第 4 章 汽车企业绿色制造关键技术研究
4.1 绿色设计技术
绿色设计,通常也称之为生态设计(E D)、生命周期设计( L C D)、环境设计( D FE)、或环境意识设计( E C D)等[33]。
绿色设计技术发展已经有一段时间了,它的总体思想也逐渐变得清晰了,那就是要在产品的整个生命周期中,从设计到生产制造等各个环节,着手于防止环境污染,节约能源和资源[34]。经验教训表明先污染后处理的末端处理方法是不科学的,生产产生环境污染之后再采取治理措施为时已晚,投入再大也于事无补。归纳起来,绿色设计是在保证产品原有的功能,不影响使用寿命的前提下来考虑产品整个生命周期内对环境的影响,包括可拆卸性、可回收性、循环利用的一种科学而环保的设计。
绿色设计重视用科学的可持续发展的观点对产品进行系统性的分析与评价,同时从在产品开发初期就对其进行评价,减少对环境的不良影响,直接将“3R”模式引入产品开发阶段,并鼓励无废物设计[35]。但“完全”的绿色设计只是理论上的,在实际生产中是不可能实现的,但降低产品的环境影响、污染排放、资源消耗是实际获得的利益。
绿色设计的研究内容很宽,本文从绿色设计关键技术、绿色材料、绿色工艺规划、面向拆卸和回收的绿色设计、绿色包装及处理等方面建立绿色设计的研究体系[36]。
(1)绿色设计关键技术
从研究角度上来说,整个汽车生产过程中会有很多需要注意的方向,但是会环境会造成哪些影响,会不会带来污染,对资源的利用率怎么样,会不会存在浪费情况等关键性问题是绿色设计重点关注的,其面临的挑战和需要解决的关键问题是如何有效地对环境影响和资源利用问题进行综合评价、分析,进而指导设计,得到经济、技术和环境性能综合效果最优的产品。
(2)汽车产品的绿色材料
汽车产品生产过程包含多种环节,而准备原材料是的首要任务。显而易见,污染物与原材料有着密不可分的关联,为保证最大化地减少污染物的产生,在产品生产过程中应有针对性的选择原材料。对于某种产品的生产来说,材料的选择将由很多的因素决定,但不能危害环境,或者污染后再处理是必要前提。生产的产出率和废物的产生量与原材料的质量有很大关系,因此其对生产也非常重要。如果原材料的质地不好,不合格的产品就会产生,同时一些预料不到的情况也会出现,这样不仅将增大投入来运输原材料和废物,同时还加大了处理废物的难度与成本。
绿色材料选择技术是一个相当复杂的问题,主要表现在综合性和系统性两个方面。
第一,没有明确指明绿色材料,在选择时难度不小。第二,绿色性只是选择材料考虑的一个方面,还需从产品的功能、成本、质量等多个角度去选择材料,这样综合考虑就会增加材料选择的难度。
论文的绿色原材料选择方法是基于 AHP 方法提出的,如图 4.1。【1】
由措施层、准则层以及目标层组成了层次分析法的框架。措施层提供绿色原材料的选择范围,好似一个数据库。准则层用于判断材料是否是绿色材料,总共有六大模块,E(环境影响):对环境的影响来自于原材料本身、制造过程、使用过程;R(资源消耗):资源的消耗主要来自原材料的消耗、生产制造;S(客户满意):是指消费者对汽车的满意程度有多少来自于原材料的选用;C(成本):所有设计过程中产生的费用,包括加工生产、材料、后期处理等成本;Q(质量):指材料的质量,以及汽车整车质量受其的影响程度;T(时间):包括制造周期、采购周期。目标层就表示选择的材料,是该模型需要达到的目标。
(3)汽车制造的绿色工艺规划
从很多的研究和实验可以看出,能源和材料的消耗以及对环境的影响在很大程度上将决定于产品制造过程的工艺方案。绿色工艺规划一般情况下,会在设计刚刚开始的时候也就是在设计初始阶段出现,是清洁生产技术的关键步骤,它也有连接清洁生产与绿色产品设计的作用。绿色生产工艺规划就是对怎样获得对环境污染小、废物少、产物无毒性、能源消耗低的工艺方案和工艺路线的研究。
绿色工艺规划的目的是为了改善各个环节的特性,包括减少环境影响,优化工艺过程,其中环境影响主要有废弃物的排放(废液、废气、废渣),另外也包括对职业健康与安全的不利影响;资源消耗的方式多种多样,物料的使用、能量的使用、人力的投入以及其他辅助产品的使用,这些都是资源消耗[37]。并非否定传统工艺规划,相反,面向绿色制造的工艺规划是在传统工艺规划的基础上的一种延伸和发展,是一种使得零部件制造过程具有更好的资源及环境属性的辅助手段。
