基于啟發(fā)式算法的混合動力公交客車二級維護(hù)周期優(yōu)化研究

朱 榮 徐雙應(yīng)

（1-陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院 陜西 咸陽 712000 2-長安大學(xué)汽車學(xué)院）

引言

為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，中國政府大力推行簡政放權(quán)政策。自2016年3月起，《道路運輸車輛技術(shù)管理規(guī)定》正式執(zhí)行，繼而代替已使用25年之久的《汽車運輸業(yè)車輛技術(shù)管理規(guī)定》（交通部令1990年第13號）和已使用18年之久的《道路運輸車輛維護(hù)管理規(guī)定》（交通部令1998年第2號，交通部令2001年第4號修正)[1]。《道路運輸車輛技術(shù)管理規(guī)定》明確規(guī)定了道路運輸車輛執(zhí)行“日常維護(hù)、一級維護(hù)、二級維護(hù)”的三級維護(hù)制度，并將維護(hù)周期的規(guī)定權(quán)下放給企業(yè)，由企業(yè)自行制定。在這種政策背景下，道路運輸企業(yè)為了提高運營效率，保障車輛技術(shù)狀況，節(jié)約生產(chǎn)運營成本，勢必對原來執(zhí)行的二級維護(hù)周期進(jìn)行優(yōu)化，以期合理延長車輛的維護(hù)周期。

然而，車輛的維護(hù)周期不能盲目地縮短或延長。若維護(hù)周期定得太長，雖然可以提高使用效率，降低運營及維護(hù)成本，但可能使車輛因某些系統(tǒng)及零部件因未能及時維護(hù)而導(dǎo)致故障頻發(fā)、拋錨，進(jìn)而增加車輛的修理成本。若維護(hù)周期定得太短，表面上能降低車輛拋錨概率，保持車況良好狀態(tài)，但提高了車輛的維護(hù)成本，降低了車輛的使用效率。此外，在二級維護(hù)過程頻繁的拆檢中，勢必會對一些系統(tǒng)、總成及零部件有所損傷。

國內(nèi)關(guān)于車輛維護(hù)周期優(yōu)化的研究始于20世紀(jì)八九十年代，但截至當(dāng)前，研究成果并不多。總結(jié)起來，研究成果主要有3類：第1類是基于某一項約束條件建模，求得優(yōu)化周期[2-7]；第2類是利用維護(hù)周期里程試驗，結(jié)合經(jīng)濟(jì)分析法及線性回歸，求得最優(yōu)維護(hù)周期[8]；第3類是應(yīng)用多目標(biāo)規(guī)劃理論，選取2個及以上變量，綜合考慮，求得最優(yōu)維護(hù)周期[9-12]。對以上3類周期優(yōu)化方法分析比較顯示，第3類所考慮的約束條件多，計算出的維護(hù)周期比前2類優(yōu)越。第1類和第3類主要是通過建模，結(jié)合車輛使用或維修數(shù)據(jù)，經(jīng)計算得出，缺乏實踐論證對比分析。第2類只有實踐論證對比分析，選取的維護(hù)周期里程間隔缺乏有效依據(jù)，且在實踐論證時，只考慮了車輛維護(hù)和修理的經(jīng)濟(jì)性。

1 二級維護(hù)周期優(yōu)化方法

本文的研究思路是在充分汲取上述第2類和第3類維護(hù)周期優(yōu)化方法精髓的基礎(chǔ)上，引進(jìn)啟發(fā)式算法的思想，將二級維護(hù)周期進(jìn)行逐步優(yōu)化，并對最終結(jié)果加以驗證。

基于啟發(fā)式算法的二級維護(hù)周期優(yōu)化方法大致分為以下幾步：

1）選取若干影響二級維護(hù)周期的約束變量，以多目標(biāo)規(guī)劃理論為指導(dǎo)，得出初步優(yōu)化的二級維護(hù)周期；

2）進(jìn)行實車二級維護(hù)周期間隔里程對比試驗，得出進(jìn)一步優(yōu)化的二級維護(hù)周期；

3）將二級維護(hù)周期應(yīng)用到實車運行中，通過故障率對比，確認(rèn)優(yōu)化后的維護(hù)周期是否具有可行性。可行性分析時，基于啟發(fā)式算法，根據(jù)可行性分析結(jié)果，視情況返回第1步進(jìn)行再優(yōu)化。

具體優(yōu)化流程如圖1所示。

圖1 二級維護(hù)周期優(yōu)化流程圖

本文以西安公共交通總公司的HIGER KLQ6129GCHEV1A混合動力公交客車為試驗對象，選取的約束變量有：制動安全、發(fā)動機機油使用壽命、企業(yè)維護(hù)管理制度等。

