绿色产品概念设计中的知识重用

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Knowledge Reuse in Green Product Concept Design ProcessZHANG Lei PENG Hongwei LIU Zhifeng BAO Hong BIAN Benyang(School of Mechanical and Automotive Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009)Abstract：Targeting on improving the eficiency of green product concept design，knowledge reuse method is taken to solve theproblem.Green design unit is represented by extension matter-element，and a model of a multi-hierarchy and multi-realm iterationprocess of green design knowledge is set up.Green design unit cases are classified by K-means clustering algorithm，a retrievingmethod for green design unit cases is proposed based on the mapping relationship of four realms：Function.behavior，structure andgreen design .An uncertain multiple atribute utility decision making method is presented for the scheme optimization targeting on thebest green performan ce.Taking the concept design of food mixing machine as an example，the above mentioned method is validatedand an alyzed.It has been demonstrated that the present knowledge reuse method Can improve the eficiency of green product conceptdesign 。

Key words： Green design Knowledge reuse Decision making method0 前言随着国际环保法律法规要求日益趋于严格，提高产品的环境友好性已经成为产品开发过程中的迫切要求。绿色设计是提高产品环境友好性的关键技术之-，并在产品设计领域成为研究的热点问题。

国内外许多学者在绿色设计方法方面的研究主要包括可回收设计J 、可拆卸设计LZJ、产品全生命周期评估 以及节能设计4 等，然而这些研究主要集中在对生命周期某阶段或全阶段的绿色性能分析与改进上，没有充分考虑原有产品功能、性能等因素，国家自然科学基金资助项 (51105127)。20121012收到初稿，20130106收到修改稿与企业设计流程集成程度较低，不能很好地支持绿色产品设计全过程。

有些学者在绿色设计与其他设计方法集成领域也开展了相关的研究。GU等L5在分析产品全生命周期设计 目标的基础上，构建交互矩阵，采用模拟退火算法完成了产品拈分割。KUO等o 展开了环境化质量功能配置的研究，并将模糊群方法应用于环境化质量功能配置，以减少群体决策中的模糊性和不确定性。黄海鸿等 将生命周期评价方法集成到设计过程，提出环境价值分析方法，分析了其基本概念、目标与设计应用。这些研究丰富了产品绿色设计理论与方法，但是由于产品生命周期阶段的延拓及环境因素的导入，导致绿色设计的实施周期较长且效率低。本文将绿色设计思想与知识重用方2013年4月 张 雷等：绿色产品概念设计中的知识重用法相结合，从功能域、行为域、结构域与绿色设计域对产品绿色设计单元知识进行可拓物元表达，建立产品绿色设计知识的多域多级迭代过程模型，并对基于知识的绿色产 品概念设计重用方法进行研究。

1 绿色设计单元的知识表达根据产品概念设计理论，设计过程被描述成客户需求驱动的功能域、行为域与结构域之间的映射变换 J。绿色设计单元将功能信息、行为信息、结构信息和绿色属性信息四者封装集成，从功能域、行为域、结构域与绿色设计域四方面描述产品的绿色概念设计过程。

为了便于设计知识重用，引入可拓物元理论，对绿色设计单元进行知识表达。绿色设计单元 G可表示为G：( ，P，尺) ( )式中，b为绿色设计单元标识；P是完成该设计对象所进行设计过程，包括功能域 、行为域 、结构域 及绿色设计域E；设计信息集合R包括功能信息、行为信息、结构信息和绿色属性信息。根据可拓学中物元理论 J，以设计单元名称、特征名和量值组成的有序三元组的形式对设计信息进行表述，生成功能域物元 尺f、行为域物元 凰、结构域物元R 和绿色属性信息物元 。绿色属性信息物元定义如下。

给定-个绿色设计单元 G，它关于绿色属性信息 I的量值为 1，以有序三元组Rg( ， I， 作为描述该设计单元绿色属性特征的基本元，记为 lD cgl vglcg2cg3 vg3cg4 vg4式中，C 1表示为该绿色设计单元的回收性能特征，c 表示为拆卸性能特征，Cg3表示为能耗特征，cg4表示为环境影响特征。Vgl、vg2、Vg3、vg4分别为绿色设计单元各绿色属性特征所对应的量值。各绿色属性特征根据自身的特点，又可以细分为若干子属性指标，可以用子物元的形式来表达。如回收性能特征可以分解为回收率和再生率。拆卸性能特征可以分解为拆卸难度、可达性、联接方式等。环境影响特征可分解为全球变暖潜力、有毒有害废弃物等。