在整个汽车制造业发展的大背景下,随着科学技术的快速发展和社会的变革,许多传统的工艺方法陆续被新型高效的先进工艺和方法所替代,产品更新换代较快的同时产品废弃的速度同样加快了。因此,为了适应这样的发展,汽车企业也需要重视材料回收利用,资源重复利用的绿色化进程,而这一进程的快速实现就需要科学的绿色制造系统以及对环境很少有危害的工艺技术。
为了实现汽车企业的绿色制造,同时考虑到汽车制造业生产制造的主要特点,提出的绿色工艺应该具有几个方面的特点:标准化生产;选材慎重,尽量避免使用不可再生资源;培养设计人员的环境意识,简化和优化工艺流程;改变生产设备,在控制技术上也要追求进步;尽量选择可重复利用的原材料;建立生产对环境影响,以及对人体健康乃至整个生态系统的评价系统,是汽车企业实现绿色工艺的主要途径。
通过下文中的体系结构可以直观地表示绿色制造工艺规划,可以进一步对其有一个全面的总体认识,而这个体系结构主要是由生产技术途径、产品工艺输入、工艺的规划以及实施流程、工艺输出、企业设定的目标等模块构成。【2】
使得生产出来的零件满足“优质、高产、低成本”的要求,这就是以前的工艺规划想要达到的目的;传统规划的目的仅仅是产品绿色制造的一部分要求,另外“健康、清洁、低耗”这方面的要求也已经纳入了现代工艺规划的目标,所以这就使得现代工艺规划在吸收继承传统工艺规划的同时,需要超越和改进,体现了它的全面性与复杂性,可以选择从产品工艺规划、产品工艺流程规划、产品工艺参数设计、工艺装备的改进和创新、原材料的选择等方面去着手改进。
面向绿色制造工艺规划与传统工艺规划的区别还表现在另一些方面,对每一个环节的设计都需要针对环境的影响、资源的消耗做出合理地评价,并且通过生产图纸、企业生产的能力(包括设计制造水平,设备的先进程度,操作人员的素质等),产品的使用物料的选用,生产总体纲领对产品生产过程中所使用的工序、所使用的加工设备、制造工具、产品尺寸等方面进行系统详细的规划设计,然后将各个环节针对以上所述的内容进行评价,输出结果并反馈回去,在原来的工艺规划基础之上做最合适的改进、调整,得到满足要求的工艺规程以及系统文件。
(4)面向拆卸和回收的绿色设计
为了达到减少或避免废弃物的产生,节约资源和环境绿色保护的目的,在产品设计的初始阶段,产品的可拆性、可回收利用、制造工艺性能好将作为绿色设计的一个重要目标。具有易于拆卸、产品废弃之后可以回收利用的特性的结构将会是设计方案的首选,而链装结构就拥有的这样的特性。
目前,产品绿色设计将可拆卸性作为其中一个重要的因素,而可拆卸设计的主要方法有两种,其中的一种是计算机辅助可拆卸设计,余下的一种是基于“典型图谱”的可拆卸性设计[38]。而后者为新产品的开发设计提供参考,这种结构图谱是根据建立在成组设计之上的模块化设计,按连接方法、产品的种类等不同方式进行分门别类,然后利用连接结构的可拆卸性能形成结构图谱。而前者就是将这一过程交给计算机完成,然后根据其完成的结果进行评价,并提出适当的修改意见。
(5)汽车产品的绿色包装与处理
绿色包装又称为“环境友好包装”或生态包装,其重要目的是减少资源的消耗与对环境的污染,其实现途径是使用无毒害的包装材料、可再生利用的资源、包装方案的合理设计。为达到之一目标,产品的包装将从材料的选取,生产加工方法,废弃后的重新使用等方面进行限制与优化。
绿色包装有多个方面的含义,应注意多个方面的问题,一般可从以下几个重要的点进行阐述:包装应尽可能减少(Reduce);包装应易于重复利用(Reuse)或易于回收再生(Recycle);包装废弃物可降解腐化(Degradable)。Reduce、Reuse、Recycle、Degradable是现代绿色设计的标准[39]。
所以,简化产品包装,减少资源消耗,减轻环境污染,回收利用废弃物,改进汽车的结构,简化结构,减轻质量,以及选择环境友好型的材料是汽车制造企业产品绿色包装要完成的任务,为完成绿色化这个版画贡献力量。
除此之外,环境污染及资源消耗还包括运输、储存过程中的情况,因此在进行绿色设计的时候,也应该减小产品重量、缩小体积,以实现在运输过程中杜绝跑、滴、冒、漏等不期望的行为。
汽车企业绿色处理技术是绿色设计的一个重要的技术支撑,其目标是避免造成环境污染并导致资源浪费,其方法是在汽车产品生命周期终结后,要对其进行回收处理。
