绿色制造理论体系

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第二章绿色制造理论体系

2.1 绿色制造的理论体系框架 .............................................................................................. 22

2.1.1 绿色制造理论体系涉及的相关基础理论及概念 ............................................... 22

2.1.1.1 可持续发展战略的“三度”理论 ............................................................ 22 2.1.1.2 绿色与绿色度的概念 ................................................................................ 22 2.1.1.3 资源和制造资源的概念 ............................................................................ 23 2.1.1.4 制造的概念 ................................................................................................ 23 2.1.1.5 生产和生产度的概念 ................................................................................ 23 2.1.2 绿色制造理论体系框架的主要内容 ................................................................... 23

2.1.2.1 绿色制造的“三度”理论 ........................................................................ 23 2.1.2.2 绿色制造的资源主线论 ............................................................................ 24 2.1.2.3 绿色制造的物流闭环特性 ........................................................................ 24 2.1.2.4 绿色制造的时间维特性——产品生命周期的外延 ................................ 25 2.1.2.5 绿色制造的空间维特性——制造系统空间的外延 ................................ 25 2.1.2.6 绿色制造的决策属性 ................................................................................ 25 2.1.2.7 绿色制造的集成特性 ................................................................................ 26 2.1.3 绿色制造的理论体系框架 ................................................................................... 26 2.2制造系统的资源特性及消耗状况分析 ........................................................................... 27

2.2.1 制造系统的物能资源流特性 ............................................................................... 27

2.2.1.1制造系统的资源构成 ................................................................................. 27 2.2.1.2制造系统的物料流 ..................................................................................... 28 2.2.1.3制造系统的能量流 ..................................................................................... 29 2.2.2制造系统中物能资源消耗的影响因素 ................................................................ 31 2.2.3 制造系统的物能资源流模型 ............................................................................... 31 2.2.4 制造系统物料资源消耗状况分析方法 ............................................................... 32

2.2.4.1制造系统产品物料资源的构成 ................................................................. 32 2.2.4.2制造系统单种物料资源消耗状况分析模型 ............................................. 33 2.2.4.3 制造系统产品物料资源消耗状况分析模型 ............................................ 34 2.2.4.4案例分析 ..................................................................................................... 36

2.3 基于绿色制造的产品多生命周期工程 .......................................................................... 38

2.3.1 产品多生命周期的概念 ....................................................................................... 38 2.3.2 产品多生命周期工程 ........................................................................................... 38 2.3.3 产品多生命周期工程的体系结构 ....................................................................... 38 2.3.4 产品多生命周期工程的特征模型 ....................................................................... 38 2.4 绿色制造的决策框架模型 ............................................................................................ 39

2.4.1 绿色制造的总体决策目标 ................................................................................. 39 2.4.2 绿色制造的总体决策框架模型 ......................................................................... 41 2.4.3 绿色制造的决策分析方法 ................................................................................. 43

2.4.3.1 层次分析法 ................................................................................................ 43 2.4.3.2 模糊评价法 ................................................................................................ 49 2.4.4 绿色制造的决策案例分析 ................................................................................. 50 2.5绿色制造集成特性及绿色集成制造系统 ....................................................................... 54

2.5.1 绿色制造集成特性 ............................................................................................... 54 2.5.2 绿色集成制造系统 ............................................................................................. 56

2.1 绿色制造的理论体系框架

2.1.1 绿色制造理论体系涉及的相关基础理论及概念

绿色制造理论体系涉及的相关基础理论及概念主要包括可持续发展战略中的“三度”理论；绿色与绿色度的概念；资源、制造、生产、生产度的概念等。

2.1.1.1 可持续发展战略的“三度”理论国内外对可持续发展战略的理论作过大量研究。其中中国科学院可持续发展研究组已建

[11]

立了可持续发展战略的理论内涵体系。

纵观国内外已有的研究，特别是借鉴文献[11]的研究成果，我们以为，可持续发展的“三度”（发展度，持续度，协调度）理论是可持续发展战略理论内涵的基础。

（1）发展度

发展度是指人类社会发展的程度。主要指是否在发展，是否在健康地发展。可持续发展决非反对发展，而只是反对以牺牲环境利益和子孙后代利益的发展，强调健康地发展。

（2）持续度

持续度是从“时间维”上去把握发展度，强调人类长远发展的需要，强调了自然生态环境的需要。

（3）协调度

协调度强调了发展度与持续度的平衡关系，强调了当代人的利益与子孙后代利益的协调，发展速度与生态环境效益的协调。

以上“三度”之间的关系，如图2-1所示。

协调度持续度发展度可持续发展图2-1 可持续发展的“三度关系”

可持续发展的“三度”理论也是绿色制造的主要理论基础之一。

2.1.1.2 绿色与绿色度的概念

目前“绿色”这个概念应用很广，如绿色制造、绿色产品、绿色设计等。“绿色”被认为是一个显而易见的概念，至今没有一个明确的定义。美国制造工程师协会（SME）的《Green Manufacturing》蓝皮书[1]中对“绿色”进行了讨论，认为对“绿色”进行明确的定义是绿色制造发展中的一个难点和障碍，也没有给出明确的定义。综合国内外的研究，我们认为“绿色”是一个与环境影响紧密相关的概念，具有绝对和相对两种含义。环境影响根据其影响程度的不同可以分为负面环境影响和正面环境影响。从理论和绝对意义上讲，“绿色”应该是指正面环境影响。然而在实际情况中，所造成的环境影响往往是负面的，因此取“绿色”的相对概念。如当前对绿色产品的评价，通常是以相关的环境标准和法规为基准，当产品的环境影响符合要求时，即认为是绿色的。又如产品甲的负面环境影响比产品乙小，则可认为产品甲的绿色性比产品乙更好。为了对“绿色”与环境影响程度进行量化和评价，我们引入“绿色度”的概念。绿色度可定义为绿色的程度或对环境的友好程度。负面环境影响越大则绿色

度越小，反之则越大。相应地，绿色度也具有绝对和相对两层含义。在绝对绿色度中，负面环境影响对应的绿色度为负值，正面环境影响对应的绿色度为正值，因此在实际情况中，绝对绿色度往往是负的。在相对绿色度中，可以取相应标准的最低要求作为零值。需要指出的是，这里的环境影响是一个广义的环境影响，包括资源消耗和一般意义上的环境影响（对人体健康和生态环境的影响）。当前“绿色度”研究的重点和难点是其量化问题。

2.1.1.3 资源和制造资源的概念制造系统中的“资源”又称为制造资源，可分为狭义制造资源和广义制造资源两种情形。狭义制造资源主要指物质资源，包括物料（原材料、坏件、半成品等）、能源、设备等；广义制造资源除包括物质资源之外，还包括资金、技术、信息、人力等。

绿色制造中的“资源”是指物质资源，重点是指物料资源和能源。 2.1.1.4 制造的概念传统地理解，人们一般将“制造”（Manufacturing）理解为产品的制造过程，如机械加工过程。这就是通常称作的“小制造”概念。

随着生产力的发展，“制造”的概念和内涵已大大拓展。目前国际上比较公认的定义是国际生产工程学会（CIRP）1990年给“制造”的定义：制造是涉及制造工业中产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售等一系列相关活动和作业的总称。这就是通常称作的“大制造”概念。

绿色制造中的“制造”，除在某些特定环境外，一般是指“大制造”的概念。 2.1.1.5 生产和生产度的概念生产(Production)一般理解为物料资源转化为产品的过程或制造产品的具体过程。比较生产与制造两个概念，可以看出生产是制造中的一个环节，是制造活动中的一个物质运作过程。

生产是一个输入/输出过程，也是一个物料资源和能源的流动过程和消耗过程。生产量越大，输出产品就越多，但同时物料资源和能源消耗就越多，所排放的废弃物也相应地增多，对环境的影响也就越大。为此，用“生产度”的概念来描述生产量的大小。

2.1.2 绿色制造理论体系框架的主要内容

总结绿色制造的有关研究，并借鉴可持续发展战略的有关理论，特别是“三度”理论，作者建立了绿色制造的理论体系的初步框架。现将框架中的主要内容介绍如下。

2.1.2.1 绿色制造的“三度”理论

绿色制造的“三度”理论，可用图2-2进行描述。

图2-2 绿色制造的三度理论示意图

绿色制造绿色制造绿色度持续度发展度生产度协调度图中可见，绿色制造顾名思义，可分解为“绿色 + 制造”。其中“制造”的目的是创造

财富，推动人类社会的发展，因此，“制造”应对应着“发展度”；结合制造业的特点，本文用“生产度”来代替“发展度”。“绿色”强调是“环境影响极小”、“资源效率极高”，应与“持续度”相对应；结合制造业的特点，以及绿色工艺、绿色产品等一系列的习惯性叫法，本文用“绿色度”来代替“持续度”。本文仍采用“协调度”概念，表示“绿色度”与“生产度”的协调关系，因此，绿色制造中的“三度”变为“生产度”、“绿色度”和“协调度”。

2.1.2.2 绿色制造的资源主线论

当前，环境问题的主要根源是资源消耗后的废弃物（废液、废气和固体废弃物等）。因此，资源问题不仅涉及人类世界有限的资源如何可持续利用问题，而且它又是产生环境问题的主要根源。

制造业在将制造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（废弃物是制造资源中未被利用的部分，所以也称废弃资源），废弃物是制造业对环境污染的主要根源。由于制造业量大面广，因而对环境的总体影响很大。

因此，绿色制造的根本途径是优化制造资源的流动过程，使得资源利用率尽可能高，废弃资源尽可能少，这就是所谓的资源主线论，如图2-3所示。

绿色制造制造资源（原材料，能源等）资源转化过程资源消耗过程产品产品使用过程产品报废后处理和回收利用资源利用率 max 废弃资源 min环境污染 min图2-3 绿色制造资源主线论示意图

