基于綠色特征及質量功能配置技術的機電產品綠色性能優化

王黎明 李 龍 付 巖 李方義 彭 鑫 王 耿

1.山東大學高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，濟南，2500612.山東大學機械工程學院， 濟南，250061

0 引言

隨著技術的飛速發展，新產品周期變得越來越短，導致許多制造商在產品設計開發上的疏忽，包括材料、生產過程和回收等。這造成資源環境問題日益惡化，迫使人們對環境問題愈來愈重視，環境問題已經成為世界各國關注的焦點[1-2]。在市場競爭中，重要的是在用戶需求與環境保護之間達到平衡。

產品的設計是為了滿足用戶及市場的需求，因此，營銷、設計工程和制造方面的人員協作應從產品最初構思及概念設計開始。概念設計是設計過程的重要階段，研究表明，產品的開發設計階段是產品生命周期的源頭，決定了產品70%～80%的成本及性能[3]。因此，概念設計的好壞是決定產品設計成功與否的關鍵。

質量功能配置(quality function deployment，QFD)是概念設計過程中運用較多的一種方法，其設計規劃過程的主要目的是在有限的產品開發資源約束下，使用戶對所設計的產品滿意度達到最大[4]。基于其高效性，許多專家展開了不同方面的研究。耿凱陽[5]通過QFD與生命周期設計相結合，建立了綠色質量功能配置(QFD for environment, QFDE)，基于QFDE和敏感性分析計算了環境需求對產品工程特征的權重，利用加權處理生成最終方案設計參數。耿秀麗等[6]采用QFD將用戶需求及其重要度轉化為產品功能需求及其重要度,以信息公理為依據,選擇信息量最小的功能需求配置方案。BEREKETLI等[7]通過集成層次分析法(AHP)與QFDE，建立了產品方案設計階段信息模型，用于識別設計方案的環境影響，改進和優化產品生態設計。張華等[8]建立了一種綠色生產過程多目標集成決策框架和數學模型，通過對生產過程決策運行機理進行分析，提出了一種信息化技術支撐的生產過程多目標集成決策運行模型。NAHM[9]從企業競爭力角度出發，提出了一種新的客戶需求(customer requirements,CR)優先排序方法，將競爭基準分析與卡諾分析相結合，將用戶偏好結構模型化為用戶滿意函數的形式。鮑宏等[10]將發明問題解決理論(TRIZ)引入綠色設計中，通過建立主動再制造綠色創新設計知識關聯與提取機制，提出了基于TRIZ物理沖突解決原理與知識集成的主動再制造綠色設計沖突消解方法。DEWI等[11]提出了一種優化產品開發資源分配模型，利用回歸技術對工程特性與用戶需求之間的關系進行了評價。

綜上所述，QFDE從設計需求出發，借助于AHP、模糊評價、質量屋(house of quality， HoQ)等技術，采用多層次演繹分析方式，能夠將設計需求轉換為生產、使用、報廢處理等生命周期各階段的技術特征要求。目前QFDE應用多集中于產品功能特征配置建模上，但是產品綠色設計涉及大量定性與定量技術特征，如何針對上述特征進行分析建模，尚缺乏研究。此外，產品綠色設計是一個用戶綠色性需求滿意度優化求解的過程，如何將產品綠色性能優化引入QFDE 的決策過程，實現產品技術特征目標值的優化求解，仍是一個難點問題。針對上述問題，本文基于綠色特征對定性和定量的技術特征進行統一建模，完成產品全生命周期設計方案表達，建立以綠色性需求滿意度最大為目標的優化模型，在設計成本與時間約束下，優化綠色特征目標值，確定各個技術特征的目標改善率, 為產品綠色方案設計提供指導。

