为评价指标,使用复杂比例评价方法对模块划分方案进行评价,最后通过对某系列数控机床模块划分方案评价进行实例验证。该方法可有效在多个绿色模块化设计中选择最优方案，对制造企业开展绿色制造具有一定的参考价值。

关键词： 绿色再制造;模块划分方案;模块耦合;复杂比例评价方法

1引言

随着经济的发展,由制造企业引起的能源短缺、环境污染等问题日趋严重,因此制造企业必须承担起对其产品的回收和再利用工作。绿色再制造是指在产品的全生命周期内,以提高废旧产品的性能和延长产品的寿命为目标,以高效、经济、绿色环保为原则,通过一系列手段对废旧产品实施修复、改造和回收的产业,是实现废旧产品再利用和经济可持续发展的重要途径之一。

本文基于多源数据，首先采用假设检验方法对我国两化融合整体绩效进行实证分析，进而探索性地研究两化融合在增强企业价值创造能力、推动行业综合发展、提升经济发展质量等方面绩效产生的机理，相关指标设计及数据来源如表1所示。①各研究对象的两化融合发展水平及两化融合关键指标等数据均来源于两化融合服务平台的两化融合评估系统(www.cspiii.com/pg/)数据库；②上市企业总市值来源于Wind数据库；③重点行业全要素生产率、第二产业投入产出比和全要素生产率均来源于国务院发展研究中心信息网数据库；④第二产业人均增加值来源于国家统计局。

模块化设计方法是产品设计过程中的关键环节,将再制造与模块化设计方法相结合能实现对产品的快速设计，降低企业的生产成本。由于绿色再制造过程中涉及的零件数量较多、质量不稳定,模块化设计往往无法得到唯一的划分方案,因此对模块划分方案的评价工作就显得尤为重要。

目前,国内外关于面向绿色再制造的产品模块化研究多集中在模块化设计方法方面。Tseng H E、Chang C C、Li J D通过计算零件间的连接参数进行聚类分析,得到了模块划分方案^[1];Peng JW、Liu Y、Ong S K等为了实现面向再制造的废旧机床模块化,建立了再制造模块化设计的拆卸标准^[2];钟诗胜、张进生、王日君等通过考虑零件间功能的独立性,进行了再制造模块化设计^[3,4];Wang X、Chen L、Dan B等提出了集成式模块划分方法^[5];刘涛、刘光复、张芹等从产品生命周期各阶段的特性、再制造难度和环境角度提出了再制造模块化设计方法^[6,7]。以上研究虽然从不同方面提出了面向绿色再制造的产品模块化设计方法,但得出的模块划分方案并不唯一,需要对模块划分方案进行具体的评价并筛选出最优方案。

李玉鹏、连晓振、卢成等针对复杂产品的模块划分结果难以获得唯一方案的问题,提出了一种基于混合模糊多属性决策理论的评价方法^[8];刘夫云、祁国宁在大规模定制的背景下,利用复杂网络方法,提出了基于产品主结构和主模型的产品尺寸约束关系网络的评价方法^[9];顾斌、郭钢、刘志丹应用改进的层次分析法,建立了评价机械产品模块化适合度的数学模型和模块化适合度的评价标准^[10];李军鹏、陈兴玉、赵韩从装配复杂性、可制造性、模块性、稳定性、造型结果与体积紧凑性6个指标对模块创建方案的满意度进行了不确定性和不完全性的综合评判,并提出了一种双层模块化的创建方案评价方法^[11]。上述研究虽然考虑了产品与零件间的物理约束关系,能反映产品在再制造过程中的拆卸重组难易程度,但绿色再制造过程不仅需要考虑拆卸难度,还需要考虑企业的经济成本以及对环境的影响。因此,本文从物理、环境和成本三个方面对产品的模块化进行了耦合分析。