原材料开采包装回收原材料生产制造加工过程产品装配产品包装（绿色包装）用户产品使用及维护产品报废其材料可再生的零部件可修复或改制的零部件回收可重用零部件拆卸

图2-4 绿色制造的物流闭环特性

2.1.2.3 绿色制造的物流闭环特性

传统制造的物料流是一个开环系统。物料流的终端是产品使用到报废为止，如图2-4中加黑方框。绿色制造的物料流是一个闭环系统，如图2-4所示，其中开环物料流和产品报废后的反馈形成大闭环系统；在此过程中，又可能形成若干小闭环系统，如图中的绿色包装，

加上包装件的回收就形成了一个小闭环系统。

2.1.2.4 绿色制造的时间维特性——产品生命周期的外延

传统制造中的产品生命周期是到产品使用报废为止。绿色制造则将产品生命周期大大外

[6]

延，提出了产品多生命周期和产品多生命周期工程的概念。

产品生命周期是指本代产品从设计、制造、装配、包装、运输、使用到报废为止所经历的全部时间。而产品多生命周期则不仅包括本代产品生命周期的全部时间，而且还包括本代产品报废或停止使用后，产品或其有关零部件在换代——下一代、再下一代、„„、多代产品中的循环使用和循环利用的时间（以下统称为回用时间）。

产品多生命周期工程是指从产品多生命周期的时间范围来综合考虑环境影响与资源综合利用问题和产品寿命问题的有关理论和工程技术的总称，其目标是在产品多生命周期时间范围内，使产品回用时间最长，对环境的负影响最小，资源综合利用率最高。

由于科学技术的迅猛发展，产品生命周期将越来越短，因此为了实现产品多生命周期工程的目标，必须在综合考虑环境和资源效率问题的前提下，高质量地延长产品或其零部件的回用次数和回用率，以延长产品的回用时间。

2.1.2.5 绿色制造的空间维特性——制造系统空间的外延

制造系统是一个十分复杂的大系统，至今尚无公认的统一的定义。目前用得相对较多的是国际生产工程学会（CIRP）1990年公布的定义：“制造系统是制造业中形成制造生产（简称生产）的有机整体；在机电工程产业中，制造系统具有设计、生产、发运和销售的一体化功能”。以上可看出，制造系统的主要空间范围还在企业内部，当然与外部有着各种物料、信息和能量的交换。

绿色制造及相应的绿色制造系统将传统制造系统的空间范围大大外延，与外部的各种交换也大大拓展。由于此问题的复杂性，此处只举出几个例子加以说明。

（1）由于产品制造过程和产品使用过程产生的废液、废气和固体废弃物等对环境的污染往往是没有明确的空间界限，因此绿色制造必须在更大的空间范围内来考虑产品制造问题。

（2）产品寿命终结后的回收处理，是绿色制造系统的重要组成部分；这就可能导致企业、产品和用户三者之间的新型集成关系的形成。例如，有人就建议，需要回收处理的主要产品，如汽车、电冰箱、空调、电视机等，用户只买了其使用权，而企业有所有权而且必须进行产品报废后的回收；为此导致一个回收系统的形成。

（3）现代产品的生产模式往往是多个企业参与的供应链运作模式。绿色制造要求必须从更大的系统范围内考虑绿色制造问题。例如，某企业产品包装由白色泡沫改为纸板包装，这样使得产品包装大大减少了环境污染；但是纸板包装材料的生产过程及其企业又可能增加对环境的污染，因此产品包装方案的考虑应从一个更大的系统范围内来思考。

所有上述内容，体现了绿色制造系统空间的外延。

2.1.2.6 绿色制造的决策属性制造中的决策属性（Decision Attributes）主要指制造决策过程中需要考虑的主要因素或追求目标。美国麻省理工学院Chryssolouris教授1992年曾提出过著名的制造决策属性的TQCF四面体模型。这里T（Time）——制造系统对市场的快速响应能力；Q(Quality)——产品质量；C（Cost）——成本，F——制造系统柔性。

由于绿色制造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。因此绿色制造的决策属性有着明显不同。绿色制造的决策属性框架如图2-5所示。

QTCRE

图2-5 绿色制造的决策属性框架

图中： E——环境影响（Environmental Impact）；

R——资源消耗（Resource Consumption）； T，Q，C——同上所述。

相对于Chryssolouris的四面体模型，本模型中增加了E，R，减少了F，其原因是因为产品制造过程往往是中小批量生产，要实现对市场的快速响应，必须要求系统柔性化程度高；因此T中实际隐含了对F的要求。另外，该模型中也没有包括常见的S（Service）属性，这是因为现代产品质量的含义已经发展到包括用户的满意程度，服务S是其重要组成部分之一。

2.1.2.7 绿色制造的集成特性

关于绿色制造的集成特性用图2-6简要描述如下，详见2.5节。

绿色制造的问题集成绿色制造的领域集成

绿色制造的集成特性绿色制造的效益集成绿色制造系统中的信息集成绿色制造的过程集成绿色制造的集成功能目标体系绿色制造的社会化集成特性图2-6 绿色制造的集成特性

2.1.3 绿色制造的理论体系框架

综上所述，可汇总和建立绿色制造的一种理论体系框架，如图2-7所示。图2-7的各理论要点之间有着密切的联系。如绿色制造的三度理论直接决定着绿色制造的决策属性，并在很大程度上影响着集成特性，在一定程度上决定着时间维特性和空间维特性。顺便指出，上述理论体系框架仅是一个初步框架，内容上有待于丰富和完善，各理论要点之间的关系也有待于进一步研究和完善。

绿色制造的定义和内涵绿色与绿色度的概念及量化绿色制造的三度理论：绿色度、生产度、协调度绿色制造理论体系绿色制造的资源主线论绿色制造的物流闭环特性绿色制造的时间维特性：产品生命周期的外延绿色制造的空间维特性：制造系统空间的外延绿色制造的决策属性绿色制造的集成特性„„ 图2-7 绿色制造的理论体系框架

2.2制造系统的资源特性及消耗状况分析

制造资源是制造系统存在和运行的物质基础，同时也是产生环境污染的源头所在。本节从资源构成、物料流、能量流、资源流模型几个方面来描述制造系统的资源体系，其中资源构成考虑制造系统主要的制造资源结构与分类；物料流考虑从原材料进厂到检验出厂的全过程；能量流考虑能量在制造系统中的流动特性；资源流模型在物料流、能量流、信息流的基础上从产品生命周期全过程的角度给出了资源消耗状态和影响因素。

2.2.1 制造系统的物能资源流特性 2.2.1.1制造系统的资源构成

按照资源分类的范围，制造资源的概念分为狭义制造资源(即物能资源)和广义制造资源两种，如图2-8 所示。其中广义制造资源涉及的面很广，不仅包括物能资源，还包括资金、技术、信息、人力等资源。对人类可持续性发展战略有着直接关系的资源是物能资源，其中主要的又包括物料和能源，因此本章所讨论的资源特指物能资源，重点是指物料和能源。

图2-8 广义制造资源的构成

2.2.1.2制造系统的物料流

从某种角度来说，在制造系统中，把制造资源转变为产品或零件的制造过程，实质上是一个物料流动的动态过程，如图2-9 所示。这个动态过程主要由五种基本的运动形态或生产活动组成，它们是加工、传送、储存、检验和装配。

工序间存储零件不合格件存储不合格品加工制造检验合格件装配产品检验存储存储原材料外购件外协件合格品存储采购市场产品销售

图2-9制造系统的物料流

加工

加工是制造系统的一项基本功能，也是将制造资源转变为产品或零件的基本运动形态，它通过制造设备及辅助设施、制造技术和操作者的共同作用，从而转变或改变原材料(或坯料)的形态、结构、性质、外观等来实现制造功能。一种产品或一个零件通常要以制造过程中的一系列工序才能完成，各种工序对应着特定的加工工艺方法。

传送

传送是指在各工作位置之间移动工件，以改变其空间位置的功能，一般也称为物料搬运。它是制造系统完成其制造功能必不可少的一项工序和作业，这是因为原材料转变为产品的全部作业一般不可能在一个工位上完成，因此物料搬运工作的高效化、系统化可以提高制造系统的生产效率。制造过程中的物料搬运工作量相当大，它是设计和运行制造系统时必须考虑的重要问题之一。

储存

储存是指在一段时间内，使工件处于无任何形状和空间位置改变的状态，工件在仓库里的存放、加工工序前的等待和加工后的停放，都是储存的典型例子。一般的储存都伴随着加工和传送活动之间的不平衡而出现。例如，原材料进厂后若不能及时加工，从进厂开始到它被加工之时为止的停滞，称为原材料储存；制造过程中工序之间的停滞，称为在制品或工序间储存；产品加工完毕到装运至市场之间的停滞，称为成品储存。适量的库存对平滑和具有柔性的物料流来说，起一种缓冲作用，对于保证用户的需求和制造系统稳定运行均有重要作用，但过量的储存对场地、资金、成本、和质量来说，则有弊而无利。

检验

这里的检验是广义的，主要是指对物料流的质量控制。有关文献曾把检验归类为加工作业中的辅助加工类。但本书作者认为，检验是和加工相互对立而又相互统一的平等的一个物

流作业环节，特别是在现代制造系统中，广义的检验功能已愈来愈重要。因此，本书将其与加工、传送、储存、装配看作是并列的物料流作业环节。

装配

装配是形成产品的最后一个环节。装配不仅是物料流中的一重要环节，而且往往是多条物料流的汇合点。它是一种制造技术，但又不同于单个工件的加工技术。因此，本书将它并列于其它物料流环节单独介绍。装配作业一般应强调以下几点：

 装配是决定最终产品质量和可靠性的关键环节，因此要特别强调装配质量；  装配具有系统性和综合性强的特点，要特别强调整体优化；

 装配场地或装配线上集中或流过的零部件种类、数量多，要特别强调秩序性。

[14]

