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1、2015 年 2 月 西安电子科技大学学报（自然科西安电子科技大学学报（自然科学版）学版）Feb.2015 第 42 卷 第 1 期 JOURNAL OF XIDIAN UNIVERSITY Vol.42 No.1 _ 收稿日期：收稿日期：2013-07-13 网络出版网络出版时间时间：基金项目：基金项目：国家高技术研究发展(863 计划)资助项目(2008AA04Z109)；国家自然科学基金资助项目(61074035)；中 央高校基本科研业务费资助项目(K50511040006)；陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2012JM8038)作者简介：作者简介：郭金维(1979-),男,副教授,
2、西安电子科技大学博士研究生,E-mail:jw_.网络出版地址：网络出版地址：doi：10.3969/j.issn.1001-2400.2015.01.016 一种机电产品绿色度评估指标权重计算方法 郭金维,张永安,高祥,蒲绪强(西安电子科技大学 机电工程学院，陕西 西安710071)摘要：作为一个国家的经济支柱，制造业所导致的环境污染是当今社会所面临的严重问题。产品的绿色设计和评估是解决这一问题的重要手段。针对产品绿色度评估指标权重的计算问题，提出了一种基于网络分析法(ANP)和多生命周期理论相结合的指标权重计算方法。首先，分析了产品的生命周期各阶段的指标构成；然后，根据各层次中指标间的关联
3、性，利用 ANP 法计算得到生命周期各阶段中评估指标的权重值。结果表明，该方法比单纯利用层次分析法(AHP)法更全面，更能客观反映产品的绿色度水平。关键词：绿色产品评估；生命周期评估；网络分析法 中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1001-2400(2015)01-0107-06 Method on weights decision of green-assessment-indexes for electromechanical products GUO Jinwei,ZHANG Yongan,GAO Xiang,PU Xuqiang(School of Electro-Mec
4、hanical Engineering，Xidian Univ，Xian 710071,China)Abstract:Manufacturing industry is the backbone of a countrys economy while environmental pollution is a serious problem that human being must face today.The green design and assessment of electromechanical products is an important method to solve th
5、e environmental problem.Aiming at the problem of weights decision of green-assessment-indexes,a new method based on analytic network process(ANP)and theory of life cycle assessment(LCA)is proposed to compute the assessment indexes weights in this paper.Firstly,the assessment indexes in life cycles o
6、f a product are presented.Secondly,according to the correlations among different indexes in the same hierarchy,the weights of green-assessment-indexes in different life cycles of a product are decided by ANP.The results indicate the proposed method is more comprehensive and objective than the ones b
