一種焊接工藝資源環(huán)境綜合評價(jià)方法及應(yīng)用

1、 一種焊接工藝資源環(huán)境綜合評價(jià)方法及應(yīng)用 張華 王棟梁 鄢威 史夢成Summary：針對量大面廣的焊接工藝過程原材料、能源消耗大，環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，提出了一種基于組合權(quán)證與TOPSIS的焊接工藝資源環(huán)境屬性評價(jià)方法。首先，基于焊接工藝流程框架，構(gòu)建了焊接工藝資源環(huán)境屬性綜合評價(jià)指標(biāo)體系;其次，提出了基于AHP-熵值法的評價(jià)指標(biāo)主觀/客觀權(quán)重量化方法，利用TOPSIS法計(jì)算最終評價(jià)值與評價(jià)區(qū)間;最后，通過以某工件焊條電弧焊工藝資源環(huán)境屬性評價(jià)案例分析，對上述方法的有效性和實(shí)用性進(jìn)行了驗(yàn)證。Key：焊接工藝;AHP-熵值法;評價(jià)指標(biāo)模型;TOPSIS法;綜合評價(jià)：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ：10

2、01-2003（2021）01-0054-05DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.01.080 前言焊接因其成本低廉，操作簡單，連接可靠，適用于各種工作環(huán)境和各種厚度、結(jié)構(gòu)形狀的金屬材料，成為了工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的加工方法。但是焊接會(huì)消耗大量的電能并產(chǎn)生多種有害氣體、煙塵和光輻射，資源消耗和環(huán)境污染排放非常大。隨著工信部確立“ 中國制造2025 ”目標(biāo)以來，關(guān)于重點(diǎn)發(fā)展綠色制造的理念深入人心1。對加工過程進(jìn)行綠色性評價(jià)是實(shí)施綠色制造的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)工作，這對于提高加工過程的綠色性，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)高效循環(huán)的發(fā)展具有重要的作用。隨著綠色制造理論的不斷發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者對焊

3、接工藝的綠色性做了大量的研究。例如：張華2等人通過分析不同工藝及材料下焊接工藝的物料資源消耗特性、能量資源消耗特性和環(huán)境排放特性，對資源環(huán)境消耗進(jìn)行探討并設(shè)計(jì)基于資源環(huán)境屬性的焊接工藝清單分析表;鄢威3等人構(gòu)建了電弧焊工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化模型，利用自適應(yīng)進(jìn)化梯度小生境遺傳算法尋求最優(yōu)解;謝玉婷4等人分析焊接工藝的資源環(huán)境屬性，在此基礎(chǔ)上建立一種層次分析和模糊評價(jià)相結(jié)合的綜合評價(jià)方法，從而分析出對焊接工藝中資源和環(huán)境影響最大的因素。蘇勇5等人運(yùn)用熵權(quán)算法和生命周期分析方法進(jìn)行焊接方法評價(jià)，以多種影響因素為準(zhǔn)則進(jìn)行熵權(quán)綜合評價(jià)，確定合適的焊接方法。馬達(dá)6根據(jù)資源消耗和排放提出一種組合評價(jià)方法，對綠色

4、焊接工藝進(jìn)行評價(jià)，并開發(fā)出綠色焊接工藝評價(jià)系統(tǒng)。在上述的焊接研究中評價(jià)指標(biāo)的選取具有一定的不完整性，且權(quán)重的選擇一般很難保證評價(jià)的客觀性，評價(jià)結(jié)果只能反映出整個(gè)制造過程的綠色性，無法看出具體加工工藝的綠色性。文中通過對焊接工藝進(jìn)行分析，提出了一種綠色性評價(jià)方法，采用一種組合權(quán)-TOPSIS評價(jià)方法建立了焊接工藝綠色性評價(jià)指標(biāo)體系，并通過實(shí)際案例進(jìn)行了驗(yàn)證分析，結(jié)果證實(shí)了該評價(jià)體系的有效性和實(shí)用性。1 焊接工藝資源環(huán)境評價(jià)指標(biāo)體系的建立焊接工藝通常是指焊接過程中的一整套技術(shù)規(guī)定，包括焊接方法、焊前準(zhǔn)備、焊接材料、焊接設(shè)備、焊接順序、焊接操作、工藝參數(shù)以及焊后熱處理等7。其具體的加工工藝如圖1所示