耦合度是衡量模块之间关联程度的标度,模块间的耦合度是指模块之间的依赖关系^[12],模块之间的耦合度越高,其关系越紧密,但独立性越差。内聚度是标志一个模块内部各零件间结合的紧密程度,模块内零件间内聚度越高,其关系越紧密,功能性越强。在模块划分方案评价中通常用模块间耦合度和模块内聚合度作为评价标准,评价标准的原则是“高内聚、低耦合”。方晓耿、谌炎辉、谢国进在分析产品部件关联矩阵的基础上,基于“高内聚、低耦合”的原则,提出了一种以模块内平均聚合度、模块间平均耦合度和模块的聚合离散度为指标的评价方法^[13];刘电霆以模块内聚合度取最大值和模块间耦合度最小值作为目标函数,建立了产品模块划分的不确定性优化模型^[14]。本文则将方晓耿、谌炎辉、谢国进的3个评价指标引入到模块划分方案评价中进行研究^[13],结果表明模块内的平均聚合度越大,模块的聚合离散度越小,模块间的平均耦合度越小,则方案越好。

考虑到分析零件间关联关系时的模糊性和不确定性,本文采用三角模糊数表达零件间的关联关系,形成模糊关联度矩阵,在得到零件间关联度矩阵的基础上,以模块内的平均聚合度、模块内聚合离散度和模块间平均耦合度为评价指标,对模块的划分方案进行评价。考虑到在评价过程中3个评价指标的目标不一致问题,本文主要使用复杂比例评价(Complex Proportional Assessment,COPRAS)方法对绿色模块划分方案进行评价。

COPRAS方法最初是由Zavads-kas等学者^[15]提出的,通常被应用在具有多准则并且已知其相对重要性的决策方案的排序与选择上。该方法的逻辑简单清楚,并且在排序时可同时考虑“效益型”和“成本型”指标的比例,适用于本文的评价问题。最后,本文对某系列的数控机床模块划分方案评价进行了实例验证。

2研究框架

绿色再制造使废旧产品及其零件的生命周期得以延续,从绿色再制造的角度评价产品模块划分方案需要考虑开发、制造、应用、回收的各个阶段,需要从物理、环境和成本三个方面分析零件间的关联关系,从而得到零件间的关联度。根据“高内聚、低耦合”的原则,本文以模块内的平均聚合度、模块内的聚合离散度和模块间的平均耦合度作为评价指标。模块内的平均聚合度值越大,模块内的聚合离散度值就越小;反之，模块间的平均耦合度值越小,则模块的划分方案越优。

图 1模块划分方案评价思路

本文提出模块耦合的模块划分方案评价思路见图1。主要构建思路是:①获取模块划分方案。方案内容为划分后的各项模块及其内部零件构成。②分析零件间的关联关系。专家使用三角模糊数作为评价语言,分别从不同方面分析零件间的关联关系,集成得到总关联度矩阵。③计算评价指标值。利用零件间关联度矩阵,计算各方案的模块内平均聚合度、模块聚合离散度和模块间平均耦合度。④利用COPRAS方法对3个指标进行处理,完成对备选模块划分方案的排序。

3关联关系分析

3.1 零件间关联关系分析

关联分析是从一个或多个角度来度量两个或多个零件间的相似度或关系紧密度,本文将这种关系称为关联度。结合模块化特点和属性特征,本文通过分析零件间的关联关系来确定模块化绿色设计方案中零件间的关联度。主要方法是:①物理关联分析。物理关联分析包括寿命关联性、拆卸关联性和材料关联性。寿命关联性是指把使用寿命相近的零部件应当划分到同一模块,便于再制造过程中对其进行丢弃或回收;拆卸关联性是指为了减少模块间的接口、便于拆卸,应把具有强拆卸关联性的零件划分到同一模块;材料关联性是指由相同或相近材料的零件应当划分到同一模块,以避免零件间的摩擦损坏。②环境关联分析。物理关联分析包括使用碳排放关联性、拆卸碳排放关联性和回收碳排放关联性，主要是指在使用、拆卸和回收阶段把具有相近碳排放量的零件划分到同一模块,以便在再制造过程中节省资源能源,降低碳排放,达到保护环境的目标。③成本关联分析。在产品的生命周期末端,废旧零部件是再制造重用还是回收其材料,或作废旧处理,都应由产品的回收价值决定^[6]。如果将价值相近的零件划分到同一模块,有利于快速地在回收阶段回收价值较高的零件并进行再制造处理,提高回收效益。零件间的关联分解见图2。

[12] HELCOM, The Baltic Sea Declaration, http://www.helcom.fi/Documents/About%20us/Convention%20and%20commitments/Ministerial%20declarations/RonnebyDecl1990.pdf.

