車用CNG氣瓶檢測過程資源調配仿真與優化

李晉華 楊甫勤

摘 要：為優化車用CNG氣瓶檢測過程中資源調配，提高檢測效率，緩解氣瓶侯檢時間長等問題，基于Arena軟件平臺，建立車用CNG氣瓶檢測過程分層仿真模型。以某檢測站為例進行檢測過程仿真，運用系統分析和工業工程的技術方法，分析檢測系統各項輸出性能指標，找出影響檢測效率的瓶頸因素，提出資源調配改進措施。研究結果表明，改進措施在工作人員減少9.09%的情況下，能使檢測效率提高22.71%，平均系統逗留時間縮減62.45%，平均隊列長縮減50%以上，且檢測線各工位資源利用率均衡，該仿真優化方法對于改善現有檢測線性能具有工程應用價值。

關鍵詞：氣瓶檢測；CNG氣瓶；檢測過程；資源調配；仿真分析

中圖分類號：X944.4 文獻標識碼：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

隨著天然氣汽車數量的迅速增加，作為燃氣車輛關鍵部件之一的車用CNG氣瓶數量也迅速增長，車用氣瓶的安全問題一直是學者們的關注焦點[1-3]。CNG氣瓶強制定期檢測作為確保氣瓶安全使用的重要環節，成為各地政府監管部門對氣瓶安全監察重要任務之一。然而，對于在車用CNG氣瓶的檢測中一直存在的檢測效率低[4]，檢測時間長[5]及由此造成的氣瓶侯檢時間長、送檢成本較高等問題關注較少，尚沒有對檢測過程的資源優化以及由此引起的對檢測性能指標分析等內容的研究，如何提高檢測效率，緩解檢測難問題成為急需解決的現實問題。

在檢測過程中，氣瓶按照到達先后順序依次進入檢測工序，檢測項目繁多，氣瓶試驗狀況各異，各個氣瓶在檢測資源的處理路徑和時間可能不一，檢測時間節拍難以統一，屬于一類NP 難題，難以運用解析方法進行求解，過程建模與仿真技術能處理描述復雜系統的極其復雜的模型，能對檢測過程進行描述、仿真和分析，成為過程評估、優化及重組的重要手段[6-7]。由美國Rockwell Software公司開發的Arena仿真軟件可以進行連續系統、離散系統以及混合系統的仿真，實現各類資源的配置、業務過程的規劃、系統性能和計劃結果的評價等應用[8-9]。本文基于Arena仿真平臺，建立CNG氣瓶檢測過程分層模型，通過對檢測過程資源調配模型的仿真獲得氣瓶平均檢測量、氣瓶檢測平均耗時、氣瓶檢測最大耗時、隊列長度、設備利用率等性能指標統計數據的分析，找出影響檢測效率的瓶頸因素，運用系統分析和工業工程的方法，不斷調整資源分配，在檢測線資源利用均衡的前提下，提高檢測效率，縮減平均系統逗留時間和平均隊列長等。

1 車用氣瓶檢測站檢測過程仿真建模

1.1 車用CNG氣瓶檢測工藝過程

車用CNG氣瓶有四種類型：TYPE-1鋼質氣瓶（以下簡稱CNG鋼瓶）、TYPE-2金屬內膽環向纏繞氣瓶（以下簡稱CNG纏繞瓶）、TYPE-3金屬內膽全纏繞氣瓶和TYPE-4非金屬內膽全纏繞氣瓶。其中在我國使用最廣泛的是TYPE-1和TYPE-2[10]，檢測標準比較完善，本文以這兩種類型氣瓶為研究對象。根據有關安全技術規范和國家標準[11-13]規定，氣瓶檢驗過程主要包括：外觀檢查、瓶口螺紋檢查、內部檢查、水壓試驗、瓶閥檢驗和氣密性試驗等內容。除上述檢測項目外，CNG鋼瓶還需進行音響檢查、無損檢測、重量與容積測定、壁厚測量等內容。CNG鋼瓶檢測工藝過程如圖1所示。

1.2 車用CNG氣瓶檢測過程模型

氣瓶檢測過程是氣瓶檢測站按照有關安全技術規范和國家標準的規定，對氣瓶進行定期檢驗，對檢驗合格的氣瓶打氣瓶定期檢驗鋼印或其他標記、對報廢氣瓶進行破壞性處理，并出具檢驗報告的過程。根據上述車用CNG氣瓶檢測工藝過程，建立車用CNG氣瓶檢測過程模型如圖2所示。