根据具体的绿色设计单元所处层次，各绿色属性特征及量化方式又会有所变化，如零件层的回收性能可用材料回收指数来表示，拈层的回收性能则用拈内所有零件的材料回收指数的加权和来表示。回收性能与拆卸性能特征属于单-生命周期阶段指标，而能耗与环境影响特征可以分解到全生命周期各阶段。

在分析客户对具体产品的常规及绿色性需求分析的基础上，通过产品功能分解及功能域.行为域.结构域.绿色设计域之间映射，绿色设计单元根据映射到的常规及绿色属性特征的赋值可生成若干绿色设计单元实例。

2 绿色设计知识的多域多级迭代过程绿色设计单元G是基于层级的绿色设计知识存储单元，通过迭代分解，可生成下-级子设计单元，每个子设计单元再逐级迭代分解，直至分解为若干个具有功能与结构独立性的底层设计单元，从而构成-个 自上而下的绿色设计知识多级迭代分解过程。整个迭代分解过程遵循功能和结构独立性及行为相容性原则，通过功能域物元Rf、行为域物元 风和结构域物元 。之间的映射与变换，并与绿色属性信息物元 相集成与交互，从而构成-个完整的绿色设计单元。物元模型是基于层次的模型，通过功能域物元、行为域物元、结构域物元和绿色属性信息物元逐级迭代映射与分解，并进行功能结构的解耦与绿色属性信息集成，形成更为细化的子物元模型，实现绿色设计知识的多级物元表达。绿色设计知识的多域多级迭代分解过程如图 l所示。随着分解过程的细化，绿色设计知识重用的层次性更高，也为后面的设计重用提供了具有可操作性的数据平台。

图 1 绿色设计知识的多域多级迭代过程74 机 械 工 程 学 报 第49卷第7期3 绿色产品概念设计的知识重用方法3.1 基于K均值聚类的绿色设计单元实例分类随着绿色设计实例的不断丰富，实例库处于动态增加的状态，实例搜索也会面临范围不断动态增加的问题。为了缩小搜索范围，提高检索效率，可根据绿色设计实例之间的常规及绿色属性特征，采用聚类分析方法去度量其相似程度，并根据其相似程度进行分类处理。K均值聚类法是-种应用较为广泛的聚类分析方法，该方法使得每-类中的对象之间旧能地靠近，类与类之间的对象离得旧能地远，很适合大量数据分类问题的处理。基于 K均值聚类 的绿色设计单元实例分类方法包括如下步骤。

