基于綠色制造的高端變壓器加工過程評價模型研究*

丁 韓，李 明，袁逸萍

(新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊 830000)

0 引言

制造業在高速發展的同時，面臨著能源資源消耗量大，生存環境破壞等嚴峻形勢，需要快速建立高科技、低能耗、少污染的綠色制造體系。大型變壓器的生產作為社會化協作面非常廣的制造業工程，以車間高效生產的基礎上制定綠色制造標準，建立變壓器制造過程綠色性評價體系，推動了變壓器行業的綠色發展。

針對車間綠色制造的問題，大多都是基于機床能量消耗、環境影響等對加工工藝路線進行優化決策。劉飛等[1]通過對機械加工工藝路線的調度優化減少車間資源能源消耗；王秋蓮等[2]提出了機械處理系統的能效模型和能效評估指標體系；陳兵等[3]在考慮資源消耗和加工過程對環境影響的基礎上，提出了一種基于綠色制造的SLP方法；針對綠色性評價方面[4]，史秀志[5]提出了AHP-TOPSIS模型，用于優化上下柱回采爆破方案。

此外，一些研究者也通過面向綠色制造對產品制造工藝方案進行評價及優化，但是對整體綠色制造過程的評價指標沒有進行更細致深入的研究。并且對產品制造過程資源環境屬性分析與評價[6]，理論探討較多，實際應用較少; 變壓器制造過程屬于單件小批量生產過程[7]，且目前高端變壓器制造主要依靠車間技術人員對部件加工進行手工操作。與其他大批量流水線生產的工業過程相比，在資源能源消耗、環境影響、人為因素等方面均處于較高水平，而且在實際車間生產中所需要考慮的因素更加復雜。本文以變壓器制造過程為研究對象，對其各部件加工特性進行深入分析，從經濟、環境、人因、綠色技術4個因素結合國家制定的相關標準(GB/T28613)構建綠色性評價指標體系。再通過建立改進TOPSIS評價模型求得最優方案。

1 變壓器綠色制造過程評價體系構建

1.1 變壓器綠色制造過程定義

變壓器企業的核心活動是制造，企業活動中影響能源消耗和環境污染的行為主要發生在制造過程中，隨著綠色制造理念的深入，傳統的制造模式早已不符合當下綠色制造模式。綠色制造過程在企業的運行上顯得格外重要，其含義是運用先進的環境友好型技術和裝備，采用清潔生產和循環經濟的措施，改進變壓器生產技術，最大限度的減少電能、蒸汽能、水資源及材料用量，提高材料利用率和設備利用率、提高生產效率。實現節能降耗清潔生產。

1.2 評價指標體系構建過程

綠色制造過程評價指標體系以加工過程的綠色性為評估準則，通過對變壓器中絕緣件的制作、線圈制作、鐵芯制作、油箱制作和總裝配的各個工藝過程的了解對每個基本指標經過篩選，確定了與變壓器制造相關的指標作為本次研究的“綠色指標”通過對確定的“綠色指標”總結歸類，將從經濟效益性、環境協調性、社會績效性、綠色技術創新性作為 1 級指標建立變壓器綠色制造過程評價指標體系。

1.3 確定評價指標

變壓器生產綠色性從經濟效益性、環境協調性、社會績效性、綠色技術創新性4個角度來構建評價指標體系。 結合線圈、鐵心、絕緣件及油箱制作時的原材料、電、蒸汽、水的消耗，污染物的排放控制、清潔生產的管理、員工手工操作效率等分析整個制作過程的綠色性，制定多級指標評價體系如圖1所示。

圖1 變壓器制造過程綠色性評價指標體系

(1)經濟效益性指標

變壓器制造過程的經濟效益主要從各部件生產時的能源、資源的消耗上分析。因此，從絕緣件、鐵心等加工時設備(裁片機、立繞機、數控電子鋸等)的用電量、干燥線圈時蒸汽的用量和硅鋼片整壓退火后冷卻水的用量，以及原材料如硅鋼片、銅、層壓木板等的利用率方面來評價整個制造過程的經濟效益。

