基于能值分析与模糊评价的数控机床绿色度评价方法研究.pdf

2 0 1 5年 7月 第 4 3卷 第 1 3 期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ．1 3 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 3 ． 0 0 8 基于能值分析与模糊评价的数控机床绿色度评价方法研究 王贤琳，邱爽， 王飞， 李俊 武汉科技 大学机械 自动化 学院，湖北武汉 4 3 0 0 8 1 摘要为了对数控机床进行量化评价，建立了全面的数控机床绿色度评价指标体系，利用可拓层次分析法来为指标重 要度赋权 ，采用模糊综合评价获得数控机床绿色度评价结果。并应用能值分析理论综合分析数控机床的能值流，建立了综 合评价模型，为数控机床绿色评价提供方法借鉴。最后以某数控车床为例进行了绿色度评价验证了该方法的有效性。 关键词数控机床；绿色评价 ；能值分析；模糊评价 中图分类号T G 6 5 9 文献标志码A 文章编号 1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 1 3 0 3 1 - 5 。 S t u dy o n Gr e e n De g r e e Ev a l ua t i o n M e t ho d O f CNC M a c h i ne To o l Ba s e d o n Ene r g y Ana l y s i s a n d Fu z z y Ev a l ua t i o n WA N G X i a n l i n， Q I U S h u a n g ， WA N G F e i ， L I J u n M e c h a n i c a l A u t o m a t i o n C o l l e g e ， Wu h a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 8 1 ， C h i n a A b s t r a c t I n o r d e r t o c a l w y o u t t h e q u a n t i t a t i v e e v a l u a t i o n o f t h e c o m p u t e r n u me r i c a l c o n t r o l C N Cm a c h i n e t o o l ， a c o m p r e h e n s i r e g r e e n d e g r e e e v alu a t i o n i n d e x s y s t e m o f C NC ma c h i n e t o o l wa s e s t a b l i s h e d ．B y u s i n g t h e e x t e n s i o n AHP w e i g h t i n g t o t h e i mp o r t a n c e o f i n d i c a t o r s a n d f u z z y c o mp r e h e n s i v e e v alu a t i o n，gre e n d e g r e e e v a l u a t i o n r e s u l t s o f CN C ma c h i n e t o o l s we r e e v alu a t e d ． By a p p l y i n g o f c o mp r e h e n s i v e a n a l y s i s a n d e n e r g y a n aly s i s t h e o r y o f CNC ma c h i n e t o o l s t o v alu e fl o w，t h e c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n mo d e l w a s e s t a b l i s h e d，wh i c h p r o v i d e d t h e r e f e r e n c e me t h o d f o r C NC ma c h i n e t o o l gre e n e v a l u a