李晉華 楊甫勤

摘 要：為優(yōu)化車用CNG氣瓶檢測(cè)過程中資源調(diào)配，提高檢測(cè)效率，緩解氣瓶侯檢時(shí)間長(zhǎng)等問題，基于Arena軟件平臺(tái)，建立車用CNG氣瓶檢測(cè)過程分層仿真模型。以某檢測(cè)站為例進(jìn)行檢測(cè)過程仿真，運(yùn)用系統(tǒng)分析和工業(yè)工程的技術(shù)方法，分析檢測(cè)系統(tǒng)各項(xiàng)輸出性能指標(biāo)，找出影響檢測(cè)效率的瓶頸因素，提出資源調(diào)配改進(jìn)措施。研究結(jié)果表明，改進(jìn)措施在工作人員減少9.09%的情況下，能使檢測(cè)效率提高22.71%，平均系統(tǒng)逗留時(shí)間縮減62.45%，平均隊(duì)列長(zhǎng)縮減50%以上，且檢測(cè)線各工位資源利用率均衡，該仿真優(yōu)化方法對(duì)于改善現(xiàn)有檢測(cè)線性能具有工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：氣瓶檢測(cè)；CNG氣瓶；檢測(cè)過程；資源調(diào)配；仿真分析

中圖分類號(hào)：X944.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： In order to optimize the resources distribution， improve inspection efficiency and solve the problems of being tested waiting too long time in the inspection process， the layered inspection process simulation model of CNG vehicle fuel cylinder has been set up based on the Arena software platform for researching output performance indexes under different resource allocation of the inspection system. An inspection station has been taken as an example to simulate inspection process， the bottleneck factors influencing detection efficiency have been found out and improvement measures of resource allocation have been put forward using the method of system analysis and industrial engineering technology. The results have demonstrated that improvement measures can improve inspection efficiency by 22.71%， reduce system stay time by 62.45% on average and cut short the average queue length by more than 50% on the better resource utilization of each workstation. The method of simulation and optimization has great application valve to improve the inspection of inspection system of CNG vehicle fuel cylinders.

Key words： cylinders inspection； CNG cylinders； inspection process；resource allocation； simulation analysis

0 引 言

隨著天然氣汽車數(shù)量的迅速增加，作為燃?xì)廛囕v關(guān)鍵部件之一的車用CNG氣瓶數(shù)量也迅速增長(zhǎng)，車用氣瓶的安全問題一直是學(xué)者們的關(guān)注焦點(diǎn)[1-3]。CNG氣瓶強(qiáng)制定期檢測(cè)作為確保氣瓶安全使用的重要環(huán)節(jié)，成為各地政府監(jiān)管部門對(duì)氣瓶安全監(jiān)察重要任務(wù)之一。然而，對(duì)于在車用CNG氣瓶的檢測(cè)中一直存在的檢測(cè)效率低[4]，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)[5]及由此造成的氣瓶侯檢時(shí)間長(zhǎng)、送檢成本較高等問題關(guān)注較少，尚沒有對(duì)檢測(cè)過程的資源優(yōu)化以及由此引起的對(duì)檢測(cè)性能指標(biāo)分析等內(nèi)容的研究，如何提高檢測(cè)效率，緩解檢測(cè)難問題成為急需解決的現(xiàn)實(shí)問題。

在檢測(cè)過程中，氣瓶按照到達(dá)先后順序依次進(jìn)入檢測(cè)工序，檢測(cè)項(xiàng)目繁多，氣瓶試驗(yàn)狀況各異，各個(gè)氣瓶在檢測(cè)資源的處理路徑和時(shí)間可能不一，檢測(cè)時(shí)間節(jié)拍難以統(tǒng)一，屬于一類NP 難題，難以運(yùn)用解析方法進(jìn)行求解，過程建模與仿真技術(shù)能處理描述復(fù)雜系統(tǒng)的極其復(fù)雜的模型，能對(duì)檢測(cè)過程進(jìn)行描述、仿真和分析，成為過程評(píng)估、優(yōu)化及重組的重要手段[6-7]。由美國(guó)Rockwell Software公司開發(fā)的Arena仿真軟件可以進(jìn)行連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)以及混合系統(tǒng)的仿真，實(shí)現(xiàn)各類資源的配置、業(yè)務(wù)過程的規(guī)劃、系統(tǒng)性能和計(jì)劃結(jié)果的評(píng)價(jià)等應(yīng)用[8-9]。本文基于Arena仿真平臺(tái)，建立CNG氣瓶檢測(cè)過程分層模型，通過對(duì)檢測(cè)過程資源調(diào)配模型的仿真獲得氣瓶平均檢測(cè)量、氣瓶檢測(cè)平均耗時(shí)、氣瓶檢測(cè)最大耗時(shí)、隊(duì)列長(zhǎng)度、設(shè)備利用率等性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析，找出影響檢測(cè)效率的瓶頸因素，運(yùn)用系統(tǒng)分析和工業(yè)工程的方法，不斷調(diào)整資源分配，在檢測(cè)線資源利用均衡的前提下，提高檢測(cè)效率，縮減平均系統(tǒng)逗留時(shí)間和平均隊(duì)列長(zhǎng)等。