(2)環境協調性指標

環境協調性主要指制造過程中污染物的排放控制和企業實行清潔管理的程度，對于鐵心、絕緣件、制造主要考慮廢料的處理方式、粉塵排放污染、噪音污染。對于油箱這種焊接件主要考慮焊接氣體對工作環境的污染、焊渣的處理。對整個器身和線圈噴漆、干燥時要考慮到廢漆和干燥氣體的污染和處理方式。

(3)社會績效性指標

在變壓器鐵心和線圈制作車間主要靠工人手工作業(如疊片、繞線)，這也是變壓器制造的一大特點。因此在對其制造過程綠色性評價時考慮到人因因素將工人工作強度、工作效率及工作安全性等問題也作為其評價的一個重要指標考慮在內。

(4)綠色技術創新性指標

在制造過程綠色化方面，以綠色技術創新作為基礎支撐，實現生產全過程的資源能源有效利用和污染的及時控制。制造過程是否有新型綠色材料、綠色能源的使用、綠色工藝的研究、綠色設備的使用等因素作為綠色技術創新性的評價指標。

2 評價指標量化模型

通過對企業進行問卷調查獲取一部分企業生產數據，再結合獲取的信息將評價指標分為定性和定量指標，并對評價指標量化處理[8]。量化方法主要有以下4種。

(1)標準取值計算法

對于能夠直接通過測量或計算得到具體數據的指標，如電能消耗量、蒸汽消耗量、立繞機利用率、邊角余料利用率、廢漆利用率等均可通過企業調研獲得的實際數據進行量化處理。利用等式(1)中標準化計算方法使指標x數值在0～1，例當電能消耗量指標最大值為xmax，最小值為xmin，則

(1)

式中，x為實際指標值，xmax、xmin分別為指標最大值和最小值。

(2)定性取值量化法

對難以直接定量表達的指標，如裁片難易程度、工作疲勞程度、操作安全性等指標均采用定性和定量相結合的方法。以工人工作疲勞程度為例，對于變壓器制造而言，鐵心制作和線圈加工車間工人的手工操作(手工疊片、手工繞線等)較多，相對疲勞程度指標值較高；但在絕緣件和油箱制造機械化程度高，工人疲勞程度指標值相對較低。

單位過程廢氣、廢漆排放量等指標均為逆向指標，結合統計數據和專家意見用擬合函數表達該類指標[9]。如廢漆排放量，根據不同制造過程的離散數據，經過專家指導，得到量化的擬合函數。

(4)開關函數量化法

對于敏感指標一般采用開關函數法，如重大環境污染事件發生次數、工人重大事故發生次數等，均采用開關函數法，只要發生了上述事件，該指標即量化為0。

3 基于改進的TOPSIS法評價模型建立

選擇適合的變壓器綠色制造方案，是確保綠色高效生產、提高資源回收率、減少制造過程能源消耗的重要舉措。綠色制造過程的選擇是一個涉及多層次、多因素、多目標、多指標等諸多因素的集合結果。本文將主觀動態賦權法和TOPSIS法相結合應用到變壓器綠色制造過程優選中，先利用主觀動態賦權法改進了決策矩陣的權重確定過程，再綜合逼近理想解的排序法建立改進的TOPSIS 綜合評判模型，最終確定一條綠色性最優的制造過程。

3.1 主觀動態賦權法計算評價指標權重

在決策過程當中權重確定屬于極為關鍵的環節。權重的合理性直接影響評價結果的客觀與公正性[10]。針對每個車間綠色性評價的指標側重點不同，相關指標的權重設定也在不斷變化，因此提出了基于多專家參與的主觀動態賦權法。利用多專家參與、均方差篩選來確定各指標權重。具體判別流程詳細步驟為：

Step1:N個專家根據經驗獨立地對所有指標賦權，得到wij，i為專家人數，j為指標個數。

Researchers have sought to understand why all H. pylori infected people do not develop gastric cancer.