t i o n ． F i n all y w i t h a C NC l a t h e a s a n e x a mp l e o f t h e g r e e n d e g r e e e v a l u a t i o n，t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e p r o p o s e d me t h o d i s v e r i f i e d ． Ke y wo r d s C NC Ma c h i n e t o o l ； G r e e n e v a l u a t i o n； E n e r g y a n aly s i s ；F u z z y e v a l u a t i o n 0前言 在数控机床的生产过程中，不仅对环境造成污 染，还会消耗大量的有限资源。数控机床因其 自身比 较优越的特点 ，可完成普通机床不易完成的大型、精 密、复杂零件的加工，并取得了显著的经济效益和社 会效益 ，如今数控机床的应用范围越来越大 ，因而进 行数控机床绿色度评价，使它对资源消耗和环境影响 都达 到最 小 ，具有 重要 意义 。 王桂萍等⋯基于模糊可拓层次分析方法对数控 机床的绿色度进行了评价 ，在传统的模糊综合评价基 础上保证了专家判断结果的真实性和判断矩阵的一致 性 ，使判断矩阵更加合理，文献 [ 1 ]建立评价体系 时考虑了能源利用率、能源种类等能耗指标 ，但均为 定性说明。能源消耗计算和预测得到的结果是能源管 理的基础 ，同时可以为数控机床绿色度方案评价及调 度等活动提供支持，也是绿色制造中能源消耗研究的 基础 ，因此 ，进行离散制造业能源消耗的计算与预测 的研究很有意义。文献 [ 1 ]在机床能耗方面考虑不 足，使得评价结果具有一定的片面性，不能全面反映 数控机床的生态效益；张芸等人 运用能值理论对钢 铁工业 园区进行 了可持续性评价 ，能够较好地满足系 统分析的要求 ，但是这种可持续评价方法在机床质量 等机床的固有属性方面考虑欠缺，机床的环境状况等 一 些影响可持续性的因素也被忽略，因而不能比较全 面反映系统的可持续性；李强 运用能值分析与模糊 评价对农用地健康进行了评价，验证了基于模糊评价 与能值分析进行耕地健康评价的科学可行性。 针对数控机床绿色度的评价问题，本文作者提出 了一种基于能值分析和模糊理论的综合评价方法，并 建立了数控机床绿色度评价指标体系。通过模糊评价 补充能值分析中无法涉及的数控机床质量、环境状况 等影响；通过能值指数修正 ，补充数控机床绿色度模 糊评价中只能对机床能耗进行定性分析的不足。构建 综合评价模型将数控机床质量、机床环境、机床能耗 等因素充分考虑 ，通过定性与定量分析更加全面地评 价数控机床绿色度特性 ，实现数控机床绿色度更加精 确 的评价结果 。 1 数控机床绿色度综合评价体 系的建立 数控机床使用过程绿色度评价追求的是对环境影 响小、资源消耗低、维修效率高、维修费用低 、加工 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 5 - 2 2 基金项目国家 8 6 3 高技术发展计划资助项 目 2 0 1 2 A A 0 4 0 1 0 2 ； 武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室开放基 金资助项目 2 0 1 3 A1 2 作者简介王贤琳 1 9 I 6 ＆ 一 ，女，教授，研究方向为绿色制造、绿色制造标准、质量工程与质量管理。E - m a i l w x l w e l s i n a ． c o rn。 3 2 机床与液压 第 4 3卷 技术高、生产经济效益高和舒适度高。文中从机床 如表 1 。由于各评价 目标 自身又包括 了影响因素子 质量属性指标、环境属性指标 、能耗属性指标 、经济 集 ，所以还可以继续划分。比如资源属性指标就包括 属性指标、资源属性指标等 5个方面进行综合评价， 了材料资源、人力资源、设备资源等。 表1 数控机床绿色度综合评价体系 2 数控机床绿色度模糊评价模型 2 ． 1 模糊评价方法基础 绿色数控机床是指数控机床能够实现质量 目标、 环境 目标 、能耗 目标 、经济目标和资源目标等功能的 综合体现 ，并且在一定的数控J J I T范围内，能够完成 加工任务、保证周边环境、促进生产力发展，简单意 义上是指数控机床既要对周边环境影响最小 ，又要有 好的加工质量、高的生产能力和社会保障功能。