1 車用氣瓶檢測(cè)站檢測(cè)過程仿真建模

1.1 車用CNG氣瓶檢測(cè)工藝過程

車用CNG氣瓶有四種類型：TYPE-1鋼質(zhì)氣瓶（以下簡(jiǎn)稱CNG鋼瓶）、TYPE-2金屬內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶（以下簡(jiǎn)稱CNG纏繞瓶）、TYPE-3金屬內(nèi)膽全纏繞氣瓶和TYPE-4非金屬內(nèi)膽全纏繞氣瓶。其中在我國(guó)使用最廣泛的是TYPE-1和TYPE-2[10]，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)比較完善，本文以這兩種類型氣瓶為研究對(duì)象。根據(jù)有關(guān)安全技術(shù)規(guī)范和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[11-13]規(guī)定，氣瓶檢驗(yàn)過程主要包括：外觀檢查、瓶口螺紋檢查、內(nèi)部檢查、水壓試驗(yàn)、瓶閥檢驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)等內(nèi)容。除上述檢測(cè)項(xiàng)目外，CNG鋼瓶還需進(jìn)行音響檢查、無損檢測(cè)、重量與容積測(cè)定、壁厚測(cè)量等內(nèi)容。CNG鋼瓶檢測(cè)工藝過程如圖1所示。

1.2 車用CNG氣瓶檢測(cè)過程模型

氣瓶檢測(cè)過程是氣瓶檢測(cè)站按照有關(guān)安全技術(shù)規(guī)范和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對(duì)氣瓶進(jìn)行定期檢驗(yàn)，對(duì)檢驗(yàn)合格的氣瓶打氣瓶定期檢驗(yàn)鋼印或其他標(biāo)記、對(duì)報(bào)廢氣瓶進(jìn)行破壞性處理，并出具檢驗(yàn)報(bào)告的過程。根據(jù)上述車用CNG氣瓶檢測(cè)工藝過程，建立車用CNG氣瓶檢測(cè)過程模型如圖2所示。

其中，待檢氣瓶到達(dá)指需檢測(cè)的氣瓶送達(dá)氣瓶檢測(cè)站指定地點(diǎn)，等待檢測(cè)；檢測(cè)資源指參與氣瓶檢測(cè)過程的人員、設(shè)備、裝置、工具等；檢測(cè)實(shí)施條件指包括檢測(cè)過程實(shí)施的資源、時(shí)間及狀態(tài)條件；檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定指檢測(cè)過程中需要遵循的各種安全技術(shù)規(guī)范和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；實(shí)施氣瓶檢測(cè)指在滿足檢測(cè)實(shí)施條件的情況下，按照檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，合理調(diào)度各種檢測(cè)資源對(duì)待檢氣瓶實(shí)施檢測(cè)；結(jié)果判定指對(duì)氣瓶在各檢測(cè)項(xiàng)目中的結(jié)果進(jìn)行判定；合格氣瓶發(fā)放指將最終檢測(cè)結(jié)果為合格的氣瓶帶檢驗(yàn)報(bào)告發(fā)放給氣瓶用戶，釋放所占用的檢測(cè)資源；氣瓶報(bào)廢處理指將最終檢測(cè)結(jié)果為不合格的氣瓶，進(jìn)行報(bào)廢處理并帶氣瓶報(bào)廢通知書發(fā)還氣瓶用戶，釋放所占用的檢測(cè)資源。

