基于汽車產品回收信息模型的RRR計算

凌 波， 劉光復， 張 雷， 李玉剛

（合肥工業大學 機 械與汽車工程學院，安徽 合 肥 230009）

目前我國汽車保有量約為7 800萬輛，為世界第2大汽車擁有國［1］。按照每年大約7%的報廢量，我國每年將有550萬輛左右的汽車需要報廢，且該數字仍將不斷增長［2］。

歐盟已于2005年出臺了2005／64／EC法規，即RRR（Reuse，Recycle，Recovery，簡稱RRR）指令，規定所有進入歐盟市場的M1和N1型汽車在進行整車型式認證時，必須滿足其RRR要求［3］。文獻［4］對汽車整車的可回收率、可再利用率標準的執行提出了明確的時間表。文獻［5］修訂并實施了機動車輛類（汽車產品）強制性認證實施規則，明確規定了新認證汽車和掛車應按照我國標準規定的方法［6］進行相關計算。

本文在研究國外汽車產品計算標準［7］的基礎上，研究了我國標準規定的RRR計算方法和實施流程，建立了面向RRR計算的汽車產品回收信息模型，結合RRR計算中數據采集不確定性的問題，提出了相應的數據校核算法。

1 RRR計算

RRR計算中的Reuse即再使用，是指對報廢車輛零部件進行的任何針對其設計目的的使用；Recycle即再利用，是指經過對廢料的再加工處理，使之能夠滿足其原來的使用要求，或者用于其他用途，不包括使其產生能量的處理過程；Recovery即回收利用，是指經過對廢料的再加工處理，使之能夠滿足其原來的使用要求或者用于其他用途，包括使其產生能量的處理過程。三者間的關系如圖1所示。

圖1 Reuse、Recycle、Recovery關系

1.1 RRR計算基準車型的確定

RRR計算的基準車型是指隸屬于同款汽車但采用不同配置的車型中，可導致RRR計算結果最差的那一型汽車。若基準車型的RRR計算結果達到相關法規值，則可認為該車型系列產品的RRR計算結果均高于此值。

目前，對于RRR計算基準車型的定義并無相關法規出臺。根據正在擬定中的《汽車禁用物質和可回收利用率管理》規定，以及我國相關主管部門和汽車制造商對基準車型達成的共識，一致定義為：最小的發動機，最小的手動變速箱；無備胎，無拖鉤；標準驅動（無四驅）；3廂車身；皮革內飾；無選裝件。

1.2 RRR計算方法

RRR計算的目標是得出整車的可再利用率Rcyc和可回收利用率Rcov，它們分別表示新車中能夠被再使用及再利用部分占車輛質量的百分比和新車中能夠被回收利用部分占車輛質量的百分比［6－7］，即

其中，MP為預處理階段質量；MD為拆解階段質量；MM為金屬分離階段質量；MTr為非金屬殘余物處理階段中被認為是可再利用的材料質量；MTe為非金屬殘余物處理階段中用于能量回收的材料質量；MV為整車質量。

等式右側變量的值是對整車拆解后，統計出的屬于不同拆解階段的零部件總質量。

1.3 面向RRR計算的整車拆解工藝流程

對于用作材料回收使用的零部件的可回收利用性的判定，見表1所列［8］。

表1 汽車材料可回收利用性的判定準則

（1）預處理階段。拆解、釋放或者收集車上所有液體、蓄電池、機油濾清器、液化石油氣（LPG）罐、壓縮天然氣（CNG）罐、輪胎、安全氣囊、催化轉換器等，其質量計入MP中。

（2）零部件拆解階段。以BOM中各總成／部件為單位，遵循“先易后難、從外到內、由總成到部件、由部件到零件”的原則進行，先評估其可拆解性和可再利用性。

若可再利用且能夠拆解，則整體拆下，再將其精細拆解成子裝配體或零件。拆解下的總成或子裝配體如果具備再使用或再制造重用性，則將其質量計入MD中，不再進一步拆解；若不具備，則應拆解到零件層后，再根據不同材料的回收性能確定各零件的拆解階段。

若不可再利用或無法拆解，則進入下一處理階段。

（3）金屬分離階段。為了獲取車上剩余的所有金屬（黑色金屬和有色金屬），在對整車實拆到該階段時，整車上大多數部件／總成和易拆解零件均已拆除，只剩下車身本體焊接總成和少量無法拆解、拆解成本過高的零件。該階段將舊車剩余體，送入切碎機系統流水線，先壓扁，然后在多刃旋轉切碎裝置上切成碎塊［9］，并通過各級分選裝置得到金屬類、塑料類和其他類材料碎片。MM即為經過此過程后得到的金屬類材料的質量。

