基于熵權(quán)灰色關(guān)聯(lián)法的加工過程資源環(huán)境屬性評價

韓自強，莫 虎，林云姣，馬靈秀，黃小琦

(1.湖南電氣職業(yè)技術(shù)學院電梯工程學院，湖南 湘潭 411101)(2.湖南電氣職業(yè)技術(shù)學院科研處，湖南 湘潭 411101)(3.湖南電氣職業(yè)技術(shù)學院公共課部，湖南 湘潭 411101)

機械加工是利用合理的加工方法將毛坯轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的過程，加工相同的產(chǎn)品可以采用不同的加工工藝方案，大量研究表明，工藝方案不同，機械加工過程的資源消耗和環(huán)境影響也不同，即資源環(huán)境屬性也不同。對產(chǎn)品加工過程的資源環(huán)境屬性進行分析和評價是綠色制造的重要內(nèi)容，也是綠色制造亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，所以對加工過程資源環(huán)境屬性問題進行研究具有重要的實際意義[1]。

近年來，很多學者對加工過程資源環(huán)境屬性問題進行了研究。易敏[2]對鍛造工藝的資源消耗和環(huán)境影響屬性進行了分析，并利用層次分析法找出了鍛造工藝中關(guān)鍵的影響因素。謝玉婷等[3]提出一種層次分析和模糊評價相結(jié)合的綜合評價方法，找出了影響焊接工藝資源環(huán)境屬性的最大因素。劉愛軍等[4]分析了葉輪加工過程的資源環(huán)境屬性，為礦用通風機的綜合資源環(huán)境影響評價提供了條件。岳文輝等[5]提出一種基于區(qū)間數(shù)的加工過程資源環(huán)境屬性評價模型，采用層次分析法確定指標權(quán)重，并利用該模型對發(fā)動機關(guān)鍵零部件加工過程資源環(huán)境屬性進行評價。

以上文獻對解決資源環(huán)境屬性評價問題有積極的借鑒作用，但也有一定的局限性，尤其是在確定評價指標權(quán)重時大多采用主觀賦權(quán)法。主觀賦權(quán)法的缺點是主觀隨意性大，容易造成決策失誤。而熵權(quán)法能減少人為主觀性對評價過程的干擾，權(quán)重的確定相對客觀準確。本文將熵權(quán)法與灰色關(guān)聯(lián)分析法結(jié)合，提出了一種新的資源環(huán)境屬性評價方法。

1 建立資源環(huán)境屬性評價指標體系

資源環(huán)境屬性主要包括資源消耗和環(huán)境影響2部分內(nèi)容，但是在進行綠色工藝設計時還要考慮生產(chǎn)成本、生產(chǎn)時間和產(chǎn)品質(zhì)量等因素。遵循決策指標體系建立的原則建立資源環(huán)境屬性評價指標體系，如圖1所示。

圖1 資源環(huán)境屬性評價指標體系

2 基于熵權(quán)灰色關(guān)聯(lián)法的資源環(huán)境屬性評價原理

2.1 利用熵權(quán)法確定指標的權(quán)重

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)法，介紹熵權(quán)法的原理及應用的文獻比較多，該方法相對來說比較成熟，在此不再贅述，熵權(quán)法的具體計算步驟參考文獻[6]。

2.2 建立基于熵權(quán)灰色關(guān)聯(lián)法的資源環(huán)境屬性評價模型

利用灰色關(guān)聯(lián)分析法進行決策的步驟如下：

(1)

(2)

(3)

4)無量綱化處理，由于式(3)中的數(shù)列具有不同的量綱或數(shù)量級，為了保證分析結(jié)果的可靠性,需要對該數(shù)列進行無量綱化處理。通常采用均值化法進行無量綱化，無量綱化后的數(shù)據(jù)序列形成如下矩陣：

[X0,X1,…,Xm]=

(4)

式中：Xi=[xi(1),xi(2),…,xi(n)]T，為第i個方案中第n個評價指標無量綱化處理以后的數(shù)據(jù)，i=0,1,…,m；xm(n)為第m個方案中第n個評價指標無量綱化處理以后的數(shù)據(jù)。

均值化法計算公式如下：

(5)

5)計算比較數(shù)列與參考數(shù)列對應元素的絕對差值，即：

|x0(j)-xi(j)|

(6)

6)計算兩級最大差和兩級最小差：

(7)

(8)

7)計算關(guān)聯(lián)系數(shù)[7]：

(9)

式中：ζi(j)為第i個方案對應的比較數(shù)列第j個指標與參考數(shù)列第j個指標之間的關(guān)聯(lián)系數(shù);ρ為分辨系數(shù)，0<ρ<1，ρ越大，表示關(guān)聯(lián)性越強，ρ通常取0.5。

8)求加權(quán)關(guān)聯(lián)度，加權(quán)關(guān)聯(lián)度的大小反映了備選方案和理想方案關(guān)聯(lián)性的強弱，即兩者接近程度的大小。加權(quán)關(guān)聯(lián)度越大，則兩者關(guān)聯(lián)性越強，說明兩者越接近。根據(jù)加權(quán)關(guān)聯(lián)度的大小對備選工藝方案進行排序，即可得出備選工藝方案的優(yōu)劣次序[8]。

