當前綠色設計最為活躍的領域在DFX(Design for X)領域，可能的“X”包括：回收(Recycle)、服務(Service)、環境(Environment)、拆卸(Disassembly)等。其中產品的拆卸回收分析是綠色設計和綠色制造中非常關鍵，同時也是最活躍的研究領域。產品的回收在其生命周期工程中占有重要位置，正是通過各種各樣的回收策略，產品的生命周期形成了一個閉合的回路。壽命終了的產品最終通過回收又進入下一個生命周期的循環之中。因此，回收是實現制造業可持續發展的先決條件，它在產品的綠色設計中扮演著重要的角色。面向回收的設計DFR(Design For Recycling)已經引起人們的高度重視。
1 面向可持續制造的DFX研究
美國、日本以及歐洲的一些國家制定的回收法規引起學術界和工業界的高度重視，許多學者和研究人員針對產品的可回收性提出了各自的理論。可回收性設計主要包括：可回收材料及標志、可回收工藝及方法、可回收經濟性及可回收產品以及零部件的結構設計等。美、德、日等國家在汽車、家電等行業應用面向回收的產品設計思想，取得了良好的社會、經濟效益。消費類電子產品的回收也日漸受到重視，如計算機含有金、銀、鉑、鈀等多種貴金屬，尤其是在早期的計算機產品中。Moyer和Guptar介紹了加拿大的一個銅冶煉公司，1993年回收處理了100000t材料，其中包括銅34t、銀123t、金7t以及St的鉑和鈀。在美國加州Irvine的一家公司，主要通過計算機的回收，1993年的年收入即達7900萬美元。
回收的成本和收益問題的研究受到了普遍重視。Johnson和Wang討論了如何有效地完成材料回收的問題，其方法可以判斷出產品的回收率、回收成本、回收方案，以及拆卸的順序和深度。Krikke等提出了一個對產品回收策略進行評估的模型，綜合考慮產品的經濟性和拆卸、掩埋、回收、再利用等的可行性。Hentschel等借助模糊理論和成組技術來研究回收系統，以解決回收過程的不確定性問題。
目前的回收基本上是材料的回收，一般通過壓碎后再分類的方法進行回收。顯然，壓碎后的材料混合在一起難于分離，回收效率低，難度大。因此，如何加強產品零、部件的回收、再利用已經成為一個重要的研究領域。而面向拆卸的設計DFD(Design For Disassembly)目的正在于解決材料回收中存在的問題。
拆卸被定義為系統地從裝配體上拆除其組成零部件的過程，并保證不對目標零部件造成損害。拆卸分為破壞性拆卸和非破壞性拆卸兩種。目前對DFD的研究主要集中于非破壞性拆卸。
拆卸是實現高效回收策略的重要手段。只有拆卸才能實現完全的材料回收并且有可能實現零部件的再利用。而只有在產品設計的初始階段，就將報廢后的拆卸問題考慮進來，才能夠實現產品最終的高效回收。
目前DFD主要集中在以下3個階段性研究上：
●收集、分類和歸納DFD的有關知識；
●拆卸深度決策和拆卸序列規劃及其拆卸可行性評價；
●創建新的DFD方法和工具，并考慮與CAD設計的集成。
現在絕大多數的研究主要在第一步和第二步。也有一些研究機構正在開發與CAD集成的DFD專家系統。早期的研究思路來源于面向裝配的設計DFA(Design For Assembly)。實際上，DFD和DFA在內容上有較大的差別。近期的研究主要集中在拆卸深度決策、拆卸序列規劃、拆卸路徑分析和評估工具的開發等領域。
針對產品拆卸回收分析建模的探討和研究主要有：有向圖、無向圖、AND/OR圖、Petri網、拆卸樹等幾種建模分析方法，如表1所示。
表1 拆卸回收分析問題建模方法比較