2.2.1.3制造系统的能量流

能量是一切物质运动的基础。制造系统是一个动态系统，其制造过程中的所有运动，均需要能量来维持，都伴随着能量的流动。来自制造系统外部的能量(如电能)，流向制造系统的各有关环节或子系统，一部份用以维持各环节或子系统的运动，另一部份通过传递、损耗、储存、释放、转化等有关过程，以完成制造过程的有关功能。这种制造系统中的能量运动过程，称为制造系统的能量流。

由于机械加工系统是大多数制造系统的基本组成部分，因此下面以机械加工系统为例，讨论其能量流动状况及特征。

机械加工系统根据系统中机床的数量可分为单机床加工系统和多机床加工系统两种情况。由于多机床加工系统能量流状况完全由各单机状况决定，因此本章重点讨论单机床加工系统，即所提及的机械加工系统主要是指单机床机械加工系统。

机械加工系统的能量流动路线，可用图2-10 所示的结构图描述。图中的EI表示系统的输入总能量。

EI 电动驱机床传切削加动系统动系统工系统

图2-10 机械加工系统的能量流结构图

对于某一时间段的机械加工过程而言，机械加工系统的能量流可用图2-11 描述。

ES EL

系统机械加工

图2-11 机械加工系统的能量流

图中，EC——切削能(Cutting Energy)，是机械加工系统的有效能； ES——系统广义储能(Storing Energy)，是机械加工过程中系统贮存能量和释放

能量的代数和；

EL——系统损耗的总能量，它的构成和机理均非常复杂，包括电机和机械传动系

统中的各种能量损耗。

对于某一时刻，机械加工系统的瞬态能量流如图2-12 所示。

dES dt

机械加工系统

图2-12 机械加工系统的瞬态能流图(一)

其中 PI——输入总功率 PI＝dEI／dt

PC——切削功率

PC＝dEC／dt PL——损耗总功率 PL＝dEL／dt

当图2-12中的 PC＝0时，即系统处于无载荷空运行时，此时系统消耗的功率称为系统空运转功率。实际上，此功率不仅是维持机床空运转所需的功率，而且也是在整个机械加工过程中，维持系统运转必不可少的功率，是一种与机床载荷无关的功率。因此称为非载荷功率，用 Pu—(unloading power)表示。当PC≠0时，即系统处于负载时，加工系统的总损耗PL要在非载荷功率的基础上增加，增加的这部份损耗称为系统附加损耗功率 Pa，又称载荷损耗，则有：

PLPuPa (2-1) 于是图2-12 可改为图2-13 。

由图2-13 可得

机械加工系统

dES dt Pu

图2-13 机械加工系统瞬态能流图(二)

PIdESPuPaPc (2-2) dt忽略过渡过程的影响，即只考虑机床稳态运行时，有

PIPuPaPcPI (2-3)

通过研究机械加工系统的能量流，可以建立制造系统的能量流理论，该理论主要包括以下几个要点：

 能量信息论：机械加工系统的能量流动状态是加工运行状态的综合反映，加工系统

的能量流中包含着丰富的加工状态信息；  能量损失论：机械加工过程中总是存在大量的能量损失，特别是空载功率带来的机

械加工全过程损失相当大，从而使得机械加工能量效率和能量利用率低；

 节能效益论：机械加工过程中的能量损耗是一种有害的损耗。节能措施不仅有利于

减少能量损失，而且有利于改善机床其它性能。

2.2.2制造系统中物能资源消耗的影响因素

 从制造过程的运行环节看物能资源消耗的影响因素

制造系统可看成是制造生产的运行过程，包括市场分析、产品分析、产品设计、工艺规划、制造、装配、包装、运输、产品销售及售后服务等各个环节的制造全过程。这个制造全过程的主要环节及信息流如图2-14所示。制造全过程的主要环节都直接影响制造系统的资源消耗。例如，产品分析和市场信息将直接决定企业生产产品的种类和数量，产品设计将决定产品的具体形态和特性；而产品的种类、数量、形态和特性直接影响消耗资源的种类、数量和资源利用率。又如：生产同样的产品，不同的工艺方案和不同的工艺路线，将会使得物料和能源的消耗不一样；制造过程是资源直接转化和资源直接消耗的主要环节。产品包装方式、运输状况、销售和服务状况（如是否回收用户消耗后的产品废弃物）也都直接或间接影响资源消耗状况。

 从制造系统的物料流看物能资源消耗的影响因素

制造系统的物料流动过程不仅是物料资源转化和消耗的主要过程，而且因为物料的流动和物料的加工制造均需要能量来驱动或转化，因此物料流动过程也是能量消耗的主要过程。物料流的各主要环节也都直接或间接影响制造系统的资源消耗。例如市场采购的原材料的规格型号不同，将直接造成原材料的利用率不同；外购件和外协件越多，直接减少本制造系统的物料和能源消耗量；零件存储量太大可能直接造成积压而最终报废，导致物料资源的浪费等等。

市场信息产品分析反产品设计馈工艺规划信息制造(含装配) 交包装运输换销售服务图2-14 制造系统的主要环节及信息流

2.2.3 制造系统的物能资源流模型

综合考虑制造系统的内涵和制造系统中资源消耗状态的影响因素，可以构造了一种制造系统的物能资源流模型。如图2-15所示。

制造系统结构市场信息分析产品设计工艺规划资源需求资源输入（物料、能源等）资源供应商Min废弃物制造过程（即资源转化过程）产品寿命终结min包装出厂销售服务环境污染回收利用图2-15 制造系统的物能资源流模型

图2-15所示制造系统的物能资源流模型说明了如下几个观点：

(1) 从模型中可看出，制造系统的特征目标是追求废弃物最少和环境污染最小，而决定

此两个目标的根本因素是资源流。

(2) 制造系统是一个不断输入制造资源，通过制造过程而输出产品，并同时产生废弃物

的输入输出系统。

(3) 制造系统中资源的输入、消耗、转化、浪费、回收、处理及这些过程的影响和控制，

形成了制造系统的资源流。

(4) 影响制造系统资源流(包括资源输入量、资源消耗过程和废弃物的产生量)的因素是

系统性的，包括制造系统的结构(如设备构成、车间布局等)、产品设计、工艺方案、制造过程、产品出厂及使用后的处理。

上述资源流模型指出了提高制造系统资源利用率的战略途径，即以资源利用率最高或废弃物产生最小作为目标，充分考虑优化产品生命周期过程中影响资源消耗的各个环节，特别还包括了产品寿命终结后的处理，从而优化资源流动过程，最有效地利用资源和最低限度地产生废弃物。

2.2.4 制造系统物料资源消耗状况分析方法[15]

要研究制造系统的资源消耗问题，首先要对制造系统物料资源消耗状况进行分析。前面已建立了一种制造系统的物能资源流模型，但这些还只是定性的图形模型和分析方法，现有的研究可操作性还不够。如制造系统中消耗的资源种类繁多，消耗状况复杂，如何测算和评估其利用状况，至今尚无一种可定量分析计算的方法。

2.2.4.1制造系统产品物料资源的构成制造系统中消耗的资源种类繁多，其构成十分复杂，但与环境问题关系最密切的是产品物料资源。产品物料资源是指输入制造系统的能够转化为产品（包括产品的组成部分）的原材料、半成品等物质资源。产品物料资源的消耗特点如图2-16所示。

输入产品物料资源制造过程输出产品废弃物图2-16 产品物料的消耗特点

根据制造系统及其制造过程的不同，产品物料资源、产品和废弃物均有着不同的状态和组成。以量大面广的机械制造系统为例，产品物料资源的构成非常复杂。图2-17是其构成系统的一种描述。

图2-17中，产品物料资源主要由三部分组成。其中原材料资源一般情况下为最主要的产品物料资源。对原材料资源又可进一步地分类和分解。毛坯件和外购件中分解出的半成品是需要进一步加工的，因而存在着资源消耗问题，实际分析时也应考虑其组成成分归属何种原材料问题，因此它们用虚线与原材料的分类联系起来。

图2-17 制造系统中产品物料资源构成

2.2.4.2制造系统单种物料资源消耗状况分析模型

如果仅单独考虑制造系统中某一种资源消耗状况，并设其在制造系统中有q个加工制造过程（工序），则可建立如图2-18的分析模型。图2-18中：

图2-18 单种物料资源消耗状况分析模型

RI，RO——该种资源在制造系统中的输入（Input）和输出（Output），其中输出为最终产品中该种资源的含量

RIp，ROp——该种资源在制造系统中的第p个加工制造工序的输入和输出

由图2-18可知，该种资源的总的资源利用率U(Utilization Rate)、损耗率L(Losing Rate)和废弃物W(Waste)分别为

URO/RI (2-4) L(RIRO)/RI (2-5) WRIRO (2-6)

其中第p个加工制造工序的资源利用率Up，损耗率Lp和废弃物Wp分别为：

UpROp/RIp (2-7)

Lp(RIpROp)/RIp (2-8) WpRIpROp (2-9)

式（2-4）～式（2-9）以及图2-18统称为制造系统单种物料资源消耗状况分析模型。 2.2.4.3 制造系统产品物料资源消耗状况分析模型

前面单独考虑产品物料资源中的某一种资源的消耗状况分析相对比较简单，但要从系统的角度分析制造系统中整个产品的物料资源消耗状况，相对就要复杂得多。例如，一辆汽车的制造消耗了大量的不同种类、不同基本价值、不同利用率的原材料，怎样评价这个制造过程的原材料消耗？如果按单个资源消耗状况分析，可能是成千上万个孤立的资源利用率、损耗率等，怎么能描述整个汽车的资源消耗状况。因此作者的研究希望能从系统的角度建立制造系统的产品物料资源消耗状况分析模型。