7、y AHP alone.Key Words:green products assessment；life cycle assessment；analytic network process 在中国，制造业已经成为国家经济增长的支柱产业，然而，这也意味着高能耗和高污染。统计数据显示，造成环境污染的排放物近80%来自制造业。绿色制造及其有效评估是改善环境问题的重要手段。通常，有两类方法来对产品的绿色度进行评价：第一类是基于产品绿色性能的综合评估，例如层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)以及模糊综合评价方法1；第二类是基于生命周期评价(Life Cycle As
8、sessment,LCA)理论2。在综合评价方法中，AHP法3和熵权法4常用来计算各个指标的权重。由于灵活集成了线性规划、模糊逻辑和质量功能配置等多种技术，AHP 被认为是一种使用最广泛的多目标决策工具1，但由于 AHP方法只考虑上层元素对下层元素的支配作用，它假定同一层中的指标之间相互独立，而在许多实际决策问2014-05-14 09:37http:/ 西安电子科技大学学报（自然科学版）第 42 卷 http:/ 108 题中，某一层内部各指标元素之间时常存在相依或回馈关系，且下层元素对上层元素也存在支配作用，若仅仅使用独立性假设，将使得评估结果产生偏差。熵权法尽管是以客观数据为基础进行分析
9、，但其得到的权重仅仅能反映各指标之间的差异和竞争激烈程度，不能充分体现各指标在绿色度方面的重要性。同时，现有的关于机电产品绿色评估方法中，对于评估指标及其权重的确定，大多仅仅限于产品设计环节，而没有考虑产品生命周期其他阶段，这样使得最后的评估结果不够全面和客观。针对上述问题，本文提出了基于网络分析法(Analytic Network Process,ANP)和LCA理论的机电产品绿色评估中指标权重的计算方法。本文的优点在于：第一，构建了绿色度评价指标体系的网络结构，认为同一层和不同层元素组指标之间存在相依或支配关系，采用更先进的 ANP 多目标决策方法，对定性的比较结果进行定量分析，使得计算结
10、果更准确合理；第二，应用产品多生命周期理论，不仅仅考虑设计环节，同时将产品制造、使用、维护、回收处置各阶段的环境友好度指标一并考虑，得到的结果更全面客观。1 绿色机电产品的多生命周期模型绿色机电产品的多生命周期模型 1.1 绿色机电产品的多生命周期绿色机电产品的多生命周期 产品在制造、使用、维护、回收处置的过程中产生制造费用、使用难易、维护资源、回收成本等问题对产品设计阶段产生反馈。同时回收的部分产品零部件和材料将被循环利用于本产品的再制造中。产品多生命周期5不仅包括本代产品生命周期的全部时间，而且包括本代产品在生产制造、使用、维护、回收过程中产生的问题对设计阶段的反馈，产品报废和停止使用后，
11、其相关零部件再换代等多代产品的循环使用或循环利用的时间。如图1所示：开发设计加工制造使用维护回收处置销售运输开发设计加工制造使用维护回收处置销售运输产品A产品A1产品A2产品An.设计反馈产品A零部件的循环利用和再生利用.图1机电产品多生命周期过程 1.2 绿色度评价指标体系绿色度评价指标体系 由于机电产品类型的多样性，不同类型的产品有不同的设计、使用要求和环境特性，制定合理、全面的评价指标体系是对产品绿色度综合评价首要解决的问题。绿色度综合评价指标体系6的制定遵循科学性与实用性、完整性与可操作性、代表性与系统性、定性指标与定量指标结合、静态指标与动态指标相统一的原则。根据绿色产品的特征，一个
12、优秀的绿色产品不仅能够最大限度的满足环境的要求，而且要求技术先进，成本低，经济效益好，市场竞争能力强。依据上述的评价原则，机电产品的绿色度综合评价指标体系不仅要有环境方面的指标，也要有传统的产品评价指标。产品的绿色度评价是一个多层次、多因素的综合评估问题，评价指标体系由产品的基本属性组成，包括环境属性指标、技术属性指标、资源属性指标、能源属性指标、经济属性及社会属性指标六个大的方面，每个属性又由一些二级指标组成。同时，部分二级指标也包含三级指标，详细指标构成参见文献7。第 1 期 郭金维等：一种机电产品绿色度评估指标权重计算方法 http:/ 109 2 基于基于ANP 方法的绿色度指标权重计
13、算方法的绿色度指标权重计算 2.1 ANP方法介绍方法介绍 ANP方法是对AHP方法的扩展。它通过引入超矩阵的概念，将应用空间拓展到更为复杂的网络结构 模型中。ANP将系统元素划分为两大部分8：第一部分称为控制因素层。包括问题目标及决策准则，所有的决策准则均是彼此独立的，只受目标元素的支配。控制层每个准则的权重均可用传统的 AHP 法获得。第二部分为网络元素层。它是由所有受控制层支配的元素组成的，元素之间相互依存、相互支配，且不同层次间元素也并非相互独立，因此 ANP 层次结构中每个准则支配的不是一个简单的内部独立元素，而是一个相互依存、相互反馈的网络结构。控制层和网络层共同组成了典型的ANP
