基于汽车产品回收信息模型的RRR计算

凌 波， 刘光复， 张 雷， 李玉刚

（合肥工业大学 机 械与汽车工程学院，安徽 合 肥 230009）

目前我国汽车保有量约为7 800万辆，为世界第2大汽车拥有国［1］。按照每年大约7%的报废量，我国每年将有550万辆左右的汽车需要报废，且该数字仍将不断增长［2］。

欧盟已于2005年出台了2005／64／EC法规，即RRR（Reuse，Recycle，Recovery，简称RRR）指令，规定所有进入欧盟市场的M1和N1型汽车在进行整车型式认证时，必须满足其RRR要求［3］。文献［4］对汽车整车的可回收率、可再利用率标准的执行提出了明确的时间表。文献［5］修订并实施了机动车辆类（汽车产品）强制性认证实施规则，明确规定了新认证汽车和挂车应按照我国标准规定的方法［6］进行相关计算。

本文在研究国外汽车产品计算标准［7］的基础上，研究了我国标准规定的RRR计算方法和实施流程，建立了面向RRR计算的汽车产品回收信息模型，结合RRR计算中数据采集不确定性的问题，提出了相应的数据校核算法。

1 RRR计算

RRR计算中的Reuse即再使用，是指对报废车辆零部件进行的任何针对其设计目的的使用；Recycle即再利用，是指经过对废料的再加工处理，使之能够满足其原来的使用要求，或者用于其他用途，不包括使其产生能量的处理过程；Recovery即回收利用，是指经过对废料的再加工处理，使之能够满足其原来的使用要求或者用于其他用途，包括使其产生能量的处理过程。三者间的关系如图1所示。

图1 Reuse、Recycle、Recovery关系

1.1 RRR计算基准车型的确定

RRR计算的基准车型是指隶属于同款汽车但采用不同配置的车型中，可导致RRR计算结果最差的那一型汽车。若基准车型的RRR计算结果达到相关法规值，则可认为该车型系列产品的RRR计算结果均高于此值。

目前，对于RRR计算基准车型的定义并无相关法规出台。根据正在拟定中的《汽车禁用物质和可回收利用率管理》规定，以及我国相关主管部门和汽车制造商对基准车型达成的共识，一致定义为：最小的发动机，最小的手动变速箱；无备胎，无拖钩；标准驱动（无四驱）；3厢车身；皮革内饰；无选装件。

1.2 RRR计算方法

RRR计算的目标是得出整车的可再利用率Rcyc和可回收利用率Rcov，它们分别表示新车中能够被再使用及再利用部分占车辆质量的百分比和新车中能够被回收利用部分占车辆质量的百分比［6－7］，即

其中，MP为预处理阶段质量；MD为拆解阶段质量；MM为金属分离阶段质量；MTr为非金属残余物处理阶段中被认为是可再利用的材料质量；MTe为非金属残余物处理阶段中用于能量回收的材料质量；MV为整车质量。

等式右侧变量的值是对整车拆解后，统计出的属于不同拆解阶段的零部件总质量。

1.3 面向RRR计算的整车拆解工艺流程

对于用作材料回收使用的零部件的可回收利用性的判定，见表1所列［8］。

表1 汽车材料可回收利用性的判定准则

（1）预处理阶段。拆解、释放或者收集车上所有液体、蓄电池、机油滤清器、液化石油气（LPG）罐、压缩天然气（CNG）罐、轮胎、安全气囊、催化转换器等，其质量计入MP中。

（2）零部件拆解阶段。以BOM中各总成／部件为单位，遵循“先易后难、从外到内、由总成到部件、由部件到零件”的原则进行，先评估其可拆解性和可再利用性。

若可再利用且能够拆解，则整体拆下，再将其精细拆解成子装配体或零件。拆解下的总成或子装配体如果具备再使用或再制造重用性，则将其质量计入MD中，不再进一步拆解；若不具备，则应拆解到零件层后，再根据不同材料的回收性能确定各零件的拆解阶段。

若不可再利用或无法拆解，则进入下一处理阶段。

（3）金属分离阶段。为了获取车上剩余的所有金属（黑色金属和有色金属），在对整车实拆到该阶段时，整车上大多数部件／总成和易拆解零件均已拆除，只剩下车身本体焊接总成和少量无法拆解、拆解成本过高的零件。该阶段将旧车剩余体，送入切碎机系统流水线，先压扁，然后在多刃旋转切碎装置上切成碎块［9］，并通过各级分选装置得到金属类、塑料类和其他类材料碎片。MM即为经过此过程后得到的金属类材料的质量。