设制造系统中某产品物料的种数为n，并用RIj，ROj，Uj，Lj（j=1，2，„，n）分别表示第j种物料资源的输入量、转化为产品零部件后的资源量、利用率、损耗率。

将这n种资源参照图2-17的分类方法进行适当分类。例如，将n种资源按相近的资源属性原则（相接近的材料物理特性、化学特性、环境影响特性、差别不大的价格特性等）一次性分成若干类。设这样的类别数为m，第i类用Ci表示（i=1，2，„，m），其资源种数为Ki，则有

K1K2...Ki...Kmn (2-10)

综上所述，可建立如下制造系统产品物料资源消耗状况分析模型。如图2-19所示。

图2-19 制造系统产品物料资源消耗状况分析模型

第j种产品物料资源的资源利用率和资源损耗率的计算式分别为：

UjROj/RIj(j1,2,...,n) (2-11)

Lj(RIjROj)/RIj1Uj (2-12)

第j种资源的第p个加工制造工序的资源利用率Ujp和损耗率Ljp分别为；

UjpROjp/RIjp (2-13) Ljp1Ujp (2-14)

为了描述各类和整个系统的资源利用率和损耗率，我们引用权系数wj及其加权平均的方法，可得第Ci类资源的当量利用率Uci和当量损耗率Lci分别为（2-15）、（2-16）式。

(2-15)

Lci1Uci (2-16)

整个系统或全部产品物料资源的当量总利用率Ue和当量总损耗率Le为；

(2-17)

Le1Ue (2-18)

式(2-17)、(2-18)中的权系数j的确定是一个复杂问题。确定权系数应从人类社会可持续发展的角度，根据资源的稀有性、贵重性、可再生性、对环境的影响特性等多方面的因素加以综合确定。这是一个值得今后深入研究的重大课题。不过现阶段，为分析问题方便，作者建议可采用价格系数作为权系数，因为资源的价格在一定程度上考虑了资源的稀有性、贵重性和可再生性。并且近年来也开始在考虑环境影响问题，即对环境影响大的资源(如木材)有价格逐步上升趋势。当然价格系数也可根据资源的环境特性等因素进行修正后作为权系数。

式(13)～式(18)是对制造系统产品物料资源的多方面描述，它们以及图2-18、图2-19合在一起统称为制造系统产品物料资源消耗状况的系统分析模型。应用上述分析模型，可对制造系统产品物料资源消耗状况进行较系统分析，其分析结果带有层次性和树状结构，以资源利用率为例，式(2-10)～式(2-15)的分析结果形成了制造系统产品物料资源利用率的树状系统。如图2-20所示。

图2-20 制造系统资源利用率的树状描述系统

应用上述分析模型，通过有关的分析，有利于较系统、科学地掌握制造系统产品物料资源消耗状况，从而针对资源消耗中的问题环节和问题物料采取措施，一方面提高系统资源利用率；另一方面有利于减少制造系统对环境的污染。

2.2.4.4案例分析应某自动控制设备厂要求，为分析和掌握企业资源消耗状况和消耗规律，我们以该企业一具体产品双缸举升器为例，跟踪其设计、制造、加工、装配等过程，应用制造系统物料资源消耗状况分析模型，对其资源消耗状况和消耗规律进行了分析。

该企业生产的双缸举升器产品主要由滑柱体、汽缸体、活塞、导座几大部件构成。根据上述制造系统中的资源消耗状况分析模型，我们将双缸举升器产品物料资源消耗状况用表2-1描述。

表2-1 双缸举升器物料资源消耗状况

原材料消耗量（kg）计量单位 kg Kg Kg kg Kg Kg Kg Kg Kg Kg kg Kg kg Kg 单价产品中材料净重元/kg (kg/个) 产品使用材料名称、型号型号规格部件名称零件名称名规格、牌号称重量kg/个上板（2个）座（8个）滑柱 A3 A3 4.3 0.93 7.9 1.45 5.7 7.8 4.85 0.51 0.42 0.51 18.8 20.0 8.5 0.002 3.1 3.1 5.0 3.1 3.10 3.10 3.10 3.90 3.1 4.8 4.7 60.0 25.5 36.0 2.8 0.03 4.6 0.978 4.107 6.22 3.16 0.116 0.21 0.314 8.08 16.0 7.87 0.0015 滑柱体（2个） 30无缝钢管下板（2个）下板（2个）上板（2个）双低板（2个）缸CB-1010D举AFZ-10B 汽缸体螺管（4个）升器焊接直角接头（2个）气管（2个）缸筒（2个）导座(2个) 活塞(2个) 紫铜垫片 A3 A3 A3 A3 6冷拔无缝钢管 A3 5无缝钢管 20热扎无缝钢管 HT-200 HT-200 紫铜T2 应用上述制造系统物料资源消耗状况分析模型，并采用价格系数作为权系数，对双缸举升器产品物料资源消耗状况进行计算分析，得到如表2-2所示的分析结果。对此结果进行分析研究发现，资源利用率最低的零件是下板，资源利用率最低的工序主要集中于下料和车削工序，资源消耗量最大的材料是HT-200和A3钢。因此，我们从这些方面对产品的工艺流程和资源利用方式进行了详细的资源环境影响分析，提出了一些改进建议，最典型的是将下板下料时切下的部分直接用作上板的坯料，这一项改进就使A3的资源种利用率从62.3%提高到83.4%。

表2-2

消耗资源类消耗资源种 6冷拔 2.4 无缝钢管 56.48 结构钢 A3 (42.18) 20热扎无缝钢管 30无缝钢管 37.6 15.8 16.16 9.2 4.7 5.0 35.19 3.1 (.834) .429 .582 (.589) (.601) .623 .530 .542 .464 3.9 .193 双缸举升器自制件种/类/总当量资源利用率计算 RIj(kg) ROj(kg) 价格系数 Uj Uci Ue

5无缝钢管灰铸铁 HT-200 有色金属紫铜T2 1.02 57.0 0.004 .628 47.74 .003 4.8 .33 36. .616 .838 .75 .838 .75 2.3 基于绿色制造的产品多生命周期工程[16]

2.3.1 产品多生命周期的概念

2.3.2 产品多生命周期工程

2.3.3 产品多生命周期工程的体系结构

产品多生命周期工程的体系结构如图2-21所示。其中绿色制造的理论和技术是产品多生命周期工程的理论和技术基础，而产品或其零部件回用处理技术和废弃物再资源化技术则是关键技术。

自然的再资源化其他（行业产品等）有用资源旧产品或其零部件回用处理废弃物再资源化废弃物自然资源物料供应（产品材料、包装材料、辅助材料、工具、刀具等）制造加工过程产品装配产品包装产品运输产品使用产品报废回收拆卸分类资源需求产品结构设计材料选择制造环境设计工艺设计包装设计回收处理设计图 2-21 产品多生命周期工程的体系结构

2.3.4 产品多生命周期工程的特征模型

产品多生命周期工程的特征模型可视为一多目标规划模型，其目标函数有3个，即在产品多生命周期范围内，产品的回用时间（ft）尽可能长，资源综合利用率(fr)尽可能高，环境负影响(fe)尽可能小。其约束条件主要有5个，既产品的功能（F）、交货期（T）、质量（Q）、成本（C）、服务（S）达到相应的指标值。

产品多生命周期工程的特征模型：

max V[ft(X),fr(X),fe(X)]T s.t. gq(X)Iq gf(X)If gt(X)It (2-19)

gc(X)Ic gs(X)Is 式中，X(x1,x1,x1,...,xn)T,xi(i1,2,3...,n)表示影响产品多生命周期工程的回用时间、资源利用率、环境状况以及产品FTQCS的各种因素；gq(X)、gf(X)、gc(X)、gt(X)、gs(X)——产品的质量、功能、成本、交货期及服务的函数或向量函数；Iq、If、Ic、It、Is——产品的质量、功能、成本、交货期及服务指标常数或常向量。

2.4 绿色制造的决策框架模型[14，17]

对一个问题的决策往往由问题的分析、决策模型的建立、决策分析、综合评价和决策等步骤组成，在这复杂的过程中，正确适用的决策模型的建立和在此基础上决策分析的成功，是实现正确决策的关键，也是解决提高决策可靠性的一个重要途径。

绿色制造中存在着大量复杂的决策问题，其复杂性体现在多个决策目标、多个决策变量以及决策难以作出精确的定量分析等三个方面。这时对决策问题作出正确的决策往往比较困难。为此，提出建立绿色制造的总体决策框架以及相应的分析方法，从而为解决绿色制造总体决策分析问题提供一种有效的途径。

2.4.1 绿色制造的总体决策目标

进行绿色制造的总体决策首先要确定决策目标，即决策活动所追求的目标。当前，对传统制造，人们追求的目标变量主要可归类为三个：时间T（Time），质量Q（Quality）和成本C（Cost）。其中时间T包括两方面涵义：一是指产品开发周期；二是指生产率。质量Q包括产品质量、过程质量、服务质量和功能质量，这是广义质量内容；通常所说的质量主要指产品质量，它又包括产品性能、使用寿命、可靠性、安全性和经济性等。成本C包括材料成本、设施和设备成本、劳动力成本、能源成本、维护和培训成本、其他杂项成本等。

对绿色制造，只考虑上述三个目标变量显然是不够的，而应该把绿色制造的特征目标；环境影响E(Environment)和资源消耗R(Resource)作为重要因素加以考虑。为此，作者认为，对绿色制造而言，在考虑决策问题时，通常追求的目标应是：尽可能低的制造成本，尽可能快的市场响应，尽可能高的产品质量，尽可能低的资源消耗和尽可能小的生态环境影响，即通常应考虑5大类决策目标：成本C、时间T、质量Q、资源消耗R和环境影响E，从而建立了如图2-22所示的绿色制造的五角形总体决策目标框架。这里的决策目标是从绿色制造全局的角度提出的，而不是局部的优化目标。