(1)指标数据的转换。由于绿色设计单元实例的物元特征比较繁多，有定量特征和定性特征。定性指标的量化采用 1～5五个等级标度， 1”表示该指标表现最差，5”表示该指标表现最优。按指标的正负相关性划分，特征类型又可分为效益型和成本型，为了消除不同物理量纲和数量级对聚类分析结果的影响，需要按下式对指标进行规范化处理- - 某绿色设计单元实例物元特征数量(3)绿色设计单元实例的聚类分析。设待分类的某绿色设计单元实例的个数为 n，绿色设计单元实例的常规及绿色属性特征总数为 P，则第 f个绿色设计单元实例的特征值矢量可表示为 (vf1，Vi2，，v咖)，该绿色设计单元的所有实例的特征值进行转换后，运用式(5)求得绿色设计单元实例之间的距离，进而可构建绿色设计单元实例之间相似程度的距离矩阵DD ：0 al2d21 0l 2 ： 0在构建距离矩阵D的基础上，采用 K均值聚类算法，首先随机选取 k个初始聚类中心，将各绿色设计单元实例归到与其最近的聚类中心所在的类，然后对形成的聚类计算新的聚类中心，并对各绿色设计单元实例进行重新归类，反复迭代，直至找到- 组聚类中心可以使聚类优化函数收敛。K均值聚类优化函数可表示为南 Ⅳ 剡 (3)式中min( ) - fEN 特征类型为成本型 (4)Vf式中 、，广- 某绿色设计单元的第 f个物元特征V r- - 规范化后的某绿色设计单元的第 f个物元特征(2)距离的定义。距离是将每个样品看成是 m个变量对应 m维空间中的-个点，在该空间中所定义的距离越近，则亲密程度越 加]。这里采用欧氏距离来衡量同级绿色设计单元实例之间的相似程度，即d 式中 幽 --某绿色设计单元的第 f个实例与第 ，个实例的相似系数1， --规范化后的第f个绿色设计单元实例的第k个物元特征值- - 规范化后的第.，个绿色设计单元实例的第 k个物元特征值- - 第i个绿色设计单元实例的特征矢量Zi-- 第 个聚类中心，可由均值矢量计算得到- 计算迭代次数通过 K均值聚类分析，可以将同-绿色设计单元的实例根据其相似程度归为不同的类别集合Gi UG UUG：，其中G 为同类别的绿色设计单元实例集合，且G n G (2j， 、ql，2，，。 通过绿色设计单元实例的分类处理，可以为后面绿色概念设计重用的高效率实施打下基矗3.2 绿色产品概念设计知识重用过程绿色产品概念设计重用过程模型如图2所示。

功能域、行为域、结构域与绿色设计域四者之间映射过程：首先获韧户对产品的功能、性能及绿色需求，通过客户需求分析确定绿色产品的总功能以及需要考虑的绿色设计约束，绿色设计约束主要包括产品常规及绿色属性特征的具体要求；接着对总功能输入输出流进行分析，构建功能模型，并通过功能行为映射，构建行为模型，实现总功能到子功能的分解；通过功能结构映射，确定各子功能对应的子结构，分析各子结构之间的能量流、物质流与2 、-。

∑∑、2013年4月 张 雷等：绿色产品概念设计中的知识重用 75信息流交互以及生命周期绿色驱动因素，构建绿色产品的原理结构，从而形成绿色产品的功能.结构之间的多级对应关系；最后通过分析已有产品的生命周期分析结果及映射得到的常规属性特征与各绿色属性之间的映射关系，建立绿色属性特征的量化表征模型，并实现与各单元常规属性特征集的集成。

基于知识的产品绿色概念设计重用过程可分为设计单元实例的检索、绿色设计重用备选方案的决策优化两个部分。

QFDE网： 囊!区I !修改映射到功能特性需求绿色设计单元实例表达与检索优选出绿色属性综合表现最佳的相似方案重用绿色设计方案功能域.行为域-结构域-绿色设计域映射常规属性特征与绿色属性特征的集成虑专家对方案有偏好息的不确定多绿色属性效用决策图 2 绿色概念设计知识重用过程模型3.2.1 绿色设计单元实例的检索首先通过环境化质量功能配置方法(Qualityfunction deployment for environment，QFDE)In]可以从客户对产品的常规及绿色性能需求得到产品的功能特性。按照绿色产品的功能.结构之间的多级对应关系，找到功能单元所对应的绿色设计单元，提取常规属性特征，并构建绿色属性特征量化表征模型，形成绿色设计单元的常规及绿色属性物元特征集。

对各级绿色设计单元实例进行可拓物元表达，在前述基于聚类分析的绿色设计单元实例分类的基础上，计算需求单元实例的各物元特征与各聚类中心的相似程度，找到与其最相似的绿色设计单元实例所在类别。根据各物元特征的相似程度，在所在实例类别中进行匹配，找到相似度高于设定值的绿色设计单元实例集。

在各绿色属性特征的量化表征中，拆卸性能用拆卸难度分值来表示，采用 1～5五个等级来标度和评估， l”表示拆卸性能最差， 5”表示拆卸性能最好。回收性能用回收率和再生率两个子指标进行计算，能耗及环境影响指标的量化需要根据选择的具体能耗及环境影响评价方法来确定。