Step5: 最終權重向量的表示：

wj={w1w2…wj}

式中，j代表指標個數。

3.2 建立加權標準化決策矩陣

設有共m條綠色制造過程組成過程集Y={Y1,Y2,…Ym}，每條過程的評價指標組成指標集X={X1,X2,…Xn}。

制造過程集Y與評價指標集X構成決策矩陣A由以上提出的標準量化方法歸一化處理后得到的決策矩陣：

(2)

式中，Ym為過程m，Xn為指標n，i為決策過程個數；j為制造過程中的評價指標個數。

加權歸一化決策矩陣B是通過將決策矩陣A的每一列乘由主觀動態賦權法確定的各指標權重wj后得到，并表示為：

(3)

3.3 綜合評價計算

3.3.1 確定正理想解和負理想解

將每個指標集(不同方案中的同一指標)的最大值和最小值確定后，正理想解以正向指標J+的最大值和負向指標J-的最小值組成，負理想解是以正向指標J+的最小值和負向指標J-最大值組成的[11-12]。

(4)

(5)

式中，bij為方案i中指標j的值。

3.3.2 計算評價對象指標與正負理想解的距離。

(6)

(7)

3.3.3 計算相對貼近度(評價對象與正理想解之間)。

(8)

相對貼近度用來反映待評價樣本指標與正理想指標值或負理想指標值在態勢轉變上的接近度。

3.3.4 評價過程對象綜合計算。

E=W×Q

(9)

式中,Q為各評價過程與正理想解的貼近度構成的評價矩陣，W為主觀動態賦權法確定的制造過程各評價指標權重矩陣。

4 某變壓器廠高端變壓器綠色制造過程的評價

選取高端變壓器不同的制造過程為評價對象，每條制造過程編號為Y1,Y2,Y3，為了得到最優、綠色度最高的變壓器制造方案，提高企業經濟效益的同時節約能耗、減少環境污染，節約人工勞動成本、提高勞動效率，對變壓器不同的制造過程進行綠色度評價得出最優的結果[13]。由于篇幅原因文中只列出經濟效益類指標進行相關實例計算。

4.1 某變壓器廠高端變壓器綠色制造過程綜合評價指標體系

為了更具體和直觀地反映變壓器生產每個程序的綜合評價指標體系，每個評價指標都以層次結構框架表示。由于篇幅原因各方案的評判指標具體值只列出經濟效益類指標中的資源能源消耗型指標值[14]。如表1所示。

表1 各方案資源消耗指標值

4.2 指標權重確定

根據文中提出的多專家參與、均方差二次篩選的主觀動態賦權法計算出各三級指標權重，如表2所示。

表2 各指標權重分布

4.3 經濟效益性指標綜合評價

資源能源消耗型指標

(1)根據文中提出的量化方法標準化處理后得到指標評判矩陣。

(2)根據式(2)計算加權標準化決策矩陣：

(3)根據式(4)、式(5)計算各方案關于資源能源類指標得貼近度。由于這5個子指標都屬于消耗型指標。正理想解和負理想解[15]為：

各方案與正理想解和負理想解的距離：

Q1=0.7615Q2=0.9701Q3=0.6983

因此，在資源能源消耗型指標評價中方案2最優。

同理可算出資源綜合利用的評判結果：

Q1=0.9605，Q2=0.3721，Q3=0.6043。因此，在資源綜合利用層面，方案1最優。生產工藝及裝備型指標評價結果：Q1=0.5721，Q2=0.3104，Q3=0.4731。因此，在生產工藝及裝備型指標評價方面，方案1最優。

綜上所述，經濟效益類指標評價綜合矩陣：

綜上所得各方案的綠色性程度序列為:

方案1>方案3>方案2。

5 結束語

確定并闡述了變壓器綠色制造過程的定義，明確變壓器綠色生產的發展目標，提出了評價其綠色性的4個關鍵要素。首次建立了變壓器綠色制造過程評價指標體系，確立了綠色評價標準。構建了改進的TOPSIS法組合的評價模型，選用主觀動態賦權法對指標進行權重計算。通過綜合評價模型，避免由于因素過多而難以分配權重的情形，使得變壓器在生產制造時可選擇一條最優的加工方案使得加工過程消耗的資源能源最小，對加工環境污染最少，人工消耗最小化。得到一條最科學、最環保、最節約的綠色生產制造過程。