廢舊汽車智能拆解技術研究進展＊

沈智超，詹 路， ，謝 冰，許振明

（1.華東師范大學生態與環境科學學院，上海 200241；2.上海交通大學環境科學與工程學院，上海 200240）

1 引言

近些年，我國汽車行業的發展態勢飛速上升。自2009 年來，我國汽車的產銷量一直保持在全球第一。2018 年，汽車保有量已經增加至2.4 億，同比增長10.5%［1］。廢舊汽車數量同汽車保有量呈正相關，隨著汽車不斷報廢更新，廢舊汽車的數量快速上升。同時，在產業政策方面，政府對機動車污染物也有了越來越嚴厲的限排政策。其中有關輕型汽車和重型柴油車的“國家第六階段機動車污染物排放標準”自2019 年7 月1 日起相繼實施。這些機動車污染物的治理加速了汽車產業的更新換代，從而為廢舊汽車拆解企業提供了新的市場增量，極大地助推了廢舊汽車相關拆解回收產業的升級。結合上述我國汽車的產銷量、相關產業政策及其他因素，預計2022 年我國的汽車報廢數量會增長至2 450 萬輛［2］。而拆解回收相關市場體量方面，預計2022 年我國拆解回收相關市場規模會達到1 750 億元［2］，可見我國廢舊汽車拆解回收產業的市場和前景十分可觀。

2 廢舊汽車智能拆解的必要性

廢舊汽車本身是一座城市礦產，蘊含大量的鋼鐵、有色金屬、塑料、橡膠等可再生資源。同時，雖然廢舊汽車整車已作報廢處理，但是部分零部件可經再制造處理后再次利用。以小轎車為例，汽車主要拆解產品和危險廢物明細見表1。

表1 廢舊小轎車拆解產品及危險廢物明細

由表1 可知，汽車拆解產品中有價值產品品類豐富，但同時廢舊汽車的危險廢物也種類繁多，不當的拆解方式會造成環境的污染。吳彥瑜等［3］分析了廢舊汽車人工拆解區域土壤的重金屬含量，其中鉛、鋅、銅含量嚴重超標，其平均含量分別為背景值的17.9、17.0、16.5 倍，同時鉻、鎳、砷的濃度也分別超出了背景值的4.6、4.2、5.9 倍，主要是人工拆解流程不穩定、拆解不規范、拆解工人環保意識不足等原因導致了廢舊電池、含汞燈具等含重金屬的零配件對土壤造成污染。同理，人工拆解對汽車制冷劑和油液的不當處理，也會造成大氣和水環境的污染。相較于人工拆解，智能拆解可極大地提高拆解效率，完成高精度的拆解任務以提高拆解產品品質及產品的穩定性，提高資源分類效率及精準度，減少人力成本和費用，也可以減少易燃易爆物質對拆解工人造成的職業傷害。所以發展智能拆解技術已經成為未來趨勢。而精準辨析分類廢舊汽車的低中高值資源，調控拆解過程的綜合能耗，控制拆解污染物的釋放是整個汽車智能拆解問題的核心。具體細分為精準識別、干涉判別、無損拆卸、能耗評估、環境負荷、人工需求等問題。目前國內外主要從廢舊汽車信息回收系統、拆解理論和拆解工藝3 個方向，以軟、硬件結合的形式進行研究。智能拆解技術的發展不僅可以提高拆解效率，控制污染物的擴散，同時可以節約不可再生資源、提高現有資源利用率，形成資源循環利用的新途徑，從而進一步推進汽車產業的可持續發展。

3 國內外汽車拆解與回收利用的研究現狀

3.1 廢舊汽車拆解信息回收系統研究

廢舊汽車信息回收系統對拆解目標信息的收集是整個拆解過程的前提條件。在對廢舊汽車進行拆解之前，對整車及零部件的信息收集至關重要。輔助先進的信息回收系統可以較為全面地了解廢舊汽車各方面信息（各組件的結構位置、回收價值和回收途徑），為之后拆解序列及拆解工藝等的選擇進行指導。

