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體系
   面向綠色制造的切削液綜合選擇問題是一個多目標的、定性與定量相結合的復雜決策問題。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。按傳統方式選擇切削液時，人們追求的目標變量主要為質量(Q)和成本(C)。其中，質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；成本則包括經濟成本(材料成本、設施和設備成本、勞動力成本、能源成本)、用戶成本(使用成本、維護成本)及其它雜項成本。工業發達國家的制造業在選擇切削液時，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。這一觀點正逐漸被國內切削加工業所接受。面向綠色制造的切削液選擇決策目標體系是將環境影響(E)作為一個重要因素加以考慮，即面向綠色制造的切削液決策目標變量為質量(Q)、成本(C)和環境(E)三個因素，對這三個目標變量的追求結果為質量最高、成本最低、環境影響最小。Q、C、E 三個決策目標之間存在密切聯系，它們共同構成面向綠色制造的切削液決策目標體系。該體系中決策目標向量的分解內容如圖1所示。
   

   圖  面向綠色制造的切削液決策目標體系分解內容

   切削液的環境影響主要包括以下三個方面：

   1. 對生態環境的影響：該指標主要指生產過程中產生的廢氣、廢液、廢物等可能對生態環境造成的影響。切削液對環境的危害主要體現為將切削加工中使用過的廢油、廢液等不經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束后處置不當也可能對環境造成影響，如切屑大量堆積會污染土壤，對切屑進行再生利用時切削液的有毒有害成分也會污染環境。
   2. 對職業健康、安全與衛生的影響：該指標主要指在生產過程中可能對職業勞動者健康造成的損害。切削液對人體的危害首先表現為切削液中的添加劑(如常用作殺菌劑的苯酚類物質)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對人的呼吸器官也具有一定危害作用。
   3. 不安全性：該指標主要指在生產過程中因各種原因產生的不安全性。切削液中含有多種添加劑，在使用過程中可能造成設備腐蝕、生銹以及引發火災等不安全因素。
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質是使用方案的優化問題，即從若干可能的方案中選出最優或相對較優的方案。對切削液的使用方案進行優化時，涉及的所有變量均可用一個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，x_i(i=1，2，…，n)代表第i 個加工方案，且有

   xi=	{	0—不采用第i個方案
   		1—采用第i個方案

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：
   目標函數為：Q(X)(用于描述質量決策目標)、C(X)(用于描述成本決策目標)、E(X)(用于描述環境影響決策目標)。優化描述為 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的情況下目標函數的最優值，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)
   對于模型中的目標函數Q(X)，C(X)，E(X)，在滿足切削加工工藝要求的基礎上，均受到不同方案的質量、成本和環境目標的相關約束。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分別為質量目標約束、成本目標約束、環境目標約束和原材料約束)，得到Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]=[Q(X*)，C(X*)，E(X*)]。

3 應用實例分析

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 個方案
   		1—采用第i個方案

   X	{	(x1=1，x2=0，x3=0)=方案A1，即采用32#機油
   		(x1=0，x2=1，x3=0)=方案A2，即采用國產新型切削液
   		(x1=0，x2=0，x3=1)=方案A3，即采用進口合成切削液

2. 目標函數評價
   根據面向綠色制造的切削液決策目標體系中質量函數Q(X)、成本函數C(X)和環境影響函數E(X)包含的分解內容(參見上圖)，建立下表所示的三種切削液方案的綜合評價體系。在決策過程中，采用模糊聚類方法對三個目標函數進行綜合評價，得到量化的評價結果，以此反映三種方案的最終優化結果。該綜合評價體系包含三個評價方面，每一評價方面包含多個評價要素，每一評價要素又包含不同的評價因素。各評價方面、評價要素及評價因素分別配置不同的權重，評價等級可設為相同的數目等級，即V={v₁，v₂，v₃}，分別記為：好/ 一般/ 差。
3. 決策模型的建立
   根據前述決策模型建立方法，可建立本應用實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根據決策模型，分別對三種切削液方案建立決策變量評價要素集，進行模糊評價。
   1. 方案A₁ (采用32^#機油切削油)
      1. 建立切削液質量(Q)評價要素集U₁₁ U₁₁={u₁(潤滑性能)，u₂(冷卻性能)，u₃(清洗性能)，u₄(使用周期)}₁₁
      2. 建立切削液質量(Q)評價要素模糊矩陣R₁₁
         根據專業測試方法并結合專家調查法，用隸屬度表示模糊矩陣，得出切削液質量(Q)評價要素的模糊評價矩陣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. 建立切削液質量(Q)評價要素權重系數矩陣A₁₁ A₁₁=(0.3，0.3，0.3，0.1)₁₁
      4. 計算切削液質量(Q)評價要素綜合評價矩陣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，可得到切削液環境影響(E)要素評價矩陣B₂₁、B₂₂、B₂₃和切削液成本(C)要素評價矩陣B₃₁、B₃₂、B₃₃。經過上述兩層綜合評價，可得到切削液方案A₁的綜合評價矩陣B為

