一種基于聯(lián)接特征的產品碳足跡評估方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于聯(lián)接特征的產品碳足跡評估方法。該方法包括：以產品組件間的聯(lián)接特征為紐帶，將產品劃分為多粒度結構單元的組合，分析產品層次結構、聯(lián)接特征、碳排放等要素之間的關系，按照層次結構構建產品碳排放層次映射模型，應用多色集合理論對產品碳排放層次映射模型進行形式化描述，構建結構單元多色模型；以聯(lián)接類型為評價對象，影響產品碳足跡的結構因素為評價指標，評估聯(lián)接類型的相對碳足跡影響度，計算結構單元碳足跡分配因子；提出碳足跡遞歸推理法快速評估構成產品的各結構單元的相對碳足跡，識別碳足跡最大的結構單元以支持產品低碳設計。本發(fā)明面向產品低碳設計提出基于聯(lián)接特征的碳足跡快速評估方法，克服了現(xiàn)有方法難以實施的不足。
【專利說明】
一種基于聯(lián)接特征的產品碳足跡評估方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及產品低碳設計方法，尤其是涉及一種基于聯(lián)接特征的產品碳足跡快速 評估方法。
【背景技術】
[0002] 國際社會約定將溫室氣體的排放統(tǒng)稱為"碳排放"或"碳足跡"，產品低碳設計以改 進產品的碳排放性能為目標，產品由若干零部件以某種方式組合而成，通過聯(lián)接關系把零 件組裝成裝配體，毋庸置疑，產品的結構是功能與形態(tài)的載體。產品的聯(lián)接特征影響著產品 零部件的加工方式、裝拆難易度、回收性能、能源消耗等，產品聯(lián)接結構是影響產品碳排放 的重要因素之一，因此，低碳排放約束下進行產品設計成為亟待解決的一個重要問題。為了 有效地、有針對性地進行低碳設計，高碳排放零部件及結構的識別是關鍵步驟，但是，碳足 跡的精確計算由于需要大量數(shù)據(jù)的支持而難以實施，高碳排放零部件的識別成為產品低碳 設計的瓶頸問題。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明提出了一種基于聯(lián)接特征的碳足跡快速評估方法以快速識別高碳排放零 部件及結構以支持產品低碳設計，克服了現(xiàn)有方法難以實施的不足。
[0004] 本發(fā)明提供了一種碳足跡快速評估方法，技術方案步驟如下： 步驟A，分析產品的聯(lián)接特征、結構層次性、結構單元、碳排放之間的關系，按照由整體 到局部的層次對產品進行結構單元多粒度劃分，結構單元可以為部件或零件，應用多色集 合理論構建產品結構單元多色模型； 步驟B，挖掘聯(lián)接特征碳排放性能相關因素，以這些因素為評價指標，以聯(lián)接類型為評 價對象，綜合評價聯(lián)接特征的相對碳排放系數(shù)，計算結構單元碳足跡分配因子； 步驟C，為有針對性地進行低碳設計，提出碳足跡遞歸推理法快速評估構成產品的各結 構單元的相對碳足跡，獲取碳足跡最大的結構單元。
[0005] 所述的步驟A中產品結構單元多色模型構建步驟如下：
[0006] A1，復雜產品一般由若干部件和零件通過各種聯(lián)接方式構成，采用自頂向下的方 法對產品進行逐層遞歸模塊劃分，根據(jù)需要獲得相應粒度的結構單元，包括部件或零件，構 建產品層次結構單元樹模型；
[0007] A2,產品碳排放為各結構單元及其之間聯(lián)接的碳排放之和，基于產品層次結構將 產品碳排放映射為結構單元的層次組合，并分別用節(jié)點和直線描述結構單元及其碳排放和 聯(lián)接類型，構建產品碳排放層次結構模型； A3,以樹模型節(jié)點ai為集合元素，表示為A= (ai，a2,…，ai，…，an)，聯(lián)接特征及其附件 為集合元素屬性，表示為？(&) = $1(&)，內(&)，一^^8))，一般包括螺紋聯(lián)接特征、卡扣聯(lián) 接特征、鍵聯(lián)接特征、銷聯(lián)接特征、形狀聯(lián)接特征、彈性聯(lián)接特征等，構建出結構單元聯(lián)接特 征矩陣[AXF(a) ]nXm; A4,以碳排放為統(tǒng)一顏色，表示為F(A) = (F〇,構建聯(lián)接特征碳排放因子矩陣[F(a)XF (A) ]mXl〇 所述的步驟B中結構單元碳足跡分配因子計算步驟如下： B1，選取聯(lián)接類型為評價對象，以裝配/拆卸難易度、材料消耗、能源消耗、加工難易度、 回收性能為評價指標，應用層次分析法評估聯(lián)接特征的相對碳足跡影響度； B2，結構單元包括內部零件和接口零件，功能零件是結構單元實現(xiàn)其功能的關鍵部分， 接口零件是與其他零部件聯(lián)接的紐帶，根據(jù)碳足跡分配準則對結構單元接口零件相關的聯(lián) 接件、附件進行虛擬切割，量化A3步驟中的結構單元聯(lián)接特征矩陣； B3,計算結構單元的碳足跡分配因子，產品中第j個結構單元的分配因子^計算公式為