1.3 車用CNG氣瓶檢測(cè)過程仿真模型

1.3.1 相關(guān)假設(shè)

（1）所建模型中氣瓶類型只區(qū)分CNG鋼瓶和CNG纏繞瓶，不考慮氣瓶的容量、樣式、結(jié)構(gòu)等差異；（2）各類檢測(cè)設(shè)備、設(shè)施、工具等數(shù)量充足，狀態(tài)良好，無故障；（3）各工位檢測(cè)人員數(shù)量充足，技術(shù)熟練，不區(qū)分技術(shù)級(jí)別和職稱；（4）氣瓶按照先到先檢測(cè)的順序檢測(cè)。

1.3.2 檢測(cè)過程仿真模型

檢測(cè)線工序按照?qǐng)D2 所示工藝過程進(jìn)行順序布置，如氣瓶為CNG纏繞瓶，則跳過音響檢查、無損檢測(cè)、重量與容積測(cè)定、壁厚測(cè)量等檢測(cè)項(xiàng)目。通過對(duì)檢測(cè)過程分析，可將其分為檢測(cè)準(zhǔn)備階段、分項(xiàng)檢測(cè)和檢后處理三個(gè)階段，利用Arena仿真平臺(tái)，建立車用CNG氣瓶檢測(cè)過程三階段分層仿真模型，頂層模型如圖3所示。部分子模型（檢測(cè)準(zhǔn)備子模型）如圖4所示。

1.3.3 主要功能模塊

仿真過程檢測(cè)模型中，使用的主要功能模塊有：Create、Assign、Station、Route、Process、Separate、Decide、Dispose、Record、Resource、Entity、Queue等。其中，Create是從外部進(jìn)入模型的起始點(diǎn)，用于表示各種氣瓶到達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)，并定義氣瓶到達(dá)時(shí)間間隔和每次到達(dá)數(shù)等；Assign模塊定義各種氣瓶的驗(yàn)收登記時(shí)間和到達(dá)時(shí)間等各種屬性；Station模塊表示檢測(cè)系統(tǒng)中的特定區(qū)域，包括氣瓶到達(dá)位置、各個(gè)檢測(cè)工序及最終離開位置；Route 模塊表示氣瓶從一個(gè)特定區(qū)域運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)特定區(qū)域，用來設(shè)置工位間傳輸?shù)姆绞胶蜁r(shí)間；Process模塊表示氣瓶在占用檢測(cè)資源的情況下進(jìn)行的檢前準(zhǔn)備、各項(xiàng)檢測(cè)以及檢后處理工作，包括氣瓶、資源和隊(duì)列的延時(shí)；Separate模塊用來實(shí)現(xiàn)瓶體和瓶閥的分離；Decide模塊用來判斷是否通過各項(xiàng)檢測(cè)；Dispose模塊用于表示氣瓶離開系統(tǒng)；Record 模塊用來得到各種氣瓶的檢測(cè)合格數(shù)、不合格數(shù)及系統(tǒng)逗留時(shí)間等；Resource模塊用來表示各種檢測(cè)資源的容量、調(diào)度等特征；Entity模塊用來編輯各類氣瓶的屬性；Queue模塊用來定義各個(gè)隊(duì)列的排隊(duì)規(guī)則等屬性。

2 檢測(cè)過程仿真實(shí)例及分析

2.1 檢測(cè)過程模型參數(shù)

氣瓶檢測(cè)線檢測(cè)工位、檢測(cè)設(shè)備和設(shè)施布局因場(chǎng)地、氣瓶混雜程度和面向安全性能而不同。以天津某檢測(cè)站為例，該站同時(shí)具有氣瓶拆裝和氣瓶檢測(cè)許可證書，可以接受公交車、出租車、運(yùn)輸貨車、私家車等車輛的氣瓶拆裝和檢測(cè)工作。拆裝和檢測(cè)工作分別在拆裝車間和檢測(cè)車間進(jìn)行，各種車輛待檢氣瓶在拆裝車間拆下后，每天分兩批送往檢測(cè)車間，氣瓶送檢到達(dá)間隔時(shí)間服從指數(shù)分布，每次60只左右。該站除余氣處理和氣密性試驗(yàn)為2個(gè)工位外，其余工序僅有1個(gè)工位。各工序檢測(cè)時(shí)間數(shù)據(jù)采用人工現(xiàn)場(chǎng)采集一周的方式獲取，其他數(shù)據(jù)如各種氣瓶在各檢測(cè)工序的報(bào)廢率、鋼瓶與纏繞瓶的數(shù)量比例等由該站最近一年（2012年6月1日至2013年5月31日）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出。檢測(cè)過程模型參數(shù)在對(duì)所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)加工的基礎(chǔ)上，經(jīng)過檢測(cè)站技術(shù)負(fù)責(zé)人的確認(rèn)，如表1所示。

