张宝锋　董雅文　史华丽

(①西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048；②西安工程大学机电工程学院，陕西 西安 710048；③西安煤矿机械有限公司工艺部，陕西 西安 710032)



工艺层面可持续制造评价指标的因子分析*

张宝锋①董雅文②史华丽③

(①西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048；②西安工程大学机电工程学院，陕西 西安 710048；③西安煤矿机械有限公司工艺部，陕西 西安 710032)

在分析前人关于国家、地区、企业层面可持续性评价相关成果的基础上，从制造工艺层面着手，依据可持续发展的“三重底线”原则，运用信息沉淀法确定制造企业工艺层面可持续性初始评价指标体系，然后应用因子分析法降维，提取公因子，最后形成了包括加工成本、加工质量及效率、资源消耗及排放量、循环再生技术使用水平、员工基本工作条件和员工工作环境水平6个维度的评价指标体系。

可持续制造；工艺过程；信息沉淀法；因子分析；评价指标体系

制造行业是自然资源的最大消耗者，而且产生着巨大的碳排放。过去研究者认为环境保护会耗尽组织资源、影响组织竞争力。然而，在全球倡导可持续生产方式的背景下，逐渐减少的不可再生资源、环境、职业健康和安全相关的更严格的规定、与日俱增的消费者对环境友好型产品的偏好，这些促使制造企业在考虑产品和工艺的经济利益之外，考虑环境和社会影响，以减少市场风险。可持续性和环境问题日益成为企业战略、经营管理、加工制造和产品开发等决策的最重要主题，可持续制造研究领域也应运而生，成为一个重要的研究话题。美国商务部给出可持续制造的定义：“使用对环境负面冲击最小、节约能源和自然资源，对员工、社区和消费者安全，并且经济性良好的产品生产过程”。与此同时，制造企业正在寻找开放的、兼容的、普遍适用的制造工艺可持续性评价指标体系，越来越多的制造企业意识到工艺可持续性评价和改进重要现实意义。

在这种情况下，建立一套完善的制造企业工艺可持续性评价指标体系至关重要。但目前对制造企业环境和社会影响进行有效评价的研究比较少，现有可持续性评价指标的应用层面和侧重点有所不同，针对制造企业工艺层面可持续性指标的开发和应用极少，已有少量相关指标和工具又极其复杂，需要大量的数据和专业技术才能使用。这个局限性就提出了制造企业工艺可持续性评价指标规范的必要性，有效的指标将为快速评价工艺单元可持续性提供一个简单、方便的方案，允许不同的工艺方案、产品、企业之间进行工艺可持续性比较，为制造企业工艺决策提供依据。

1　文献回顾

1.1国内可持续制造相关研究

国内学者从20世纪90年代末开始研究可持续制造问题，其成果分散于敏捷制造、再制造、绿色制造和清洁生产等领域。

直接探讨可持续制造相关问题的研究非常少，这些成果侧重于从工程技术角度探讨可持续制造的实施技术问题，如学者宾鸿赞从环境、资源和高新技术3个方面论述了可持续制造的技术实现措施：计算机辅助误差补偿技术、加工功能扩展技术、表层修理技术及生态型制造技术[1]。马丽丽等学者提出：为了实现可持续制造，必须有一个系统的、全局的维修概念，并详细论述了设备全寿命周期的各个阶段中，维修是如何预防故障和相关问题，以保障实现可持续制造[2]。学者王振禄和张九娥探讨了误差补偿技术在可持续制造中的应用，提出：基于信息技术的现代误差补偿技术，是应用低档次的设备制造高档次零部件的一条可行技术途径[3]。

同时，没有检索到国内关于制造企业工艺层面可持续性评价的相关文献，可持续性评价方面的少量文献主要集中于环境评价指标设计、区域及行业可持续发展能力评价。如学者张艳探讨了在众多因素影响下的绿色制造环境绩效评价指标体系，采用专家法确定各因素权重，并运用多层模糊综合评价原理对绿色制造的环境绩效进行了系统评价[4]。于翔等学者从社会发展、经济发展、资源与环境以及其他指标这四类指标出发，采用层次分析法建立综合评价模型，并用该模型对成都市金牛区的可持续发展能力建设水平进行了综合评价[5]。杨义蛟等学者探讨了装备制造业可持续发展的模糊综合评价模型[6]。赵丽、孙林岩等学者通过对国内外可持续发展指标体系的综述，设计出由20个指标构成五大方面的评价指标体系，对我国30个省份和地区进行评价，得出了各省份在五大方面的可持续指数和区域制造业可持续发展能力综合指数[7]。孔善右等学者对江苏省制造业可持续发展的能力进行了相关实证研究[8]。

