废旧汽车智能拆解技术研究进展＊

沈智超，詹 路， ，谢 冰，许振明

（1.华东师范大学生态与环境科学学院，上海 200241；2.上海交通大学环境科学与工程学院，上海 200240）

1 引言

近些年，我国汽车行业的发展态势飞速上升。自2009 年来，我国汽车的产销量一直保持在全球第一。2018 年，汽车保有量已经增加至2.4 亿，同比增长10.5%［1］。废旧汽车数量同汽车保有量呈正相关，随着汽车不断报废更新，废旧汽车的数量快速上升。同时，在产业政策方面，政府对机动车污染物也有了越来越严厉的限排政策。其中有关轻型汽车和重型柴油车的“国家第六阶段机动车污染物排放标准”自2019 年7 月1 日起相继实施。这些机动车污染物的治理加速了汽车产业的更新换代，从而为废旧汽车拆解企业提供了新的市场增量，极大地助推了废旧汽车相关拆解回收产业的升级。结合上述我国汽车的产销量、相关产业政策及其他因素，预计2022 年我国的汽车报废数量会增长至2 450 万辆［2］。而拆解回收相关市场体量方面，预计2022 年我国拆解回收相关市场规模会达到1 750 亿元［2］，可见我国废旧汽车拆解回收产业的市场和前景十分可观。

2 废旧汽车智能拆解的必要性

废旧汽车本身是一座城市矿产，蕴含大量的钢铁、有色金属、塑料、橡胶等可再生资源。同时，虽然废旧汽车整车已作报废处理，但是部分零部件可经再制造处理后再次利用。以小轿车为例，汽车主要拆解产品和危险废物明细见表1。

表1 废旧小轿车拆解产品及危险废物明细

由表1 可知，汽车拆解产品中有价值产品品类丰富，但同时废旧汽车的危险废物也种类繁多，不当的拆解方式会造成环境的污染。吴彦瑜等［3］分析了废旧汽车人工拆解区域土壤的重金属含量，其中铅、锌、铜含量严重超标，其平均含量分别为背景值的17.9、17.0、16.5 倍，同时铬、镍、砷的浓度也分别超出了背景值的4.6、4.2、5.9 倍，主要是人工拆解流程不稳定、拆解不规范、拆解工人环保意识不足等原因导致了废旧电池、含汞灯具等含重金属的零配件对土壤造成污染。同理，人工拆解对汽车制冷剂和油液的不当处理，也会造成大气和水环境的污染。相较于人工拆解，智能拆解可极大地提高拆解效率，完成高精度的拆解任务以提高拆解产品品质及产品的稳定性，提高资源分类效率及精准度，减少人力成本和费用，也可以减少易燃易爆物质对拆解工人造成的职业伤害。所以发展智能拆解技术已经成为未来趋势。而精准辨析分类废旧汽车的低中高值资源，调控拆解过程的综合能耗，控制拆解污染物的释放是整个汽车智能拆解问题的核心。具体细分为精准识别、干涉判别、无损拆卸、能耗评估、环境负荷、人工需求等问题。目前国内外主要从废旧汽车信息回收系统、拆解理论和拆解工艺3 个方向，以软、硬件结合的形式进行研究。智能拆解技术的发展不仅可以提高拆解效率，控制污染物的扩散，同时可以节约不可再生资源、提高现有资源利用率，形成资源循环利用的新途径，从而进一步推进汽车产业的可持续发展。

3 国内外汽车拆解与回收利用的研究现状

3.1 废旧汽车拆解信息回收系统研究

废旧汽车信息回收系统对拆解目标信息的收集是整个拆解过程的前提条件。在对废旧汽车进行拆解之前，对整车及零部件的信息收集至关重要。辅助先进的信息回收系统可以较为全面地了解废旧汽车各方面信息（各组件的结构位置、回收价值和回收途径），为之后拆解序列及拆解工艺等的选择进行指导。