，式中，N為產品中結構單元總數(shù)，Q為分配因子標 準，此處選擇質量，m為j結構單元中功能零件個數(shù)，s為j結構單元中接口零件個數(shù)，1為j結 構單元中接口零件聯(lián)接特征總數(shù)，qi和qt分別為內部零件和接口零件的質量，wk為接口零件 所含聯(lián)接特征的相對碳足跡影響度。 所述的步驟C中碳足跡遞歸推理法包括如下步驟： C1，將產品按照層次劃分為多粒度結構單元，以第一層結構單元為節(jié)點，獲取各結構單 元分配因子標準數(shù)據(jù)，構建質量矩陣[AXQ(A)]nX1，設產品的相對碳足跡為1; C2,根據(jù)結構單元聯(lián)接特征矩陣[AXF(a)]nXm和聯(lián)接特征碳排放系數(shù)矩陣[F(a)XF (A)]mX1推理出結構單元聯(lián)接特征相對碳足跡矩陣[AXF(A)]，推理公式為[AXF(A)]nX1 = Ci(k) I I A, F(A) - [ A X F(a) ]nXm X [F(a) XF(A)]mXl - I |ci(j)| |a, F(a)x I |cj(k)| |F(a),F(A) i = l，2，H.n;k=l，2，H.，m. C3，以上述質量矩陣和結構單元聯(lián)接特征相對碳足跡矩陣為輸入數(shù)據(jù)，計算第一層結 構單元的碳足跡分配因子，通過碳足跡分配因子與產品碳足跡相乘獲得第一層結構單元 的碳足跡； C4，如不滿足設計需求，獲取下一層結構單元的質量矩陣，重復步驟C2~C3，遞歸地計 算產品各結構單元的碳足跡分配因子，獲取碳足跡最大的結構單元，有針對性地進行結構 改進以降低產品的碳排放。
[0008] 本發(fā)明具有的有益效果是： 1.本發(fā)明提出基于聯(lián)接特征的產品各零部件相對碳足跡計算方法，聯(lián)接特征是產品共 有的屬性，便于聯(lián)接特征碳足跡數(shù)據(jù)和知識的重用。
[0009] 2.本發(fā)明提出了產品結構單元多色模型和碳足跡遞歸推理法，將產品層次結構、 聯(lián)接特征、碳排放之間的關聯(lián)進行了形式化描述，使其便于在計算機中進行表達和操作，通 過數(shù)學運算實現(xiàn)了產品結構單元碳足跡的計算，便于以量化的方式識別出碳足跡相對最大 的結構單元以支持低碳設計。
[0010] 3.本發(fā)明提出了碳足跡分配因子計算方法，以影響產品碳足跡的結構因素為評 價指標，對典型聯(lián)接類型的碳足跡影響度進行評估，根據(jù)分配標準計算碳足跡分配因子，避 免了大量數(shù)據(jù)了收集和獲取，便于該方法實施。
【附圖說明】
[0011] 圖1是本發(fā)明實施提供的碳足跡快速評估方法流程總圖。
[0012] 圖2是本發(fā)明實施提供的產品碳排放層次結構模型圖。
[0013] 圖3是本發(fā)明實施提供的產品結構單元聯(lián)接特征虛擬切割原理圖。
【具體實施方式】
[0014] 以下結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0015] 如圖1所示，是本發(fā)明相應的基于聯(lián)接特征的產品碳足跡快速評估方法流程總 圖。
[0016] 碳足跡遞歸快速評估方法步驟如下： 步驟1，構建產品三維模型，計算典型聯(lián)接類型碳足跡影響度，構建聯(lián)接類型碳足跡知 識庫。
[0017] 步驟2,采用自頂向下的方法對產品進行逐層遞歸模塊劃分，根據(jù)需要獲得相應粒 度的結構單元，包括部件或零件，構建產品層次結構單元樹模型，產品碳排放為各結構單元 及其之間聯(lián)接的碳排放之和，基于產品層次結構將產品碳排放映射為結構單元的層次組 合，并分別用節(jié)點和直線描述結構單元及其碳排放和聯(lián)接類型，構建產品碳排放層次結構 模型，映射過程示意圖如圖2所示。
