新能源汽车车身维修流程优化仿真研究

刘明岩,丁 芳

(安徽机电职业技术学院 汽车与轨道学院,安徽 芜湖 241002)

0 引言

能源危机、环境污染使得汽车产业转型成为大势所趋,新能源汽车在解决能源危机、环境污染等方面发挥着至关重要的作用。伴随着新能源汽车保有量的持续增加,新能源汽车在维修车辆中的比重越来越大,汽车维修企业所面临的维修压力增大[1]。和传统的汽车相比,新能源汽车出现故障的概率比较高,2020年,新能源汽车的销售量高达152.6万辆,但是全年召回的新能源汽车有18.5万辆,新能源汽车在使用过程中问题比较多,其中车身故障最为常见。在被召回的新能源汽车中,不仅有国产车,同时也有合资的高端车,新能源汽车车身的维修对确保新能源汽车的推广发挥着至关重要的作用。与传统燃油汽车相比,新能源汽车维修作业的程序多、内容繁,同时部分的维修作业存在先后关系。新能源汽车车身在维修作业的过程中,如果作业流程安排不合理,就会在很大程度上造成车辆维修不能够准时交付,同时也在很大程度上影响到车辆维修企业的经济效益与服务质量[2]。优化新能源汽车车身维修流程不仅可以提高维修企业设备的利用率,同时也可以提升新能源汽车车主的满意度。基于此,本文采用EXTENDSIM软件对新能源汽车车身维修流程进行建模,通过优化维修流程来获得最佳的维修调度方案。

1 新能源汽车车身维修流程优化原理

新能源汽车车身维修流程优化的关键是对等待维修的作业实施排序,使得维修工作站调度按计划进行,确保维修时间最短,提升客户的满意度。常见的优先排序准则有先到先服务、最早到期优先、最短作业时间优先等[3]。所谓先到先服务就是最先到达维修服务工作站的给予优先维修处理;所谓最早到期优先就是优先处理距离交货时间最短的维修作业;所谓最短作业时间优先就是优先处理作业时间比较短,避免维修时间比较长的作业影响维修车辆的按时交付。

1.1 新能源车辆车身维修流程理论模型

为了提高新能源汽车的续航里程,在短期内电池能量密度无法提升的大环境下必须采用轻量化的材料。新能源车身是整车轻量化的重中之重,在轻量化技术尚不成熟的环境下,新能源车身维修所占的比例远远高于传统车辆车身维修所占的比例。由于新能源车身所采用的均是新材料,这使得新能源车身的维修难度要大于传统车辆车身维修的难度。假定新能源维修车辆到达服务站的时间间隔t服从均值为1/λ的指数分布,即[4]

(1)

新能源车辆的车身维修包括车架平整、车身修复、喷漆、清理等工序,其中车架平衡、车身修复并不是所有的车辆都需要,喷漆、清理是所有维修车辆都需要的。图1给出了新能源汽车车身维修流程示意图[5]。

图1 新能源汽车车身维修流程示意图Fig.1 Schematic diagram of new energy vehicle body maintenance process

通过对新能源车辆车身维修工序时间的统计检验可知,所有工序的加工时间t2近似满足对数正态分布,即

(2)

式中：t2为工序加工时间；μ为工序加工时间均值；σ为工序加工时间标准差。

新能源维修企业对车身维修采取的是先到先服务的方式,为客户报出的车辆维修交付时间为5个工作日,但是通过对实际交付数据的统计可知,新能源汽车车身维修的准时交付率为65%～70%[6].新能源汽车维修不能够按时交付势必影响到企业的市场竞争力,必须采取有效的措施对维修流程进行优化,从而提升维修车辆的交付率。

1.2 EXTENDSIM软件仿真流程

EXTENDSIM是EXTEND的升级版,由美国IMAGINE THAT公司开发,是通用化的系统仿真与优化平台,在金融、物流、制造、军事等领域具有十分广泛的应用[7]。EXTENDSIM为不同层次的使用者提供了多样化的建模工具,使用者可以高效建立精度高、可信度高的仿真模型。软件离散系统采用的是最短时间的事件步长法,可以进行分层结构和命名连接,同时可以对X多种复杂的数据进行传输。采用EXTENDSIM软件进行仿真的流程如图2所示[8]。

图2 EXTENDSIM软件仿真流程Fig.2 EXTENDSIM software simulation process

2 新能源汽车车身维修流程优化仿真分析

2.1 新能源汽车车身维修流程仿真建模

采用EXTENDSIM软件构建新能源汽车车身维修流程仿真模型,对车身的维修包括车架平整、车身修复、喷漆、清理等模块,仿真模型如图3所示。

图3 汽车车身维修仿真模型Fig.3 Simulation model of vehicle body maintenance

结合待修车辆的实际情况进入不同的维修工艺。根据2020年中国新能源汽车服务调研报告,国家对购买新能源汽车的补贴政策使得越来越多的消费者关注和购买新能源汽车,许多的车主曝出新能源汽车维修的大问题,即“修不了,也修不起”,30%左右的新能源汽车需要大修。需要大修的新能源汽车在进行车身修复之前要对车架进行平整,其余的车辆无需大修[9]。在小修的待修车辆中,75%左右的待修车辆需要进行车身修复。无需车架平整、车身修复的车辆直接进入喷漆作业、清理作业。采用EXTENDSIM软件所构建的新能源汽车车身维修仿真模型,其每一个工艺模块均包含等待和延时两个部分,在车辆离开模块统计车辆的准时交付率。对各个工序等待模块的排序规则进行变更,仿真分析不同排序规则下的车辆准时交付率,从而选择最佳的新能源汽车车身维修流程。图4给出了车辆车身维修流程内部结构。