1 基于QFDE的綠色產品規劃建模

基于QFDE的綠色產品規劃建模主要包括用戶基本需求信息及環境需求信息的獲取與分析、質量屋的建立、質量屋決策 3個步驟 (圖 1)。

圖1 基于環境質量功能配置的綠色產品規劃建模過程Fig.1 The modeling process of green product planning based on QFDE

1.1 用戶綠色需求信息提取與分析

綠色產品除了滿足基本功能及性能需求以外，還應滿足其生命周期各階段環保綠色性需求。所以，在產品設計初期，需進行產品綠色性需求分析，包括對用戶需求信息的處理和評價等內容。

用戶綠色性需求(green voice of customers，GVOC)是廣義的，是產品全生命周期各階段對產品功能、性能尤其是綠色性能的要求[12-13]；綠色性需求通過對用戶與產品銷售人員的調查、國家環保法律法規、競爭者的產品特色和企業內部信息來確定；并且產品需求不僅是針對產品使用者的需求，還包括與產品生命周期各相關參與單位的需求(如制造方、維護方、回收方等)。一個良好的產品設計規劃需充分考慮產品全生命周期過程相關的信息，如能耗排放、可靠性、拆卸性、回收性等。

1.2 基于綠色特征的產品全生命周期設計

在用戶需求分析的基礎上，通過規范化的定義方法將用戶需求進一步轉化為明確、可量化的產品生命周期環境目標和約束[14]。本文提出綠色特征的概念，以綠色特征對產品的生命周期環境目標和約束進行表達。由于綠色特征主要是與產品環境影響有關的設計信息，所以基于綠色特征的產品綠色性能優化可以更直觀、更快捷地對設計進行規劃與改進。

根據集合理論，綠色特征(green feature, GF)是產品全生命周期過程中所有與環境影響有關的綠色信息的集合，包括資源信息、能源信息和環境信息，有定量和定性兩種類型，可描述為

GF={FT，FG,FGv}

(1)

其中，FT為產品生命周期階段(原材料消耗、加工制造、包裝運輸、使用維護、回收處理)；FG為與產品環境影響有關的綠色信息(資源信息、能源信息、環境信息)；FGv為綠色特征值，有定量與定性兩種，定性綠色特征可以用語值屬性表示特征信息，本文采用好、較好、良、差、較差5個等級對定性綠色特征進行描述。

由式(1)可以看出，綠色特征包含三方面信息，即產品全生命周期各個階段,各階段相對應的資源、能源、環境等綠色信息及綠色信息值，如加工制造過程中產生的碳排放、使用過程中的能耗、裝配拆卸過程中的模塊化程度和可拆卸性等。

綠色特征是綠色設計的基本單元，本文從產品的全生命周期設計角度，分階段對設計中的綠色信息進行篩選獲取，最終通過各種綠色特征的組裝實現產品綠色設計方案的表達，如圖2所示。

圖2 基于綠色特征的產品設計方案表達模型Fig.2 The expression model of product design scheme based on green features

1.3 基于綠色特征的質量屋建立

圖3 基于HoQ 的用戶需求傳遞與分配Fig.3 The transfer and allocation of user requirements based on HoQ

通過質量屋實現綠色需求傳遞與分配(圖3)，在綠色性需求的驅動下，確定與其相對應的綠色特征，綠色特征由生命周期各階段(設計制造、使用維護、回收處理)綠色信息組成。建立綠色性需求與綠色特征之間的互相關矩陣以及綠色特征之間的自相關矩陣。其中建立和求解兩兩比較的HoQ關系矩陣是實現綠色需求分配的關鍵，該比較信息由多個設計人員評審獲得，計算出各綠色特征的相對重要度，為最終的HoQ決策規劃提供支持[15]。

2 優化模型的建立

產品綠色性能優化問題可形式化為一個多綠色特征值優化問題。本文通過QFDE中質量屋關系矩陣和自相關矩陣，建立用戶需求與產品綠色設計特征之間的函數關系，以用戶各項需求滿意度為優化目標，以綠色特征為決策變量，結合設計過程中的時間和成本約束條件，完成對產品綠色設計方案的規劃與決策。