（4）非金屬殘余物處理階段。主要完成在整車預處理、拆解和金屬分離階段后殘存的非金屬殘余物處理。

2 面向RRR計算的汽車回收信息模型

2.1 汽車回收信息模型

汽車產品零部件眾多，從功能結構看，由發動機、底盤、車身、電氣設備4部分組成。從拆解角度，則可劃分為整車油液、危險部件、功能部件、白車身、連接件、內飾等部分。

為了表達汽車產品的結構，描述整車BOM中的零部件信息，應建立面向RRR計算的汽車回收信息模型。由于汽車產品由眾多零部件組成，因此首先進行零部件的信息建模。

汽車回收信息模型中的零部件信息子模型是對零件設計、拆解以及回收過程中所需信息的集成，可劃分為零部件的結構信息、拆解信息和材料信息3種，每種信息又包含多個子信息元。為了方便表述，采用基于集合的概念，并用3元組建立零部件信息子模型，即

其中，pis為第i個零部件結構元；pid為第i個零部件拆解元；pim為第i個零部件材料元。

pis包括零部件號、零部件名稱、車型號及所屬部件號，用于標記、查找零部件在整車中的位置和結構。

pid包括零部件所屬階段及零部件拆解質量，用于記錄每個零部件在拆解過程中所屬的階段和拆解后的實際質量。

pim包括零部件材料組成及質量、材料物質組成及材料再生性能，用于判斷材料回收利用性能，確定材料的所屬階段。

通過零部件信息子模型，建立汽車回收信息模型。用集合V表示為：

其中，P為零部件集合，P＝｛Pi，i≤n｝；D為拆解信息集合，D＝｛pid，i≤n｝；M為材料集合，M＝｛pim，i≤n｝；pd：P?D，表示零部件集合與拆解信息集合的映射關系；pm：P?M，表示零部件集合與材料集合的映射關系；n為零件總數。

2.2 汽車回收信息模型的實現

面向汽車產品RRR計算的汽車回收信息模型，是一個支持汽車產品RRR計算，并能完整存儲零部件結構信息、拆解信息和材料信息的模型。信息模型的表達，在拓撲上可分為圖結構與樹結構2種［10］。對于面向RRR計算的汽車回收信息模型表達，可以使用分層多叉樹結構，其結構清晰、易于維護。用樹狀圖T來表示汽車回收信息模型為：

其中，C′為樹上結點集合，C′＝｛Nij｜i≤l，j＜si｝。樹上的每個結點均表示汽車產品中的一個零部件，根結點表示整車，葉子結點表示零件，Nij表示樹自上而下第i層，自左至右第j個結點；R為結點關系集合，R＝｛Rij→i′j′｜i，i′≤l；j，j′＜si｝，R中包含了所有的結點間父子從屬關系信息，若結點Nij是Ni′j′的子節點，則必存在Nij到Ni′j′的結點關系Rij?i′j′∈R；F為零部件信息子模型集合，F＝｛Fi｜i＜M｝；c′f：C′?F，表示結點集合與零部件信息子模型集合的映射關系；l為樹的深度；si為第i層上的結點總數；M為零部件信息子模型數量。樹狀模型如圖2所示。

圖2 樹狀結構模型圖

3 數據采集與數據校核算法

整車進行RRR計算，除在整車拆解時收集零部件拆解元中包含的數據外，還需采集零部件的材料元信息。同時，由于數據采集過程中存在不確定性，所以在進行RRR計算前，應通過相應算法對數據進行校核與篩選。

3.1 材料元信息的采集

零部件材料元信息是汽車零部件子信息模型中的一項，包含零部件材料組成及質量信息、材料物質組成信息及材料再生性能信息。零部件材料信息用于判定材料的可回收性，確定零部件的所屬階段。

零部件材料信息主要通過供應鏈從供應商處獲取。目前，國內外汽車制造廠商多借助以下3種平臺或方法采集數據：①IMDS（International Material Data System）；② CAMDS（China Automotive Material Data System）；③ 定制表格。

3種平臺或方法雖各不相同，目的均是為了獲取零部件材料信息。汽車制造廠依據整車BOM，面向一級供應商采集數據，一級供應商則向二級供應商索取數據，如此逐級深入，最終得到整車零部件材料信息。

3.2 數據校核算法的實現

由于汽車產品零部件數量眾多，供應鏈較長，零部件結構深度大，數據采集內容繁雜且難度較大，因此，在數據采集過程中極易出現如下問題：①數據采集深度不夠，無法達到整車結構最底層即零件層；② 數據準確性不高，與整車拆解所得數據存在出入等現象。鑒于此，在進行RRR計算前，需要對整車數據進行校核以及篩選處理。

以圖2為例，所有結點組成集合C′，Nij表示第i層、左數第j個結點。樹中根結點N01表示某款汽車產品，以N11、N14為根結點的2棵子樹和N12、N132個葉子結點，表示整車中各總成和與其層次相同的零件（多為總成間的連接件）。其中，N11、N142棵子樹又為多叉樹，其葉子結點為零件，中間節點為部件［11］。