1.2国外可持续性评价相关研究

国际上，自从联合国和各国政府大力提倡可持续发展以来，很多评价国家、地区和社会层面可持续性的框架就被提出，如全球报告倡议组织可持续性指标、联合国可持续发展委员会可持续性指标、英国化学工程师协会可持续性指标、伍珀塔尔可持续性指标、道琼斯可持续发展指数等。这些有代表性的指标框架表达了可持续发展的3个普遍接受的维度：经济、环境和社会，一些框架也包含了第四、第五维度，即制度和技术创新。

其中，探讨最多的是国家层面的可持续性评价，其次是企业层面的可持续性评价，而评价制造工艺层面可持续性水平的成果还非常欠缺[9]。

(1)国家层面的可持续性评价。Nick Hanley et al. (1999) 在综述可持续发展指标的基础上，给出了苏格兰可持续性评价7个指标(1980-1993)的时间序列分析，得出苏格兰在1980年到1993年间的发展倾向是不可持续的结论，并对每个指标的发展情况给出了详细的分析[10]。Christoph B?hringer et al. (2007) 综述了政策实践中可持续性指标的解释力情况，提出这些指标不能满足基础科学的要求，并强调可持续性不能被清晰地测量，将很难去提高，要提高可持续性，必须准确测量。最后，提出了具有普遍性和代表性的11项国家层面的可持续性指标：地球生态指数、生态足迹、城市发展指数、人类发展指数、环境可持续性指数、环境绩效指数、环境脆弱性指数、可持续经济福利指数、幸福指数和真实的储蓄指数[11]。Joaquim Francisco de Carvalho et al. (2011) 根据热力学熵的概念，基于最小、最大熵产生原则，提出了建立定量可持续性定义的一个方法，基于此方法评价各种资源和能源以判断他们各自对环境的影响[12]。

(2)地区层面的可持续性评价。Yuan.W et al. (2003) 基于政府官员、教师、学生、工人和农民的参与，强调不同群体对不同指标的重视，针对上海崇明区社区提出了一套可持续性指标，并将指标与欧洲地区指标进行了对比分析[13]。HwanSuk Chris Choi et al. (2006) 从社区旅游的角度，运用德尔菲法识别出社区六个维度的125个可持续性指标：经济、社会、文化、生态、政治、技术[14]。

(3)企业层面的可持续性评价。Rajesh Kumar Singh et al. (2007) 针对钢铁企业探讨可持续性评价指标框架的开发，设计了一个数学模型，通过对可持续性不同维度子指标的聚合来测定复合可持续性指数[15]。Amrina. E et al. (2011) 针对汽车企业探讨了可持续制造绩效评价的关键指标，并用模糊综合评价法进行了评价[16]。Ibáez-Forés. N V et al. (2013) 从公司层面探讨了瓷砖生产企业可持续性评价的方法和应用[17]。Ming-Lang Tseng (2013)针对印刷电路板制造企业提出了可持续生产指标，并运用模糊集合理论和解释结构模型，依据指标的驱动力和依赖性对指标进行了层级划分和关系分析[18]。通过对现有公司层指标的分析可知，目前公司层指标在经济维度主要考虑成本、效率、质量、交货、收益和柔性六个方面。在环境维度主要从资源消耗、排放和污染、循环再生技术使用3个方面进行。在社会维度，主要从员工、顾客和社区利益相关者3个方面展开。并且，现有的公司层指标中环境指标的比例比较大，社会指标有逐年增加的趋势。Elita Amrina et al. (2015)基于可持续发展的三重底线原则，提出了水泥制造企业可持续绩效评价关键指标体系，并运用层次分析法确定了指标的权重[19]。

