廢舊智能手機(jī)拆卸可行性的價(jià)值評估模型與方法

尹鳳福,杜澤瑞,李 林,王瑞東,安 瑞,梁振寧

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266061)

隨著5G時(shí)代的到來，智能手機(jī)更新?lián)Q代的速度日益加快，被淘汰的廢舊智能手機(jī)不僅導(dǎo)致資源浪費(fèi)，而且對自然環(huán)境造成了嚴(yán)重影響，已成為城市污染的一個(gè)重要來源。一些專家學(xué)者對此進(jìn)行分析研究，普遍認(rèn)為解決問題的根本途徑是實(shí)行“綠色設(shè)計(jì)與制造”[1-2]。綠色設(shè)計(jì)不僅能減少物質(zhì)和能源的消耗，減少有害物質(zhì)的排放，而且使產(chǎn)品及零部件能夠方便地分類回收，再生循環(huán)或重新利用，其主要內(nèi)容包括產(chǎn)品的可拆卸性設(shè)計(jì)和可回收性設(shè)計(jì)。因此，對大批量的廢舊智能手機(jī)進(jìn)行拆卸和回收處理，并尋找一種可行的方法，使廢舊智能手機(jī)的拆卸和回收利潤達(dá)到最大化。

近年來，眾多國內(nèi)外學(xué)者在產(chǎn)品拆卸和回收領(lǐng)域進(jìn)行了深入的探索研究并取得了一定的成果。美國東北大學(xué)Gupta[3]團(tuán)隊(duì)對產(chǎn)品拆卸建模、產(chǎn)品回收以及環(huán)境意識制造方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。針對產(chǎn)品拆卸序列的研究，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度提出了構(gòu)建產(chǎn)品拆卸模型的方法。Feng等[4]提出了產(chǎn)品回收混合拆卸建模和優(yōu)化方法，以最大程度地提高回收利潤和減少對環(huán)境的影響；Kuo等[5]建立了基于Petri網(wǎng)的拆卸信息模型，采用以Petri網(wǎng)為基礎(chǔ)的分析方法處理報(bào)廢產(chǎn)品的回收和拆卸問題；楊得玉等[6]針對產(chǎn)品故障特征構(gòu)建了拆卸混合圖模型，提出了目標(biāo)選擇性拆卸序列規(guī)劃方法；聶應(yīng)軍等[7]針對廢舊產(chǎn)品提出利用分解矩陣表達(dá)拆卸方案，并綜合考慮拆卸過程中不確定因素以獲取最大拆卸收益；王喆[8]針對汽車零部件的拆卸建立了網(wǎng)絡(luò)圖模型，提出了規(guī)劃拆卸序列方法。

另外，價(jià)值回收拆卸研究同樣也引起了國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注。王淑旺等[9]針對廢舊家電產(chǎn)品有效回收利用方面的不足，開展了廢舊家電產(chǎn)品回收再利用關(guān)鍵技術(shù)的研究，探討了廢舊家電產(chǎn)品有效回收的途徑；陶祎蕓等[10]針對廢舊電子產(chǎn)品，建立了自動(dòng)化拆卸評價(jià)體系，通過廢舊電能表驗(yàn)證了評價(jià)模型的有效性；Kwak等[11]提出了產(chǎn)品在整個(gè)生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大利潤的模型；Smith等[12]基于已有法則提出了順序優(yōu)化的拆卸方案；Cong等[13]基于拆卸矩陣提出了機(jī)械硬盤的價(jià)值回收優(yōu)化模型以創(chuàng)造最大回收利潤。

綜上可知，眾多國內(nèi)外學(xué)者對該領(lǐng)域的研究越來越深入，對報(bào)廢汽車、廢舊硬盤等產(chǎn)品的拆卸和回收研究，取得了一系列的研究成果。但是，目前針對廢舊智能手機(jī)拆卸和回收的研究很少，沒有形成系統(tǒng)的智能手機(jī)拆卸和回收理論。本文提出了廢舊智能手機(jī)拆卸可行性的價(jià)值評估模型與方法，適用于智能手機(jī)的完全拆卸，通過“小米3”智能手機(jī)拆卸實(shí)例，對智能手機(jī)拆卸和回收流程進(jìn)行分析，并獲得了智能手機(jī)的拆卸和回收利潤情況。

1 智能手機(jī)的拆卸模型

針對廢舊智能手機(jī)的拆卸和回收，本文采用分層樹狀拆卸模型[14]進(jìn)行研究，分層樹狀拆卸模型能夠很好地反映智能手機(jī)中零部件空間組合關(guān)系。

