评估碳排放量和产品设计方案成本的决策支持系统.docx
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评估碳排放量和产品设计方案成本的决策支持系统
评估碳排放量和产品设计成本的决策支持系统
组名
组长
成员
评估碳排放量和产品设计成本的决策支持系统
摘要
由于人们环境保护意识的增强，产品对于环境的影响成为了产品设计中一个很重要的标准。
然而，大多数企业却没有足够的渠道来评估他们的设计对于环境的影响。
本文将提出一种有效评估碳排放量和产品设计成本的系统，进而帮助公司进行决策。
对于一个给定的设计，我们通过优化装配结构、装配顺序和供应链配置使碳排放达到最小化。
那就是运用基因演算法来探索装配的结构和顺序，并通过动态规划的算法来优化供应链配置。
为了评估碳排放量，我们采用对产品整个生命周期进行评估的方法。
现在以现实生活中的电脑椅为例来说明该系统。
关键词碳排放量；产品成本；环保
ADecisionSupportSystemtoEstimatetheCarbon
EmissionandCostofProductDesigns
Abstract
Duetotherisingawarenessofenvironmentalprotection,environmentalimpactofaproductbecomesanimportantdesigncriterion.However,mostcompaniesdonothavesufficienttoolstoevaluatetheenvironmentalimpactoftheirdesigns.In
thispaper,asystemtoevaluatethecarbonemissionandcostofproductdesignsisdevelopedtohelpcompanydeterminewhichdesigntoadopt.Foragivendesign,theassemblystructure,assemblysequence,andthesupplychainconfiguration
areoptimizedtominimizethecarbonemission.Anevolutionbasedgeneticalgorithmisdevelopedtosearchtheassemblystructureandsequence.Adynamicprogrammingbasedalgorithmisdevelopedtooptimizethesupplychainconfiguration.Toestimatethecarbonemission,fromcradletogatelifecycleassessmentapproachisadopted.Arealworldcomputerchairexamplesareusedtoillustratethesystem.
keywordsCarbonEmission；CostofProduct；environmentalprotection
第1章产品介绍1
第2章文献综述2
第3章输入输出系统2
3.1输入2
3.1.1变形和材料的所有组成部分2
3.1.2部件的装配特征2
3.1.3地理位置和供应商的制造能力3
3.1.4碳排放和成本参数3
3.2输出4
3.2.1装配结构4
3.2.2装配序列5
3.2.3供应链的配置6
3.2.4碳排放量和成本6
第4章方法论7
4.1搜索装配结构和顺序的算法7
4.2供应链配置的动态规划7
第5章案例研究10
第6章结论和未来的研究17
1第1章产品介绍
由于环保意识日益增强，环境问题越来越受到人们的重视。
为了响应人们的关注，有关部门制定了许多与环境相关的法规和准则，比如《京都议定书》、“蒙特利尔公约”、WEEE，RoHS和欧盟EuP指令。
最重要的是，绿色环保产品的需求也越来越大。
因此，一个产品对环境的影响成为一个重要的设计标准。
然而，大多数企业却没有足够的渠道来评估他们的设计对于环境的影响。
其主要原因有如下两种。
第一，准确地评估环境的影响就必须考虑到原材料的提取、零部件的制造、产品的包装和营销等活动，这就需要大量的计算和准则来支持。