因此 数控机床的绿色性涉及许多不易量化的因素 ，应用模 糊数学建立数控机床绿色度评价模型能够较全面地体 现实际状况 。 2 ． 2 模糊评价模型的建立 数控机床绿色度评价体系是一个多层次的评价体 系，因此模糊评价需分为多个层次 ，即需要进行二级 模糊评价、三级模糊评价等。 首先，构建单因素模糊综合评价集。把各种评价 指标构成的集合称为因素集 ，由 n 个评价指标组成的 因素集记为 U { ， 。 ，⋯，U } 。然后 ，建立评 语体系 { ， ， ， ， } ，来表征评价指标 的绿色度水平。 2 ． 2 ． 1 求评语隶属度的矩阵 对于隶属度计算采用专家打分法 菲尔德法 ， 第 1 3 期 王贤琳 等基于能值分析与模糊评价的数控机床绿色度评价方法研究 3 3 隶属度 等于评价因素 被评为评语 v i 的次数除以 有效的咨询次数，得到评语隶属度矩阵为 詹 R ，R ，⋯ ，R 向量 。 ， ，⋯，wn ，则可以计算上一层 因素综合评价结果 B。 1 B W l ，W 2 ，⋯ ，W 2 ． 2 ． 2 建立单因素综合评价模型 根据数控机床绿色度综合评价体系，建立一级评 价模型。一级评价模型是对具体评价指标 i 1 ， 2 ，3 ，4 ，5 ； _『 1 ，2 ，⋯ ，m； 1 ，2 ，⋯ ，n 的 评价，是实现 一 评价，则 A x R [ W ，W 啦 ，⋯， 枷j X r q l l r q l 2 r ij l 3 r q l 4 r q l 5 r 1 r 啦2 r 啦3 r 江4 r 啦5 r m 1 r m 2 r r m4 r m5 2 式中 A 为第 s 个评价单元，集合 U 对 U 的隶属度 ； w 为集合 U 中各亚类 【 ， 班 的权重 ； 为第 s 个评价单 元，集合 U 对评价指标标准 的隶属度矩阵。 二级评价模型是实现 U 一 的评价 A， 一 Wi x R [ W W ，⋯，W 。 ] ri l l ri l 2 ri 2 t ri 2 2 rim1 rf m2 r i l 4 Fi 1 5 r i 2 4 l i 2 5 r l m 4 ri m 5 3 式中A 为第 s个评价单元 ，集合 对 的隶属 度；Wi 为集合 中各亚类 权重 ；R ； 为第 s 个 评价单元 ，集合 对评价指标标准 的隶属度矩阵。 计算权重向量。由可拓层次分析法 求得权重向 量 W。 根据模糊综合评价概念 ，若已知下层 n 个因素的 隶属度 向量分别为R ，R ，⋯，R ，以及权重分配 4 其最终结果可 以表述为 B m 1 ，m 2 ，⋯ ，m 通过这种模糊评价模型，较为全面地考虑了影响 指标。而能耗作为影响数控机床绿色性能的一大方 面，仅以模糊评价方法评价数控机床的绿色度得出的 结果不够精确。因而 ，在该模糊评价方法的基础上， 必须用能值指数进行修正 ，建立能值指数评价模型， 以得到更加准确 的评价结果 。 3 能值指数评价模型 3 ． 1 能值分 析理 论 能值是指某种流动或贮存的能量中所包含的另一 种能量的数量。能值分析 以能量为基准，把生态系 统或生态经济系统中不同种类 ，不可比较的能量转换 成统一标准的能值来衡量和分析评价不同种类能量在 整个系统中的作用和功能 ；综合分析系统中各种经济 流的能值指标 ，定量分析系统的结构功能与生态经济 效益。实际研究工作中一般都以太阳能值作为统一标 准来衡量各种不同能量等级资源的真实价值及其对环 境经济系统的贡献。 3 ． 2 数控机床 能值指数评价模型构建 根据收集的资料建立数控机床加工系统能值投入 产出类型及能值流分析表 ，见表 2 。表中列出了某数 控车床加工的主要能量来源 输入 和输 出项 目， 根据各类资源的相应能值转换率 ，将不同度量单位的 生态流转换为共同的能值单位。未换算出能值转换率 的物质根据估计取与之性质相近物质的能值转换率。 表 2 数控机床加工系统能值投入产出类型及能值流 数控机床绿色度评价中只考虑数控机床加工过程 的投入产出能值 ，考虑到数据资料的易获得性等因 素，建立数控机床能值指数评价模型如下 E S I E Y R ／ E L R x E W R ‘ 5 其中，环境负载率为系统不更新能源投入能值总量与 可更新能源投入能值总量之比； 净能值产出率为数控机床加工系统的产出能值与 能值总量之比； 3 4 机床与液压 第 4 3 卷 能值废弃率为数控机床加工系统的废物能值与能 值总量之 比 ； 能值总量为可更新资源投入、不可更新资源投入 和设备服务投入之 和。