回收利用也是绿色设计的一个相对重要的模块,是指在产品生产加工的过程中,将输出的废料或者过剩流失的材料作为加工的原材料,或者作为其他生产过程中的原材料进行重新利用,形成从原材料到废料再到原料的循环利用的闭环回路,从而达到减少排放,节约能源的目标。
对汽车产品的绿色使用表现在多种方面,其一,在使用中减少对环境的污染,其二是减少能耗,另外延长产品的使用寿命同样是绿色使用的体现。延长汽车产品生命周期可以得到意想不到的益处,通过减少在产品报废之后的处置程序,对环境的不良影响可以得以减少,从而提高资源利用率。在绿色设计的理论阶段就应该将汽车产品(尤其是易损件)的拆卸性考虑进去,以达到增加汽车产品的可维护性,延长产品使用寿命的目标。
与其他绿色设计环节一样,在设计的初期就应该将产品的回收利用作为考虑点,用不同的方案对产品生产的废料进行回收,并且对比各个方案,对每种方法进行价值与成本的评价,优选最佳处理方案。而对汽车产品而言,主要从三个方面进行评价:可回收的零件比例大、效益最大化、废料最小化。
(6)汽车制造企业绿色设计运行模式【3】
本文提出的绿色设计运行模式如图 4.3,在该模型中,绿色设计的范围由产品生命周期方法确定,绿色设计的设计方法由创新设计决定,而绿色设计的组织形式由并行工程决定。将汽车制造行业的特点融合到该模式中,就应当将以上三种方法集中设计。
以汽车产品数据管理(PDM)、汽车绿色设计知识库、以及仿真评估系统为基础,通过跨部门的虚拟组织形式,形成与企业制造能力相匹配的绿色设计方案和产品模型。
最后对设计方案进行仿真评价,对比结果,修改优化汽车产品的模型,直到合格方可进入产品生命周期的下一步骤。
对于该产品绿色设计运行的方式,有如下几个方面的说明:
1)本文提出的模式可以体现并行工程的组织形式、时间维度、绿色创新设计的“极端方案”。
2)内外部需求信息可以触发产品的绿色研发设计。从信息的来源的方式来看,分为直接反馈和间接反馈,这两种反馈方式都是可行的。直接反馈的方式多种多样,比如电子邮件,Call Center 等形式。而间接的反馈形式同样可以达到相似或者相同的目标,例如工厂将产品投放到市场之后,消费者在使用以及修理的时候所遇到的问题将是一种直接的方式,另一方面,工厂内部的相关部门将统计历史数据,这一数据表示形式也将是一种快速而有效地反馈形式,也有可能是由公司制定发展战略单位分析出来的结果;从经验角度可以分析出来产品需求到底有哪些来源,首先可以是产生于企业本身,比如客户接待部门、市场营销部门等,也有可能出自于企业之外,比方说是产品的客户或者是经销商。
3)对绿色产品研发设计的评价标准或者是反馈机制一共表现为两个方面,一种属于应用反馈,只要是以带入生产中以数理统计、数据挖掘的方式为主;而第二种属于评价反馈,主要是以绿色产品研发的设计方案进行过程成中建立的模型以及其他仿真的方式。而设计系统有一定的标准和依据,它的修改、优化是通过前面所述的反馈信息进行的。
4)从广义上来讲,将绿色性因子带入运行过程中,即我们通常所说的绿色设计知识库,他主要以减少产品资源消耗、减少有害物质的排放为目的而采用清洁工艺;为了避免污染物的出现或者尽量控制污染物的产生量而采用的环境友好型材料。在该模式中,包含有绿色设计知识库、数据库等内容的绿色设计策略将纳入企业绿色设计系统之中。
4.2 清洁生产技术
4.2.1 清洁生产概述
防治污染的手段还有另外一种形式,即清洁生产。对于制造产品来说,减少产品生产制造中带给社会和环境的危害是清洁生产的主要目的[40]。应用专业技术、修改工艺流程、优化管理是实现清洁生产的主要途径。从生产过程的角度来讲,节省资源、减少能耗、优选环境友好型材料、减少加工制造工程的废物与污染时清洁生产的主要内容。
与绿色设计一样,清洁生产也是针对整个生产加工过程乃至生命周期内,而采用的预防污染的综合措施,同样也是一个系统工程。清洁生产也是加大绿色化的途径,其有着两个明确的目标:①减少污染物和废物的排放,降低工业活动对环境和人类的影响;②最科学的利用自然资源,减少能源和资源的消耗的目的。清洁生产不是一个绝对的概念,它是通过与其他产品加工和制造工艺相比较,然后不断改正、优化、完善的一个过程。
清洁生产的本质内涵表现为以下几个方面:
