2 面向綠色制造的切削液綜合選擇模型的建立

1. 面向綠色制造的切削液決策問題目標(biāo)體系
   面向綠色制造的切削液綜合選擇問題是一個(gè)多目標(biāo)的、定性與定量相結(jié)合的復(fù)雜決策問題。要建立決策模型，首先需要確定決策變量，即決策活動追求的目標(biāo)。按傳統(tǒng)方式選擇切削液時(shí)，人們追求的目標(biāo)變量主要為質(zhì)量(Q)和成本(C)。其中，質(zhì)量主要指切削液的潤滑、冷卻和清洗性能及其使用周期和利用率；成本則包括經(jīng)濟(jì)成本(材料成本、設(shè)施和設(shè)備成本、勞動力成本、能源成本)、用戶成本(使用成本、維護(hù)成本)及其它雜項(xiàng)成本。工業(yè)發(fā)達(dá)國家的制造業(yè)在選擇切削液時(shí)，除需滿足切削加工工藝要求外，更注重考慮切削液對人身健康的危害、廢液處理和綜合成本等因素。這一觀點(diǎn)正逐漸被國內(nèi)切削加工業(yè)所接受。面向綠色制造的切削液選擇決策目標(biāo)體系是將環(huán)境影響(E)作為一個(gè)重要因素加以考慮，即面向綠色制造的切削液決策目標(biāo)變量為質(zhì)量(Q)、成本(C)和環(huán)境(E)三個(gè)因素，對這三個(gè)目標(biāo)變量的追求結(jié)果為質(zhì)量最高、成本最低、環(huán)境影響最小。Q、C、E 三個(gè)決策目標(biāo)之間存在密切聯(lián)系，它們共同構(gòu)成面向綠色制造的切削液決策目標(biāo)體系。該體系中決策目標(biāo)向量的分解內(nèi)容如圖1所示。
   

   圖  面向綠色制造的切削液決策目標(biāo)體系分解內(nèi)容

   切削液的環(huán)境影響主要包括以下三個(gè)方面：

   1. 對生態(tài)環(huán)境的影響：該指標(biāo)主要指生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣、廢液、廢物等可能對生態(tài)環(huán)境造成的影響。切削液對環(huán)境的危害主要體現(xiàn)為將切削加工中使用過的廢油、廢液等不經(jīng)有效處理直接排放或焚燒對水資源或大氣造成的污染。此外，切削加工中使用的切削液或多或少會存留在切屑上，因此對帶有殘存切削液的切屑以及切削液壽命結(jié)束后處置不當(dāng)也可能對環(huán)境造成影響，如切屑大量堆積會污染土壤，對切屑進(jìn)行再生利用時(shí)切削液的有毒有害成分也會污染環(huán)境。
   2. 對職業(yè)健康、安全與衛(wèi)生的影響：該指標(biāo)主要指在生產(chǎn)過程中可能對職業(yè)勞動者健康造成的損害。切削液對人體的危害首先表現(xiàn)為切削液中的添加劑(如常用作殺菌劑的苯酚類物質(zhì))具有較大毒性；其次，切削液中的礦物油、表面活性劑等的脫脂作用以及防腐殺菌劑的刺激性會使人體皮膚干燥、脫脂，甚至引起開裂、紅腫、化膿等；此外，油基切削液的主要成分礦物油和水基切削液中的堿性物質(zhì)對人的呼吸器官也具有一定危害作用。
   3. 不安全性：該指標(biāo)主要指在生產(chǎn)過程中因各種原因產(chǎn)生的不安全性。切削液中含有多種添加劑，在使用過程中可能造成設(shè)備腐蝕、生銹以及引發(fā)火災(zāi)等不安全因素。
2. 面向綠色制造的切削液決策問題的變量描述
   切削液決策問題的實(shí)質(zhì)是使用方案的優(yōu)化問題，即從若干可能的方案中選出最優(yōu)或相對較優(yōu)的方案。對切削液的使用方案進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，涉及的所有變量均可用一個(gè)n維向量來描述，即 X=[x₁，x₂，…，x_n]^T式中，n為可能的加工方案數(shù)，x_i(i=1，2，…，n)代表第i 個(gè)加工方案，且有

   xi=	{	0—不采用第i個(gè)方案
   		1—采用第i個(gè)方案

3. 模型選擇及約束條件
   基于上述分析，建立面向綠色制造的切削液綜合選擇模型如下：
   目標(biāo)函數(shù)為：Q(X)(用于描述質(zhì)量決策目標(biāo))、C(X)(用于描述成本決策目標(biāo))、E(X)(用于描述環(huán)境影響決策目標(biāo))。優(yōu)化描述為 maxQ(X)，minC(X)，minE(X)→Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]