设现有某级绿色设计单元实例库GGI，G2，，，，第 f个绿色设计单元实例的物元特征集为Cic ，c ，，c )，绿色设计需求单元实例的物元特征集为Crc ，c 2-，c ，则第 f个绿色设计单元实例与设计需求单元实例的相似度计算公式如下Cr) 志 荟( ×sim( (8)式中，P表示可用于相似度计算的物元特征数量，wj为第 个物元特征的权重，LZw，1，通过模糊层次分析法予以确定，sim/，c/)表示存在单元实例与需求单元实例中第.，个物元特征之间的相似性，.Sim(c/，c，J)∈0，1]o由于需求单元实例的特征量值往往是-个数值区间，而存在单元实例的特征匹配为数值点，因此可采用海明贴近度L1 用于相似性计算。设需求单元实例的第J个物元特征 的量值区间为Iv；t， oz]，现有单元实例对应物元特征 的量值为 ，则两者对应物元特征的贴近度计算公式如下s ( Cv2- v；1)rj：1--(1；2V ；I-2v) ≤ 2K j1- < < ： (9) 2 (- ) -1-堕 2K J式中， ，为绿色设计需求单元实例的物元特征的取值范围，且 Kfmax( o)-min(，.，o)。

3.2.2 绿色设计重用备选方案的决策优化在产品绿色概念设计的知识重用过程中，会检索到多个高于相似度设定值的绿色设计单元实例。

各绿色设计单元实例之间可能存在结构或性能上的冲突，在对冲突进行定义与提取的基础上，采用创新设计理论中的冲突消解方法ljJ进行处理，如果该冲突 目前无法处理，可将其转化为各绿色设计单元之间的约束，在此基础上对各绿色设计单元实例进行组合，形成了绿色属性特征表现各不相同的绿色设计重用方案备询。绿色设计重用方案的决策优化的目的就是通过决策优化方法在重用方案备询中找到-个绿色属性综合表现最佳的设计方案。由于产品的绿色属性指标具有复杂性和权重的不确定76 机 械 工 程 学 报 第 49卷第 7期性，同时绿色设计方案决策优化是-个涉及多学科领域的决策过程，来自不同的学科领域的专家参与决策的过程必然存在各 自对方案的主观偏好，需要考虑各专家对方案的偏好信息，采用合适的不确定多属性效用决策方法来进行绿色设计重用方案的优眩设 D：( l，d2，， )为绿色设计重用方案备询，C(cl，C2，， )为方案的绿色属性特征集。对于方案 di，针对绿色属性特征 cj进行量化分析，得到 关于cj的绿色属性特征量化值 ，从而构造决策矩阵 ( ，采用式(3)、(4)将 yi，转换成效益型属性并进行归-化 ，生成规范化矩阵 ( ，并以规范化矩阵 中元素 rf作为专家对方案 的客观偏好值。根据效用理论，专家对方案的主观偏好值可以甩模糊层次分析法进行测量，并以效用值的 Oi的形式表示， ∈[0，1]， 越接近1，说明该专家越偏好方案 。

文献[141给出了对方案有偏好信息为效用值的不确定多属性决策优化的最优权重矢量确定公式，如式(10)所示。通过找到的最优的属性权重矢量可以实现专家对各重用方案的主观偏好值与客观偏好值的总偏差最小JeM (10)在得到各绿色属性的最优权重矢量 ，后，构造加权规范化矩阵 ( ，其中zfrjwj。

确定各绿色属性的正理想解 和负理想解 ，-Y-maxZlj，z2j，，Znj (11)Y-minzy，z2j，， ) (12)各方案到正理想解和理想解的距离D D：(13)(14)各方案的综合绿色属性效用值 (15)根据这些方案的综合绿色属性效用值的大小进行排序比较，综合绿色属性值最大的重用设计方案即为绿色属性综合表现最佳的绿色设计重用单元实例组合。根据产品的具体要求对该绿色重用设计方案进行相应的修改，便得到最终的绿色设计方案。

4 实例选取某企业生产的食品搅拌机为例对绿色产品概念设计中的知识重用方法进行验证。食品搅拌机是典型的幸电产品，其出口量较大、需要满足的环保法律法规要求多，客户需求呈现多样化和绿色化的特点，迫切需要开展绿色设计提高产品的环境友好性。

