再制造工藝過程決策模型及應(yīng)用1.doc

精品論文推薦再制造工藝過程決策模型及應(yīng)用1曹華軍，馬家齊，劉飛 重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶(400030) e-mail：摘要：再制造工藝過程是以廢舊產(chǎn)品及零部件為毛坯、包括拆卸、檢測(cè)、清洗、修復(fù)、加 工及處理等一系列階段，以實(shí)現(xiàn)低成本、高效率及高重用率的功能和性能恢復(fù)及升級(jí)為目標(biāo) 的系統(tǒng)工程。研究了再制造工藝過程的多階段多目標(biāo)決策問題，提出了一種再制造工藝過程 決策框架模型；基于質(zhì)量功能配置（qfd）理論及模糊回歸理論建立了再制造工藝過程多目 標(biāo)多階段決策數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用實(shí)例表明 ,該模型能夠幫助工程人員在不確定、模糊條件下有 效確定關(guān)聯(lián)函數(shù)及自相關(guān)函數(shù),優(yōu)化再制造工藝過程，確定再制造工程技術(shù)特征的最優(yōu)目標(biāo) 值，有利于再制造工藝過程規(guī)劃能夠最大程度的符合再制造決策目標(biāo)。 關(guān)鍵詞：再制造；工藝過程；質(zhì)量功能配置；機(jī)床中圖分類號(hào)：th161引言再制造是當(dāng)前循環(huán)經(jīng)濟(jì)及綠色制造領(lǐng)域的重要技術(shù)工程和學(xué)術(shù)熱點(diǎn)問題，受到國(guó)內(nèi)外學(xué) 術(shù)界的廣泛關(guān)注。德國(guó)學(xué)者rsteinhilper認(rèn)為再制造是再循環(huán)的最佳形式，并將再制造過程 歸納為：拆卸、清洗、檢測(cè)與分類、再制造加工、再制造裝配等五個(gè)步驟1。美國(guó)羅切斯特 理工學(xué)院有一個(gè)專門從事再制造工程研究的國(guó)家再制造和資源恢復(fù)中心2，其任務(wù)是為產(chǎn)業(yè) 界提供先進(jìn)的再制造技術(shù)和工具，提高再制造的效率，減低成本，并減少通過設(shè)計(jì)，消減產(chǎn) 品對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。bras b等對(duì)已有再制造產(chǎn)品、工藝和組織設(shè)計(jì)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了 總結(jié)，認(rèn)為再制造需要相關(guān)制造理論支持，應(yīng)該為再制造提供更好產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì)3；daniel v.等在對(duì)再制造生產(chǎn)計(jì)劃與控制的現(xiàn)狀及需求進(jìn)行研究時(shí)指出由于產(chǎn)品回收的隨機(jī)性、回收 和需求比例的不平衡性及回收產(chǎn)品的不可知性帶來(lái)的不確定性使得再制造生產(chǎn)計(jì)劃與控制 活動(dòng)變得更加復(fù)雜4。在國(guó)內(nèi)，徐濱士院士及其帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)是我國(guó)再制造的提出者和積 極倡導(dǎo)者，并在武器裝備修復(fù)和再制造、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)再制造以及機(jī)械零部件表面修復(fù)技術(shù)等 多方面都取得了重要進(jìn)展5,6。上海交大等單位與美國(guó)通用、福特汽車公司合作開展了轎車 的回收再制造研究7?，F(xiàn)有研究工作主要集中在以下幾個(gè)方面：再制造一般性理論及技術(shù)框 架；再制造回收物流及生產(chǎn)庫(kù)存控制；典型產(chǎn)品的再制造生產(chǎn)過程；單項(xiàng)再制造修復(fù)及檢測(cè) 技術(shù)開發(fā)等。而實(shí)際上如同新產(chǎn)品的制造一樣，再制造生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝過程的合理規(guī)劃對(duì)于 提高再制造生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量具有極為重要的作用。