（机械制造及其自动化专业论文）基于bp神经网络的制造过程资源环境属性诊断的方法研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 车间生产作为制造企业资源消耗和环境影响的核心环节，其过程的绿色化技术研究已 成为了绿色制造领域的研究热点和技术前沿，并取得了一定的成果。然而，由于我国制造 企业的生产过程资源消耗种类多且不确定，环境排放分散且不易监测，各种信息之间关系 复杂，使得绿色化技术在实际生产中仍难以实施。 本文以产品的制造过程为对象，分析了我国制造企业生产过程中的资源消耗和环境排 放的特点，提出了一种基于b p 神经网络的制造过程资源环境属性绿色度的综合评价方法， 并在此基础上开发了制造过程资源环境属性诊断系统。主要研究内容包括： ( 1 ) 通过对绿色制造国内外研究现状的分析，阐明在制造企业中实施绿色制造技术 的重要性和迫切性；同时指出在国内仍然缺乏适合在实际生产中对制造过程绿色度进行评 价的方法和工具，提出本文的研究方向； ( 2 ) 根据产品制造过程i p o 模型将制造过程按加工工艺进行分解，通过对加工工艺资 源环境属性进行分析，建立制造过程资源消耗和环境影响的评价指标体系，并提出一种指 标量化方法； ( 3 ) 通过对b p 神经网络的原理及算法进行分析，阐明b p ( 反向传播，e r r o rb a c k p r o p a g a t i o n ) 神经网络方法应用于制造过程资源环境属性绿色度评价的可能性和优越性， 结合前文建立的制造过程资源环境影响的评价指标体系，建立基于b p 神经网络的制造过 程资源环境属性的分析模型； ( 4 ) 以上述论文研究工作为基础，利用j a v a 、j s p 语言等开发基于绿色制造的制造 过程资源环境属性诊断系统，并在系统可操作性、界面友好性上做了一定的工作。 关键词：制造过程，资源环境属性诊断，b p 神经网络，绿色制造，综合评价 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ek e y1 i n ko fe n v i r o n m e n t a li m p a c ta n dr e s o u r c ec o n s u m p t i o ni nm a n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s e s ，g r e e nt e c h n o l o g yr e s e a r c ho fw o r k s h o pp r o d u c t i o np r o c e s sh a sb e c o m et h eh o ts p o t a n dc u t t i n gt e c h n o l o g ye d g ei ng r e e nm a n u f a c t u r i n gr e s e a r c ha r e a , a n da c h i e v e ds o m er e s u l t s h o w e v e r ，t h e r ee x i s t sm a n yk i n d so fr e s o u r c ec o n s u m p t i o na n du n c e r t a i ni np r o d u c t i o np r o c e s s o fm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e si nc h i n a ，e n v i r o n m e n t a le m i s s i o n sd i s p e r s e da n dd i f f i c u l tt o m o n i t o r , t h er e l a t i o n s h i pa m o n ga l lk i n d so fp r o d u c t i o ni n f o r m a t i o na r ec o m p l e x ，8 0t h eg r e e n t e c h n o l o g yi ss t i l ld i f f i c u l tt oi m p l e m e n ti nt h ea c t u a lp r o d u c t i o n t h i sp a p e rt a k e sm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e so fp r o d u c ta st h em a i nr e s e a r c ho b j e c t ，a n a l y z e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e s o u r c e sc o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a le m i s s i o ni nm a n u f a c t u r i n g p r o c e s so