基于CBR的機械產品綠色設計評價體系＊

張照輝，牛秦洲，閆 菲

(桂林理工大學 信息科學與工程學院，廣西 桂林 541004)

資源、環境、人口是當今人類社會面臨的三大主要問題，特別是環境問題，正對人類社會生存與發展造成嚴重的威脅。隨著全球環境問題的日益惡化，人們愈來愈重視對于環境問題的研究。

機械產品綠色設計的概念可歸納為：機械產品綠色設計是一種基于產品整個生命周期，并以產品的環境資源屬性為核心的現代設計理念和方法。在設計中，除考慮產品的功能、性能、壽命、成本等技術和經濟屬性外，還要重點考慮產品在生產、使用、廢棄和回收的過程中對環境和資源的影響。

機械產品設計的評價目標不僅包括了設計的產品性能、質量和成本等常規評價，其主要是要考慮使產品全生命周期的資源和能源的消耗少、利用率高，對環境無害或少害的特征。機械產品在其整個生命周期中對資源和能源的輸入量、對環境的輸出量及這些輸入輸出對環境友好程度的綜合評價指標，稱為產品的“綠色度 ”[1]。

1評價指標體系的制定原則及其評價指標體系

由于機械產品的類型多種多樣，不同類型的產品又有不同的設計、使用要求和環境特性，因此制定合理、全面的評價指標體系是對產品進行綠色度綜合評價首先要解決的問題。綠色度綜合評價指標體系的制定應遵循以下主要原則[2]：(1)綜合性原則；(2)科學性原則；(3)系統性原則；(4)可行性原則；(5)靜態評價和動態評價相結合的原則；(6)定性評價和定量評價相結合的原則；(7)不相容性原則；(8)層次性原則；(9)方案的可比性原則。

綠色產品評價是面向產品的整個生命周期，應從生態環境、經濟和技術等方面進行分析。機械產品的綠色度綜合評價指標體系不僅要有環境方面的指標，也要有傳統的產品評價指標。評價指標體系由產品的基本屬性組成，包括環境屬性指標、資源屬性指標、能源屬性指標、經濟屬性及宜人屬性指標五大方面，每個屬性又另有一些指標組成，如圖1所示。

圖1 機械產品的綠色設計評價指標體系

2基于事例推理(CBR)思想的綠色設計評價指標庫

2.1事例推理的基本原理

CBR的基本原理：新問題被抽象為一個新事例，并從事例庫中檢索最相近的事例，同時采用其解決方案作為新事例的參考解決，并在此基礎上進行事例修正，修正后的新事例及其解決方案放入到事例庫中，實現問題解決經驗的學習。CBR系統的一個完整循環，包括事例的提取、重用、修正、保存[3]，即 4R過程。

2.2基于本體的指標事例描述

機械產品的綠色設計評價指標庫分為：環境屬性指標庫、資源屬性指標庫、能源屬性指標庫、經濟屬性指標庫、宜人屬性指標庫。

以環境屬性指標庫為例來說明基于CBR思想的指標庫的建立，具體的表示如下：

其中，Ti表示第 i個事例，其屬性分別為 “大氣污染”、“水體污染”、“噪聲污染”，i=1，2，…，K。

2.3事例檢索算法的設計

2.3.1事例聚類

為了提高事例檢索的精度，有必要對指標事例進行更細的分類，因為不同的指標權值對環境的影響度不同。

事例檢索常用的是最近鄰算法，但是此算法沒有控制策略，導致其判斷盲目、計算量大等，是一種低效率的算法，這里使用聚類C-均值算法。對指標事例的“對環境的危害程度”和“排放率”進行聚類，經過C-均值的處理效果如圖2所示。

圖2 經過C-均值的處理效果圖

2.3.2事例匹配

當需要動態地增加新環境屬性指標時，也就是動態地擴展指標庫。按照事例推理的思想就是要進行事例匹配，其步驟如下：

(1)把事例庫中的所有指標事例先進行聚類處理，分成子聚類指標事例，其表達式為：

其中，ZT表示事例庫中子聚類指標事例的集合，ZTi表示第i個子聚類事例集合，n為子聚類個數。

(2)初始化閾值θ，定義各指標事例的權值w為：

其中，β表示權值系數，he表示對環境的危害程度，er表示排放率。

(3)依次計算待匹配的指標Tw與事例庫中的子聚類航跡事例ZT中各指標事例的權值差值的絕對值，分別記為 Dt1，Dt2，…，DtK。

(4)計算事例庫中各子聚類指標事例集合與待匹配指標Tw的平均距離：

其中，N表示某一子聚類航跡事例中指標事例ZTi的個數。

(5)比較事例庫中各子聚類指標事例的Di，找出擁有最小距離值Dmin的子聚類指標事例ZTmin。

(6)如果 Dmin≤θ，則待匹配的指標 Tw與 ZTmin相關；如果Dmin>θ，則待匹配的待匹配的指標Tw為一新的指標事例，并把它存入指標事例庫，轉到步驟(3)繼續操作添加新的指標事例。

(7)算法結束。

3指標庫的具體形式

以環境屬性指標庫的建立為例，將“對環境的危害度”分為五個等級(1、2、3、4、5)，權系數按照指標類型確定(大氣污染 β=0.4，水體污染 β=0.4，噪聲污染 β=0.2)，權值計算公式為 w=β×he×er。

在指標庫中動態的增加指標，則需要采用以上所論述的基于CBR思想的事例匹配算法，使用此算法可有效動態地完善評價指標庫，還可以很方便地管理優化指標庫，且可以對機械產品進行量化評價，為綠色設計提供參考。環境屬性指標庫的具體形式如表1所示。

表1 環境屬性指標庫的具體形式

綠色設計是現代設計技術的研究熱點和主要內容[4]，也是實施可持續發展的有效途徑之一。目前對綠色產品整體工業設計評價尚無一致、統一的標準。而基于事例推理(CBR)研究的興起，體現了人類認識世界、改造世界的一種方法論上的轉變，其在解決非結構化、知識獲取困難、復雜環境下的決策問題方面顯示了其優越性。因此，采用CBR思想構建評價指標庫對技術和應用的研究具有廣闊的前景和巨大的現實意義。

[1]Xie Yifeng．The research of the evaluation index system of green products in machinery industry [J]．China Scince Technology Infomatton Feb．2006：20-23．

[2]Wang Chunpeng．Evaluation index system of green products in industrial design [J]．Packaging Engineering， 2009，30(12)：130-151．

[3]PLAZA E， ARMENGOL E， SAN T O．The explanatory power of symbolic similarity in case-based reasoning[J]．Artificial Intelligence Review， 2005，24：145-161．

[4]Zhang Shaotong．Appraisal of green design for construction machinery[J]．Subject Research，2008，02：42-44．