2.1 目標函數

在進行質量屋優化決策時，以綠色性需求滿意度最大為目標，即產品綠色特征與綠色性需求比值的綜合結果。綜合上述情況，建立優化模型如下：

maxV(y1,y2,…,ym)

(2)

s.t.yi=fi(x1,x2,…,xn)

(3)

xj=gj(x1,x2,…xj-1,xj+1,…,xn)

(4)

Lj≤xj≤Mj

(5)

Rk(x1,x2,…,xn)≤bk

(6)

i=1,2,…,mj=1,2,…,n

式中，V為用戶需求滿意度函數；y1,y2,…,ym為質量屋中的用戶綠色需求；x1,x2,…,xn為產品綠色特征(決策變量 )；fi為綠色需求與綠色特征之間的函數關系，體現在質量屋的互相關矩陣中；gj為綠色特征之間的函數關系，體現在質量屋的屋頂中；Rk為綠色特征的資源約束函數；bk為資源約束常數；Lj、Mj分別為綠色特征取值的上限和下限，上限可以根據相關環保法律法規來確定，下限由企業內部自身技術條件來確定。

V(y1,y2,…,ym)是由m個用戶需求滿意度組成的多變量函數。本文假設綠色特征的相對改變量Δxj與用戶需求滿意度的改變量ΔVi(yi)成線性關系，則ΔVi(yi)可以表示為

(7)

式中，fij為綠色特征與用戶綠色性需求之間的相關系數。

由此，目標函數可表示為

maxV(y1,y2,…,ym)=V0(y1,y2,…,ym)+

ΔV(y1,y2,…,ym)=V0(y1,y2,…,ym)+

(8)

式中，ωi為產品的第i項綠色性需求的重要度，可通過質量屋獲得。

由于V0(y1,y2,…,ym)為當前綠色特征值對應的用戶需求滿意水平，因此是個常量，在進行優化求解過程中不予考慮，故目標函數最終轉換為

(9)

2.2 時間約束

為了快速響應市場，產品的開發設計過程需滿足一定的時間約束。產品的設計是一個環節多且繁雜的過程，各綠色特征的變化可能會引起其他綠色特征的變動，需要實施并行設計(稱為“并行綠色特征”)，而另一些綠色特征則需要串行設計。本研究不考慮綠色特征改變量所引起的時間變化，僅考慮其改變所消耗的時間。基于上述分析，設計時間約束表示為

(10)

式中，max(tjkzj)為k項并行綠色特征改變所消耗的最長時間；tlp為第l項綠色特征改變所消耗的時間；tjk為第j項并行綠色特征改變所消耗的時間；T為設計研發周期 ；zj、zl為布爾變量。

需要說明的是，綠色特征的改善需對當前技術進行技術創新，所以tlp、tjk的確定應根據技術創新過程中各階段所消耗的時間來計算，這些時間包括研發時間、決策時間和設備試制時間等，模型數學表達式為

(11)

(12)

式中，n=3；Tl1、Tj1為決策時間；Tl2、Tj2為研發時間；Tl3、Tj3為設備試制時間。

2.3 成本約束

產品的設計規劃過程伴隨著研發成本的變化，假如企業此次產品設計改進的研發成本預算為B，則當現用的綠色特征發生變化后，相應的研發費用也隨之變化。考慮到定性與定量綠色特征間的差異性，以及當前綠色特征值設計研發所對應的基礎費用，成本約束可表示為

(13)

(14)

zj∈{0,1}j=1,2，…,l

(15)

zjk∈{0,1}j=1,2，…,l

(16)

式中，dj為第j項綠色特征當前研發所需基礎費用；zj、zjk為0-1布爾變量；l為定性與定量特征總數；Jj為定性綠色特征等級數量；cpj為第j項定量綠色特征單位改變所需成本；cpjk為第j項定性綠色特征第k個等級所對應的成本。