(10)

式中：r0i為第i個方案的加權(quán)關(guān)聯(lián)度；wj為參考文獻[6]中利用熵權(quán)法求出的第j個指標權(quán)重。

3 應用實例

為驗證模型的實用性，以聯(lián)接套的3種加工工藝方案為例，聯(lián)接套的毛坯材料是40Cr圓鋼直徑φ85 mm，毛坯長度65 mm，其零件圖如圖2所示。

圖2 聯(lián)接套零件圖

工藝方案1：在帶鋸床(GB4260)上鋸斷截取長65 mm的毛坯→在數(shù)控車床(CK1440A)上平端面，粗、精車外圓至φ80 mm→車φ40 mm預孔→粗、精鉆φ50 mm孔，保證孔長度20 mm→車槽、倒角→調(diào)頭，裝夾牢固，車外圓并校正→平端面，保證聯(lián)接套軸向長度60 mm→車外圓φ60 mm達到圖紙精度要求→車內(nèi)孔φ40 mm達到圖紙精度要求→倒角→清理，去毛刺。

工藝方案2：在帶鋸床(GB4260)上鋸斷截取長65 mm的毛坯→在數(shù)控車床(CKD6140)上用三爪卡盤夾住工件外圓柱面，用中心鉆在一個端面上打中心孔→用φ34 mm鉆頭鉆通孔→用內(nèi)孔車刀車φ40 mm和φ50 mm內(nèi)孔達到零件圖精度要求，并車內(nèi)槽→車零件圖上右端面并倒角→用專用三爪卡盤夾住工件φ50 mm內(nèi)圓柱面，車φ80 mm外圓和φ60 mm外圓，車兩個端面，并倒角，達到零件圖精度要求→清理，去毛刺。

工藝方案3：在帶鋸床(GB4260)上鋸斷截取長65 mm的毛坯→在普通車床(CA6140)上車端面，外圓φ80 mm，保證其長度40 mm→調(diào)頭車另一端面，保證聯(lián)接套軸向總長60.5 mm，車外圓φ61 mm→鉆孔φ38.5 mm→車端面，保證總長60 mm→車內(nèi)孔分別為φ50 mm和φ40 mm達到零件圖精度要求→車外圓φ60 mm達到零件圖精度要求，車外臺階面長度35 mm→倒角→清理，去毛刺。

通過對3個工藝方案進行清單分析可得資源環(huán)境屬性評價指標數(shù)據(jù)，建立評價指標判斷矩陣A，見表1。

表1 評價指標判斷矩陣A

參考文獻[6]通過MATLAB編程利用熵權(quán)法可以計算評價指標的權(quán)向量wj：

wj=[0.069 2 0.257 3 0.329 4

0.184 5 0.098 2 0.041 7 0.019 7]T

(11)

表1的7個決策指標中，除產(chǎn)品合格率為效益型指標外，其余均為成本型指標，可得參考數(shù)列為：

1.3 2.9]T

(12)

由表1、式(2)可以得到比較數(shù)列和參考數(shù)列,由式(3)可以得到具有4個數(shù)列的矩陣如下：

(13)

由式(4)和式(5)可得到無量綱化后的矩陣:

[X0,X1,X2,X3]=

(14)

由式(6)計算比較數(shù)列與參考數(shù)列對應元素的絕對差值:

(15)

由式(7)和式(8)計算兩級最大差和兩級最小差：

(16)

(17)

由式(9)ρ=0.5計算關(guān)聯(lián)系數(shù)，其結(jié)果可以用矩陣表示：

(18)

由式(10)求加權(quán)關(guān)聯(lián)度，r01=0.116 8,r02=0.100 7,r03=0.122 4，有r03>r01>r02。

從以上數(shù)據(jù)可得3種工藝方案資源環(huán)境屬性的優(yōu)劣順序(由優(yōu)到劣)：方案3>方案1>方案2，這與采用層次分析法和TOPSIS法相結(jié)合得出的評價結(jié)果一致，說明了該模型具有可行性和實用性。而采用層次分析法確定指標權(quán)重時主觀隨意性大，容易使決策結(jié)果出現(xiàn)偏差，本文利用熵權(quán)法確定指標權(quán)重時能減少人為主觀性對評價過程的干擾，權(quán)重的確定相對客觀準確。

4 結(jié)束語

本文將熵權(quán)法求權(quán)重和灰色關(guān)聯(lián)分析法相結(jié)合，對加工過程資源環(huán)境屬性評價問題進行研究。提出了基于熵權(quán)灰色關(guān)聯(lián)法的加工過程資源環(huán)境屬性評價方法，該方法在確定指標的權(quán)重時采用熵權(quán)法，可以避免主觀賦權(quán)法隨意性大的缺點，所得的權(quán)重相對客觀準確，最后通過加工實例驗證了該方法的可行性和實用性。此方法可以為企業(yè)選擇相對綠色的工藝路線提供理論依據(jù)，也為資源環(huán)境屬性評價提供了一種新方法。