2 基于多目標(biāo)規(guī)劃理論優(yōu)化二級維護(hù)周期

2.1 制動安全目標(biāo)下的二級維護(hù)周期

對制動系統(tǒng)的檢修是二級維護(hù)作業(yè)項目中最關(guān)鍵的內(nèi)容之一，而對制動器的制動盤（或片）的測量更是不可或缺的內(nèi)容。試驗車（HIGERKLQ6129GCHEV1A）制動器的特點是前盤后鼓式。結(jié)合摩擦學(xué)原理[13]，在城市路況車輛正常行駛過程中，制動盤及制動蹄摩擦襯片的磨損程度與里程數(shù)呈線性關(guān)系，故制動安全性的衡量指標(biāo)可以是制動盤及摩擦襯片的磨損程度。

選取6條能代表西安整體道路交通條件的道路，運行一段時間后，西安公共交通總公司統(tǒng)計了6輛新車制動盤、摩擦襯片的磨損程度，如表1所示。

表1 制動盤及摩擦襯片磨損程度統(tǒng)計表

參考摩擦學(xué)原理，制動盤與摩擦襯片磨損量與里程之間具有一元線性關(guān)系：

式中：M為制動盤或摩擦襯片全部摩損量，mm；m為制動盤或摩擦襯片的平均磨損量，mm/104km；l為總運行里程，104km。

參考試驗車輛使用說明書，并考慮西安公共交通總公司對制動性能的標(biāo)定，制動盤使用極限為37 mm；摩擦襯片使用極限為5 mm。

結(jié)合公式（1）及試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，結(jié)果如表2所示。

表2 新制動盤及新摩擦襯片使用極限條件下車輛最大行駛里程

因此，把制動安全性當(dāng)作目標(biāo)約束條件時，二級維護(hù)周期的允許上限值為442 090 km。

2.2 機油使用壽命目標(biāo)下的二級維護(hù)周期

試驗車所搭載的發(fā)動機型號為YC6J190N-4，使用15 W/40天然氣發(fā)動機專用油。試驗車在車輛啟動、怠速、低速時，動力輸出源自動切換到電能驅(qū)動模式。而在這些運行工況下，傳統(tǒng)燃油發(fā)動機工作狀況差，潤滑條件惡劣。因此，混合動力公交客車發(fā)動機機油的失效機理與傳統(tǒng)動力車輛不同。當(dāng)前，關(guān)于天然氣發(fā)動機機油換油指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)暫未發(fā)布，學(xué)者均用汽油機機油換油指標(biāo)代替。選取5146號樣車與5159號樣車作為試驗車，在不同行駛間隔里程內(nèi)，依次選取樣本機油做100℃運動粘度、閃點、水分以及堿值測量試驗。測量結(jié)果如表3所示。

表3 發(fā)動機機油換油指標(biāo)測試結(jié)果統(tǒng)計

2.2.1 100℃運動粘度

經(jīng)分析，樣本機油的100℃運動粘度變化率如圖2所示。

運動粘度變化率的絕對值低于20%這一臨界點時，機油必須更換[14]。由圖2可知，2輛試驗車樣本機油的100℃運動粘度變化率的絕對值均在0%～6%之間，與換油指標(biāo)臨界值相比，2輛車的機油粘度測量值均在有效使用范圍內(nèi)。

2.2.2 閃點

樣本機油的閃點測試結(jié)果如圖3所示。

閃點低于100℃這一臨界點時，機油必須更換[14]。由圖3可知，2輛試驗車樣本機油的閃點均大于230℃，與換油指標(biāo)臨界值相比，2輛車的機油粘度指標(biāo)均在正常范圍內(nèi)。

圖2 樣本機油的100℃運動粘度變化率

圖3 樣本機油閃點變化圖

2.2.3 水分

樣本機油的水分測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 樣本機油的水分變化圖

水分超過0.2%這一臨界點時，機油必須更換[14]。由圖4可知，2輛試驗車樣本機油的水分均在0.14%以內(nèi)，與換油指標(biāo)臨界值相比，2輛車的樣本機油水分測量值均在有效使用范圍內(nèi)。

2.2.4 堿值

樣本機油的堿值測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 樣本機油的堿值下降率

堿值下降率超過50%這一臨界點時，機油必須更換[14]。由圖5可知，2試驗車在運行至25 000 km時，換油指標(biāo)堿值均已經(jīng)超過了臨界值。其中，5159號樣車行駛至23 000 km時，堿值下降率為49.534%，已接近臨界值。所以，機油的換油周期不得超過23 000 km。

