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面向绿色制造的产品模块化设计研究综述
面向绿色制造的产品模块化设计研究综述
摘要：
阐述了绿色产品生命周期的涵义，分析了绿色产品生命周期各阶段的特性及关联关系，对目前存在的绿色模块化设计技术和方法进行了分类总结。
根据绿色产品生命周期各阶段研究侧重点不同，将目前绿色制造模块化设计归纳为面向产品生命周期模块化设计、绿色设计模块化设计、环境意识模块化设计、再制造模块化设计、可拆卸模块化设计、维修模块化设计、回收模块化设计、重用模块化设计及其他模块化设计，并对其相应的模块化设计方法进行了综述分析。
最后展望了今后的研究趋势。
关键词：
模块化设计；绿色制造；绿色产品生命周期；绿色设计
0引言
绿色制造（greenmanufacturing,GM）是一种面向可持续发展的现代制造模式，该种制造模式综合考虑了资源消耗和环境影响，强调在产品生命周期的各个环节中利用各种绿色技术和管理方法，使得产品从研发、制造、包装、使用、维修到报废的整个生命周期中，对环境负面影响小、资源利用率高、综合效益大，使得企业经济效益与社会效益得到协调优化[1]。
绿色制造是当前世界各国学术界、政府以及工业界广泛关注的热点领域，是21世纪制造业发展的方向。
目前，国内外研究机构开展了绿色设计、再制造设计、可拆卸设计、可回收设计、轻量化设计等与绿色制造相关的工作。
ANASTAS等[2]指出绿色工程应关注如何通过科技实现可持续性，提出了12条绿色工程原理作为基于人类健康和环境的新材料、新产品、新工艺及系统设计的指导框架。
GHISELLINI等[3]回顾了一些国家的循环经济实施经验和循环经济对环境的影响，针对当前企业生产和客户消费模式，建议未来应从再生材料、回收再利用、技术融合等角度权衡环境与经济系统的相互作用。
BOVEA等[4]认为应将环境因素和环境要求以及其他传统要求平衡的多准则方法纳入产品设计过程的早期阶段。
绿色设计理念和模块化设计方法融合，既可以满足产品多样化需求，缩短产品开发周期，快速应对市场变化，又能改善产品对环境的不利影响，便于产品回收再利用[5-7]，因此，模块化设计可以有效促进绿色制造。
产品模块化可以满足绿色产品的快速开发要求，便于拆卸、维修、回收和再制造，减少零部件数量、简化产品结构，以及提高产品重用性和可重构性[8]。
模块化设计已受到广泛的关注，并在机电产品、汽车、家电、飞机、船舶等工业产品上得到了应用。
一般的模块化设计方法主要强调产品功能结构上的独立性，依据某个模块化准则，通过某种聚类实现模块的划分[9]。
PISANO[10]认为资源节约型制造中应该考虑面向环境的设计、面向可拆卸的设计、面向再制造的设计等，提出了面向闭环制造系统工作效率的模块化设计使能方法。
BONVOISIN等[11]通过对当前模块化设计文献的综述分析，从模块化的驱动、设计原理及模块的度量等方面归纳，提出了“面向X的模块化”（modularizationforX）概念，指出了未来模块化设计研究的挑战。
1绿色产品生命周期各阶段特性分析及绿色制造模块化分类
绿色制造对产品全生命周期的资源消耗和环境影响具有决定性的作用。
绿色设计的“3R”（reduce，reuse，recycle）原则，不仅要求要减少物质和能源的消耗，减少有害物质的排放，而且要使产品及零部件能够方便地分类回收并再生循环或重新利用。
因此，在产品设计阶段，要考虑零部件多寿命周期服役、材料相容性、可拆解性等因素，以提高产品生命终期（endoflife，EOL）的回收、拆解效率及零部件再制造的服役安全寿命。
传统的产品生命周期是“研发—制造—使用—报废”的过程，其产业链是一个开环系统[12]；而理想的绿色产品生命周期是“研发—制造—使用—再循环”的过程，其产业链是一个闭环系统，延伸了传统的产品生命周期，如图1所示。
图1绿色产品生命周期
Fig.1Greenproductlifecycle