特別是區(qū)別于新產(chǎn)品制造，由于作為 毛坯的廢舊產(chǎn)品及零部件數(shù)量、材料、規(guī)格、剩余壽命等的不確定性、多樣化給再制造工藝 過程的規(guī)劃帶來(lái)很多的困難，使得再制造工藝過程規(guī)劃需要克服很多的不確定性、隨機(jī)性及 模糊性的影響因素，從而使得再制造工藝過程，包括拆卸、清洗、檢測(cè)與分類、再制造加工、 再制造裝配等多個(gè)階段得到合理的組織、協(xié)調(diào)，滿足低成本、高效率及高重用率的產(chǎn)品再制 造目標(biāo)。再制造工藝過程的多階段多目標(biāo)的規(guī)劃問題是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程問題。本文將基于質(zhì) 量功能配置理論及模糊回歸理論，建立一種再制造工藝過程的多階段多目標(biāo)決策模型，輔助1本課題得到國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：50605066）；“十一五”國(guó)家支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（項(xiàng) 目編號(hào)：2006baf02a20）的資助。-8-工程人員在不確定、模糊條件下有效確定關(guān)聯(lián)函數(shù)及自相關(guān)函數(shù),優(yōu)化再制造工藝過程，確定再制造工程技術(shù)特征的最優(yōu)目標(biāo)值，并最大程度的符合再制造決策目標(biāo)。2決策過程框架模型再制造工藝過程決策是一個(gè)多目標(biāo)、多階段的決策問題。根據(jù)文獻(xiàn)8,9，再制造工藝過 程的多目標(biāo)可以歸納為，如何在極高效率的條件下，使得再制造產(chǎn)品或零部件質(zhì)量盡可能地 好，再制造成本盡可能地低；而同時(shí)廢舊產(chǎn)品或零部件得到極大化重用，再制造過程產(chǎn)生的 二次環(huán)境排放盡可能地小。以上目標(biāo)可以歸納為：效率（時(shí)間）目標(biāo)（t, time）、質(zhì)量目標(biāo) (q,quilty)、成本目標(biāo)(c, cost )、資源重用目標(biāo)(r， reuse of resource)、環(huán)境排放目標(biāo)(e, environmental emission)等五個(gè)決策目標(biāo)屬性,從而構(gòu)成了決策目標(biāo)體系。再制造工藝過程通?？梢詣澐譃椴鹦杜c清洗、檢測(cè)與分類、再制造加工、再制造裝配等 四個(gè)階段，根據(jù)具體產(chǎn)品特征也可能劃分為五或六個(gè)階段。各工藝階段構(gòu)成了再制造工藝過程系統(tǒng)。再制造工藝過程決策問題由工藝方案、人力資源方案、物流規(guī)劃方案、工裝方案等 一系列決策問題構(gòu)成，可以將這一系列的決策問題看作為再制造工藝系統(tǒng)決策中的決策向 量。決策向量由一系列的決策變量進(jìn)行描述與控制。如在某一導(dǎo)軌再制造工藝方案的決策中，工程技術(shù)特征是其決策控制的關(guān)鍵參量，而工程技術(shù)特征參數(shù)在各個(gè)不同的工藝階段、甚至工序都有可能不同，如在清洗階段要求控制零部件的表面清潔度；而在再制造加工階段可能 要求控制直線度或平行度或尺寸精度等。單工藝階段根據(jù)實(shí)際情況可以有多個(gè)控制參量。于 是該工藝方案的決策問題以工程技術(shù)控制為特征進(jìn)行描述為表面清潔度、導(dǎo)軌硬度、精度保持性、縱向直線度、縱向平行度或:vvx ( x1 , x2 ,., xdg ) ,其中 x 代表決策向量，x1,x2,xdg 代表決策變量。決策的約束條件主要包括：一般性約束條件、系統(tǒng)邊界約束條件、系統(tǒng)內(nèi)部自相關(guān)及互 相關(guān)性約束條件、決策變量控制性約束條件等若干類。綜上所述，可以建立再制造工藝過程多目標(biāo)、多階段決策過程框架模型，如圖 1 所示。vx =(x1,lxm)vy =(y1,lyn)mm質(zhì)量保證v vc ( x ,y ,l)t ( v v )v ( x , v,l)x ,y ,lq yv v vv v r( x , y ,l) e( x ,y ,l)廢舊產(chǎn)品全部進(jìn)行拆解廢舊零部件徹底清洗零部件檢測(cè)分類再制造修復(fù)加工或替換產(chǎn)品的再裝配最終測(cè)試一般性約束條件; 系統(tǒng)邊界約束條件; 系統(tǒng)內(nèi)部自相關(guān)及互相關(guān)性約束條件; 決策變量控制性約束條件; 其他約束條件圖 1 決策過程框架模型fig1 frame model of decision-making process3數(shù)學(xué)模型3.1 質(zhì)量屋模型質(zhì)量功能配置方法是一種將用戶或市場(chǎng)的要求轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)要求、零部件特性、工藝要求、生產(chǎn)要求的多層次演繹的有效分析方法。