QTCRE

图2-22 绿色制造的总体决策目标框架

图2-22中，各目标变量旁边的箭头表示追求的目标变量变化的方向，即时间Ｔ希望越小越好，质量Q希望越高越好，成本Ｃ希望越低越好，环境影响E希望尽可能小，资源消耗R希望尽可能少。

因此，绿色制造的总体决策目标框架是对影响绿色制造规划、设计、试验和运行的各种因素(包括技术的、管理的、经营的、环境的、资源的因素)进行高度抽象和概括，将绿色制造实施中许多要素之间的纵横交错的影响关系简化为几个特征要素之间的影响关系。各决策目标的内涵非常丰富。（1）成本C

绿色制造的成本目标包含了许多方面的因素，可以大致归类如下：

l）设施和设备成本：实施绿色制造需要基础设施(场地、水、电、气供应、房屋等)、制造设备和贮运装置等，这些方面的投资费用都将以折旧费的形式计入制造或产品的成本中。 2）材料成本：包括制造产品所需要的原材料、工具消耗和制造所用的辅助材料(冷却剂、润滑油、清洗剂等)消耗。

3）劳动力成本：制造产品的直接劳动，也包括开发新工艺或产品付出的劳动。

4）能源成本：对耗能小的绿色制造过程，能源所占成本的比例低，可以忽略不计；但对耗能大的绿色制造过程，能耗甚至可能成为制造或产品的主要成本因素。

5）维护和培训成本：为保证绿色制造的正常实施所进行的维护、修理工作和需要的维护人员、备件等，以及为适应新设备、新技术、新法规、新标准的必要培训。 6）其他杂项成本。

进行绿色制造决策分析时，上述成本要素都应尽可能数量化。在保证其他决策目标的情况下，绿色制造所追求的成本目标为越小越好。（2）时间T

绿色制造的时间目标要素包括：

1) 绿色制造对于产品的设计和生产过程变化(品种、批量、要求的交货时间等)反应的快慢程度。为了使绿色制造具有较强的生存能力，一般都希望从产品的定货、设计、制造到产品出厂的整个过程时间要短；当生产过程发生变化时，反应要快，响应时间要短。

2) 绿色制造的生产率，即绿色制造能以多快的速度制造出产品。绿色制造的生产率是指单位时间内生产绿色产品的数量。绿色制造的实际生产率除了与加工设备的生产率、工艺、夹具的先进性和操作人员的技术熟练程度有密切关系外，还与设备的可靠性有很大关系。可靠性是系统或设备在给定条件下和确定时间内完成所要求工作的可能程度。为了使绿色制造能可靠地正常运行，除了强调单个要素的可靠性外，最主要一点是要简化整个系统或设备结构。在满足制造功能的情况下，优化结构，舍弃那些可有可无的环节，使整个系统或设备的可靠性提高。

可见，生产率的要求将直接或间接影响绿色制造总体决策目标中其他目标要素的选择。高的生产率一般都会使生产成本降低，但高的生产率要求使用专用机床、传输线和专用自动化控制等新技术或设备，这些又会使绿色制造首期成本增加。

进行绿色制造总体决策时，在保证其他决策目标的情况下，绿色制造所追求的时间目标越短越好。（3）质量Q

产品质量反映的是产品满足用户期望值的程度。但是，用户满足与否不仅取决于产品的技术特性，往往还取决于产品的实用性、耐用性、绿色性和其他许多主观的、难以用数值来描述的因素。在规划、设计和运行绿色制造时，应该建立起绿色产品的质量指标体系。绿色产品的质量，应该从产品设计、产品制造和产品的使用维护等几方面考虑。产品设计之初就不合理(例如结构欠佳，提出过高和不必要的技术要求等)，会给制造和装配带来很大的困难，会增加制造和装配成本、增加制造和使用过程中物料和能源消耗等，因此，用户对这类“天生”有缺陷的产品难以满意。不合理的产品设计可以通过性能评价、仿真技术、绿色产品生命周期评价等给予修正。在制造过程中的产品质量，可以用许多不同的尺度来评价。在制造阶段，产品的质量是指生产工艺满足产品设计参数(技术特征、性能、技术要求

等)的程度，产品的质量实质上就是产品各种技术特征和性能的集合，它主要包括两个方面的要求：构成产品结构和外形的几何特征以及产品所用材料表现出的物理和化学性能。绿色制造生产出来的产品一方面要与事先提出的技术及资源环境要求相吻合，另一方面要很快地被市场所接受，这是质量的两方面内涵。有些制造质量方面的指标，要通过使用和时间才能给出确切的评价，例如产品的能源消耗、环境影响、耐磨性、抗疲劳性等。

在制造阶段，合理地规定产品质量的公差是很重要的。产品质量公差是产品特征参数可以被接受的变化范围。公差限制过紧，将使产品制造的成本急剧上升，也给绿色制造的正常运行施加不必要的压力。而公差放得过宽，又会导致产品性能不良、没有竞争力的产品。

进行绿色制造决策时，在保证其他决策目标的情况下，绿色制造追求的质量目标为越高越好。

（4）资源消耗R

绿色制造资源消耗目标要素主要包括以下几个方面：

1）资源种类：可再生资源还是不可再生资源，稀有资源还是丰富的资源等。 2）资源特性：重点是制造资源对环境的影响特性、价格特性。

3）资源消耗状况：绿色制造中资源消耗的绝对量、利用率、损耗率等状况。进行绿色制造决策时，在保证其他决策目标的情况下，绿色制造追求的资源消耗目标为越小越好。

（5）环境影响E

绿色制造的环境影响是指一种包含生态影响、环境影响、资源利用、职业健康、安全性等一系列问题的广义环境影响，它体现了绿色制造与当前全球关注的三大主要问题(资源、环境、人口)的关系。本世纪70年代以前，人们对制造业着重强调的是成本和时间(生产率)这两大目标。70年代后，随着市场竞争的加剧，产品的质量成为影响竞争力的重要目标。进人90年代后，资源、环境和人口成为全球关注的三大问题，人们对这些问题的关注也反映到绿色制造的研究上。近年来国际上对制造的环境适应性问题越来越重视。绿色制造的环境性包含了许多内容，可归类如下：

1)生态环境影响绿色制造及其产品在整个生命周期中对生态环境造成的影响，如制造过程中产生的废气、废液、废物、噪声、辐射、产品寿命终结后的处置等对生态环境的影响。

2)资源综合利用绿色制造对自然资源特别是不可再生资源的综合利用和优化利用能力，包括生产过程可能要用到的原材料、能源、土地和水资源等的优化利用。

3)职业健康产品全生命周期过程中各个环节可能对劳动者职业健康造成的损害。 4)安全性产品全生命周期过程中各个环节因故障等原因产生的设备及其周围环境的不安全性。

进行绿色制造总体决策时，在保证其他决策目标的情况下，绿色制造所追求的环境影响目标为越小越好。

综上所述，绿色制造的五大目标都非常重要，它们之间存在着密切的联系、不可偏废，它们共同构成了绿色制造的总体决策目标。绿色制造中的任何一个决策问题都或多或少与上述5个决策目标变量中的某些或全部有关。当然，针对不同的具体制造系统而言，要同时达到五个决策目标的优化是困难的，只能根据具体制造系统的不同要求，采用多目标优化方法，求得最优解或满意解。

2.4.2 绿色制造的总体决策框架模型

（1）决策目标向量的构成

对前面所说的绿色制造的任一决策目标，一般情况下均包括复杂的组成部分，如环境问题包括废弃物污染E1、噪声干扰E2、粉尘污染Ei、„„、废气污染Ee等。因此可将以上各目标看成是由各组成部分组成的向量，如E可看成由e个组成部分（E1、E2、„、Ei、„）组成，即：

E(E1,E2,,Ee)

同理，其他各目标可表示为：

T(T1,T2,,Tt) （2-20）

（2-21）（2-22）

Q(Q1,Q2,,Qq) 一个决策问题可看作由若干类决策向量X、Y、„„组成；每一个决策向量X又包含若干个决策变量（x1、x2、„„xm），构成了各决策向量中的元素，于是整个决策问题的

决策变量可用如下决策向量组描述：

X(x1,x2,...,xm)Y(y,y,...,y)12n...C(C1,C2,,Cc) （2-23）

R(R1,R2,,Rr) （2-24）

（2）决策问题向量的构成

（2-25）

（3）技术经济模型的构成

绿色制造决策问题中的决策变量大多是与技术问题有关的，而绿色制造中的决策目标T、Q、C、E、R主要与经济和环境问题有关。因此，本文将联系决策变量和决策目标之间的模型称为技术经济模型，即：

TiTi(X,Y,...);i1~tQjQj(X,Y,...);j1~qCkCk(X,Y,...);k1~c ElEl(X,Y,...);l1~eRmRm(X,Y,...);m1~r （2-26）

技术经济模型体现决策变量到决策目标的映射关系，如图2-23所示：

决策目标决策变量X(x1,...xm)Y(y1,...yn)技术经济模型T(T1,T2,...)Q(Q1,Q2,...)C(C1,C2,...)R(R1,R2,...)E(E1,E2,...)