(4)工艺层面的可持续性评价。Jawahir. I. S., et al. (2007)提出影响制造工艺可持续性的六大主要因素：制造成本、能源消耗、废物管理、环境影响、员工健康以及操作者的安全[20]。Barbara S. Linke et al. (2013)为离散型制造工艺提供了1个包括三大维度9个子指标的可持续性指标体系，讨论了指标归一化的不同方法，并通过效用分析将这些指标简化成一个指标，最后用磨削工艺的案例验证了指标及其处理方法的有效性[21]。Shaw C. Feng et al. (2014) 定义了装配工艺的能量消耗和效率度量标准，设计了能量输入、输出、损失和能量效率的度量式[22]。Hao Zhang et al. (2014)将可持续制造绩效评价和可持续制造决策结合起来，详细探讨了制造业工艺可持续性评价的经济、环境和社会指标及其度量方法，并以可持续性评价结果为依据，运用PROMETHEE法进行工作单元可持续性决策，最后，以一个加工不锈钢刀的工作单元为案例展示了工艺可持续性评价和决策方法的实施[23]。

综上所述，可持续性评价问题已经受到了国内外学者的广泛关注，充分显示出其理论研究价值和实际意义，已有可持续性评价的相关研究成果对今后的深入研究起到了奠基作用。但现有研究大多从较为宏观的层面探讨了社会、国家、地区和企业可持续性评价问题，针对制造企业工艺层面可持续性评价的研究缺乏。同时，在少量探讨制造工艺层面可持续性评价的成果中，只有很少指标切实考虑了可持续性的三大支柱，大多数指标没有系统、全面地表达工艺层面可持续性的具体要求，仅由以前强调经济指标发展到现阶段强调环境方面的指标，相关社会指标的开发也处于初级阶段。基于此，本文依据可持续发展的“三重底线”原则，通过和相关制造企业工艺人员的讨论，运用信息沉淀法确定制造企业工艺层面可持续性初始评价指标体系，并对初始指标体系进行因子分析，找出指标之间的公因子，建立制造企业工艺层面可持续性综合评价函数，为制造企业进行工艺可持续性评价和改进提供依据。

2　工艺层面可持续制造评价指标的筛选

根据可持续制造的定义和三重底线原则，本文运用信息沉淀法识别工艺层面可持续制造的初始评价指标体系，穷尽式的搜索，力争全面完整地查询相关资料。初始指标提取基本步骤如下：首先，基于可持续制造和可持续性评价等相关概念，在中国知网(CNKI)、维普期刊全文数据库、万方数据库、EI compendex、ScienceDirect、Springer等平台上，以“可持续性”、“可持续制造”、“可持续生产”、“资源保护型制造”、“生态型制造”、“可持续性指标”、“可持续性绩效”、“可持续性评价”、“可持续性测度”、“经济指标测度”、“社会指标测度”、“环境指标测度”、“社会责任”、“社会影响”、“社会可持续性”、“环境可持续性”和“环境绩效”等为篇名或关键词，在学科分类里选定经济学、商业管理学、决策科学、环境科学、数学科学和社会科学六大相关学科，时间设定为1949～2015，共搜索到3 700多篇中文文献，3 300多篇外文文献；然后通过浏览这些文章的摘要和关键词，把握文章主旨和研究内容筛选出和本研究相关的9篇中文文献、79篇外文文献，将这88篇文献作为样本进行文本和内容分析，提取可持续性评价指标相关的信息；其次，处理提取的因素信息，对仅给出粗略的体系框架没有细化具体指标的体系，不进行进一步的分析，对于一些不重要的指标进行删除，对于各体系中意思相近但是命名不同的指标，对其统一命名，对于内涵比较笼统的指标进行分解。最后，为了保证指标的合理性和代表性，本研究做了7次深度访谈，访谈对象分别是制造企业生产一线员工4人、中层管理人员2人、高层管理人员1人，每次访谈都在1个小时以上，谈话氛围轻松、自如，充分了解了访谈对象对这些指标的意见和看法。结合以上文献分析和访谈结果，本文从经济、环境和社会3个维度，确定了30个工艺层面可持续制造的评价指标，作为初始评价指标体系，如表1所示。该体系指标选取遵循全面性、独立性、学科交叉性、可测度性和长期的导向性原则。

