基于流水線策略的充電樁檢測方法

汪先煒，湯國龍，胡華鋒

（國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，武漢 430070）

引言

2020年3月，“新基建”被正式提出，其中電動汽車充電設施即充電樁被確定屬于“新基建”的范圍，即將成為我國在基礎設施建設方面接下來“十四五規劃”的工作重點[1]。國家電網營銷智用〔2018〕45號文要求，電動汽車充電樁安裝前必須進行抽樣檢測和到貨全檢，以保證該批次樣品的計量準確、安全可靠[2]。隨著充電樁建設規模的增大，存在著充電樁數量龐大，檢測工作量大的現實問題。

國網湖北省計量中心依據國家能源局2018年發布的交流充電樁和直流充電樁檢驗規范。提出了一種基于CAN總線檢測實現方法[3]。國網湖北省電力科學研究院對充電樁CAN總線檢測方式的安全性和穩定性進行了相關研究，提出了一種基于蟻群算法的充電樁CAN總線測試方式[4]。國網浙江省電力科學研究院設計了一套充電樁協議互操作性檢測系統[5]。云南電網對充電樁檢測的關鍵技術進行了深入研究，設計出一套全功能充電樁檢測系統，可以實現交流充電樁、直流充電樁性能和計量準確性的檢測[6]。廣東珠海質量監督檢測所對電動汽車充電樁的試驗系統進行了詳細的方案設計，提出了一種充電樁檢測試驗工作臺，具備初步的充電樁全功能檢測能力[7]。

本文研究的充電樁檢測方法基于流水線策略，將流水線的模式運用到充電樁檢測中，通過研究充電樁檢測和生產制造流水線之間的相同點和不同點，來設計一種充電樁檢測流水線模型[8,9]，能夠顯著的提高充電樁檢測的效率。

1 現存的充電樁到貨檢測方法

目前，國網電力科學研究院等國家電網各科研院所已經研發出一套完備的充電樁檢測平臺和配套設備，具備國家計量檢定規程《電動汽車交流充電樁》和《電動汽車非車載充電機》中規定的充電樁各類檢測項目的檢測能力[10]。

充電樁現行的檢測流程是：充電樁生產廠家將待檢測充電樁運送到計量中心，檢測人員將待檢充電樁搬運至檢測試驗室，隨后人工拆除充電樁木包裝進行外觀檢查和一般特性檢查并記錄結果，之后檢測人員連接待檢充電樁和協議互操作、計量一致性檢測設備之間的檢測線、連接待檢充電樁和負載之間的電源線、連接測試線和信號線，接線完畢后通電依次進行協議互操作性和計量一致性等檢測內容，這個過程需3～4 h。檢測完成后記錄數據，生成報表，拆除所有連接線，然后進行木包裝打包，重新打包之后的充電樁搬運至戶外堆場或倉庫存放[11]。

2 制約充電樁檢測效率原因

針對充電樁目前檢測現狀，本文從試驗人員、試驗設備、試驗方法三個方面對造成充電樁檢測效率低的因果關系進行分析。

2.1 充電樁檢測試驗人員

充電樁檢測項目中包含38項，目前的檢測方式幾乎每一個項目都需要現場試驗人員進行測試線、信號線、電源線的安裝，操作過程中幾乎每一項都需要現場試驗人員進行檢測儀器的操作，檢測數據的讀取記錄。待檢測充電樁從倉庫到試驗室需人工操作叉車來回搬運，費時費力。此外，充電樁在檢測過程中，試驗人員必須等待當前檢測項目完成，才可以繼續進行下一項的檢測項目，試驗人員等候時間長，人員利用效率低[12]。

2.2 充電樁檢測試驗設備

目前的檢測設備是針對待檢測充電樁配置滿足所有檢測項目要求的試驗設備，在進行配電容量設計時，為了滿足240 kW大功率直流充電樁的檢測需求，往往單套檢測設備配置的電源容量很大。如果配置多套充電樁檢測設備，那么配置的電源容量會成倍的增加，隨之而來的導致電纜、插頭、開關等配套設備的電流等級也會成倍增加，增加試驗室施工難度和成本。