國外汽車制造廠商和中國汽車技術研究中心都相繼開發出了不同的信息回收系統，詳細信息見表2。

表2 國內外各汽車拆解信息回收系統明細

由于國外的汽車工業發展較早，現階段已經發展得十分完善，包括廢舊汽車的拆解產業也已經發展成熟。其中，國外汽車制造廠商為了滿足不同國家的拆解回收法規聯合開發了國際車輛拆解信息系統（IDIS） 和國際材料數據系統（IMDS），但是這些系統只能在一定程度上符合我國國情。我國存在大量本土化車型，而相關數據并沒有被IDIS 和IMDS 收錄，所以我國需要契合市場現狀的信息回收系統。近年來中國汽車技術研究中心相繼開發出了中國綠色汽車拆解系統（CAGDS） 和中國汽車材料數據系統（CAMDS）。與IDIS 和IMDS 不同的是，這些系統由官方研究機構主導開發，可以更好地在總體層面上把控數據收集。但是由于開發成本等問題，在服務初期這些平臺對用戶進行收費，極大地制約了用戶數量的增加和整個平臺規模的擴大。總體來看我國信息回收系統雖在規模上遜色于國外，但極大程度上滿足了我國拆解行業的發展需求。

另一方面，相關拆解協會完善補充了拆解信息獲取渠道。以美國為例，美國本土有大量與汽車拆解回收相關的協會，以這些協會為紐帶，汽車產業的上、下游企業和回收企業間可以更好地進行信息共享，使整個行業向產業化、標準化、規模化的方向發展。其中美國報廢汽車回收拆解行業協會（ARA） 是全球知名的廢舊汽車拆解回收方面的協會，它擁有廢舊汽車拆解回收方面最新政策的解讀以及全球領先的拆解回收技術［6］；美國汽車零部件再制造協會（APAR） 是一個與廢舊汽車零部件再制造相關的協會，它有著世界領先的汽車零部件再制造技術和相關的行業標準［7］。我國再生資源回收利用協會的報廢車回收拆解與再利用分會也起到了相似作用。上述及其他相關協會使得汽車行業的供應商、運營商以及回收企業之間交流更加便利，為拆解企業的運營提供了政策解讀、汽車信息、拆解手段等支持，使整個產業鏈更加完善。

3.2 廢舊汽車拆解理論研究

拆解理論是整個拆解過程的理論依據，其研究不僅僅局限于汽車拆解理論，而是適用于各類產品的拆解，主要包括：可拆解性解析、拆解操作解析、拆解時間的控制、拆解序列的規劃、拆解工具的適配與其運動路徑優化、自動拆解程序的生成和拆解性評價等。其中以非破壞性拆解設計、拆解序列的規劃和可拆解性評價等方面的研究較為深入。

3.2.1 國外廢舊汽車拆解理論研究

國外多年前就已經開展拆解理論及相關研究，且已經取得了較為豐碩的成果。首先從產品的全周期研究開始，Alting 等［8］首先將生命周期帶入了整個拆卸過程中，提出整個拆解過程是宏觀的，拆解為一個生命周期的全過程，不要拆分整個拆解過程。之后Kim 等［9］表明了拆解性能和提升產品生命周期的環境性能密不可分。在拆解前，Seo等［10］使用蟻群算法計算了拆解過程的經濟效益。Desai 等［11］為了在大規模生產中進行拆解設計，對可拆卸性進行了評估。Ferr?o 等［12］探究了拆卸系統，對拆解困難系統進行分析和評估。Huang 等［13］通過探究可拆解性，研究了拆解過程中各組分的零部件，在拆解序列問題上使用神經網絡的手段去優化。生命周期的引入使得拆解理論研究不僅僅局限于特定條件，有益于拆解過程的宏觀考量。

在拆解序列的規劃方面，Failli 等［14］最先將蟻群算法用于改進廢棄產品拆解線的工藝順序規劃，之后又陸續使用了遺傳算法、集合粒子群優化算法、模擬退火算法來對拆解順序規劃問題進行改進，并且制作了專業的拆解仿真軟件［15］，其中零件拆卸的難易等級由其拆卸參數來確定，根據這些指標設計人員也可對其結構設計進行修改。Mc-Glothlin 等［16］通過構建系統給出了一種多目標優化的方法，探究了拆解序列問題，可以最快獲得最優拆解序列。Tonko 等［17］也給出了基于神經網絡的拆解序列分析方法。Moore 等［18］通過Petri 網的方法給出了拆解過程中繁冗的產品規劃問題的解。McGovern 等［19］通過構建模型，并在此模型的基礎上使用了立體跟蹤技術，得出了更優的拆解序列。之后McGovern等［20-21］又使用了神經網絡、0-1 整數規劃模型探究了拆解序列規劃問題。

拆解時間和經濟效益是拆解序列規劃的兩個重要指標。經濟效益無法提高的情況下，要求盡量縮短拆解時間，以提高拆解效率。Kang 等［22］探究了拆解序列的操作時間，最后得出了新的操作方法。而Kondo 等［23］探究了拆解時間這個因素，給出了一種可逆性和部分連接資源的減少拆解時間的方法。