由于其能有效地處理決策變量之間的自相關(guān)關(guān)系及決策變量與決策目標(biāo)之間的互相關(guān)關(guān)系，目前該方法也被廣泛應(yīng)用于多目標(biāo)決策問題中10,11。設(shè)質(zhì)量屋中包含 m 個(gè)決策目標(biāo)，n 個(gè)工程技術(shù)特征，以及 l 個(gè)備選再制造決策方案。其 中，n 個(gè)工程技術(shù)特征為各個(gè)再制造工藝階段工程技術(shù)特征的集合。第 i 個(gè)再制造決策目標(biāo) 記為 oi，第 j 個(gè)工程技術(shù)特征指標(biāo)記為 tj，第 k 個(gè)工藝方案記為 sk，wi 為 oi 的相對(duì)權(quán)重， 可由層次分析法（ahp）求出，yi 為再制造決策目標(biāo) oi 的滿意度，xj 為 tj 的目標(biāo)值。再制造工程技術(shù)特征的確定為多目標(biāo)規(guī)劃過程，輸入為工藝方案參數(shù)，輸出為工程技術(shù) 特征的最優(yōu)目標(biāo)值 x1,x2,使得再制造決策目標(biāo)的滿意度最大化，即 maxv(y1，ym)。其中，v(y1，ym)是由 m 個(gè)決策目標(biāo)組成的多目標(biāo)函數(shù)，該函數(shù)由每個(gè)決策目標(biāo)的滿意度 vi(yi)(i=1,，m)構(gòu)成。采用加權(quán)和形式，將多目標(biāo)最大化轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)最大化，即為mv ( y1，ym ) = wivi ( yi )i =1(1)再制造決策目標(biāo)滿意度采用 1-5 數(shù)值表示，yi=1 時(shí)，vi(yi)=0; yi =5 時(shí)，vi(yi)=1,則 vi(yi)方程可表示為vi ( yi ) = 0.25 yi 0.25(2)則構(gòu)造再制造決策目標(biāo)滿意度最大化的 qfd 多目標(biāo)規(guī)劃模型 lp1mmax z = 0.25 wi ( yi 1)i =1s.t.yi =fi ( x )x j = gi ( x j )yi min yi yi maxx j min x j x j maxi = 1,l, mj = 1,l, ntt其中， x = ( x1，xn ) ,x j = ( x1，x j 1,x j +1，xn )約束條件 fi 為再制造決策目標(biāo)滿意度與工程技術(shù)特征指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)函數(shù)，gj 為工程技 術(shù)特征指標(biāo)之間的自相關(guān)函數(shù)。3.2 基于模糊回歸理論的模型求解由于決策信息的殘缺以及難以量化，導(dǎo)致再制造工藝過程決策目標(biāo)滿意度、決策目標(biāo)與 與工程技術(shù)特性之間的互相關(guān)關(guān)系、以及工程技術(shù)特性之間的自相關(guān)關(guān)系存在著不確定性及 模糊性，這是該決策問題的難點(diǎn)。為此，引入模糊回歸理論，在信息不充分、不完整的環(huán)境 下，對(duì)本質(zhì)上定性、主觀、模糊的信息進(jìn)行定量化描述12，從而建立一種基于模糊回歸數(shù) 據(jù)處理的再制造工藝過程決策數(shù)學(xué)模型。利用對(duì)稱三角 fuzzy 數(shù)線性回歸模型13y%i =f ( x，a%i ) = a%i 0 + a%i1 x1 + + a%in xn(3)t其中，y%i 表示第 i 個(gè)再制造決策目標(biāo)滿意度的模糊輸出向量。 x = ( x1，xn ) 是工程技術(shù)特征指標(biāo)輸入向量，為精確數(shù)據(jù)。 