同樣，cpj、cpjk的確定應根據技術創新過程中消耗的各項資源來計算，這些資源包括人力資源、信息資源、材料和設備資源等[16]，模型數學表達式為

(17)

其中，n=3；Mj1為決策成本；Mj2為研發成本；Mj3為設備試制成本。即

Mji=f(xj1,xj2,…,xjk)

(18)

式中，x1,x2,…,xk為折舊費用、人員成本、設備費用、材料費用等。

(19)

(20)

最終便得到了滿足用戶綠色性需求的綠色產品配置優化模型的一組最優解。

3 案例分析

本文以某半自動普通滾齒機為例，說明基于用戶綠色性需求的綠色產品的配置優化過程，驗證產品設計優化模型的可行性和有效性。機床作為制造機器的工作母機，普遍存在機床材料消耗大、能耗高、可靠性不高等問題，因此，以用戶綠色性需求為驅動，開展針對用戶滿意度最大的機床產品決策優化設計研究，對提高企業的國際市場競爭力具有十分重要的意義[17]。

首先由設計人員根據銷售人員提供的用戶需求信息、市場調研結果以及各相關方技術信息建立產品綠色規劃質量屋，在綠色規劃質量屋中，分析處理獲取的需求信息，得到8項用戶綠色環保需求：穩定性好、壽命長、低碳、節能、便于拆卸與裝配、便于回收、減少不可再生資源消耗和振動噪聲低。對應于這些綠色屬性的綠色特征項為鑄鐵材料含量(GF1)、整機重量(GF2)、模塊化程度(GF3)、噪聲(GF4)、日常維護(GF5)、振動(GF6)、碳排放(GF7)、能耗(GF8)和材料回收性(GF9)，它們共同組成了產品設計方案(表1)。質量屋如圖4所示。其中，模塊化程度GF3、振動性能GF6、材料回收性GF9以等級(1～5級，等級越高，程度越好)來衡量，是定性綠色特征，其余則為定量綠色特征；設計總時間約束為6個月，總成本約束為7.8萬元，質量屋中用戶需求與相應綠色特征改善之間的互相關關系以數字形式來表示。根據建立的質量屋，結合前面提出的優化模型，建立滾齒機床優化模型。

表1 基于綠色特征的產品生命周期設計方案

建立機床質量規劃屋，如圖4所示，分別求得用戶需求相對權重、綠色特征相對重要度及絕對重要度。根據式(9)可得優化目標函數為

maxz=-0.111 3Δx1+…+0.116 0Δx3+

…+0.039 4Δx9

根據綠色特征值的可行范圍，各綠色特征改善滿足以下條件：

-0.5z1≤Δx1≤0.5z1-0.5z2≤Δx2≤0.5z2
-0.5z4≤Δx4≤0.5z4-0.5z5≤Δx5≤0.5z5
-0.5z7≤Δx7≤0.5z7-0.5z8≤Δx8≤0.5z8
Δx1=(x1-0.78)/0.29 Δx2=(x2-2 400)/270
Δx4=(x4-83)/15.5 Δx5=(x5-500)/550
Δx7=(x7-2.1)/0.5 Δx8=(x8-138.4)/18.5

由于各綠色特征之間的自相關關系，其改善程度之間需滿足以下約束條件：

Δx1≤Δx2Δx5≤Δx4
Δx4+Δx5≤0 Δx5+Δx7≤0 Δx8≤Δx7

定性綠色特征約束為

x3=z31+2z32+3z33+4z34+5z35
x6=z61+2z62+3z63+4z64+5z65
x9=z91+2z92+3z93+4z94+5z95

時間約束為

max(2z1,1.8z2,2.3z3,1.5z4,0.9z5,1.5z7)+
1.0z6+1.2z8+1.2z9≤6

成本約束滿足：

C3=1.2z31+1.4z32+1.7z33+1.8z34+1.9z35
C6=2.4z61+1.8z62+1.5z63+1.2z64+0.8z65
C9=0.5z91+0.7z92+1.1z93+1.3z94+1.6z95