fm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s i n c h i n a , p r o p o s e dag r e e n - d e g r e ec o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o nm e t h o do fm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a la t t r i b u t i o n sb a s e do n b pn e u r a ln e t w o r k s ，b a s e do nt h ea b o v es t a t e m e n t ，t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sr e s o u r c e sa n d e n v i r o n m e n t a la t t r i b u t i o n sd i a g n o s t i cs y s t e mi sd e v e l o p e d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta sf o l l o w s ： ( 1 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h er e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d ，s t a t e dt h ei m p o r t a n c ea n d u r g e n c yi n t h ei m p l e m e n t a t i o no fg r e e nm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yi nt h em a n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s e ；a n da l s op o i n t e do u tt h a t i ti ss t i nal a c ko fw a y sa n dt o o l sf o rg r e e n d e g r e e c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ni nt h ea c t u a lp r o d u c t i o ni nc 拉n a , p r o p o s e dt h e d i r e c t i o no ft h e r e s e a r c hi nt h i sp a p e r ( 2 ) b a s e d o nt h e 口om o d e lo ft h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，d e c o m p o s e dt h ew h o l e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sw i mt h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , e s t a b l i s h e dt h ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e m o fm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sr e s o u r c e sc o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a le m i s s i o na c c o r d i n gt o a n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a la t t r i b u t i o n s d a t ap r o p e r t y , a n da l s op o s e daq u a n t i t a t i v em e t h o do fm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sr e s o u r c e sa n d e n v i r o n m e n ta t t r i b u t i o n si n d e x ； ( 3 ) s t a t e dt h ep o s s i b i l i t ya n de x c e l l e n c ei nu s i n gt h em e t h o d o fb p ( e r r o rb a c k p r o p a g a t i o n ) n e u r a l n e t w o r k sf o rt h eg r e e n d e g r e ee v a l u a t i o ni