第二，尽管部件的原材料和形状在设计中已经给出，然而环境影响在不同程度上还取决于这些部件的组装情况以及供应链的配置情况。
因此，要想合理而公正地评价一项设计对于环境的影响，就必须对该项设计的装配结构、装配顺序、供应链配置进行优化。
在本文我们为企业开发出了一种有效评估碳排放量和产品设计成本的决策支持系统，便于企业做出更好的决策。
那就是运用基因演算法来探索装配的结构和顺序，并通过动态规划的算法来优化供应链配置。
我们采用对整个生命周期评价法来评估碳排放量和设计成本。
文章的其余部分安排如下：
在第2部分是相关文献材料的回顾，第三部分讲述决策支持系统的输入与输出，第四部分展现的是优化装配结构、装配顺序、供应链配置的数学模型和解决方法，第五部分讲谈论世界电脑椅这个案例的结果和分析，第六部分，也是最后一部分，是对本文的结论和未来研究的总结。
1第2章文献综述
许多研究人员在早期的概念设计阶段专注于评估环境影响。
（Kang和etal.,2018,和Ahn,2018>。
基于有向图和矩阵,Anand和Wani（2018>在概念的阶段提出了产品生命周期设计程序。
Bohmetal.（2018>研究了在设计的概念阶段采用生命周期评估的影响。
他们发现在系统设计阶段的产品架构对环境绩效有重大影响。
许多论文研究了产品结构的多少会影响组装和拆卸的难易（Fixson,2005和Kwaketal.,2009>。
然而,为什么产品架构对环境影响有深远的影响主要是因为它把产品设计和供应链活动连接在一起（Fixon,2005,Chuetal.,2009>。
因此,供应链配置应当在考虑评估产品的环境影响时被考虑进去（O’Donnelletal.,2009>。
然而,当设计的环境影响被评估时，更少的方法整合供应链配置优化到概念设计阶段。
大多数研究关注细节设计对环境的影响，没有考虑装配结构、装配顺序和供应链配置的影响（Leibrecht,2005>。
Groteetal.（2007>开发了一种促进设计工程师遵守欧盟在环保方面的指令的方法。
Feldmannetal.（1999>提出了一个被称为“绿色设计顾问”（GDA>的基于多属性评分系统价值理论来评估根据产品的材料和再循环能力的产品对环境的影响。
通过采用特征造型技术,Mascle和Zhao（2008>在材料的提取和加工,制造、产品使用和处置的过程中对零件、装配,和操作进行环境影响评估。
在本文中,我们开发一个优化装配结构、装配序列和产品设计的供应链配置的评价系统。
这样,这些设计可以适当和公正地评估。
第3章输入输出系统
3.1输入
3.1.1变形和材料的所有组成部分
在一个给定的设计中，设计师已指定材料变形和组成的产品的所有零件的材料。
不同的材料会影响碳排放不仅仅有材料本身也有其制造方法影响。
例如，如果选择塑料为材料，制造方法必须注射成型。
部件可以设计成不同的变形。
图1显示了胳膊休息的三个设计变形。
我们使用小写英文字母来标识部分的变形。
如果有三个可用的部分变形，我们把第一个变形称为a，第二个为b，第三个为c。
3.1.2部件的装配特征
在设计的每一个部分都给出了一个装配特征。
组件特征代表那些将附加到其他组件所需的功能。
把图2中的扶手组件作为例子，plane02和hole01的装配特征是集功能附加到坐垫的胳膊休息。
换句话说，指定的两部分是否有适当的接口，这就需要在一个可行装配序列中有彼此组装装配功能。
图1三个变种的扶手
图2手臂其余组件的功能
3.1.3地理位置和供应商的制造能力
供应商的地理位置决定了供应商之间的运输距离。
它对关于应如何配置供应链和运输的碳排放有极大影响。
并不是所有的供应商有生产所有部件的制造能力或有产生所有材料的能力。
供应商的能力在给予前可以对供应链配置进行优化。
这种信息一般是易于访问的。
3.1.4碳排放和成本参数
不同的材料、不同的制造工艺和运输的单位碳排放参数都必须给出。
材料和制造工艺的单位碳排放量在给定的所用材料或产品的制造过程中所产生的二氧化碳是每公斤。
运输的单位碳排放量是鉴于每公斤的CO2的每吨公里。
生命周期清单LCI通常是基于专用软件系统或数据库进行的。
在一般情况下，LCI数据库只包含特定的地理区域发生的生命周期活动的数据。
在本文中，我们采用DoItProTM方法评价在产品开发过程中产品对环境的影响，包括制造过程和电碳排放的碳排放量。