图2-23 决策变量到决策目标的映射示意图

因此，可建立绿色制造的决策框架模型如下：

T(T1,T2,Tt)Q(Q1,Q2,Qq) C(C1,C2,Cc)R(R1,R2,Rr)E(E1,E2,Ee)TiTi(X,Y,...);i1~tQjQj(X,Y,...);j1~q

CkCk(X,Y,...);k1~cRR(X,Y,...);l1~rllEmEm(X,Y,...);m1~eminTT(X,Y,...)maxQQ(X,Y,...)minCC(X,Y,...)minRR(X,Y,...)minEE(X,Y,...)s.t : g(X,Y,)0X(x1,x2,xm) （2-27）其中：Y(y1,y2,yn)绿色制造的五大决策目标集合组成了绿色制造规划、设计、运行的目标函数，由决策

变量到决策目标映射的技术经济模型为绿色制造的科学化、系统化的评价和决策提供了依据和条件。五大决策目标既各自相互独立，又相互紧密联系，因此应该以系统的观点去看绿色制造的总体决策框架模型，从而把握绿色制造的主要特征和内在联系。绿色制造的总体决策框架模型可以在绿色制造的决策过程中提供量化的分析结果，从而为决策提供辅助技术支持。

对绿色制造中的实际决策问题而言，一般情况下均或多或少地涉及到上述的五大制造决策目标，但有时为了突出重点，某些具体决策问题也只考虑其中有特别要求的那部分目标，其余目标只作定性参考，这样可使实际决策过程简化。

2.4.3 绿色制造的决策分析方法

在建立了绿色制造的总体决策框架模型后，需进行正确的决策分析，才能做出准确的决策。下面将介绍作者研究中常用的量化求解上述总体决策框架模型的几种有效分析方法：层次分析法和模糊综合评判法。

2.4.3.1 层次分析法由于绿色制造的复杂性，上述总体决策框架中的许多目标难以进行定量的计算和分析，许多问题只能定性分析和逻辑判断。如何将这些定性分析和逻辑判断进行量化，用数值计算结果为依据进行准确的决策呢？作者所在课题组经过对若干绿色制造总体决策案例的分析认为，层次分析法是解决这一问题的一种有效方法。

层次分析法（AHP）是美国著名运筹学家、匹兹堡大学A.L.Soaty于70年代初提出的，其实质是将决策主体对复杂系统的评价思维过程层次化和数学化。该方法以决策主体的定性分析和逻辑判断为主要依据，建立判断矩阵并通过一系列数学方法计算出各种侯选方案的重要度，从而选择重要度最大的方案作为最优方案。层次分析法体现了人们决策思维的基本特征：分解、判断、综合。

应用层次分析法进行决策的步骤如图2-24所示：

下面对应用层次分析法进行决策的各关键环节进行详细说明。

决策结果

决策问题构造层次结构模型建立判断矩阵层次单排序一致性检验是通过否一致性检验层次总排序是通过否图2-24 应用层次分析法进行决策的步骤

1. 建立决策层次模型

层次模型的最高层为决策总目标，是决策所要解决的问题。对于制造系统总体决策问题，该层就是要达到的总决策目标。

最高层的下层是由实现目标必须考虑的准则和每个准则所包含的具体指标组成，称为中间层。中间层一般有一层或多层。对于大多数制造系统总体决策问题，中间层的第一层就是各决策目标向量。

最底层为待排序的各类事物组成，如待比较的方案、侯选措施等。对于绿色制造总体决策问题，最底层就是决策向量及组成决策向量的决策变量。

例1：某企业拟引进一条新的生产线，有三种类型可以选择。要对此问题作出决策，可根据绿色制造总体决策框架模型，确定引进生产线要考虑的主要因素，即决策目标因素。从系统的角度引进生产线应考虑成本（价格）、质量、生产率、资源消耗和环境影响，即绿色制造的五大决策目标均应考虑，于是可建立层次分析模型如图2-25所示。

最高层Hs:引进生产线中间层A1：价格CA2：质量QA3：生产率TA4：资源消耗RA5：环境影响E最底层B1:生产线1B2:生产线2B3:生产线3 图2-25生产线决策问题的层次分析模型

最高层Hs:引进生产线中间层A1：环境影响EA2：资源消耗RA3:生产率最底层B1:生产线1B2:生产线2B3:生产线3 图2-26 经简化的层次分析模型

对此决策问题而言，上述五个决策目标应重点考虑环境影响、资源消耗和生产率。为简化此决策问题，可建立如图2-26所示的简化模型。

2. 建立判断矩阵

合理构成判断矩阵是层次分析法的关键。参与层次分析的人员应是对研究对象富有经验

并有判断能力的专家，他们应能对每一层次中各要素的相对重要性作出判断。

判断矩阵是以对上一层的某要素而言将本层次诸要素之间进行两两比较来确定的，其形式如下：

Hs A1 A2 . . . Ai . . . An A1 a11 a21 . . . ai1 . . . an1 A2 a12 a22 . . . ai2 . . . an2 „ Aj „ An a1n a2n . . . ain . . . ann „ a1j „ „ a2j „ . . . . . . . . . „ aij „ . . . . . . . . . „ anj „ 其中Hs为上一层的某要素，A1~An为本层次的诸要素，aij为对于Hs而言，Ai与Aj的相对重要性，且有：

aji=1/aij （2-28）

aij的值可根据表2-3所示的判断尺度确定。

表2-3 要素比较的判断尺度

判断结果对Hs而言，Ai和Aj同样重要对Hs而言，Ai比Aj略微重要一些对Hs而言，Ai比Aj明显重要对Hs而言，Ai比Aj重要得多对Hs而言，Ai比Aj极端重要介于上述两个相邻判断尺度的中间 aij 1 3 5 7 9 2，4，6，8 对例1所示决策问题，企业的决策者认为：生产线的资源消耗比环境影响略微重要一些，而环境影响又比生产率略微重要，资源消耗与生产率相比明显重要。则根据这一判断结果与判断尺度构造的判断矩阵为：

Hs A1 A2 A3 3. 层次单排序

层次单排序的目的是通过计算相对重要度对本层次的各要素相对于上一层的某要素进行重要度排序。相对重要度是本层次的某一要素Ai对于上一层某要素Hs的重要性权值。计算相对重要度的方法是先求出判断矩阵的特征向量Wi，特征向量的各个分量就是各要素对Hs的相对重要度。具体步骤为：

（1）计算判断矩阵每一行诸元素的乘积Mi

MiA1 1 3 1/3 A2 1/3 1 1/5 A3 3 5 1 aj1nij,(i,j1,2,...n) （2-29）

（2）计算Mi的n次方根

WinMi （2-30）

（3）对Wi进行归一化，得到各特征向量

WiWi/W(i1,2,,n) （2-31）

jj1n即 Ai（i=1，2，„，n）关于Hs的相对重要度为（W1，W2，…，Wn）。（4）计算判断矩阵的最大特征根

maxi1n(AW)inWii1n(AW)i （2-32） nWi

以例1为例，计算相对重要度的过程为： (1) 计算乘积及其方根

(2) 进行归一化处理：

1W131313W233152.47W331110.4135

10.25812.470.412.47W20.637

12.470.410.41W30.10612.470.41W1则各方案对Hs的相对重要度为（0.258，0.637，0.106）。 (3) 计算最大特征根λ

max

11/330.2580.788(AW)i3150.6371.941

1/31/510.1060.319maxn(AW)i(AW)i0.7881.9410.3193.037

nWnW30.25830.63730.106i1i1iin4. 一致性检验

在一般评价问题中，判断矩阵的值只是评价人的估计值，如果在估计时有误差，则必然

会导致判断矩阵的特征值和最大特征根也有偏差。设λmax为判断矩阵A的最大特征根，若A矩阵具有完全一致性，则maxn；否则maxn。于是为检验判断矩阵的一致性，建立了判断矩阵A的一致性指标：

CI(maxn)/(n1) （2-33）

当判断矩阵具有完全一致性时，CI=0。为了度量不同阶数判断矩阵是否具有满意的一致性，引进判断矩阵平均随机性指标RI。对于1～9阶的判断矩阵，RI值如表2-4所示。

表2-4 1～9阶判断矩阵RI值

阶数 n RI 1 2 3 4 5 6 7 8 1.41 9 1.45 0.00 0.00 0.58 0.90 1.12 1.24 1.32 于是，判断矩阵的一致性比例CR为

CR=CI/RI （2-34）

若CR<0.1，则认为判断矩阵有满意一致性，根据此判断矩阵而计算的相对重要度是可以接受的。若不满足这一条件，则需要重新修订判断矩阵，直至获得满意的一致性。

下面仍以例1为例，检验所建立的判断矩阵的一致性： CI= （λmax-n）/（n-1）=（3.037-3）/（3-1）=0.0185

CR=0.0185/0.58=0.0319<0.1

因此，判断矩阵A具有满意的一致性，前面所计算的相对重要度是可以被接受的。 5. 层次总排序

在计算了各层要素对上一层各要素的相对重要度后，即可从最上层开始，自上而下地求出当前层上各要素对于上一层次整体而言的综合重要度，即进行层次总排序。其计算过程如

下：

设A层有m个要素A1，A2，„，Ai，„，Am，它们关于上一层的综合重要度分别为a1，a2，„，ai，„，am。A的下层B有n个要素B1，B2，„，Bj，„，Bn，它们关于Ai的相对重要度分别为b1，b2，„，bj，„，bn，则B层要素Bj的综合重要度为：

iiiibjaibj,j1,2,...n （2-35）

ii1m即某一层的综合重要度是以上一层要素的综合重要度为权重的相对重要度的加权和。其计算通常以表2-5的格式进行。

表2-5 综合重要度的计算方法

bj Ai Bj B1 B2 . . . Bn iA1 A2 …… Am a1 a2 …… am b b „„ b b b „„ b . . . . . . . . . b b „„ b nnn12m1222m21121m1bj b1 b2. . abi1mmii1abi1ii2bnaibni1mi综合重要度计算公式表明，要计算某一层的综合重要度，必须先知道其上一层的综合重要度。因而综合重要度总是由上至下进行计算，第三层的综合重要度根据第二层的综合重要度计算，以此类推。