有向圖模型中，節點表示零部件，節點間的連線（弧）表示零部件之間的拆卸約束關系，連線的方向表示節點拆卸的先后順序關系。這種方法直觀地顯示了所有的拆卸序列。缺點是當零部件數目較多時，節點和邊數量增多，拆卸深度和序列規劃的建模和優化決策算法比較復雜，并且在實際拆卸過程中，一些特殊的情況無法完全用有向圖來描述分析。由于有向圖模型中的大量信息可以從CAD模型中提取，所以在與CAD系統集成方面有一定優勢。無向圖模型與有向圖模型類似，結構上更簡單，但是對于拆卸工藝彼此之間的先后關系無法描述清楚。
將裝配轉化為拆卸問題，利用圖論，通過求割集法求解產品裝配序列是一種重要的裝配建模研究思路。Sanderson和Homenm de MelIo等以節點表示產品或零部件，將一個節點分解成n個（n≥2）子節點，以帶弧連接的兩條線表示，圓弧連接的兩條線是同時存在的，因而是邏輯“AND”關系；同一個節點表示不同的分解方法時則用幾對帶弧的線表示，它們之間構成了“OR”的關系，這樣形成的圖就稱為AND/OR圖。AND/OR圖顯示了所有可能的拆卸序列，而且節點較少。缺點是零部件的“與或”關系所反映的割集數量非常龐大，組合爆炸的致命缺陷嚴重限制了其實際應用，而削減割集數量極其困難，并且拆卸分析的直觀性不如有向圖；另外，與CAD集成的難度大，當產品的模型發生變化之后（比如對產品的結構和組成進行了更新），很難在新的模型中及時方便地加以體現。Lambert、Zussman等人有關拆卸回收的研究利用了AND/OR圖及其類似的建模方法。國內一些研究也采用了這一思路。
另外常用的一種分析模型是產品拆卸樹。產品拆卸樹與現在產品數據管理中的產品結構樹有相似的結構，將產品零部件作為樹的節點，以樹節點的父子關系表示零部件之間的拆卸約束關系。Ishii提出的倒魚骨圖實質上也是一種用樹狀結構來表示產品拆卸結構的方法。產品拆卸過程中，因為需要考慮到拆卸問題的特殊性，比如連接件與非連接件的區分、零部件標簽的區分等，所以，需要對零件分類做出新的定義方式。產品拆卸樹與產品結構樹有相似之處，可以方便地由PDM和CAD設計中導入產品結構樹，然后按照拆卸問題的特殊要求對其進行修改，生成產品拆卸樹。拆卸樹方法直觀、簡單。但也正因為樹的結構比較簡單，無法描述產品的復雜拆卸結構約束關系，所以難以得到合理的拆卸回收方案，故對其應用和研究并不多。
介紹一種面向制造的拆卸順序的分析方法。Ishii介紹了用倒魚骨圖來表示拆卸順序的方法，與裝配圖相似，倒魚骨圖也可以標識出每一個拆卸步驟，主要通過標識其拆卸所需工裝需求、定位要求和拆除方向來實現。Gu和Yan提出了一種基于圖論的啟發式方法，可以自動地借助特征數據庫生成拆卸順序。Lee和Gadh提出了一種基于破壞性拆卸的DFD算法。研究產品拆卸回收的經濟和環境問題，他們還開發了基于最佳經濟性的優化拆卸順序的分析工具。Kuo和Zhang等研究了基于圖論技術的拆卸順序優化方法。利用Petri網模型來進行拆卸過程規劃。
也有人借助產品的幾何信息來對其可拆卸性進行評估。Woo開發了一種算法，通過分析部件和其他部分的結合面來判斷其可拆卸性。Beasley和Martin對拆卸時的運動進行了研究，其中既考慮了局部幾何信息，也考慮了全局幾何信息。局部的幾何運動可行性依賴于是否存在微小的移動，這取決于兩個零部件之間的表面接觸。全局的幾何運動的可行性依賴于在某個方向上是否可進行有限的移動，這不但取決于相鄰零部件的關系，還取決于整個裝配體之間的關系。Srinivasan和Gadh通過產品可拆卸性矩陣對產品可拆卸性進行了量化評估，并提出了“虛擬拆卸”的概念，虛擬拆卸允許設計者在虛擬環境中評估產品的可拆卸性。Bras在面向產品拆卸回收的設計中對ABC(Activity-based-costing)方法進行了研究，并借助該方法對不同的設計方案進行評估。Kroll開發了一個打分系統，通過分析產品拆卸的各項工作的難度，從總體上評價產品設計的有效性。