DoItProTM最初开发于2000年，在台湾经济部这一系统的数据清单包括材料、燃料、电力能源、水和产出等气体的排放量、排放水和固体废物等的投入。
要注意的是部件的制造成品率在这项工作中不考虑。
在DoItProTM中不可用的数据是从SimaPro7TM中获得的。
SimaPro7TM是由在荷兰的莱顿大学开发的。
不同的材料，不同的制造过程和运输都给出了单位成本参数。
材料和制造工艺的单位成本是鉴于使用的材料或产品生产制造过程中的每公斤的美元数额来计算的。
运输的单位成本是鉴于每吨-公里的美元数额计算的。
这种信息一般是容易访问的。
3.2输出
要正确地和公平地评估一个给定的设计对环境的影响，这种设计的装配结构、装配序列和供应链配置必须进行优化。
因此，决策支持系统的输出，不仅包括碳排放和成本，在给定的设计中，同时也要选择最佳的装配结构，装配顺序，和供应链结构设计。
3.2.1装配结构
不同的装配结构会导致不同的供应链配置和产生不同的碳排放和成本。
在本文中，我们假设每段时间只有两个部件或子组件将被组装。
这不是一个非常严格的假设，因为我们不是假设不超过两个部件可以组装在一起。
如果3个部件需要组装在一起，我们可以先装配两个部分，再附第三个子组件。
图3显示了一种产品由五个部分组成的三个装配结构。
3.2.2装配序列
同样，不同的装配序列将会导致不同的供应链配置和产量以及不同的碳排放。
图4显示了由四个部分组成的产品的四个序列。
装配结构是相同的，但装配组件的序列是不同的。
不是所有的序列都是可行的。
一个可行的序列应满足两个约束条件。
第一个约束条件是接口约束条件。
即彼此组装的部件应该有适当的接口。
指定的每个部分的功能的组件将被用于检查这个约束条件。
第二，一个可行的序列必须考虑几何和物理的限制。
图5显示了一个圆珠笔的两种可能的装配序列。
左边是一个可行的序列，而右边是不可行的。
右边不可行是因为在圆珠笔外壳完全组装前先盒组装。
检查第二个约束条件的可行性，我们使用Solidworks2008tm，一个计算机辅助设计<2001年）。
细节做法可以在Su、Chu和Wang里找到（2018>。
图3为五个组件的的装配结构
图4使用相同装配结构的装配序列
图5圆珠笔可行的和不可行的装配序列
3.2.3供应链的配置
供应链的配置包括制造，部件或装配组件以及这些工作过程中的都是由供应链中的运输供应商决定的。
供应商间的距离和供应商能力都是被考虑的。
一种动态编程算法的每个组件的结构和序列是用来解决供应链最优配置的。
动态规划算法的详细步骤在4.2节中有描述。
3.2.4碳排放量和成本
最终，碳排放和费用的设计将被评估。
在本文中，我们采用生命周期评估LCA是指用来全面的评估在其生命周期的产品对环境的影响（IlginandGupta2018>。
LCA评价法通常被称为“从摇篮到坟墓“的方式，包括开采和加工原料，制造，运输，使用，回收和处理废弃产品所造成的这些影响。
由于使用，回收和处置的影响是无法在设计阶段（Biswas,G.,etal.,1995>中就有的，在本研究中，我们只研究包括材料，制造和运输对环境的影响。
这种方法被称为”从摇篮到大门“的方法。
门代表的是工厂的门。
同样的，总成本包括材料、制造和运输的成本。
第4章方法论
要公正地评价产品的设计，就必须开发一种双极优化程序。
在顶层，根据进化基因遗传算法搜索装配结构与顺序的可能组合。
在底层，对于每一个上述的组合，通过动态规划对相应的供应链结构进行优化。
4.1搜索装配结构和顺序的算法
根据苏、楚和王<2018），如果有N个部分，相应的结构就有如果结构中的零件和子配件有M个，那么可能的序列就有M！
个。
当设计变得复杂，总的部件数量大的时候，装配结构仍然是可以控制的，但是许多可能的序列数量将成倍增加。
用电脑进行长时间的枚举来找到最佳装配序列。
所以，我们列举出所有的结构和发展进化了的遗传算法，在合理的时间内搜索出一个很好的装配序列。
已知零件和子配件的数量为M，每个组件对应如下的染色体：
Li代表零件和子配件在序列中的位置。
基于基因算法的进化过程如下：
第一步：
初始化进程。
随即生成个染色体。
是每一代的染色体数，为偶数，对每个染色体的成本进行评估。