nt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s r e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n te m i s s i o na c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h et h e o r ya n da l g o r i t h mo fb p n e u r a ln e t w o r k s a n de s t a b l i s h e dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a la t t r i b u t i o n s a n a l y s i sm o d e lb a s e do nb pn e u r a ln e t w o r k sa c c o r d i n gt oa n a l y z i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so f m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a la t t r i b u t i o n s ； ( 4 ) b a s e do nt h e a b o v er e s e a r c hw o r k ，t h e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s r e s o u r c e sa n d e n v i r o n m e n t a la t t r i b u t i o n sd i a g n o s i ss y s t e mb a s e do ng r e e nm a n u f a c t u r i n gi sd e v e l o p e db yu s i n g j a v al a n g u a g e ，j s pl a n g u a g e ，a n da l s oi m p r o v e dt h eo p e r a b i l i t ya n du s e r - f r i e n d l yo ft h es y s t e m k e y w o r d s ：m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，r e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a la t t r i b u t i o n sd i a g n o s i s ，b p n e u r a ln e t w o r k s ，g r e e nm a n u f a c t u r i n g ，c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 聊奴 日期：竺z ：垡 研究生学位论文版权使用授权书 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 三 武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 第一章绪论 1 1 本文的研究背景 制造业是将可用资源( 包括能源) 通过制造过程，转化为可供人们使用和利用的工业 品或生活消费品的产业，它涉及到国民经济的大量行业，如机械、电子、化工、食品、军 工等。制造业在将资源转变为产品的制造过程中和产品的使用和处理过程中，同时产生废 弃物( 指制造资源中未被利用的部分，也称废弃资源) ，成为制造业环境污染的主要根源， 由于制造业量大面广，对环境的总体影响很大。可以说，制造业一方面是创造人类财富的 支柱产业，但同时又是当前环境污染的主要源头。因此，如何使制造业尽可能少地产生环 境污染是当前的一个重要研究方向。 有鉴于此，绿色制造的概念由此提出。绿色制造( g m ) 又称环境意识制造 ( e n v i r o n m e n t a l l yc o n s c i o u sm a n u f a c t u r i n g ，e c m ) 、面向环境的制造( m a n u f a c t u r i n gf o r e n v i r o n m e n t ，m f e ) 等，是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，其目标是 使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对环境负面影 响极小，资源利用率极高，并使企业经济效益和社会效益协调优化【l 】。 绿色制造具有非常丰富和深刻的内涵，其实质是人类社会可持续发展战略在现代制造 业中的体现。这里的“制造”涉及到产品整个生命周期，是一个“大制造”的概念，体现了现 代制造科学的“大制造、大过程、学科交叉”的特点。绿色制造涉及的范围非常广泛，包括 机械、电子、食品、化工、军工等，几乎覆盖整个工业领域。