图4 车辆车身维修流程内部结构Fig.4 Internal structure of vehicle body maintenance process

模块1为待维修车辆,其到达维修站点的时间间隔t满足指数分布。模块2为维修新能源车辆交付的时间,通过Rand来产生各个维修工序的时间t2.模块3是将各个维修工序所需要的时间赋予需要维修的车辆。模块4为维修车辆的等待时间属性。模块5为不同的维修车辆所选择的维修工序。

2.2 仿真结果分析

在实际的仿真过程中,考虑到各种随机因素的影响,往往是对仿真模型进行多次运行。车辆车身维修流程优化仿真模型运行的次数越多,所得到的结果越准确[10]。给定仿真模型的误差限制,仿真模型会自动确定需要运行的次数。表1给出了采用不同优先排序准则的结果。

表1 不同优先排序准则仿真结果Table 1 Simulation results of different prioritization criteria

由表1可知,不论是“先到先服务”“最早到期优先”准则,还是“最短作业时间优先”准则,车身修复设备的利用率均明显高于其它工艺设备的利用率,即要想提升新能源车辆维修系统的性能,必须从车身修复工艺角度出发,通过提升车身修复工艺来达到优化车辆维修流程的目的。由三种优先排序准则下每月维修量、周转时间、准时交付率仿真结果可知,三种优先排序准则下每月维修量差别很小,但是周转时间和准时交付率指标差别较大,“最短作业时间优先”准则为最佳的调度方案。导致出现这种情况的原因是“最短作业时间优先”准则避免了先到车辆大修占用时间较长的情况发生,使得车辆维修周转时间比较短、准时交付率高。表2给出了目前各工艺的设备数及作业平均时长。

表2 车辆车身维修各工艺设备数及作业时长Table 2 Number of equipment and operation time for vehicle body maintenance

由表2可知,车身修复工艺的作业时长明显高于其它的维修工艺,只有适当地增加车身修复工艺的设备数,才能提升每月的维修量、缩短车辆周转时间、提升准时交付率。增加车身修复工艺的设备数,由原来的2台增加到6台,其它工艺设备数不变进行仿真,表3为增加设备后不同优先排序准则的结果。

表3 增加设备后不同优先排序准则仿真结果Table 3 Simulation results of different prioritization criteria after adding equipment

为了对比增加车身修复设备前后的性能,对三种排序准则下的车身修复设备使用率、每月维修量、周转时间、准时交付率变化进行对比,结果如表4所示。

表4 增加车身修复设备前后对比Table 4 The comparison before and after adding body repair equipment

由表4可见,在增加车身修复设备之后,车身修复设备的使用率有所降低,每月维修量有所增加,其中“最短作业时间优先”准则下,每月维修量增加2.09台,周转时间有所减少,其中“先到先服务”准则下,车辆周转时间减少最多,为12.63 h,准时交付率大大提升,其中“最早到期优先”准则下车辆准时交付率增加最多,为23.6%.综合对比三种排序准则下每月维修量、周转时间、准时交付率,“最短作业时间优先”准则依旧是新能源车辆维修最佳的调度方案。

增加过多的车身修复设备势必导致车身设备出现闲置,将车身修复工艺的设备数由原来的2台增加到4台,其它工艺设备数保持不变进行仿真,同时和增加到6台车身修复工艺的仿真结果进行对比,结果如表5所示。

表5 增加不同车身修复工艺设备台数仿真结果对比Table 5 Comparison of the simulation through increasing different body repair equipment

由表5可知,对比增加到4台和增加到6台车身修复工艺设备台数可知,增加到4台设备车辆维修的准时交付率依旧比较低,其中准时交付率最高的为“最短作业时间优先”排序准则,为89.45%.比较低的车辆准时交付率容易引起车主的不满,必须达到90%以上,才能持续提升新能源车辆维修企业的市场竞争力。

3 结论

新能源汽车保有量的增加使得新能源汽车维修成为学术界关注的焦点。采用EXTENDSIM软件构建了新能源汽车车身维修流程优化仿真模型,同时对比了先到先服务、最早到期优先、最短作业时间优先三种优先排序准则下工艺设备使用率、每月维修量、周转时间以及准时交付率,指出车身修复设备制约了整个系统,同时在增加车身修复设备之后再次进行了仿真。仿真结果表明平均周转时间大大缩短,准时交付率大大提升。本研究对新能源汽车车身维修流程优化,提升汽车维修企业市场竞争力具有一定的参考价值。