注: w为各因素所占权重,对各项权重有w₁+w₂+w₃=1、w₄+s₅+w₆=1、w₇=1。

图 2零件间多维关联关系

3.2 模糊关联矩阵构造

Y2O3 对氧化锆陶瓷组织和性能的影响 ·······················凤亚军 王兴庆 (1,56)

山区公路由于受到地形地势影响，有时不得不设计采用长大纵坡，这样便增加了修建高等级公路的技术难度以及养护维修费用。根据大量路面使用状况调查数据显示，我国沥青路面病害大部分出现在山区的连续长陡坡上坡路段，因此有必要开展长大纵坡路段沥青路面施工技术研究[1]。本文通过结合工程实践，探讨长大纵坡沥青路面施工工艺，为我国山区长大纵坡沥青路面施工提供参考。

(1)

λ ×a ^%=(λ ×a ^L ,λ ×a ^M ,λ ×a ^U )

(2)

假设构成某产品的零件数量共有N个,根据图2可分别构造物理关联度矩阵P^%=[(p^%)_ij]_N×N、环境关联度矩阵E^%=[(c^%)_ij]_N×N和成本关联度矩阵C^%=[(c^%)_ij]_N×N,其中i,j=1,2,…,N。

以物理关联度矩阵为例,首先通过专家评价信息得到寿命关联矩阵P^%、拆卸关联矩阵P^%和材料关联矩阵P^%,通过三角模糊数的运算法则可以得到产品零件与产品零件间的关联度矩阵P^%，计算公式为:

(3)

同理，可得出环境关联度矩阵E^%=[(c^%)_ij]_N×N和成本关联度矩阵C^%=[(c^%)_ij]_N×N。

(4)

C ^%=[(c ^%)_ij ]_N×N

SiBCN陶瓷先驱体的分子量一般都达到了百万级别，而如果完整的对其进行分子模拟研究，将会产生大负荷工作量，而且计算时间也会相应的变得很长，而且如此巨大分子量的计算会导致计算机死机、奔溃，同样的这种计算所得到的结果也存在很大的误差。有研究表明，在计算模拟的过程中，建立的单胞来进行研究，所得到的的结果仍然能够符合准确性与要求[6-9]。所以我们在materials studio建立具有周期性的SiBCN先驱体的单胞初始模型，并同样的在Forcite模块下进行稽核结构优化，优化后的模型如图4所示。

(5)

将上述三个模糊矩阵相加,可得到总关联度矩阵A^%:

(6)

4模块划分方案评价方法

4.1 模糊矩阵处理

为了便于后续计算，在模糊矩阵的评价中应将模糊数去模糊化(即实数化),可使用模糊数排序工具来实现去模糊化。对三角模糊数常见模糊数排序法在不确定性偏好中立的情况下,其测度值的计算公式(即去模糊化的计算公式)都可转化为^[16]:

抗体的产生需要有一定的时间且要求机体免疫应答能力正常，而大多数血液系统恶性肿瘤、造血干细胞移植、长期应用糖皮质激素等患者免疫应答能力不足，且IPA患者短期内通常不发生血清转化和抗体反应。因此，抗体检测的临床应用价值不大。

a =(a ^L +2a ^M +a ^U )/4

(7)