1)可持续发展、预防污染时清洁生产的主要内容,用三个词概括:节能、减污、降耗。污染预防可以通过以下措施来削减资源的使用量,包括:源削减、原材料重复利用、提高能源利用率以及节水等。通常污染预防实施过程中,需要从物料的使用、生产加工手段、制造工具、管理方式、产品的后期处理等方面的优化来综合协调,力求达到最佳效果。
2) 而生产制造过程与产品是清洁生产的实施对象。通过提高物料的利用率,升级制造工具,优化管理方式,合理地后期处理方法,在生产过程中进行清洁生产;另一方面,对产品的设计进行改进、工艺的优化、对材料合理使用、从初期设计时对环境友好型的原材料的选择,到产品加工过程,再到产品使用后的处理。
3) 资源的合理使用、合理规划、合理分配是清洁生产所支持的,通过提高物料的使用效率以及合理分配管理资源的使用是减少污染物的产生重要途径。另一方面,只有充分考虑产品生产周期全过程的清洁生产以及产品使用之后的合理处理,才能达到减少环境污染的终极目标,因为两者是互相补充不可分离的,清洁生产有利于后期处理,而必要的末端处理等后期处理方式也能够补充清洁生产所遗留的问题,即进一步处理在清洁生产中留下的污染物。
4.2.2 汽车制造企业清洁生产系统
预备阶段、审核阶段、方案设计阶段、方案实行以及信息反馈阶段,这四个环节是按照汽车制造企业进行清洁生产的顺序而分的。评审在清洁生产过程中所涉及的问题,再针对这些相关的问题提出解决方案,并且对提出的措施进行检验,应该从实施过程中可能遇到的难题进行科学的检验,比如说技术的限制、经济性、环境的影响程度、管理的难度等全方位因素。安排对应的资源对上个阶段提出的方案进行实施,以及项目管理,然后对结果进行评价与总结是安排实施阶段的主要内容。与此同时,下轮清洁生产的实施方案将以本次总结的结论为基础,持续对企业进行合理地改善。
本文将不对前两个阶段进行详细的论述,因为这两个阶段涉及了项目的管理方向,需要对项目管理的共性问题进行研究。关于审计以及方案制定等内容,后文将针对汽车制造企业的实际情况,对整车装配工序以及零部件生产进行研究。
汽车清洁生产中审计和方案制定的过程如图 4.4 所示。【4】
汽车制造企业绿色制造改造的重点是清洁生产[41],主要对环境影响的极小化和制造资源消耗极小化两个方面进行考察。对应于环境影响极小化,可以采用清洁技术得以实现,而对应于资源消耗极小化,对制造工具的升级以及改善加工方式将是重要的手段。冲压工厂只有一个工作,那就是将输入的物料变成所需的车身,将冲压工厂的成型部件及外购件焊装成白车身是焊装工序完成的,而涂装工序对白车身进行喷漆加工,最后的动力搭配、相关部件的布置与调试工作将由总装工序完成。本文将对这四个工序进行分析讨论其给环境与资源带来的影响,并针对所有出现的问题提出相应的可行的解决办法。
汽车制造过程中的冲压工序,一般来说包含下料→剪切→校平→冲压→保压→检验→冲压毛坯件→涂油[42]。车身外壳及底盘等部件均由冲压工序完成,将材料在冲压模具下进行冲压加工得到。下料系统的优化、新材料和新工艺的采用和余料回收可以作为资源消耗极小化问题的解决方案。在目前的发展阶段,有一套“物料资源优化下料系统”已经被设计出来,针对条材或钣材的下料优化而研发的,根据钣金件的给定尺寸,以整块钣材余料最小为目标,该系统自动生成优化的下料方案,可大大提高应用企业的物料资源的利用率,中国数百个多个企业已经采用该系统。另一方面,高强度钢板、激光拼焊板、烘烤硬化板、铝合金材料等也将会不断地投入到汽车加工生产的冲压工序之中。
焊装工序主要包括车身总成。它应用于汽车的变速器、车身、车厢、车架、车桥以及发动机,经过焊接后的储运线将被送到涂装车间。
涂装生产线一般包括前处理→电泳及烘干→底涂及烘干→中涂及烘干→面漆及烘干→检验精修等工序,产品工艺间的流转采用一系列的零部件协调工作方式来连接。
毋庸置疑,涂装分厂使用的材料(主要是指油漆、涂料)较多,物料的使用将带来很多后续的环境问题。因此,废液、废渣、废气是涂装工序中主要出现的影响环境的问题。下文归纳了该工序出现的“三废”:
1)废水
生产产生的废水主要有四种形式。工序间设置冲洗工序可避免前处理过程中化学反应产生的副产品随车身带到下一道处理液中,但需要保持冲洗工序槽液的洁净度,并随生产补加新鲜水,降低处理液的污染度。
2)废渣
