0 引言
随着全球范围内环境意识的不断增强，特别是欧盟WEEE和RoHS两项环保指令付诸实施后，我国制造企业面临日益严峻的国际绿色贸易壁垒。此外，ISO14000环境管理体系认证、OHSAS职业安全卫生管理体系认证以及环境标志等一系列与环境相关的认证，也已逐渐成为国际市场的基本准入条件。面对国内外严峻的资源环境问题挑战，降低制造过程的资源消耗、减少环境污染已成为我国制造业发展过程中亟待解决的热点问题。绿色制造系统工程的应用实施是制造企业生存发展和提高核心竞争力的必由之路。
近十年来，国内外专家学者就绿色制造和企业生产过程的环境影响问题进行过诸多研究。刘飞等国内学者揭示了绿色制造的集成特性，论述了绿色制造的理论体系。张华在绿色制造理论基础上提出了机械产品物料资源消耗的分析模型。在优化方法方面，江志刚等提出了工艺参数优化模型的混合基因算法。张琪给出了一种元胞自动机的人工生命优化方法。顾云丽发展了一种结合人工生命系统和粒子群算法的混合算法，并用Rosenbrock函数加以验证。在基于绿色制造的车间规划和生产调度研究领域，何彦等提出了车间生产双目标节能规划模型。美国工程院院士Floudas教授利用混合整数线性规划方法对工艺调度问题进行求解，Janak和他共同提出的响应规划方法对大批量制造车间进行生产调度。同一时期，Gutuwski提出了制造工艺环境载荷的测量方法。Jurisevic和Anselmo则对射流加工和干切削等新工艺进行了研究。
以上研究工作多是围绕产品制造过程或车间生产调度的某一具体问题或单项技术展开，而对基于系统工程学的绿色制造集成技术缺乏系统的研究。遵循绿色规划和优化运行的原则，本文针对通用机械的制造车间系统提出了一种综合的绿色制造系统工程方法，通过求解系统模型的优化变量来控制制造系统的资源环境影响因素，并在实际生产过程中通过技术集成加以实现。
1 通用机械加工车间及其—般生产流程
以某国有大型火电阀门生产企业的机械加工车间作为研究对象。该车间属通用机械的机制加工车间，加工装备按生产区域和机群布置。该车间大多数机械产品的工艺流程如图1所示。为了构建在绿色规划原则下运行的车间系统，必须全面考虑影响通用机械一般生产过程的资源环境因素，包括物流强度、材料利用率、贮存和运输、机械加工装备布局以及环境影响评估等。在此基础上建立通用机械加工车间及其生产过程的系统模型。
图1 通用机械生产的一般流程
2 面向资源环境属性的车间制造系统优化
通过控制和优化系统参数，工艺要素、装备以及生产运行调度被应用于通用机械的工艺设计和实物制造，以此构建满足绿色制造系统工程要求的车间系统模型。目标函数fc、fy、fe分别是能耗、物耗和环境影响指标。约束函数gt、gq、ge、gf分别是生产周期、产品质量、制造成本和产品性能。生产运行参数也可作为约束条件加以考虑。比如技术条件gp、车间规划gt和生产调度gs。该系统模型如式(1)所示：
其中X=(x1，x2，…，xn)，i=1，2，…，n表示系统优化变量，其作为离散变量描述有关的生产影响因素，这些因素通常是通用机械生产过程参数，比如产能、机加工工艺参数、厂房设计参数、机床刀具切削液型号规格等。It，Iq，Ic，If，Ip，It，Is表示相应约束的性能指标向量，包括机械性能指标、精度粗糙度、运输距离、物流强度、生产任务以及其他技术限制。
在车间系统模型的数学表达中，每一个约束尤其是涉及技术和装备限制的约束、物流强度或车间布局、生产调度方式，都可由一组反映生产过程内在空间、时间关联的函数表达。比如能耗作为目标之一，由能耗与机床空闲时间、空工步时间之间的数量关系表达。空工步时间与能耗间的关系可用公式(2)表达。
同理，机床空闲时间可由公式(3)表示。
调度函数要求车间中同时工作的机床数量最小，以使车间系统的总工时最短从而达到节能目的。其数学表达如公式(4)所示。
公式(5)描述了车间机床的数量约束。
优化求解则是基于遗传算法和元胞自动机的人工生命算法(GA-CA)，该算法在求解大规模系统优化问题中具有较高的计算精度和较好的收敛性能。假定人工生命个体是多维向量X，由一组系统优化变量组成，并在欧几里得几何空间中构造一个邻域C，如式(6)所示。
其中，D表示种群空间的边界。它可被定义为常数以表示迭代步数或进化代数。xi表示人工生命体在种群空间的当前状态或位置。
元胞自动机的种群空间简化为2D平面，并被划分网格。GA-CA算法用Moore模型的人工生命进化操作代替了遗传算法中单点染色体交叉的进化规则。GA-CA算法的实质是操作种群空间2D矩阵中的单个染色体。元胞自动机的迭代操作如图2所示，生的元胞为黑，赋值1，死的元胞为白，赋值0。GA-CA算法的其他计算步骤和遗传算法相同。
图2 GA-CA算法中元胞自动机生命进化规则
3 生产过程仿真和资源环境属性评估
根据系统模型解得的生产运行参数，可以利用Flexsim进行生产过程仿真，如图3所示。比较优化前后的生产运行仿真数据，可以在物流强度和生产节奏方面看到明显的优化效果，如图4所示。