根据式(7),可将模糊关联度矩阵A^%转化为精确总关联度矩阵A =[a _ij ]_N×N 。

4.2 评价指标定义和计算公式

邀请有关专家利用表2中三角模糊数与语义变量的转换关系,根据图2零件间的耦合关系，从不同方面对零件间关联度进行评价。根据经验及案例的实际情况,有关专家对各项维度的权重分别赋值为：w₁=0.5、w₂=0.3、w₃=0.2、w₄=0.3、w₅=0.3、w₆=0.4、w₇=1。

本文给出3个指标的定义与计算公式:假设某模块划分后得到K个模块,其中有N个基本零件，则K个模块分别为：其中n₁+n₂+…+n_k=N。

定义1:模块内平均聚合度是指每个模块内聚合度的平均值,反映了模块划分方案中各模块功能性强弱的平均水平。已知任意两个零件之间的关联度为a_ij,任意模块内的所有零件间关联度记为则划分方案中模块内平均聚合度D_p可表示为:

(8)

张华军：当教师真正地把课堂看成一个不断促进学生和自己的生命在其中得到滋养、生长的地方时，就不会把是不是完成教学计划当作唯一标准。这并不是否定教学计划的重要性，而是强调不要把教学计划当作孤立的事情。它是在一个整体中，这个整体就是课堂教学中教师的教、学生的学以及教学内容为媒介所包容的一切。如果把实施教学计划当作一件事，把关注每一个学生当作另外一件事，把课堂发生的每件事都割裂地看，教师即使是超人，也没有办法兼顾。

定义2^[13]:模块聚合离散度是指各零件间的关联度与模块内平均聚合度间的差距,反映了模块内聚合水平的离散程度。通过定义1可得模块内平均聚合度D_p,那么模块聚合离散度的D_d则可以表示为:

式中,排列组合公式计算值为是指各模块内的零件间关系数量。

(9)

式中,含义与定义1中相同。

在马克思主义中国化的过程中，一些期刊杂志也起了积极的作用。诸如《新青年》、《每周评论》、《湘江评论》就是当时著名的期刊。

定义3^[13]:模块间的平均耦合度是指任意两两模块组成零件间的总关联度和平均值,反映了模块划分方案中模块灵活性的高低。设两个任意模块为M_p(m₁,m₂,…,m_np ),M_q(m₁,m₂,…,m_nq ),将两模块之间的关联度记为则模块间平均耦合度D_c的公式为:

(10)

在分别计算出D_p、D_d和D_c后,可对划分结果进行评价。D_p越大、D_d越小和D_c越小的方案即为满足“高内聚、低耦合”原则的方案为最优方案。

根据图2,对零件间的关联度进行计算。由于零件间关联度具有模糊和不确定的特点,专家很难精确地给出具体数值。零件间的关联度主要是根据专家经验和知识给出的,可采用“一般、强、很强”等语言表示变量,本文选用三角模糊数来进行描述。三角模糊数的运算规则为:设两个三角模糊数分别为和为任意正实数,计算公式为:

4.3 基于COPRAS的模块化方案排序

从式(14)可见,每一个方案的效用度取值范围介于0—100%之间,则最优划分方案的效用度为100%。

利用得到的各备选方案D_p、D_d和D_c的值,建立矩阵X=(x_ij)_u×v。其中,u为备选方案个数,v为指标数,本文取v=3。

对每个备选方案O_i,计算其最大优化方向上属性值的总和P_i和最小优化方向上的属性值的总和R_i(i=1,2,…,u)。

(11)

(12)

式中,x_+ij在本文中为D_p的属性值,x_-ij在本文中为D_d和D_c的属性值。

计算每个备选方案的优先级权重Q_i:

(13)

从式(13)可见，显然Q_i值越大,方案越优。若某一应急物资供应商具有最大的综合评价值,则该方案应为最佳选择方案。

确定最优准则Q_max=maxQ_i(i=1,2,…,u),以此获得备选方案的效用度U_i,并以此排序备选方案，计算公式为：

2.4 喉癌癌组织与声带息肉中Survivin、bcl-2、p53、caspase-3表达量比较 喉癌癌组织Survivin、bcl-2、p53表达量显著高于声带息肉(P<0.05)，caspase-3表达量显著低于声带息肉(P<0.05)，见表4。