再制造是绿色制造的重要内容，是制造的有效延伸。
维修是维护与修理的统称，是维持机械设备处于良好技术状态的技术措施。
再制造与维修都是把不适合继续使用的产品或设备，通过技术措施恢复其使用性能，使之能够再次投入使用的手段。
再制造属于产品维修、报废阶段的一种再生处理，是产品生命周期的延伸，利用了废旧产品中可利用的价值[13]。
回收与拆卸是实施废旧装备再制造的必要环节，拆卸作为实现产品资源回收再制造的关键步骤，是组成产品闭环生命周期的重要环节。
面向拆卸与回收的设计要求在装备设计的初期阶段将可拆卸性和可回收性作为结构设计的目标之一，使装备的连接结构易于拆卸，维护方便，并在装备废弃后能够充分有效地回收利用。
退役产品的回收利用也是绿色制造的重要环节，它通过再利用、再循环和资源化，提高能源效率、材料效率和环境效益，这也是绿色制造的目的所在。
广义上讲，绿色设计也可称为生态设计或环境设计。
一般情况下两者可以被等同对待，但实际操作上有所不同。
绿色设计强调产品生命周期的3R原则，侧重于减少能源消耗和环境污染、零部件的回收再利用等；而环境设计主要突出产品设计的环境保护意识，更侧重环保性、可回收性、再循环、易处理性等。
绿色设计的核心是环境设计，它延伸了传统的产品生命周期，并使产品生命周期的物流由开环系统变成了闭环系统。
再制造设计是落实产品绿色设计的有效措施，是以系统、全生命周期、效益、绿色化理念为指导，对再制造工程进行科学管理和设计的方法。
可拆卸设计、可回收设计、可重用设计、维修性设计以及升级和报废均是再制造设计的重要内容，它们是绿色设计的具体实施技术和方法。
绿色生命周期设计各阶段特性的关系如图2所示。
图2绿色产品生命周期各阶段特性的关系
Fig.2Therelationshipbetweenthecharacteristicsof
differentstagesofgreenproductlifecycle
因此，绿色制造模块化设计应从绿色产品生命周期的角度立足，融入绿色设计理念，从环境意识、再制造、可拆卸、维修、回收、再利用、升级及报废等方面探讨产品设计过程中如何进行模块的划分。
根据绿色产品生命周期各阶段研究侧重点不同，绿色制造模块化设计可归纳为如图3所示的几种情况。
图3绿色制造模块化设计分类
Fig.3Modulardesignclassificationof
greenmanufacturing
2绿色制造模块化设计研究现状
MA等[14]从经济、经济-环境、环境、环境-社会、社会和社会-经济可持续性角度回顾了产品模块化设计，本文从绿色制造角度探讨分析模块化设计。
2.1面向产品生命周期的模块化设计
传统的产品生命周期包括产品研发、设计、制造、装配、测试、销售、使用、维护、报废和处理几个阶段。
产品生命周期设计应考虑产品的孕育期（社会需求、规划、研发、设计）、生产期（材料选择制备、制造、装配、测试）、储运销售期（存储、包装、运输、销售）、服役期（使用、维护）和淘汰期（回收、再利用、报废），全面优化产品的功能/性能、生产效率、品质/质量、经济性、环保性和能源/资源利用率等目标函数，求得其最佳平衡点[15]。
面向产品生命周期的模块化设计，从产品生命周期的整体考虑，在功能结构模块划分的基础上，定义与设计目标相关的生命周期因素，分析生命周期各因素对产品零部件交互的影响，对零部件进行聚类以形成模块，从而在保证产品功能结构独立性的同时，兼顾生命周期过程的制造、装配、拆卸、维修、回收及再利用等属性。
有许多研究者提出了相应的方法。
吕利勇等[16]通过分析产品生命周期各因素对零部件功能交互、结构交互、工艺、维修、升级和重用的影响,提出了一种面向生命周期的产品模块化分解方法。
田夏[17]分析了产品设计中与环境相关的因素，提出了基于种群遗传算法的产品全生命周期模块化设计方法，以提高产品在拆卸与回收利用方面的属性。
郭卫等[18]从面向生命周期的角度出发，以几何、功能、物理为约束，综合考虑8个绿色模块准则，构建交互作用矩阵，提出了一种面向产品全生命周期的绿色模块划分方法。