[0018] 步驟3,以樹模型節(jié)點ai為集合元素，表示為A= (ai，a2,…，ai，…，an)，以產品結構 單元間所含聯(lián)接特征及其附件為集合元素屬性，表示為？(&) = (&(&)，內(&)，…，F(xiàn)m(a))，一 般包括螺紋聯(lián)接特征、卡扣聯(lián)接特征、鍵聯(lián)接特征、銷聯(lián)接特征、形狀聯(lián)接特征、彈性聯(lián)接特 征等，構建出結構單元聯(lián)接特征矩陣 Fj(a) Fj(a) F⑴(a) ⑴…（.明…ri(?" 4 _9] =[辦 FW]=
[0020] 式中，外和〇F(a;) '如果結構單元包含該聯(lián)接特征，即Fj(a) GF(ai)，則Ci(j) = 1，否 貝丨Jci( j)=0〇
[0021 ]以碳排放為統(tǒng)一顏色，表示為F(A) = (Fd，構建聯(lián)接特征碳排放因子矩陣 r $ ctui巧⑷叫
[_ 剛=，_=:::，
[0023] 步驟4,判斷是否存在新型聯(lián)接類型，如果存在，轉步驟5,否則，轉步驟6。
[0024] 步驟5,選取聯(lián)接類型為評價對象，以裝配/拆卸難易度、材料消耗、加工難易度、回 收性能為評價指標，應用層次分析法評估聯(lián)接特征的相對碳足跡影響度，并更新聯(lián)接類型 碳足跡知識庫。 步驟6，查詢聯(lián)接類型碳足跡知識庫，獲取產品中涉及的聯(lián)接類型碳足跡影響度相關知 識，量化聯(lián)接特征碳排放因子矩陣 碳足跡. -0.09371螺紋聯(lián)接 0.1449 鉚接
[F⑷xF⑷],0.0582 過盈聯(lián)接。 _0.0374_|形狀聯(lián)接 步驟7,計算結構單元的碳足跡分配因子，產品中第j個結構單元的分配因子^計算公 式為， （?,=$//;+XZv:,.，式中，N為產品中結構單元總數(shù)，Q為分配因 / y=i i=\ f=i 灸=1 子標準，此處選擇質量，m為j結構單元中功能零件個數(shù)，s為j結構單元中接口零件個數(shù)，1為 j結構單元中接口零件聯(lián)接特征總數(shù)，qi和qt分別為內部零件和接口零件的質量，wk為接口 零件所含聯(lián)接特征的相對碳足跡影響度。 步驟8,將產品按照層次劃分為多粒度結構單元，以第一層結構單元為節(jié)點，獲取各結 構單元分配因子標準數(shù)據(jù)，如質量，構建結構單元接口零件質量矩陣[A X Q(A) ]nxi = [ qi 92--41；]1，設產品的相對碳足跡為1。 根據(jù)結構單元聯(lián)接特征矩陣[AXF(a)]nXm和聯(lián)接特征碳排放系數(shù)矩陣[F(a)XF (A)]mX1推理出結構單元聯(lián)接特征相對碳足跡矩陣[AXF(A)]，推理公式為[AXF(A)]nX1 = Ci(k) I I A, F(A) - [ A X F(a) ]nXm X [F(a) XF(A)]mXl - I |ci(j)| |a, F(a)x I |cj(k)| |F(a),F(A) i = l，2，H.n;k=l，2，H.，m. 以上述質量矩陣和結構單元聯(lián)接特征相對碳足跡矩陣為輸入數(shù)據(jù)，計算第一層結構單 元的碳足跡分配因子，通過碳足跡分配因子與產品碳足跡相乘獲得第一層結構單元的碳足 跡。
[0025] 步驟9，如不滿足設計需求，獲取下一層結構單元的質量矩陣，重復步驟上述步驟， 遞歸地計算產品各結構單元的碳足跡分配因子，獲取碳足跡最大的結構單元，有針對性地 進行結構改進以降低產品的碳排放。
[0026]圖3是本發(fā)明實施提供的產品結構單元聯(lián)接特征虛擬切割原理圖。該方法的基本 思想是根據(jù)結構單元之間的聯(lián)接特征對聯(lián)接件及其附件進行虛擬切割，構成物理結構和碳 排放獨立的結構單元。設某產品由A、B、C三個結構單元組成，每個結構單元可劃分為內部結 構單元和接口零件兩部分，如AC之間為過盈聯(lián)接，A2和C2為接口零件，而A1和C1為內部結構 單元，則結構單元A及其所含的2個過盈聯(lián)接特征共同構成結構單元1，按照碳足跡分配標準 和計算公式即可獲得該結構單元的碳足跡，其余類推。
【主權項】