5、。焊接會(huì)消耗一定的資源，產(chǎn)生一定種類和數(shù)量的環(huán)境污染排放物，并且各個(gè)加工設(shè)備的操作安全系數(shù)不一樣，因此，焊接工藝資源環(huán)境評價(jià)指標(biāo)的選取關(guān)系到最終的評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性?；谙牡哪茉春彤a(chǎn)生的環(huán)境污染排放物，以及加工設(shè)備操作安全性，確定焊接工藝資源環(huán)境評價(jià)指標(biāo)。參考綠色制造工藝數(shù)據(jù)庫，將評價(jià)指標(biāo)體系分為三個(gè)層次，具體的評價(jià)指標(biāo)體系如圖2所示。2 基于AHP-熵值法和TOPSIS法的焊接工藝資源環(huán)境評價(jià)方法2.1 評價(jià)指標(biāo)由圖1和圖2可知，對焊接工藝資源環(huán)境的評價(jià)共有10個(gè)評價(jià)指標(biāo)，它們的數(shù)值分別用y11，y12，y27表示。假設(shè)對m個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)指標(biāo)體系中共有n個(gè)評價(jià)指標(biāo)，那么它們可以構(gòu)成原始

6、數(shù)據(jù)矩陣R=（rij）mn，其中rij表示第i個(gè)項(xiàng)目的第j個(gè)指標(biāo)值。不同的數(shù)據(jù)類型對評價(jià)結(jié)果有不同的影響，采用極差法對原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。其中的評價(jià)指標(biāo)可以分為成本型指標(biāo)和效益型指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：成本型指標(biāo)：效益型指標(biāo)：在焊接工藝中，原材料、能源和環(huán)境都屬于成本型指標(biāo)，其值越小越好8。根據(jù)上述公式計(jì)算后可得歸一化的標(biāo)準(zhǔn)矩陣：A= （aij）mn。2.2 確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重構(gòu)造加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范矩陣在多目標(biāo)決策的評價(jià)體系中權(quán)值的確定將決定決策結(jié)果的準(zhǔn)確性，在實(shí)際確定指標(biāo)權(quán)重時(shí)，一方面要強(qiáng)調(diào)與相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)有關(guān)的主觀權(quán)重，另一方面要重視反映指標(biāo)信息量大小的客觀權(quán)重，因此為了使評價(jià)的結(jié)果更

7、加準(zhǔn)確，采用由AHP主觀賦權(quán)和熵值客觀賦權(quán)線性組合而形成的組合賦權(quán)法9。2.2.1 層次分析法確定主觀權(quán)重將焊接工藝的綠色性評價(jià)分為三個(gè)層次：目標(biāo)層為最終的資源環(huán)境評價(jià)結(jié)果，準(zhǔn)則層為資源消耗和環(huán)境污染排放，指標(biāo)層包括焊條、烘焙能耗、焊機(jī)能耗、CO、CO2、SO2、粉塵、廢渣、噪聲、弧光射線。由專家根據(jù)現(xiàn)場的具體情況按照九級標(biāo)度法對同一級別的評價(jià)指標(biāo)相對于上一級別指標(biāo)的相對重要性進(jìn)行打分，構(gòu)建相應(yīng)的判斷矩陣，再對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)得到最終的主觀權(quán)重rj =（r1，r2，rn）（j=1，2，n）。2.2.2 熵權(quán)法確定客觀權(quán)重熵是一種在信息論中用來描述系統(tǒng)不確定程度的度量。如果系統(tǒng)的不確定程度

8、越高，則熵值越大，系統(tǒng)所包含的信息量就越小，反之則系統(tǒng)所包含的信息量就越大。熵權(quán)在用來評價(jià)指標(biāo)權(quán)重時(shí)具有一定的客觀性，它只與系統(tǒng)所提供的原始數(shù)據(jù)有關(guān)10。熵權(quán)法確定客觀權(quán)重的步驟如下：第一步，計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)下的第i個(gè)項(xiàng)目占該指標(biāo)比重：第二步，計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值A(chǔ)j：式中 k=1/lnn，使得0Aj1，方便后續(xù)處理。如果Pij=0，則定義lim Pijln （Pij）=0。第三步，計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)：2.2.3 組合賦權(quán)確定指標(biāo)權(quán)重采用線性組合賦權(quán)法，將AHP求得的主觀權(quán)重和熵值法求得的客觀權(quán)重線性疊加，得到最終組合權(quán)重計(jì)算公式如下：由以上得到的標(biāo)準(zhǔn)矩陣A和最終計(jì)算得到的組合權(quán)重向量wj可以