苏铭等[19]先从功能角度进行模块划分，再从生命周期的角度（设计、制造、装配、回收4个阶段零部件的交互影响）对划分结果进行优化，但未对产品生命周期特征属性的量化进行阐述。
陈兵等[20]针对清障救援车辆，考虑了功能、结构、材料、使用寿命、接口及回收利用等属性生命周期特性，提出了基于层次分析和模糊聚类的模块划分方法。
GU等[21]考虑装配性、维修性及回收性等生命周期工程的环境属性，提出了面向生命周期工程的产品集成模块化设计方法，将其分为问题定义、交互分析和模块划分三个阶段，并针对每一阶段设计目标的模块划分结果进行综合对比分析。
GERSHENSON等[22]考虑了产品生命周期中制造、装配、服务和回收等因素，基于零部件的相似性和依赖性提出了面向生命周期的模块化设计方法。
UMEDA等[23]综合了维修性、升级性、重用性和回收性等与产品生命周期相关的的属性，提出了面向产品生命周期的确定模块化结构的方法，并评估了模块的几何可行性。
YU等[24]综合考虑传统的功能相关属性以及与产品生命周期相关的属性，分析了各零件间的关联关系，建立了模块的适应性聚类函数模型，采用成组遗传算法对模块进行了划分。
YAN等[25]针对绿色制造可持续发展意识的增强，在传统的3R原则基础上融入再恢复、再设计及再制造使之成为6R，并将其作为可持续设计的基本准则，再考虑环境、经济及社会因子，提出了面向可持续设计的产品模块化划分方法。
JI等[26]提出了一种面向产品生命周期的有效性驱动的模块化设计方法，考虑设计、制造、装配、使用、维修及回收等环境属性，在不同生命周期阶段模块划分粒度权衡时通过有效性进行评价。
由于产品生命周期内包含了产品从研发到报废的整个过程，而每种模块化方法的侧重点不同，因此很难建立一个完善的评价模型，这也是面向产品生命周期模块化设计的一个难点。
2.2面向绿色设计的模块划分
绿色设计（greendesign）是一种以环境资源为核心概念的设计方法，即在产品整个生命周期内，优先考虑产品的资源效率和环境属性，同时保证产品设计应有的基本属性（基本性能、使用寿命、质量等）。
绿色设计有广义和狭义之分，广义绿色设计要求考虑产品全生命周期内的各种与环境有关的属性，如资源利用率、可拆卸性、可回收性、可维修性、再利用性、易处理性等。
因为广义绿色设计涉及到产品生命周期的每一阶段，因此有时难以实现，而狭义绿色设计立足于现有的技术水平，从生态资源的可持续性角度考虑其中几个主要的环境属性，以“绿色性”或“绿色度”为衡量指标，更容易实现。
面向绿色设计的模块化方法（modularizationforgreendesign）强调将绿色设计思想和模块化设计中的功能分析方法相结合，同时满足产品的功能属性和环境属性，缩短产品研发与制造周期，快速应对市场变化，减少对环境的不利影响，易于进行产品重用、升级、维修、拆卸、回收和报废处理[5]。
绿色模块化设计可以有效提升绿色再制造能力，已引起研究者的关注。
李方义等[27]提出了一种产品绿色模块化设计方法的研究框架，总结了模块化在绿色设计中的应用特点，探讨了利用模糊数学、图论及层次分析法（analytichierarchyprocess，AHP）分析法研究产品的绿色模块化多目标决策。
唐涛等[5]提出了绿色模块化设计方法并简要分析了其设计流程，引入重用性、升级性、维护性、回收性和处理性5个绿色准则，利用零件合并准则对零件进行合并，利用功能准则和绿色准则对模块进行划分。
张雷等[28]以实现大批量定制模式下的绿色设计为目标，从拆卸性、回收性、环境影响以及经济性方面量化产品族绿色性能，提出了一种面向绿色设计的产品族规划方法。
鲍宏等[29]以绿色产品的满意程度为目标，结合模块化思想、环境化质量功能配置和通用物料清单方法，分析生命周期各阶段的绿色特性，提出了一种面向多样性和绿色性需求满意的产品配置设计方法。