生产过程中产生的废渣主要是漆渣和磷化废渣。涂装车间前处理磷化工序采用的锌系磷化剂将会腐蚀车身表面,产生的反应物沉淀到槽体底部。浑浊液浓将会缩成磷化渣,然后将磷化渣送至专门处理站进行处理。
3)废气
喷漆室的风量需求很大,喷涂过程中有机溶剂大量挥发,含溶剂的大量气体不能循环利用而只能排放。因此,大量含水、酸、碱的气体会在前处理中被电泳线实体内的抽风机排入大气。通过较高的烟囱排入大气中的方法已经不符合环保要求了。
涂装工序带来的污染最为严重,特别是废液,其多个环节均可产生,针对这个特点,提出一个如图 4.5 的处理方案[43]。【5】
汽车制造过程中的总装工序主要有调整→安装车门→调整→修磨→检验,一般来说,在这个阶段所产生的废品已经很少了,通常只有少量的固体废物,可通过简单的方式处理,而试验所产生的废气可用抽风装置回收处理。所以主要问题是如何处理废液,怎么将这些液体回收以及有效地重发利用将是重点。
4.3 制造资源优化技术
制造企业的制造资源优化就是以寻求企业的现有设备以及人员的最佳配合(即最佳的绿色调度方案)为目的,对参与产品制造过程中的人、设备、零部件以及制造过程中需要的各种能源资源等进行优化调度。目前,国内外的研究学者已经就本领域的相关问题做了诸多分析,但绝大部分都是基于对计算方法领域的研究,在考虑了产品在实际制造过程中制造资源自身具有的复杂、多样以及动态性等特性后,本文中提出以“云制造技术”为基础,通过云服务系统对产品的制造资源实现资源优化。
4.3.1 云制造资源分类
云制造是近年来在制造领域基于网络技术和虚拟技术及其扩展技术而形成的一种服务模式。它主要是通过网络化技术、虚拟技术、分布式数控以及 ASP、SAAS 等技术在结合云计算技术,以互联网为中心,将各类制造资源进行虚拟化封装进而进行统一、集中的管理、优化,最终为产品在其全生命周期中提供服务。
在任何一个制造系统中,制造资源都是其基础。要对制造资源进行合理的管理,就必须对其进行制造资源进行合理的分类以及组合,以便于在云制造系统中对其进行调度和优化。现代计算机网络技术拥有强大的计算分析能力,而对制造资源进行合理的分类又是一项庞大的系统工程,所以本文提出利用现代计算机网络技术强大的计算分析能力,基于云制造系统依托于先进的网络技术以及网络技术具有的强大计算能力的特点。
图 4.6 中给出了一种对制造资源进行分类的分类模式。【6】
4.3.2 云制造资源优化过程
在云制造系统中对制造资源进行的优化过程简单的说就是在一个虚拟的制造系统(云服务系统)中,结合制造企业自身的制造设备以及制造能力特点和制造资源提供方的资源特性,寻找最佳的资源组合方式。在云制造系统中,对资源的调度分析基本过程是资源需求方发布制造资源的需求信息,资源提供方提供制造资源的具体信息,云服务系统基于需求发布方对制造资源的需求信息整合资源提供方的制造资源信息,结合一定的评价体系,寻找最佳的资源组合。基于云制造系统的产品制造资源服务链主要是讨论如何对产品制造资源实现最佳调度。在云制造系统中对资源的整合方式提供了两种方案,主要包含以下两个方面:云制造产品资源静态服务链和云制造产品资源动态服务链。本文的研究的资源优化技术主要是针对云制造产品资源动态服务链。
动态服务链是根据对云用户的任务需求进行分析,进而在云系统中组合形成动态的、复杂的服务网链。
不同的产品制造资源具有不同的属性且不同的产品资源又属于不同的产品资源类型,所以在云制造系统中对产品制造资源进行形式化定义是一个多层次并且极其复杂的过程。因此,在云制造系统中对制造资源进行资源调度分析之前必须对其进行一定形式的形式化定义。一般来说,在按照一定方式进行形式化定义的时候,必须几大规则:
(1)直接性:在每一个云制造系统中都同时存在着两种重要角色。然而就两种重要角色而言,其对于资源属性的认知必然不同。因此,在按照一定方式进行形式化定义就必须直观的特点。
(2)主体性:由于制造资源具有的属性繁多且复杂,对于不同的领域,其具有不同的属性。因此在对制造资源进行形式化定义的时候就必须要求定义方重点把握产品制造资源的重点属性,同时也要求定义方能够去除其无关紧要的和次要的属性信息。
(3)全面性:对产品制造资源进行形式化定义时要求定义方必须做到兼顾其相关的资源领域,确保产品制造资源信息的完整性和合理性。
4.3.3 云制造进行资源优化配置