1. 一種基于聯(lián)接特征的產品碳足跡評估方法，其特征在于該方法的步驟如下： 步驟A，分析產品的聯(lián)接特征、結構層次性、結構單元、碳排放之間的關系，按照由整體 到局部的層次對產品進行結構單元多粒度劃分，結構單元可以為部件或零件，應用多色集 合理論構建產品結構單元多色模型； 步驟B，挖掘聯(lián)接特征碳排放性能相關因素，以這些因素為評價指標，以聯(lián)接類型為評 價對象，綜合評價聯(lián)接特征的相對碳排放系數(shù)，計算結構單元碳足跡分配因子； 步驟C，為有針對性地進行低碳設計，提出碳足跡遞歸推理法快速評估構成產品的各結 構單元的相對碳足跡，獲取碳足跡最大的結構單元。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于聯(lián)接特征的產品碳足跡快速評估方法，其特征在于： 所述的步驟A中產品結構單元多色模型構建步驟如下： Al，復雜產品一般由若干部件和零件通過各種聯(lián)接方式構成，采用自頂向下的方法對 產品進行逐層遞歸模塊劃分，根據(jù)需要獲得相應粒度的結構單元，包括部件或零件，構建產 品層次結構單元樹模型； A2,產品碳排放為各結構單元及其之間聯(lián)接的碳排放之和，基于產品層次結構將產品 碳排放映射為結構單元的層次組合，并分別用節(jié)點和直線描述結構單元及其碳排放和聯(lián)接 類型，構建產品碳排放層次結構模型； A3，以樹模型節(jié)點ai為集合元素，表示為A= (ai，a2，…，ai，…，an)，聯(lián)接特征及其附件為 集合元素屬性，表示為？(&) = $1(&)^2(&)，一^?( &))，一般包括螺紋聯(lián)接特征、卡扣聯(lián)接 特征、鍵聯(lián)接特征、銷聯(lián)接特征、形狀聯(lián)接特征、彈性聯(lián)接特征等，構建出結構單元聯(lián)接特征 矩陣[AXF(a) ]nXm; A4,以碳排放為統(tǒng)一顏色，表示為F(A) = (F1)，構建聯(lián)接特征碳排放因子矩陣[F(a) XF (A)JmXlo3. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于聯(lián)接特征的產品碳足跡快速評估方法，其特征在于： 所述的步驟B中結構單元碳足跡分配因子計算步驟如下： Bl，選取聯(lián)接類型為評價對象，以裝配/拆卸難易度、材料消耗、能源消耗、加工難易度、 回收性能為評價指標，應用層次分析法評估聯(lián)接特征的相對碳足跡影響度； B2,結構單元包括內部零件和接口零件，功能零件是結構單元實現(xiàn)其功能的關鍵部 分，接口零件是與其他零部件聯(lián)接的紐帶，根據(jù)碳足跡分配準則對結構單元接口零件相關 的聯(lián)接件、附件進行虛擬切割，量化A3步驟中的結構單元聯(lián)接特征矩陣； B3,計算結構單元的碳足跡分配因子，產品中第j個結構單元的分配因子計算公式為，式中，N為產品中結構單元總數(shù)，Q為分配因子標 準，此處選擇質量，m為j結構單元中功能零件個數(shù)，s為j結構單元中接口零件個數(shù)，1為j結 構單元中接口零件聯(lián)接特征總數(shù)，qi和qt分別為內部零件和接口零件的質量，Wk為接口零件 所含聯(lián)接特征的相對碳足跡影響度。4. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于聯(lián)接特征的產品碳足跡快速評估方法，其特征在于： 所述的步驟C中碳足跡遞歸推理法包括如下步驟： Cl，將產品按照層次劃分為多粒度結構單元，以第一層結構單元為節(jié)點，獲取各結構單 元分配因子標準數(shù)據(jù)，構建質量矩陣[AXQ(A)]nX1，設產品的相對碳足跡為I; C2,根據(jù)結構單元聯(lián)接特征矩陣[AXF(a)]nXm和聯(lián)接特征碳排放系數(shù)矩陣[F(a)XF (A)]mX1推理出結構單元聯(lián)接特征相對碳足跡矩陣[AXF(A)]; C3,以上述質量矩陣和結構單元聯(lián)接特征相對碳足跡矩陣為輸入數(shù)據(jù)，計算第一層結 構單元的碳足跡分配因子，通過碳足跡分配因子與產品碳足跡相乘獲得第一層結構單元的 碳足跡； C4，如不滿足設計需求，獲取下一層結構單元的質量矩陣，重復步驟C2~C3，遞歸地計 算產品各結構單元的碳足跡分配因子，獲取碳足跡最大的結構單元，有針對性地進行結構 改進以降低產品的碳排放。
【文檔編號】G06F19/00GK105893754SQ201610199588
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月4日
【發(fā)明人】張秀芬, 蔚剛
【申請人】張秀芬