14、层次结构，如图2所示。目标准则p1准则p2控制层元素组C1元素组C2元素组C3元素组C4元素组C5网络层AB表示A影响B或者B受A的影响C表示C元素集合内元素是相互依存的 图2 ANP的典型递阶层次9 2.2 ANP的超矩阵和加权超矩阵的超矩阵和加权超矩阵 2.2.1 优势度的定义 采用 ANP 方法在某一准则下，对于受支配元素进行两两比较时，由于被比较元素之间可能是相互依存的，这种比较可以有两种方式10：(1)直接优势度：给定一个准则，直接比较两元素对于该准则的重要程度；(2)间接优势度：给定一个准则，在该准则下比较两元素对于第三个元素(称为次准则)的影响程度。前者适用于两元素间相互独立的情
15、形，后者则适用于两元素间互相依存的情况。优势度量化可按 1-9 标度法进行。2.2.2 超矩阵W的建立 设ANP的控制层中有元素p1,p2,pm，控制层下网络层有C1,C2,CN，其中Ci中有元素ei1,ei2,eini,i=1,2,N。以控制层元素ps（s=1,2,m）为准则，以Cj中元素ejk(k=1,2,nj)为次准则，将元素组Ci中元素按其对ejk的影响力大小进行间接优势度比较，即在准则ps下构造判断矩阵：ejk ei1,ei2,eini 归一化特征向量 ei1 ei2 eini wi1(jk)wi2(jk)wini(jk)由特征根法得到权重向量wi1(jk),wi2(jk),wini
16、(jk)。对于k=1,2,ni重复上述步骤，得到式(1)所示矩阵Wij。西安电子科技大学学报（自然科学版）第 42 卷 http:/ 110 jiiijjjninjinjinjnijijijnijijiijwwwwwwwwwW212221212111 (1)这里Wij的列向量就是Ci中的元素ei1,ei2,eini对Cj中元素ej1,ej2,ejnj的影响程度向量。若Cj中元素不受Ci中元素影响，则Wij=0。对于i=1,2,N；j=1,2,N重复上述步骤，最终获得准则ps下的超矩阵W9。对于元素组之间存在相互依存关系的，需对 Wij做加权处理，以控制元素 ps为准则，对控制元素 ps下的各元
17、素组 C1,C2,CN的权重进行比较，得到元素组权重矩阵 A。矩阵 A 与 W 相乘即得到加权超矩阵，即W=aijWij，i,j=1,2,N。加权超矩阵反映了网络系统各元素的相对重要性。111211112121222212221212WNNNNNNNNNNNNaaaWWWaaaWWWaaaWWW (2)2.2.3 ANP法确定局部权重向量 在超矩阵W中，为了反映元素之间的依存关系，需要对加权超矩阵做稳定处理，元素Wij反映元素i对元素j的一步优势度；还可以计算2W，其中元素wij2表示元素i对元素j的二步优势度，2W仍为归一化矩阵，以此类推，可以计算3W，4W，。当W存在时，W的第j列就是准则
18、sp下网络层中各元素对于j的极限相对权重向量。将上式写成式(2)的结构，则 NNNNNNWWWWWWWWWW212222111211 (3)其中每一行的数值，即为相应元素的局部权重向量；当某一行全部为 0 时，则相应的局部权重为 1。将局部权重按元素顺序排列即得到局部权重向量10。TNnNnnNqqqqqqQ,122111121 (4)3 某空调产品的多生命周期绿色度评价指标权重计算某空调产品的多生命周期绿色度评价指标权重计算 3.1 空调绿色评价指标体系空调绿色评价指标体系 绿色产品的“绿色”贯穿于产品的设计开发、加工制造、使用和维护直至回收处置的各个阶段。产品的多生命周期过程是从设计开发、
19、加工制造、使用和维护直至回收处置的循环过程。这五个阶段描述了绿色产品从诞生到消亡的整个生命周期，且不同阶段的各属性之间彼此作用，相互影响。根据之前利用ANP算法建立评价指标体系的原则，结合对空调产品的调查和研究，建立空调的评价指标体系，具体可参见文献11。这些属性包含于多生命周期的各个阶段，由于每个阶段的侧重点不同，实际应用中需要在不同阶段选择性忽略某些属性或属性下的某些指标。并且计算过程中为了力求所构成的网络结构的一致并简化计算，将越过属性层，直接对指标层建模，而指标层的具体数值将进行单独计算。3.2 建立专家判断矩阵并计算一致性建立专家判断矩阵并计算一致性 在ANP递阶层次结构中，网络层由
20、C1-C5五个元素组构成，分别表示产品多生命周期过程的设计、制造、使用、维护及回收5个阶段。首先，给出网络层各生命周期指标元素之间相互关联的判断矩阵，按照生第 1 期 郭金维等：一种机电产品绿色度评估指标权重计算方法 http:/ 111 命周期的顺序，依次给出网络层各元素与不同准则层相互关联的判断矩阵。限于篇幅，本文只采用一位专家的判断矩阵。例如，表1表示在开发设计准则下，以人力资源为次准则的判断矩阵。表1 在开发设计准则下，以网络层C1下人力资源为次准则(CR=0.0454)人力资源 使用成本 制造成本 回收成本 回收技术 性能质量 操作安全 维修方便 维护成本 销售利润 使用成本 1 1