在云制造系统中,产品制造资源都经过特定标准的封装处理(形式化定义),进而形成相应的虚拟服务资源信息。云制造系统中,资源提供者不再是单一的实际的部门,而是一个经过虚拟化而形成的由虚拟制造单元、虚拟车间和虚拟加工设备等组成的虚拟资源服务。在云制造系统中,对产品制造资源的优化配置过程如下:
(1)制造资源的预选
根据发布的需求信息以及指标需求信息,云系统根据制造资源的属性,在系统上搜索相关的制造资源,进而获得制造资源的预选集合。
(2)初选制造资源
根据发布的需求信息以及指标需求信息,云制造系统可以虚拟构建出指标体系,并可以基于该体系进一步求解出指标的相对权重因子,进而采用模糊层次分析算法进行求解。具体过程如图 4.7 所示。【7】
(3)优选产品制造资源,完成对资源的优化配置
产品制造资源的优化配置是一个极其复杂的过程。在该过程中不仅仅要考虑到单个制造资源在整个产品资源服务链中的相对重要性,还要考虑到整个产品资源服务链自身的相对整体性。为了得到合理的资源组合以及进一步的对资源组合进行综合评价和优化,本文建议在云制造系统中优选产品制造资源的时候,采用将资源的总成本作为优化的主要目标,将其他相关因素作为次要优化目标来进行优化。
经过上述的三个步骤后,若没有得到可以满足任务需求的产品动态资源服务链,则应该扩大对产品制造资源的限制条件和约束条件,进而扩大可供需求方用户选择的产品制造资源服务链的范围。再重复上文所述三大步骤,最终获得最优的动态产品资源服务链。具体的过程模型如图 4.8 所示。【8】
4.4 汽车生命终期处理技术
为了满足消费者对汽车不断增强的多元化需求,在汽车产业消费市场中不断的出现更新换代的新产品,进而导致汽车的生命周期不断缩短[44]。另一个方面,在汽车行驶一定的里程或时间后将达不到相应的国家标准和环保要求,这时汽车必须报废并不能再行驶。在我国日益紧缺的自然资源和生态环境破坏日趋严重的大背景下,对废旧汽车进行绿色回收和再利用工作显得尤为重要。
4.4.1 国内外汽车生命终期处理技术现状
在上世纪的 60-70 年代,国外的工业发达国家就已经意识到了汽车生命终期处理技术的重要性,并提出了现在的汽车生命周期处理技术[45]。近年来,关于汽车生命周期技术及其相关领域的研究工作,在国外得到了大量研究学者的关注。
在国外,早在 1991 年,德国政府便颁布并实施了多条关于废旧汽车处理的政府法令并在 1995 年便开始在全国范围建立废旧汽车回收经营网络[46]。2003 年,欧盟正式颁布并实施“报废汽车法令”,目前,在德国废旧汽车的再回收循环利用率(ASR)达到80%左右[47]。在日本,汽车的生命终期技术得到了政府的高度重视,近年来,日本政府陆续颁布并实施了多条关于废旧汽车回收的相关法令,据统计,现今日本的废旧汽车的回收利用率已经达到 75%[48]。
在我国国家法律法规方面,我国政府先后颁布并实施了多条关于废旧汽车回收、再利用的法令[49]。2006 年,国家相关部门制定《废旧汽车产品回收利用技术政策》,该政策要求分阶段实现提高我国对废旧汽车的回收、再利用率。但是就目前现阶段我国对废旧汽车的回收再利用率来看,情况不容乐观,与国外相比还存在较大的差距。
4.4.2 我国废旧汽车回收再利用中存在的问题
在我国废旧汽车回收市场中,大量的不法分子不顾国家相关的法律法规,一味的追求个人利益。“高价回收、非法赢利”等非法现象在我国汽车回收市场屡见不鲜。上述这些存在的问题极大的扰乱了我国汽车回收市场的良好秩序,最终导致我国大量的废旧汽车不能通过正确合理的途径得到合理的回收和再利用[50]。其次,我国从事废旧汽车回收再利用行业的从业人员存在素质普遍较低的情况,导致行业的科技水平相对落后。同时,在我国废旧汽车回收行业中,工人的拆解技术低下、工厂的拆解装备落后和再制造技术能力相对匮乏,导致对废旧汽车的再利用率低下。最后,我国关于废旧汽车回收的企业不具备大规模,我国废旧汽车回收与再利用仍未形成完善的产业。在我国,废旧汽车回收产业的发展规模与快速发展的汽车产业规模不匹配,最终导致我国废旧汽车回收与再利用产业的经济效益以及社会效益不明显。
4.4.3 废旧汽车回收体系结构模型