對整車進行RRR計算時，應優先從節點集合C′中選取可用于RRR計算的結點集合C＝｛Rij?i′j′?R｝，即葉子結點，如圖 2 中結點集合C＝｛N51、N52、N42、N43、N44、N45、N31、N32、N34、N35、N36、N38、N23、N12、N13｝。由于葉子結點沒有子結點，因此其表示由單一材料制成的零件。各零件質量依據拆解所屬階段和材料的再生性能計入不同階段質量中，最后依據不同階段質量，利用公式進行求解。

在實際計算時，由于以下原因，可不必或不能依據所有葉子結點進行計算：

（1）零部件信息采集深度不夠，不能得到整車所有葉子結點的數據。

（2）某些總成或部件具備整體可再利用性，無須精細拆解，其下所有零部件均可被認為可再利用。

因此，處理整車零部件數據時，應從底層結點開始，優先選擇葉子結點。遇到上述情況時，可采取“舍子取父”的原則，取其父節點數據，并舍棄該父節點的所有子孫。據此逐級向上，除結點N01外，對所有結點進行篩選，最終得到可用于RRR計算的結點集合C。算法流程如圖3所示。

圖3 數據處理流程圖

通過對整車零部件數據處理，得到可用于RRR計算的結點集合C＝｛Ni｜i＜s｝，其中Ni表示集合C中第i個結點，s表示集合中的結點總數。Ni包含5種屬性｝。則（1）式、（2）式可變形為（3）式進行RRR計算，得出該汽車產品的回收利用率，即

4 應用實例

以某汽車企業量產的某款汽車為例，對其進行了RRR計算。

（1）首先確定該款汽車RRR計算基準車型的配置，見表2所列。整備質量為1 100kg。

表2 基準車型基本配置表

（2）進行整車拆解并記錄相關拆解數據，確定該款汽車中屬于預處理階段、拆解階段和金屬分離階段的零部件及其質量。

（3）采集零部件材料信息，獲取剩余非金屬材料的回收性能，確定剩余非金屬材料中可用于材料回收的零部件及其質量，以及用于能量回收的零部件及其質量。

（4）通過數據校核算法，檢驗整車零部件數據，確定可用于RRR計算的結點集合C，并對集合C中所有結點的5種屬性分別求和，則可得到RRR計算的中間過程數據，見表3所列。

表3 RRR計算的中間過程數據 kg

因此，根據（3）式、（4）式可得，Rcyc＝88.6%，Rcov＝91.7%。

以上數據證明，該款汽車基準車型能夠達到文獻［4］中規定的第2階段目標，說明該款汽車其他車型的可回收利用率均能夠達到或超過此值。

5 結束語

本文說明了RRR計算的實施方法，確定了RRR計算中的整車拆解流程，建立并實現了面向RRR計算的汽車回收信息模型，并說明了信息模型中零部件材料數據的采集方法和數據不確定情況下的數據校核算法，驗證了該方法的可行性，并計算出該車的可再利用率和可回收利用率。

［1］ 黃少華.中國汽車保有量躍居全球第二：災難還是良機？［N］.中國青年報，2011－09－01（01）.

［2］ 儲江偉，高延齡.汽車再生工程［M］.北京：人民交通出版社，2007：7－9.

［3］ European Parliament and the Council of the European union.Directive 2005／64／EC on the type－approval of motor vehicles with regard to their reusability，recyclability and recoverability and amending Council Directive 70／156／EEC［S］.

［4］ 中華人民共和國環境保護部.汽車產品回收利用技術政策［EB／OL］.［2006－02－06］.http：／／kjs.mep.gov.cn／hjbhbz／bzwb／wrfzjszc／200611／t20061120－96237.htm.

［5］ CNCA－02C－023：2008，機動車輛類（汽車產品）強制性認證實施規則［S］.

［6］ GB／T 19515－2004，道路車輛可再利用性和可回收利用性計算方法［S］.

［7］ ISO 22628：2002，Road vehicle－Recyclability and recoverability－Calculation method［S］.

［8］ 方海峰.面向循環經濟的汽車產品回收利用若干問題研究［D］.長沙：湖南大學，2009.

［9］ 宋 玉，趙由才.廢汽車回收處理技術的研究進展［J］.有色冶金設計與研究，2007，28（23）：103－108.

［10］ 陳 璐，蔣丹東，蔡建國.可拆卸性設計中的面向對象建模技術研究［J］.中國機械工程，2000，11（9）：987－991.

［11］ 胡 迪，劉志峰，張 雷.PRO／E二次開發實現產品拆卸仿真［J］.合肥工業大學學報：自然科學版，2009，32（1）：109－111，141.