當(dāng)前綠色設(shè)計(jì)最為活躍的領(lǐng)域在DFX(Design for X)領(lǐng)域，可能的“X”包括：回收(Recycle)、服務(wù)(Service)、環(huán)境(Environment)、拆卸(Disassembly)等。其中產(chǎn)品的拆卸回收分析是綠色設(shè)計(jì)和綠色制造中非常關(guān)鍵，同時(shí)也是最活躍的研究領(lǐng)域。產(chǎn)品的回收在其生命周期工程中占有重要位置，正是通過各種各樣的回收策略，產(chǎn)品的生命周期形成了一個(gè)閉合的回路。壽命終了的產(chǎn)品最終通過回收又進(jìn)入下一個(gè)生命周期的循環(huán)之中。因此，回收是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的先決條件，它在產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)中扮演著重要的角色。面向回收的設(shè)計(jì)DFR(Design For Recycling)已經(jīng)引起人們的高度重視。
1 面向可持續(xù)制造的DFX研究
美國、日本以及歐洲的一些國家制定的回收法規(guī)引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，許多學(xué)者和研究人員針對產(chǎn)品的可回收性提出了各自的理論。可回收性設(shè)計(jì)主要包括：可回收材料及標(biāo)志、可回收工藝及方法、可回收經(jīng)濟(jì)性及可回收產(chǎn)品以及零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。美、德、日等國家在汽車、家電等行業(yè)應(yīng)用面向回收的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思想，取得了良好的社會、經(jīng)濟(jì)效益。消費(fèi)類電子產(chǎn)品的回收也日漸受到重視，如計(jì)算機(jī)含有金、銀、鉑、鈀等多種貴金屬，尤其是在早期的計(jì)算機(jī)產(chǎn)品中。Moyer和Guptar介紹了加拿大的一個(gè)銅冶煉公司，1993年回收處理了100000t材料，其中包括銅34t、銀123t、金7t以及St的鉑和鈀。在美國加州Irvine的一家公司，主要通過計(jì)算機(jī)的回收，1993年的年收入即達(dá)7900萬美元。
回收的成本和收益問題的研究受到了普遍重視。Johnson和Wang討論了如何有效地完成材料回收的問題，其方法可以判斷出產(chǎn)品的回收率、回收成本、回收方案，以及拆卸的順序和深度。Krikke等提出了一個(gè)對產(chǎn)品回收策略進(jìn)行評估的模型，綜合考慮產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性和拆卸、掩埋、回收、再利用等的可行性。Hentschel等借助模糊理論和成組技術(shù)來研究回收系統(tǒng)，以解決回收過程的不確定性問題。
目前的回收基本上是材料的回收，一般通過壓碎后再分類的方法進(jìn)行回收。顯然，壓碎后的材料混合在一起難于分離，回收效率低，難度大。因此，如何加強(qiáng)產(chǎn)品零、部件的回收、再利用已經(jīng)成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。而面向拆卸的設(shè)計(jì)DFD(Design For Disassembly)目的正在于解決材料回收中存在的問題。
拆卸被定義為系統(tǒng)地從裝配體上拆除其組成零部件的過程，并保證不對目標(biāo)零部件造成損害。拆卸分為破壞性拆卸和非破壞性拆卸兩種。目前對DFD的研究主要集中于非破壞性拆卸。
拆卸是實(shí)現(xiàn)高效回收策略的重要手段。只有拆卸才能實(shí)現(xiàn)完全的材料回收并且有可能實(shí)現(xiàn)零部件的再利用。而只有在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初始階段，就將報(bào)廢后的拆卸問題考慮進(jìn)來，才能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品最終的高效回收。
目前DFD主要集中在以下3個(gè)階段性研究上：
●收集、分類和歸納DFD的有關(guān)知識；
●拆卸深度決策和拆卸序列規(guī)劃及其拆卸可行性評價(jià)；
●創(chuàng)建新的DFD方法和工具，并考慮與CAD設(shè)計(jì)的集成。
現(xiàn)在絕大多數(shù)的研究主要在第一步和第二步。也有一些研究機(jī)構(gòu)正在開發(fā)與CAD集成的DFD專家系統(tǒng)。早期的研究思路來源于面向裝配的設(shè)計(jì)DFA(Design For Assembly)。實(shí)際上，DFD和DFA在內(nèi)容上有較大的差別。近期的研究主要集中在拆卸深度決策、拆卸序列規(guī)劃、拆卸路徑分析和評估工具的開發(fā)等領(lǐng)域。