9、得到標(biāo)準(zhǔn)化的加權(quán)矩陣Z：2.3 TOPSIS法綜合評價(jià)TOPSIS的全稱是“ 逼近于理想值的排序方法 ”，根據(jù)多個(gè)指標(biāo)、對多個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行比較選擇的分析方法11。這種方法的中心思想在于首先確定各項(xiàng)指標(biāo)的正理想值和負(fù)理想值。所謂正理想值是一設(shè)想的最好值（方案），它的各個(gè)屬性值都達(dá)到各候選方案中最好的值，而負(fù)理想解是另一設(shè)想的最壞值（方案），然后求出各個(gè)方案與正理想值和負(fù)理想值之間的加權(quán)歐氏距離，由此得出與理想解相對接近程度Ti，最后根據(jù)Ti值來評價(jià)方案的優(yōu)劣。2.3.1 計(jì)算評價(jià)對象與最優(yōu)水平和最劣水平間的距離由上述標(biāo)準(zhǔn)矩陣A加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化得到標(biāo)準(zhǔn)化的加權(quán)矩陣：Z= （zij）mn。計(jì)算正理想解：計(jì)

10、算負(fù)理想解：式中 J1為效益指標(biāo)的集合;J2為成本型指標(biāo)的集合。待評價(jià)對象與正理想解的歐式距離為：待評價(jià)對象與虛擬點(diǎn)向量的歐式距離為：2.3.2 評價(jià)結(jié)果計(jì)算焊接工藝與理想解的相對貼進(jìn)度Ti為：貼進(jìn)度Ti越接近1，代表焊接工藝越符合綠色制造要求，Ti進(jìn)行百分制轉(zhuǎn)換后確定等級如下表1所示12。3 實(shí)證研究文中案例選取了某工件的焊條電弧焊工藝，焊接工藝資源環(huán)境評價(jià)是該項(xiàng)目的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，根據(jù)機(jī)械加工工藝數(shù)據(jù)庫和焊接工藝獲取了工件焊接的評價(jià)指標(biāo)具體數(shù)據(jù)，用上述評價(jià)方法對其資源環(huán)境屬性進(jìn)行分析、評價(jià)。運(yùn)用MATLAB等運(yùn)算工具對采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其具體的計(jì)算過程如下。3.1 確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重構(gòu)造

11、加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)矩陣本項(xiàng)目中的數(shù)據(jù)指標(biāo)直接從生產(chǎn)車間利用傳感器等設(shè)備收集，某次測量的工件焊條電弧焊的焊接數(shù)據(jù)如表2所示。按設(shè)定的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，定性指標(biāo)邀請五位專家按照九分制標(biāo)準(zhǔn)打分，可直接得標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)矩陣A：首先采用層次分析法確定主觀權(quán)重。由層次分析法打分構(gòu)造判斷矩陣并對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，得到各二級評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重及一級評價(jià)指標(biāo)的總權(quán)重值如表3所示。則評價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重向量：rj =（0.134，0.062，0.138，0.176，0.165，0.087，0.077，0.053，0.024，0.084）。然后根據(jù)熵值法確定評價(jià)指標(biāo)的客觀權(quán)重。通過式（3）式（5）求得指標(biāo)的客觀權(quán)重：aj=（0.152，

12、0.061，0.126，0.166，0.172，0.092，0.085，0.045，0.031，0.070）。將得到的主觀權(quán)重和客觀權(quán)重通過式（6）線性組合得到評價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重：w1= （0.166，0.031，0.142）w2= （0.238，0.231，0.065，0.053，0.019，0.006，0.048）w= （0.339，0.661）根據(jù)組合權(quán)重及式（7），得到加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Z：3.2 改進(jìn)TOPSIS法綜合評價(jià)確定焊接工藝綠色性的正負(fù)理想解。采用改進(jìn)TOPSIS法，用九分制進(jìn)行打分，根據(jù)式（8）、式（9）及各指標(biāo)的權(quán)重可得評價(jià)指標(biāo)加權(quán)絕對正、負(fù)理想解分別為：z+=（1.494