图3 通用机械生产过程的Flexsim仿真
图4 优化前后生产过程的Flexsim仿真数据对比
随后对通用机械生产过程的资源环境属性进行评估，并根据工艺设计阶段的绿色性指标评估进一步优化工艺要素。为此专门设计一套车间制造系统资源环境属性评估系统。利用该系统可实现对通用机械产品的绿色工艺设计与生产过程的资源环境属性评估。其系统架构基于B/S和SQL server，开发环境基于Java+JSP+Struts+Spring+Hibernate，技术框架如图5所示。
图5 资源环境属性综合评价系统的技术框架
4 实物制造过程中的技术集成
为了在实物制造过程中应用优化的生产运行参数，通用机械产品的工艺设计和车间生产的各个工艺环节中都应用了不同程度的技术创新和集成创新。绿色制造系统工程的方法要求围绕通用机械产品的全生命周期去设计和生产，因此SEGM方法的应用技术路线始终坚持对车间产品全生命周期的生产技术创新，如图6所示。
图6 SEGM集成创新的技术路线
遵循以集成创新为主，部分技术原始创新的技术路线，对通用机械产品的工艺设计、毛坯准备、生产制造、焊接热处理、装配测试、成品库存运输等生产环节进行绿色制造系统工程改造，研究开发了制造企业生产过程资源环境属性综合评价系统、加工设备生产运行过程的能耗监控系统、少无切削液喷雾技术及切削过程监测与评价等集成应用系统，在工艺、装备、物流等各方面实现了加工车间的节能减排，为通用机械加工车间的绿色制造系统工程实施提供了关键技术和整体方案。例如少无切削液喷雾技术及切削过程监测与评价技术就被应用于典型零件的CNC加工中。两种少无切削液雾化装置的原型系统如图7所示。
图7 切削液超声波雾化和气体喷射雾化原型装置
5 案例和效益分析
通过分析某大型国有火电阀门生产企业的主要产品数据库，其2004-2009年企业生产纲领和生产统计年报显示各类截止阀产品产量最大。在实物生产中，其物能资源利用率较低，环境排放影响显著，是生产模式亟待改善的典型产品。以J61Y-20 DN40截止阀为例，利用资源环境属性综合评价系统对其阀体零件TA103 B进行绿色工艺评估和工艺要素优化，如图8所示。作为绿色优化结果，阀体TA103 B的工艺设计如表1所示。
图8 典型产品绿色工艺评估
表1 J61Y-20 DN40截止阀阀体TA103 B的工艺设计优化
绿色制造系统工程方法在车间的应用，使J61Y-20 DN40截止阀的加工工序减少，制造工艺链缩短。例如TA103 B阀体的加工工艺由9道工序减至7道。截止阀主要零件的毛坯由无孔锻造毛坯改用近净成形预制孔模锻毛坯。加工机床以数控车床、数控镗床等高精度数控装备为主。切削液以极压乳化液为主，在机加工工艺中广泛使用极压乳化液喷雾冷却方式对加工区域实施冷却和润滑，以实现少无切削液加工。装配作业中的焊接工艺由原来的手工氩弧焊改进为等离子喷焊工艺，施焊设备以等离子喷焊机床和窄间隙焊接设备为主。通过对该型截止阀整个生产过程的资源环境数据进行跟踪，其单件产品生产过程的绿色性技术指标如表2所示。
表2 典型产品截止阀J61Y-20 DN40的绿色性指标
SEGM方法不仅用于该车间典型产品的生产而且也用于其他通用机械产品的生产，例如安全阀、闸阀、堵阀、止回阀、调节阀等。根据截止到2009年底的年产量和资源消耗数据，2004年产量大且稳定，该年数据作为参照组数据。因达产年生产规模扩大数倍，表3中的数据以单件产品的平均消耗作为绿色性指标的统计基准。噪音分贝主要是测量车间制造系统的综合噪音。根据达产年车间生产规模和2010年当地工业用资源单价初步估算该企业加工车间实施绿色制造系统工程的直接经济效益如表4所示。其中材料单价以使用量最大的ZG230-450、ZG20CRMoV、ZGICr18Ni9Ti、12CrIMoV等材料的市场最低售价均值作为计算依据。数据显示仅在物能利用方面产生的直接经济效益达449.15万元。
表3 车间制造系统通用机械生产过程绿色性技术指标对比
表4 加工车间实施绿色制造系统工程的直接经济效益
6 结论
基于人工生命优化的绿色制造系统模型及其优化解能够精确描述通用机械制造系统在生产过程中所涉及的大量资源环境因素，并通过系统仿真和技术集成实现车间制造系统的绿色规划和优化运行。
绿色制造系统工程方法应用于通用机械生产企业，其车间制造系统的物能资源利用率得到提高，各类环境排放得到控制，废弃物处理成本降低，对环境的负面影响下降，企业取得明显的环境效益和经济效益。
绿色制造系统工程方法在企业中的建设实施，适用于一批具有代表性的国有大中型机械制造企业的生产运行模式，在我国机械制造行业中具有一定推广价值和应用前景，社会效益显著。
通用机械加工车间的绿色制造系统工程方法属于《产业结构调整指导目录》(2007年本)鼓励项目“资源节约和综合利用”类第12条“节能、节水、环保及资源综合利用等技术开发、应用及设备制造”的内容，符合国家产业结构调整政策的要求。
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