3.2.2 我國廢舊汽車拆解理論研究

近年來我國不斷重視汽車的拆解回收產業，在理論研究方面也取得了一定進展。

首先關于可拆解性評價方面，儲江偉等［24］給出了一種關于拆解時間概率的成品可拆解性的評估途徑，給出了關于可拆解度的定義，并提出了其表達方式。金曉紅［25］基于拆解過程中的隨機性，給出了以概率論為基礎的評估汽車回收拆解體系的途徑。田廣東等［26］給出了可拆解度、拆解概率密度和拆解率之間的關系，找到了零部件的拆解分布及規律。趙樹恩等［27］經過廢舊汽車可拆卸性方向的討論，給出了針對汽車回收再利用及可拆解性設想的基本規則。于嘉鵬等［28］構建了擴展干涉矩陣模型和轉折式干涉矩陣模型，豐富了拆解方向的多樣性和可變性。其次，拆解序列研究是我國理論研究的重點。潘曉勇等［29］先構建了裝配模型，繼而給出了生成基于割集的拆卸序列的途徑。郭偉祥等［30］給出了一種基于模塊化思想的拆解序列的生成方法，來處理拆解序列產生途徑中的組合爆炸弊端。劉志峰等［31］以最低更換拆解工具的次數為前提，使產品的拆解序列問題轉變為了基于貪婪算法求解的問題。張秀芬等［32］通過建立一類產品拆解賦權混合圖模型，將拆解序列問題轉變為圖模型尋優問題，再運用粒子群算法找到復雜產品的最優拆解序列。之后張秀芬等［33］以自低向上的思想為基礎給出了一種拆解混合圖和粒子群算法相加的途徑，可以快速求解產品的拆解序列。章小紅等［34］利用蟻群算法對產品序列規劃進行了系列研究，并表明了此算法的可行性和優勢。閆利軍等［35］構建了一種基于多色集理論的拆解模型，提出了多色集遞階結構圖表示的拆解序列。孟憲剛等［36］使用了一類以模糊數Petri 網為基礎方式的途徑來進行拆解序列的設計計算。胡迪［37］構建了“零件-聯接關系”的模型，提出了不確定性的拆卸規劃，在拆卸序列不確定的情況下，使用貪婪算法進行了拆卸規劃。

關于其他研究方向，張秀芬等［38］建立了基于聯接元的復雜產品拆解模型，來解決以往可拆解設計中的模型構建困難和效率低下的問題。楊春嶺［39］以構建一個廢舊汽車拆解網站的原型系統，實現廢舊汽車拆解的網絡化。張秀芬等［40］給出了可拆解單元圖譜建立和演化方法來解決拆解分析模型的快速改變映射的問題。劉志峰等［41］關于成品零部件中可拆解連接構造改進的方式，給出了發明問題解決理論（TRIZ） 物- 場分析原理同TRIZ 沖突解決原理相結合的方法。陳楊［42］利用圖論法快速進行了拆解工藝路線排序，并在層次分析其順序的基礎上給出了評價方法。

相較而言，國外的拆解理論研究開展較早，研究方向較為廣泛，極大地幫助了其拆解產業的發展。而我國起步較晚，還停留在概念和基礎理論研究方面，且研究方向單一，實用性不高。另一方面，國內外相關單個因子的理論研究繁多，缺乏多因子綜合或者統一的解決方案研究。

3.3 廢舊汽車拆解工藝研究

拆解工藝及設備是整個拆解過程的技術支撐，針對不同車型的不同拆解工序還應適配相應的智能化拆解線、拆解平臺以及拆解裝置。一般情況下的廢舊汽車拆解工藝流程見圖1［43］。根據作業方式不同，汽車拆解作業可分為流水線拆解和定位式拆解。

圖1 廢舊汽車拆解一般工藝流程

國外目前多以定位式拆解為主，定位式拆解主要是在單個或少數幾個工位上完成拆解流程。其資源利用率高、占地面積小。并且國外對智能化拆解設備的開發較為領先，率先將集成各式傳感器和末端執行器的機器人用于汽車拆解。其中，Buker 等［44］開發了一套用于車輪柔性拆解的自動化拆解系統。此系統基于3D 攝像機，通過攝像機識別和定位汽車的輪轂螺母，可以達到不同類型車輪的柔性拆解。Tonko 等［45］針對汽車發動機艙的拆解問題，將機器人與視覺傳感器相結合，實現了發動機艙的自動化拆解。Zuo 等［46］開發了適用于不同螺母拆解的末端執行器，以壓痕螺釘的形式解決了拆解對象的幾何不確定性問題。國外人員圍繞機器人傳感器和末端執行器的開發，使得其自動化拆解程度越來越高，也可達到同一批次不同車輛的柔性拆解。