針對產(chǎn)品拆卸回收分析建模的探討和研究主要有：有向圖、無向圖、AND/OR圖、Petri網(wǎng)、拆卸樹等幾種建模分析方法，如表1所示。
表1 拆卸回收分析問題建模方法比較
有向圖模型中，節(jié)點(diǎn)表示零部件，節(jié)點(diǎn)間的連線（�。┍硎玖悴考g的拆卸約束關(guān)系，連線的方向表示節(jié)點(diǎn)拆卸的先后順序關(guān)系。這種方法直觀地顯示了所有的拆卸序列。缺點(diǎn)是當(dāng)零部件數(shù)目較多時(shí)，節(jié)點(diǎn)和邊數(shù)量增多，拆卸深度和序列規(guī)劃的建模和優(yōu)化決策算法比較復(fù)雜，并且在實(shí)際拆卸過程中，一些特殊的情況無法完全用有向圖來描述分析。由于有向圖模型中的大量信息可以從CAD模型中提取，所以在與CAD系統(tǒng)集成方面有一定優(yōu)勢。無向圖模型與有向圖模型類似，結(jié)構(gòu)上更簡單，但是對于拆卸工藝彼此之間的先后關(guān)系無法描述清楚。
將裝配轉(zhuǎn)化為拆卸問題，利用圖論，通過求割集法求解產(chǎn)品裝配序列是一種重要的裝配建模研究思路。Sanderson和Homenm de MelIo等以節(jié)點(diǎn)表示產(chǎn)品或零部件，將一個(gè)節(jié)點(diǎn)分解成n個(gè)（n≥2）子節(jié)點(diǎn)，以帶弧連接的兩條線表示，圓弧連接的兩條線是同時(shí)存在的，因而是邏輯“AND”關(guān)系；同一個(gè)節(jié)點(diǎn)表示不同的分解方法時(shí)則用幾對帶弧的線表示，它們之間構(gòu)成了“OR”的關(guān)系，這樣形成的圖就稱為AND/OR圖。AND/OR圖顯示了所有可能的拆卸序列，而且節(jié)點(diǎn)較少。缺點(diǎn)是零部件的“與或”關(guān)系所反映的割集數(shù)量非常龐大，組合爆炸的致命缺陷嚴(yán)重限制了其實(shí)際應(yīng)用，而削減割集數(shù)量極其困難，并且拆卸分析的直觀性不如有向圖；另外，與CAD集成的難度大，當(dāng)產(chǎn)品的模型發(fā)生變化之后（比如對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行了更新），很難在新的模型中及時(shí)方便地加以體現(xiàn)。Lambert、Zussman等人有關(guān)拆卸回收的研究利用了AND/OR圖及其類似的建模方法。國內(nèi)一些研究也采用了這一思路。
另外常用的一種分析模型是產(chǎn)品拆卸樹。產(chǎn)品拆卸樹與現(xiàn)在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹有相似的結(jié)構(gòu)，將產(chǎn)品零部件作為樹的節(jié)點(diǎn)，以樹節(jié)點(diǎn)的父子關(guān)系表示零部件之間的拆卸約束關(guān)系。Ishii提出的倒魚骨圖實(shí)質(zhì)上也是一種用樹狀結(jié)構(gòu)來表示產(chǎn)品拆卸結(jié)構(gòu)的方法。產(chǎn)品拆卸過程中，因?yàn)樾枰紤]到拆卸問題的特殊性，比如連接件與非連接件的區(qū)分、零部件標(biāo)簽的區(qū)分等，所以，需要對零件分類做出新的定義方式。產(chǎn)品拆卸樹與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹有相似之處，可以方便地由PDM和CAD設(shè)計(jì)中導(dǎo)入產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，然后按照拆卸問題的特殊要求對其進(jìn)行修改，生成產(chǎn)品拆卸樹。拆卸樹方法直觀、簡單。但也正因?yàn)闃涞慕Y(jié)構(gòu)比較簡單，無法描述產(chǎn)品的復(fù)雜拆卸結(jié)構(gòu)約束關(guān)系，所以難以得到合理的拆卸回收方案，故對其應(yīng)用和研究并不多。
介紹一種面向制造的拆卸順序的分析方法。Ishii介紹了用倒魚骨圖來表示拆卸順序的方法，與裝配圖相似，倒魚骨圖也可以標(biāo)識出每一個(gè)拆卸步驟，主要通過標(biāo)識其拆卸所需工裝需求、定位要求和拆除方向來實(shí)現(xiàn)。Gu和Yan提出了一種基于圖論的啟發(fā)式方法，可以自動地借助特征數(shù)據(jù)庫生成拆卸順序。Lee和Gadh提出了一種基于破壞性拆卸的DFD算法。研究產(chǎn)品拆卸回收的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境問題，他們還開發(fā)了基于最佳經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化拆卸順序的分析工具。Kuo和Zhang等研究了基于圖論技術(shù)的拆卸順序優(yōu)化方法。利用Petri網(wǎng)模型來進(jìn)行拆卸過程規(guī)劃。