a%i = ( a%i 0, a%i1, a%in) 為模糊系數(shù)集，取三角模糊為 a%ij = (aijc , aijs ) ，其中 aijc 稱為模糊數(shù) a%ij 的主值，表示 a%ij 最可能的取值， aijs 為 a%ij 的展值，表示 a%ij 的取值精度（如圖 2 所示），則式(3)為y%i =fi ( x , a%i ) = ( fic ( x ), fis ( x ) y% (y)(4)1.0nai 0c + aijc x jkhj =1n yai 0s + aijs | x jk |j =1圖 2 h-擬合度的模糊系數(shù)輸出fig2 fuzzy output function with h-level set of a fuzzy number對(duì)于任意給定的常數(shù) h0,1, fuzzy 線性回歸問題就是確定 fuzzy 模糊系數(shù) a%i ，其中滿足（i）(h* h) ，使得預(yù)測(cè)值 y%* 的模糊度最小，如圖 2 所示,此時(shí)問題可轉(zhuǎn)化為模糊輸出ii的展值之和最小來(lái)實(shí)現(xiàn)14：minz =fs ( x1 ) + + fs ( xk )(5)iiks.t.y% ( y) hk=1,l式中，h 為模糊參數(shù)估計(jì)的擬合度，由工藝設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)際確定，則可以得到制造決 策目標(biāo)滿意度與工程技術(shù)特征指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)函數(shù) fi （ lp2）n lminz = ai 0 s + aijs | x jk |s.tj =1k =1nn(1 h)(ai0s + aijs | xjk |) + ai0c + aijc xjk yikj=1j=1nn(1 h)(ai0s + aijs | xjk |) ai0c aijc xjk yikj=1k=1,2,lai 0 s , aijs 0, j = 1, mj=1同理，可得到工程技術(shù)特征指標(biāo)之間的自相關(guān)函數(shù) gj（lp3）：n lmin z = a j 0s + ajus | xuk |u=1u jk =1s.tnn(1h)(aj0s +ajus | xuk |)+aj0c +ajucxuk yjku=1u=1u juj nn(1h)(aj0s +ajus | xuk |)aj0c ajucxuk yiku=1u=1k=1,2,lu ju j a j 0 s , a jus 0, u = 1, n圖 3 導(dǎo)軌修復(fù)工藝決策質(zhì)量屋fig3 hoq of process decision for guideway reparation工程技術(shù)特征t1+t2+t3+t4-t5-t1t2t3t4t5再制造工藝過程拆卸清洗缺陷修復(fù)機(jī)械加工計(jì)劃矩陣工程技術(shù)特征決策目標(biāo)表面 清潔度導(dǎo)軌 硬度精度 保持性縱向 直線度縱向 平行度sasbscminmax再制造質(zhì)量 q0.273.232.515工藝成本c0.415再制造時(shí)間 t0.015資源重用r2.715環(huán)境排放e3.615工程技術(shù)特征指標(biāo)ghbckhmmmm0.600.600.50滿意度工藝 方案a5523.60.0290.0135b4553.40.030.015c65030.0320.0155max76050.040.02min3451.50.0250.01規(guī)范 化a0.50.420.60.730.65b0.250.670.540.670.5c0.750.330.420.530.454實(shí)例研究4.1 再制造工藝過程決策質(zhì)量屋的建立某再制造企業(yè)為提高機(jī)床導(dǎo)軌修復(fù)的效率，同時(shí)使加工過程更加符合綠色制造的標(biāo)準(zhǔn)， 運(yùn)用 qfd 模型對(duì)其再制造工藝過程進(jìn)行決策，建立質(zhì)量屋（如圖 3 所示）。質(zhì)量屋中包括 5 個(gè)決策目標(biāo)：效率（時(shí)間）目標(biāo)（t, time）、質(zhì)量目標(biāo)(q,quilty)、成本目標(biāo)(c, cost )、資源 重用目標(biāo)(r， reuse of resource)、環(huán)境排放目標(biāo)(e, environmental emission)等五個(gè)決策目標(biāo)。 將工藝過程劃分為拆卸清洗、缺陷修復(fù)、機(jī)械加工 3 個(gè)階段，根據(jù)不同階段的要求確定相應(yīng) 的工程技術(shù)特征：表面清潔度、導(dǎo)軌硬度、精度保持性、縱向直線度、縱向平行度，其中“-” 表示工程技術(shù)特征值越小越好，“+”表示工程技術(shù)特征值越大越好，且將工程技術(shù)特征指標(biāo)歸一化，使得 0 x j 1 ，j=1,2,n。