即 EL RE F ／ E R E Y R Em Y ／ Em R E m F E s EW RE w ／ E R E F E s 根据数控机床加工系统能值流，将表 2中经过转 化后的各项目的太阳能值代人公式 5 ，可以依次求得净 能值产出率为 3 ． 4 、环境负载率为 8 ． 2 7和能值废弃率 为 0 ． 4 3 5 ，将能值产出率、环境负载率和能治废弃率代 入公式 5 ，可以求得该机床的能值指数为 0 ． 9 5 。 系统能值指数性能指标是既考虑到与系统发展 目 标成正比的系统社会经济效益，又顾及到系统环境污 染对系统发展 的负面影 响。它表示 单位环境压力下 的 系统社会经济效益 E L R值越高，意味着单位环境压 力下的社会经济效益越高，系统可持续发展性能越 好。为实现数控机床更精确的绿色度可比性 ，必须将 模糊评价模型中的定性分析与能值分析模型的定量分 析相统一，建立综合评价模型。 4 数控机床绿色度综合评价模型 数控机床绿色度模糊评价输 出结果 B是一个模 糊集，为得出单个数控机床绿色度模糊指数，输出的 模糊集必须进行非模糊化。对此 ，选择重心法进行非 模糊化 ，其表达式 为 F ∑W k A k ／ ∑W 6 A i m k 1 ，2 ，⋯ ，n 式中 为第 k个属性对应的权值 ，可由领域专家 确定；A 为对应数控机床绿色度模糊集 中的单个模 糊值，即为输出结果 B的单个模糊值。将可持续发 展指数赋予各个评价单元 ，对数控机床绿色度模糊指 A L H I 评 价模型 A L H I F x E S I 7 由于同一零件可能存在不同工艺方案以供选择 ， 从而导致所用设备及能耗不相同，而能源消耗又是数 控机床绿色度评价中不可或缺的重要的一部分 ，通过 建立数控机床能值指数模型修正了模糊评价中欠缺的 能量关系，而模糊评价则补充了能值指数模型中没有 涉及的机床质量、机床环境等因素，全方面考虑数控 机床加工过程中的各种因素影响，得出较为精确的数 控机床绿色度评价模型，实现较为精确的数控机床绿 色度间的可 比性。最后 ，其计算结果 按照总分频率 法” 划分机床绿色度级别，分为很绿色 ≥0 ． 7 O O 、 绿色 0 ． 6 0 0 - 0 ． 7 0 0 和亚绿色 0 ． 6 O O 3 个级别。 5案例 以某数控车床加工中心为例，进行其绿色度的综 合评价 为了使得评价指标体系具有可比性和可操作 性 ，在指标选取时应综合考虑其科学性、目的性、完 整性。数控机床绿色度评价体系中子指标层也是采用 主因素分析法、主成分分析法等对指标进行分级、归 类和量化所得到的评价指标，在数控机床绿色度评价 中是必不可少的一部分。文中实例为了验证能值分析 与模糊评价的综合评价方法的可行性，因为从子指标 层实现指标层的评价过程与指标层实现准则层评价过 程相同，所以只考虑到指标层就能足够验证数控机床 绿色度综合评价模型的可行性 。建立各指标绿色度评 价表并邀请专家对指标层的各项指标进行打分，将评 价结果经归一化处理 后可得到各项指 标 的评语隶 属度 向量，再由各项指标的评语隶属度向量构成评价矩阵。 由两个专家组共 l 0人对各级 目标的各项指标进行打 分 ，得到一个评价矩阵，将评价矩阵归一化处理后得到 单因素评价矩阵，由可拓层次分析法 求得各指标权重 数进行能值修正，建立数 控机床绿 色度 综合指数 值。则该台数控车床各个属性绿色度评价表见表 3 。 表 3 某数 控车床各个属性绿色度评价 表 第 1 3 期 王贤琳 等基于能值分析与模糊评价的数控机床绿色度评价方法研究 3 5 由表 3中各指标评价结果，可以依次求得准则层 各属性指标的模糊矩阵 机床质量的模糊判断矩阵 机床环境的模糊判断矩阵 曰 ，机床能耗的模糊 判断矩阵B ∽ 机床成本的模糊判断矩阵曰 ，资源属 性的模糊判断矩阵B。 厂 0 ． 1 0 ． 2 0 ． 3 0 ． 3 0 ． 1 7 B 1 1 0 ． 7 1 0 ， 0 ． 2 5 7 ， 0 ． 0 3 3 - 1 0 ． 1 0 ． 1 0 ． 3 0 ． 3 0 ． 2 j 0 ． 1 0 3 ， 0 ． 1 7 4 ， 0 ． 3 0 3 ， 0 ． 2 9 8 ， 0 ． 1 2 2 L O ． 