当前绿色设计最为活跃的领域在DFX(Design for X)领域，可能的“X”包括：回收(Recycle)、服务(Service)、环境(Environment)、拆卸(Disassembly)等。其中产品的拆卸回收分析是绿色设计和绿色制造中非常关键，同时也是最活跃的研究领域。产品的回收在其生命周期工程中占有重要位置，正是通过各种各样的回收策略，产品的生命周期形成了一个闭合的回路。寿命终了的产品最终通过回收又进入下一个生命周期的循环之中。因此，回收是实现制造业可持续发展的先决条件，它在产品的绿色设计中扮演着重要的角色。面向回收的设计DFR(Design For Recycling)已经引起人们的高度重视。
1 面向可持续制造的DFX研究
美国、日本以及欧洲的一些国家制定的回收法规引起学术界和工业界的高度重视，许多学者和研究人员针对产品的可回收性提出了各自的理论。可回收性设计主要包括：可回收材料及标志、可回收工艺及方法、可回收经济性及可回收产品以及零部件的结构设计等。美、德、日等国家在汽车、家电等行业应用面向回收的产品设计思想，取得了良好的社会、经济效益。消费类电子产品的回收也日渐受到重视，如计算机含有金、银、铂、钯等多种贵金属，尤其是在早期的计算机产品中。Moyer和Guptar介绍了加拿大的一个铜冶炼公司，1993年回收处理了100000t材料，其中包括铜34t、银123t、金7t以及St的铂和钯。在美国加州Irvine的一家公司，主要通过计算机的回收，1993年的年收入即达7900万美元。
回收的成本和收益问题的研究受到了普遍重视。Johnson和Wang讨论了如何有效地完成材料回收的问题，其方法可以判断出产品的回收率、回收成本、回收方案，以及拆卸的顺序和深度。Krikke等提出了一个对产品回收策略进行评估的模型，综合考虑产品的经济性和拆卸、掩埋、回收、再利用等的可行性。Hentschel等借助模糊理论和成组技术来研究回收系统，以解决回收过程的不确定性问题。
目前的回收基本上是材料的回收，一般通过压碎后再分类的方法进行回收。显然，压碎后的材料混合在一起难于分离，回收效率低，难度大。因此，如何加强产品零、部件的回收、再利用已经成为一个重要的研究领域。而面向拆卸的设计DFD(Design For Disassembly)目的正在于解决材料回收中存在的问题。
拆卸被定义为系统地从装配体上拆除其组成零部件的过程，并保证不对目标零部件造成损害。拆卸分为破坏性拆卸和非破坏性拆卸两种。目前对DFD的研究主要集中于非破坏性拆卸。
拆卸是实现高效回收策略的重要手段。只有拆卸才能实现完全的材料回收并且有可能实现零部件的再利用。而只有在产品设计的初始阶段，就将报废后的拆卸问题考虑进来，才能够实现产品最终的高效回收。
目前DFD主要集中在以下3个阶段性研究上：
●收集、分类和归纳DFD的有关知识；
●拆卸深度决策和拆卸序列规划及其拆卸可行性评价；
●创建新的DFD方法和工具，并考虑与CAD设计的集成。
现在绝大多数的研究主要在第一步和第二步。也有一些研究机构正在开发与CAD集成的DFD专家系统。早期的研究思路来源于面向装配的设计DFA(Design For Assembly)。实际上，DFD和DFA在内容上有较大的差别。近期的研究主要集中在拆卸深度决策、拆卸序列规划、拆卸路径分析和评估工具的开发等领域。
针对产品拆卸回收分析建模的探讨和研究主要有：有向图、无向图、AND/OR图、Petri网、拆卸树等几种建模分析方法，如表1所示。
表1 拆卸回收分析问题建模方法比较