13、，0.277，1.275，2.143，2.082，0.587，0.480，0.175，0.055，0.431）z-=（0.166，0.031，0.142，0.238，0.231，0.065，0.053，0.019，0.006，0.048）計(jì)算二級指標(biāo)的相對貼近度，根據(jù)式（10）、式（11）和式（12）計(jì)算待評價(jià)項(xiàng)目二級指標(biāo)與正理想解和負(fù)理想解的歐式距離及相對貼近度，計(jì)算結(jié)果如表4所示。計(jì)算焊接工藝總的相對接近程度。計(jì)算待評價(jià)項(xiàng)目的總的相對貼近度，計(jì)算結(jié)果如表5所示。通過對該工件焊條電弧焊工藝的綜合評價(jià)結(jié)果可知，總的相對貼近度為0.548 2，說明該工件焊條電弧焊工藝的綠色性良好，符合綠色生產(chǎn)的

14、基本要求。從該二級評價(jià)指標(biāo)來看，環(huán)境污染排放貼進(jìn)度比較高，說明該工件焊條電弧焊工藝對環(huán)境的污染較低;但在資源消耗方面的相對貼近度比較低，需要改善相關(guān)的加工工藝，提高焊接工藝的綠色性水平。4 結(jié)論以焊接工藝的資源消耗量和環(huán)境污染排放量為基礎(chǔ)，構(gòu)建了焊接工藝的綠色性綜合評價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用AHP-熵值法組合賦權(quán)確定評價(jià)指標(biāo)體系的權(quán)重，通過TOPSIS法對焊接工藝進(jìn)行資源環(huán)境評價(jià)。該評價(jià)方法充分考慮了專家意見和客觀的數(shù)據(jù)，評價(jià)結(jié)果較為客觀和準(zhǔn)確。將此評價(jià)體系應(yīng)用到某工件的焊條電弧焊工藝，評價(jià)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相符，證明此方法是高效可行的。以焊接工藝為基礎(chǔ)確立評價(jià)指標(biāo)體系，可以從各個(gè)工藝評價(jià)結(jié)果和總的評價(jià)結(jié)

15、果看出焊接工藝的資源環(huán)境屬性，對提高焊接工藝的綠色性水平具有一定的指導(dǎo)意義。Reference：中國制造2025A.工業(yè)4.0與中國制造2025第204場中國工程科技論壇暨2015智能制造國際會(huì)議論文集C. 2015：136-160.張華，鄢威，江志剛.基于綠色制造的焊接工藝資源環(huán)境屬性研究J.制造技術(shù)與機(jī)床，2012（12）：60-63.鄢威，張輝，張華，等.面向節(jié)能高效的電弧焊工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化方法J.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2015，21（12）：3174-3181.謝玉婷，張華，鄢威.基于綜合評價(jià)的焊接工藝資源環(huán)境屬性分析J.電焊機(jī)，2014，44（3）：126-129.蘇勇，王琳，馬軍.

16、基于生命周期分析的焊接方法評價(jià)J.機(jī)械工程師，2015（5）：107-109.馬達(dá). 基于組合評價(jià)方法的綠色焊接工藝規(guī)劃評價(jià)及系統(tǒng)D.湖北：武漢科技大學(xué)，2010.彭友祿.焊接工藝（第1版）M.北京：人民交通出版社，2002：2.王賢琳，張華，宋佳佳.綠色制造企業(yè)一體化標(biāo)準(zhǔn)體系的多目標(biāo)決策與組合評價(jià)J.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（9）：244-246.陸添超，康凱.熵值法和層次分析法在權(quán)重確定中的應(yīng)用J.電腦編程技巧與維護(hù)，2009（22）：19-20，53.杜彥斌，曹華軍，劉飛，等.基于熵權(quán)與層次分析法的機(jī)床再制造方案綜合評價(jià)J.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2011，17（1）：84-88.Tian G，Zhang