国外汽车制造厂商和中国汽车技术研究中心都相继开发出了不同的信息回收系统，详细信息见表2。

表2 国内外各汽车拆解信息回收系统明细

由于国外的汽车工业发展较早，现阶段已经发展得十分完善，包括废旧汽车的拆解产业也已经发展成熟。其中，国外汽车制造厂商为了满足不同国家的拆解回收法规联合开发了国际车辆拆解信息系统（IDIS） 和国际材料数据系统（IMDS），但是这些系统只能在一定程度上符合我国国情。我国存在大量本土化车型，而相关数据并没有被IDIS 和IMDS 收录，所以我国需要契合市场现状的信息回收系统。近年来中国汽车技术研究中心相继开发出了中国绿色汽车拆解系统（CAGDS） 和中国汽车材料数据系统（CAMDS）。与IDIS 和IMDS 不同的是，这些系统由官方研究机构主导开发，可以更好地在总体层面上把控数据收集。但是由于开发成本等问题，在服务初期这些平台对用户进行收费，极大地制约了用户数量的增加和整个平台规模的扩大。总体来看我国信息回收系统虽在规模上逊色于国外，但极大程度上满足了我国拆解行业的发展需求。

另一方面，相关拆解协会完善补充了拆解信息获取渠道。以美国为例，美国本土有大量与汽车拆解回收相关的协会，以这些协会为纽带，汽车产业的上、下游企业和回收企业间可以更好地进行信息共享，使整个行业向产业化、标准化、规模化的方向发展。其中美国报废汽车回收拆解行业协会（ARA） 是全球知名的废旧汽车拆解回收方面的协会，它拥有废旧汽车拆解回收方面最新政策的解读以及全球领先的拆解回收技术［6］；美国汽车零部件再制造协会（APAR） 是一个与废旧汽车零部件再制造相关的协会，它有着世界领先的汽车零部件再制造技术和相关的行业标准［7］。我国再生资源回收利用协会的报废车回收拆解与再利用分会也起到了相似作用。上述及其他相关协会使得汽车行业的供应商、运营商以及回收企业之间交流更加便利，为拆解企业的运营提供了政策解读、汽车信息、拆解手段等支持，使整个产业链更加完善。

3.2 废旧汽车拆解理论研究

拆解理论是整个拆解过程的理论依据，其研究不仅仅局限于汽车拆解理论，而是适用于各类产品的拆解，主要包括：可拆解性解析、拆解操作解析、拆解时间的控制、拆解序列的规划、拆解工具的适配与其运动路径优化、自动拆解程序的生成和拆解性评价等。其中以非破坏性拆解设计、拆解序列的规划和可拆解性评价等方面的研究较为深入。

3.2.1 国外废旧汽车拆解理论研究

国外多年前就已经开展拆解理论及相关研究，且已经取得了较为丰硕的成果。首先从产品的全周期研究开始，Alting 等［8］首先将生命周期带入了整个拆卸过程中，提出整个拆解过程是宏观的，拆解为一个生命周期的全过程，不要拆分整个拆解过程。之后Kim 等［9］表明了拆解性能和提升产品生命周期的环境性能密不可分。在拆解前，Seo等［10］使用蚁群算法计算了拆解过程的经济效益。Desai 等［11］为了在大规模生产中进行拆解设计，对可拆卸性进行了评估。Ferrão 等［12］探究了拆卸系统，对拆解困难系统进行分析和评估。Huang 等［13］通过探究可拆解性，研究了拆解过程中各组分的零部件，在拆解序列问题上使用神经网络的手段去优化。生命周期的引入使得拆解理论研究不仅仅局限于特定条件，有益于拆解过程的宏观考量。

在拆解序列的规划方面，Failli 等［14］最先将蚁群算法用于改进废弃产品拆解线的工艺顺序规划，之后又陆续使用了遗传算法、集合粒子群优化算法、模拟退火算法来对拆解顺序规划问题进行改进，并且制作了专业的拆解仿真软件［15］，其中零件拆卸的难易等级由其拆卸参数来确定，根据这些指标设计人员也可对其结构设计进行修改。Mc-Glothlin 等［16］通过构建系统给出了一种多目标优化的方法，探究了拆解序列问题，可以最快获得最优拆解序列。Tonko 等［17］也给出了基于神经网络的拆解序列分析方法。Moore 等［18］通过Petri 网的方法给出了拆解过程中繁冗的产品规划问题的解。McGovern 等［19］通过构建模型，并在此模型的基础上使用了立体跟踪技术，得出了更优的拆解序列。之后McGovern等［20-21］又使用了神经网络、0-1 整数规划模型探究了拆解序列规划问题。

拆解时间和经济效益是拆解序列规划的两个重要指标。经济效益无法提高的情况下，要求尽量缩短拆解时间，以提高拆解效率。Kang 等［22］探究了拆解序列的操作时间，最后得出了新的操作方法。而Kondo 等［23］探究了拆解时间这个因素，给出了一种可逆性和部分连接资源的减少拆解时间的方法。