其中，待檢氣瓶到達指需檢測的氣瓶送達氣瓶檢測站指定地點，等待檢測；檢測資源指參與氣瓶檢測過程的人員、設備、裝置、工具等；檢測實施條件指包括檢測過程實施的資源、時間及狀態條件；檢測標準、規定指檢測過程中需要遵循的各種安全技術規范和國家標準；實施氣瓶檢測指在滿足檢測實施條件的情況下，按照檢測標準和技術規范，合理調度各種檢測資源對待檢氣瓶實施檢測；結果判定指對氣瓶在各檢測項目中的結果進行判定；合格氣瓶發放指將最終檢測結果為合格的氣瓶帶檢驗報告發放給氣瓶用戶，釋放所占用的檢測資源；氣瓶報廢處理指將最終檢測結果為不合格的氣瓶，進行報廢處理并帶氣瓶報廢通知書發還氣瓶用戶，釋放所占用的檢測資源。

1.3 車用CNG氣瓶檢測過程仿真模型

1.3.1 相關假設

（1）所建模型中氣瓶類型只區分CNG鋼瓶和CNG纏繞瓶，不考慮氣瓶的容量、樣式、結構等差異；（2）各類檢測設備、設施、工具等數量充足，狀態良好，無故障；（3）各工位檢測人員數量充足，技術熟練，不區分技術級別和職稱；（4）氣瓶按照先到先檢測的順序檢測。

1.3.2 檢測過程仿真模型

檢測線工序按照圖2 所示工藝過程進行順序布置，如氣瓶為CNG纏繞瓶，則跳過音響檢查、無損檢測、重量與容積測定、壁厚測量等檢測項目。通過對檢測過程分析，可將其分為檢測準備階段、分項檢測和檢后處理三個階段，利用Arena仿真平臺，建立車用CNG氣瓶檢測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（檢測準備子模型）如圖4所示。

1.3.3 主要功能模塊

仿真過程檢測模型中，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是從外部進入模型的起始點，用于表示各種氣瓶到達檢測系統，并定義氣瓶到達時間間隔和每次到達數等；Assign模塊定義各種氣瓶的驗收登記時間和到達時間等各種屬性；Station模塊表示檢測系統中的特定區域，包括氣瓶到達位置、各個檢測工序及最終離開位置；Route 模塊表示氣瓶從一個特定區域運動到另一個特定區域，用來設置工位間傳輸的方式和時間；Process模塊表示氣瓶在占用檢測資源的情況下進行的檢前準備、各項檢測以及檢后處理工作，包括氣瓶、資源和隊列的延時；Separate模塊用來實現瓶體和瓶閥的分離；Decide模塊用來判斷是否通過各項檢測；Dispose模塊用于表示氣瓶離開系統；Record 模塊用來得到各種氣瓶的檢測合格數、不合格數及系統逗留時間等；Resource模塊用來表示各種檢測資源的容量、調度等特征；Entity模塊用來編輯各類氣瓶的屬性；Queue模塊用來定義各個隊列的排隊規則等屬性。

2 檢測過程仿真實例及分析

2.1 檢測過程模型參數

氣瓶檢測線檢測工位、檢測設備和設施布局因場地、氣瓶混雜程度和面向安全性能而不同。以天津某檢測站為例，該站同時具有氣瓶拆裝和氣瓶檢測許可證書，可以接受公交車、出租車、運輸貨車、私家車等車輛的氣瓶拆裝和檢測工作。拆裝和檢測工作分別在拆裝車間和檢測車間進行，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車間，氣瓶送檢到達間隔時間服從指數分布，每次60只左右。該站除余氣處理和氣密性試驗為2個工位外，其余工序僅有1個工位。各工序檢測時間數據采用人工現場采集一周的方式獲取，其他數據如各種氣瓶在各檢測工序的報廢率、鋼瓶與纏繞瓶的數量比例等由該站最近一年（2012年6月1日至2013年5月31日）的統計數據得出。檢測過程模型參數在對所收集的數據進行統計加工的基礎上，經過檢測站技術負責人的確認，如表1所示。

