基于ABC 分析法的露天礦卡車油耗控制系統(tǒng)

丁煥杰

（中煤平朔集團(tuán)有限公司，山西朔州 036006）

隨著“單斗-卡車”間斷生產(chǎn)工藝在露天采礦推廣應(yīng)用，重型卡車已成為大型露天礦生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，卡車油耗成本占露天礦經(jīng)營(yíng)成本的比重越來(lái)越大[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，露天煤礦燃油消耗成本約占運(yùn)輸成本的40%左右[2]、約占單位生產(chǎn)成本的15%左右，燃油消耗已成為露天生產(chǎn)成本的重要組成部分[3]。從宏觀上來(lái)說(shuō)，卡車燃油主要消耗在克服運(yùn)距和高差上[4]。此外，道路質(zhì)量、天氣變化、輪胎狀況、駕駛習(xí)慣等多種復(fù)雜因素共同影響燃油消耗指標(biāo)的確定。因此，客觀準(zhǔn)確地標(biāo)定燃油單耗并能及時(shí)判斷單臺(tái)卡車燃油消耗是否異常，對(duì)控制露天礦生產(chǎn)成本具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 油耗控制系統(tǒng)方案

1.1 基本原理

意大利經(jīng)濟(jì)學(xué)家帕雷托發(fā)現(xiàn)美國(guó)80%的人只掌握了20%的財(cái)產(chǎn)，而另外20%的人卻掌握了80%的財(cái)產(chǎn)。將這一關(guān)系用圖表的方式表示出來(lái)，就是著名的帕累托定理，ABC 分析法原理圖如圖1，也就是“80/20”規(guī)則。該規(guī)則的核心思想就是決定一個(gè)事物的眾多因素中，少數(shù)因素對(duì)事物具有決定性作用，而多數(shù)屬于對(duì)事物影響較小的次要因素。ABC 分析法基于這一原理，通過(guò)分類排隊(duì)，將“關(guān)鍵的少數(shù)”因素找出來(lái)[5]，將有限的力量用于解決具有決定性影響的“關(guān)鍵的少數(shù)”事物上[6]，就會(huì)取得事半功倍的效果。

圖1 ABC 分析法原理圖

1.2 設(shè)計(jì)思路

由于記錄手段和認(rèn)知的不同，多數(shù)露天生產(chǎn)企業(yè)燃油消耗通常采用單方油耗（kg/m3）、公里油耗（kg/km）、小時(shí)油耗（kg/h）等統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，為了反映不同運(yùn)距條件下的單方油耗，也引用了方公里油耗（kg/m3·km）的概念。由于礦山生產(chǎn)條件復(fù)雜多變，上述因素對(duì)燃油消耗的影響顯然不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，常規(guī)的油耗統(tǒng)計(jì)指標(biāo)由于脫離作業(yè)條件、片面地考慮單一因素，因此是不可靠的。

露天礦卡車油耗控制系統(tǒng)基于ABC 分析法基本原理，利用大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，對(duì)露天礦卡車運(yùn)輸復(fù)雜多變的運(yùn)行狀態(tài)和條件進(jìn)行歸納分析，從中找出作業(yè)比重較大的“關(guān)鍵的少數(shù)工況”，進(jìn)行重點(diǎn)分析研究，從而建立起“工況-油耗”關(guān)系模型，將燃油消耗統(tǒng)計(jì)指標(biāo)賦予工況條件背景。方案設(shè)計(jì)基本思路為：定義典型工況→測(cè)定典型工況下同類型卡車標(biāo)準(zhǔn)“車油耗”→根據(jù)卡車不同工況下的作業(yè)量標(biāo)定理論耗油量→與實(shí)際耗油量比對(duì)→判定是否異常。

1.3 技術(shù)難點(diǎn)

1）標(biāo)準(zhǔn)油耗測(cè)定環(huán)節(jié)需要著重解決以下問(wèn)題：①典型工況的定義，確定區(qū)分典型工況和非典型工況的標(biāo)準(zhǔn)；②測(cè)定數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，包括在時(shí)間跨度和作業(yè)卡車數(shù)量2 個(gè)維度的有效覆蓋范圍，決定了測(cè)定數(shù)據(jù)的更新頻率和使用條件；③非典型工況的修正方案，主要解決卡車運(yùn)輸在非典型工況條件下油耗的影響以及對(duì)耗油標(biāo)準(zhǔn)的修正。

