一种基于实例模型的铸造工艺过程环境影响评价方法

1.本发明属于计算机辅助设计与制造领域，具体涉及一种基于实例模型的铸造工艺过程环境影响评价方法。


背景技术：

2.铸造工艺是现代机械制造工业的基础工艺，是获得机械产品毛坯和零部件的主要方法之一。铸造业是国民经济的重要产业，在创造巨大经济财富的同时，也消耗了大量制造资源，并对环境造成了严重影响。因此，实施绿色制造工程，进行工艺绿色化改进已成为铸造业可持续发展的关键战略。进行工艺绿色化改进，进而推进绿色制造工程实施的一个重要前提条件就是实现工艺过程环境影响评价。
3.现有工艺过程环境影响评价通常是把工艺过程看作一个整体，基于一种平均化、合并式的数据进行评价，这虽然能有效支撑环境影响评价，得到量化评价结果，但基于这种合并式的数据，难以实现对工艺过程节能减排关键环节的识别。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于围绕企业开展产品生产工艺过程环境影响评价的需求，针对现有评价方法中难以实现对工艺过程节能减排关键环节的识别，以及不能响应工艺过程动态变化导致的评价结果差异较大的问题，提出一种基于实例模型的铸造工艺过程环境影响评价方法，能够适应工艺过程的动态变化，得到工艺过程的环境影响评价结果，并为实现对铸造工艺过程节能减排关键环节的识别提供方法支撑。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种基于实例模型的铸造工艺过程环境影响评价方法，所述方法具体为：
7.步骤1：选定待评价的铸造工艺过程，获取其工艺流程信息和工艺要素属性信息；其中：
8.1-1：工艺流程信息包括在二维坐标平面中绘制的工艺流程图以及流程图的描述信息；
9.1-2：工艺要素属性信息中要素指工艺过程的构成要素，包括工艺场景基本描述、工艺对象、设备、能源、关键工艺参数、辅料、环境负荷、输出部件，要素属性信息指这些要素属性的值。
10.步骤2：将工艺流程信息输入到结构化数字模型中，将工艺要素属性信息输入到工艺场景数据模型中，并将结构化数字模型与场景数据模型进行绑定，生成铸造工艺过程实例模型；其中：
11.2-1：铸造工艺过程的结构化数字模型表示为：
12.model＝{containers，c，attribute
prosess
}
13.式中，model表示铸造工艺过程的结构化数字模型，containers表示环节容器集，c表示邻接矩阵，attribute
prosess
表示特征指标集；它们的值在步骤(1)中得到；
14.2-2：铸造工艺过程的场景数据模型表示为：
15.scene＝{scenedescription，object，device，energy，parameters，auxmaterials，envload，outputpart}
16.式中，scene表示工艺场景，scenedescription表示工艺场景的基本描述，object表示工艺对象，device表示设备，energy表示能源，parameters表示关键工艺参数，auxmaterials表示辅料，即铸造工艺执行过程中起催化、防护等作用的辅助材料，envload表示环境负荷，即工艺执行过程中所产生的废气、废液、废水等环境影响与负荷物质集合，outputpart表示输出部件；它们的实体数据在步骤(1)中得到；
17.2-3：铸造工艺过程实例模型可表示为：
18.instancemodel＝{processid，processtitle，model，{scencen}，[bind1，bind2，...，bindn]}bindi＝《p(x，y)，scencen》
[0019]
式中，processid表示用于表示工艺过程唯一性的主键，是实例模型的根节点，processtitle表示具体工艺过程的名称，model表示工艺过程的结构化数字模型，scencen表示工艺过程的场景数据模型，bindi表示的是结构化数字模型中的环节容器p(x，y)与其所对应第n个场景数据模型scencen的绑定关系，同时环节容器的工艺数据将由与之绑定的工艺场景数据模型进行规范与描述。
[0020]
步骤3：获取铸造工艺过程的数据，并输入到工艺过程实例模型，生成铸造工艺过程评价实例；
[0021]
步骤4：构建步骤3中数据实体的物理表，将数据实体中的属性转换为列，并定义列的数据结构，其中：
[0022]
对过程实例进行清单分析，得到清单数据；其中：
[0023]
铸造工艺过程实例中含有一个至多个工艺场景实例，其清单数据可表示为：
[0024]
processlist＝{scenelisti}；i≥1