(14)

在对模块划分方案的评价过程中,由于3个指标的目标不同,本文使用COPRAS方法对备选方案进行评价。基于COPRAS方法的模块划分方案评价过程为:

5案例分析

数控机床进行工作的过程中涉及切削、冷却、润滑、检测等功能,在实际工作中可能会造成零部件不同程度的损坏,对严重损伤或已完成生命周期的数控机床的绿色再制造是非常重要的。以某系列数控机床为例,探讨上述模块划分评价方法的可行性和实效性。

此病四季皆发，在流行病例的调查中，是由一定血清型的大肠杆菌造成的一种急性传染病，通常新生犊牛抵抗力低或者发生消化障碍时发病都在一周内，大肠杆菌可随乳汁或者其他污染物成为正常菌。主要通过不洁饮食用具、饮用乳温度不适等环境因素引起消化道感染，偶有母体、脐带传染。本病多发生在冬季呈地方性流行或者散发，14日龄以内最易感，常年均有发生。某养殖场今年发病主要集中在高温高热7、8月份，产母犊70头，发病14头。

蓄能器Pacc和发动机泵P1的功率，通过使用功率分流因子概念从P2的预计功率确定.这个概念被选择作为模型的控制输入变量,并且可以在μ∈(-∞,1]范围内变化，则

表 1模块划分方案

对方案中涉及的零件编码定义为:1为进给电机、2为床身、3为床身导轨、4为电机座组件、5为丝杠导轨、6为滑座、7为防护套、8为防溅挡板、9为立柱导轨、10为斗笠刀库、11为刀库支架、12为主轴电机座、13为主轴传动系统、14为主轴箱、15为工作台、16为定位夹紧机构、17为切削槽、18为液压泵、19为检测系统、20为润滑系统、21为排屑管、22为冷却装置、23为滑座导轨、24为横梁、25为防护外壳、26为校准测头、27为油泵。

在模块划分方案的评价过程中：首先，为了让每个模块的功能更加独立,模块内各零件之间的关联关系应更紧密,即模块内聚合度越高越好;其次，为了提高系统的灵活性,便于再制造拆卸重组,提高模块重用度,各模块之间的关联关系应不紧密,即模块间耦合度越低越好;第三，为了避免划分结果中零件间的关联度过多偏离平均水平,零件间关联度与模块内的平均聚合度应尽量接近,即模块聚合离散度越低越好。

表 2三角模糊数语言变量

以物理关联关系为例,寿命关联性、拆卸关联度和材料关联度的评价矩阵依次为:

(15)

该机床由27个零件组成,所获取的3个备选方案(O₁、O₂、O₃)模块划分见表1。

(16)

(17)

根据式(1),可以构造模糊关联度的矩阵P^%=[(p^%)_ij]_27×27:

(18)

同理,根据式(2)、式(3)可以得环境关联度的矩阵E^%=[(e^%)_ij]_27×27以及成本关联度矩阵C^%=[(c^%)_ij]_27×27:

(19)

(20)

根据式(4)、式(5)，可以得零件间的关联度矩阵为A:

(21)

根据式(8—10),计算各方案的D_p、D_d和D_c值,结果见表3。

[1][28][42]《马克思恩格斯文集》(第4卷)，北京：人民出版社，2009年，第266、279、278页。

2014年，在南大一附院着力开展医院等级评审过程中，全国输血委员会副主委、南大一附院输血科主任乐爱平适时推出一套全国首创的系统，此后获得全国创新奖项和国家计算机软件著作权。2017年全国创新项目评选的73个项目中，南大一附院该项目荣膺前五强。