对于总排序的计算结果也需要进行一致性检验。设CI为层次总排序的一致性指标，RI为层次总排序的随机一致性指标，CR为层次总排序的随机一致性比例，则有：

CRCI/RI （2-36）

CIaCIii1mi （2-37）

其中 CIi，RIi为与ai对应的B层次中判断矩阵的一致性指标和随机一致性指标。若CR<0.1，则认为层次总排序的结果具有满意一致性，否则需要重新修订判断矩阵。

RIaRIii1mi （2-38）

2.4.3.2 模糊评价法

模糊评价法是运用模糊集理论对系统进行综合评价和决策的一种方法，可以获得各侯选方案优先顺序的有关信息。因此也是进行绿色制造决策分析的有效方法之一。应用模糊评价法进行综合评价和决策的主要步骤为：

（1）邀请有关方面的专家组成评价小组；

（2）通过讨论，确定系统评价项目集F，Ff1,f2,fn，并确定每一评价项目

的评价尺度集E，Ee1,e2,em。评价项目集也可以是一个多级递阶结构的集合；

（3）根据专家们的经验，或通过像层次分析法等方法，确定各评价项目的权重W，

Ww1,w2,wn；（4）按照已经制定的评价尺度，对各评价项目进行评定。这种评定是一种模糊映射。

即使对同一个评价项目的评定，由于不同评价人员可以作出不同评定，所以评价结果只能用第fi评价项目作出第ej评价尺度的可能程度的大小来表示。这种可能程度称为隶属度，记作rij。因为有m个评价尺度，所以对第i个评价项目fi有一个相应的隶属度向量Ri，Riri1,ri2,rijrim，i=1，2，…n。则替

代方案Ak的评价项目集的隶属度，可以用隶属度矩阵Rk如下：

kr11kr21Rkkri1krn1kr12r1kjkr22r2kjrik2rijkkrnk2rnjkdijr1kmr2km （2-39） krimkrnmk在矩阵Rk中，元素rkijd，式中d表示参加评价的专家人数，dij指Ak替代方

案第i评价项目fi作出第j评价尺度ej的专家人数。由此可见，rij值大，说明对fi作出ej评价的可能性就大。

（5）计算侯选方案的综合评定向量S。根据模糊集理论的综合评定概念，若已知

RkrijkSkS,SK1nm以及权向量WW1,W2,Wn，则Ak的综合评定向量

k,Sm可用模糊矩阵形式表示，即

K2SkWRk （2-40）

模糊综合评定向量Sk描述所有评价项目属于ej评价尺度的加权和。

（6）计算侯选方案A的优先度Nk，选择优先度最大的方案。Nk可用下式进行计算：

NkSkET （2-41）

根据各替代方案优先度N的大小，即可对各替代方案进行优先顺序的排列，为绿色制造的总体决策提供有用的信息。

2.4.4 绿色制造的决策案例分析

某机床厂生产的压力机床的床身原是由铸铁构成，因铸铁床身无论翻砂铸造还是在机械加工过程中，粉尘污染物较大，为适应ISO14000标准及国家有关企业环境管理法规的要求，现在拟采用钢板焊接床身代替铸铁床身，需按绿色制造的五大决策目标对其作出准确可信的决策。

机床床身采用铸造件还是采用钢板焊接件，是一个非常典型的决策问题，按照传统的决策仅从成本（C）、生产率（T）和质量（Q）等几方面考虑，而从资源和环境二方面考虑很少，作者拟从绿色制造的角度对此问题作出较系统的决策。

1) 确定决策变量

 用X(x1,x2)来描述此决策问题，其中x1代表铸造件床身，x2代表钢板焊接床身。于是有

 当X当X =（1，0）时，即采用铸件床身（x1=1），而不采用钢板焊接床身（x2=0）；

=（0，1）时，即不采用铸件床身（x1=0），而采用钢板焊接床身（x2=1）；

其中x1+x2=1

2) 确定目标变量及其构成（1）时间目标T

这里的时间T应指每一台压力机床床身从原材料购进后到完成全部加工后（可用于装配）的平均制造周期。它主要包括：

T1：床身毛坯制作时间，对铸件床身，还应包括分摊的型模制作和翻砂造型等时间，铸造件时效处理时间等。

T2：机械加工时间，它决定于加工工艺方式、工艺路线、原材料加工难易程度。 T3：热处理时间

T4：其他时间

则时间目标表示为：

TT1T2T3T4 （2-42）（2）质量目标Q

质量Q包括的内容很广。其中与本决策问题直接相关的问题主要有：床身的结构质量

Q1、加工质量Q2和功能质量Q3等。

质量目标可表示为：

QQ(Q1,Q2,Q3) （2-43）

（3）成本目标C

成本目标C包括的内容也很广。其中与本决策问题直接相关的问题主要有： C1：床身原材料成本 C2：制造加工成本

C3：能源消耗成本成本目标可表示为：

CC1C2C3 （2-44）（4）环境影响目标E

环境影响目标E是个非常复杂的问题。其中与本决策问题直接相关的环境影响要素包括：

E1：粉尘污染； E2：废气污染；

E3：冷部液水需污染；

E4：噪声污染；

环境目标表示为：

EE(E1,E2,E3,E4) （2-45）

（5）资源消耗目标R

与本决策问题直接相关的资源消耗要素是： R1：原材料消耗，包括种类、总量、利用率等； R2：能源消耗，包括种类、总量、利用率等；

R3：辅助资源：如刀具、冷却液、电焊条等；资源目标表示为：

RR(R1,R2,R3) （2-46）

3) 技术经济模型及其分析 (1）时间模型及其分析

这里的时间T恰好是各段时间之和，因此成为标量T。

4TT(x1,x2)Ti(X)Ti(x1,x2)4i1i14

（2-47）

对铸铁床身方案：T铁T(1,0)对钢板床身方案：T钢T(0,1)T(1,0)

iT(0,1)

ii1i14由于Ti(1，0) (i=1，2，3，4)和Ti(0，1) (i=1，2，3，4)均可定量求出，因而T铁和

T钢可比较准确地量化。另一方面，从直接分析可知，由于铸铁床身铸造周期很长。综合其

他几段时间分析并根据该厂实际情况可得出结论：

T铁T(1,0)T钢T(0,1)

但如果批量较大，平均铸造周期可缩短。

(2)质量模型及其分析

QQ(x1,x2) （2-48）

Q(x1,x2)难以量化，但可定性分析得知采用钢板焊接床身，可便于修改结构和加工后

Q铁Q(1,0)Q钢Q(1,0)

的改进和返工，更利于保证和提高产品质量，即 (3)成本模型及其分析

这里成本C也可看成标量C。

（2-49）

由于钢材价格远高于铸铁，钢板加工比较困难，刀具消耗大等多方面因素，通过综合分析，在产量有一定规模时

C铁C(1,0)C钢C(0,1)

i1i13CC(x1,x2)Ci(X)Ci(x1,x2)3 (4）环境影响

E难以量化，但可定性分析得知，铸造床身的粉尘污染，废气排放均远大于钢板焊接床身，噪声污染综合全过程考虑高于钢板床身，冷却液水雾污染小于钢板床身，即

E1(1，0)>>E1(0，1)； E2(1，0)>>E2(0，1) E3(1，0)E4(0，1)

综合上述结果，仍有

E(E1,E2,E3,E4)E(E1(x1,x2),E2(x1,x2),E3(x1,x2),E4(x1,x2))E铁E(1,0)E钢E(1,0)

(5)资源消耗

RR(R1,R2)R(R1(x1,x2),R2(x1,x2) （2-50）

R也是难以量化，但可定性分析得知，铸造床身因铸强度相对低，因而机身材料总量

相对要多，同时铸造过程要消耗掉较多的不可再生资源（煤或天然气等），因而总体上分析得

R铁R(1,0)R钢R(0,1)

4) 多目标优化和决策

因本决策问题的决策变量只有两种选择（1，0）和（0，1），因而最优化方案只需要在以下两种方案中选择一种即可。

方案AT(1,0),Q(1,0),C(1,0),E(1,0),R(1,0)(T铁,Q铁,C铁,E铁,R铁)方案BT(0,1),Q(0,1),C(0,1),E(0,1),R(0,1)(T钢,Q钢,C钢,E钢,R钢) 上述多目标优化问题，采用定量求解是困难，本文采用层次分析法求解。

首先建立如图2-27所示层次模型：

图2-27 优化选择床身结构的层次结构模型

优化选择床身结构(铸铁结构，钢板焊接结构）TQCER方案A铸铁床身方案B钢板焊接床身然后应用层次分析法进行决策，包括构造判断矩阵，进行层次单排序和层次总排序计算，具体过程为：

（1）准则层对目标层的判断矩阵及层次排序： A T Q C R E T 1 1 3 5 3 Q 1 1 2 3 2 C 1/3 1/2 1 2 1 R E Mi 1/45 1/12 3 60 3 Wi 0.4670 0.6084 1.246 2.268 1.246 Wi 0.0800 0.1043 0.2135 0.3887 0.2135 (AW)i 0.4244 0.5566 1.1576 2.1308 1.2576 1/3 1/5 1/2 1/3 1 2 1 1/2 1 1/2

λmax=5.330 CI=0.0825 CR=0.074<0.1 （2）措施层对准则T的判断矩阵及层次单排序：准则T 铸铁床身钢板床身铸铁床身 1 3 钢板床身 1/3 1 Mi 1/3 3 Wi Wi (AW)i 0.2500 0.5733 1.1506 0.7500 1.732 3.4519 λmax=2.0 CI=0 (判断矩阵完全一致)

（3）措施层对准则Q的判断矩阵及层次单排序：准则Q 铸铁床身钢板床身铸铁床身 1 1 钢板床身 1 1 Mi 1 1 Wi 0.5 0.5 Wi 1 1 (AW)i 1 1 λmax=2.0 CI=0(判断矩阵完全一致)

（4）措施层对准则C的判断矩阵及层次单排序：准则C 铸铁床身钢板床身铸铁床身 1 1/3 钢板床身 Mi 3 1 3 1/3 Wi Wi (AW)i 3.4519 0.7500 1.732 0.2500 0.5733 1.1506 λmax=2.0 CI=0(判断矩阵完全一致)