废旧汽车的主要构成是:金属 76%、轮胎 3.5%、塑料 9%、玻璃 2.1%以及其他材料等。汽车生命终期处理技术就是通过回收、拆解、再制造进而重用或者再生原材料以实现对废旧汽车的绿色化处理。目前,汽车生命终期处理技术的步骤是废旧汽车回收、零部件回收、液体回收、前处理、拆解、回收以及掩埋垃圾等。目前,在废旧汽车回收产业中针对废旧汽车的拆解回收、处理再利用工作主要可以分为三层。第一层是对废旧汽车进行液体的过滤回收,主要包括:废旧汽车的燃料、防冻油、润滑油、制冷剂、制动液等的回收、处理和再利用工作。第二层是对废旧汽车的外层和内饰进行回收、处理和再利用工作。第三层主要是对汽车的核心动力组成进行拆解回收工作,如汽车发动机、主要传动装置等。经过上述三层拆解和回收工作后,将人为的对回收得到的材料以及零部件进行评估和分类。一般而言,可以人为的分成三大类:可再用的原材料和零部件、可再制造的原材料和零部件和可再生的原材料。基于上述的回收、处理再利用过程,本文提出构建如图 4.9 所示的对废旧汽车的回收模型。【9】
4.4.4 加强汽车生命终期处理管理建议
(1)加强相关法律教育工作和宣传工作
通过公益广告、教育读本等多种宣传途径,切实大力宣传国家关于废旧汽车的回收和再利用的相关法律法规,增强全民对于废旧汽车进行回收和再利用的意识。
(2)经济杠杆与法律手段并行举措
目前,虽然我国已经颁布并实施了多部关于废旧汽车回收与再利用的相关法律法规,但是由于补贴资金不足以及不法分子高价回收等因素导致法律政策难以落到实处。
据相关调查,目前我国仍有接近 40%的废旧车辆在没有得到合理的回收和再利用情况下流入社会。针对这一现象,可以采用经济杠杆与法律手段并行举措。一方面加强相关法律法规的完善工作,提高废旧汽车非法使用的使用风险;另一方面,运用合理的经济手段,建立有效的激励机制,引导车主和企业对废旧汽车进行依法回收。
(3)加强研究废旧汽车的再制造技术
废旧汽车的再制造技术是在回收得到的废旧汽车基础之上对其进行合理的修复、改造或者回收再利用等一系列措施的总称。我国关于废旧汽车的回收再利用技术与国外发达国家相比存在较大的差距,加强关于废旧汽车回收再制造技术的研究工作日趋重要。集中精力,以提高废旧汽车的再利用率为目标,大力研究汽车循环经济支撑技术,切实拓宽废旧汽车材料的使用途径。
4.5 绿色评价技术
对于任何需要实施的过程而言,实施的最后都需要对实施成果进行检验即对实施的效果进行合理的评价。采用合理正确的评价模型对绿色制造技术的实施效果进行系统评价是必不可少的[51]。目前为止,就汽车企业绿色制造的评价模型很多,其中不乏复杂的模型。绿色制造是一个十分复杂的过程,而且绿色制造的评价是一个针对企业在生产过程中对生态环境的影响以及可持续方面达到的状态而进行的一个综合评价。本文中主要介绍在实际应用中得到较多运用的评价模型:基于可拓层次分析法的评价模型和模糊综合评价法的评价模型。
4.5.1 可拓层次分析法
可拓层次分析法(AHP)是针对基于多准则的复杂结构或者针对多目标的决策问题进行合理、有效的定性分析和定量分析的一种多目标决策分析方法[52]。AHP 的判断过程是:分解、判断、综合。其综合体现并运用了人类在进行问题决策时的思维方式。
AHP 不仅可以把定性的问题进行定量化分析,还可以把人类的思维过程数学化。AHP的分析过程的主体思路为:将待分析的决策问题按照一定的层次结构分为多个因素组成,进一步,按照各个因素之间的相互支配关系进而组成一个合理、有序的阶梯状的层次结构;对于在上述层次结构中位于同一个层次的多个因素,通过将两两不同的因素之间相互比较的方法来确定各个因素的重要性(权重)。同时考虑自身权重和本层次因素和上一层次的权重,最终进行排序和决策。
AHP 的分析过程分为四个步骤:建立阶梯状层次结构、构造判断矩阵、判断单一准则下权重、计算组合权重。具体的评价过程如下:
① 建立阶梯状层次结构在对一个汽车企业关于绿色制造技术的实施效果进行评价的时候,首先可以根据绿色制造的自身特征以及其他相关因素,人为的综合考虑、分析得到多个不同、合理的评价因素。在得到多个评价因素的基础之上,进而可以组件多目标模糊评价层次,达到对汽车企业绿色制造技术的实施效果进行综合评价的目的。在本文中,将汽车企业的绿色制造分为包括时间、质量、成本、服务、生态环境影响以及资源消耗在内的六个影响因素一级指标,再对每个一级指标分解,进而得到适量合理的二级评价指标。具体的指标体系如图 4.10 所示。【10】