食品搅拌机的客户需求主要包括：搅拌充分、加热均匀、质量轻、使用寿命长、便于清洗与维修、噪声低、节能、低碳。通过QFDE方法可以将客户需求转化为产品特征如下：搅拌效率、加热效率、整机质量、设计寿命、可视性、维修频率、噪声、能耗、温室气体排放。根据功能域.行为域.结构域。

绿色设计域之间的映射关系，将食品搅拌机产品族划分为搅拌拈单元、加热拈单元和容器拈单元，同时映射得到各需求拈单元实例的常规及绿色属性特征及量值区间，并对量值区间进行处理，将其转化为目标定值。以容器拈单元、加热拈单元和搅拌拈单元为例，需求容器拈单元、加热模块单元和搅拌拈单元实例客户需求目标定值如表1所示。

表 1 各个拈单元实例客户需求目标定值表采用模糊数学方法对定性属性特征进行度量，并根据属性特征的类型，采用式(3)、(4)对其量值进行正规化处理。采用K均值聚类算法对现有6个容器拈单元实例、4个加热拈单元实例和 5个搅拌拈单元实例进行分类处理，聚类个数设定为k-2，计算得到距离矩阵和聚类中心，各容器拈单元实例信息如表2所示，其中环境影响以碳排放单-指标为例。

2013年 4月 张 雷等：绿色产品概念设计中的知识重用 77运用 Matlab软件工具进行 K均值聚类分析，可将现有 6个容器拈单元实例分为 A、B两类，A类别为1，3，6，B类别为2，4，5)；将 4个加热拈单元分为A、B两类，A类别为 (1，3)，B类别为 (2，4)；将 5个搅拌拈单元分为A、B两类，A类别为 (1，4，5)，B类别为 <2，3)。采用式(7)计算需求实例单元与各聚类中心的相似程度找到容器拈单元所在类别为 A，加热拈单元所在类别为 B，搅拌拈单元所在类别为 A。然后分别在容器拈单元的A类别、加热拈单元的B类别和搅拌拈单元的A类别中进行实例检索，相似度设定值为 0.80。采用式(8)、(9)计算相似度，容器拈单元实例中，实例 1和实例3符合相似度设定值要求；加热拈单元实例中，实例 2和实例 4符合相似度设定值要求；搅拌拈单元实例中，实例 4和实例 5符合相似度设定值要求。各实例相似度如表3所示。对传动拈单元、支撑拈单元等其他需求拈单元按上述方法进行检索，得出对应的与需求相似度符合要求的实例。

表3 类别A和B中各实例与需求实例的相似度限于篇幅，本实例中只针对容器拈、加热模块和搅拌拈进行检索，均得出了2个实例，通过对每个实例的各个绿色属性指标进行量化分析得出8个产品实现方案，组成的重用备选方案集见表4。

对生成的绿色设计重用备选方案集进行优化决策，重用备选方案的各绿色属性指标量值如表 5所示。

表4 由容器拈和加热拈组成的重用备选方案集容器拈主要组件 加热拈主要组件 搅拌拈主要组件方案 1 耐高温聚脂杯体方案2 不锈钢杯体方案 3 耐高温聚脂杯体方案4 不锈钢杯体方案 5 耐高温聚脂杯体方案 6 不锈钢杯体方案 7 耐高温聚脂杯体方案 8 不锈钢杯体塑料把手不锈钢把手塑料把手不锈钢把手塑料把手不锈钢把手塑料把手不锈钢把手塑料底不锈钢底塑料底不锈钢底塑料底不锈钢底塑料底不锈钢底电热管电热管电磁式底座电磁式底座电热管电热管电磁式底座电磁式底座防溢电极防溢电极防溢电极防溢电极防溢电极防溢电极防溢电极防溢电极水温探头水温探头水温探头水温探头水温探头水温探头水温探头水温探头卡扣式联接电动机卡扣式联接电动机卡扣式联接电动机卡扣式联接电动机螺钉式联接电动机螺钉式联接电动机螺钉式联接电动机螺钉式联接电动机钛合金 x型刀片钛合金X型刀片钛合金x型刀片钛合金x型刀片不锈钢 s型刀片不锈钢 S型刀片不锈钢 S型刀片不锈钢 S型刀片2013年4月 张 雷等：绿色产品概念设计中的知识重用 79a1.Assessment of ecodesign potential in reaching newrecycling targets[J]. Resources Conservation andRecycling，2010，54： 1128-1134。