2.3 確定初步優(yōu)化的二級維護(hù)周期

鑒于西安公共交通總公司采用“日常維護(hù)L0、一級維護(hù)L1、加強一級維護(hù)L11、二級維護(hù)L2、加強二級維護(hù)L22”的維護(hù)作業(yè)體系[1]，幾者之間的相互關(guān)系為L22=6L2=18L11=54L1，且發(fā)動機機油的更換在加強一級維護(hù)項目內(nèi)完成。因此，在考慮西安公共交通總公司維護(hù)管理制度的前提下，結(jié)合制動安全性試驗及發(fā)動機機油試驗結(jié)果，確定車輛的二級維護(hù)周期不得超過46 000km。

3 二級維護(hù)周期間隔里程試驗

基于多目標(biāo)規(guī)劃條件下確定的二級維護(hù)周期的上限值，選取2輛試驗車進(jìn)行二級維護(hù)周期間隔里程試驗，分別選取（18 000±400）km、（23 000±400）km、（28 000± 400）km、（30 000±400）km 等 4 個值，其中，前3個值在試驗階段只依據(jù)車輛使用說明書對二級維護(hù)作業(yè)項目進(jìn)行檢測，并統(tǒng)計車輛故障；最后1個值在試驗階段，在統(tǒng)計完車輛故障后，進(jìn)行二級維護(hù)作業(yè)。

統(tǒng)計后的故障數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 二級維護(hù)周期間隔里程試驗車輛故障數(shù)統(tǒng)計

在18 000～30 000 km間隔里程內(nèi)，試驗車輛均未發(fā)生致命故障或嚴(yán)重故障。將統(tǒng)計的車輛故障數(shù)與二級維護(hù)周期間隔里程之間做線性擬合，運用CORREL函數(shù)（Excel）求得2者的相關(guān)系數(shù)為0.410 997。鑒于0.410 997＜0.5，因此，車輛故障數(shù)和二級維護(hù)周期間隔里程之間線性關(guān)系不顯著。進(jìn)而說明，將試驗車的二級維護(hù)周期間隔里程從18 000 km延長至30 000 km，車輛故障率可控，且故障數(shù)無顯著變化。

4 優(yōu)化后的維護(hù)周期可行性分析

為驗證混合動力公交客車的使用可靠性在優(yōu)化后的二級維護(hù)周期與優(yōu)化前的維護(hù)周期有無顯著差異，選取能代表西安道路交通條件的40輛40路混合動力公交客車作為研究對象。維護(hù)周期優(yōu)化后，車輛試運行一年，記錄車輛的主要技術(shù)狀況和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

分析表明：

1）車輛在營運過程中無拋錨事故發(fā)生；

2）車輛未進(jìn)行過車輛大修或總成大修；

3）全年內(nèi)，車輛累計進(jìn)廠維護(hù)和修理時間縮短，運營效率提高；

4）全年內(nèi)，投入車輛維護(hù)和修理的各項經(jīng)濟(jì)費用顯著降低；

5）優(yōu)化后的車輛小修頻率小于0.4次/103km，和優(yōu)化前的車輛小修頻率接近，無顯著變化；

6）優(yōu)化后的車輛小修頻率遠(yuǎn)低于西安公共交通總公司傳統(tǒng)動力源車輛約1.5次/103km的平均小修頻率。

通過對比優(yōu)化前后的混合動力試驗車的主要技術(shù)狀況和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可知，二級維護(hù)周期優(yōu)化后，車輛在保證技術(shù)狀況未顯著變化的基礎(chǔ)上，車輛的運營效率得到了提高，維修成本顯著降低。進(jìn)一步說明優(yōu)化是可行的。

考慮到彈性安排車輛進(jìn)廠進(jìn)行維護(hù)作業(yè)，西安公共交通總公司將混合動力公交客車的二級維護(hù)周期定為 28 000～30 000 km。

5 結(jié)論

以西安市為例，在充分借鑒國內(nèi)學(xué)者相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，引入啟發(fā)式算法思想，設(shè)計了一套切實可行的混合動力公交客車二級維護(hù)周期優(yōu)化方案。該方案的特別之處在于，以多目標(biāo)規(guī)劃理論建模求得二級維護(hù)周期，通過間隔里程試驗進(jìn)行了再優(yōu)化，并將二級維護(hù)周期優(yōu)化前后車輛的主要技術(shù)狀況和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行了對比，從而判斷優(yōu)化后的維護(hù)周期是否可行。

通過對比優(yōu)化前后的混合動力公交客車的主要技術(shù)狀況和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可知，二級維護(hù)周期優(yōu)化后，車輛在保證技術(shù)狀況未顯著變化的基礎(chǔ)上，車輛的運營效率得到了提高，維修成本顯著降低，車輛的使用可靠性得到了有效提高。

該混合動力公交客車二級維護(hù)周期優(yōu)化方案對于道路運輸車輛及工程機械車輛的維護(hù)周期優(yōu)化均具有一定的借鑒意義。