绿色制造涉及的问题领域包 括三部分：一是制造问题，包括产品生命周期全过程；二是环境影响问题；三是资源优化 问题。绿色制造就是这三部分的交叉和集成【2 】。与传统制造只根据市场信息进行产品的设 计、生产和销售，其余方面考虑甚少相比，绿色制造则通过对产品的生命周期全过程( 设计、 制造、销售、回收、处理等) 进行主动控制，将废弃物减量化、资源化和无害化，大大提高 产品的绿色程度，提高企业的市场竞争能力和可持续发展能力【3 j 。 国际上，绿色制造有关内容的研究可以追溯到2 0 世纪8 0 年代，但比较系统地提出绿 色制造的概念的文献是美国制造工程师学会( s m e ) 于1 9 9 6 年发表的关于绿色制造的专门蓝 皮书g r e e nm a n u f a c t u r i n g 4 1 ，并对其内涵和作用等问题进行了较系统介绍。1 9 9 8 年s m e 又在国际互联网上发表了绿色制造的发展趋势( t r e n d so fg r e e nm a n u f a c t u r i n g ) 的网上主 题报告【5 】，对绿色制造研究的重要性和有关问题又做了进一步的介绍。随着人们对环境问 题越来越重视，绿色制造及其相关问题的研究不断升温，特别是在美国、加拿大、西欧等 一些发达国家，对绿色制造及相关问题进行了大量的研究并取得的大量的成果。可以不夸 张的说，绿色制造是解决制造业环境污染问题的根本方法，是实施环境污染源头控制的关 键途径之一，其研究已经形成了强大的绿色浪潮，正在全球兴起。 在美国，绿色制造研究规模庞大。卡奈基梅隆大学的“绿色设计研究所”从事绿色设计、 管理、制造、法规制定等的研究和教育工作，并与政府、企业、基金会等广泛合作。 a l l a h 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 大学伯克利分校不仅设立了关于环境意识设计和制造的研究机构，而且还在国际互联网上 建立了可系统查询的绿色制造专门网页m e l l m 对6 1 。密歇根技术大学的j o l a _ qw s u t h c r l a n d 教授对环境意识机床系统和加工过程中的废物流进行了研刭7 】。b e n n e t t 等研究产品工艺 路线的选择，以减少机械加工系统的废物流和能量消耗【8 】。伊利诺斯州大学的t h u r s t o n ， d e b o r a hl 等在研究绿色制造工艺的决策体系时，对用户的意见进行一定的分析和处理， 将用户的意见和建议考虑进绿色制造工艺决策体系中去，从而真正的体现了“绿色”的概念 和涵义【9 】。许多企业也进行了大量研究，如1 9 9 6 年在美国s m e 学会召开的绿色制造研究圆 桌会议上，来自企业界的代表就占大多数。美国a t & t 公司还在企业技术学报上发表了许 多有关绿色制造的研究论文【l o 】。美国国家科学基金会也对绿色制造研究高度重视和支持， 如美国国家科学基金会1 9 9 9 年资助课题报告会( n s fd e s i g n m a n u f a c t u r i n gg r a n t e e s c o n f e r e n c e ) 所报告的与绿色制造相关的研究课题多达十余项【l 。 在欧洲，国际生产工程学会( c i r p ) 近几年每年均有不少论文对绿色制造相关问题进 行研究。英国可持续中d 二, c f s d ( t h ec e n t e rf o rs u s t a i n a b l ed e s i g n ) 对生态设计、可持续性 产品设计等进行了集中研究，并开展了有关的教育工作，发行了可持续生产设计( t h e j o u r n a lo fs u s t a i n a b l ep r o d u c td e s i g n ) 杂志。 加拿大w i n d s o r ) k s 学建立了环境意识设计和制造实验室( e c d ml a b ) 和基于w w w 的网 上信息库，出版国际环境意识设计与制造杂志，对环境意识制造中的环境性设计、生命 周期分析等进行了深入研究【1 2 1 。e c d ml a b 于1 9 9 5 年开发了一套有关环境性设计的设计软 件e d i t 。 在亚洲，新加坡南洋技术大学机械产品工程学院的s h y e o 等人开发了一种以冷风代 替车削液作为冷却剂的磨削加工工艺；a n s e l m oe d i n i z 等人对精车削实现干切削的加工条 件进行了试验分析，指出为了保证在不影响道具寿命、加工时间和节约能耗的前提下，可 以采取增加进给速度和刀尖半径、降低切削速度的方法进行干切削；j u r i s e v i cb 等人研究 了磨粒水喷射的新型环境优化加工技术在工具制备行业的应用【i 1 4 1 。 我国近年来在绿色制造及相关领域也做了大量的工作。早在1 9 9 6 年就成立了国家环保 总局华夏环境管理体系审核中心，专门负责i s 0 1 4 0 0 0 系列标准在我国的实施。中国工程院 于2 0 0 0 年提出了设立绿色再制造工程及其在我国应用前景咨询项目的报告，报告中指 出再制造是一项系统工程，它对国家经济的可持续发展产生的社会和经济效益以及就业等 问题都将会做出重大贡献，这一项目的提出受到国务院有关领导的重视，“再制造”被列入 有关部门“十五”期间前瞻和优先发展的技术领域【1 5 】。