2.2 檢測過程仿真實例結果分析

將上述數據輸入仿真模型，按照每天兩班檢測，每班8小時，仿真時長7天，進行50次的仿真，得到氣瓶檢測數量、系統逗留時間、平均隊長、平均隊列長、設備利用率等輸出指標。

2.2.1 氣瓶檢測數量和逗留時間仿真結果分析

氣瓶平均系統逗留時間為774.70分鐘，氣瓶最大系統逗留時間為6 344.11分鐘，其中氣瓶檢測時間僅占平均系統逗留時間的5.08%，等待時間占為77.97%，傳輸時間占16.95%；進入檢測系統的氣瓶數平均為1 774.00個，最大為3 272.00個；完成檢測的氣瓶數平均有1 422.10個，最多為1 671.00個；在檢測中的氣瓶數平均為239.65個，最大為1 606.00個。說明系統中氣瓶等待時間所占比例過高，進入系統中的待檢氣瓶數量較多，氣瓶在各工位堆積現象嚴重，檢測線檢測效率較低。

2.2.2 平均隊列長和平均等待時間仿真結果分析

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

其余平均隊列長除瓶閥拆卸和內部檢查分布為4.69和1.58外，均不足1。另外，外觀音響檢測、壁厚測量、重量測定、內部干燥、廢瓶破壞性處理、表面涂覆等工序的平均隊列長和平均排隊等待時間都為0。說明各檢測工序平均隊列長和排隊等待時間差異很大，氣瓶在某些檢測工序出現嚴重堵塞現象，檢測線各工序間任務分配嚴重不均衡。

2.2.3 資源利用率仿真結果分析

從資源的利用率可以看出，氣密性試驗工序的資源利用率平均為0.8482，最大平均達到0.9956。其次是內外表面清理工序和內部檢查工序，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、容積測定、水壓試驗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，分別是壁厚測量、重量測定、內部干燥、打檢驗標記和氣瓶報廢處理工序。說明檢測線各工序間工作任務忙閑嚴重不均衡。

3 檢測系統資源優化措施及效果

3.1 檢測系統資源優化措施

為提高氣瓶檢測系統的運行效率，運用系統分析和工業工程中“5W1H”、“ECRS四大原則”從氣瓶數量、排隊等待時間、資源利用率等方面對氣瓶檢測系統提出如下改進和優化措施。

（1）調整資源利用率。在參照平均隊長和平均隊列長仿真結果的前提下，對資源利用率偏低（小于0.5）的工序進行合并，對資源利用率偏高的工序增加設備和操作人員，具體為：原工序號4氣瓶內外表面處理和工序號8內部檢查各增加1工位，工序號16氣密性試驗增加2個工位；原工序號5和6、9和10、13和14、17～20分布合并為一個工序，原來的20個工序、22工位合并后為14個工序、20個工位，檢測線總體人數減少2人。

（2）送檢氣瓶批量減小，次數增加。為減小同時進入檢測線的氣瓶數量，減少氣瓶擁堵現象，提出減小氣瓶的送檢批量、增加氣瓶送檢次數的改進措施。將氣瓶的送檢到達時間間隔從原來的均值為8小時、每批到達64個的指數分布調整為均值為2小時、每批到達16個。

（3）工序布局優化，縮短運輸距離。按照上述工序合并調整檢測線布局，縮短檢測設備間距離為原來的一半以上，由一人操作幾個工序的設備按U型布置。

3.2 檢測系統資源優化效果

經過上述調整后，相應改變仿真模型及參數，優化后各工序資源利用均衡，檢測效率提高22.71%，平均系統逗留時間縮減62.45%，雖然進入檢測系統的氣瓶總量數增加，但同時在線檢測的氣瓶數量大幅下降；平均隊列長、平均排隊等待時間均下降；各檢測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象明顯改善，各工序間距離縮小近半，各工序間的運輸時間縮短近半，工人移動距離減少，勞動強度下降。檢測過程優化前后部分輸出結果比較如表2所示。

4 結 論

利用Arena仿真平臺，實現了車用氣瓶檢測過程模型的動態仿真，其仿真結果可用來分析各類資源的忙閑狀態、平均隊長和平均隊列長等系統輸出性能指標，進而發現影響或制約系統效率的瓶頸，為提高檢測效率、優化資源調配、調整工序布局提供支持。通過修改輸入參數，可以很方便地進行備選方案的比較和優選，運用Arena仿真進行對檢測過程資源優化均有工程應用價值。

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