一種焊接工藝資源環境綜合評價 方法及應用

張華 王棟梁 鄢威 史夢成

摘要：針對量大面廣的焊接工藝過程原材料、能源消耗大，環境污染嚴重等問題，提出了一種基于組合權證與TOPSIS的焊接工藝資源環境屬性評價方法。首先，基于焊接工藝流程框架，構建了焊接工藝資源環境屬性綜合評價指標體系;其次，提出了基于AHP-熵值法的評價指標主觀/客觀權重量化方法，利用TOPSIS法計算最終評價值與評價區間;最后，通過以某工件焊條電弧焊工藝資源環境屬性評價案例分析，對上述方法的有效性和實用性進行了驗證。

關鍵詞：焊接工藝;AHP-熵值法;評價指標模型;TOPSIS法;綜合評價

中圖分類號：TH16? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）01-0054-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.01.08

0? ? 前言

焊接因其成本低廉，操作簡單，連接可靠，適用于各種工作環境和各種厚度、結構形狀的金屬材料，成為了工業生產中應用最廣泛的加工方法。但是焊接會消耗大量的電能并產生多種有害氣體、煙塵和光輻射，資源消耗和環境污染排放非常大。隨著工信部確立“ 中國制造2025 ”目標以來，關于重點發展綠色制造的理念深入人心[1]。對加工過程進行綠色性評價是實施綠色制造的一項重要基礎工作，這對于提高加工過程的綠色性，實現制造業高效循環的發展具有重要的作用。

隨著綠色制造理論的不斷發展，國內外學者對焊接工藝的綠色性做了大量的研究。例如：張華[2]等人通過分析不同工藝及材料下焊接工藝的物料資源消耗特性、能量資源消耗特性和環境排放特性，對資源環境消耗進行探討并設計基于資源環境屬性的焊接工藝清單分析表;鄢威[3]等人構建了電弧焊工藝參數多目標優化模型，利用自適應進化梯度小生境遺傳算法尋求最優解;謝玉婷[4]等人分析焊接工藝的資源環境屬性，在此基礎上建立一種層次分析和模糊評價相結合的綜合評價方法，從而分析出對焊接工藝中資源和環境影響最大的因素。蘇勇[5]等人運用熵權算法和生命周期分析方法進行焊接方法評價，以多種影響因素為準則進行熵權綜合評價，確定合適的焊接方法。馬達[6]根據資源消耗和排放提出一種組合評價方法，對綠色焊接工藝進行評價，并開發出綠色焊接工藝評價系統。

在上述的焊接研究中評價指標的選取具有一定的不完整性，且權重的選擇一般很難保證評價的客觀性，評價結果只能反映出整個制造過程的綠色性，無法看出具體加工工藝的綠色性。文中通過對焊接工藝進行分析，提出了一種綠色性評價方法，采用一種組合權-TOPSIS評價方法建立了焊接工藝綠色性評價指標體系，并通過實際案例進行了驗證分析，結果證實了該評價體系的有效性和實用性。

1 焊接工藝資源環境評價指標體系的建立

焊接工藝通常是指焊接過程中的一整套技術規定，包括焊接方法、焊前準備、焊接材料、焊接設備、焊接順序、焊接操作、工藝參數以及焊后熱處理等[7]。其具體的加工工藝如圖1所示。

焊接會消耗一定的資源，產生一定種類和數量的環境污染排放物，并且各個加工設備的操作安全系數不一樣，因此，焊接工藝資源環境評價指標的選取關系到最終的評價結果的準確性。基于消耗的能源和產生的環境污染排放物，以及加工設備操作安全性，確定焊接工藝資源環境評價指標。參考綠色制造工藝數據庫，將評價指標體系分為三個層次，具體的評價指標體系如圖2所示。

2 基于AHP-熵值法和TOPSIS法的焊接工藝資源環境評價方法

2.1 評價指標

由圖1和圖2可知，對焊接工藝資源環境的評價共有10個評價指標，它們的數值分別用y11，y12，…，y27表示。

假設對m個項目進行評價，評價指標體系中共有n個評價指標，那么它們可以構成原始數據矩陣R=（rij）m×n，其中rij表示第i個項目的第j個指標值。

不同的數據類型對評價結果有不同的影響，采用極差法對原始數據矩陣進行標準化處理。其中的評價指標可以分為成本型指標和效益型指標，其計算公式如下：

成本型指標：

效益型指標：

在焊接工藝中，原材料、能源和環境都屬于成本型指標，其值越小越好[8]。根據上述公式計算后可得歸一化的標準矩陣：A= （aij）m×n。

2.2 確定評價指標權重構造加權標準化規范矩陣

在多目標決策的評價體系中權值的確定將決定決策結果的準確性，在實際確定指標權重時，一方面要強調與相關領域專家的經驗有關的主觀權重，另一方面要重視反映指標信息量大小的客觀權重，因此為了使評價的結果更加準確，采用由AHP主觀賦權和熵值客觀賦權線性組合而形成的組合賦權法[9]。

2.2.1 層次分析法確定主觀權重

將焊接工藝的綠色性評價分為三個層次：目標層為最終的資源環境評價結果，準則層為資源消耗和環境污染排放，指標層包括焊條、烘焙能耗、焊機能耗、CO、CO2、SO2、粉塵、廢渣、噪聲、弧光射線。由專家根據現場的具體情況按照九級標度法對同一級別的評價指標相對于上一級別指標的相對重要性進行打分，構建相應的判斷矩陣，再對判斷矩陣進行一致性檢驗得到最終的主觀權重rj =（r1，r2，…，rn）（j=1，2，…，n）。

