基于灰色模糊算法的機(jī)床產(chǎn)品制造系統(tǒng)能效評價方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種機(jī)床產(chǎn)品制造系統(tǒng)能效評價方法，涉及機(jī)床產(chǎn)品綜合評價、綠色 生產(chǎn)研究領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 制造業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，在創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)財(cái)富的同時，也消耗了大量制 造資源特別是能源，并造成了對環(huán)境的嚴(yán)重影響。能源問題已成為制約經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的 直觀因素，從對能源利用的方向出發(fā)，節(jié)能成為重中之重。典型的機(jī)床制造系統(tǒng)的基本構(gòu)成 要素可以分為生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)對象、操作者四個部分。制造系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中消 耗的能量可以分為直接能量和間接能量，直接能量是制造產(chǎn)品的各種過程消耗的能量，間 接能量是為了維護(hù)車間內(nèi)的生產(chǎn)環(huán)境需要消耗的能量。
[0003] 加強(qiáng)企業(yè)能效評價、提尚系統(tǒng)制造系統(tǒng)能量效率已成為制造業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。能效 評價，即對企業(yè)在生產(chǎn)過程中的能效利用情況進(jìn)行評價，促使企業(yè)改進(jìn)生產(chǎn)工藝和管理方 式，從而有利用提高能源利用效率，節(jié)約能源。制造系統(tǒng)能效評價包括制造系統(tǒng)能量消耗狀 態(tài)及能量消耗過程的分析評價以及在此基礎(chǔ)上對能量效率的評價。提高能源利用效率的前 提是了解用能系統(tǒng)本身的用能情況，因此研究能效測評方法，建立完善的能效評估指標(biāo)體 系具有現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種機(jī)床產(chǎn)品制造系統(tǒng)能效評價方法，該方法避免了專家 主觀因素的影響，同時也避免了當(dāng)樣本數(shù)據(jù)不夠全面的情況下，所獲得的權(quán)重將嚴(yán)重偏離 現(xiàn)實(shí)的問題，能為機(jī)床產(chǎn)品綜合評價提供依據(jù)和指導(dǎo)。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的機(jī)床產(chǎn)品制造系統(tǒng)能效評價方法，包括如下步 驟：
[0006] 步驟一、建立機(jī)床廣品制造系統(tǒng)能效評價指標(biāo)體系，能效評價指標(biāo)體系中所有具 體指標(biāo)構(gòu)成評價因素集C;
[0007] 步驟二、應(yīng)用粗糙集和層次分析法的組合方法確定指標(biāo)的權(quán)重集合W;即利用粗糙 集與層次分析法分別獲得客觀、主觀兩個方面的指標(biāo)權(quán)重值，對兩者進(jìn)行綜合，獲得最后指 標(biāo)權(quán)重值，得到一組最終的評價指標(biāo)權(quán)重
[0008] ff=ywAi+( l~y)wBi
[0009] 其中wAi是指客觀權(quán)重值，wBi是指主觀權(quán)重值，μΕ [0, 1]，μ的取值根據(jù)具體情況而 定，μ越接近于〇表示決策越傾向于專家經(jīng)驗(yàn)，μ越接近于1表示決策越傾向于客觀數(shù)據(jù)；
[0010] 步驟三、應(yīng)用線性比例變換的方法對機(jī)床產(chǎn)品制造系統(tǒng)原始定量指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行無 量綱化處理；
[0011] 步驟四、應(yīng)用分級打分法對機(jī)床產(chǎn)品制造系統(tǒng)原始定性指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量化處 理；