[0025]
式中，processlist表示铸造工艺过程清单数据，scenelisti表示工艺场景清单数据。进一步，工艺场景的清单数据分为输入数据和输出数据，表示为：
[0026]
scenelisti＝{senceid，inputlist，outputlist}
[0027]
式中senceid表示工艺场景的主键，标识工艺场景的唯一性，inputlist表示该工艺场景下输入数据清单，outputlist表示工艺场景下输出数据清单；对工艺场景的具体输入输出数据，以五元组定义其逻辑表达，表示为：
[0028]
scenedatai＝{senceid，substancetypei，attributenamei，valuei，uniti}；i≥1
[0029]
式中，scenedatai表示工艺场景的输入输出数据，substancetypei表示物质类型，attributenamei表示输入输出属性名称，valuei表示输入输出数据值，uniti表示数据单位。
[0030]
步骤5：依据步骤4中获取的铸造工艺过程清单数据，对选定的铸造工艺过程进行环境影响评价。其中主要包括四个技术步骤：分类、特征化、标准化和加权。其中分类是根据性质类型将清单分析结果分类整理到对应环境影响类型中；特征化是将清单结果中同一影响类型的环境负荷因子通过同一种衡量基准换算为相同的单位，并将转换后的清单结果进行合并，进而通过计算得到该环境影响类型的环境影响潜值的过程。具体计算方法如下：
[0031]
eii＝∑(emissionj×cij
)
[0032]
式中，eii表示环境影响类型i的特征化后的环境影响潜值，emissionj代表环境负
荷因子j的清单结果，c
ij
表示环境负荷因子j对环境影响类型i的当量因子；
[0033]
标准化是通过引入基准值将特征化结果进行标准化处理的过程，目的是为了消除各项环境影响结果在量级上和量纲上的差异，达到无量纲化，使得不同量纲的环境影响类型可以进行比较。标准化的具体计算方法如下：
[0034][0035]
式中，ni为环境影响类型i的标准化结果，si表示环境影响类型i的标准化基准值；
[0036]
加权是根据不同环境影响类型的贡献值赋予其相应的权重因子，并将不同环境影响类型潜值加权求和得到综合的环境影响评价结果的过程。加权的具体计算方法如下：
[0037]
en
lca
＝∑(ni×
wi)
[0038]
式中，en
lca
表示总的环境影响结果即生命周期环境影响结果，wi表示环境影响类型i的权重因子，权重因子的大小决定了环境影响类型的重要程度。
[0039]
通过上述步骤最终得到铸造工艺过程的环境影响的量化结果，并可了解铸造工艺过程中产生的污染问题以及分布情况。
[0040]
本发明的有益效果在于：
[0041]
依据本发明提出的基于实例模型的铸造工艺过程环境影响评价方法，实现具体工艺过程环节与工艺场景数据模型的灵活绑定，方便进行拓展、复用与维护。便于实现工艺过程信息组织框架的构建，并为量化的环境排放，了解铸造工艺过程中产生的污染问题以及分布情况，并分析铸造工艺流程的关键排放阶段与关键环境影响要素，为降低铸造工艺过程的排放提出建议提供了方法支撑。
附图说明
[0042]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。
[0043]
图1为本发明所述一种基于实例模型的铸造工艺过程环境影响评价方法的流程图；
[0044]
图2为3.5吨运机v法线铸造工艺流程图；
[0045]
图3为3.5吨运机ipo模型图；
[0046]
图4为铸造工艺过程实例模型的生成机制；
[0047]
图5为熔炼工艺场景数据模型。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述：
[0049]
步骤1：选定某铸造企业3.5吨运机v法线铸造工艺过程为例，获取其工艺流程信息和工艺要素属性信息；其中：
[0050]
1-1：工艺流程图为二维平面坐标图，如图2所示；
[0051]
1-2：该运机尺寸规格为1150
×
950
×
850mm，主要设备为中频电炉12.5
×
4米，行车(16吨)，v法造型机，起重设备(开箱)，机器打磨设备，手持砂轮机及高压喷涂设备等，其余工艺要素属性信息及相关输入输出的ipo模型如图3所示。
[0052]
步骤2：将工艺流程信息输入到结构化数字模型中，将工艺要素属性信息输入到工艺场景数据模型中，并将结构化数字模型与场景数据模型进行绑定，生成铸造工艺过程实例模型；其生成机制如图4所示。其中：
[0053]
2-1：3.5吨运机v法线铸造的结构化数字模型创建过程如下：
