丁 韓，李 明，袁逸萍

(新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊 830000)

0 引言

制造業(yè)在高速發(fā)展的同時，面臨著能源資源消耗量大，生存環(huán)境破壞等嚴峻形勢，需要快速建立高科技、低能耗、少污染的綠色制造體系。大型變壓器的生產(chǎn)作為社會化協(xié)作面非常廣的制造業(yè)工程，以車間高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)上制定綠色制造標準，建立變壓器制造過程綠色性評價體系，推動了變壓器行業(yè)的綠色發(fā)展。

針對車間綠色制造的問題，大多都是基于機床能量消耗、環(huán)境影響等對加工工藝路線進行優(yōu)化決策。劉飛等[1]通過對機械加工工藝路線的調(diào)度優(yōu)化減少車間資源能源消耗；王秋蓮等[2]提出了機械處理系統(tǒng)的能效模型和能效評估指標體系；陳兵等[3]在考慮資源消耗和加工過程對環(huán)境影響的基礎(chǔ)上，提出了一種基于綠色制造的SLP方法；針對綠色性評價方面[4]，史秀志[5]提出了AHP-TOPSIS模型，用于優(yōu)化上下柱回采爆破方案。

此外，一些研究者也通過面向綠色制造對產(chǎn)品制造工藝方案進行評價及優(yōu)化，但是對整體綠色制造過程的評價指標沒有進行更細致深入的研究。并且對產(chǎn)品制造過程資源環(huán)境屬性分析與評價[6]，理論探討較多，實際應(yīng)用較少; 變壓器制造過程屬于單件小批量生產(chǎn)過程[7]，且目前高端變壓器制造主要依靠車間技術(shù)人員對部件加工進行手工操作。與其他大批量流水線生產(chǎn)的工業(yè)過程相比，在資源能源消耗、環(huán)境影響、人為因素等方面均處于較高水平，而且在實際車間生產(chǎn)中所需要考慮的因素更加復(fù)雜。本文以變壓器制造過程為研究對象，對其各部件加工特性進行深入分析，從經(jīng)濟、環(huán)境、人因、綠色技術(shù)4個因素結(jié)合國家制定的相關(guān)標準(GB/T28613)構(gòu)建綠色性評價指標體系。再通過建立改進TOPSIS評價模型求得最優(yōu)方案。

1 變壓器綠色制造過程評價體系構(gòu)建

1.1 變壓器綠色制造過程定義

變壓器企業(yè)的核心活動是制造，企業(yè)活動中影響能源消耗和環(huán)境污染的行為主要發(fā)生在制造過程中，隨著綠色制造理念的深入，傳統(tǒng)的制造模式早已不符合當下綠色制造模式。綠色制造過程在企業(yè)的運行上顯得格外重要，其含義是運用先進的環(huán)境友好型技術(shù)和裝備，采用清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟的措施，改進變壓器生產(chǎn)技術(shù)，最大限度的減少電能、蒸汽能、水資源及材料用量，提高材料利用率和設(shè)備利用率、提高生產(chǎn)效率。實現(xiàn)節(jié)能降耗清潔生產(chǎn)。

1.2 評價指標體系構(gòu)建過程

綠色制造過程評價指標體系以加工過程的綠色性為評估準則，通過對變壓器中絕緣件的制作、線圈制作、鐵芯制作、油箱制作和總裝配的各個工藝過程的了解對每個基本指標經(jīng)過篩選，確定了與變壓器制造相關(guān)的指標作為本次研究的“綠色指標”通過對確定的“綠色指標”總結(jié)歸類，將從經(jīng)濟效益性、環(huán)境協(xié)調(diào)性、社會績效性、綠色技術(shù)創(chuàng)新性作為 1 級指標建立變壓器綠色制造過程評價指標體系。

1.3 確定評價指標

變壓器生產(chǎn)綠色性從經(jīng)濟效益性、環(huán)境協(xié)調(diào)性、社會績效性、綠色技術(shù)創(chuàng)新性4個角度來構(gòu)建評價指標體系。 結(jié)合線圈、鐵心、絕緣件及油箱制作時的原材料、電、蒸汽、水的消耗，污染物的排放控制、清潔生產(chǎn)的管理、員工手工操作效率等分析整個制作過程的綠色性，制定多級指標評價體系如圖1所示。

圖1 變壓器制造過程綠色性評價指標體系

(1)經(jīng)濟效益性指標

變壓器制造過程的經(jīng)濟效益主要從各部件生產(chǎn)時的能源、資源的消耗上分析。因此，從絕緣件、鐵心等加工時設(shè)備(裁片機、立繞機、數(shù)控電子鋸等)的用電量、干燥線圈時蒸汽的用量和硅鋼片整壓退火后冷卻水的用量，以及原材料如硅鋼片、銅、層壓木板等的利用率方面來評價整個制造過程的經(jīng)濟效益。