      表  三種切削液方案綜合評價目標體系

      評價方面			評價要素			評價因素			評價等級
      序號i	ui	權重ai	序號j	uij	權重aij	序號k	uijk	權重	v1	v2	v3
      									模糊矩陣
      									好	一般	差
      1	質量(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	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	設備安全性	0.25	0.50	0.3	0.20
      						A2	設備安全性	0.25	0.65	0.25	0.1
      						A3	設備安全性	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	火災安全性	0.2	0.8	0.2	0
      						A2	火災安全性	0.2	1.0	0	0
      						A3	火災安全性	0.2	1.0	0	0
      			3	環境指標	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	生產成本	0.5	A1	企業成本	1	0.50	0.3	0.2
      						A2	企業成本	1	0.68	0.22	0.1
      						A3	企業成本	1	0.70	0.20	0.10
      			2	用戶成本	0.2	A1	使用成本、維護成本	1	0.55	0.25	0.2
      						A2	使用成本、維護成本	1	0.60	0.20	0.2
      						A3	使用成本、維護成本	1	0.70	0.20	0.10
      			3	社會成本	0.3	A1	環境污染治理費用	0.3	0.3	0.3	0.4
      						A2	環境污染治理費用	0.3	0.6	0.3	0.1
      						A3	環境污染治理費用	0.3	0.70	0.20	0.10
      						A1	職業保健費用	0.4	0.5	0.3	0.2
      						A2	職業保健費用	0.4	0.7	0.2	0.10
      						A3	職業保健費用	0.4	0.75	0.15	0.10
      						A1	廢棄物處置費用	0.3	0.55	0.25	0.2
      						A2	廢棄物處置費用	0.3	0.65	0.2	0.15
      						A3	廢棄物處置費用	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，可用總分數值來表達綜合評價結果。一般可取評價標準隸屬度集為u={u₁，u₂，…，u_i，…，u_n，…｝，計算出綜合評價結果的具體得分，據此分數值可對被評價對象進行排序，得分計算方法為 得分=100Bu=100(b₁，b₂，…，b_i，…，b_m)
      {u₁，u₂…，，u_i，…，u_n，…}^T=100(∑ni=1b_iu_i)
      若用分數值表示綜合評價結果，可取評價標準隸屬度集的分值為 u=[0.90(好)，0.60(一般)，0.30(差)]
      據此可計算出采用32^#機油切削油的綜合評價得分為100Bu=69.35。
   2. 方案A₂ (采用國產新型合成切削液)
      參照方案A₁的評價步驟，依次建立各評價要素的評價模型并進行綜合評價，最后得到采用方案A₂的綜合評價矩陣為 Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]_A2=B=AR=(0.6565，0.219，0.125)
      據此可計算出，采用國產新型合成切削液的綜合評價得分為100Bu=78.01。
   3. 方案A₃ (采用進口合成切削液)
      按照評價步驟，依次建立各評價要素的評價模型并進行綜合評價，最后得到采用方案A₃的綜合評價矩陣為 Optimum[Q(X)，C(X)，E(X)]_A3=B=AR=(0.757，0.179，0.07)
      據此可計算出采用進口合成切削液的綜合評價得分為100Bu=80.67。
   最終評價結果表明：國產新型合成切削液和進口合成切削液方案均優于原32^#機油切削油方案?？紤]到規模生產的綜合成本因素，該廠最后決定采用國產新型合成切削液方案，并在生產中取得了較顯著的綜合效益(經濟效益和社會效益)。應用實踐證明，面向綠色制造的切削液綜合選擇模型具有可行性和實用性。

4 結語