表1工艺层面可持续制造初始评价指标体系

维度初始指标经济维度劳动力成本C1原材料辅助材料成本C2设备成本C3刀具成本C4工装成本C5能源成本C6合格品率C7返工率C8辅助时间效率C9设备利用率C10人员利用率C11工艺加工周期C12计划完成率C13环境维度原材料消耗C14能源消耗(电、暖、照明消耗)C15固体废物排放量C16切削液排放量C17温室气体排放量C18使用再生能源设备的比例C19使用可回收利用材料的比例C20固体废料利用的比例C21社会维度工资C22工作量C23安全事故率C24每年员工培训比例C25高温作业等级C26有毒作业等级C27噪音水平C28粉尘水平C29辐射水平C30

3　实证分析

3.1数据收集

本研究采用问卷调查的方式获取数据，该问卷包含两部分，第一部分是被调查者的基本信息。第二部分是被调查者对所列题项与制造企业工艺层面可持续性相关程度的判断。考虑到本次调查采用网络调查方式，被调查者的学历、职业等领域范围较广，要求问卷的相关文字表达应更简单易懂，因此，本问卷采用李克特(Likert)五分制量表描述评价目标与指标的密切程度。将问卷链接在专业调查网站上，通过邮件、微博、微信、互评等方式邀请被调查者进行问卷填答。本次问卷预期回收300份，实际回收281份，对于出现漏填、错填较多的，不认真填答，如连续三分之一以上题目选同一答案，及填答时间在1分钟以内等情况的问卷进行剔除，获得有效问卷269份。其中，被调查者的年龄分布为：24岁以下占16.31%，，25-30岁占61.12%，31-40岁占21.34%，41-50岁占1.23%。被调查者的学历分布为：高中以下学历占0.97%，大专学历占11.27%，本科学历占25.56%，硕士学历占48.66%，博士学历占13.54%。被调查者的职业分布为：教师占16.47%，学生占43.14%，企事业单位技术人员占10.21%，企事业单位管理人员占11.33%，自由职业者占2.31%，其他占16.54%。

3.2原始数据处理

本研究的269份有效问卷和30个结构化问题构成了269(n)×30(m)阶原始观测数据矩阵。首先对原始数据作标准化处理(SPSS软件自动处理) ，然后建立各指标间的相关系数矩阵，再对数据进行KMO和Bartlett检验，如表2所示。由表2可知，KMO值为0.767，表明样本充足。Bartlett球形度检验的显著性水平P=0.000<0.001，说明原始数据适合进行因子分析。

表2KMO和 Bartlett检验

Kaiser-Meyer-OlkinMeasureofSamplingAdequacy..767Bartlett'sTestofApprox.Chi-Square5973.221Sphericitydf435Sig..000

3.3因子分析

(1)提取主因子

本文运用主成分分析法进行因子抽取，利用SPSS19.0计算各指标相关矩阵特征值和方差累积贡献率如表3。由表3可知，前6个主成分因子的特征值均大于1。此外，图1所示的碎石图也显示6个因子处为一个明显的拐点。基于特征值和碎石图提供的信息，提取前6个因子为主因子，这6个因子方差累积贡献率分别为14.734%、28.945%、41.207%、53.376%、63.722%、71.014%。

(2)因子旋转

在此，建立因子载荷矩阵，由于旋转前的因子载荷矩阵(鉴于篇幅原因，文中省略)不能明显地反映出每个指标在公因子上载荷的差别，因此采用Kaiser标准化的正交旋转法进行因子旋转，得到旋转后的因子载荷矩阵，如表4所示。

表3各因子相关矩阵特征值和方差累积贡献率

因子初始值旋转后值特征值λ贡献率/%累积贡献率/%特征值λ贡献率/%累积贡献率/%15.77819.25919.2594.42014.73414.73423.84312.80932.0684.26314.21128.94533.56211.87443.9423.67912.26341.20743.28110.93554.8783.65112.16953.37653.01610.05364.9313.10410.34663.72261.8256.08471.0142.1887.29271.0147.9533.17874.1928.8062.68876.8809.7332.44279.32210.7032.34381.66611.5901.96583.63112.5241.74685.37713.4601.53386.91014.4491.49588.40615.4151.38389.78816.3731.24491.03217.3411.13792.16918.3191.06493.23319.3031.00994.24220.262.87495.11621.230.76795.88322.205.68396.56623.193.64497.21024.179.59697.80525.155.51698.32126.138.46198.78327.126.42099.20328.116.38799.59029.083.27699.86630.040.134100.000