[2SANCHOYKD，PRADEEPY，RAJN.An approachforestimating the end-of-life product disassembly efort andcost[J].Intemational Journal of Production Research，2000，38(3)：657-673。

[3]GUINEE J B， HUPPES G，HEIJUNGS R.Developingan LCA guide for decision support [J].EnvironmentalManagement and Health，2001，12(3)：301-3l1。

[4戚赞徽，王淑旺，刘志峰，等.面向能量优化的产品结构要素组合设计J.机械工程学报，2008，44(1)：161-167。

QIYunhui，WANGShuwang，LIUZhifeng，et a1.Productstructure element clustering design for energyoptimization[J]. Chinese Journal of MechanicalEngineering， 2008， 44(1)：161·167。

[5GU P，SOSALE S.Product modularization for life cycleengineering[J]. Robotics and Computer-IntegratedManufacturing，1999，l5(5)：387-401。

[6KUO T C，WU H H，SHIEH J I.Integration ofenvironm ental considerations in quality functiondeployment by using fuzzy logic[J.Expert Systems withApplication，2009， 36： 7148-7156。

[7黄海鸿，刘志峰，刘光复，等.产品环境价值分析方法与应用[J].计算机辅助设计与图形学学报 ，2006，l8(6)：767-773。

Product environmental value analysis and application[J]。

Journal of Computer-aided Design and ComputerGraphics，2006，18(6)：767-773。

[8]宋慧军，林志航.。产品概念设计方案生成模型[J.计算机集成制造系统，2002，8(5)：342.346。

SONG Huijun，LIN Zhihang.A model of generatingschemes in product conceptual design[J].ComputerIntegrated Manufacturing Systems，2002，8(5)：342-346。

[9]蔡文，杨春燕，林伟初.可拓工程方法[M，北京：科学出版社，1997。

CAI Wen，YANG Chunyan ， LIN Weichu.Extensionengineering methodsM.Beijing：Science Press，1997。

[1O苏金明，阮沈勇，王永利.MATLAB工程数学[M.北京：电子工业出版社，2005。

MATLAB engineering math[M].Beijing： PublishingHouse ofElectronics Industry， 2005。

11KEIJIRO M.Applying quality function deployment toenvironm entally conscious desigu[J]. InternationalJournal of Quality & Reliability Managemen，2003，20(1)：90-106。

[12张跃，邹寿平，宿芬.模糊数学方法及其应用[M.北京：煤炭工业出版社，1992。

ZHANG Yue， ZOU Shouping ， SU Fen. Fuzzymathematics methods and applications[M].Beijing：ChinaCoal Industry Publishing House， 1992。

[13刘志峰，张福龙，张雷，等.面向客户需求的绿色创新设计研究[J.机械设计与研究，2008，24(1)：6-10。

LIU Zhifeng，ZHANG Fulong，ZHANG Lei，et a1.Gr eeninnovation design for customer requirements[J].MachineDesign &Research，2008，24(1)：6-10。

[14]徐泽水.不确定多属性决策方法及应用[M.北京：清华大学出版社，2004。

XU Zeshui.Uncertain multiple atribute decision making：Methods and applications[M]. Beijing： TsinghuaUniversity Press，2004。

作者简介；张雷(通信作者)，男，1978年出生，副教授，硕士研究生导师。主要研究方向为绿色设计与制造，先进制造技术，产品生命周期评价。

E-mail：zhlei###hfut.edu.cn彭宏伟，男，1985年出生。主要研究方向为绿色设计与制造。

刘志峰，男，1963年出生，教授，博士研究生导师。主要研究方向为机电产品绿色设计理论与方法、绿色制造工艺技术、先进制造技术。

鲍宏，男，1984年出生，博士研究生。主要研究方向为产品生命周期评价、产品低碳设计。

卞本羊，男，1990年出生。主要研究方向为绿色设计与制造。