3.2.2 我国废旧汽车拆解理论研究

近年来我国不断重视汽车的拆解回收产业，在理论研究方面也取得了一定进展。

首先关于可拆解性评价方面，储江伟等［24］给出了一种关于拆解时间概率的成品可拆解性的评估途径，给出了关于可拆解度的定义，并提出了其表达方式。金晓红［25］基于拆解过程中的随机性，给出了以概率论为基础的评估汽车回收拆解体系的途径。田广东等［26］给出了可拆解度、拆解概率密度和拆解率之间的关系，找到了零部件的拆解分布及规律。赵树恩等［27］经过废旧汽车可拆卸性方向的讨论，给出了针对汽车回收再利用及可拆解性设想的基本规则。于嘉鹏等［28］构建了扩展干涉矩阵模型和转折式干涉矩阵模型，丰富了拆解方向的多样性和可变性。其次，拆解序列研究是我国理论研究的重点。潘晓勇等［29］先构建了装配模型，继而给出了生成基于割集的拆卸序列的途径。郭伟祥等［30］给出了一种基于模块化思想的拆解序列的生成方法，来处理拆解序列产生途径中的组合爆炸弊端。刘志峰等［31］以最低更换拆解工具的次数为前提，使产品的拆解序列问题转变为了基于贪婪算法求解的问题。张秀芬等［32］通过建立一类产品拆解赋权混合图模型，将拆解序列问题转变为图模型寻优问题，再运用粒子群算法找到复杂产品的最优拆解序列。之后张秀芬等［33］以自低向上的思想为基础给出了一种拆解混合图和粒子群算法相加的途径，可以快速求解产品的拆解序列。章小红等［34］利用蚁群算法对产品序列规划进行了系列研究，并表明了此算法的可行性和优势。闫利军等［35］构建了一种基于多色集理论的拆解模型，提出了多色集递阶结构图表示的拆解序列。孟宪刚等［36］使用了一类以模糊数Petri 网为基础方式的途径来进行拆解序列的设计计算。胡迪［37］构建了“零件-联接关系”的模型，提出了不确定性的拆卸规划，在拆卸序列不确定的情况下，使用贪婪算法进行了拆卸规划。

关于其他研究方向，张秀芬等［38］建立了基于联接元的复杂产品拆解模型，来解决以往可拆解设计中的模型构建困难和效率低下的问题。杨春岭［39］以构建一个废旧汽车拆解网站的原型系统，实现废旧汽车拆解的网络化。张秀芬等［40］给出了可拆解单元图谱建立和演化方法来解决拆解分析模型的快速改变映射的问题。刘志峰等［41］关于成品零部件中可拆解连接构造改进的方式，给出了发明问题解决理论（TRIZ） 物- 场分析原理同TRIZ 冲突解决原理相结合的方法。陈杨［42］利用图论法快速进行了拆解工艺路线排序，并在层次分析其顺序的基础上给出了评价方法。

相较而言，国外的拆解理论研究开展较早，研究方向较为广泛，极大地帮助了其拆解产业的发展。而我国起步较晚，还停留在概念和基础理论研究方面，且研究方向单一，实用性不高。另一方面，国内外相关单个因子的理论研究繁多，缺乏多因子综合或者统一的解决方案研究。

3.3 废旧汽车拆解工艺研究

拆解工艺及设备是整个拆解过程的技术支撑，针对不同车型的不同拆解工序还应适配相应的智能化拆解线、拆解平台以及拆解装置。一般情况下的废旧汽车拆解工艺流程见图1［43］。根据作业方式不同，汽车拆解作业可分为流水线拆解和定位式拆解。

图1 废旧汽车拆解一般工艺流程

国外目前多以定位式拆解为主，定位式拆解主要是在单个或少数几个工位上完成拆解流程。其资源利用率高、占地面积小。并且国外对智能化拆解设备的开发较为领先，率先将集成各式传感器和末端执行器的机器人用于汽车拆解。其中，Buker 等［44］开发了一套用于车轮柔性拆解的自动化拆解系统。此系统基于3D 摄像机，通过摄像机识别和定位汽车的轮毂螺母，可以达到不同类型车轮的柔性拆解。Tonko 等［45］针对汽车发动机舱的拆解问题，将机器人与视觉传感器相结合，实现了发动机舱的自动化拆解。Zuo 等［46］开发了适用于不同螺母拆解的末端执行器，以压痕螺钉的形式解决了拆解对象的几何不确定性问题。国外人员围绕机器人传感器和末端执行器的开发，使得其自动化拆解程度越来越高，也可达到同一批次不同车辆的柔性拆解。