[0054]
图2所示的二维坐标平面中横轴表示串行工序间的先后次序，纵轴表示并行工序间的并行关系；依据工序间的关系将各工序标注到二维坐标平面中；为每个工序对应的坐标点创建环节容器，例如熔炼工序在铸造工艺流程二维平面坐标图中的坐标为：熔炼(2,2)。所有环节容器的关联关系可用一个邻接矩阵c来表征。用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10这11个数字来表示11个工序，这11个数字分别用来代表造型材料、砂处理、造型制芯、浇注、落砂、清理、后处理、铸件、金属炉料、熔炼、炉前处理这11个工序工序或物料，用这11个数字代表11个工序或物料，它们构成一个不带权的有向图，其对应的邻接矩阵即为3.5吨运机v法线铸造工艺过程的邻接矩阵c，可将其表示为：
[0055][0056]
根据环节容器所表示的具体工序，向环节容器添加工艺过程输入输出要素，其中输入输出要素包含工艺对象、辅料、设备、能源、环境负荷、输出部件以及关键工艺参数。将工艺过程的所有环节容器表征为环节容器集，3.5吨运机v法线铸造工艺的环节容器集表示为：containers＝{造型材料、砂处理、造型制芯、浇注、落砂、清理、后处理、铸件、金属炉料、熔炼、炉前处理}。
[0057]
2-2：3.5吨运机v法线铸造的工艺场景数据模型创建如下：
[0058]
以3.5吨运机v法线铸造的熔炼工艺过程为例，构建工艺场景数据模型，熔炼工艺场景的构成要素包括工艺场景基本描述、工艺对象、设备、能源、关键工艺参数、辅料、环境负荷、输出部件，如图5所示。
[0059]
2-3：3.5吨运机v法线铸造工艺过程实例模型可表示为：
[0060]
instancemodel＝{1,铸铁_铸钢_有色金属_干砂型铸造(v法),
[0061]
model,{scencen},[bind1,bind2,
…
bindn]}
[0062]
以熔炼工艺场景为例，其绑定关系可表示为
[0063]
bind＝{bindi《p(2,2),s
熔炼
》}
[0064]
步骤3：获取铸造工艺过程的数据，并输入到工艺过程实例模型，生成铸造工艺过程评价实例。
[0065]
步骤4：对过程实例进行清单分析，得到清单数据；在所构建的工艺过程实例的基础上，对工艺过程进行清单数据分析，以确定、量化原材料和能量输入、气体排放、水污染、
固体废弃物等输入和输出数据。本实施例中的清单数据如表1所示。
[0066]
表1 3.5吨运机v法线铸造工艺过程的清单数据
[0067][0068]
步骤5：依据步骤4中获取的铸造工艺过程清单数据，对选定的铸造工艺过程进行环境影响评价。
[0069]
具体评价流程是：
[0070]
①
分类
[0071]
根据3.5吨运机v法线铸造工艺过程的生产实际情况，建立适用于环境影响评价的8类生命周期评价指标，如表2所示。铸造工艺过程生命周期评价的影响类型有：全球变暖潜能、人体毒性潜力、光化学臭氧形成潜力、淡水生态毒性潜力、海洋水生态毒性潜力、陆地生态毒性潜力、酸化潜力、富营养化潜力等8个方面，将清单分析结果划分到所选的影响类型，以便更清晰地显现与该结果相关的环境问题。
[0072]
表2环境影响类型分类
[0073][0074]
②
特征化
[0075]
由于不同的物质可能对环境产生相同的影响，但其影响程度上存在差异。而且每种物质存在的比例大不相同，有些存在极其微量的物质，对环境的影响却是巨大的，而有些
存在量非常大的物质，其对环境的影响程度微乎其微。这就需要将清单结果中的不同物质对同一影响类型的潜在影响进行转化，即特征化。根据表1计算每吨3.5吨运机铸件的生命周期环境影响排放，得到3.5吨运机v法线铸造工艺过程环境影响评价特征化结果如表3所示。
[0076]
表3生命周期环境影响排放特征化结果
[0077][0078]
③
标准化
[0079]
选择归一化基准值之后，得到的标准化结果如下表4所示。
[0080]
④
加权
[0081]
选择综合加权值之后，得到的加权后的结果如下表5所示。
[0082]
从评价结果可以看出，3.5吨运机v法线铸造工艺主要的贡献在酸化影响潜力，且熔炼过程的环境影响值最大，这是因为整个工艺过程，特别是熔炼过程中消耗的电能最多，因此，优化电力结构，利用更多的可再生能源，可以有效地减少生命周期对环境的影响。
[0083]
表4生命周期环境影响标准化结果
[0084][0085]
表5生命周期环境影响加权结果
[0086][0087]
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。