在構(gòu)建拆卸模型時(shí)，引入智能手機(jī)的模塊化拆卸方法，合理地進(jìn)行模塊化劃分，選定一個(gè)零部件作為基礎(chǔ)件，有助于提高拆卸效率?；A(chǔ)件(由人工指定)是其他零件裝配的基礎(chǔ)，是與其他零件關(guān)聯(lián)最多的零件，定義的基礎(chǔ)件優(yōu)先級最低，即最后拆卸基礎(chǔ)件。

本文以“小米3”智能手機(jī)的拆卸為例。圖1所示為“小米3”智能手機(jī)的零件，包括卡托、后蓋、蓋板、電池、喇叭總成、主板、前攝像頭、后攝像頭、聽筒、震動(dòng)馬達(dá)、按鍵總成、尾插小板、中框、屏幕、排線、若干螺釘?shù)??；诹慵厥諆r(jià)值及智能手機(jī)拆卸模型構(gòu)建等因素考慮，本文只針對“小米3”智能手機(jī)的主體部件進(jìn)行拆卸模塊劃分，不考慮排線、螺釘?shù)冗B接件?；诜謱訕錉畈鹦赌Ｐ?，將“小米3”智能手機(jī)整體劃分為4個(gè)模塊，分別是外殼H、主控模塊L、管理模塊P、中框M。4個(gè)模塊分別包含不同的零部件，外殼包括卡托C和后蓋B；主控模塊包括蓋板U、主板A、前攝像頭F、后攝像頭R、聽筒T、震動(dòng)馬達(dá)V、按鍵總成K、屏幕S；管理模塊包括電池E、喇叭總成I、尾插小板N。

圖1 “小米3”智能手機(jī)零件圖

圖2是“小米3”智能手機(jī)分層樹狀拆卸模型，指定節(jié)點(diǎn)M為基礎(chǔ)件。

圖2 “小米3”智能手機(jī)分層樹狀拆卸模型

2 智能手機(jī)部件拆卸序列的生成

產(chǎn)品拆卸是體現(xiàn)其回收價(jià)值的基礎(chǔ)，拆卸方式是決定產(chǎn)品零部件回收方式和回收利潤的重要因素，產(chǎn)品拆卸方式可分為完全拆卸、局部拆卸和目標(biāo)拆卸。

本文主要對廢舊智能手機(jī)的完全拆卸進(jìn)行研究。智能手機(jī)的完全拆卸是將智能手機(jī)中的全部零件進(jìn)行拆卸，拆卸過程中零部件之間存在優(yōu)先約束關(guān)系，本文采用優(yōu)先約束矩陣[15]來表達(dá)此關(guān)系，建立主體零部件的優(yōu)先約束矩陣，進(jìn)行疊加生成拆卸序列。

優(yōu)先約束是指在空間上的一種約束關(guān)系，該約束的存在限制了另一個(gè)約束的釋放，但不具有相互性。廢舊智能手機(jī)經(jīng)層次模塊化劃分后,零部件之間存在的優(yōu)先約束關(guān)系可用優(yōu)先約束矩陣來表達(dá)。假設(shè)優(yōu)先約束矩陣為C=[cij]，其中i，j=1,2,3,…，n，cij表示零部件i對零部件j的優(yōu)先約束關(guān)系，取值為1或0。若零部件i優(yōu)先于零部件j拆卸，則cij=1，否則，cij=0，若i=j，則cij=0。

結(jié)合圖2“小米3”智能手機(jī)分層樹狀拆卸模型，建立產(chǎn)品主體零件的優(yōu)先約束矩陣，如圖3所示。

圖3 “小米3”智能手機(jī)主體零件優(yōu)先約束矩陣

“小米3”智能手機(jī)的完全拆卸序列生成后，基于分層樹狀拆卸模型，結(jié)合主體零件的優(yōu)先約束矩陣(圖3)，由優(yōu)先關(guān)系推理可得第一層節(jié)點(diǎn)的拆卸序列為H-P-L-M或H-L-P-M；同理可得到節(jié)點(diǎn)L的拆卸序列為U-A-F-R-T-V-K-S、U-A-R-F-T-V-K-S等共6！種；得到節(jié)點(diǎn)P的拆卸序列為E-I-N或I-E-N。通過各裝配體子節(jié)點(diǎn)的拆卸序列，可疊加得出“小米3”智能手機(jī)的完全拆卸序列，符合實(shí)際拆卸順序。