有向图模型中，节点表示零部件，节点间的连线（弧）表示零部件之间的拆卸约束关系，连线的方向表示节点拆卸的先后顺序关系。这种方法直观地显示了所有的拆卸序列。缺点是当零部件数目较多时，节点和边数量增多，拆卸深度和序列规划的建模和优化决策算法比较复杂，并且在实际拆卸过程中，一些特殊的情况无法完全用有向图来描述分析。由于有向图模型中的大量信息可以从CAD模型中提取，所以在与CAD系统集成方面有一定优势。无向图模型与有向图模型类似，结构上更简单，但是对于拆卸工艺彼此之间的先后关系无法描述清楚。
将装配转化为拆卸问题，利用图论，通过求割集法求解产品装配序列是一种重要的装配建模研究思路。Sanderson和Homenm de MelIo等以节点表示产品或零部件，将一个节点分解成n个（n≥2）子节点，以带弧连接的两条线表示，圆弧连接的两条线是同时存在的，因而是逻辑“AND”关系；同一个节点表示不同的分解方法时则用几对带弧的线表示，它们之间构成了“OR”的关系，这样形成的图就称为AND/OR图。AND/OR图显示了所有可能的拆卸序列，而且节点较少。缺点是零部件的“与或”关系所反映的割集数量非常庞大，组合爆炸的致命缺陷严重限制了其实际应用，而削减割集数量极其困难，并且拆卸分析的直观性不如有向图；另外，与CAD集成的难度大，当产品的模型发生变化之后（比如对产品的结构和组成进行了更新），很难在新的模型中及时方便地加以体现。Lambert、Zussman等人有关拆卸回收的研究利用了AND/OR图及其类似的建模方法。国内一些研究也采用了这一思路。
另外常用的一种分析模型是产品拆卸树。产品拆卸树与现在产品数据管理中的产品结构树有相似的结构，将产品零部件作为树的节点，以树节点的父子关系表示零部件之间的拆卸约束关系。Ishii提出的倒鱼骨图实质上也是一种用树状结构来表示产品拆卸结构的方法。产品拆卸过程中，因为需要考虑到拆卸问题的特殊性，比如连接件与非连接件的区分、零部件标签的区分等，所以，需要对零件分类做出新的定义方式。产品拆卸树与产品结构树有相似之处，可以方便地由PDM和CAD设计中导入产品结构树，然后按照拆卸问题的特殊要求对其进行修改，生成产品拆卸树。拆卸树方法直观、简单。但也正因为树的结构比较简单，无法描述产品的复杂拆卸结构约束关系，所以难以得到合理的拆卸回收方案，故对其应用和研究并不多。
介绍一种面向制造的拆卸顺序的分析方法。Ishii介绍了用倒鱼骨图来表示拆卸顺序的方法，与装配图相似，倒鱼骨图也可以标识出每一个拆卸步骤，主要通过标识其拆卸所需工装需求、定位要求和拆除方向来实现。Gu和Yan提出了一种基于图论的启发式方法，可以自动地借助特征数据库生成拆卸顺序。Lee和Gadh提出了一种基于破坏性拆卸的DFD算法。研究产品拆卸回收的经济和环境问题，他们还开发了基于最佳经济性的优化拆卸顺序的分析工具。Kuo和Zhang等研究了基于图论技术的拆卸顺序优化方法。利用Petri网模型来进行拆卸过程规划。
也有人借助产品的几何信息来对其可拆卸性进行评估。Woo开发了一种算法，通过分析部件和其他部分的结合面来判断其可拆卸性。Beasley和Martin对拆卸时的运动进行了研究，其中既考虑了局部几何信息，也考虑了全局几何信息。局部的几何运动可行性依赖于是否存在微小的移动，这取决于两个零部件之间的表面接触。全局的几何运动的可行性依赖于在某个方向上是否可进行有限的移动，这不但取决于相邻零部件的关系，还取决于整个装配体之间的关系。Srinivasan和Gadh通过产品可拆卸性矩阵对产品可拆卸性进行了量化评估，并提出了“虚拟拆卸”的概念，虚拟拆卸允许设计者在虚拟环境中评估产品的可拆卸性。Bras在面向产品拆卸回收的设计中对ABC(Activity-based-costing)方法进行了研究，并借助该方法对不同的设计方案进行评估。Kroll开发了一个打分系统，通过分析产品拆卸的各项工作的难度，从总体上评价产品设计的有效性。