由工程人員確定決策目標(biāo)判斷矩陣 m，通過層次分析法計(jì)算相對(duì)權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)15：1 1433 2 21755 1111 1 11 35 115m = 4723 211 311w = 0.27, 0.48, 0.05, 0.10, 0.10tmax = 5.03787ci = 0.0094675cr= 0.008450.1由式(2)計(jì)算出 3 種工藝方案參數(shù)相對(duì)應(yīng)于再制造決策目標(biāo)的滿意度為:0.60，0.60，0.50。4.2 關(guān)聯(lián)函數(shù)及自相關(guān)函數(shù)約束的確定由圖(3)確定出決策目標(biāo) oi 與工程技術(shù)特征 tj 的相關(guān)特性，將不同方案的工藝參數(shù)，代 入 lp2、lp3 模型，并利用線性規(guī)劃軟件進(jìn)行求解，分別求出關(guān)聯(lián)函數(shù)及自相關(guān)函數(shù)約束條 件，取 h=0.5,計(jì)算結(jié)果如表 1 所示：表 1 導(dǎo)軌修復(fù)工藝過程關(guān)聯(lián)函數(shù)與自相關(guān)函數(shù)結(jié)果tab.1 the constraint condition截距x1x2x3x4x5y10.7560.3961.1351.2681.032y24.0031.1130.2480.1860.034y32.1141.3890.111y40.5570.2297.619y52.3251.4250.625x20.2030.600x30.0520. 8330.0674.3 再制造工藝過程決策模型把表(1)計(jì)算結(jié)果及 qfd 質(zhì)量屋的相關(guān)數(shù)據(jù)代入規(guī)劃模型(lp1)，則得到再制造工藝過程 多目標(biāo)的決策模型為maxv= 0.0675y1+0.12y2+0.0125y3+0.025 y4+0.025 y5-0.250.396 x2+1.135 x3+1.268 x4+1.032 x5+0.756= y11.113x1+0.248 x2+0.186 x4+0.034 x5+4.003= y21.389 x4+0.111 x5+2.114= y30.229 x1+7.619 x3+0.557= y41.425 x1+0.625 x2+2.325= y50.600 x3+0.203= x20.833 x4+0.067 x5+0.052= x30x10y5表 2 導(dǎo)軌修復(fù)工藝過程的優(yōu)化結(jié)果tab.2 the optimization results of process for guideway reparationvy1y2y3y4y5x1x2x3x4x50.833.3252.9753.600.650.540.560.531進(jìn)一步比較分析，通過再制造質(zhì)量屋模型，可確定工程技術(shù)特征目標(biāo)理論最優(yōu)值opt為（如表2所示）0.65、0.54、0.56、0.53、1，拆卸清洗階段表面清潔度6.6級(jí)，缺陷修復(fù)階 段導(dǎo)軌硬度53 hbc，精度保持性4.3千小時(shí)，機(jī)械加工階段縱向直線度0.032 mm，縱向平行 度0.01 mm，再制造決策目標(biāo)滿意度達(dá)到0.83。由于再制造決策因素關(guān)聯(lián)約束及精度保持性 自相關(guān)約束的共同影響，工藝參數(shù)沒有全部處于理論最大值，同時(shí)結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)條件，使得 再制造工藝過程規(guī)劃能夠最大程度的符合再制造決策目標(biāo)。5結(jié)論在分析再制造工藝過程多目標(biāo)多階段決策的基礎(chǔ)上，結(jié)合模糊回歸理論，提出了基于模 糊理論的qfd的再制造工藝過程決策方法。通過應(yīng)用實(shí)例研究，該模型能夠幫助工程人員在 不確定、模糊條件下有效確定關(guān)聯(lián)函數(shù)及自相關(guān)函數(shù),優(yōu)化再制造工藝過程,確定工程技術(shù)特 征最優(yōu)目標(biāo)值，決策出最大程度的滿足決策目標(biāo)要求的再制造的工藝方案，為工程人員決策 工程技術(shù)特征指標(biāo)提供了一種有效的優(yōu)化方法。參考文獻(xiàn)1 steinhilper, r. remanufacturing: 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