(2)環(huán)境協(xié)調(diào)性指標

環(huán)境協(xié)調(diào)性主要指制造過程中污染物的排放控制和企業(yè)實行清潔管理的程度，對于鐵心、絕緣件、制造主要考慮廢料的處理方式、粉塵排放污染、噪音污染。對于油箱這種焊接件主要考慮焊接氣體對工作環(huán)境的污染、焊渣的處理。對整個器身和線圈噴漆、干燥時要考慮到廢漆和干燥氣體的污染和處理方式。

(3)社會績效性指標

在變壓器鐵心和線圈制作車間主要靠工人手工作業(yè)(如疊片、繞線)，這也是變壓器制造的一大特點。因此在對其制造過程綠色性評價時考慮到人因因素將工人工作強度、工作效率及工作安全性等問題也作為其評價的一個重要指標考慮在內(nèi)。

(4)綠色技術(shù)創(chuàng)新性指標

在制造過程綠色化方面，以綠色技術(shù)創(chuàng)新作為基礎(chǔ)支撐，實現(xiàn)生產(chǎn)全過程的資源能源有效利用和污染的及時控制。制造過程是否有新型綠色材料、綠色能源的使用、綠色工藝的研究、綠色設(shè)備的使用等因素作為綠色技術(shù)創(chuàng)新性的評價指標。

2 評價指標量化模型

通過對企業(yè)進行問卷調(diào)查獲取一部分企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，再結(jié)合獲取的信息將評價指標分為定性和定量指標，并對評價指標量化處理[8]。量化方法主要有以下4種。

(1)標準取值計算法

對于能夠直接通過測量或計算得到具體數(shù)據(jù)的指標，如電能消耗量、蒸汽消耗量、立繞機利用率、邊角余料利用率、廢漆利用率等均可通過企業(yè)調(diào)研獲得的實際數(shù)據(jù)進行量化處理。利用等式(1)中標準化計算方法使指標x數(shù)值在0～1，例當電能消耗量指標最大值為xmax，最小值為xmin，則

(1)

式中，x為實際指標值，xmax、xmin分別為指標最大值和最小值。

(2)定性取值量化法

對難以直接定量表達的指標，如裁片難易程度、工作疲勞程度、操作安全性等指標均采用定性和定量相結(jié)合的方法。以工人工作疲勞程度為例，對于變壓器制造而言，鐵心制作和線圈加工車間工人的手工操作(手工疊片、手工繞線等)較多，相對疲勞程度指標值較高；但在絕緣件和油箱制造機械化程度高，工人疲勞程度指標值相對較低。

單位過程廢氣、廢漆排放量等指標均為逆向指標，結(jié)合統(tǒng)計數(shù)據(jù)和專家意見用擬合函數(shù)表達該類指標[9]。如廢漆排放量，根據(jù)不同制造過程的離散數(shù)據(jù)，經(jīng)過專家指導，得到量化的擬合函數(shù)。

(4)開關(guān)函數(shù)量化法

對于敏感指標一般采用開關(guān)函數(shù)法，如重大環(huán)境污染事件發(fā)生次數(shù)、工人重大事故發(fā)生次數(shù)等，均采用開關(guān)函數(shù)法，只要發(fā)生了上述事件，該指標即量化為0。

3 基于改進的TOPSIS法評價模型建立

選擇適合的變壓器綠色制造方案，是確保綠色高效生產(chǎn)、提高資源回收率、減少制造過程能源消耗的重要舉措。綠色制造過程的選擇是一個涉及多層次、多因素、多目標、多指標等諸多因素的集合結(jié)果。本文將主觀動態(tài)賦權(quán)法和TOPSIS法相結(jié)合應(yīng)用到變壓器綠色制造過程優(yōu)選中，先利用主觀動態(tài)賦權(quán)法改進了決策矩陣的權(quán)重確定過程，再綜合逼近理想解的排序法建立改進的TOPSIS 綜合評判模型，最終確定一條綠色性最優(yōu)的制造過程。

3.1 主觀動態(tài)賦權(quán)法計算評價指標權(quán)重

在決策過程當中權(quán)重確定屬于極為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。權(quán)重的合理性直接影響評價結(jié)果的客觀與公正性[10]。針對每個車間綠色性評價的指標側(cè)重點不同，相關(guān)指標的權(quán)重設(shè)定也在不斷變化，因此提出了基于多專家參與的主觀動態(tài)賦權(quán)法。利用多專家參與、均方差篩選來確定各指標權(quán)重。具體判別流程詳細步驟為：

Step1:N個專家根據(jù)經(jīng)驗獨立地對所有指標賦權(quán)，得到wij，i為專家人數(shù)，j為指標個數(shù)。

Researchers have sought to understand why all H. pylori infected people do not develop gastric cancer.