更近期的研究如Lambert通过一种有向网络图来描述产品的拆卸结构，并通过线性规划方法求解最优的拆卸顺序，其中的节点是任意可能的子拆卸体，拆卸的方向是从图模型的左方向右方拆卸（因而图中不必标出方向），其不足之处是建模难度较大，与CAD工具集成性差。Srinivasan和Gadh等利用所谓的“Wave Propagation”方法求解目标零部件拆卸问题，可以应用于二维和三维装配体中，值得注意的是，模型的两个优化目标是最少数目的零部件参与移动以及零部件移动量最小。实际的拆卸回收过程非常复杂，尤其是产品报废后零部件的外观和技术特性存在较大的不确定性，因此，Zussman、Zhou、Caudill等人利用神经网络等方法对拆卸回收及其再制造过程进行动态建模。Seo等人则利用遗传算法得到优化的产品拆卸顺序。Johnson和Wang利用MRO（材料回收指标）研究产品拆卸规划问题，其优化目标包括：材料兼容性、处置件聚簇、并行拆卸操作、收入最高。Pitipong Veerakamolmal和Gupta等人研究了Case-based拆卸建模分析模型，并指出人在辅助建模方面的重要性。Seliger和Basdere等人对回收和再制造信息平台进行了研究，以支持拆卸回收过程中的大量动态信息。Krause和Kind研究了管理产品生命周期中大量信息的IT结构，其中信息提供、信息维护和信息监察是其三大主要模块。Li J C和Zhang H C等人提出了一个绿色供应链管理模型，其中信息共享模型采用所谓“即插即用”结构，可以容易地管理产品零部件及其材料的生命周期技术、经济和环境信息。
拆卸的深度决策也是一个重要的研究领域。拆卸成本随所用的时间和拆下的零部件的增加而增加，因而，部分拆卸往往是更经济的。Simon提出了一种零部件拆卸的目标体系以帮助判断拆卸应何时终止。根据由高到低的顺序，该体系由重新使用、再制造、材料的高级回收、材料的低级回收、材料焚烧的热能利用和废弃物掩埋等组成。图1表示考虑拆卸时的产品处置的总成本。
图1 考虑拆卸时的处置总成本
从对拆卸回收问题的分析和各种模型的优缺点分析可见：
●拆卸回收问题大量牵涉到不完全拆卸问题，因此，对不完全拆卸问题的建模能力是衡量模型好坏的一个重要指标；
●对拆卸任务及其先后顺序的建模能力是各个模型的研究关键；
●拆卸回收的经济性分析主要体现在拆卸深度和顺序决策中，故分析模型反映经济问题的能力是评价模型好坏的一个重要指标；
●分析模型的空间和时间开销是衡量一个模型好坏的另一个重要指标；
●人的合理参与是拆卸回收问题建模成功的重要保证。
除了对DFD和DFR进行了深入研究外，人们在面向可维护性的设计、产品再制造设计等领域也进行了大量研究。
2 绿色设计理论方法的研究应用展望和总结
中国是家用电器的生产和消费大国，测算出的当前社会保有量是：电冰箱1.2亿台，洗衣机1.7亿台，电视机4亿台，电脑1600万台。20世纪80年代投入使用的电冰箱、洗衣机、电视机等绝大多数已到了报废期，家用电脑更新报废的周期更短。预计未来几年，中国需要报废和回收处理的家用电器数量将大幅度上升，今后每年需要报废的电冰箱可达400万台，洗衣机约500万台，电视机500万台以上。由于中国尚未建立规范的废旧家用电器回收利用体系，大量家用电器超期服役和废旧家电任意处置的现象较为普遍，由此产生的安全隐患、能源浪费和环境污染等问题越来越严重，已引起社会各界的普遍关注。我国已经实施了《清洁生产促进法》，制定了《废旧家用电器回收利用管理办法》；同时，《生产者延伸责任制》以及有关家电的报废标准《家用电器安全使用年限和再利用通则》也在研究制定之中。这些不断完善的法令法规，对绿色设计领域的研究来说既是机遇，又是挑战，迫切需要加大研究的力度和深度，为产业化提供理论方法和工具支持。
