基于啟發(fā)式算法的混合動(dòng)力公交客車(chē)二級(jí)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(chē)工程學(xué)院 陜西 咸陽(yáng) 712000 2-長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院）

引言

為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，中國(guó)政府大力推行簡(jiǎn)政放權(quán)政策。自2016年3月起，《道路運(yùn)輸車(chē)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(chē)運(yùn)輸業(yè)車(chē)輛技術(shù)管理規(guī)定》（交通部令1990年第13號(hào)）和已使用18年之久的《道路運(yùn)輸車(chē)輛維護(hù)管理規(guī)定》（交通部令1998年第2號(hào)，交通部令2001年第4號(hào)修正)[1]?！兜缆愤\(yùn)輸車(chē)輛技術(shù)管理規(guī)定》明確規(guī)定了道路運(yùn)輸車(chē)輛執(zhí)行“日常維護(hù)、一級(jí)維護(hù)、二級(jí)維護(hù)”的三級(jí)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(yùn)輸企業(yè)為了提高運(yùn)營(yíng)效率，保障車(chē)輛技術(shù)狀況，節(jié)約生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本，勢(shì)必對(duì)原來(lái)執(zhí)行的二級(jí)維護(hù)周期進(jìn)行優(yōu)化，以期合理延長(zhǎng)車(chē)輛的維護(hù)周期。

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

國(guó)內(nèi)關(guān)于車(chē)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?？偨Y(jié)起來(lái)，研究成果主要有3類：第1類是基于某一項(xiàng)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(yàn)，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(gè)及以上變量，綜合考慮，求得最優(yōu)維護(hù)周期[9-12]。對(duì)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(jì)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(guò)建模，結(jié)合車(chē)輛使用或維修數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算得出，缺乏實(shí)踐論證對(duì)比分析。第2類只有實(shí)踐論證對(duì)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(shí)踐論證時(shí)，只考慮了車(chē)輛維護(hù)和修理的經(jīng)濟(jì)性。

1 二級(jí)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(jí)維護(hù)周期進(jìn)行逐步優(yōu)化，并對(duì)最終結(jié)果加以驗(yàn)證。

基于啟發(fā)式算法的二級(jí)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(jí)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(jí)維護(hù)周期；

2）進(jìn)行實(shí)車(chē)二級(jí)維護(hù)周期間隔里程對(duì)比試驗(yàn)，得出進(jìn)一步優(yōu)化的二級(jí)維護(hù)周期；

3）將二級(jí)維護(hù)周期應(yīng)用到實(shí)車(chē)運(yùn)行中，通過(guò)故障率對(duì)比，確認(rèn)優(yōu)化后的維護(hù)周期是否具有可行性?？尚行苑治鰰r(shí)，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(jí)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(dòng)力公交客車(chē)為試驗(yàn)對(duì)象，選取的約束變量有：制動(dòng)安全、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)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(jí)維護(hù)周期

2.1 制動(dòng)安全目標(biāo)下的二級(jí)維護(hù)周期

對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的檢修是二級(jí)維護(hù)作業(yè)項(xiàng)目中最關(guān)鍵的內(nèi)容之一，而對(duì)制動(dòng)器的制動(dòng)盤(pán)（或片）的測(cè)量更是不可或缺的內(nèi)容。試驗(yàn)車(chē)（HIGERKLQ6129GCHEV1A）制動(dòng)器的特點(diǎn)是前盤(pán)后鼓式。結(jié)合摩擦學(xué)原理[13]，在城市路況車(chē)輛正常行駛過(guò)程中，制動(dòng)盤(pán)及制動(dòng)蹄摩擦襯片的磨損程度與里程數(shù)呈線性關(guān)系，故制動(dòng)安全性的衡量指標(biāo)可以是制動(dòng)盤(pán)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(yùn)行一段時(shí)間后，西安公共交通總公司統(tǒng)計(jì)了6輛新車(chē)制動(dòng)盤(pán)、摩擦襯片的磨損程度，如表1所示。

表1 制動(dòng)盤(pán)及摩擦襯片磨損程度統(tǒng)計(jì)表

參考摩擦學(xué)原理，制動(dòng)盤(pán)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(dòng)盤(pán)或摩擦襯片全部摩損量，mm；m為制動(dòng)盤(pán)或摩擦襯片的平均磨損量，mm/104km；l為總運(yùn)行里程，104km。