2 0 0 4 年中国机械工程学会主办的中国 科协年会的第8 分会场的主题就是“绿色制造、信息化与新型工业化”。2 0 0 8 年l o 月成立了绿 色制造技术标准化技术委员会( s a c 厂r c 3 3 7 ) ，主要开展装备制造业领域绿色涉及方法、 绿色制造工艺规划、绿色机床加工工艺、自修复与再制造等共性技术领域的标准化工作。 国家自然科学基金和国家8 6 3 计划c i m s 主题均支持了一定数量的绿色制造研究课题， 并取得了一定研究成果。国内一些高校和科研机构对绿色制造的理论体系、专题技术等进 行了大量的研究：许多大、中型企业也纷纷响应，获得相关标准认证。 武汉科技大学硕士学位论文 第3 页 重庆大学和武汉科技大学合作，承担了国家自然科学基金和国家8 6 3 c i m s 主题资助 的关于绿色制造技术的研究项目。制造工程研究所的刘飞、张华等分析了绿色制造过程中 决策问题的决策目标，提出了包含t ( 时间) ，q ( 质量) ，c ( 成本) ，e ( 环境影响) 和r ( 资源消耗) 等 五大决策目标的决策体系，对绿色工艺规划问题的决策变量进行了一系列的成功描述，并 建立了相应的绿色制造决策框架模型【1 6 1 。 东南大学机械工程系的曹杰、易红等通过对绿色产品制造工艺决策的因素进行定量和 定性相结合的分析和对绿色制造工艺决策体系的研究，从资源利用属性、能源利用属性、 环境负担和经济性等方面建立了绿色制造工艺评价体系的层次结构模型，并应用层次分析 确定绿色制造工艺决策的权重和应用有限方案多目标决策逼近理想解法对决策工艺方案 进行排序，最后确定绿色产品制造工艺的最优解。在此基础上应用实例求绿色产品多个制 造工艺方案的最优解，取得了较好的结果【1 7 】。 华中科技大学机械科学与工程学院的曹武军、胡于进等在i s 0 1 4 0 0 0 系列国际标准的基 础上，利用模糊层次分析法建立产品全生命周期评价环境决策模型的方法。模型在获得产 品全生命周期环境影响数据清单之后，通过对环境影响因子的权重的确定，可以对产品的 环境影响进行量化分析，并根据分析结果评价产品的环境影响值，从而实现产品环境友好 度评价由定性向定量的转化f 1 8 】。 相应一些企业，如联想集团有限公司、青岛海尔电冰箱股份有限公司、武汉锅炉集团 等多家企业获得i s o l 4 0 0 0 标准认证。 综观国内外研究现状，绿色制造及相关问题的研究发展很快，并已取得大量研究成果。 特别在美国、德国、日本等发达国家，制造业绿色化进程已走在世界的前列，在产品开发、 经营管理、生产制造、产品销售、产品使用及最后产品处置等各个环节，无不体现出它们 在绿色化和信息化方面的巨大竞争优势。由于“绿色制造”涉及问题的多学科复杂性以及本 身提出和研究的历史较短，其在实际生产中的实施仍不容乐观，现有研究不少仍停留在理 论研究、方法探讨阶段，许多问题还有待深入研究，特别是缺乏在实际生产中可供企业和 工厂直接使用的实用方法和软件工具。 1 2 本文的研究现状和意义 近年来，国内外流行的环境评估工具和方法主要有：e i a ( e n v i r o n m e n t a li m p a c t a s s e s s m e n t ) 、e r a ( e c o l o g i c a lr i s ka s s e s s m e n t ) 、m f a ( m a t e r i a lf l o wa n a l y s i s ) 、c b a ( c o s t b e n e f i ta n a l y s i s ) 和l c a ( l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ) 等。其中，产品生命周期评价( l c a ) 自19 9 6 年被国际环境管理系列标准i s 0 1 4 0 0 0 纳入成为其中一个子系统后，奠定了它对产品环境 性能评估的权威地位，被广泛地应用于生产过程的环境友好性评估中。 澳大利亚c s i r o 矿物公司采用l c a 方法，主要丛温室效应、酸雨、固体废弃物排放 和能量消耗这四个方面对该公司的多种金属( 如：铜、镍、铝、锌等) 在冶炼过程中存在 的和潜在的环境污染问题进行了评估，并根据l c a 评估结果对其生产工艺进行了改进， 取得了较好的效果【i9 1 。 希腊萨罗尼卡亚里士多德大学的c k o r o n e o s 等【2 0 】将l c a 方法应用于氢燃料生产过程 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 中，指出采用不同的氢生产路线对环境造成的影响也是完全不同，当采用风、水力发出的 电力和太阳能时为最环保的生产方法。 同时也提出了许多其他的环境评估方法用于评估生产过程中的环境影响。澳大利亚悉 尼大学m a n f r e dl e n z e i l 等【2 l 】采用投入一产出分析方法，通过对水资源使用、温室效应气体 排放、n o x 和s 0 2 的排放、以及土地使用等指标的计算估计悉尼第二航空公司对环境的间 接影响，证明采用投入产出的分析方法能增强现有通用的e i a 的评估效果。