2.2.2 熵權法確定客觀權重

熵是一種在信息論中用來描述系統不確定程度的度量。如果系統的不確定程度越高，則熵值越大，系統所包含的信息量就越小，反之則系統所包含的信息量就越大。熵權在用來評價指標權重時具有一定的客觀性，它只與系統所提供的原始數據有關[10]。熵權法確定客觀權重的步驟如下：

第一步，計算第j個指標下的第i個項目占該指標比重：

第二步，計算第j項指標的熵值Aj：

式中 k=1/lnn，使得0≤Aj≤1，方便后續處理。如果Pij=0，則定義lim Pijln （Pij）=0。

第三步，計算第j個指標的熵權：

2.2.3 組合賦權確定指標權重

采用線性組合賦權法，將AHP求得的主觀權重和熵值法求得的客觀權重線性疊加，得到最終組合權重計算公式如下：

由以上得到的標準矩陣A和最終計算得到的組合權重向量wj可以得到標準化的加權矩陣Z：

2.3 TOPSIS法綜合評價

TOPSIS的全稱是“ 逼近于理想值的排序方法 ”，根據多個指標、對多個項目進行比較選擇的分析方法[11]。這種方法的中心思想在于首先確定各項指標的正理想值和負理想值。所謂正理想值是一設想的最好值（方案），它的各個屬性值都達到各候選方案中最好的值，而負理想解是另一設想的最壞值（方案），然后求出各個方案與正理想值和負理想值之間的加權歐氏距離，由此得出與理想解相對接近程度Ti，最后根據Ti值來評價方案的優劣。

2.3.1 計算評價對象與最優水平和最劣水平間的距離

由上述標準矩陣A加權標準規范化得到標準化的加權矩陣：Z= （zij）m×n。

計算正理想解：

計算負理想解：

式中 J1為效益指標的集合;J2為成本型指標的集合。

待評價對象與正理想解的歐式距離為：

待評價對象與虛擬點向量的歐式距離為：

2.3.2 評價結果計算

焊接工藝與理想解的相對貼進度Ti為：

貼進度Ti越接近1，代表焊接工藝越符合綠色制造要求，Ti進行百分制轉換后確定等級如下表1所示[12]。

3 實證研究

文中案例選取了某工件的焊條電弧焊工藝，焊接工藝資源環境評價是該項目的一個重要環節，根據機械加工工藝數據庫和焊接工藝獲取了工件焊接的評價指標具體數據，用上述評價方法對其資源環境屬性進行分析、評價。運用MATLAB等運算工具對采集的原始數據進行處理，其具體的計算過程如下。

3.1 確定評價指標權重構造加權標準矩陣

本項目中的數據指標直接從生產車間利用傳感器等設備收集，某次測量的工件焊條電弧焊的焊接數據如表2所示。

按設定的評價標準，定性指標邀請五位專家按照九分制標準打分，可直接得標準化數據矩陣A：

首先采用層次分析法確定主觀權重。由層次分析法打分構造判斷矩陣并對判斷矩陣進行一致性檢驗，得到各二級評價指標的權重及一級評價指標的總權重值如表3所示。

則評價指標的主觀權重向量：rj =（0.134，0.062，0.138，0.176，0.165，0.087，0.077，0.053，0.024，0.084）。

然后根據熵值法確定評價指標的客觀權重。通過式（3）～式（5）求得指標的客觀權重：aj=（0.152，0.061，0.126，0.166，0.172，0.092，0.085，0.045，0.031，0.070）。

將得到的主觀權重和客觀權重通過式（6）線性組合得到評價指標的組合權重：

w1= （0.166，0.031，0.142）

w2= （0.238，0.231，0.065，0.053，0.019，0.006，0.048）

w= （0.339，0.661）

根據組合權重及式（7），得到加權標準化矩陣Z：

3.2 改進TOPSIS法綜合評價

確定焊接工藝綠色性的正負理想解。采用改進TOPSIS法，用九分制進行打分，根據式（8）、式（9）及各指標的權重可得評價指標加權絕對正、負理想解分別為：

z+=（1.494，0.277，1.275，2.143，2.082，0.587，0.480，0.175，0.055，0.431）

z-=（0.166，0.031，0.142，0.238，0.231，0.065，0.053，0.019，0.006，0.048）

計算二級指標的相對貼近度，根據式（10）、式（11）和式（12）計算待評價項目二級指標與正理想解和負理想解的歐式距離及相對貼近度，計算結果如表4所示。

計算焊接工藝總的相對接近程度。計算待評價項目的總的相對貼近度，計算結果如表5所示。

通過對該工件焊條電弧焊工藝的綜合評價結果可知，總的相對貼近度為0.548 2，說明該工件焊條電弧焊工藝的綠色性良好，符合綠色生產的基本要求。從該二級評價指標來看，環境污染排放貼進度比較高，說明該工件焊條電弧焊工藝對環境的污染較低;但在資源消耗方面的相對貼近度比較低，需要改善相關的加工工藝，提高焊接工藝的綠色性水平。

4 結論

以焊接工藝的資源消耗量和環境污染排放量為基礎，構建了焊接工藝的綠色性綜合評價指標體系，運用AHP-熵值法組合賦權確定評價指標體系的權重，通過TOPSIS法對焊接工藝進行資源環境評價。該評價方法充分考慮了專家意見和客觀的數據，評價結果較為客觀和準確。將此評價體系應用到某工件的焊條電弧焊工藝，評價結果與實際結果相符，證明此方法是高效可行的。以焊接工藝為基礎確立評價指標體系，可以從各個工藝評價結果和總的評價結果看出焊接工藝的資源環境屬性，對提高焊接工藝的綠色性水平具有一定的指導意義。

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