研究制造系统能量效率的基本框架与困境(5)

　　产品能耗限额，以前称为能耗定额，是指在特定条件下，制造系统制造单位产品的合理能源消耗的数量标准。产品能耗限额对于管理和监控制造系统能量消耗、改进制造系统生产技术和组织管理、进而提高制造系统能量效率并促进行业节能发展具有重要意义。
　　
　　目前，流程制造业的产品制造能耗限额制定已有不少成熟方法，并已在成功应用。例如，我国已发布了包括钢铁、化工等五大高耗能行业，涉及粗钢、水泥等 22 项耗能产品的能耗限额（如粗钢产品能耗限额标准 GB21256-2007 等）。但是由于离散制造系统往往存在产品及其制造能耗的复杂结构树特性、离散制造业产品能耗限额制定具有的产品能耗限额制定与分布式多数量制造系统的关联性、产品无穷多样性导致产品制造能耗限额种类数量的巨大性、产品市场生命周期短暂性引起产品能耗限额的短效性、产品能耗限额具有层次结构体系等一系列复杂特性，其能耗限额制定非常困难，致使我国至今还没有一项国家层面的离散制造业产品能耗限额标准。
　　
　　目前，对离散制造业产品能耗限额制定问题已有了一些研究。如文献[56]提出了针对一般产品的关联能耗限额制定策略和特定产品的统一能耗限额制定策略，但还不是具体技术和方法。CAI 等[69]在工件层面提出了一种机械加工工件能耗限额制定方法，但离产品能耗限额制定还非常遥远。
　　
　　综上所述，离散制造系统产品能耗定额的制定问题困难，也是一个有待解决的技术难题。
　　
　　（4） 离散制造系统高能效多目标优化问题。
　　
　　离散制造系统高能效多目标优化的内涵是综合考虑时间、成本、质量等经济性指标的同时追求能量效率最高，以实现制造系统能量效率的优化和提升。它是一个涉及工艺参数优化、工艺路线优化、刀具路径规划、机床设备优选、数控加工程序优化、生产调度优化等众多环节的复杂决策过程。
　　
　　离散制造系统各环节高能效多目标优化问题以及多个环节的集成优化问题往往具有多变量、多维度、多约束、非线性、动态性等特点，因此离散制造过程高能效多目标优化决策面临诸多挑战，主要涉及模型建立与优化方法研究两个关键难点。
　　
　　目前，在离散制造系统单个环节高能效多目标优 化 模 型 方 面 已 取 得 了 一 定 研 究 进 展 . 如VELCHEV 等[70]基于经验公式建立了工艺参数与机床能耗关联模型，ZHANG 等[71]基于机床能耗构建了工艺路线能效优化模型。但由于工艺参数、工艺路线、刀具路径等与离散制造系统能量消耗之间映射机理复杂，所建数学优化模型普遍面临建模流程复杂、模型精度不高、相关参数获取困难等问题[72-73].此外，实际制造系统往往具有不确定性和动态性等特点，如何系统地解决多目标优化与优化决策方案鲁棒性、稳定性之间的矛盾，建立基于不确定事件的高能效多目标优化模型也是一项极具挑战性的工作。
　　
　　在面向能效的离散制造系统多个环节多目标集成优化模型建立方面，涉及对各环节涉及的多变量、多约束、多目标等进行系统化整合。除需要建立单个环节的能耗关联模型外，还需深入研究多个环节集成时各环节间的相互作用关系，以及多个环节集成后对能耗的影响规律。学者们对集成能效优化问题做出了初步尝试，如 DAI 等[74]建立了工艺路线与生产调度集成多目标优化模型，LIN 等[75]建立了考虑能耗的工艺参数与生产调度集成多目标优化模型，但仍有许多诸如集成优化建模时各环节间的资源冲突、规划与实施的时差冲突、集成优化方案的动态适应性等问题尚未很好解决，如何协调各子环节的优化过程使得制造过程整体能效最优，是一个需要系统优化的难题。
　　
　　面向能效的离散制造系统单个环节和多环节集成多目标优化，是典型的 NP-hard 问题，目前仍缺乏有效的多目标能效优化方法[76].很多学者常通过构造评价函数，将多目标优化问题转换为求解单目标评价函数问题。但是，如何合理构造评价函数，是其中需要解决的关键问题。同时，一些学者采用优化算法（如粒子群算法、人工蚁群算法等）对多目标问题进行并行求解，但是该优化过程往往会产生很多帕累托解，如何在追求离散制造过程高能效的同时不牺牲其他目标，从有效解集中选择能效满意度最高的最优解，需要进一步探索。此外，由于离散制造系统能效优化模型多涉及高维度、多变量决策，随着维度与变量数量的增加，优化计算的工作量呈指数增加，如何提高优化方法效率也是需要进一步研究的热点。
　　
　　由上述分析可知，离散制造系统高能效多目标优化涉及内容较多、面临的难点问题复杂，是离散制造系统能量效率研究的另一个技术难题。
　　
　　（5） 高能效机床的设计问题。
　　
　　机床是离散制造系统的能耗主体，具有量大面广、能耗总量很大的特点。高能效机床的设计，是以机床在全生命周期过程的能源消耗极小化而经济效益和环境效益综合最优化为目标；可以从源头上降低制造系统的能量消耗，是制造系统能量效率提升的关键技术[77, 78].因此，国际上对高能效机床的设计问题十分重视。如国际标准化委员会发布的“机床环境评估-高能效机床设计规范”国际标准[16];欧洲“下一代生产系统”（Next generation productionsystems,NEXT）也要求采用再生材料制造机床的零部件、降低机床运行能耗等目标[79].
　　
　　高能效机床的设计是一个复杂的、系统的科学问题。从生态和社会效益的角度来讲，应将能效目标纳入机床优化设计的多目标体系中，使得机床在其生命周期全过程的能量效率尽可能高：使得机床生产制造阶段的比能效率尽可能高；使得机床使用阶段的运行能量效率尽可能高；同时，使得机床回收处理阶段能容易再制造，从而减少重新熔炼和生产制造等阶段的能耗。因此，高能效机床的设计需综合考虑机床功能、质量、成本和生命周期全过程的能量效率等因素。
　　
　　目前，高能效机床的设计开发技术主要包括机床结构轻量化设计技术[80]、高能效结构组件选择技术[81]、能量回收与重复利用技术[27]等，国内外的研究也才刚刚起步，还远远没有实现产业化。因此，高能效机床的设计是一个很有意义的竞争难题。