（5）措施层对准则R的判断矩阵及层次单排序：准则R 铸铁床身钢板床身铸铁床身 1 3 钢板床身 Mi 1/3 1 1/3 3 Wi Wi (AW)i 0.2500 0.5773 1.1546 0.7500 1.732 3.4639 λmax=2.0 CI=0(判断矩阵完全一致)

（6）措施层对准则E的判断矩阵及层次单排序：准则E 铸铁床身钢板床身铸铁床身 1 5 钢板床身 1/5 1 Mi 1/5 5 Wi Wi (AW)i 0.1663 0.4472 0.8944 0.8333 2.236 4.4720 λmax=2.0 CI=0(判断矩阵完全一致) （7）措施层对目标层的层次总排序：

T Q C R E 目标A 0.0800 0.1043 0.2135 0.2135 0.3887 铸铁床身钢板床身 0.2500 0.7500 0.5 0.5 0.7500 0.2500 0.2500 0.7500 0.1667 0.8333 总排序 0.3504 0.6496 层次 CI=0 (判断矩阵完全一致)

最后根据总排序的结果做出决策：选择钢板焊接床身的方案B优于选择铸造床身的方案A。

根据决策结果，该厂采用方案B，并因此而取得了较显著的综合效益（经济效益和社会效益）。实践证明，这种制造系统总体决策模型的应用是成功的。

2.5绿色制造集成特性及绿色集成制造系统[18]

2.5.1 绿色制造集成特性

绿色制造的集成特性是指领域的集成、问题的集成、效益的集成、信息的集成和过程的集成。

（1）绿色制造的领域集成

从绿色制造的定义可知，绿色制造涉及的问题领域包括三部分；1)制造领域，包括产品生命周期全过程；2)环境领域；3)资源领域。绿色制造就是这三大领域内容的交叉和集成，如图1-2所示。

（2）绿色制造的问题集成

绿色制造的内容涉及产品整个生命周期的所有问题，主要是“五绿”问题的集成，如图2-28所示。

绿色设计绿色材料绿色工艺绿色包装绿色处理图2-28 绿色制造实施中的主要问题

其中绿色设计是关键，这里的“设计”是广义的，它不仅包括产品设计，也包括产品的制造过程和制造环境的设计。绿色设计在很大程度上决定了材料、工艺、包装和产品寿命终结后处理的绿色性。

（3）绿色制造的效益集成

绿色制造不仅是一个社会效益显著的行为，也是企业取得显著经济效益的有效手段。例如，实施绿色制造，可最大限度地提高资源利用率，减少资源消耗，可直接降低成本；同时，实施绿色制造，减少或消除环境污染，可减少或避免因环境问题引起的罚款；并且，绿色制造环境将全面改善或美化企业员工的工作环境，既可改善员工的健康状况和提高工作安全性，减少不必要的开支；又可使员工们心情舒畅，有助于提高员工的主观能动性和工作效率，以创造出更大的利润；另外，绿色制造将使企业具有更好的社会形象，为企业增添了无形资产。因此，对待绿色制造，不应该被动地遵守政府或社会道德方面作出的规定，而应该把绿色制造看作是一种战略经营决策，即实施绿色制造对企业是一种机遇，而不是一种不得已而为之的行为。例如，最近有的城市规定汽车尾气排放量超过一定量者，不能进入主城区。这样，这类汽车在主城区的市场不得不让出来，而给尾气排放量小的汽车厂带来了机遇。当然，

绿色制造本身需要一定的投入，从而增加了企业的成本。因此，根据实际情况，对绿色制造的效益与成本进行对比分析，从而确定绿色制造的经济效益。综上所述，绿色制造的效益是社会效益和经济效益的集成。

（4）绿色制造系统中的信息集成

绿色制造系统除了涉及普通制造系统的所有信息及其集成考虑外，还特别强调与资源消耗信息和环境影响信息有关的信息应集成地处理和考虑，并且将制造系统的信息流、物料流和能量流有机地结合，系统地加以集成和优化处理。

（5）绿色制造的过程集成绿色制造所揭示的概念表明，绿色制造覆盖了产品生命周期的每一过程，是基于数据库及其数据交换标准的产品多生命周期的集成，如图2-29所示。

营销和市场调研使用寿命结束时的处置和再生利用产品设计和开发物料资源供应使用支持和服务产品数据库及数据交换标准销售和分发制造生产包装和储存

图2-29 绿色制造的过程集成

（6）绿色制造的社会化集成

绿色制造是个复杂的系统工程，需要全社会的参与和社会化的集成。如： 1)法律行为、政府行为和企业行为的集成绿色制造本身是一种企业行为，但要使企业真正将绿色制造作为自觉的企业行为，法律行为和政府行为必须先行一步。绿色制造涉及的法律行为和政府行为首先是立法和行政法规的问题。当前，这方面的法律和行政规定对绿色制造行为还不能形成有力的支持，对相反行为的惩罚力度也不够。例如，一些企业通过大量消耗资源和牺牲环境可取得很大利润；环境污染方面的惩罚力度不够，企业即便承担罚款也照常可取得利润，因而对防治环境污染积极性不高。立法问题现在已愈来愈受到各个国家的重视，关于环境污染和资源消耗的一些法规已经和正在出台，例如，我国正在起草《中华人民共和国资源综合利用法》，将对资源优化利用和综合利用问题作出法律上的规定。这将有力地推动绿色制造的实施。其次，政府还可制定经济政策，用市场经济的机制对绿色制造实施导向。例如，制定有效的资源价格政策，利用经济手段对不可再生资源和虽可再生但开采后会对环境产生影响的资源(如树木)严加控制，使企业和人们不得不尽可能减少直接使用这类资源，转而开发其它替代资源。城市的汽车废气污染是一个十分严重的问题，政府可以对每辆汽车年检时，测定废气排放水平，收取高额含污染废气排放费。这样，含污染废气排放量大的汽车自然没有销路，市场机制将迫使汽车制造厂生产绿色汽车。2)企业、产品、用户三者之间的新型集成关系。企业要真正有效地实施绿色制造，必须考虑产品寿命终结后的回收和处理，这就可能形成企业、产品、用户三者之间的新型集成关系。有人建议，需要回收处理的主要产品(汽车、冰箱、空调、电视机等)，用户只买了其使用权，而企业拥有所有权而且必须进行产品报废后的回收处理。

2.5.2 绿色集成制造系统

（1）绿色集成制造系统的提出

由绿色制造的内涵和绿色制造的集成特性可知，绿色制造是一个复杂的系统工程。它的一系列集成特性表明，集成是绿色制造的关键特性。由于人类可持续发展的需要，现代制造系统必须是绿色制造系统；另一方面，绿色制造的集成特性要求绿色制造系统必然是一个集成制造系统。综上所述，提出了“绿色集成制造系统”这一新概念，并将其定义如下；绿色集成制造系统(Green Integrated Manufacturing Systems，GIMS)是一种可持续发展的企业组织、管理和运行的新模式。它综合运用现代制造技术、信息技术、自动化技术、管理技术和环境技术，将企业各项活动中的人、技术、经营管理、物能资源和生态环境，以及信息流、物料流、能量流和资金流有机集成，并实现企业和生态环境整体优化，从而达到产品上市快、质量高、成本低、服务好、环境影响小，使企业赢得竞争，取得良好经济效益和社会效益。

（2）绿色集成制造系统的系统构成框架

从系统功能角度看，绿色集成制造系统(GIMS)包括管理信息系统、绿色设计系统、制造过程系统、质量保证系统、物能资源系统、环境影响评估系统等六个功能分系统，计算机通信网络系统和数据库/知识库系统等两个支持分系统以及与外部的联系，如图2-30所示。

市场信息、销售服务信息技术信息管理信息分系统制造绿色过程设计分系分系统计算机通信网络分系统统环境评估分系统数据库/知识库分系统质量保证分系统物料资源分系统能源产品原材料

图2-30 GIMS的构成框图

下面对八个分系统中，与绿色制造直接相关的几个分系统作一简要说明。（1）绿色集成制造系统（GIMS）中的绿色设计系统，除包括一般现代集成制造系统(CIMS)中的工程设计自动化系统的有关内容(如CAD、CAPP、CAM等)外，还特别强调绿色设计。绿色设计是指在产品及其生命周期全过程的设计中，充分考虑对资源和环境的影响，在考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时，优化各有关设计因素，使产品及其制造过程对环境的总体影响减到最小。绿色设计又称为面向环境的设计(Design for Environment，DFE)。其主要内容如图2-31所示。

绿色设计面向环境的产品设计面向环境的制造环境设计或重组面向环境的工艺设计面向环境的产品包装方案设计面向环境的产品回收处理方案设计产品能方案设计产品结构设计图2-31 绿色设计的主要内容框架

（2）物能资源系统主要包括以下三方面内容：一是面向环境的产品材料选择。面向环境的产品材料选择即是要在产品设计中尽可能选用对生态环境影响小的材料，即选用绿色材料。

二是面向产品生命周期和多生命周期的物流系统，如图2-32所示。

原材料开采原材料生产制造加工过程产品装配产品使用及维修产品寿命终结处理拆卸Min不可再生废弃物其材料可再生的零部件可修补或改制的零部件可重用的零部件图2-32 面向产品生命周期和多生命周期的物流系统

三是能量流系统能量流系统包括能量的种类、消耗状况(各消耗环节的构成、利用率、损耗率等)、对环境的影响等。

（3）制造过程系统制造过程系统，除包括一般制造系统中制造过程系统的有关内容外，还特别强调绿色性的制造过程，即清洁化生产过程。

（4）环境影响评估系统环境影响评估系统的内容主要包括；1)制造过程物料资源的消耗状况；2)制造过程能源的消耗状况；3)制造过程对环境的污染状况；4)产品使用过程对环境的污染状况；5)产品寿命终结后对环境的污染状况。

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