研究结果表明：因子F1解释了合格品率C7、返工率C8、辅助时间效率C9、设备利用率C10、人员利用率C11、工艺加工周期C12和计划完成率C13这7指标，这些都是反映加工质量及效率方面的因素，因此以加工质量及效率为因子F1命名。因子F2解释了劳动力成本C1、原材料辅助材料成本C2、设备成本C3、刀具成本C4、工装成本C5和能源成本C6这6个指标，这些都是工艺单元加工成本的主要考虑因素，因此以加工成本为因子F2命名。因子F3解释了原材料消耗C14、能源消耗C15、固体废物排放量C16、切削液排放量C17、温室气体排放量C18五个指标，这些都是评价工艺单元加工过程相关资源的消耗及排放量的因素，因此以资源消耗及排放量为因子F3命名。因子F4解释了高温作业等级C26、有毒作业等级C27、噪音水平C28、粉尘水平C29和辐射水平C30五个指标，这些都是评价工艺单元员工工作环境的重要因素，因此以员工工作环境水平为因子F4命名。因子F5解释了工资C22、工作量C23、安全事故率C24和每年员工培训比例C25四个指标，这些都是评价工艺单元员工基本工作条件的重要因素，因此以员工基本工作条件为因子F5命名。因子F6解释了使用再生能源设备的比例C19、使用可回收利用材料的比例C20和固体废料利用的比例C21三个指标，这些都是评价企业工艺单元循环再生技术使用情况的因素，因此以循环再生技术使用水平为因子F6命名。

(3)主因子得分及综合评价指标函数的建立

使用SPSS19.0计算出各因子得分系数矩阵(鉴于篇幅原因，文中省略)，根据该得分系数矩阵，可列出各因子得分的计算表达式(鉴于篇幅原因，文中省略)。

以6个主因子旋转后的主成分贡献率(见表3)为权重进行加权求和，构造工艺单元可持续性综合评价模型：

F=(0.147 34F1+ 0.142 11F2+ 0.122 63F3+0.121 69F4+ 0.103 46F5+ 0.072 92F6)/0.710 14。

通过工艺单元可持续性综合评价模型可以计算每一制造企业工艺单元可持续性水平的综合得分，并依据综合得分对制造工艺单元的可持续性整体水平进行评估。

3.4信度与效度分析

(1)信度分析

为了对前述指标及因子分析得到的6个维度在评价工艺单元可持续性方面的可靠性进行了解，我们进行了可靠性检验。该指标体系总的α系数为0.798。6个因子的α系数如表4所示，检验结果表明指标体系具有较高的信度。

(2)结构效度和内容效度分析

从因子分析可知，调整后的6个因子能够累积解释的变异量达到71.014%，说明本研究具有较高的结构效度。

内容效度方面，本研究中2名机械制造方面和2名管理工程方面的教授、3名有企业实践经验的机械制造学科的博士和4名实践经验比较丰富的制造企业工艺及管理方面的人员，配合我们多次反复地讨论、修正初始指标，最后确定的30个指标被认为是能够反映制造工艺单元可持续性水平的代表性题项，量表的内容效度得到了较好的保证。