參考試驗(yàn)車(chē)輛使用說(shuō)明書(shū)，并考慮西安公共交通總公司對(duì)制動(dòng)性能的標(biāo)定，制動(dòng)盤(pán)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(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表2 新制動(dòng)盤(pán)及新摩擦襯片使用極限條件下車(chē)輛最大行駛里程

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

2.2 機(jī)油使用壽命目標(biāo)下的二級(jí)維護(hù)周期

試驗(yàn)車(chē)所搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為YC6J190N-4，使用15 W/40天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)專用油。試驗(yàn)車(chē)在車(chē)輛啟動(dòng)、怠速、低速時(shí)，動(dòng)力輸出源自動(dòng)切換到電能驅(qū)動(dòng)模式。而在這些運(yùn)行工況下，傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況差，潤(rùn)滑條件惡劣。因此，混合動(dòng)力公交客車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油的失效機(jī)理與傳統(tǒng)動(dòng)力車(chē)輛不同。當(dāng)前，關(guān)于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油換油指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)暫未發(fā)布，學(xué)者均用汽油機(jī)機(jī)油換油指標(biāo)代替。選取5146號(hào)樣車(chē)與5159號(hào)樣車(chē)作為試驗(yàn)車(chē)，在不同行駛間隔里程內(nèi)，依次選取樣本機(jī)油做100℃運(yùn)動(dòng)粘度、閃點(diǎn)、水分以及堿值測(cè)量試驗(yàn)。測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油換油指標(biāo)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.2.1 100℃運(yùn)動(dòng)粘度

經(jīng)分析，樣本機(jī)油的100℃運(yùn)動(dòng)粘度變化率如圖2所示。

運(yùn)動(dòng)粘度變化率的絕對(duì)值低于20%這一臨界點(diǎn)時(shí)，機(jī)油必須更換[14]。由圖2可知，2輛試驗(yàn)車(chē)樣本機(jī)油的100℃運(yùn)動(dòng)粘度變化率的絕對(duì)值均在0%～6%之間，與換油指標(biāo)臨界值相比，2輛車(chē)的機(jī)油粘度測(cè)量值均在有效使用范圍內(nèi)。

2.2.2 閃點(diǎn)

樣本機(jī)油的閃點(diǎn)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

閃點(diǎn)低于100℃這一臨界點(diǎn)時(shí)，機(jī)油必須更換[14]。由圖3可知，2輛試驗(yàn)車(chē)樣本機(jī)油的閃點(diǎn)均大于230℃，與換油指標(biāo)臨界值相比，2輛車(chē)的機(jī)油粘度指標(biāo)均在正常范圍內(nèi)。

圖2 樣本機(jī)油的100℃運(yùn)動(dòng)粘度變化率

圖3 樣本機(jī)油閃點(diǎn)變化圖

2.2.3 水分

樣本機(jī)油的水分測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 樣本機(jī)油的水分變化圖

水分超過(guò)0.2%這一臨界點(diǎn)時(shí)，機(jī)油必須更換[14]。由圖4可知，2輛試驗(yàn)車(chē)樣本機(jī)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(chē)的樣本機(jī)油水分測(cè)量值均在有效使用范圍內(nèi)。

2.2.4 堿值

樣本機(jī)油的堿值測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 樣本機(jī)油的堿值下降率

堿值下降率超過(guò)50%這一臨界點(diǎn)時(shí)，機(jī)油必須更換[14]。由圖5可知，2試驗(yàn)車(chē)在運(yùn)行至25 000 km時(shí)，換油指標(biāo)堿值均已經(jīng)超過(guò)了臨界值。其中，5159號(hào)樣車(chē)行駛至23 000 km時(shí)，堿值下降率為49.534%，已接近臨界值。所以，機(jī)油的換油周期不得超過(guò)23 000 km。

2.3 確定初步優(yōu)化的二級(jí)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(jí)維護(hù)L1、加強(qiáng)一級(jí)維護(hù)L11、二級(jí)維護(hù)L2、加強(qiáng)二級(jí)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L(zhǎng)22=6L2=18L11=54L1，且發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油的更換在加強(qiáng)一級(jí)維護(hù)項(xiàng)目?jī)?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(dòng)安全性試驗(yàn)及發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油試驗(yàn)結(jié)果，確定車(chē)輛的二級(jí)維護(hù)周期不得超過(guò)46 000km。