吴永明等[30]在产品族核心系统功能模块划分的基础上，分析了产品生命周期中的动态要素，考虑可维护性和经济性，提出了一种面向产品族设计的模块动态规划方法。
TSENG等[31]将接触类型、结合类型、工具类型和接触方向作为零件联络强度准则，基于绿色材料成本分析和成组遗传算法（groupgeneticalgorithm，GGA），提出了绿色生命周期工程模块化设计方法。
SMITH等[32]考虑了材料相容性、部件可回收性和可拆卸性等与产品绿色设计的环境因子，将绿色设计引入模块化设计中，利用原子理论（atomictheory）进行产品绿色模块化划分。
JI等[33]从材料效率角度，建立了模块主从优化模型，提出了绿色模块化设计方法。
YANG等[34]为改善电子电气设备的维修性、重用性和回收性，提出了一种面向生命周期工程的模块化生态设计方法，并考虑再设计中功能和结构的风险约束，利用成组遗传算法进行了模块的多目标优化。
CHANG等[35]为平衡产品开发与生态友好性，结合绿色质量功能配置和设计结构矩阵，提出了面向绿色设计的模块化设计系统化方法。
绿色模块化设计的绿色准则涉及因素较多，主要考虑与资源消耗和环境影响有关的因素，而从上述文献可以看出，每种方法对绿色准则的含义概括都不一样,因此，今后有必要进一步探索绿色模块化设计中绿色准则的判断依据和模型。
2.3面向环境意识的模块化设计
人类步入工业社会以后，工业得到空前的快速发展，环境问题不断凸显，粗放式经济增长方式消耗了大量的不可再生资源，同时也导致了严重的环境污染。
产品设计与环境保护息息相关。
因此，环境意识上升到产品设计过程中的重要地位，受到世界各国的高度重视。
环境意识设计（environmentalconsciousdesign）亦称环境设计（designforenvironment）、生态设计（ecologicaldesign），以产品环境属性（环保性、可回收性、再循环、易处理性等）作为设计目标，进行产品开发与设计。
面向环境意识的模块化设计（modularizationforenvironment）要求在产品设计过程中同时满足产品的功能、结构和报废后的可回收属性，增强模块化产品的绿色性能，强调考虑产品的减量化（reduce）、重用性（reuse）和回收性（recycle）[36]。
李中凯等[36]从组件的功能、结构、寿命、材料和回收相似性角度，建立合成的模块化设计结构矩阵，提出了一种基于成组遗传算法和最小描述长度优化目标的环境意识模块划分方法。
魏巍等[37]提出了基于环境资源因子的产品平台模块划分方法，集成绿色设计、制造工艺过程、回收重用等整个生命周期的产品信息，将环境资源因子纳入到零部件功能-结构耦合特性的聚类分析过程中。
LI等[38]提出了面向环境的模块化设计方法，考虑拆卸性、维修性、材料选择、回收及处理4方面的环境因子，基于模糊连接图描述产品的结构，利用层次分析法确定环境目标、功能及其他产品关注的性能之间的联系。
QIAN等[39]在产品模块化分析中引入环境意识，考虑了8个环境因子准则，利用完全层次分析法确定环境因子准则的优先级，建立了一种半定量化的环境因子模块化分析模型。
SHENG等[40]考虑数控机床生命周期的环境资源意识和可持续性，提出了基于模糊C均值聚类算法的模块化设计方法，利用模拟退火和遗传算法分析模块划分方案。
KOBAYASHI等[41]认为产品的模块化可以提高产品的回收性、重用性和维修性，从而改善产品的环境属性，建立模块配置和产品功能结构的双层优化模型，提出了基于层次遗传算法（hierarchicalgeneticalgorithm,HGA）的模块化设计方法。
SAKUNDARINI等[6]分析了产品生命终结策略与模块化设计间的联系，为减少退役产品对环境的影响，提出了具有不同生命终结策略的模块化设计方法。
YOU等[42]为减少产品对环境的影响，基于原子理论和模糊C均值法提出了多目标绿色模块化设计方法。
2.4面向再制造的模块化设计