② 构造判断矩阵在上述的阶梯状模糊评价结构模型之中,每个评价指标因素之间的上下隶属关系是相对确定的。运用 AHP 方法对企业的绿色制造进行评价时,需要得到各个因素对评价目标的影响重要度,也就是上述的权重,即构造一个判断矩阵实现权重的计算。
通过在某一个计算准则下在上述阶梯状模糊评价结构模型中的对不同的评价指标因 素 之 间 进 行 两 两 比 较 , 构 造 出 判 断 矩 阵A(a)(i,j1,2,3...,n)ijnn==×, 其 中=<> +ijijija a, a是一个区间数, +ijija , a分别表示上述矩阵中第 i 行和第 j 列元素里的最小值和最大值。
③判断单一准则下权重分别构造出矩阵nnijnnijAaAa×++×=();=()并分别求出该两个矩阵的最大特征值以及各自的特征矢量 +x , x。在对权重矢量进行计算之前,必须验证上文中构造的判断矩阵是否合理,具体的方法如下:引入 a, b满足 +0< ax≤bx属于全体正实数。其中【11】
若计算得到满足条件: 0 ≤ a ≤1≤b,则认为上诉构造的判断矩阵可以使用;反之则需要对上述判断矩阵进行适当、合理的调整,直到最终结果满足上述要求为止。
计算权重矢量:权重矢量= =<> +SSSSSaxbxTni(,,,,),123。其中niS 是第 K 层上的第 n 个因素相对于它的上一层元素的区间权重。
④计算目标层的合成权重在计算出各个因素的单一权重的前提下,进一步可以计算得到各层因素对于目标层因素的合成权重,具体算法如下。求出第 K 层的kn 因素对于第 K-1 层的某一个因 素 在 某 一 准 则 下 的 权 重 矢 量 后 , 可 以 得 到 一 个 1×kkn n阶 的 矩 阵【12】
4.5.2 模糊评价法
通常汽车制造企业在具体实施绿色制造技术及其相关理论时主要的考虑因素为:
产品经济性、制造资源消耗以及对生态环境的影响。本文在基于模糊评价法对汽车制造企业的绿色制造技术的应用情况进行评价时,在每一个一级评价指标下又选择了四个二级评价因素。具体的评价模型如图 4.11 所示。【13】
(1)确定因素集合和评价集合
确定评价因素集合{,,,}12nU =UU U。其中nU 表示在评价模型里会对评价总目标产生影响的第n个因素。进一步将每一个影响因素进行下分为{,,,}ii1i2ijU=UU U,其中 j = 1, 2, n。确定评价集合{,,,}12mV =VV V其中mV 表示在评价模型里的第 m 个评价等级。
(2)确定单一因素的评价矩阵
本文最终确定单一影响因素的评价矩阵采用的方法是“专家法”:由专家评审组里的每一位成员对待评价的评价因素集合矩阵iU 在评价集合V 的基础上进行评价得到【14】
表示的意义是指专家评审组成员里赞成影响因素 i 下的第 j 个指标为第 k 种评价的票数。(3)确定权重以及模糊评价模型
将上文所述的基于可拓层分析法中评价模型里得到的权重矢量 P 和评价矩阵iR 按照 M(0,+)的模型合成即可得到各个因素下的基于模糊评价综合模型,进而得到【15】
(4)模糊综合评价
本文中指出的基于模糊综合评价法的评价模型是将评价因素分为了两层评价指标(一级评价指标和二级评价指标),所以基于该模型进行评价的时,要求对该评价模型下的评价指标进行二次模糊综合评价(针对二级评价指标),与之对应的评价模型为(,)ii11nM=P A=MM M。式中iP 表示在评价模型里第 i 个评价指标因素的权重;iA表示第i 个因素在第一级模糊评价基础上得到的评价结构。在对各个因素均进行了二次模糊综合评价的前提下,我们将得到的评价结果转换为总分数的形式,以便于评价区分。取评价的标准的隶属度集合为 L=(很高,高,一般,低,很低),并且对其附加相应的分数值,那么最终得到的绿色综合评分为 G= L×M×100。
本章主要分析了汽车企业绿色制造的几大关键技术:主要分析讨论了绿色设计技术、绿色材料、绿色工艺规划、面向拆卸和回收的绿色设计、绿色包装及处理、清洁生产技术等,另外还包括基于云制造系统的制造资源绿色调度技术;汽车生命终期处理技术;基于可拓层次分析法和模糊评价法的绿色评价技术的技术内涵,对汽车企业实践绿色制造技术具有一定的指导作用。