最小成本和相关序列被记录下来作为最佳序列。
第二步：
计算每个染色体的值。
运用轮盘选择机制从人口中选择个染色体，
值越高，染色体被挑选出来的可能性也越高。
同一个染色体可被多次挑选出来。
对于第S个染色体总成本越高，值越低。
第三步：
选出随即的N/2对亲本。
第一对称为父本，第二队称为母本。
第四步：
分别从父本和母本中复制基因值产生子一代，现在有N/2个家庭，每个家庭有父本母本子一代。
第五步：
进行交叉操作。
使用基于位置的交叉，对于子一代来讲，随机选择一组位置。
这些值是从母本<父本）复制到子一代的相应位置来改变基因值。
从子一代中删除重复值。
将缺失值从左到右降序排列到子一代的染色体中。
第六步：
进行变异操作。
使用反转突变，对于每个子一代染色体，随机生成两个位置。
这两者之间的基因位置将形成一个子集。
反转序列的子集。
第七步：
检查子一代染色体的可行性。
如果他们是不可行的，使用交叉和变异过程中产生新的后代，直到他们都可行。
第八步：
评估每个染色体的成本，根据成本选择最好的染色体，Npop染色体将被选中，如果更好的设计确定了，那就更新最好的设计。
第九步：
检查在这种情况下是否达到最大迭代次数的停止标准，。
如果是，则停止搜索，否则转到步骤2。
4.2供应链配置的动态规划
给定一个组件的结构和序列，运用两个供应链决策出最小的成本第一个决策是选择供应商，第二个决策是确定组件和子配件是如何从一个供应商运输到另一个供应商的。
运用一个基于动态规划的算法来优化供应链绩效。
使用树形网络结构代表遗传算法给出的装配结构和序列。
每个节点都代表一个组件或子配件的在产品。
父母本和子一代之间的关系表明，父母本在制品由子一代在制品组装而成的。
因此，子一代就必须先制造出来。
假设在设计中有N个在制品，每一个终端节点代表在制过程中不产生子一代的在制品。
E是一组终端节点，i是指数，
，
是子一代的集合，
是一组可以产生i的集合，
、
中的元素按照指数值升序排列。
如果
是空集。
例如，在图6中，
我们分别从图的顶端到底端进行赋值，最终值在第一节点中产生。
如图6中所示，是一个树形网络。
设j为供应商指数，
是指供应商用于生产或组装i产生的成本。
是指i从第
供应商到
供应商所产生的成本。
我们运用动态规划决策出供应商应该生产或组装总成本最小的在制品。
在动态规划算法的每一个阶段，我们评估供应商的第1到第N个在制品。
因此，阶段指数就是在制过程指数。
i阶段的决策变量是
，其中，
是在制品K的供应商。
动态变量
表示在i阶段在制品i的供应商。
是i阶段的总成本，在制品i由供应商
产生。
在制品
由供应商
生产。
给定
，
是使
最小的值，
是相应的
的最小值。
因此，
其中，
及时成本+成分i的最小未来成本，及时成本包括两部分。
第一部分是供应商
或
生产在制品i时产生的成本。
第二部分是子一代在产品i从供应商那里送到
的运输成本。
因此，
如果
，
是空集。
那么，
目标是寻求最终产品的最小成本，例如，
运用动态规划找出的
，对于i，运用如下等式：
如果
，
是空集，那么，
采用逆推法解决该问题，从
开始，在制品
，等式<4）中，当
时，可以通过等式<3）或等式<4）评估
。
依此类推，
可以由相同的过程推导出。
1第5章案例研究
我们使用一个实际的世界电脑椅的例子来说明评估体系。
本研究使用Devc++TM作为编程工具和SolidWorks2008TM作为三维建模工具。
这个公司有两个现有的设计案例。
这两个设计的零件名称,零件变体和材料在表1和表2中给出。
一旦指定零件变体,装配特征就可以从零件数据库中被访问。
表3显示了每个供应商的制造能力。
有5个制造商制造零件和3个组装人员组装部件。
在这个特定例子中,任何一个组装人员可以组装所有的组件。
供应商的地理位置如图7所示。
表4显示了根据他们的地理位置的供应商之间的距离。
单位碳排放和材料、制造和运输的单位成本在表5和表6中给出。
表7显示了转换表1中指定体积转换成体重的材料的密度。
公司想在组装结构、装配序列和供应链配置进行了优化的同时评估这两个设计的碳排放量和成本,,来决定采用哪个设计。
图8和图9展示了两个设计的最优装配结构、装配顺序和供应链配置。
这两个设计的总碳排放和总成本由表8总结出。