再制造工程是以产品的生命周期设计和管理为指导，以优质、高效、节能、节材、环保为目标，以先进技术和产业化生产为手段，对废旧产品进行修复和改造的一系列技术措施或工程活动的总称[43]。
再制造设计是以废旧产品为对象，从全生命周期和绿色化角度对再制造全过程进行规划，最终形成再制造方案的过程。
面向再制造的模块化设计（modularizationforremanufacturing）就是在产品模块化设计过程中考虑零部件的再制造性，使产品设计同时满足功能特性以及可拆卸、可回收、可重用、可维修、可升级、可装配性以及环境属性等再制造性指标和要求。
产品的再制造性和模块化设计关系密切。
面向再制造的模块化设计强调产品设计时在保证基本功能的前提下，优先考虑产品的再制造性，将产品末端的再制造因素作为整体设计的一部分进行系统的考虑，这样才能充分保证装备良好的再制造能力。
再制造是制造的有效延伸，被国家列为战略性新兴产业。
采用模块化设计对产品的再制造水平有较大的促进作用，因此，再制造产品的模块化也受到学术界和工程界的青睐。
杨继荣等[44]分析了面向再制造工程的模块化设计方法的内涵，介绍了再制造绿色度及模块度的评价模型主体框架，但未说明如何进行面向再制造的模块化设计。
刘涛等[45]考虑产品生命周期各阶段特性和再制造设计零部件相似性，提出了一种面向主动再制造的机电产品模块化设计方法。
杨勤等[46]针对电取暖炉开发，利用基于再制造的模块化设计方法对电取暖炉进行了模块优化。
王蕾等[47]分析了再制造和服务的特点，提出了再制造服务资源模块化组织模式，建立了多粒度的再制造服务资源模块聚类优化模型。
刘志等[48]以产品模块化水平为决策变量，分析了其对新产品研发费用和再制造成本的影响，研究了再制造模式下的最优模块化水平和制造/再制造生产决策。
TCHERTCHIAN等[49]认为，为了更好地实现产品的再制造，传统的产品体系应向模块化体系演变，建立了产品模块再制造、回收及升级的体系结构，从模块各种用途的演化、必要的功能及短期和长期的升级功能3个层面进行了改善。
ALLWOOD等[50]从产品长效性、模块化和再制造、零部件再利用及材料减量化4个策略探讨了通过材料的高利用率减少材料需求的方法。
TCHERTCHIAN等[51]通过提高再制造和回收模块的比例来延长产品终结寿命，基于成本和环境影响准则确定再制造和回收模块。
CHENG等[52]针对重型机床再制造的生态性和经济性，提出了一种面向再制造的模块化设计方法，在公理设计4个设计域的基础上扩展出了再制造域，分析了重型机床结构域和再制造域中设计参数的相似性，然后将设计矩阵转化为设计结构矩阵，基于原子理论聚类算法实现模块的划分。
面向再制造的模块化设计主要研究产品模块化设计中考虑零部件的再制造性，强调模块的可拆卸性、回收性、升级能力、再利用水平，对模块的再制造性评价还缺乏统一的认识，而且各种方法考虑再制造性与产品功能结构间的关联关系差异性较大，这也是该研究比较欠缺的地方。
2.5面向可拆卸的模块化设计
可拆卸设计（designfordisassembly）是一种绿色设计方法，出发点是方便地回收再利用产品，最大限度地减少对环境的污染。
拆卸是回收再利用的基础，是实现产品再制造的前提。
产品的可拆卸性对提高材料再循环利用率、资源使用效率及再制造能力，减少环境污染起着关键作用。
面向可拆卸的模块化设计（modularizationfordisassembly）是以提高产品可拆卸性为目的，在产品模块化设计过程中，考虑模块及零部件的拆卸问题，通过回收、维修、重用、再制造等手段，将传统设计扩展到全生命周期设计。
当前文献对产品的拆卸模型和拆卸序列规划研究较多，对可拆卸的模块化设计研究相对较少。
潘晓勇等[53]构建了层次概率模糊认知图的数学模型,利用该模型生成产品全拆卸中拆卸序列，较好地解决了拆卸稳定性问题。
钟艳如等[54]基于零部件的约束关系建立了产品混合图拆卸模型，将模块划分准则整合到混合图模型中，可解决模型中边与顶点的“组合爆炸”问题。