2）油耗異?？ㄜ嚺袛喹h(huán)節(jié)需要重點(diǎn)解決以下問(wèn)題：①時(shí)間范圍的選取，也就是異常報(bào)警的時(shí)間區(qū)間，決定了異常判斷指令執(zhí)行的頻率和；②典型工況條件下理論耗油量的標(biāo)定，是卡車燃油消耗的主要部分，也是控制卡車燃油消耗的關(guān)鍵點(diǎn)；③其他條件下理論耗油量的標(biāo)定，包括特殊情況、極端情況的處理，例如某臺(tái)卡車相對(duì)集中地在非典型工況條件下作業(yè)、卡車加油后下車間等特殊情況的處理；④異常判定的準(zhǔn)確性和實(shí)效性，包括誤報(bào)警情況是否排除、異常報(bào)警是否及時(shí)等問(wèn)題。

2 典型工況

2.1 電鏟典型工況

通過(guò)對(duì)平朔集團(tuán)安家?guī)X礦、東露天礦近2 個(gè)月的裝卸明細(xì)進(jìn)行多角度、多方位的研究分析，驗(yàn)證了露天生產(chǎn)也符合“80/20 規(guī)則”。選取單一電鏟為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)其對(duì)應(yīng)多個(gè)不同的卸載點(diǎn)，據(jù)此定義為多個(gè)不同的工況，典型工況分類如圖2。

圖2 典型工況分類

通過(guò)對(duì)不同工況占電鏟總作業(yè)量的比重由大到小進(jìn)行排列，依次累加求和，發(fā)現(xiàn)排名前3 名的工況比重之和往往大于85%、甚至個(gè)別電鏟比重最大的單一工況就超過(guò)90%，因此可以通過(guò)ABC 分析法定義典型工況，電鏟典型工況示意圖如圖3。由于有作業(yè)量的支撐，通過(guò)ABC 分析法定義的典型工況相對(duì)較為固定、作業(yè)比重較大，屬于“關(guān)鍵的少數(shù)工況”，也就是需要重點(diǎn)分析研究的典型工況。根據(jù)車鏟匹配情況、燃油消耗數(shù)據(jù)進(jìn)而確定在典型工況條件下，不同卡車型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)“車油耗”。

圖3 電鏟典型工況示意圖

如以電鏟為研究對(duì)象，分析與之匹配的卡車類型的分布規(guī)律，同樣符合“80/20 規(guī)則”，甚至某一種類型卡車的作業(yè)量占據(jù)了電鏟總作業(yè)量的90%以上，為單一電鏟作業(yè)需重點(diǎn)研究的“少數(shù)的關(guān)鍵車型”。

2.2 卡車典型工況

對(duì)于單臺(tái)卡車而言，由于自主性較強(qiáng)、作業(yè)比較靈活，生產(chǎn)組織過(guò)程中甚至具備自主選鏟、臨時(shí)卸載權(quán)限，作業(yè)條件不穩(wěn)定、不唯一。因此與之匹配的工況分布規(guī)律雖然也符合“80/20 規(guī)則”，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看個(gè)別卡車排名靠前的幾個(gè)工況呈現(xiàn)出作業(yè)比重大致相當(dāng)?shù)囊?guī)律。

3 標(biāo)準(zhǔn)油耗的測(cè)定

3.1 測(cè)定對(duì)象的確定

根據(jù)ABC 分析法原理，以電鏟為對(duì)象，設(shè)定典型工況的篩查條件為“作業(yè)比重由大到小累加求和≥85%”，設(shè)定測(cè)定卡車類型的查詢條件為“被測(cè)工況作業(yè)比重由大到小累加求和≥90%”。由于單臺(tái)卡車對(duì)于不同工況分布規(guī)律呈現(xiàn)均勻分布的特殊性，測(cè)定卡車的選擇，可以設(shè)定篩查條件為“被測(cè)工況作業(yè)比重由高到底排名前8 名”，以實(shí)現(xiàn)在單一工況作業(yè)比重不高的條件下選取相對(duì)較高的卡車，同時(shí)選取8 輛卡車也避免了個(gè)別司機(jī)操作技術(shù)對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響。

