矿车后横梁制造过程绿色工艺方案决策

韩自强，刘大慧，马灵秀，段鹏辉，黄小琦

(湖南电气职业技术学院 电梯工程学院，湖南 湘潭 411101)

1 引言

矿用自卸车是目前大型露天矿山的主要运输工具，具有承载能力强、可靠性高、经济性好、操作轻便灵活等优点。后横梁是矿用自卸车的主要的承载件，它把车架和后桥壳连接起来，既可以承受载荷又可以起到减少震动冲击的作用，后横梁质量的好坏在很大程度上影响着自卸车的使用寿命。目前，后横梁的制造过程有几种工艺方案，工艺方案不同对加工过程的资源消耗和环境影响也不同[1]，所以有必要对后横梁的工艺方案进行决策。面向绿色制造的绿色工艺方案决策是绿色工艺规划的重要内容，也是绿色制造亟需解决的关键技术之一，所以对绿色工艺方案决策进行研究具有重要的实际意义[2]。

近年来，许多学者对绿色工艺方案决策问题进行了研究。文笑雨等[3]建立了绿色多目标柔性工艺方案决策模型，并利用实例验证了模型的有效性。韩自强等[4]提出了基于区间层次分析法的机械加工绿色工艺方案决策方法，并验证了该决策方法的可行性。岳文辉等[5]建立了绿色工艺方案决策的数学模型，并利用模糊加权系数法对模型进行求解。单武斌等[6]提出了基于熵权TOPSIS法的机械加工绿色工艺方案决策方法，并验证了该决策方法的实用性。以上文献对解决绿色工艺方案决策问题有积极的借鉴作用，本文采用层次分析法确定指标的权重，并将层次分析法与灰色关联分析法结合，建立了基于AHP_灰色关联法的绿色工艺方案决策模型，最后以后横梁的3种机械加工工艺方案为例，验证了该模型的可行性和实用性。

2 基于AHP_灰色关联法的绿色工艺方案决策原理

对于绿色工艺方案决策而言，各评价指标之间不是相互独立的，而是有一定的关联性，可以利用灰色关联度作测度去评价各方案与理想方案的关联程度，从而得到各方案的优劣次序[7]。

2.1 利用层次分析法确定指标的权重

层次分析法(AHP)是一种求权重的方法，具有灵活、简洁、系统性强和所需定量数据信息较少等优点，因此应用非常广泛[8]。本文采用层次分析法确定指标权重，介绍层次分析法求解权重的文献比较多，这里不再赘述。

2.2 建立基于AHP_灰色关联法的绿色工艺方案决策模型

利用灰色关联分析法进行决策的步骤是[9]：

(1)收集评价数据形成比较数列构成矩阵如下，下式中m表示方案的个数，n表示决策指标的个数。

(1)

(2)确定参考数列，参考数列是一个理想的比较数列，通常由每个指标所有方案的最优值构成，即效益型指标选取最大值，成本型指标选取最小值。

(2)

(3)比较数列和参考数列一起构成了具有m+1个数列的矩阵如下[10]：

(3)

(4)无量纲化处理，由于式(3)中的数列具有不同的量纲或数量级，为了保证分析结果的可靠性,需要对该数列进行无量纲化处理。通常采用均值化法式(4)进行无量纲化，无量纲化后的数据序列形成如下矩阵：

(4)

式(4)中：Xi=(xi(1),xi(2),…,xi(n))T，其中i=0,1,…,m。

(5)

(5)计算比较数列与参考数列对应元素的绝对差值，即：

|x0(j)-xi(j)|,(j=1,2,…,n;i=1,2,…,m)

(6)

(6)计算两级最大差和两级最小差[11]：

(7)

(8)

(7)计算关联系数[12]：

ζi(j)=

j=1,2, …n

(9)

式(9)中：ζi(j)表示比较数列的第j个指标与参考数列第j个指标之间的关联系数，ρ表示分辨系数，

0<ρ<1，如果ρ越大，表示关联性越强，ρ通常取0.5。

(8)求加权关联度[13]，加权关联度的大小反应了备选方案和理想方案关联性的强弱，即两者接近程度的大小。加权关联度越大，则两者关联性越强，说明两者越接近。根据加权关联度的大小对备选工艺方案进行排序，即可得出备选工艺方案的优劣次序。

(10)

式(10)中：wj表示利用层次分析法求出的指标权重，其中j=1,2…,n;i=1,2,…,m。

3 应用实例

为验证模型的可行性，以矿车后横梁3种不同的工艺方案为例，选取对绿色工艺方案决策影响比较大的7个因素作为决策指标[14]，通过对3种工艺方案进行清单分析可得到后横梁绿色工艺方案决策指标数据，并建立决策指标判断矩阵A，如表1所示。

表1 决策指标判断矩阵A

层次分析法的具体计算步骤参考文献[15]，可以计算决策指标的权向量wj：

wj=(0.0686 0.2535 0.3261 0.1907 0.0979 0.0408 0.0224)T

表1的7个决策指标中，除产品合格率为效益型指标外，其余均为成本型指标，可得到参考数列为：

由表(1)、式(2)和式(3)可以得到比较数列和参考数列一起构成了具有4个数列的矩阵如下：

由式(4)和式(5)可得到无量纲化后的矩阵:

由式(6)计算比较数列与参考数列对应元素的绝对差值:

由式(7)和式(8)计算两级最大差和两级最小差：

由式(9)ρ=0.5计算关联系数，其结果可以用矩阵表示：

由式(10)求加权关联度：r01=0.66，r02=0.92,r03=0.75，则r02>r03>r01

因此可以得出3种绿色工艺方案的优劣顺序，由优到劣：方案2>方案3>方案1，这与采用熵权法和TOPSIS法相结合得出的评价结果一致，从说明了该模型的可行性和实用性。

4 结语

本文将层次分析法求权重和灰色关联分析法相结合，对机械加工绿色工艺方案决策进行研究。首先，采用层次分析法确定指标的权重，然后，将层次分析法与灰色关联分析法结合，建立了基于AHP_灰色关联法的绿色工艺方案决策模型；最后，用实例验证了该模型的可行性和实用性。此方法可以为矿山制造企业选择相对绿色的工艺路线提供理论依据，也为绿色工艺方案决策提供了一种新方法。