经过信度和效度检验，最终得到一个包含6维30项的制造工艺单元可持续性评价指标体系，如表4所示。

表4旋转后的因子载荷矩阵

评价目标一级指标二级指标公因子F1F2F3F4F5F6Alpha制造企业工艺层面可持续性水平A加工成本B1加工质量及效率B2资源消耗及排放量B3循环再生技术使用水平B4员工基本工作条件B5员工工作环境水平B6劳动力成本C1.022.672.045-.175.071.053原材料辅助材料成本C2.144.770-.090-.025-.019.158设备成本C3.134.832.010.047-.053.023刀具成本C4.132.878-.024.003.003.073工装成本C5.136.856.103-.044.048.059能源成本C6.112.877.047-.132.057.112合格品率C7.775.143.038-.049-.034-.076返工率C8.670.048.067.133.109.089辅助时间效率C9.845.091-.006-.108.093.045设备利用率C10.750.095.055-.059-.021-.191人员利用率C11.781.251-.026-.005-.049-.119工艺加工周期C12.763.044.067-.023-.025.078计划完成率C13.880.045.077-.032.016.034原材料消耗C14.120-.036.879-.143-.054-.053能源消耗C15.060.154.792-.083-.018.021固体废物排放量C16.018-.085.856-.046-.023.028切削液排放量C17.070.061.840.012.034.087温室气体排放量C18-.005-.007.859.060-.042-.094使用再生能源设备的比例C19-.085.051-.054.033-.099.897使用可回收利用材料的比例C20.004.230.100.085-.015.570固体废料利用的比例C21-.009.124-.062.011-.044.939工资C22.020.047-.068.000.857-.015工作量C23.058-.042-.059-.025.854.027安全事故率C24-.027.035.008.053.910-.073每年员工培训比例C25.026.053.028.043.861-.102高温作业等级C26-.005-.008.095.851.017.076有毒作业等级C27-.007-.075-.057.798.006.041噪音水平C28-.038.002-.117.839-.002-.059粉尘水平C29-.026-.065-.061.905-.050.043辐射水平C30-.038-.146-.044.794.100.0480.9110.9000.9030.7880.8920.894

4　结论

本文针对工艺层面可持续制造评价的普遍需求和研究成果的相对缺乏，在借鉴现有可持续制造评价方面成果的基础上，通过对相关制造企业进行调查，识别出制造企业工艺层面可持续性初始评价指标体系，并通过因子分析法提取公因子。研究结果表明，制造企业工艺层面可持续性评价指标体系包括加工成本、加工质量及效率、资源消耗及排放量、循环再生技术使用水平、员工基本工作条件和员工工作环境水平6个维度。其中加工成本、加工质量及效率主要用于评价工艺单元的经济性；资源消耗及排放量、循环再生技术使用水平主要用于评价工艺单元对环境方面要求的满足程度；员工基本工作条件和员工工作环境水平主要用于评价工艺单元的社会效应。整个指标体系涵盖了制造企业工艺层面可持续性要求的主要内容，能够较全面系统地对制造企业工艺单元的可持续性进行评价。同时，各因子旋转后的方差贡献率相差不大，可见该指标体系充分兼顾了经济、环境和社会三方面的要求。

相关研究有待进一步深入探讨：(1)在识别制造企业工艺层面可持续性评价指标体系的同时，进一步考虑各类指标的测度方法。(2)设计科学的评价模型，将指标数据转化成对经济、环境和社会三大方面的一个综合影响指数，用以评价工艺单元的可持续性水平。(3)将工艺单元可持续性评价和工艺层决策相结合，辅助生产工程师进行工艺决策，提高工艺条件。

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Factor analysis on evaluation indicators of technological level for sustainable manufacturing

ZHANG Baofeng①, DONG Yawen②, SHI Huali③

(①School of Mechanical and Precision Instrumental Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, CHN;②School of Mechanical & Electrical Engineering, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, CHN;③Xi’An Coal Mining Machinery Plant, Xi’an 710032, CHN)

From the point of manufacturing technological level, according to the Ttriple Bottom Line, the paper analyzes the correlational research of national, regional and enterprise level sustainability evaluation of predecessors, and applying information precipitation method, the initial evaluation indicator system is identified for technological level. And then, the factor analysis method is used to do dimension reduction and extract 6 common factors. Finally, an evaluation indicator system of 6 dimensions is constructed, including processing cost, processing quality and efficiency, resource consumption and emission load, cyclic regeneration technology use level, basic working conditions of staff and working environment lever of staff.

sustainable manufacturing; technological process; information precipitation method; factor analysis; evaluation indicator system

F273

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.10.027

董雅文，女，1979年生，博士研究生，主要研究方向为可持续制造，第1作者和主要执笔学术论文17篇，其中三大检索收录3篇。

�静)(

2016-03-29)

161031

*国家自然科学基金资助项目：可持续制造系统优化运行管理和决策研究(71371153)