而我国废旧汽车拆解量日益增多，流水线式拆解逐渐变成我国主要的拆解方式。根据不同的车辆运输方式可将流水线分为地面式拆解线、悬挂式拆解线和地空混合拆解线。具体区别和优缺点可见表3。近年来我国拆解行业也诞生了很多新的拆解线和拆解设备。其中汪新华等［47］发明了一种集环保处理、车身拆解、发动机总成拆解于一体的地面式拆解线。首先环保预处理线由两条平行环形双轨负载小车实现输送功能，集拆解工位与油液抽取平台于一体。之后连接车身拆解板链线，并且再由轨道输送小车连接后方的发动机来到总成拆解平台。该拆解线提高了输送效率，实现了拆解实时分类。而张正龙［48］发明的地空混合拆解线，集小产量和高自动化为一体。主要由分别承载环保预处理功能、板链拆解功能、外壳压缩功能、悬空运输功能的4 条拆解线组成。其中废旧汽车导入工位和预处理线间，板链拆解线和车壳压扁打包线间由自行悬挂输送（EMS） 小车连接运输。该拆解线的配置合理，实现了各工位的有效链接，提高了拆解效率。而平台设计中，许开华等［49］公开了一种用于汽车拆解的小型传送平台。该平台由机架、传动轴、传送轴、电机、框架、升降气缸以及拦料板等构成。该平台运输拆解件的数量相对有所提升，且自动化程度较高、噪声小。在拆解设备方面，徐观等［50］设计了一套保险杠自动拆解系统。此系统为液压式，主要由拆解台横、纵向导轨平台，两个拆解单元和两个纵向液压缸组成。该系统用较少的投资成本提供了高自由度、易操作的废旧汽车保险杠的拆解方案。

表3 废旧汽车流水线式拆解方式分类

我国的工艺设备在一定程度上解决了实际拆解过程中所面临的问题，基本上达到了半自动化的拆解水平。但是，我国还没有机器人相关传感器和末端执行器的开发，在完全自动化方面与发达国家还有着不小的差距。而国内外均在环保预处理方面缺乏关注，缺少相关智能设备开发和应用。

4 结束语

我国废旧汽车智能拆解需要拆解信息回收系统、拆解理论和拆解工艺三者协调发展。我国在拆解信息回收系统方面已有一定的基础，但由于开发成本等问题，这些平台在使用初期都要对用户进行收费，并且汽车产业上、下游企业以及同行间由于一些原因不能很好地进行信息共享。这些原因都在一定程度上限制了信息回收系统规模的进一步扩大。国家应该在政策上给予支持，扩大平台规模，使拆解产业链上、下游企业能更好地合作。

国内外对于废旧汽车的拆解序列优化算法研究较多，也发展得相对完善，但在某些方面仍有所欠缺：①针对单一条件，拆解序列规划基本有了与之对应的序列算法，但是不能得到一个可以兼顾各种拆解条件的一般方法或者最优序列；②对于拆解线的规划都只考虑了单条拆解线的规模，而单条拆解线不符合实际拆解情况，会有一系列问题，例如，单条拆解线所负载的工作站任务单一、各拆解动作会受到相当大的限制，且每个零部件的拆解时间、拆解工具的切换，流水线循环周期等不能高效地衔接。这样在一个拆解周期内，各单位的工作时间不能高效地衔接和互补，使得固定周期内的生产时间没有被充分利用，会出现拆解效率低下等问题。

我国在拆解工艺方面也在不停地升级换代，越来越多的高级拆解设备和拆解线不断被研发出来且投入使用。但是，目前的拆解设备更多的是关注机器的自动化程度和整个拆解过程所得到的经济效益。废旧汽车本身所含有的污染物，以及拆解过程中污染物的迁移扩散过程并没有得到充分关注。其中，安全气囊、电池、废矿物油、废润滑油等物质处理不当会对环境造成相当大的危害。拆解设备应针对汽车拆解过程中会产生的污染物进行针对性设计，以确保整个拆解过程在绿色环保的管控下进行。