（4）非金属残余物处理阶段。主要完成在整车预处理、拆解和金属分离阶段后残存的非金属残余物处理。

2 面向RRR计算的汽车回收信息模型

2.1 汽车回收信息模型

汽车产品零部件众多，从功能结构看，由发动机、底盘、车身、电气设备4部分组成。从拆解角度，则可划分为整车油液、危险部件、功能部件、白车身、连接件、内饰等部分。

为了表达汽车产品的结构，描述整车BOM中的零部件信息，应建立面向RRR计算的汽车回收信息模型。由于汽车产品由众多零部件组成，因此首先进行零部件的信息建模。

汽车回收信息模型中的零部件信息子模型是对零件设计、拆解以及回收过程中所需信息的集成，可划分为零部件的结构信息、拆解信息和材料信息3种，每种信息又包含多个子信息元。为了方便表述，采用基于集合的概念，并用3元组建立零部件信息子模型，即

其中，pis为第i个零部件结构元；pid为第i个零部件拆解元；pim为第i个零部件材料元。

pis包括零部件号、零部件名称、车型号及所属部件号，用于标记、查找零部件在整车中的位置和结构。

pid包括零部件所属阶段及零部件拆解质量，用于记录每个零部件在拆解过程中所属的阶段和拆解后的实际质量。

pim包括零部件材料组成及质量、材料物质组成及材料再生性能，用于判断材料回收利用性能，确定材料的所属阶段。

通过零部件信息子模型，建立汽车回收信息模型。用集合V表示为：

其中，P为零部件集合，P＝｛Pi，i≤n｝；D为拆解信息集合，D＝｛pid，i≤n｝；M为材料集合，M＝｛pim，i≤n｝；pd：P↔D，表示零部件集合与拆解信息集合的映射关系；pm：P↔M，表示零部件集合与材料集合的映射关系；n为零件总数。

2.2 汽车回收信息模型的实现

面向汽车产品RRR计算的汽车回收信息模型，是一个支持汽车产品RRR计算，并能完整存储零部件结构信息、拆解信息和材料信息的模型。信息模型的表达，在拓扑上可分为图结构与树结构2种［10］。对于面向RRR计算的汽车回收信息模型表达，可以使用分层多叉树结构，其结构清晰、易于维护。用树状图T来表示汽车回收信息模型为：

其中，C′为树上结点集合，C′＝｛Nij｜i≤l，j＜si｝。树上的每个结点均表示汽车产品中的一个零部件，根结点表示整车，叶子结点表示零件，Nij表示树自上而下第i层，自左至右第j个结点；R为结点关系集合，R＝｛Rij→i′j′｜i，i′≤l；j，j′＜si｝，R中包含了所有的结点间父子从属关系信息，若结点Nij是Ni′j′的子节点，则必存在Nij到Ni′j′的结点关系Rij↔i′j′∈R；F为零部件信息子模型集合，F＝｛Fi｜i＜M｝；c′f：C′↔F，表示结点集合与零部件信息子模型集合的映射关系；l为树的深度；si为第i层上的结点总数；M为零部件信息子模型数量。树状模型如图2所示。

图2 树状结构模型图

3 数据采集与数据校核算法

整车进行RRR计算，除在整车拆解时收集零部件拆解元中包含的数据外，还需采集零部件的材料元信息。同时，由于数据采集过程中存在不确定性，所以在进行RRR计算前，应通过相应算法对数据进行校核与筛选。

3.1 材料元信息的采集

零部件材料元信息是汽车零部件子信息模型中的一项，包含零部件材料组成及质量信息、材料物质组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，确定零部件的所属阶段。

零部件材料信息主要通过供应链从供应商处获取。目前，国内外汽车制造厂商多借助以下3种平台或方法采集数据：①IMDS（International Material Data System）；② CAMDS（China Automotive Material Data System）；③ 定制表格。

3种平台或方法虽各不相同，目的均是为了获取零部件材料信息。汽车制造厂依据整车BOM，面向一级供应商采集数据，一级供应商则向二级供应商索取数据，如此逐级深入，最终得到整车零部件材料信息。

3.2 数据校核算法的实现

由于汽车产品零部件数量众多，供应链较长，零部件结构深度大，数据采集内容繁杂且难度较大，因此，在数据采集过程中极易出现如下问题：①数据采集深度不够，无法达到整车结构最底层即零件层；② 数据准确性不高，与整车拆解所得数据存在出入等现象。鉴于此，在进行RRR计算前，需要对整车数据进行校核以及筛选处理。