r o r ys u l l i v a n 等【2 2 】通过建立一整套评价指标体系和评价模型对工艺过程进行比较分析，采用定量分析与 定性分析相结合的方法，也取得了很好的效果。新加坡南洋技术大学s h y e o ，k g n e 0 1 2 3 分析了焊接过程的环境污染问题，倡导在从近4 0 中焊接工艺过程中进行选择时应该将环 境友好性列为重要的考虑因素之一，并提供了一种健康一危害评分系统，建立了简单的危 害评分模型来定量分析各种焊接过程对环境造成的影响。 在国内，环境影响评估方法主要围绕着产品生命周期展开。西北工业大学管理学院王 常松，黄国青【2 4 】基于l c a ，借助z i m m e r m a n n 提出的模糊线性规划对称模型 ( s f l p - - s y m m e t r i cf u z z yl i n e a rp r o g r a m m i n g ) ，结合算例对多个相互冲突目标进行分析，使 得电力企业对环境造成的影响最小。 文献闭( 张亚平等) 基于关系数据库和面向对象程序设计理论建立了生命周期评价数据 库系统，通过综合分析生命周期评价数据，根据生命周期评价数据的数据类型，将数据氛 围产品评价数据、产品档案数据、基础材料数据和影响评价基础数据，相应的设计了4 个 数据库；并运用关系数据库理论分别对4 个数据库建立了物理结构模型。 清华大学环境科学与工程系贾小平等【2 矾，以青岛科技大学计算机与化工研究所开发的 通用化工流程模拟软件e c s s 化工之星( e c s s - - - c h s t a r ) 为平台，研究和开发过程环境影响 评估模块，使过程系统环境性能评估程序与过程模拟软件链接，直接满足考虑环境因素的 模拟和分析的需要。具体做法是由设计者提供初始流程及其相关参数( 如进料的流量和物 性参数、系统内各单元的设备参数等) 的初始值，进行系统模拟分析，得到相应的过程数 据；然后，做清单分析，从过程数据里选出环境数据，模块依据环境数据本身性质进行分 类、特性化和定量化；最后，根据专家知识给出环境影响类的相对重要性，运用多属性决 策分析( m c d m ) 方法中的层次分析法( a h p ) 求出各自权重，用于潜在环境影响指数( p e o 的 综合计算。可以借鉴这种化工生产过程的过程模拟及环境评估方法，将其应用于诸如机电 产品生产车间的过程管理和环境评估中。 纵观国内外的研究现状，围绕面向绿色制造的制造过程已展开了多方面研究，分析了 制造过程中资源环境属性的特点，并提出了多种评价方法，建立了多种环境影响评估工具， 但是仍然有许多问题有待于更加深入的研究，如：目前针对制造过程特点进行绿色评价的 方法不具备通用性，迄今仍没有一种通用的系统可以广泛的应用于各个行业，对制造过程 资源环境属性进行分析评价。 本文将立足于产品( 零件) 制造过程，首先对制造过程中资源环境属性进行深入的分 析，结合b p 神经网络方法，对制造过程绿色度评价进行研究。在以上的研究基础上，提 武汉科技大学硕士学位论文 第5 页 出了基于b p 神经网络的制造过程资源环境属性绿色评价方法，并开发出制造过程资源环 境属性诊断系统，将为我国制造业实现制造过程绿色化提供一种解决方案。 绿色制造实质上是人类社会可持续发展战略在现代制造业中的体现，国内外相关研究 机构和团队已在其体系结构、集成特性、资源环境属性等方面展开了深入的研究。制造过 程作为制造企业资源消耗和环境污染的核心环节，对其绿色化技术研究已成为绿色制造领 域的研究热点和技术前沿，并取得了一定的成果。然而，由于我国制造企业的制造过程资 源消耗种类多且不确定，环境排放分散不易监测，而且各种信息之间关系复杂，使得现有 的绿色制造理论在生产车间中仍难以实施。在实际生产中缺乏对制造过程进行绿色性评价 的方法和工具，无法科学地对产品制造过程绿色度进行评价。 本文立足于我国制造企业制造过程的生产现状，针对其资源消耗、环境排放特点，提 出了一种运用b p 神经网络对制造过程绿色度进行评价的方法，并在此基础上开发出制造 过程资源环境属性诊断系统。该系统用于对制造过程绿色度进行评价，能对制造过程中的 资源消耗和环境影响进行直观的描述，以此指导制造过程绿色化改进。本系统对于支撑绿 色工艺设计，减少制造过程的资源消耗和环境影响，促进绿色制造技术在制造企业的实施， 具有一定的实际应用价值。 1 3 本文的课题来源和主要研究内容 本文的研究工作来源于以下项目的支持： 。【l 】面向绿色制造的制造企业生产过程多目标集成决策模型及方法研究国家自然科学 基金( 课题编号：7 0 5 7 1 0 6 0 ) ，2 0 0 6 1 - - - - 2 0 0 8 1 2 2 】制造企业生产过程绿色规划与优化运行技术国家科技支撑计划( 课题编号： 2 0 0 6 b a f 0 2 a 0 3 ) ，2 0 0 6 1 1 - 2 0 0 9 12 围绕本文的研究目标，主要进行了以下几方面的研究： ( 1 ) 本文第一章分析了绿色制造的国内外研究现状，阐述了在制造企业中实施绿色制 造的重要性和迫切性；进一步分析了制造过程绿色度评价的国内外研究现状及存在的不 足，指出缺乏适合在实际生产中对制造过程绿色度进行评价的方法和工具，为论文的研究 指明了方向。 ( 2 ) 本文第二章分析了制造过程资源环境属性的特点，根据制造过程i p o 模型，按加 工工艺对其进行分解。