3.2 時(shí)間范圍的確定

時(shí)間范圍的選定既要有一定的跨度，確保將可能選中特殊的、極端的油耗異常情況（峰值），以反映總體平均水平；同時(shí)也要有一定的限度，確保所測(cè)定的油耗能基本反映所測(cè)工況的作業(yè)環(huán)境和條件。據(jù)推算，1 臺(tái)電鏟正常作業(yè)情況下1 周所推進(jìn)的工作線長(zhǎng)度約200 m 左右。因此，油耗測(cè)定的時(shí)間范圍暫定為查詢?nèi)掌谙蚯巴? d，第（n-6）d（含）第1 次加油時(shí)刻開(kāi)始至第n d（含）最后1 次加油時(shí)刻終止，時(shí)間跨范圍確定為7 d。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)油耗的測(cè)定方法

逐臺(tái)統(tǒng)計(jì)測(cè)定卡車在被測(cè)工況條件下的作業(yè)車數(shù)和運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)統(tǒng)計(jì)測(cè)定卡車總耗油量和總運(yùn)行時(shí)間?？梢越频卣J(rèn)為卡車燃油消耗量與作業(yè)時(shí)間是線性函數(shù)關(guān)系，根據(jù)測(cè)定卡車在被測(cè)工況條件下的運(yùn)行時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)間的比重對(duì)總耗油量進(jìn)行分配，則被測(cè)工況燃油消耗分配公式：

式中：q 為測(cè)定卡車在被測(cè)工況條件下的燃油消耗量，L；h 為測(cè)定卡車在被測(cè)工況條件下作業(yè)的時(shí)間，min；H 為測(cè)定卡車總運(yùn)行時(shí)間，min；Q 為測(cè)定卡車總耗油量，L。

分別對(duì)所有同類型卡車在被測(cè)工況條件下對(duì)應(yīng)的的耗油量和作業(yè)車數(shù)先累加、后相除，便可求出該類型卡車在被測(cè)工況條件下的標(biāo)準(zhǔn)“車油耗”。以此類推，直至測(cè)定出所有典型工況條件下、不同卡車類型對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)“車油耗”。

4 燃油消耗異常的判斷

4.1 時(shí)間范圍的選取

以“加油行為”為篩選條件，凡是在查詢?nèi)掌谟屑佑陀涗浀目ㄜ嚲鶓?yīng)該對(duì)“油耗是否異常”進(jìn)行判斷。時(shí)間范圍的選取要足夠短，以便保護(hù)、利用特殊異常的油耗峰值，作為油耗異常的特征，因此異常判斷的時(shí)間區(qū)間為查詢?nèi)掌诩佑蜁r(shí)刻向前追溯至上一次加油時(shí)刻，如果1 天有多次加油記錄則多次追溯。對(duì)所有卡車而言只要有“加油記錄”，就會(huì)自動(dòng)與上次加油時(shí)刻取得聯(lián)系，自動(dòng)分析自上次加油至本次加油的作業(yè)情況和油耗情況。

4.2 理論油耗的標(biāo)定

針對(duì)查詢?nèi)掌谟屑佑陀涗浀目ㄜ?，逐臺(tái)統(tǒng)計(jì)本次加油至上次加油時(shí)間范圍內(nèi)各種工況條件下的作業(yè)車數(shù)、運(yùn)行時(shí)間、作業(yè)比重。根據(jù)ABC 分析法原理，以單臺(tái)卡車為對(duì)象，通過(guò)設(shè)定“作業(yè)比重由大到小累加求和≥85%”來(lái)區(qū)分卡車的典型工況和一般工況。

典型工況理論油耗根據(jù)該臺(tái)卡車在對(duì)應(yīng)工況條件下的作業(yè)車數(shù)，套用前期所測(cè)的相同工況條件下、對(duì)應(yīng)卡車類型的標(biāo)準(zhǔn)“車油耗”，先相乘、后累加標(biāo)定典型工況的理論油耗。一般工況對(duì)單臺(tái)卡車而言壽命短、作業(yè)量少，不影響全局，屬于“次要的多數(shù)”因素，但不能忽略不計(jì)?？梢韵葴y(cè)定不同型號(hào)卡車在測(cè)定時(shí)間范圍內(nèi)的平均小時(shí)油耗，然后按照一般工況條件下的運(yùn)行時(shí)間，對(duì)理論耗油量進(jìn)行修正。

4.3 判斷方法及結(jié)果修正

單臺(tái)卡車?yán)碚摵挠土?∑典型工況作業(yè)車數(shù)×標(biāo)準(zhǔn)“車油耗”+一般工況作業(yè)小時(shí)數(shù)×同類型卡車小時(shí)油耗。單臺(tái)卡車實(shí)際耗油量=本次加油量。