[0012] 步驟五、應(yīng)用三角形隸屬模型確定單因素模糊評價集；
[0013] 步驟六、根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)法計(jì)算出一級指標(biāo)評價矩陣，進(jìn)而得到一級指標(biāo)評價結(jié)果；
[0014] 步驟七、利用灰色關(guān)聯(lián)法綜合交互評價出多層指標(biāo)。
[0015] 具體的，步驟一所述能效評價指標(biāo)體系包括經(jīng)濟(jì)能效指標(biāo)、產(chǎn)品能效指標(biāo)、設(shè)備能 效指標(biāo)和任務(wù)流程能效指標(biāo)4個一級指標(biāo)，所述經(jīng)濟(jì)能效指標(biāo)包括的二級指標(biāo)有:萬元產(chǎn)品 能耗、萬元增加值能耗，所述產(chǎn)品能效指標(biāo)包括的二級指標(biāo)有:單位產(chǎn)品綜合能耗、單位產(chǎn) 品節(jié)能量、產(chǎn)品用能水平，所述設(shè)備能效指標(biāo)包括的二級指標(biāo)有:機(jī)床設(shè)備能效、能源輸送 效率、能源加工轉(zhuǎn)換效率，所述任務(wù)流程能效指標(biāo)包括的二級指標(biāo)有:生產(chǎn)工藝能效、生產(chǎn) 資源調(diào)度能效，這10個二級指標(biāo)構(gòu)成評價因素集C。
[0016] 步驟三中，設(shè)第k個指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)值為4，則要經(jīng)過下式進(jìn)行無量綱化處理，其 中處理后的數(shù)據(jù)值α〇〇Ε(〇，ι)，
[0018] 且i = l，2-_n，k = l，2···ηι，其中m為決策指標(biāo)數(shù)量，η為可選方案數(shù)量。
[0019] 步驟四把定性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為定量指標(biāo)，采用分級打分法，對每級賦予一個分值。
[0020] 步驟五從單個指標(biāo)出發(fā)，確定評價集元素的隸屬度;從U到F(V)的模糊映射：
[0022]式中，n,k表示m屬于Ck的隸屬度。
[0023] 步驟八根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)法實(shí)現(xiàn)一級指標(biāo)的綜合評價，最優(yōu)指標(biāo)集為：
[0024] 式中，m為決策指標(biāo)數(shù)量，η為可選方案數(shù)量，<為第k個指標(biāo)的最優(yōu)值，為第i個 方案中第k個指標(biāo)的原始值;可得出兩極最小差：

[0030]最后灰色綜合評價：
[0031] J=ffXR
[0032] 式中，W為權(quán)重矩陣，R為評價矩陣。
[0033] 步驟七實(shí)現(xiàn)多級灰色綜合評價:若指標(biāo)有y層，則要進(jìn)行y級灰色綜合評價，Ck作為 第k個評價指標(biāo)，它的單指標(biāo)評價集& X i? = …其中s作為指標(biāo)數(shù)量;當(dāng)指標(biāo) 有兩層且每層有多個指標(biāo)時，先對第二層指標(biāo)進(jìn)行單指標(biāo)模糊評價，再由第二層指標(biāo)對第 一層指標(biāo)進(jìn)行一級灰色綜合評價，再由第一層指標(biāo)的一級灰色綜合評價結(jié)果對第二層指標(biāo) 進(jìn)行二級灰色綜合評價，評價結(jié)果即為系統(tǒng)評價結(jié)果。
[0034] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明首先建立了機(jī)床產(chǎn)品制造系統(tǒng)能效綜合評價指標(biāo)體 系，然后采用組合賦權(quán)的思想，將粗糙集理論與層次分析法結(jié)合來確定機(jī)床產(chǎn)品制造系統(tǒng) 能效各指標(biāo)的權(quán)重，實(shí)現(xiàn)了定性分析與定量分析的結(jié)合，使機(jī)床產(chǎn)品制造系統(tǒng)能效評價指 標(biāo)權(quán)重的確定更科學(xué)、更合理。在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明綜合灰色關(guān)聯(lián)理論和三角形隸屬模型， 提出了一種改進(jìn)的灰色模糊能效分析方法，較好地克服了能效評價過程中的主觀性和客觀 性。該方法是科學(xué)合理的，企業(yè)通過計(jì)算能效，可以針對性地進(jìn)行能效改進(jìn)，推進(jìn)綠色制造。