设计1和设计2的主要区别是设计1为机制2（C6>和3（C7>使用了铸铁，而设计2使用低碳钢。
因为低碳钢比铸铁有较高的成本和较低的碳排放,所以人们会希望设计2具有较高的成本和较低的碳排放。
然而,结果表明,设计2具有较高的成本和较高的碳排放,因此是设计1占优势。
设计1碳排放较低的原因有两层。
首先,在设计1中一些组件有较小的体积。
例如,设计1中的C8、C9、C10和C11的体积远小于设计2。
因此,设计1的材料和制造的碳排放要小于设计2。
第二,并且更重要的是,由于供应商能力的限制,设计2的供应商散布在台湾各处。
然而,设计1是能够合作的供应商只有在台湾的中部和南部。
因此,设计1的交通碳排放和费用均小于设计2。
如果被评估的产品比较重，供应链配置的影响将更加重要。
表1电脑椅的设计1
部件名称
部分变体
体积材料
C1轮子
a
133.70（26.74*5件>
PP
C2轮子连铸机
a
82.39（16.48*5件>
PP
C3五角支架
a
787.5
PP
C4扶手
b
289.62（144.81*2件>
PP
C5机制1
a
87.51
铸铁
C6机制2
a
102.01
铸铁
C7机制3
c
99.56
铸铁
C8靠背垫盖
b
1031.7
PP
C9座椅靠垫
b
1354.63
PP
C10靠背垫
b
5886.44
PUR软泡沫
C11座垫
b
9950.14
PUR软泡沫
表2电脑椅的设计2
部件名称
部分变体
体积材料
C1轮子
a
133.70（26.74*5件>
PP
C2轮子连铸机
c
114.03（22.81*5件>
PP
C3五角支架
c
1840.46
PP
C4扶手
a
377.71（188.86*2件>
PP
C5机制1
a
87.51
铸铁
C6机制2
a
102.01
低碳钢
C7机制3
c
99.56
低碳钢
C8靠背垫盖
c
1258.75
PP
C9座椅靠垫
c
1675.59
PP
C10靠背垫
c
7275.51
PUR软泡沫
C11座垫
c
12346.23
PUR软泡沫
表3供应商的制造能力
制造能力（1意味着有能力>
供应商
部件名称
M1
M2
M3
M4
M5
C1轮子
1
1
1
C2轮子连铸机
1
1
1
C3五角支架
1
1
1
C4扶手
1
1
C5机制1
1
1
1
C6机制2
1
1
1
C7机制3
1
1
1
C8靠背垫盖
1
1
C9座椅靠垫
1
1
1
C10靠背垫
1
1
1
C11座垫
1
1
材料
1
1
1
1
1
PP
1
1
1
1
1
PE
1
1
1
1
1
PVC
1
1
1
铸铁
1
1
1
低碳钢
1
1
1
PUR软泡沫
1
1
表4供应商之间的距离
运输距离（公里>
M1
M2
M3
M4
M5
A1
A2
A3
A1
70
5
140
280
330
0
140
330
A2
210
140
5
140
190
140
0
190
A3
400
330
190
50
5
330
190
0
表5单位碳排放
材料
二氧化碳排放（公斤/公斤>
来源
PP
1.9
DoItProTM
PE
1.8
DoItProTM
PVC
2.7
DoItProTM
铸铁
1.5
DoItProTM
低碳钢
0.653
SimaPro7TM
PUR软泡沫
4.2
DoItProTM
制造
二氧化碳排放（公斤/公斤>
来源
PVC注射成型
0.28
DoItProTM
PP、PE注射成型
2.657
DoItProTM
加工
1.1158
DoItProTM
钣金加工
1.3938
DoItProTM
运输
二氧化碳排放（公斤/公斤>
来源
卡车（小于3.5吨>
1.5438
DoItProTM
表6单位成本
材料
成本（标示/公斤>
PP
55
PE
64
PVC
36
铸铁
20
低碳钢
30
PUR软泡沫
24
制造
成本（标示/公斤>
PVC注射成型
10
PP、PE注射成型
15
加工
19
钣金加工
14
运输
成本（标示/吨公里>
卡车（小于3.5吨>
10
表7材料的密度
材料
密度PP
0.89
PE
0.93
PVC
1.3
铸铁
7.3
低碳钢
7.8
PUR软泡沫
0.05
表8设计1和2的总碳排放和设计费用
设计1
设计2
材料成本
241.33
347.83
制造成
升级会员 