其次，在38項充電樁檢測項目中，部分項目需要帶負載進行測試，為了滿足240 kW大功率直流充電樁的檢測需求，每套充電樁檢測設備需配置240 kW的直流負載，如果配置多套充電樁檢測設備，同樣的，配置的直流負載也會成倍的增加，增加檢測試驗室的設備占用面積和建設投入成本。

最后，單套設備配置檢測設備具備所有檢測項目的檢測能力，當進行其中的某項試驗項目時，其他所有的檢測設備都處于閑置狀態，造成設備資源的嚴重浪費，嚴重影響充電樁檢測的試驗效率[13]。

2.3 充電樁檢測試驗方法

充電樁檢驗規程要求的檢測項目達38項，這些檢測項目的試驗操作、試驗結果記錄都只能靠現場的試驗人員來完成，工作復雜，容易造成試驗人員思路混亂，工作失誤，造成檢測結果錯誤，增加復檢次數，嚴重影響工作效率。

其次，充電樁檢測項目中，部分項目耗時非常長，例如：計量顯示值誤差測量，計費金額誤差測量等項目。在進行這些非常耗時的檢測項目時，其他設備和現場試驗人員都處于等候狀態，這些耗時長的檢測項目嚴重影響了充電樁檢測的工作效率[14]。

3 充電樁流水線檢測方法

從第2節可以發現，目前充電樁檢測效率的低下主要是檢測流程復雜、占用設備過多、檢測人員專業素質不夠、智能化程度不高等問題造成的。類似的，在生產制造領域，生產流水線發明之前，各類產品制做主要由專業的匠人手工打造，存在制做流程復雜、采用的生產工具多、專業能力要求高、智能化程度低等問題[8,9]。而流水線的提出將一個復雜的生產活動劃分為若干個工位，采用智能化的設備進行生產、減少單位產出的設備投入、降低操作工人專業能力門檻、提高生產活動的智能化程度，大大的提高了生產效率[15]。

3.1 充電樁檢測流水線理論依據

1766年亞當·斯密在《國富論》里面提出“生產勞動分工”理論：當某一生產任務被劃分成若干個小的任務，將生產工人安排到這些小的任務上面工作，那么這些工人在完成這一小的生產任務時將會變得非常的熟練和高效，每個工人都會成為對應小的任務方面的專家[16]。伊萊·惠特尼和他人在19世紀初一同提出“零件的互換性”理論：當生產活動中相同類型零部件之間的公差在控制一定范圍內時，那么在生產裝配過程中每一類型零部件中的任意一個都可以進行裝配生產[17]。

在當前各省計量中心開展的充電樁檢測工作，已經存在滿足上述兩種理論的基礎，與生產流水線類似。雖然充電樁檢測過程和制造過程中有著一些相同的地方，具備建立充電樁檢測流水線的基礎，但是充電樁的檢測過程與制造過程也存在著很多有差異的地方，充電樁檢測也有著其獨特之處，如表1所示。

表1 充電樁檢測與制造過程區別

假設把充電樁檢測看作成已檢充電樁數據的制造工廠，那么檢測流水線就是其中的一條制造流水線。盡管充電樁的檢測過程與車間生產過程存在很多的差異，但是對于不同充電樁應該進行的檢測項目和順序大致上是一樣的，所以從這個角度來看，充電樁檢測流水線就是一個具備標準檢測流程的制造工廠[18,19]。

3.2 充電樁檢測流程分解

充電樁檢測流程分為三個主要部分：

1）自動化流水線檢測前工序：主要包括待檢充電樁出庫，充電模塊出庫，拆木包裝，木包裝箱入庫存放，人工檢測項目，自動化檢測工裝出庫，待檢充電樁與自動化檢測工裝人工接線，各工序如表2所示。

表2 拆包、人工檢測及接線工序

2）動化流水線檢測工序：待檢充電樁與自動化檢測工裝人工接線完成后，通過AGV自動導引車轉運至自動化檢測工位，自動化檢測工位設置有電動汽車充電設施自動檢測平臺，自動化檢測工位可以實現如表3所示的國家標準中要求的檢測項目。整個自動檢測工序，根據目前各充電樁計量單位日常開展充電樁檢測工作統計，耗時約200.5 min。

表3 自動檢測平臺檢測項目

3）自動化流水線檢測后工序：包括充電樁拆線、充電樁包裝箱出庫、充電模塊包裝箱出庫、人工拆除充電模塊、已檢充電樁打包、已檢充電樁入庫、充電模塊入庫，各工序如表4所示。