如果滿足條件：?jiǎn)闻_(tái)卡車實(shí)際耗油量＞理論耗油量的1.3 倍，則該臺(tái)設(shè)備判為異常。

5 油耗控制系統(tǒng)應(yīng)用效果

5.1 系統(tǒng)運(yùn)行

露天礦卡車智能調(diào)度系統(tǒng)，通過(guò)采用全球衛(wèi)星定位技術(shù)（GPS）、無(wú)線通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)，采集采礦設(shè)備動(dòng)態(tài)生產(chǎn)信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控和優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行，從而形成一種信息化、智能化、集成化的新型調(diào)度控制系統(tǒng)[7]。平朔集團(tuán)東露天礦卡調(diào)系統(tǒng)建設(shè)是中煤集團(tuán)信息化建設(shè)重點(diǎn)項(xiàng)目，已穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)量、軌跡查詢、運(yùn)行狀態(tài)記錄和設(shè)備加油記錄等基礎(chǔ)功能[8]，為項(xiàng)目實(shí)施提供了很好的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。通過(guò)卡車智能調(diào)度系統(tǒng)，嵌入開(kāi)發(fā)露天礦卡車油耗控制模塊，充分利用現(xiàn)有條件和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)燃油消耗控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行。

由于歷史原因，大多數(shù)卡車油位傳感器靈敏度和準(zhǔn)確性無(wú)法滿足實(shí)時(shí)計(jì)量燃油消耗數(shù)據(jù)的要求。引進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一時(shí)成為解決燃油監(jiān)測(cè)控制的唯一手段，但需投入大筆資金，且實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗監(jiān)測(cè)全覆蓋需要較長(zhǎng)的工期。所以，在程序開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)，對(duì)耗油量作以下基本假定：以“每次加油均加至油箱同一液位（也就是加滿油箱）”為基本假定，定義為：第n 次加油量=第n-1 次耗油量（時(shí)間區(qū)間為第n-1 次的加油時(shí)間至第n 次加油時(shí)間）。

5.2 標(biāo)準(zhǔn)油耗驗(yàn)證

為保證數(shù)據(jù)測(cè)定準(zhǔn)確性，從2019 年10 月底至12 月初在安太堡礦進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)50 d 的人工實(shí)測(cè)工作。要求卡車司機(jī)測(cè)試前將燃油加滿油箱，按指定的裝卸點(diǎn)和路線進(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)，測(cè)試完成后再次加滿油箱，利用卡調(diào)系統(tǒng)調(diào)取裝車電鏟、卸載土場(chǎng)、運(yùn)輸車數(shù)和測(cè)試完成后加油量，人工實(shí)測(cè)單一工況標(biāo)準(zhǔn)油耗，然后與系統(tǒng)測(cè)定的同類型卡車、同一工況的標(biāo)準(zhǔn)油耗進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。標(biāo)準(zhǔn)工況油耗現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)工況油耗現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定實(shí)測(cè)結(jié)果

由表已知R190、685、789、730、930 卡車標(biāo)準(zhǔn)油耗測(cè)定準(zhǔn)確率均在80 %及以上，即標(biāo)準(zhǔn)工況下的油耗測(cè)定值能夠覆蓋80 %以上的卡車。

5.3 油耗異常驗(yàn)證

隨機(jī)選取2020 年3 月4 日—4 月3 日連續(xù)1個(gè)月的油耗異常查詢記錄，共查出油耗異?？ㄜ?8臺(tái)次，其中9 臺(tái)次異常幅度超過(guò)理論定額的2 倍，應(yīng)該分析具體原因。特別是7828、7824、7834、9302、1915 5 臺(tái)卡車在1 個(gè)月內(nèi)發(fā)生多次油耗異常，應(yīng)該引起足夠的重視。

6 結(jié)語(yǔ)

ABC 分析法是質(zhì)量管理和成本控制方面比較經(jīng)典的方法。露天礦卡車油耗控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，為露天礦卡車燃油定額消耗管理提供了數(shù)據(jù)平臺(tái)，為后期引進(jìn)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)流量測(cè)控設(shè)備及數(shù)據(jù)處理提供了新的解決思路。同時(shí)，也為進(jìn)一步研究油耗與高差、運(yùn)距、坡度、路況以及駕駛習(xí)慣等因素之間的定量關(guān)系提供了數(shù)據(jù)支撐。