也有人借助產(chǎn)品的幾何信息來對其可拆卸性進(jìn)行評估。Woo開發(fā)了一種算法，通過分析部件和其他部分的結(jié)合面來判斷其可拆卸性。Beasley和Martin對拆卸時(shí)的運(yùn)動進(jìn)行了研究，其中既考慮了局部幾何信息，也考慮了全局幾何信息。局部的幾何運(yùn)動可行性依賴于是否存在微小的移動，這取決于兩個(gè)零部件之間的表面接觸。全局的幾何運(yùn)動的可行性依賴于在某個(gè)方向上是否可進(jìn)行有限的移動，這不但取決于相鄰零部件的關(guān)系，還取決于整個(gè)裝配體之間的關(guān)系。Srinivasan和Gadh通過產(chǎn)品可拆卸性矩陣對產(chǎn)品可拆卸性進(jìn)行了量化評估，并提出了“虛擬拆卸”的概念，虛擬拆卸允許設(shè)計(jì)者在虛擬環(huán)境中評估產(chǎn)品的可拆卸性。Bras在面向產(chǎn)品拆卸回收的設(shè)計(jì)中對ABC(Activity-based-costing)方法進(jìn)行了研究，并借助該方法對不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評估。Kroll開發(fā)了一個(gè)打分系統(tǒng)，通過分析產(chǎn)品拆卸的各項(xiàng)工作的難度，從總體上評價(jià)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的有效性。
更近期的研究如Lambert通過一種有向網(wǎng)絡(luò)圖來描述產(chǎn)品的拆卸結(jié)構(gòu)，并通過線性規(guī)劃方法求解最優(yōu)的拆卸順序，其中的節(jié)點(diǎn)是任意可能的子拆卸體，拆卸的方向是從圖模型的左方向右方拆卸（因而圖中不必標(biāo)出方向），其不足之處是建模難度較大，與CAD工具集成性差。Srinivasan和Gadh等利用所謂的“Wave Propagation”方法求解目標(biāo)零部件拆卸問題，可以應(yīng)用于二維和三維裝配體中，值得注意的是，模型的兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)是最少數(shù)目的零部件參與移動以及零部件移動量最小。實(shí)際的拆卸回收過程非常復(fù)雜，尤其是產(chǎn)品報(bào)廢后零部件的外觀和技術(shù)特性存在較大的不確定性，因此，Zussman、Zhou、Caudill等人利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對拆卸回收及其再制造過程進(jìn)行動態(tài)建模。Seo等人則利用遺傳算法得到優(yōu)化的產(chǎn)品拆卸順序。Johnson和Wang利用MRO（材料回收指標(biāo)）研究產(chǎn)品拆卸規(guī)劃問題，其優(yōu)化目標(biāo)包括：材料兼容性、處置件聚簇、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，并指出人在輔助建模方面的重要性。Seliger和Basdere等人對回收和再制造信息平臺進(jìn)行了研究，以支持拆卸回收過程中的大量動態(tài)信息。Krause和Kind研究了管理產(chǎn)品生命周期中大量信息的IT結(jié)構(gòu)，其中信息提供、信息維護(hù)和信息監(jiān)察是其三大主要模塊。Li J C和Zhang H C等人提出了一個(gè)綠色供應(yīng)鏈管理模型，其中信息共享模型采用所謂“即插即用”結(jié)構(gòu)，可以容易地管理產(chǎn)品零部件及其材料的生命周期技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境信息。
拆卸的深度決策也是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。拆卸成本隨所用的時(shí)間和拆下的零部件的增加而增加，因而，部分拆卸往往是更經(jīng)濟(jì)的。Simon提出了一種零部件拆卸的目標(biāo)體系以幫助判斷拆卸應(yīng)何時(shí)終止。根據(jù)由高到低的順序，該體系由重新使用、再制造、材料的高級回收、材料的低級回收、材料焚燒的熱能利用和廢棄物掩埋等組成。圖1表示考慮拆卸時(shí)的產(chǎn)品處置的總成本。
圖1 考慮拆卸時(shí)的處置總成本
從對拆卸回收問題的分析和各種模型的優(yōu)缺點(diǎn)分析可見：
●拆卸回收問題大量牽涉到不完全拆卸問題，因此，對不完全拆卸問題的建模能力是衡量模型好壞的一個(gè)重要指標(biāo)；
●對拆卸任務(wù)及其先后順序的建模能力是各個(gè)模型的研究關(guān)鍵；