郭伟祥等[55]考虑结构独立性、功能性和材料回收性，建立了模块化产品拆卸模型，提出了一种基于模块化思想的拆卸序列规划方法。
李名[56]分析了影响产品可拆卸性的因素，基于设计结构矩阵构建了可拆卸模块化准则，提出了一种面向可拆卸的产品模块化设计方法。
魏巍等[57]量化了可拆卸属性，以内聚度、耦合度和可拆卸度为准则，提出了一种基于改进免疫克隆算法的产品模块划分方法。
KOBAYASHI等[58]基于零部件生命周期属性的相似性分析，考虑产品功能结构的层次特点，提出了面向可拆卸的模块化设计方法。
SMITH等[59]以最大化产品质量、最小化产品成本及最小化环境影响为目标，提出了面向绿色产品设计的并行拆卸方法，基于模块化设计理论和递归规则进行从产品中移除2个及以上的闭塞或连锁零部件。
为了更好地提高3R（再回收、再利用、减量化）能力，HUANG等[60]针对电器电子设备对环境的影响，提出了一种考虑3R能力的产品模块化方法和产品拆卸模式，通过确定理想的产品拆卸方式并由此构建零部件矩阵进行模块化划分。
WANG等[61]针对机床的再制造，综合考虑了材料选择、再制造工艺性能、使用和维修性能、经济效益及功能和结构的可行性，提出了面向拆卸和再制造的模块化设计方法。
2.6面向维修的模块化设计
维修性即产品在规定的条件和规定的时间，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复其规定状态的能力。
可维修性设计是设计质量中一个非常重要的内容，它把维修性设计归入了产品设计过程。
面向维修的模块化设计（modularizationformaintenance）是指在产品设计中同时考虑模块度和维修性，使产品在出现故障后能快速实现模块配置，提高模块化产品的可修复性，缩短平均修复时间。
李婷婷等[62]分析了影响维修性的相关因素，考虑了零部件拆卸的难易程度，提出了面向维修的模块划分方法。
李超等[63]针对机务准备维修流程结构复杂、不能很好满足战训任务多样化需求的问题，提出了基于模块化理论的机务准备维修流程模块化优化方法，可增强维修流程柔性。
程松等[64]提出5种可维修性评价指标，分析了维修指标关联关系，建立了维修性属性矩阵，并对通信开关电源整流器进行了底层模块化划分。
郏维强等[65]在复杂装备的设计过程中，结合维修驱动要素和策略选择，从维修成本、维修复杂度和维修效率等方面量化维修特性，提出了一种面向维修的复杂装备模块化设计方法。
陈思益[66]以平均故障间隔时间和平均修复时间来衡量地铁转向架的维修性，将具有相似维修属性的零部件聚类为一个模块，提出了面向维修的地铁转向架模块划分方法。
TSAI等[67]根据零部件间的几何约束、机械强度、能量流和信息流，建立了系统的层次结构，考虑理想的维修周期和总的维修成本，提出了面向维修性的模块化设计方法。
JOO[68]认为模块化设计的优点之一就是便于支持服务，开发了面向模块化部件的预防性维修的动态设计方法。
GOSWAMI等[69]针对模块化产品的可修复性，考虑不同模块的平均修复时间，开发了包含设计、供应链、制造、市场、质量保证及售后支持6个方面的综合风险评估框架，利用贝叶斯网络方法评价了模块化产品的风险。
GAO等[70]在产品模块化设计过程中不仅考虑了功能相关属性，还考虑了维修相关属性，构建了产品模块化策略的可靠性和经济性评估模型，以预防性维修间隔和预防性维修经济性为目标进行了模块化划分。
ZHENG等[71]提出了一种面向可维修设计的模块化准则，以模块的内聚度和耦合度为约束，构建了维修性多目标模型。
维修性设计目前已得到较广泛的关注，但面向维修的模块化研究尚未引起足够的重视。
实际上不少产品如汽车、工程机械、机床、家电等都采用了模块化维修方法，该研究的展开对再制造产品的模块化设计有极大的推动作用。
2.7面向回收的模块化设
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