表4 檢測完成后拆線、打包

3.3 充電樁檢測流水線工位及流程設計

本課題中根據各個工序對人員專業技能和設備需求不同，劃分出四個不同的工位，分別是：拆打包工位、接線工位、人工檢測工位、自動化檢測工位。各工位工作內容和所需要的人力物料資源如表5所示。

表5 充電樁檢測流水線各工位劃分

通過AGV自動導引小車將充電樁在拆打包工位、接線工位、人工檢測工位、自動化檢測工位之間串聯流動起來。檢測流水線流程設計如圖1所示，檢測流水線充電樁流水路徑如圖2所示。

圖1 檢測流水線流程圖

圖2 檢測流水線流轉路徑

4 充電樁流水線線平衡

線平衡問題是關于流水線研究中的一種重要問題，充電樁自動檢測流水線的檢測效率主要取決于對人力、物力各方面的資源利用率，而線平衡的研究可以有效的提高檢測流水線各方面資源的利用率[20]。通過對充電樁檢測流水線的各個流程線平衡研究，對充電樁全周期中各個環節進行充電樁被試品、檢測人員、試驗檢測設備、運輸設備的物流設計，保證人力物力各方面的協調、充分調動，試驗充電樁檢測流水線的設定檢測目標，提高充電樁檢測效率。

4.1 流水線各工序時間測算統計

北京市作為電動汽車發展建設運營的第一批試點城市，在開展充電樁檢測工作已具備多年工作經驗，且試驗設備齊全，試驗場地充足。作者深入北京電力科學研究充電樁檢測實驗室開展調查研究，對作者在本文中設計的充電樁檢測流水線方案中劃分的各個工位和工序在現場開展模擬試驗，設定現場物流運輸由兩臺自動搬運導引車AGV工作，對各個工序環節的實際操作時間測算，測算統計結果如表6、表7、表8所示。

表6 拆包、人工檢測及接線工序時間

表7 自動檢測工序時間

表8 檢測完成后拆線、打包時間核算

4.2 充電樁流水線檢測方法效率驗證

充電樁檢測流水線的各個環節之間存在著復雜的相互關系，包括：

1）順序關系：例如必須完成待檢充電樁與自動化測試工裝接線以后才能進行自動化測試；上一臺充電樁進行自動化測試時，由于自動化檢測平臺設備占用，無法進行下一臺充電樁的自動化測試。

2）并行關系：假設本課題中檢測流水線所用到運輸工具AGV自動導引車每一條流水線配置兩臺，那么例如待檢充電樁從存儲區域運輸到拆包裝工位的同時，已檢充電樁可以從打包工位運輸到充電樁存儲區域。

只有充分發揮檢測流水線各個環節之間的順序關系和并行關系，才能將充電樁檢測流水線的檢測效率最大化。假設某省電力公司開展的充電樁檢測流水線6批次為一個周期，全周期甘特圖如圖3所示。

圖3 檢測流水線循環時間節拍周期甘特圖

流水線全檢環節工作按照每天最大6批開展，每批完成5臺充電樁的檢測工作，測試總時間430.5 min，24 h最大檢測量30臺，10 h最大檢測量10臺。

由圖3可以看出完成一個周期6個批次檢測時間為1431.5 min，平均單個周期的檢測時間為238.6 min，而單獨一個批次完整的檢測時間如圖所示430.5 min，可以看出檢測效率整整提高一倍。

5 結論

本文針對目前充電樁檢測任務的迫切需求和目前面臨的難題，提出了充電樁檢測流水線的策略，并構建了充電樁檢測流水線管理系統的模型，為大批量、快速、準確的開展充電樁檢測業務提出一個可行的解決方案。并對充電樁檢測過程的所有環節進行拆解分析，根據專業性、設備要求、人員要求，操作時間等要素合理的劃分為若干個流水線工位，設計出串聯所有工位的檢測流程，對充電樁檢測各個環節的耗時進行了測算，依據線平衡分析原理，對各個環節的順序關系和平行關系進行分析，模擬充電樁檢測流水線對到貨充電樁進行分批次流水化檢測，進行線平衡分析，歸納計算出系統檢測最優甘特圖，進一步驗證了充電樁檢測流水線對充電樁檢測效率的提升作用。