●拆卸回收的經(jīng)濟(jì)性分析主要體現(xiàn)在拆卸深度和順序決策中，故分析模型反映經(jīng)濟(jì)問題的能力是評價(jià)模型好壞的一個(gè)重要指標(biāo)；
●分析模型的空間和時(shí)間開銷是衡量一個(gè)模型好壞的另一個(gè)重要指標(biāo)；
●人的合理參與是拆卸回收問題建模成功的重要保證。
除了對DFD和DFR進(jìn)行了深入研究外，人們在面向可維護(hù)性的設(shè)計(jì)、產(chǎn)品再制造設(shè)計(jì)等領(lǐng)域也進(jìn)行了大量研究。
2 綠色設(shè)計(jì)理論方法的研究應(yīng)用展望和總結(jié)
中國是家用電器的生產(chǎn)和消費(fèi)大國，測算出的當(dāng)前社會保有量是：電冰箱1.2億臺，洗衣機(jī)1.7億臺，電視機(jī)4億臺，電腦1600萬臺。20世紀(jì)80年代投入使用的電冰箱、洗衣機(jī)、電視機(jī)等絕大多數(shù)已到了報(bào)廢期，家用電腦更新報(bào)廢的周期更短。預(yù)計(jì)未來幾年，中國需要報(bào)廢和回收處理的家用電器數(shù)量將大幅度上升，今后每年需要報(bào)廢的電冰箱可達(dá)400萬臺，洗衣機(jī)約500萬臺，電視機(jī)500萬臺以上。由于中國尚未建立規(guī)范的廢舊家用電器回收利用體系，大量家用電器超期服役和廢舊家電任意處置的現(xiàn)象較為普遍，由此產(chǎn)生的安全隱患、能源浪費(fèi)和環(huán)境污染等問題越來越嚴(yán)重，已引起社會各界的普遍關(guān)注。我國已經(jīng)實(shí)施了《清潔生產(chǎn)促進(jìn)法》，制定了《廢舊家用電器回收利用管理辦法》；同時(shí)，《生產(chǎn)者延伸責(zé)任制》以及有關(guān)家電的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)《家用電器安全使用年限和再利用通則》也在研究制定之中。這些不斷完善的法令法規(guī)，對綠色設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究來說既是機(jī)遇，又是挑戰(zhàn)，迫切需要加大研究的力度和深度，為產(chǎn)業(yè)化提供理論方法和工具支持。
綠色設(shè)計(jì)和綠色制造的研究也引起了國內(nèi)眾多研究單位的高度重視。國際自然科學(xué)基金委和“863”高技術(shù)計(jì)劃也多次立項(xiàng)給予支持，如合肥工業(yè)大學(xué)劉光復(fù)、劉志峰課題組在產(chǎn)品拆卸回收方面的研究（基金項(xiàng)目），上海交大蔡建國課題組等人有關(guān)產(chǎn)品可拆卸性的研究（基金項(xiàng)目），重慶大學(xué)劉飛、徐宗俊、張根寶等人有關(guān)綠色制造系統(tǒng)和產(chǎn)品壽命周期分析的研究(“863”項(xiàng)目)，清華大學(xué)汪勁松、段廣洪課題組有關(guān)綠色設(shè)計(jì)理論方法的研究（國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目），以及徐濱士等人關(guān)于再制造工程的研究、華中科技大學(xué)李成剛等人、北京理工大學(xué)寧汝新等人關(guān)于面向拆卸回收的設(shè)計(jì)的研究均取得了較大的進(jìn)展。
綜合國內(nèi)外綠色設(shè)計(jì)相關(guān)領(lǐng)域的研究，總的說來，仍然存在以下亟需改進(jìn)和完善之處：
(1)難以滿足企業(yè)和社會的需求。可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略和當(dāng)前企業(yè)信息化的需要強(qiáng)烈要求提供適用、有效的面向綠色設(shè)計(jì)的產(chǎn)品生命周期環(huán)境影響分析管理工具，綜合國內(nèi)外的研究可以發(fā)現(xiàn)，雖然出現(xiàn)了一些LCA分析工具和一些模塊化的設(shè)計(jì)輔助工具，但仍然缺乏綜合性的可以輔助進(jìn)行產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。
(2)缺少系統(tǒng)性的理論和方法支持。綠色設(shè)計(jì)和綠色制造的研究大多還處于探索階段，理論和方法體系結(jié)構(gòu)還不夠系統(tǒng)。