3 二級(jí)維護(hù)周期間隔里程試驗(yàn)

基于多目標(biāo)規(guī)劃條件下確定的二級(jí)維護(hù)周期的上限值，選取2輛試驗(yàn)車(chē)進(jìn)行二級(jí)維護(hù)周期間隔里程試驗(yàn)，分別選?。?8 000±400）km、（23 000±400）km、（28 000± 400）km、（30 000±400）km 等 4 個(gè)值，其中，前3個(gè)值在試驗(yàn)階段只依據(jù)車(chē)輛使用說(shuō)明書(shū)對(duì)二級(jí)維護(hù)作業(yè)項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)，并統(tǒng)計(jì)車(chē)輛故障；最后1個(gè)值在試驗(yàn)階段，在統(tǒng)計(jì)完車(chē)輛故障后，進(jìn)行二級(jí)維護(hù)作業(yè)。

統(tǒng)計(jì)后的故障數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 二級(jí)維護(hù)周期間隔里程試驗(yàn)車(chē)輛故障數(shù)統(tǒng)計(jì)

在18 000～30 000 km間隔里程內(nèi)，試驗(yàn)車(chē)輛均未發(fā)生致命故障或嚴(yán)重故障。將統(tǒng)計(jì)的車(chē)輛故障數(shù)與二級(jí)維護(hù)周期間隔里程之間做線性擬合，運(yùn)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(chē)輛故障數(shù)和二級(jí)維護(hù)周期間隔里程之間線性關(guān)系不顯著。進(jìn)而說(shuō)明，將試驗(yàn)車(chē)的二級(jí)維護(hù)周期間隔里程從18 000 km延長(zhǎng)至30 000 km，車(chē)輛故障率可控，且故障數(shù)無(wú)顯著變化。

4 優(yōu)化后的維護(hù)周期可行性分析

為驗(yàn)證混合動(dòng)力公交客車(chē)的使用可靠性在優(yōu)化后的二級(jí)維護(hù)周期與優(yōu)化前的維護(hù)周期有無(wú)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(dòng)力公交客車(chē)作為研究對(duì)象。維護(hù)周期優(yōu)化后，車(chē)輛試運(yùn)行一年，記錄車(chē)輛的主要技術(shù)狀況和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

分析表明：

1）車(chē)輛在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中無(wú)拋錨事故發(fā)生；

2）車(chē)輛未進(jìn)行過(guò)車(chē)輛大修或總成大修；

3）全年內(nèi)，車(chē)輛累計(jì)進(jìn)廠維護(hù)和修理時(shí)間縮短，運(yùn)營(yíng)效率提高；

4）全年內(nèi)，投入車(chē)輛維護(hù)和修理的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)費(fèi)用顯著降低；

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

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

通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前后的混合動(dòng)力試驗(yàn)車(chē)的主要技術(shù)狀況和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可知，二級(jí)維護(hù)周期優(yōu)化后，車(chē)輛在保證技術(shù)狀況未顯著變化的基礎(chǔ)上，車(chē)輛的運(yùn)營(yíng)效率得到了提高，維修成本顯著降低。進(jìn)一步說(shuō)明優(yōu)化是可行的。

考慮到彈性安排車(chē)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(dòng)力公交客車(chē)的二級(jí)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(guó)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(jì)了一套切實(shí)可行的混合動(dòng)力公交客車(chē)二級(jí)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(jí)維護(hù)周期，通過(guò)間隔里程試驗(yàn)進(jìn)行了再優(yōu)化，并將二級(jí)維護(hù)周期優(yōu)化前后車(chē)輛的主要技術(shù)狀況和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比，從而判斷優(yōu)化后的維護(hù)周期是否可行。

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

該混合動(dòng)力公交客車(chē)二級(jí)維護(hù)周期優(yōu)化方案對(duì)于道路運(yùn)輸車(chē)輛及工程機(jī)械車(chē)輛的維護(hù)周期優(yōu)化均具有一定的借鑒意義。