21、/2 1 1/2 1 1/3 1/2 1 1/3 制造成本 1 3 2 4 1/2 3 3 1/3 回收成本 1 2 1 1/3 2 1/2 1/4 回收技术 1 1 1/3 1/1/3 性能质量 1 1 1/1/3 操作安全 1/维修方便 1 1/维护成本 1 1/4 销售利润 1 然后，根据网络层元素相互关系给出网络层所在准则层之间相互关联的判断矩阵。例如表2表示在开发设计准则下，各准则层之间的相互关系。表2在开发设计准则下各准则层之间的相互关系 开发设计 开发设计 制造加工 使用 维护 回收 开发设计 1 1 2 4 4 制造加工 1 2 2 3 使用 1 1 2 维护 1 1 回收 1
22、 通过计算，CR=0.0159，满足一致性。类似地，也可以得到在制造加工准则下，各准则层之间的相互关系，在维护准则下，各准则层之间的相互关系，在回收准则下，各准则层之间的相互关系。在所有的关系判断矩阵给出后，结合空调多生命周期模型，将绿色多生命周期评价设为目标层，将多生命周期的各个阶段作为准则层，然后将各准则层下的网络元素作为节点添加到准则层中，最后将上述求得的所有判断矩阵代入模型中，计算出最终的极限超矩阵。极限超矩阵的每一行结果均趋于稳定，得到最终各阶段底层指标权重如表3所示。表3 最终的各指标权重 生命周期 底层指标 权重 生命周期 底层指标 权重 生命周期 底层指标 权重 设计开发 人力
23、资源 0.055120 设计开发 维修方便 0.037141 使用 噪音污染 0.000854 使用成本 0.018249 维护成本 0.057510 维护 保修 0.019691 再生资源 0.003567 能源利用 0.005534 固体垃圾 0.006537 制造成本 0.059988 设备资源 0.021182 维护费用 0.008981 噪声污染 0.004427 销售利润 0.153824 维护难易 0.023997 回收成本 0.037155 加工制造 制造费用 0.136984 回收处置 回收率 0.009823 回收技术 0.020543 工作人员 0.087146 回收耗能
24、 0.002797 固体污染 0.021878 噪音污染 0.002158 回收费用 0.032999 大气污染 0.014270 固体污染 0.015746 噪声污染 0.000031 性能指标 0.022040 大气污染 0.007231 固体垃圾 0.003099 西安电子科技大学学报（自然科学版）第 42 卷 http:/ 112 操作安全 0.014859 水污染 0.006554 大气污染 0.001838 材料资源 0.004125 能源利用 0.008434 水污染 0.001622 水污染 0.012545 使用 使用费用 0.006594 污染治理 0.048424 操作难
25、易 0.004499 4 结束语结束语 文献6 11-12中关于机电产品绿色度评价指标权重的计算分别采用了模糊AHP法和Group-AHP法，其方法均是假设同一准则层内部指标间是彼此独立的，这与实际情况并不相符。本文在建立机电产品绿色度评价的指标体系的基础上，结合产品多生命周期理论，对网络结构中各元素的相互关系建立判断矩阵，并利用ANP法求出极限超矩阵及各底层指标权重，通过与文献6和12对比，本文得到的数据更加全面，同时为后续采集实际数据进行进一步的产品绿色度评价打下基础。不足在于，文中只参考了一名厂家技术人员的调查数据进行计算，而在实际应用中应综合环保专家、厂家技术人员及用户等多个群体的意见
26、；同时网络结构中各生命周期指标之间相互关系的判断矩阵也需要根据实际需求进一步优化，本文的后续工作将围绕以上问题展开。参考文献参考文献：1 Vaidya O S,and Kumar S.Analytic hierarchy process:An overview of applications J.European Journal of operational research,2006,169(1):1-29.2 Chu C H,Luh Y P,and Li T C.Economical green product design based on simplified computer-aid
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