更近期的研究如Lambert通過一種有向網絡圖來描述產品的拆卸結構，并通過線性規劃方法求解最優的拆卸順序，其中的節點是任意可能的子拆卸體，拆卸的方向是從圖模型的左方向右方拆卸（因而圖中不必標出方向），其不足之處是建模難度較大，與CAD工具集成性差。Srinivasan和Gadh等利用所謂的“Wave Propagation”方法求解目標零部件拆卸問題，可以應用于二維和三維裝配體中，值得注意的是，模型的兩個優化目標是最少數目的零部件參與移動以及零部件移動量最小。實際的拆卸回收過程非常復雜，尤其是產品報廢后零部件的外觀和技術特性存在較大的不確定性，因此，Zussman、Zhou、Caudill等人利用神經網絡等方法對拆卸回收及其再制造過程進行動態建模。Seo等人則利用遺傳算法得到優化的產品拆卸順序。Johnson和Wang利用MRO（材料回收指標）研究產品拆卸規劃問題，其優化目標包括：材料兼容性、處置件聚簇、并行拆卸操作、收入最高。Pitipong Veerakamolmal和Gupta等人研究了Case-based拆卸建模分析模型，并指出人在輔助建模方面的重要性。Seliger和Basdere等人對回收和再制造信息平臺進行了研究，以支持拆卸回收過程中的大量動態信息。Krause和Kind研究了管理產品生命周期中大量信息的IT結構，其中信息提供、信息維護和信息監察是其三大主要模塊。Li J C和Zhang H C等人提出了一個綠色供應鏈管理模型，其中信息共享模型采用所謂“即插即用”結構，可以容易地管理產品零部件及其材料的生命周期技術、經濟和環境信息。
拆卸的深度決策也是一個重要的研究領域。拆卸成本隨所用的時間和拆下的零部件的增加而增加，因而，部分拆卸往往是更經濟的。Simon提出了一種零部件拆卸的目標體系以幫助判斷拆卸應何時終止。根據由高到低的順序，該體系由重新使用、再制造、材料的高級回收、材料的低級回收、材料焚燒的熱能利用和廢棄物掩埋等組成。圖1表示考慮拆卸時的產品處置的總成本。
圖1 考慮拆卸時的處置總成本
從對拆卸回收問題的分析和各種模型的優缺點分析可見：
●拆卸回收問題大量牽涉到不完全拆卸問題，因此，對不完全拆卸問題的建模能力是衡量模型好壞的一個重要指標；
●對拆卸任務及其先后順序的建模能力是各個模型的研究關鍵；
●拆卸回收的經濟性分析主要體現在拆卸深度和順序決策中，故分析模型反映經濟問題的能力是評價模型好壞的一個重要指標；
●分析模型的空間和時間開銷是衡量一個模型好壞的另一個重要指標；
●人的合理參與是拆卸回收問題建模成功的重要保證。
除了對DFD和DFR進行了深入研究外，人們在面向可維護性的設計、產品再制造設計等領域也進行了大量研究。
2 綠色設計理論方法的研究應用展望和總結
中國是家用電器的生產和消費大國，測算出的當前社會保有量是：電冰箱1.2億臺，洗衣機1.7億臺，電視機4億臺，電腦1600萬臺。20世紀80年代投入使用的電冰箱、洗衣機、電視機等絕大多數已到了報廢期，家用電腦更新報廢的周期更短。預計未來幾年，中國需要報廢和回收處理的家用電器數量將大幅度上升，今后每年需要報廢的電冰箱可達400萬臺，洗衣機約500萬臺，電視機500萬臺以上。由于中國尚未建立規范的廢舊家用電器回收利用體系，大量家用電器超期服役和廢舊家電任意處置的現象較為普遍，由此產生的安全隱患、能源浪費和環境污染等問題越來越嚴重，已引起社會各界的普遍關注。我國已經實施了《清潔生產促進法》，制定了《廢舊家用電器回收利用管理辦法》；同時，《生產者延伸責任制》以及有關家電的報廢標準《家用電器安全使用年限和再利用通則》也在研究制定之中。這些不斷完善的法令法規，對綠色設計領域的研究來說既是機遇，又是挑戰，迫切需要加大研究的力度和深度，為產業化提供理論方法和工具支持。