3 拆卸和回收價(jià)值評估

為確定廢舊智能手機(jī)的拆卸和回收方案是否有利可圖，能否解決資源浪費(fèi)問題，本節(jié)進(jìn)行廢舊智能手機(jī)拆卸和回收的價(jià)值評估。結(jié)合廢舊智能手機(jī)的拆卸模型和拆卸序列的生成方法，建立拆卸回收利潤模型，確定智能手機(jī)拆卸和回收的價(jià)值評估方案。此模型主要針對廢舊智能手機(jī)進(jìn)行非破壞性完全拆卸，使智能手機(jī)的拆卸回收利潤最大化。拆卸回收利潤模型包括總成本C和回收收入R，其中，總成本C又包括廢舊產(chǎn)品的購買成本Cp、拆卸成本Cdk、運(yùn)輸成本Ct、庫存成本Ch以及設(shè)施成本Cf；收入R包括零件回收和材料回收的總收入。

建立拆卸和回收利潤模型的步驟：

1)購買成本是指購買廢舊智能手機(jī)的費(fèi)用，智能手機(jī)的購買成本函數(shù)表達(dá)式為：

CP=cp·q

(1)

式中：cp為單位購買成本，元；q為智能手機(jī)數(shù)量，部。

2)拆卸成本是指拆卸智能手機(jī)時(shí)所需要的費(fèi)用。手機(jī)拆卸考慮使用兩種拆卸方式，即手動(dòng)拆卸和自動(dòng)化拆卸。手動(dòng)拆卸成本Cd1主要包括拆卸工具的折舊成本和人工成本；自動(dòng)化拆卸成本Cd2主要包括拆卸機(jī)器折舊成本、電費(fèi)成本和機(jī)器操作者的人工成本。

手動(dòng)拆卸成本Cd1函數(shù)表達(dá)式為：

Cd1=(wh·cl+wh·clh)·nlh

(2)

式中：wh為每年工作時(shí)間，h；cl為拆卸工具的折舊費(fèi)，元；clh為拆卸工時(shí)費(fèi)，元；nlh為人工數(shù)量，人。

自動(dòng)化拆卸成本Cd2函數(shù)表達(dá)式為：

(3)

拆卸成本ddk函數(shù)表達(dá)式：

3)運(yùn)輸成本Ct是指運(yùn)輸手機(jī)的卡車費(fèi)用，其函數(shù)表達(dá)式為：

(4)

式中：ct為卡車費(fèi)用，元/輛；m為質(zhì)量，kg；k為路線數(shù)量，條；cp為車量的負(fù)載，kg。

4)庫存成本Ch是指庫存持有成本和維護(hù)成本總和，其函數(shù)表達(dá)式為：

Ch=A0·ca·q

(5)

式中：A0為平均庫存水平；ca為庫存成本，元/(部·年)。

5)設(shè)施成本Cf主要包括使用拆除系統(tǒng)所需空間的成本，其函數(shù)表達(dá)式為：

(6)

式中：csp為空間成本，元/(m3·年)；slh為工人所占空間，m2;sm為機(jī)器所占空間，m3。

綜上述，拆卸總成本C為：

(7)

拆卸回收的總利潤P為：

P=R-C=R-Cp-Cdk-Ct-Ch-Cf

(8)

單位智能手機(jī)的拆卸回收利潤Pr為：

Pr=P/q

(9)

根據(jù)拆卸回收利潤模型，運(yùn)用CPLEX12.6軟件進(jìn)行計(jì)算分析，確定拆卸方案。

表1是拆卸回收利潤模型中定量參數(shù)表，提供了拆卸“小米3”智能手機(jī)時(shí)計(jì)算利潤的定量參數(shù)[16]。

表1 定量參數(shù)表

表2是“小米3”智能手機(jī)各零件拆卸和回收相關(guān)數(shù)據(jù)，列出了“小米3”智能手機(jī)在不同拆卸方式下的拆卸時(shí)間、拆卸成本以及零件的質(zhì)量和回收價(jià)值。其中，“小米3”智能手機(jī)拆卸成本由拆卸回收利潤模型計(jì)算可得；拆卸時(shí)間由重復(fù)多次拆卸實(shí)驗(yàn)求取平均值所得；“小米3”智能手機(jī)零件的質(zhì)量由拆卸相同類型的多部“小米3”智能手機(jī)，稱重求取平均值所得；零件回收收入根據(jù)二手手機(jī)回收網(wǎng)站已完成的交易所得。