表 3各方案评价指标值

根据式(11—14),计算各方案的优先级权重Q_i和效用度U_i;根据COPRAS方法可得方案排序结果,见表4。

表 4方案排序结果

根据以上研究的结果表明,各模块划分方案的排名为O₃φO₁φO₂,因此O₃为最合理的模块划分方案。为了进一步表明本文所提方法的有效性,将采用三种不同方法与本文的方法进行对比。第一种方法(M₁)是在分析零件间关联关系时只考虑了零件间的物理关联性,得出的方案排序为:O₂φO₃φO₁。该方法由于没有考虑环境和成本,将零件17(切削槽)和零件21(排屑管)组成的排屑系统与工作台划分到了同一个模块,再进行机床回收时可能会加大拆卸难度,造成环境污染。第二种方法(M₂)是只考虑了模块内的平均聚合度和模块间的平均耦合度两个耦合评价指标,得出的方案排序为:O₃φO₂φO₁。第三种方法(M₃)是使用TOPSIS方法对指标值进行处理,得到的方案排序为O₃φO₁φO₂。虽然排序结果没变,但在TOPSIS计算过程中需要先将指标转化为同一目标类型,而本文方法(M₀)使用COPRAS方法可省去这一转化过程,计算更加简便并且避免了指标转化中可能造成的信息丢失。

6小结

本文在分析影响制造业绿色再制造因素的基础上,为了使再制造过程效率更高、成本更低,同时减少再制造处理过程中对环境的影响,分析了各零件间的关联关系。根据“高内聚、低耦合”的原则，提出了考虑模块耦合的模块划分方案评价方法。建立方法主要有以下特点:①从多方面分析各零件间的关联关系,并建立零件关联度矩阵。在模块划分方案评价过程中,将零件间的关联关系划分为物理关联、环境关联和成本关联,不仅考虑了零件的拆卸难易度,还考虑了零件在碳排放与回收效益方面的关联关系。②遵循“高内聚、低耦合”的原则,模块内的平均聚合度值越大,模块的聚合离散度值越小,模块间的平均耦合度值越小,则方案越好;使用COPRAS方法对方案进行了排序,有效地解决了该评价过程中有多个评价指标且目标不一致的问题。通过某公司的ETC系列数控机床模块划分方案评价案例表明,本文提出的方法可有效在多个绿色模块化设计方案中选择最优方案,对制造企业开展绿色再制造具有一定的参考价值。

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Evaluation Method of Product Module Partition Scheme for Green Remanufacturing

BO Zhen-yi,GENG Xiu-li,HE Jian-jia

(Business School,University of Shanghai for Science of Technology,Shanghai 200093,China)

Abstract :The combination of remanufacturing ideas and modular design methods could increase the number of product recycling and opportunities of recycling. It was an important means for manufacturing industry to save resources and protect the environment. Aiming at the problem that the modular designed method for green remanufacturing could not get the only partitioning scheme,an evaluation method of module partitioning scheme considering module coupling was proposed.The relationships among parts were analyzed from three aspects of physics,environment and cost,and the matrix of correlation degree among parts was obtained. Based on the matrix of correlation degree and the principle of “strong coupling within a module and weak coupling between modules”,the polymerization degree within module,the dispersion degree of module aggregation and the degree of coupling between modules were taken as evaluation indexes,and the complex proportion evaluation method was used to evaluate the module division scheme.Finally,the validity of the method was verified by evaluating the partition scheme of a NC machine tool module.This method could offectively choose the optimal design scheme among mang green modular design schemes,and had certain reference value for manufacturing enterprises to carry out green remanufacturing.

Key words :green remanufacturing;module partition scheme;module coupling;COPRAS

中图分类号： TH122；N94

文献标志码： A

文章编号： 1005-8141(2019)10-1225-06

doi： 10.3969/j.issn.1005-8141.2019.10.001

收稿日期： 2019-03-11；修订日期： 2019-08-15

基金项目： 国家自然科学基金项目(编号:71301104、71871144)；教育部人文社会科学研究规划基金项目(编号：19YJA630021)；高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(编号：20133120120002)。

第一作者简介： 薄振一(1996-),男,山东省泰安人,硕士研究生,主要研究方向为产品服务系统。

通讯作者简介： 耿秀丽(1984-)，女，山东省东营人，副教授，硕士生导师，主要研究方向为产品服务系统、服务科学、决策理论与方法等。

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