2 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 2 0 J 。 2 0 ． 7 6 8 ，0 ． 2 3 2 B 1 3 0 ． 7 7 2 ，0 ． 2 2 8 B l 5 0 ． 0 4 5 ，0 ． 6 7 3 ，0 ． 2 8 2 0 ． 0 7 7 ，0 ． 3 5 4 ，0 ． 5 5 5 ，0 ． 1 4 6 ，0 ． 1 0 ．0 0 ． 1 2 3 ，0 ． 3 0 0 ，0 ． 3 0 0 ，0 ． 2 0 0 ，0 ． O 7 7 0 ． 1 2 8 ，0 ． 1 3 3 ，0 ． 3 2 8 ，0 ． 2 7 2 ，0 ． 1 3 9 r 0 ． 1 0 ． 4 0． 3 0 ．1 0 ． 1 1 曰 l4 o 1 4 4 , 0 8 5 6 。 【 0 ． 3 0 ． 3 0 ． 3 0 ． 1 0 J 。 0 2 7 1 , 0 3 1 4 , 0 3 0 0 , 0 1 0 0 , 0 t 0 4 由各指标的评价结果 曰 。 、 B ， 、B。 、B 5 ， 可构成整个机床绿色度评价的模糊矩阵 ，即 M Bl i ，B1 2 ， Bl 3 ’B ⋯ B l 5 0 ．1 0 3 0 ． 1 7 4 0 ． 3 0 3 0 ． 2 98 0． 1 2 2 0 ． 0 7 7 0 ． 3 5 4 0． 5 5 5 0 ．1 4 6 0 ． 1 0 0 0． 1 2 3 0 ． 3 0 0 0． 3 0 0 O． 2 0 0 0 ． 0 7 7 0． 2 71 0 ． 31 4 0． 3 0 0 0 ．1 0 0 0 ． 01 4 0． 1 2 8 0 ．1 3 3 0． 3 2 8 0 ． 2 7 2 0 ． 1 3 9 那么，可以得到该数控机床的整体绿色度的模糊 评价集合为权重矢量 w 与模糊评价矩阵 M 的乘积， 即 B 0 ． 0 8 7 ，0 ． 2 0 2 ，0 ． 1 9 1 ，0 ． 3 0 6 ，0 ． 2 1 4 0 ． 1 5 8 ，0 ． 2 6 8 ，0 ． 3 5 8 ，0 ． 1 8 2 ，0 ． O 8 O 根据公式 6 对模糊评价结果进行非模糊化处 理 ，将所得结果 曰的值和领域专家给出的 的值代 入公式 6 ，计算得 该数控机床绿 色模糊指数 为 0 ． 6 4 。将求得的能值指数和模糊指数带入公式 7 ， 从而得出该数控车床的绿色度综合指数为 0 ． 6 0 8 ，因 为绿色度综合指数在 0 ． 6 0 0 0 ． 7 0 0之间，所以该数 控机床为绿色数控机床。该综合评价模型将数控机床 的各种因素定性与定量充分考虑 ，能够计算出较为精 确的绿色度综合指数。这种综合评价方法是在单个指 标分析的基础上进行的综合 ，因此也能够对单个指标 进行评价分析，从而找到对绿色度的影响最大的指标 因素对其加以改进。各台数控机床有了绿色度综合评 价指数即可对其进行绿色度比较，即可得出符合条件 的数控机床。同时，分各个机床的能值指数不同，单 位面积的可更新资源投入相同，加工产品产量与不可 更新资源投入的不同导致数控机床能值指数的差异。 能值指数越高，机床质量越高，不可更新资源投入也 越为合理。 6结论 通过运用能值分析方法与模糊评价方法相结合建 立了综合评价模型评价数控机床的绿色性 ，实现指标 量化处理与评价结果的综合表达，形成 了一套完整 、 可操作的数控机床绿色度评价方法。并以某数控车床 的绿色评价为例验证了该方法的实用性。 参考文献 [ 1 ]王桂萍， 贾亚洲 ， 周广文， 等． 基于模糊可拓层次分析法 的数控机床绿色度评价方法及应用[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 1 0 ， 4 6 3 1 4 1 1 4 7 ． [ 2 ]张芸 ， 陈秀琼， 王童瑶 ， 等． 基于能值理论的钢铁工业园 区可持续性评价[ J ] ． 湖南大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 0 ， 3 7 1 1 6 6 7 1 ． [ 3 ]李强． 基于能值分析与模糊评价的农用地健康评价方法 探讨[ J ] ． 地理与地理信息科学， 2 0 1 1 ， 2 7 2 8 7 - 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