表2 “小米3”智能手機(jī)拆卸的相關(guān)數(shù)據(jù)

利用CPLEX 12.6軟件對拆卸和回收利潤模型進(jìn)行計(jì)算分析，基于“小米3”智能手機(jī)的實(shí)際拆卸情況及零件回收利潤等因素考慮，對產(chǎn)品進(jìn)行完全拆卸，按照產(chǎn)品裝配的逆順序?yàn)椴鹦俄樞?，即以C、B、U、A、F、R、T、V、K、S、E、I、N、M的拆卸順序進(jìn)行拆卸。對“小米3”智能手機(jī)的A、S、F、R進(jìn)行回收再利用，其他零件進(jìn)行材料回收。經(jīng)計(jì)算，得出“小米3”智能手機(jī)在手動(dòng)和自動(dòng)化兩種拆卸方式下的成本和利潤情況，分別如圖4、圖5所示。

圖4 單部“小米3”智能手機(jī)拆卸成本

由圖4可以看出，手動(dòng)拆卸總成本是3.30元，自動(dòng)化拆卸總成本是1.82元，手動(dòng)拆卸總成本幾乎是自動(dòng)化拆卸總成本的2倍，說明自動(dòng)化拆卸優(yōu)于手動(dòng)拆卸。

圖5為單位時(shí)間內(nèi)“小米3”智能手機(jī)拆卸回收利潤柱狀圖，由圖可知，自動(dòng)化拆卸所得利潤為1 400元，而手動(dòng)拆卸所得利潤為410元，單位時(shí)間內(nèi)，自動(dòng)化拆卸回收利潤遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于手動(dòng)拆卸回收利潤。分析其原因可知，拆卸單部“小米3”智能手機(jī)

圖5 單位時(shí)間“小米3”智能手機(jī)拆卸回收利潤

手動(dòng)拆卸時(shí)間為137.5 s，而自動(dòng)化拆卸時(shí)間為43.5 s，造成單位時(shí)間內(nèi)拆卸智能手機(jī)數(shù)量相差較大，表明智能手機(jī)的拆卸時(shí)間是造成兩種拆卸方法回收利潤差異的主要因素。

基于智能手機(jī)拆卸時(shí)間是影響回收利潤的重要因素，對兩種拆卸方式的拆卸時(shí)間進(jìn)行研究分析。定義手動(dòng)拆卸時(shí)間為ts，引入影響因子φ，由方程式(10)[16]定義此影響因子φ。

tz=φ·ts

(10)

式中：tz為一定程度的自動(dòng)化拆卸時(shí)間，s。

自動(dòng)化程度不僅對拆卸時(shí)間有所影響，還關(guān)聯(lián)著回收利潤，因此在CPLEX 12.6軟件中引入不同的φ值進(jìn)行計(jì)算，可得手動(dòng)拆卸因子φ對回收利潤的影響情況，如圖6所示。

圖6 手動(dòng)拆卸因子φ影響回收利潤變化

由圖可知，隨著手動(dòng)拆卸因子φ由0.2增加到1.0，“小米3”智能手機(jī)的拆卸回收利潤由17.3元減少到15.9元，表明拆卸的自動(dòng)化程度對拆卸回收利潤有一定的影響。

綜上所述，當(dāng)廢舊智能手機(jī)完全拆卸時(shí)，優(yōu)先選擇在非破壞拆卸情況下進(jìn)行自動(dòng)化拆卸，同時(shí)要更多關(guān)注零部件回收再利用的深度拆卸，以使拆卸回收利潤更高，更易解決廢舊智能手機(jī)帶來的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)問題。

4 結(jié)束語

針對廢舊智能手機(jī)帶來的日益嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)問題，本文提出了廢舊智能手機(jī)拆卸可行性的價(jià)值評估模型與方法。該方法通過智能手機(jī)拆卸模型，引入模塊化拆卸方法，生成拆卸序列，建立拆卸回收利潤模型，對智能手機(jī)的拆卸回收進(jìn)行價(jià)值評估分析。分析結(jié)果表明，拆卸回收是一種處理廢舊手機(jī)的有效方法，除了能初步解決環(huán)境污染和資源浪費(fèi)問題，還能夠產(chǎn)生可觀的利潤。在拆卸回收的過程中，要優(yōu)先選擇自動(dòng)化拆卸方式，并更多地關(guān)注零部件回收再利用的深度拆卸，以使智能手機(jī)的拆卸回收利潤最大化。