以制造过程中最常用的切削加工为例，对其资源环境属性进行了分 析，并在此基础上建立了制造过程资源环境属性指标体系；进一步将制造过程资源环境属 性评价指标分为定量指标和定性指标2 种，提出了一种指标量化方法。 ( 3 ) 本文第三章分析了b p 神经网络方法用于制造过程资源环境属性绿色度评价的可 能性及优势，并结合第二章建立的制造过程资源环境属性指标体系，对b p 神经网络的结 构、参数等进行了分析研究；最后对b p 神经网络的训练样本对的建立进行了说明。 ( 4 ) 本文第四章是对开发的制造过程资源环境属性诊断系统进行介绍。主要讲解了系 统开发工具、运行环境、系统结构，系统操作方法，并结合具体产品的制造过程对系统操 作进行了说明。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 本文研究结论将在第五章中叙述。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 第二章制造过程资源环境属性指标体系 制造过程是产生资源消耗和环境污染的“大户 ，是实施绿色制造的重要环节之一，对 其资源环境属性进行诊断能够有效的指导制造过程绿色化改进，使产品制造过程中各种资 源和能源的消耗最少化，对环境的负面影响最小化。对制造过程资源环境属性进行评价， 必须首先确定评价指标，本章从常用加工工艺的角度上对制造过程进行了分析，建立了制 造过程资源环境属性指标体系，并提出了一种指标量化的方法。 2 1 制造过程资源环境属性评价指标 2 1 1 基于i p o 图的制造过程模型 制造过程是指将原材料转变为成品的全过程，其功能模型如图2 1 所示。输入毛坯原材 料、各种辅助材料( 如刀具、切削液等) 、能源( 电能等) 等，经过毛坯生产、零件机械 加工、材料改性与处理、装配调试等一系列加工过程，生产出合格产品或零件。同时在制 造过程中也会产生废品、副产品、废料等固体废弃物以及废气、废液、噪声、振动、辐射 等排放物，这些排放物可能对生态环境、人体健康、车间环境和生产安全等造成危害和影 响。从制造过程功能模型图可以看出，制造过程实际是一个资源环境输入输出的过程。 毛坯、原材 料 各种辅助材 料 能源 可回收利用资源 _ - 厂 ) _ j l ) 二卜口 图2 1 制造过程功能模型 合格产品 废品、副产品、铁屑、 废料等固体废弃物 废气 废液 噪声、热、振动、 辐射 由于制造过程的复杂性，很难从中直接提取出能用于评价的资源环境属性具体指标， 因此，必须首先按照按某种方式将制造过程进行分解，对组成制造过程的一个个相对简单 的小环节进行分析，得出每个小环节的资源环境属性具体指标。最后将这些指标进行归纳， 则这些指标便可看成是此制造过程资源环境属性的评价指标。 制造过程由一系列的工序环节( 每个工序也是一个具体工艺过程) 组成【2 刀，每个工艺过 程又可以看作一个输入处理输出( i p o ，i n p u t - p r o c e s s o u t p u o 的单元过程，而制造 过程则可以看作是由一系列工艺i p o 过程组成的工艺过程链，即一个更大的输入处理 输出过程，如图2 2 所示。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 输 入 哥o ， 雩函q目q i 葛，口霉，口 一e 艺t 习- - 一q 图2 2 制造过程工艺链及其输入输出关系 输 出 由制造过程的工艺链及其输入输出关系图，可以将复杂的制造过程分解为一系列的工 艺单元。在对每个制造工艺的资源消耗和环境影响分析的基础上，就能建立制造过程输入 和输出之间的关联性模型。 2 1 2 制造过程资源环境属性指标 按前文分析，将制造过程分为一系列的工艺过程，分别对每个工艺的资源环境属性进 行分析，确定其资源环境属性评价指标。最终根据制造过程包含的加工工艺，确定制造过 程资源环境属性评价指标。 根据国家标准j b t 5 9 9 2 9 2 “工艺方法类别划分及其代码”，可以将制造工艺划分为铸造、 压力加工、焊接、切削加工、特种力n - r _ 、热处理、覆盖层、装配与包装以及其他等9 大类。 每个工艺大类又可以进一步划分为中类和小类，如切削加工包括刃具加工、磨削和钳加工 三个工艺中类，刃具加工又可以分为车削、铣削、刨削、插削等工艺小类，即使工艺小类 在实际应用中也可以划分为很多种工艺类型。具体划分如图2 3 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 图2 3 制造工艺分类 工艺过程资源属性包括原材料消耗、辅助材料消耗和能源消耗，环境属性包括固体废 弃物、液体废弃物、气体废弃物、其他污染等，另外还需要考虑工艺过程对职工安全与健 康的影响等【。下面针对最常用的切削加工工艺，对其所需要考虑的指标一一进行分析。 ( 1 ) 原材料消耗指标 原材料消耗是切削加工中物能资源的重要组成部分。其特性主要需探讨的参数是：原 材料的利用率u ( f j t i l i z a t i o nr a t e ) 、损耗率( 1 0 s i n gr a t e ) 和废弃物w ( w a s t e ) ，制造过程原材料 的消耗流程如图2 4 所示。 