1. 等式約束條件h_v(X)對于X=[x₁，x₂，…，x_n]^T，任一X都等于0(即不采用該方案)或1(即采用該方案)，而綜合選擇的最優(yōu)方案X^*=[x₁*，x₂*，…，x_n*]^T是在滿足等式約束條件x₁*+x₂*+…+x_p*=1的情況下目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值，即Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]=[Q(X*)，C(X*)，E(X*)]。
2. 不等式約束條件g_u(X)
   對于模型中的目標(biāo)函數(shù)Q(X)，C(X)，E(X)，在滿足切削加工工藝要求的基礎(chǔ)上，均受到不同方案的質(zhì)量、成本和環(huán)境目標(biāo)的相關(guān)約束。對于X=[x₁，x₂，…，x_n]^T(x₁，x₂，…，x_n等于0 或1)，求出X^*=[x₁*，x₂*，…，x_n*]，滿足不等式約束條件g_u(X)≤b_i(u=1，2，…，k)(其中b_i分別為質(zhì)量目標(biāo)約束、成本目標(biāo)約束、環(huán)境目標(biāo)約束和原材料約束)，得到Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]=[Q(X*)，C(X*)，E(X*)]。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

1. 方案描述
   該問題的方案描述方程為 X=[x₁，x₂，x₃]其中：

   Xi(i=1，2，3)=	{	0—不采用第i 個(gè)方案
   		1—采用第i個(gè)方案

   X	{	(x1=1，x2=0，x3=0)=方案A1，即采用32#機(jī)油
   		(x1=0，x2=1，x3=0)=方案A2，即采用國產(chǎn)新型切削液
   		(x1=0，x2=0，x3=1)=方案A3，即采用進(jìn)口合成切削液

2. 目標(biāo)函數(shù)評價(jià)
   根據(jù)面向綠色制造的切削液決策目標(biāo)體系中質(zhì)量函數(shù)Q(X)、成本函數(shù)C(X)和環(huán)境影響函數(shù)E(X)包含的分解內(nèi)容(參見上圖)，建立下表所示的三種切削液方案的綜合評價(jià)體系。在決策過程中，采用模糊聚類方法對三個(gè)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行綜合評價(jià)，得到量化的評價(jià)結(jié)果，以此反映三種方案的最終優(yōu)化結(jié)果。該綜合評價(jià)體系包含三個(gè)評價(jià)方面，每一評價(jià)方面包含多個(gè)評價(jià)要素，每一評價(jià)要素又包含不同的評價(jià)因素。各評價(jià)方面、評價(jià)要素及評價(jià)因素分別配置不同的權(quán)重，評價(jià)等級可設(shè)為相同的數(shù)目等級，即V={v₁，v₂，v₃}，分別記為：好/ 一般/ 差。
3. 決策模型的建立
   根據(jù)前述決策模型建立方法，可建立本應(yīng)用實(shí)例的切削液綜合選擇模型如下：對于X=[x₁，x₂，x₃](x₁，x₂，x₃=0 或1)，求出X*=[x₁*，x₂*，x₃*]，滿足約束條件：x₁* + x₂* +x3*=1，使得Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]=[Q(X*)，C(X*)，E(X*)]。
4. 三種切削液方案的模糊評價(jià)根據(jù)決策模型，分別對三種切削液方案建立決策變量評價(jià)要素集，進(jìn)行模糊評價(jià)。
   1. 方案A₁ (采用32^#機(jī)油切削油)
      1. 建立切削液質(zhì)量(Q)評價(jià)要素集U₁₁ U₁₁={u₁(潤滑性能)，u₂(冷卻性能)，u₃(清洗性能)，u₄(使用周期)}₁₁
      2. 建立切削液質(zhì)量(Q)評價(jià)要素模糊矩陣R₁₁
         根據(jù)專業(yè)測試方法并結(jié)合專家調(diào)查法，用隸屬度表示模糊矩陣，得出切削液質(zhì)量(Q)評價(jià)要素的模糊評價(jià)矩陣R₁₁為