2.2 檢測(cè)過程仿真實(shí)例結(jié)果分析

將上述數(shù)據(jù)輸入仿真模型，按照每天兩班檢測(cè)，每班8小時(shí)，仿真時(shí)長(zhǎng)7天，進(jìn)行50次的仿真，得到氣瓶檢測(cè)數(shù)量、系統(tǒng)逗留時(shí)間、平均隊(duì)長(zhǎng)、平均隊(duì)列長(zhǎng)、設(shè)備利用率等輸出指標(biāo)。

2.2.1 氣瓶檢測(cè)數(shù)量和逗留時(shí)間仿真結(jié)果分析

氣瓶平均系統(tǒng)逗留時(shí)間為774.70分鐘，氣瓶最大系統(tǒng)逗留時(shí)間為6 344.11分鐘，其中氣瓶檢測(cè)時(shí)間僅占平均系統(tǒng)逗留時(shí)間的5.08%，等待時(shí)間占為77.97%，傳輸時(shí)間占16.95%；進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)的氣瓶數(shù)平均為1 774.00個(gè)，最大為3 272.00個(gè)；完成檢測(cè)的氣瓶數(shù)平均有1 422.10個(gè)，最多為1 671.00個(gè)；在檢測(cè)中的氣瓶數(shù)平均為239.65個(gè)，最大為1 606.00個(gè)。說明系統(tǒng)中氣瓶等待時(shí)間所占比例過高，進(jìn)入系統(tǒng)中的待檢氣瓶數(shù)量較多，氣瓶在各工位堆積現(xiàn)象嚴(yán)重，檢測(cè)線檢測(cè)效率較低。

2.2.2 平均隊(duì)列長(zhǎng)和平均等待時(shí)間仿真結(jié)果分析

平均隊(duì)列長(zhǎng)超過10的隊(duì)列有5個(gè)，從大到小依次為：內(nèi)外表面清理（平均隊(duì)列長(zhǎng)75.77個(gè)）、氣密性檢測(cè)（平均隊(duì)列長(zhǎng)72.46個(gè)）、余氣處理（平均隊(duì)列長(zhǎng)16.67個(gè)）、瓶閥裝配（平均隊(duì)列長(zhǎng)14.39個(gè)）和驗(yàn)收登記（平均隊(duì)列長(zhǎng)11.53個(gè)），其平均排隊(duì)等待時(shí)間分別為504.25分鐘、272.13分鐘、110.90分鐘、51.37分鐘和82.41分鐘。

其余平均隊(duì)列長(zhǎng)除瓶閥拆卸和內(nèi)部檢查分布為4.69和1.58外，均不足1。另外，外觀音響檢測(cè)、壁厚測(cè)量、重量測(cè)定、內(nèi)部干燥、廢瓶破壞性處理、表面涂覆等工序的平均隊(duì)列長(zhǎng)和平均排隊(duì)等待時(shí)間都為0。說明各檢測(cè)工序平均隊(duì)列長(zhǎng)和排隊(duì)等待時(shí)間差異很大，氣瓶在某些檢測(cè)工序出現(xiàn)嚴(yán)重堵塞現(xiàn)象，檢測(cè)線各工序間任務(wù)分配嚴(yán)重不均衡。

2.2.3 資源利用率仿真結(jié)果分析

從資源的利用率可以看出，氣密性試驗(yàn)工序的資源利用率平均為0.8482，最大平均達(dá)到0.9956。其次是內(nèi)外表面清理工序和內(nèi)部檢查工序，資源利用率平均分別為0.8215和0.8180，最大平均分別達(dá)到為0.9974和0.9931，這些工序的資源利用率都偏高。余氣處理、瓶閥拆卸、無損檢測(cè)、容積測(cè)定、水壓試驗(yàn)和瓶閥裝配工序的資源利用率在0.4～0.7之間，比較適合。資源利用率較低、在0.2以下的工序有5個(gè)，分別是壁厚測(cè)量、重量測(cè)定、內(nèi)部干燥、打檢驗(yàn)標(biāo)記和氣瓶報(bào)廢處理工序。說明檢測(cè)線各工序間工作任務(wù)忙閑嚴(yán)重不均衡。