以图2为例，所有结点组成集合C′，Nij表示第i层、左数第j个结点。树中根结点N01表示某款汽车产品，以N11、N14为根结点的2棵子树和N12、N132个叶子结点，表示整车中各总成和与其层次相同的零件（多为总成间的连接件）。其中，N11、N142棵子树又为多叉树，其叶子结点为零件，中间节点为部件［11］。

对整车进行RRR计算时，应优先从节点集合C′中选取可用于RRR计算的结点集合C＝｛Rij↔i′j′⊂R｝，即叶子结点，如图 2 中结点集合C＝｛N51、N52、N42、N43、N44、N45、N31、N32、N34、N35、N36、N38、N23、N12、N13｝。由于叶子结点没有子结点，因此其表示由单一材料制成的零件。各零件质量依据拆解所属阶段和材料的再生性能计入不同阶段质量中，最后依据不同阶段质量，利用公式进行求解。

在实际计算时，由于以下原因，可不必或不能依据所有叶子结点进行计算：

（1）零部件信息采集深度不够，不能得到整车所有叶子结点的数据。

（2）某些总成或部件具备整体可再利用性，无须精细拆解，其下所有零部件均可被认为可再利用。

因此，处理整车零部件数据时，应从底层结点开始，优先选择叶子结点。遇到上述情况时，可采取“舍子取父”的原则，取其父节点数据，并舍弃该父节点的所有子孙。据此逐级向上，除结点N01外，对所有结点进行筛选，最终得到可用于RRR计算的结点集合C。算法流程如图3所示。

图3 数据处理流程图

通过对整车零部件数据处理，得到可用于RRR计算的结点集合C＝｛Ni｜i＜s｝，其中Ni表示集合C中第i个结点，s表示集合中的结点总数。Ni包含5种属性｝。则（1）式、（2）式可变形为（3）式进行RRR计算，得出该汽车产品的回收利用率，即

4 应用实例

以某汽车企业量产的某款汽车为例，对其进行了RRR计算。

（1）首先确定该款汽车RRR计算基准车型的配置，见表2所列。整备质量为1 100kg。

表2 基准车型基本配置表

（2）进行整车拆解并记录相关拆解数据，确定该款汽车中属于预处理阶段、拆解阶段和金属分离阶段的零部件及其质量。

（3）采集零部件材料信息，获取剩余非金属材料的回收性能，确定剩余非金属材料中可用于材料回收的零部件及其质量，以及用于能量回收的零部件及其质量。

（4）通过数据校核算法，检验整车零部件数据，确定可用于RRR计算的结点集合C，并对集合C中所有结点的5种属性分别求和，则可得到RRR计算的中间过程数据，见表3所列。

表3 RRR计算的中间过程数据 kg

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

以上数据证明，该款汽车基准车型能够达到文献［4］中规定的第2阶段目标，说明该款汽车其他车型的可回收利用率均能够达到或超过此值。

5 结束语

本文说明了RRR计算的实施方法，确定了RRR计算中的整车拆解流程，建立并实现了面向RRR计算的汽车回收信息模型，并说明了信息模型中零部件材料数据的采集方法和数据不确定情况下的数据校核算法，验证了该方法的可行性，并计算出该车的可再利用率和可回收利用率。

［1］ 黄少华.中国汽车保有量跃居全球第二：灾难还是良机？［N］.中国青年报，2011－09－01（01）.

［2］ 储江伟，高延龄.汽车再生工程［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］ 中华人民共和国环境保护部.汽车产品回收利用技术政策［EB／OL］.［2006－02－06］.http：／／kjs.mep.gov.cn／hjbhbz／bzwb／wrfzjszc／200611／t20061120－96237.htm.

［5］ CNCA－02C－023：2008，机动车辆类（汽车产品）强制性认证实施规则［S］.

［6］ GB／T 19515－2004，道路车辆可再利用性和可回收利用性计算方法［S］.

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

［8］ 方海峰.面向循环经济的汽车产品回收利用若干问题研究［D］.长沙：湖南大学，2009.

［9］ 宋 玉，赵由才.废汽车回收处理技术的研究进展［J］.有色冶金设计与研究，2007，28（23）：103－108.

［10］ 陈 璐，蒋丹东，蔡建国.可拆卸性设计中的面向对象建模技术研究［J］.中国机械工程，2000，11（9）：987－991.

［11］ 胡 迪，刘志峰，张 雷.PRO／E二次开发实现产品拆卸仿真［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2009，32（1）：109－111，141.