r i 输入 二 废弃物 图2 4 原材料消耗流程图 输出 上图中，r i 、r o 、形分别代表工件进入制造过程的重量、经加工后的工件重量和 加工过程中产生的废弃原材料质量。由于原材料消耗的废弃物以切屑和废件的形式存在， 通常都能得到有效的回收，因此需要考虑回收对原材料利用率的影响。 设每年加工的零件以件，可以回收切屑和废件q 公斤，折算人民币以元。如果工件 原材料每千克的价格为口元，则通过回收切屑和废件，每个零件可以节省的工件原材料绒 为： q = m ，( 口玎) ( 2 1 ) 通过回收切屑和废件对工件原材料利用率的影响为 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 a u = q m 脚( 2 2 ) 综上，考虑切屑回收的影响，原材料利用率u ，损耗率、废弃物矿为 u = ( r o + q 卅) r ( 2 3 ) l = ( 彤一r o q 卅) 脚( 2 4 ) w = r i r o q 埘( 2 5 ) 原材料消耗主要取决于加工工艺方法、加工路线和加工余量的选择。影响加工余量的 因素主要有：上工序留下的微观不平度和缺陷层的深度、上工序的尺寸公差和热处理变形 等。 切削加工中辅助材料的消耗主要包括刀具、切削液、央具和量具等消耗。 1 ) 刀具消耗指标 确定刀具使用寿命的方法主要有三种：刀具最大生产率寿命、刀具经济使用寿命、刀 具最大利润使用寿命。其中刀具经济使用寿命z 可表示如下 乏= 等( 乞+ 鲁) ( 2 6 ) 其中，m 常数，对高速合金钢刀具，所= o 小。0 1 2 5 ；对于硬质合金钢刀具，m = o 1 0 4 ； 0 刀具磨钝后，换一次刀消耗的时间( 包括卸刀、装刀、对刀等时间) ； m 该工序单位时间内机床折旧费及所分担的全厂开支。 设生产过程加工一个工件的切削时间为0 ，则 其中，k 与工件长度、直径、进给量、切削深度、工件余量、工件材料、刀具材料等 有关的常数。 设刀具可重磨次数为a 次，由式( 2 6 ) 、式( 2 7 ) 可以计算加工一个工件将消耗的刀 具数量珑为 q ：乏：一 亿8 ， 考虑到刀具的破损和因不当操作造成的刀具失效，设刀具的有效利用率为仇，则实际 单工件在切削加工过程中的刀具消耗数量为 驴k 陪m ( 乞+ m 曼) ) ( 2 9 ) ll 2 ) 切削液消耗指标 切削液在制造中具有冷却、润滑、清洗、防锈等作用，对于减小切削力、改善表面加 武汉科技大学硕士学位论文 第1 1 页 工质量、提高刀具寿命具有重要意义，因而得到广泛的应用。在生产中切削液的消耗可以 分为四部分：粘附在切屑上被带走。镌与切削液的密度、切削液的表面张力以 及切屑的表面积等因素有关。这部分切削液得不到有效的回收。o 粘附在工件上被带走 弧。掰。与切削液的密度、切削液的表面张力以及工件的表面积等因素有关。这部分 切削液通常将在下道工序中被清洗而得不到回收。o 因切削热作用被蒸发形成烟雾或因飞 溅而散失到空气中巩。他与切削液的闪点、切削温度等因素有关。切削烟雾和飞溅 到空气中的切削液在非封闭加工系统中也基本上得不到回收。 剩下的切削液被收集而重 新循环使用棚，。循环使用的切削液在经过一段时间的重复使用后，也将因污染等原因 而失效，其寿命与切削液的化学稳定性以及切削液的净化管理工作等有关。 综上所述，切削液的消耗可以表示如下 m = 耽+ 删+ 他+ 豫 ( 2 1 0 ) 3 ) 夹具消耗指标 夹具在制造过程中主要是将工件定位，以保证产品的加工精度、提高劳动生产率、降 低对工人的技术要求和减轻劳动强度、扩大机床的工作范围。它主要可分为通用夹具和专 用夹具两大类。 通用夹具是指与通用机床配套，作为通用机床附件的标准化夹具。如车床上的三爪、 四爪夹盘，铣床上的平口虎钳、分度头、回转工作台，平面磨床上的电磁吸盘等等。这些 通用夹具的适用性很强，对充分发挥机床的技术性能、扩大机床的使用范围有很大作用， 由于是和机床配套的，所以通用夹具的消耗可以用机床折旧的方式来量化。 专用夹具是指根据零件的某加工工序的要求专门设计的夹具，它的设计制造周期较 长、成本较高，在产品变更时无法使用。但是，对那些品种比较固定、批量较大的产品， 专用夹具仍是最主要的夹具类型。 专用夹具的成本较高，其成本主要包括设计费用和制造费用两大部分。 c 毒用夹具= c k 计+ c 萄造 ( 2 1 1 ) 由于夹具具有一定的使用寿命，所以，批加工零件某工序上的夹具费用为 岛用夹具消耗= 镪x 工时间 ( 2 1 2 ) 式中，c 专用央 为专用央具单位时间上的消耗，& 其使用寿命为此夹具的使用寿命，工时间为 此零件的加工时间。 模具消耗可类似用式( 2 1 1 ) 和式( 2 1 2 ) 来表示。 4 ) 量具消耗指标 在制造过程中，为了检验产品的加工精度，还需要大量使用量具。量具也具有一定的 使用寿命，加工某批零件的量具消耗费用可表示为 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 c i 具消耗= 镪强量时间 ( 2 1 3 ) 式中，c 从价格为量具单位时间上的消耗，廷具寿命为此量具的使用寿命，毛量时间为此批 零件的测量时间。 ( 3 ) 能量消耗指标 切削加工的能量消耗主要是电能。若在某一零件的制