         R11=	[	0.5	0.3	0.2	]
         		0.5	0.3	0.2
         		0.5	0.3	0.2
         		0.55	0.25	0.18		11

      3. 建立切削液質(zhì)量(Q)評價(jià)要素權(quán)重系數(shù)矩陣A₁₁ A₁₁=(0.3，0.3，0.3，0.1)₁₁
      4. 計(jì)算切削液質(zhì)量(Q)評價(jià)要素綜合評價(jià)矩陣B₁

         B1=A11R11=(0.3，0.3，0.3，0.1)11	[	0.5	0.3	0.2	]
         		0.5	0.3	0.2
         		0.5	0.3	0.2
         		0.55	0.25	0.18		11
         =(0.505，0.295，0.198)

      依此類推，可得到切削液環(huán)境影響(E)要素評價(jià)矩陣B₂₁、B₂₂、B₂₃和切削液成本(C)要素評價(jià)矩陣B₃₁、B₃₂、B₃₃。經(jīng)過上述兩層綜合評價(jià)，可得到切削液方案A₁的綜合評價(jià)矩陣B為

      表  三種切削液方案綜合評價(jià)目標(biāo)體系

      評價(jià)方面			評價(jià)要素			評價(jià)因素			評價(jià)等級
      序號i	ui	權(quán)重ai	序號j	uij	權(quán)重aij	序號k	uijk	權(quán)重	v1	v2	v3
      									模糊矩陣
      									好	一般	差
      1	質(zhì)量(Q)	0.4	1	潤滑	0.3	A1	潤滑	1	0.50	0.30	0.20
      						A2	潤滑	1	0.70	0.25	0.05
      						A3	潤滑	1	0.80	0.15	0.05
      			2	冷卻	0.3	A1	冷卻	1	0.50	0.30	0.20
      						A2	冷卻	1	0.70	0.25	0.05
      						A3	冷卻	1	0.80	0.15	0.05
      			3	清洗	0.3	A1	清洗	1	0.50	0.30	0.20
      						A2	清洗	1	0.70	0.25	0.05
      						A3	清洗	1	0.80	0.15	0.05
      			4	利用率與使用周期	0.1	A1	利用率與使用周期	1	0.55	0.25	0.18
      						A2	利用率與使用周期	1	0.70	0.25	0.05
      						A3	利用率與使用周期	1	0.80	0.15	0.05
      									無	有	多
      2	環(huán)境(E)	0.3	1	毒性危害	0.25	A1	毒性危害	1	0.5	0.3	0.20
      						A2	毒性危害	1	0.7	0.25	0.05
      						A3	毒性危害	1	0.75	0.20	0.05
      			2	安全指標(biāo)	0.35	A1	對人體危害	0.3	0.6	0.3	0.10
      						A2	對人體危害	0.3	0.7	0.25	0.05
      						A3	對人體危害	0.3	0.80	0.20	0
      						A1	設(shè)備安全性	0.25	0.50	0.3	0.20
      						A2	設(shè)備安全性	0.25	0.65	0.25	0.1
      						A3	設(shè)備安全性	0.25	0.75	0.20	0.05
      						A1	腐蝕性/防銹性	0.25	0.55	0.3	0.15
      						A2	腐蝕性/防銹性	0.25	0.65	0.25	0.1
      						A3	腐蝕性/防銹性	0.25	0.70	0.2	0.1
      						A1	火災(zāi)安全性	0.2	0.8	0.2	0
      						A2	火災(zāi)安全性	0.2	1.0	0	0
      						A3	火災(zāi)安全性	0.2	1.0	0	0
      			3	環(huán)境指標(biāo)	0.4	A1	水體和土壤污染	0.6	0.45	0.3	0.25
      						A2	水體和土壤污染	0.6	0.6	0.25	0.15
      						A3	水體和土壤污染	0.6	0.70	0.20	0.10
      						A1	廢棄物污染	0.4	0.40	0.3	0.3
      						A2	廢棄物污染	0.4	0.6	0.2	0.2
      						A3	廢棄物污染	0.4	0.70	0.20	0.10
      3	成本(C)	0.3	1	生產(chǎn)成本	0.5	A1	企業(yè)成本	1	0.50	0.3	0.2
      						A2	企業(yè)成本	1	0.68	0.22	0.1
      						A3	企業(yè)成本	1	0.70	0.20	0.10
      			2	用戶成本	0.2	A1	使用成本、維護(hù)成本	1	0.55	0.25	0.2
      						A2	使用成本、維護(hù)成本	1	0.60	0.20	0.2
      						A3	使用成本、維護(hù)成本	1	0.70	0.20	0.10
      			3	社會成本	0.3	A1	環(huán)境污染治理費(fèi)用	0.3	0.3	0.3	0.4
      						A2	環(huán)境污染治理費(fèi)用	0.3	0.6	0.3	0.1
      						A3	環(huán)境污染治理費(fèi)用	0.3	0.70	0.20	0.10
      						A1	職業(yè)保健費(fèi)用	0.4	0.5	0.3	0.2
      						A2	職業(yè)保健費(fèi)用	0.4	0.7	0.2	0.10
      						A3	職業(yè)保健費(fèi)用	0.4	0.75	0.15	0.10
      						A1	廢棄物處置費(fèi)用	0.3	0.55	0.25	0.2
      						A2	廢棄物處置費(fèi)用	0.3	0.65	0.2	0.15
      						A3	廢棄物處置費(fèi)用	0.3	0.75	0.15	0.10

      Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]A1=B=AR
      =(0.4，0.3，0.3)	[	0.505	0.295	0.198	]
      		0.508	0.293	0.2336
      		0.496	0.285	0.202
      =(0.5035，0.292，0.21)

      最后，可用總分?jǐn)?shù)值來表達(dá)綜合評價(jià)結(jié)果。一般可取評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)隸屬度集為u={u₁，u₂，…，u_i，…，u_n，…｝，計(jì)算出綜合評價(jià)結(jié)果的具體得分，據(jù)此分?jǐn)?shù)值可對被評價(jià)對象進(jìn)行排序，得分計(jì)算方法為 得分=100Bu=100(b₁，b₂，…，b_i，…，b_m)
      {u₁，u₂…，，u_i，…，u_n，…}^T=100(∑ni=1b_iu_i)
      若用分?jǐn)?shù)值表示綜合評價(jià)結(jié)果，可取評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)隸屬度集的分值為 u=[0.90(好)，0.60(一般)，0.30(差)]
      據(jù)此可計(jì)算出采用32^#機(jī)油切削油的綜合評價(jià)得分為100Bu=69.35。
   2. 方案A₂ (采用國產(chǎn)新型合成切削液)
      參照方案A₁的評價(jià)步驟，依次建立各評價(jià)要素的評價(jià)模型并進(jìn)行綜合評價(jià)，最后得到采用方案A₂的綜合評價(jià)矩陣為 Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]_A2=B=AR=(0.6565，0.219，0.125)
      據(jù)此可計(jì)算出，采用國產(chǎn)新型合成切削液的綜合評價(jià)得分為100Bu=78.01。
   3. 方案A₃ (采用進(jìn)口合成切削液)
      按照評價(jià)步驟，依次建立各評價(jià)要素的評價(jià)模型并進(jìn)行綜合評價(jià)，最后得到采用方案A₃的綜合評價(jià)矩陣為 Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]_A3=B=AR=(0.757，0.179，0.07)
      據(jù)此可計(jì)算出采用進(jìn)口合成切削液的綜合評價(jià)得分為100Bu=80.67。
   最終評價(jià)結(jié)果表明：國產(chǎn)新型合成切削液和進(jìn)口合成切削液方案均優(yōu)于原32^#機(jī)油切削油方案。考慮到規(guī)模生產(chǎn)的綜合成本因素，該廠最后決定采用國產(chǎn)新型合成切削液方案，并在生產(chǎn)中取得了較顯著的綜合效益(經(jīng)濟(jì)效益和社會效益)。應(yīng)用實(shí)踐證明，面向綠色制造的切削液綜合選擇模型具有可行性和實(shí)用性。

4 結(jié)語