3 檢測(cè)系統(tǒng)資源優(yōu)化措施及效果

3.1 檢測(cè)系統(tǒng)資源優(yōu)化措施

為提高氣瓶檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，運(yùn)用系統(tǒng)分析和工業(yè)工程中“5W1H”、“ECRS四大原則”從氣瓶數(shù)量、排隊(duì)等待時(shí)間、資源利用率等方面對(duì)氣瓶檢測(cè)系統(tǒng)提出如下改進(jìn)和優(yōu)化措施。

（1）調(diào)整資源利用率。在參照平均隊(duì)長(zhǎng)和平均隊(duì)列長(zhǎng)仿真結(jié)果的前提下，對(duì)資源利用率偏低（小于0.5）的工序進(jìn)行合并，對(duì)資源利用率偏高的工序增加設(shè)備和操作人員，具體為：原工序號(hào)4氣瓶?jī)?nèi)外表面處理和工序號(hào)8內(nèi)部檢查各增加1工位，工序號(hào)16氣密性試驗(yàn)增加2個(gè)工位；原工序號(hào)5和6、9和10、13和14、17～20分布合并為一個(gè)工序，原來的20個(gè)工序、22工位合并后為14個(gè)工序、20個(gè)工位，檢測(cè)線總體人數(shù)減少2人。

（2）送檢氣瓶批量減小，次數(shù)增加。為減小同時(shí)進(jìn)入檢測(cè)線的氣瓶數(shù)量，減少氣瓶擁堵現(xiàn)象，提出減小氣瓶的送檢批量、增加氣瓶送檢次數(shù)的改進(jìn)措施。將氣瓶的送檢到達(dá)時(shí)間間隔從原來的均值為8小時(shí)、每批到達(dá)64個(gè)的指數(shù)分布調(diào)整為均值為2小時(shí)、每批到達(dá)16個(gè)。

（3）工序布局優(yōu)化，縮短運(yùn)輸距離。按照上述工序合并調(diào)整檢測(cè)線布局，縮短檢測(cè)設(shè)備間距離為原來的一半以上，由一人操作幾個(gè)工序的設(shè)備按U型布置。

3.2 檢測(cè)系統(tǒng)資源優(yōu)化效果

經(jīng)過上述調(diào)整后，相應(yīng)改變仿真模型及參數(shù)，優(yōu)化后各工序資源利用均衡，檢測(cè)效率提高22.71%，平均系統(tǒng)逗留時(shí)間縮減62.45%，雖然進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)的氣瓶總量數(shù)增加，但同時(shí)在線檢測(cè)的氣瓶數(shù)量大幅下降；平均隊(duì)列長(zhǎng)、平均排隊(duì)等待時(shí)間均下降；各檢測(cè)工序和工位資源利用率均衡，原先工序間存在的氣瓶堆積現(xiàn)象明顯改善，各工序間距離縮小近半，各工序間的運(yùn)輸時(shí)間縮短近半，工人移動(dòng)距離減少，勞動(dòng)強(qiáng)度下降。檢測(cè)過程優(yōu)化前后部分輸出結(jié)果比較如表2所示。

4 結(jié) 論

利用Arena仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了車用氣瓶檢測(cè)過程模型的動(dòng)態(tài)仿真，其仿真結(jié)果可用來分析各類資源的忙閑狀態(tài)、平均隊(duì)長(zhǎng)和平均隊(duì)列長(zhǎng)等系統(tǒng)輸出性能指標(biāo)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)影響或制約系統(tǒng)效率的瓶頸，為提高檢測(cè)效率、優(yōu)化資源調(diào)配、調(diào)整工序布局提供支持。通過修改輸入?yún)?shù)，可以很方便地進(jìn)行備選方案的比較和優(yōu)選，運(yùn)用Arena仿真進(jìn)行對(duì)檢測(cè)過程資源優(yōu)化均有工程應(yīng)用價(jià)值。

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[13] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 汽車用壓縮天然氣金屬內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶定期檢驗(yàn)與評(píng)定（GB24162-2009）[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.