【附圖說明】
[0035]圖1是本發(fā)明的能效評價流程圖。
[0036] 圖2是本發(fā)明的綜合評價指標(biāo)體系。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 本發(fā)明主要是針對機(jī)床產(chǎn)品制造系統(tǒng)能效綜合評價提供了一種評價方法，如圖1 所示，該方法主要包括以下幾個步驟:步驟一、建立機(jī)床產(chǎn)品制造系統(tǒng)能效評價指標(biāo)體系和 評價因素集C;步驟二、應(yīng)用粗糙集一 AHM(層次分析法)組合方法確定指標(biāo)的權(quán)重集合W;步 驟三、應(yīng)用線性比例變換的方法對機(jī)床產(chǎn)品制造系統(tǒng)原始定量指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處 理;步驟四、應(yīng)用分級打分法對機(jī)床產(chǎn)品制造系統(tǒng)原始定性指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量化處理。步驟 五、應(yīng)用三角形隸屬模型確定單因素模糊評價集;步驟六、根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)法計(jì)算出一級評價 矩陣，進(jìn)而得到一級評價結(jié)果;步驟七、利用灰色關(guān)聯(lián)法綜合交互評價出多層指標(biāo)。
[0038] 步驟一中：評價指標(biāo)的選取必須注意評價的目的性、全面性、穩(wěn)定性與可行性原 貝1J，評價指標(biāo)的確定要以實(shí)際情況為基礎(chǔ)，這里選取經(jīng)濟(jì)能效、產(chǎn)品能效、設(shè)備能效和任務(wù) 流程能效4個一級指標(biāo)和10個二級指標(biāo)建立能源評價指標(biāo)體系，全面涵蓋了機(jī)床產(chǎn)品制造 系統(tǒng)、產(chǎn)品層、設(shè)備層和任務(wù)層各指標(biāo)，而傳統(tǒng)的機(jī)床產(chǎn)品制造系統(tǒng)能效評價體系，忽略了 生產(chǎn)工藝能效和生產(chǎn)資源調(diào)度能效。本發(fā)明的整個指標(biāo)體系的層次結(jié)構(gòu)如如圖2所示。該能 效評價指標(biāo)體系包括經(jīng)濟(jì)能效指標(biāo)B1、廣品能效指標(biāo)B2、設(shè)備能效指標(biāo)B3和任務(wù)流程能效 指標(biāo)B4共4個一級指標(biāo)，所述經(jīng)濟(jì)能效指標(biāo)B1包括的二級指標(biāo)有:萬元產(chǎn)品能耗C1、萬元增 加值能耗C2,所述產(chǎn)品能效指標(biāo)B2包括的二級指標(biāo)有:單位產(chǎn)品綜合能耗C3、單位產(chǎn)品節(jié)能 量C4、產(chǎn)品用能水平C5，所述設(shè)備能效指標(biāo)B3包括的二級指標(biāo)有:機(jī)床設(shè)備能效C6、能源輸 送效率C7、能源加工轉(zhuǎn)換效率C8,所述任務(wù)流程能效指標(biāo)B4包括的二級指標(biāo)有:生產(chǎn)工藝能 效C9、生產(chǎn)資源調(diào)度能效C10,這10個二級指標(biāo)構(gòu)成評價因素集C。
[0039]步驟二利用粗糙集理論在處理不確定、不精確數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，能夠獲得較為客觀的 指標(biāo)權(quán)重信息；另一方面利用AHM能夠充分利用領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，獲得專家對指標(biāo)客觀 的重要性評價結(jié)果，克服傳統(tǒng)層次分析法在評價時對一致性檢驗(yàn)要求較高的不足。
[0040] (1)基于粗糙集理論的權(quán)重計(jì)算方法：
[0041] 在決策表5=〇]，(：，0，￥彳）中，決策屬性0〇]/1)={01，02，...0 1{})相對于條件屬性集 C(U/C= ，C2，. . . Cm})的條件信息熵為：