(3)建模方法和現(xiàn)有設(shè)計(jì)工具之間缺乏一致性。LCA作為一個(gè)重要的概念已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn)，但研究表明，目前的LCA框架與現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法和工具存在一定的脫節(jié)，缺乏對綠色設(shè)計(jì)過程的有效支持；而各種模塊化工具與LCA框架也存在嚴(yán)重脫節(jié)。其后果是，各種工具只能從某個(gè)側(cè)面對綠色設(shè)計(jì)和綠色制造給予支持，卻不能整合在一起。因此，迫切需要利用系統(tǒng)論的方法，開發(fā)綜合性的設(shè)計(jì)支持平臺系統(tǒng)，這一方面需要開發(fā)面向綠色設(shè)計(jì)的行之有效的環(huán)境影響評估模型和工具，另一方面需要開發(fā)可以有效融合的各種模塊化的模型和設(shè)計(jì)工具。
(4)各種模塊化設(shè)計(jì)工具尚需進(jìn)一步完善，滿足實(shí)際的需要。尤其是拆卸回收分析系統(tǒng)作為綠色設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，目前的研究尚難于實(shí)用化，這已經(jīng)成為產(chǎn)品進(jìn)行綠色設(shè)計(jì)和可拆卸性/回收性設(shè)計(jì)的瓶頸環(huán)節(jié)。
(5)綜合性評價(jià)系統(tǒng)的開發(fā)。亟需完善和開發(fā)綠色設(shè)計(jì)多目標(biāo)綜合評價(jià)系統(tǒng)，對產(chǎn)品的技術(shù)性能、環(huán)境性能和經(jīng)濟(jì)性做出綜合評價(jià)，其中，環(huán)境性和考慮產(chǎn)品全生命周期成本的經(jīng)濟(jì)性評價(jià)是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
(6)產(chǎn)品系統(tǒng)集成模型需要深入研究。支持全生命周期管理技術(shù)的產(chǎn)品系統(tǒng)集成信息模型迫切需要深入研究和進(jìn)一步完善，并建立合理的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)協(xié)同、共享機(jī)制。
(7)綠色設(shè)計(jì)必須與并行工程和現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法及其工具集成。各種DFX工具需要進(jìn)一步與三維CAD等設(shè)計(jì)建模工具進(jìn)行集成，使綠色設(shè)計(jì)能夠?yàn)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)和決策者所應(yīng)用。
(8)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和知識的積累。綠色設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫和知識庫的進(jìn)一步擴(kuò)充和完善，是綠色設(shè)計(jì)逐步走向?qū)嵱玫谋匾A(chǔ)。數(shù)據(jù)庫和知識庫的建立必須滿足信息的共享性、可轉(zhuǎn)換性、集成性、冗余性等要求。例如應(yīng)該優(yōu)先采用已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，如LCA研究中的SPOLD標(biāo)準(zhǔn)，信息集成中的STEP系列標(biāo)準(zhǔn)等。
3 結(jié)束語
總之，綠色設(shè)計(jì)的重要性已經(jīng)得到越來越多的認(rèn)同和關(guān)注，作為制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)手段，已經(jīng)為政府、企業(yè)、消費(fèi)者和各種研究機(jī)構(gòu)認(rèn)可。
綠色設(shè)計(jì)的研究是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，牽涉到多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，不可能一蹴而就，需要多學(xué)科、跨領(lǐng)域的合作研究，需要長時(shí)間的積累才能取得實(shí)用性的成果。尤其是各類環(huán)境數(shù)據(jù)的積累，國外已經(jīng)進(jìn)行了幾十年，國內(nèi)才剛剛起步，有許多工作需要我們?nèi)プ�。另外，該領(lǐng)域的研究也亟需國家加大力度給予支持和鼓勵(lì)，相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)也應(yīng)該給予扶持和協(xié)助。
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本文標(biāo)題：產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)方法研究現(xiàn)狀及展望
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