制造业涉及面广,能耗总量巨大,大力推进制造业能效提升是工信部《工业绿色发展规划(2016～2020年)》中的重要议题。再制造作为一项资源节约、环境友好的战略新型制造模式,高度契合循环经济发展的理念,受到学术界、工业界以及政府组织的高度重视。当前,我国再制造产业发展势头方兴未艾,高能效运行是循环经济战略对再制造系统提出的新要求和新挑战。因此,开展再制造系统能效提升及其环境效益评估研究,可为高能效再制造生产实践提供基础理论与方法,具有重要的科研价值和现实意义。再制造系统以废旧零部件为毛坯,导致生产过程受诸多不确定因素的影响。其能耗形式兼具强动态不确定性、非线性时变和复杂多约束性,致使再制造系统能效提升的难度加大。为了切实可行地解决上述问题,提高再制造系统的能源使用效率,本文围绕发动机再制造系统不确定性、能效提升方法、能效提升的宏观环境效益,结合理论分析、建模仿真、优化算法设计、企业实地调研等方式展开研究工作。首先,探讨了发动机再制造系统不确定性内涵和类型,研究不确定性的数学描述和传递分析方法;然后,建立再制造系统多层次的能效优化模型,提出高精度、高稳定性和高适应性的预测和求解算法;最后,构建非线性环境评估模型,揭示再制造系统能效提升的宏观环境效益。本研究具有多学科、跨领域、综合性强的特点,具体研究内容包含如下几个方面:(1)研究了发动机再制造系统不确定性数学描述和分析方法。首先,阐述了发动机再制造系统的不确定性内涵、类型以及不确定规划模型。然后,在经典的图形评审技术(Graphical Evaluation and Review Technique,GERT)中引入随机性、模糊性和灰色不确定性参数,构建了含多元不确定性的GERT网络模型,并阐述了基于梅森拓扑方程、等价传递函数和矩母函数性质的模型目标参数解析方法。最后,将该网络模型应用于废旧发动机连杆修复的工艺过程描述,求解各个工艺路线分支概率、加工时间和能耗的范围。在利用Arena仿真验证模型准确性的基础上,研究引入快速检测技术和高效修复技术所产生的系统扰动和传递效应对完工时间和能耗的影响。该模型能够准确、快速计算不确定条件下再制造生产指标值。(2)提出了集成设备选择和参数优化的两阶段再制造设备能效优化方法。在第一阶段,针对再制造工艺设备多样性的问题,综合考虑设备能耗特性、经济性及技术性指标,分别采用能量足迹、生命周期成本、模糊综合评判理论度量各指标值,构建基于逼近理想解排序(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution,TOPSIS)的模糊决策模型,以选择合理的再制造设备。在第二阶段,提出改进的基因表达式编程算法,并用于建立所选设备的效率(能效和材料利用率)预测模型;基于能耗和材料消耗监测实验数据,将该模型与传统响应曲面法所得模型进行对比;利用典型的多目标优化方法即快速非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II,NSGA-II),获得约束条件下能效最优时的加工参数组合。最后,通过发动机曲轴修复实例以及激光熔覆加工实验,验证两阶段能效优化方法的有效性和设备能效经验模型的高精度和高稳定性。激光熔覆设备参数优化表明,在相同粉末利用率约束下,优化值比经验值的能效高可出50%。(3)研究了再制造工艺链节能调度模型及其启发式与元启发式求解算法。首先,根据发动机再制造系统设备组织特点、设备间交互特性以及能耗的状态依附特性,在阐明模糊数运算法则以及系统约束的基础上,综合考虑加工时间、工艺路线不确定性以及并行机、批处理机同时存在的问题,采用减少待机能耗策略,建立面向节能的再制造工艺链层生产调度数学模型。其次,作为一种元启发式方法,提出基于激素调节机制的自适应遗传算法,并进行操作算子设计。然后,作为一种启发式方法,构建了面向调度的赋时变迁Petri网模型,根据优化目标设计了 A*算法的三种启发式函数,为避免状态空间爆炸问题,提出了动态窗搜索的新规则。最后,发动机缸体再制造加工工艺链实例表明,改进的自适应遗传算法和整合新动态窗搜索规则的A*算法分别使工艺链能效提升9.7%和7.6%,且后者求解效率比前者高出两个数量级。(4)提出了面向发动机再制造系统能效提升的可计算一般均衡(Computable General Equilibrium,CGE)模型。该模型包含五个基本模块:生产模块、贸易模块、收入支出模块、市场均衡模块、环境模块。基于效用最大化、成本最小化、市场闭合等经济学理论或规则,构建各模块的代数方程组,采用参数标定、企业调研、文献查找等手段得到模型的数据集,包括社会核算矩阵(Social Accounting Matrix,SAM)、份额参数、替代弹性系数、环境排放系数等。通过通用代数建模系统(General Algebraic Modeling System,GAMS)平台编程和模拟,完整且系统地揭示了发动机再制造部门不同能效提升量下的各经济部门产出变化以及对应环境排放净削减量。使用敏感性分析方法验证了 CGE模型的稳健性。