绿色设计和绿色制造的研究也引起了国内众多研究单位的高度重视。国际自然科学基金委和“863”高技术计划也多次立项给予支持，如合肥工业大学刘光复、刘志峰课题组在产品拆卸回收方面的研究（基金项目），上海交大蔡建国课题组等人有关产品可拆卸性的研究（基金项目），重庆大学刘飞、徐宗俊、张根宝等人有关绿色制造系统和产品寿命周期分析的研究(“863”项目)，清华大学汪劲松、段广洪课题组有关绿色设计理论方法的研究（国家自然科学基金重点项目），以及徐滨士等人关于再制造工程的研究、华中科技大学李成刚等人、北京理工大学宁汝新等人关于面向拆卸回收的设计的研究均取得了较大的进展。
综合国内外绿色设计相关领域的研究，总的说来，仍然存在以下亟需改进和完善之处：
(1)难以满足企业和社会的需求。可持续发展的战略和当前企业信息化的需要强烈要求提供适用、有效的面向绿色设计的产品生命周期环境影响分析管理工具，综合国内外的研究可以发现，虽然出现了一些LCA分析工具和一些模块化的设计辅助工具，但仍然缺乏综合性的可以辅助进行产品绿色设计的系统。
(2)缺少系统性的理论和方法支持。绿色设计和绿色制造的研究大多还处于探索阶段，理论和方法体系结构还不够系统。
(3)建模方法和现有设计工具之间缺乏一致性。LCA作为一个重要的概念已经形成国际标准，但研究表明，目前的LCA框架与现有设计方法和工具存在一定的脱节，缺乏对绿色设计过程的有效支持；而各种模块化工具与LCA框架也存在严重脱节。其后果是，各种工具只能从某个侧面对绿色设计和绿色制造给予支持，却不能整合在一起。因此，迫切需要利用系统论的方法，开发综合性的设计支持平台系统，这一方面需要开发面向绿色设计的行之有效的环境影响评估模型和工具，另一方面需要开发可以有效融合的各种模块化的模型和设计工具。
(4)各种模块化设计工具尚需进一步完善，满足实际的需要。尤其是拆卸回收分析系统作为绿色设计的一项关键技术，目前的研究尚难于实用化，这已经成为产品进行绿色设计和可拆卸性/回收性设计的瓶颈环节。
(5)综合性评价系统的开发。亟需完善和开发绿色设计多目标综合评价系统，对产品的技术性能、环境性能和经济性做出综合评价，其中，环境性和考虑产品全生命周期成本的经济性评价是研究的重点和难点。
(6)产品系统集成模型需要深入研究。支持全生命周期管理技术的产品系统集成信息模型迫切需要深入研究和进一步完善，并建立合理的网络数据协同、共享机制。
(7)绿色设计必须与并行工程和现有设计方法及其工具集成。各种DFX工具需要进一步与三维CAD等设计建模工具进行集成，使绿色设计能够为产品设计和决策者所应用。
(8)基础数据和知识的积累。绿色设计数据库和知识库的进一步扩充和完善，是绿色设计逐步走向实用的必要基础。数据库和知识库的建立必须满足信息的共享性、可转换性、集成性、冗余性等要求。例如应该优先采用已经得到广泛认可的数据标准，如LCA研究中的SPOLD标准，信息集成中的STEP系列标准等。
3 结束语
总之，绿色设计的重要性已经得到越来越多的认同和关注，作为制造业可持续发展的关键技术手段，已经为政府、企业、消费者和各种研究机构认可。
绿色设计的研究是一项复杂的系统性工程，牵涉到多个学科领域，不可能一蹴而就，需要多学科、跨领域的合作研究，需要长时间的积累才能取得实用性的成果。尤其是各类环境数据的积累，国外已经进行了几十年，国内才刚刚起步，有许多工作需要我们去做。另外，该领域的研究也亟需国家加大力度给予支持和鼓励，相应的产业也应该给予扶持和协助。
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本文标题：产品绿色设计方法研究现状及展望
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