基于ANP法的机电产品多生命周期的绿色评价研究

1 引言

随着全球“双碳”目标推进与制造业绿色转型需求升级，机电产品作为工业生产的核心装备，其全生命周期内的资源消耗与环境影响日益受到关注。传统评价方法多聚焦单一生命周期阶段（如制造环节），且忽略指标间的相互关联，导致评价结果存在局限性。

网络层次分析法（ANP）由萨蒂（T. L. Saaty）提出，相较于层次分析法（AHP）的递阶层次结构，ANP 可通过超矩阵处理指标间的依存与反馈关系，更贴合机电产品多生命周期的复杂系统特性。本文基于 ANP 法构建机电产品多生命周期绿色评价体系，旨在为企业优化产品设计、提升绿色性能提供科学依据。

2 机电产品多生命周期绿色评价指标体系构建

2.1 指标体系设计原则

为确保评价体系的科学性与实用性，指标选取遵循以下原则：

• 系统性原则：覆盖产品设计、制造、使用、回收再制造 4 个生命周期阶段，全面反映绿色属性；

• 关联性原则：考虑指标间的相互影响（如“材料可回收性”与“回收能耗”存在关联）；

• 可量化原则：优先选取可通过数据监测或计算获取的指标，避免主观定性指标

• 针对性原则：结合机电产品（如机床、电机）的结构特性，突出“能耗”“噪声”“材利用率”等核心指标。

2.2 多生命周期评价指标构成

基于上述原则，构建 4 个一级指标、12 个二级指标的评价体系，具体如下：

1. 设计阶段（A1）：决定产品绿色性能的基础，包含 3 个二级指标：

◦ 材料可回收性（A11）：产品材料中可回收材质的占比；

◦ 模块化设计程度（A12）：产品可拆解模块数量占总部件的比例；

◦ 节能设计水平（A13）：设计方案中针对使用环节能耗的优化程度（如采用节能电机）。

2. 制造阶段（A2）：聚焦生产过程的资源消耗与环境排放，包含 3 个二级指◦ 材料利用率（A21）：制造过程中有效材料用量与总投入量的比值；

生产能耗（A22）：单位产品制造过程中的电能、热能消耗（单位：k◦ 污染物排放量（A23）：制造环节产生的废气、废水处理前排放量（单位： kg/ 台）

3. 使用阶段（A3）：机电产品使用周期长，是能耗与环境影响的关键环节，包含 3个二级指标：

◦ 运行能耗（A31）：产品正常使用时的单位时间能耗（单位：kW·h/h）

◦ 噪声污染（A32）：产品运行时的等效声级（单位：dB(A)）；

◦ 故障率（A33）：产品使用周期内故障次数与总运行时间的比值（单位：次/h）。

4. 回收再制造阶段（A4）：体现循环经济理念，包含 3 个二级指标：

◦ 回收能耗（A41）：产品回收拆解过程中的能耗（单位：kW·h/台）

◦ 再制造率（A42）：回收部件中可再制造利用的比例；

◦ 废弃物处理量（A43）：回收过程中无法利用的废弃物重量（单位： kg/Λ 台）。

3 基于 ANP 法的绿色评价模型构建

3.1 ANP 法评价步骤

ANP 法在机电产品绿色评价中的应用分为 4 个步骤：

1. 构建网络结构：根据指标体系，将一级指标作为控制层，二级指标作为网络层，明确网络层指标间的依存关系（如“材料可回收性（A11）”影响“回收能耗（A41）”，“运行能耗（A31）”受“节能设计水平（A13）”影响）；

2. 构造判断矩阵并计算权重：邀请 10 位专家（含机电产品设计工程师、绿色制造研究学者、企业生产管理人员），采用 1-9 标度法对指标间的重要性进行打分，构建判断矩阵，通过一致性检验后计算局部权重；

3. 构建超矩阵与加权超矩阵：将局部权重填入超矩阵，反映指标间的影响程度；通过归一化处理得到加权超矩阵，消除层级差异；

4. 计算极限超矩阵：对加权超矩阵进行幂运算，直至矩阵元素收敛，得到各指标的全局权重，作为评价依据。

3.2 实例计算：某型数控机床的 ANP 评价

以某机床厂生产的 CK6140 型数控机床为研究对象，应用上述模型进行绿色评价。通过专家打分与矩阵运算，最终得到各二级指标的全局权重（部分结果如下）：

• 运行能耗（A31）：0.18（权重最高，说明使用阶段能耗是核心影响因素）；

• 材料可回收性（A11）：0.15；

• 再制造率（A42）：0.12；

• 生产能耗（A22）：0.10。

根据权重结果，该型数控机床的绿色优化重点应放在“降低运行能耗”与“提升材料可回收性”上，如更换高效主轴电机、采用铝合金等易回收材料，与企业实际优化方向一致，验证了模型的实用性。

4 评价结果分析与优化建议

4.1 评价结果特征分析

从 ANP 评价结果来看，机电产品多生命周期的绿色属性呈现以下特征：

1. 使用阶段权重占比最高：一级指标“使用阶段（A3）”的全局权重达 0.35，远超制造阶段（0.22），原因在于机电产品平均使用年限达 8-10 年，长期运行能耗累积效应显著；

2. 设计阶段的基础性作用凸显：“设计阶段（A1）”权重为 0.28，其中“材料可回收性（A11）”与“节能设计水平（A13）”直接影响后续回收与使用环节，体现“绿色设计先行”的重要性；

3. 指标间依存关系显著：如“模块化设计程度（A12）”不仅影响设计阶段评价，还通过简化回收拆解流程降低“回收能耗（A41）”，验证了 ANP 法处理关联关系的必要性。

4.2 机电产品绿色优化建议

基于评价结果，从企业实践角度提出 3 点优化建议：

1. 强化绿色设计理念：在产品设计初期引入“多生命周期思维”，建立设计-制造-回收的协同机制，如采用参数化设计软件优化材料用量；

2. 聚焦核心指标改进：针对权重较高的“运行能耗”“材料可回收性”等指标，优先投入资源进行技术升级，如研发变频节能系统、与材料供应商合作开发可降解润滑剂；

3. 完善数据监测体系：建立多生命周期数据采集平台，实时监测生产能耗、运行噪声等指标，为 ANP 评价提供更精准的基础数据，提升评价结果可靠性。

5 结论

本文构建了基于 ANP 法的机电产品多生命周期绿色评价体系，通过网络结构处理指标间的依存关系，解决了传统评价方法的局限性。以某型数控机床为实例，验证了模型的科学性与实用性，得出以下结论：

1. 机电产品的绿色评价需覆盖设计、制造、使用、回收再制造全阶段，且使用阶段是核心影响环节；

2. ANP 法能够有效量化指标间的关联关系，评价结果更贴合实际系统特性；

3. 绿色优化应围绕高权重指标展开，且需从设计阶段入手，实现全生命周期的源头控制。

未来研究可进一步扩大样本范围，结合模糊数学等方法提升评价的客观性，或针对不同类型机电产品（如电机、工程机械）构建差异化评价体系，推动制造业绿色转型向纵深发展。

参考文献

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