綠色設計和綠色制造的研究也引起了國內眾多研究單位的高度重視。國際自然科學基金委和“863”高技術計劃也多次立項給予支持，如合肥工業大學劉光復、劉志峰課題組在產品拆卸回收方面的研究（基金項目），上海交大蔡建國課題組等人有關產品可拆卸性的研究（基金項目），重慶大學劉飛、徐宗俊、張根寶等人有關綠色制造系統和產品壽命周期分析的研究(“863”項目)，清華大學汪勁松、段廣洪課題組有關綠色設計理論方法的研究（國家自然科學基金重點項目），以及徐濱士等人關于再制造工程的研究、華中科技大學李成剛等人、北京理工大學寧汝新等人關于面向拆卸回收的設計的研究均取得了較大的進展。
綜合國內外綠色設計相關領域的研究，總的說來，仍然存在以下亟需改進和完善之處：
(1)難以滿足企業和社會的需求。可持續發展的戰略和當前企業信息化的需要強烈要求提供適用、有效的面向綠色設計的產品生命周期環境影響分析管理工具，綜合國內外的研究可以發現，雖然出現了一些LCA分析工具和一些模塊化的設計輔助工具，但仍然缺乏綜合性的可以輔助進行產品綠色設計的系統。
(2)缺少系統性的理論和方法支持。綠色設計和綠色制造的研究大多還處于探索階段，理論和方法體系結構還不夠系統。
(3)建模方法和現有設計工具之間缺乏一致性。LCA作為一個重要的概念已經形成國際標準，但研究表明，目前的LCA框架與現有設計方法和工具存在一定的脫節，缺乏對綠色設計過程的有效支持；而各種模塊化工具與LCA框架也存在嚴重脫節。其后果是，各種工具只能從某個側面對綠色設計和綠色制造給予支持，卻不能整合在一起。因此，迫切需要利用系統論的方法，開發綜合性的設計支持平臺系統，這一方面需要開發面向綠色設計的行之有效的環境影響評估模型和工具，另一方面需要開發可以有效融合的各種模塊化的模型和設計工具。
(4)各種模塊化設計工具尚需進一步完善，滿足實際的需要。尤其是拆卸回收分析系統作為綠色設計的一項關鍵技術，目前的研究尚難于實用化，這已經成為產品進行綠色設計和可拆卸性/回收性設計的瓶頸環節。
(5)綜合性評價系統的開發。亟需完善和開發綠色設計多目標綜合評價系統，對產品的技術性能、環境性能和經濟性做出綜合評價，其中，環境性和考慮產品全生命周期成本的經濟性評價是研究的重點和難點。
(6)產品系統集成模型需要深入研究。支持全生命周期管理技術的產品系統集成信息模型迫切需要深入研究和進一步完善，并建立合理的網絡數據協同、共享機制。
(7)綠色設計必須與并行工程和現有設計方法及其工具集成。各種DFX工具需要進一步與三維CAD等設計建模工具進行集成，使綠色設計能夠為產品設計和決策者所應用。
(8)基礎數據和知識的積累。綠色設計數據庫和知識庫的進一步擴充和完善，是綠色設計逐步走向實用的必要基礎。數據庫和知識庫的建立必須滿足信息的共享性、可轉換性、集成性、冗余性等要求。例如應該優先采用已經得到廣泛認可的數據標準，如LCA研究中的SPOLD標準，信息集成中的STEP系列標準等。
3 結束語
總之，綠色設計的重要性已經得到越來越多的認同和關注，作為制造業可持續發展的關鍵技術手段，已經為政府、企業、消費者和各種研究機構認可。
綠色設計的研究是一項復雜的系統性工程，牽涉到多個學科領域，不可能一蹴而就，需要多學科、跨領域的合作研究，需要長時間的積累才能取得實用性的成果。尤其是各類環境數據的積累，國外已經進行了幾十年，國內才剛剛起步，有許多工作需要我們去做。另外，該領域的研究也亟需國家加大力度給予支持和鼓勵，相應的產業也應該給予扶持和協助。
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本文標題：產品綠色設計方法研究現狀及展望
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