強正相關正相關 負相關 強負相關

滾齒機綠色質量功能配置GF(綠色特征)生產制造使用維護廢棄處理用戶需求目標層指標層指標權重鑄鐵含量整機重量模塊化程度噪聲日常維護振動性能碳排放能耗材料回收性安全可靠性能穩定性好0.030.15-0.10.4-0.15-0.15壽命長0.056 1-0.050.20.4-0.1-0.05環保性能低碳0.152 0-0.15-0.35-0.1-0.5-0.4節能0.169 6-0.30.15-0.50.15-0.15-0.3-0.50.15便于拆卸與裝配0.029 4-0.050.50.05-0.150.1便于回收0.069 0-0.3-0.20.15?0.4減少不可再生資源消耗0.131 5-0.5-0.1-0.15-0.2-0.15振動噪聲低0.092 4-0.10.1-0.50.3-0.5-0.05-0.4技術特征度量單位kg等級dBh/a等級kgJ等級技術特征當前值78%2 40038350032.1138.44技術特征最大值81%2 520590.575052.8150.05技術特征最小值52%2 25017520011.6131.51技術特征絕對重要度-0.111 3-0.128 60.116 0-0.189 20.197 1-0.136 1-0.163 1-0.254 20.039 4技術特征相對重要度0.199 90.022 70.067 10.098 90.022 30.187 70.171 60.179 70.050 1

圖4 滾齒機綠色質量功能配置

Fig.4 The quality planning house of hobbing machine

0.88|Δx1|+…0.45|Δx5|+…0.85|Δx8|+
C3+C6+C9≤7.8

布爾約束為

z31+z32+z33+z34+z35=1
z1,…,z3,z5,…,z9,z31,…,z35∈{0,1}

優化模型中各綠色特征單位改善所需成本和時間的系數項由行業專家及產品開發設計人員依據式(11)、式(12)、式(17)計算得到，具體如表2和表3所示，優化求解結果如表4所示。

表2 定性綠色特征各等級對應的費用

表3 各綠色特征單位改善所需成本和時間的系數項

表4 綠色特征規劃的最優改善結果

由配置優化結果可知，綠色特征GF1、GF4、GF5、GF7和GF8應該降低，GF3、GF6等級應該上升，而GF2和GF9保持不變。GF2和GF9保持不變的原因是因為其基數比較大，而且改變對用戶綠色性需求滿意度影響不大。所以在要求成本與時間約束的情況下，可以對機床產品綠色特征GF1、GF3～GF8進行不同程度的改善，如考慮采用礦物鑄件材料替代鑄鐵應用于機床床身、基座、立柱等關鍵部位，既減少了鑄鐵材料的消耗，也提高了機床整體的減振性。具體綠色特征目標值如表4所示。最終優化結果可使用戶綠色性需求滿意度提高30.56%。

4 結語

在對產品生命周期各階段基本設計需求與綠色性需求分析的基礎上，構建了基于開發時間約束與成本約束下的以綠色性需求滿意度最大為目標的優化模型，在此基礎上，利用綠色質量屋模型實現用戶需求與產品綠色特征之間的映射轉化，并對定性與定量綠色特征進行量化分析。以綠色特征改變量為決策變量，用戶最大滿意度為優化目標，調整綠色特征改變量。在滿足產品質量及成本的前提下，使產品的綠色性能最佳，既達到了用戶需求最大滿意度，又保證了產品的綠色性能，從而使產品設計進一步符合綠色設計的要求，提高產品的市場競爭力。以金屬切削機床為例，運用提出的設計方法配置出用戶滿意度最大的設計方案。