[0043]其中U是對象集合，子集C是條件屬性集，D是決策屬性集，CflD= Φ，D矣Φ，V是屬 性值集合，f代表一個信息函數(shù)，它表示論域中每一個對象在相應(yīng)屬性上所取到的屬性值。
[0044] 在決策表S=(U，C，D，V，f)中，VceC，則條件屬性(指標(biāo))C的重要度定義為
[0045] Sig(c) = I(D|C-{c}-I(D|C))
[0046] 在決策表S=(U，C，D，V，f)中，VreC，則條件屬性(指標(biāo))C的權(quán)重為
[0048] (2)基于AHM的權(quán)重計(jì)算方法：
[0049]為計(jì)算同層元素之間的相對重要性，建立判斷矩陣A= {aij}，其中aij = l/aji，aii = 1。其中是根據(jù)專家知識得到的重要度參數(shù)，&1」[{1，3,5,7,9}。將厶={叫}通過公式轉(zhuǎn)化 為測度矩陣
[0051 ] K為大于1的正整數(shù)，取β=1
[0052] 計(jì)算單層指標(biāo)權(quán)重，得到每層指標(biāo)相對于其上層指標(biāo)的加權(quán)子集：
[0053] ff= [wi ,W2. . . wio],
[0056] n = 10〇
[0057] 計(jì)算底層元素的組合權(quán)重
[0058] wj=Wi*Wij
[0059] 其中表示第j項(xiàng)子目標(biāo)對于總目標(biāo)的組合權(quán)重，Wl表示第i項(xiàng)子目標(biāo)的組合權(quán)重， 表示第j項(xiàng)子目標(biāo)對第i項(xiàng)子目標(biāo)的權(quán)重，其中第i項(xiàng)子目標(biāo)位于第j項(xiàng)子目標(biāo)的上一層。 組合權(quán)重主要用來分析各個指標(biāo)的之間的重要性，不用于后面的計(jì)算。
[0060] (3)評價指標(biāo)綜合權(quán)重計(jì)算函數(shù)構(gòu)建：
[0061 ]利用粗糙集與AHM方法分別獲得客觀、主觀兩個方面的指標(biāo)權(quán)重值，利用粗糙集理 論可以處理不確定、不精確的數(shù)據(jù)，克服了受專家主觀因素的影響，卻也容易受樣本數(shù)據(jù)的 選擇影響，特別是在樣本數(shù)據(jù)不夠全面的情況下，所獲得的權(quán)重將嚴(yán)重偏離現(xiàn)實(shí)。而AHM方 法可以充分利用專家的經(jīng)驗(yàn)，但是受人為影響很大，不能客觀反映樣本權(quán)重。因此對兩者進(jìn) 行綜合，獲得最后指標(biāo)權(quán)重值，得到一組最終的評價指標(biāo)權(quán)重。
[0062] W=ywAi+( l~y)wBi
[0063]其中WAi是指客觀權(quán)重值，WBi是指主觀權(quán)重值，μ的取值根據(jù)具體情況而定，當(dāng)決策 傾向?qū)＜医?jīng)驗(yàn)時，ye[o, 0.5)，而當(dāng)決策傾向客觀數(shù)據(jù)時，μ e (0. 5，1 ]。最后計(jì)算所得到的 權(quán)重，即為由主觀和客觀權(quán)重綜合計(jì)算所得到的最后指標(biāo)評價中的權(quán)重。
[0064]步驟三實(shí)現(xiàn)了定量指標(biāo)的無量綱化處理，對于定量指標(biāo)而言，由于各指標(biāo)的計(jì)量 單位、量級不同，須對原始數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理，以減少隨機(jī)因素的干擾。設(shè)第k個指 標(biāo)的原始數(shù)據(jù)值為則要經(jīng)過下式進(jìn)行無量綱化處理，其中處理后的數(shù)據(jù)值(^(1〇6(0， 1) 〇
[0066] 且i = l，2···η，1? = 1，2···ηι，其中m為決策指標(biāo)數(shù)量，η為可選方案數(shù)量。
[0067] 步驟四把定性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為定量指標(biāo)，本文采用分級打分法，對每級賦予一個分值， 若等級為"優(yōu)、良、中、差"，則分值分別為"4、3、2、Γ。
[0068] 步驟五從單個指標(biāo)出發(fā)，確定評價集元素的隸屬度。從U到F(V)的模糊映射：
[0070]式中，ru表示m屬于U的隸屬度。
[0071]確定隸屬函數(shù)的方法有函數(shù)推理法、二元對比排序法、模糊統(tǒng)計(jì)法、三分法以及模 糊分布法