Step5: 最終權(quán)重向量的表示：

wj={w1w2…wj}

式中，j代表指標個數(shù)。

3.2 建立加權(quán)標準化決策矩陣

設(shè)有共m條綠色制造過程組成過程集Y={Y1,Y2,…Ym}，每條過程的評價指標組成指標集X={X1,X2,…Xn}。

制造過程集Y與評價指標集X構(gòu)成決策矩陣A由以上提出的標準量化方法歸一化處理后得到的決策矩陣：

(2)

式中，Ym為過程m，Xn為指標n，i為決策過程個數(shù)；j為制造過程中的評價指標個數(shù)。

加權(quán)歸一化決策矩陣B是通過將決策矩陣A的每一列乘由主觀動態(tài)賦權(quán)法確定的各指標權(quán)重wj后得到，并表示為：

(3)

3.3 綜合評價計算

3.3.1 確定正理想解和負理想解

將每個指標集(不同方案中的同一指標)的最大值和最小值確定后，正理想解以正向指標J+的最大值和負向指標J-的最小值組成，負理想解是以正向指標J+的最小值和負向指標J-最大值組成的[11-12]。

(4)

(5)

式中，bij為方案i中指標j的值。

3.3.2 計算評價對象指標與正負理想解的距離。

(6)

(7)

3.3.3 計算相對貼近度(評價對象與正理想解之間)。

(8)

相對貼近度用來反映待評價樣本指標與正理想指標值或負理想指標值在態(tài)勢轉(zhuǎn)變上的接近度。

3.3.4 評價過程對象綜合計算。

E=W×Q

(9)

式中,Q為各評價過程與正理想解的貼近度構(gòu)成的評價矩陣，W為主觀動態(tài)賦權(quán)法確定的制造過程各評價指標權(quán)重矩陣。

4 某變壓器廠高端變壓器綠色制造過程的評價

選取高端變壓器不同的制造過程為評價對象，每條制造過程編號為Y1,Y2,Y3，為了得到最優(yōu)、綠色度最高的變壓器制造方案，提高企業(yè)經(jīng)濟效益的同時節(jié)約能耗、減少環(huán)境污染，節(jié)約人工勞動成本、提高勞動效率，對變壓器不同的制造過程進行綠色度評價得出最優(yōu)的結(jié)果[13]。由于篇幅原因文中只列出經(jīng)濟效益類指標進行相關(guān)實例計算。

4.1 某變壓器廠高端變壓器綠色制造過程綜合評價指標體系

為了更具體和直觀地反映變壓器生產(chǎn)每個程序的綜合評價指標體系，每個評價指標都以層次結(jié)構(gòu)框架表示。由于篇幅原因各方案的評判指標具體值只列出經(jīng)濟效益類指標中的資源能源消耗型指標值[14]。如表1所示。

表1 各方案資源消耗指標值

4.2 指標權(quán)重確定

根據(jù)文中提出的多專家參與、均方差二次篩選的主觀動態(tài)賦權(quán)法計算出各三級指標權(quán)重，如表2所示。

表2 各指標權(quán)重分布

4.3 經(jīng)濟效益性指標綜合評價

資源能源消耗型指標

(1)根據(jù)文中提出的量化方法標準化處理后得到指標評判矩陣。

(2)根據(jù)式(2)計算加權(quán)標準化決策矩陣：

(3)根據(jù)式(4)、式(5)計算各方案關(guān)于資源能源類指標得貼近度。由于這5個子指標都屬于消耗型指標。正理想解和負理想解[15]為：

各方案與正理想解和負理想解的距離：

Q1=0.7615Q2=0.9701Q3=0.6983

因此，在資源能源消耗型指標評價中方案2最優(yōu)。

同理可算出資源綜合利用的評判結(jié)果：

Q1=0.9605，Q2=0.3721，Q3=0.6043。因此，在資源綜合利用層面，方案1最優(yōu)。生產(chǎn)工藝及裝備型指標評價結(jié)果：Q1=0.5721，Q2=0.3104，Q3=0.4731。因此，在生產(chǎn)工藝及裝備型指標評價方面，方案1最優(yōu)。

綜上所述，經(jīng)濟效益類指標評價綜合矩陣：

綜上所得各方案的綠色性程度序列為:

方案1>方案3>方案2。

5 結(jié)束語

確定并闡述了變壓器綠色制造過程的定義，明確變壓器綠色生產(chǎn)的發(fā)展目標，提出了評價其綠色性的4個關(guān)鍵要素。首次建立了變壓器綠色制造過程評價指標體系，確立了綠色評價標準。構(gòu)建了改進的TOPSIS法組合的評價模型，選用主觀動態(tài)賦權(quán)法對指標進行權(quán)重計算。通過綜合評價模型，避免由于因素過多而難以分配權(quán)重的情形，使得變壓器在生產(chǎn)制造時可選擇一條最優(yōu)的加工方案使得加工過程消耗的資源能源最小，對加工環(huán)境污染最少，人工消耗最小化。得到一條最科學、最環(huán)保、最節(jié)約的綠色生產(chǎn)制造過程。