而我國廢舊汽車拆解量日益增多，流水線式拆解逐漸變成我國主要的拆解方式。根據不同的車輛運輸方式可將流水線分為地面式拆解線、懸掛式拆解線和地空混合拆解線。具體區別和優缺點可見表3。近年來我國拆解行業也誕生了很多新的拆解線和拆解設備。其中汪新華等［47］發明了一種集環保處理、車身拆解、發動機總成拆解于一體的地面式拆解線。首先環保預處理線由兩條平行環形雙軌負載小車實現輸送功能，集拆解工位與油液抽取平臺于一體。之后連接車身拆解板鏈線，并且再由軌道輸送小車連接后方的發動機來到總成拆解平臺。該拆解線提高了輸送效率，實現了拆解實時分類。而張正龍［48］發明的地空混合拆解線，集小產量和高自動化為一體。主要由分別承載環保預處理功能、板鏈拆解功能、外殼壓縮功能、懸空運輸功能的4 條拆解線組成。其中廢舊汽車導入工位和預處理線間，板鏈拆解線和車殼壓扁打包線間由自行懸掛輸送（EMS） 小車連接運輸。該拆解線的配置合理，實現了各工位的有效鏈接，提高了拆解效率。而平臺設計中，許開華等［49］公開了一種用于汽車拆解的小型傳送平臺。該平臺由機架、傳動軸、傳送軸、電機、框架、升降氣缸以及攔料板等構成。該平臺運輸拆解件的數量相對有所提升，且自動化程度較高、噪聲小。在拆解設備方面，徐觀等［50］設計了一套保險杠自動拆解系統。此系統為液壓式，主要由拆解臺橫、縱向導軌平臺，兩個拆解單元和兩個縱向液壓缸組成。該系統用較少的投資成本提供了高自由度、易操作的廢舊汽車保險杠的拆解方案。

表3 廢舊汽車流水線式拆解方式分類

我國的工藝設備在一定程度上解決了實際拆解過程中所面臨的問題，基本上達到了半自動化的拆解水平。但是，我國還沒有機器人相關傳感器和末端執行器的開發，在完全自動化方面與發達國家還有著不小的差距。而國內外均在環保預處理方面缺乏關注，缺少相關智能設備開發和應用。

4 結束語

我國廢舊汽車智能拆解需要拆解信息回收系統、拆解理論和拆解工藝三者協調發展。我國在拆解信息回收系統方面已有一定的基礎，但由于開發成本等問題，這些平臺在使用初期都要對用戶進行收費，并且汽車產業上、下游企業以及同行間由于一些原因不能很好地進行信息共享。這些原因都在一定程度上限制了信息回收系統規模的進一步擴大。國家應該在政策上給予支持，擴大平臺規模，使拆解產業鏈上、下游企業能更好地合作。

國內外對于廢舊汽車的拆解序列優化算法研究較多，也發展得相對完善，但在某些方面仍有所欠缺：①針對單一條件，拆解序列規劃基本有了與之對應的序列算法，但是不能得到一個可以兼顧各種拆解條件的一般方法或者最優序列；②對于拆解線的規劃都只考慮了單條拆解線的規模，而單條拆解線不符合實際拆解情況，會有一系列問題，例如，單條拆解線所負載的工作站任務單一、各拆解動作會受到相當大的限制，且每個零部件的拆解時間、拆解工具的切換，流水線循環周期等不能高效地銜接。這樣在一個拆解周期內，各單位的工作時間不能高效地銜接和互補，使得固定周期內的生產時間沒有被充分利用，會出現拆解效率低下等問題。

我國在拆解工藝方面也在不停地升級換代，越來越多的高級拆解設備和拆解線不斷被研發出來且投入使用。但是，目前的拆解設備更多的是關注機器的自動化程度和整個拆解過程所得到的經濟效益。廢舊汽車本身所含有的污染物，以及拆解過程中污染物的遷移擴散過程并沒有得到充分關注。其中，安全氣囊、電池、廢礦物油、廢潤滑油等物質處理不當會對環境造成相當大的危害。拆解設備應針對汽車拆解過程中會產生的污染物進行針對性設計，以確保整個拆解過程在綠色環保的管控下進行。