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面向里程忧虑与化解的锂离子电池物流载具运行研究毕业论文

 2020-02-17 08:02  

摘 要

近些年来,新能源汽车高速发展,产生了数以万计的新能源汽车废旧动力蓄电池,对新能源汽车废旧动力蓄电池的回收利用成为国家和公司所面临的问题。新能源车退役的动力电池,经适应性处理,可在物流电拖车、自动牵引车等运输载具上使用,能够降低企业生产运营成本,锂离子电池物流载具也基于此背景下应运而生。随着锂离子电池物流载具的使用,将会同步出现很多问题需要解决,充电设施布局规划和载具的调度研究则显得尤为重要。

本论文是基于广西某车企一总装车间看板拉动物流配送模式下,以电动拖车为研究对象,在分析国内外对电动汽车充换电设施布局规划以及物流车辆调度问题相关研究的基础上,找出影响因素和规律,并采取适当的方法进行研究和求解。总而言之,本论文的主要内容包括以下3个方面。

(1)研究对象介绍。介绍了该车间的生产布局以及各生产工段工艺;介绍了各种典型配送模式的优缺点,并对该车间选用的看板拉动模式工作流程进行了详细介绍;介绍了该车间采用的电动拖车载具,并对载具电池由铅酸电池换为锂离子电池进行了分析。

(2)充电桩布局规划研究。充电桩布局规划研究包括充电桩数目确定和充电桩位置确定。充电桩数目是由载具充电需求确定;充电桩位置是基于空间聚类算法以及有障碍物的曼哈顿距离确定。

(3)载具调度方案研究。建立了以该车间电动拖车从仓库装料点到选取的工位点的总曼哈顿距离(有障碍物的)最短为目标函数的数学模型,并利用蚁群算法求解了该模型。

关键字:电动拖车;看板拉动;布局规划;调度

Abstract

In recent years, with the rapid development of new energy vehicles, tens of thousands of new energy vehicle used power batteries have been produced. The recycling of new energy vehicle used power batteries has become a problem faced by the country and the company. The decommissioned power batteries of new energy vehicles can be used in transportation vehicles such as logistics electric trailers and automatic tractors after adaptability treatment, which can reduce the production and operation costs of enterprises. Lithium-ion battery logistics vehicles also emerged under this background. With the use of lithium ion battery logistics vehicles, many problems will need to be solved simultaneously. The layout planning of charging facilities and the scheduling research of vehicles are particularly important.

This paper is based on electric trailers and the Kanban pulling logistics distribution mode of a car company’s general assembly workshop in Guangxi. Based on the analysis of the domestic and international research on the layout planning of electric vehicle charging and replacing facilities and the logistics vehicle scheduling problem, the influencing factors and rules are found out, and appropriate methods are taken to study and solve. Solution. In a word, the main content of this paper includes the following three aspects.

(1) Introduction of the research subject. The production layout of the workshop and the process of each production section are introduced. The advantages and disadvantages of various typical distribution modes are introduced. The working flow of Kanban pulling mode selected by the workshop is introduced in detail. The electric trailer carrier used in the workshop is introduced, and the change of carrier battery from lead-acid battery to lithium-ion battery is analyzed.
(2) Research on the layout planning of charging piles. The layout planning of charging piles includes the determination of the number of charging piles and the location of charging piles. The number of charging piles is determined by the charging demand of the vehicle, and the location of charging piles is determined based on the spatial clustering algorithm and the Manhattan distance with obstacles.
(3) Research on Vehicle Scheduling Scheme. A mathematical model with the minimum total Manhattan distance (with obstacles) of the electric trailer from the loading point of the warehouse to the selected work site as the objective function is established, and the model is solved by using ant colony algorithm.

Key words: electric trailer;kanban pull;layout planning;scheduling

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2研究意义 1

1.2国内外运行优化研究现状 2

1.3研究内容及技术路线 2

1.3.1研究内容 2

1.3.2技术方案 3

第2章 研究对象介绍 4

2.1车间介绍 4

2.2物流配送模式介绍 4

2.3载具及其电池介绍 6

第3章 充电桩布局规划研究 7

3.1载具充电需求分析及充电桩数目确定 7

3.1.1电动拖车充电需求的影响因素 7

3.1.2电动拖车充电需求及充电桩数目计算 8

3.2充电桩选址研究 9

3.2.1国内外选址研究背景 9

3.2.2充电桩选址原则 9

3.2.3基于空间聚类算法求解充电桩规划布局 10

3.2.4算例求解 12

3.3本章小结 14

第4章 电动拖车调度方案研究 16

4.1物流车辆调度问题研究背景 16

4.1.1国内外研究现状 16

4.1.2物流车辆调度方案求解算法分析 16

4.2基于蚁群算法电动拖车调度方案求解 17

4.2.1蚁群算法描述 17

4.2.2模型建立与算例分析 17

4.3本章小结 21

第5章 总结与展望 22

5.1总结 22

5.2展望 22

参考文献 24

致 谢 25

附件A 26

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1研究背景

近些年来,新能源汽车发展迅速,逐渐有取代传统能源汽车的趋势。不少国家已制定传统能源汽车禁售时间,其中荷兰、挪威禁售时间为2025年,印度、德国为2030年,英国、法国为2040年,且在2017年9月9日,我国工信部副部长辛国斌表示已开始制定禁售时间表。新能源汽车的高速发展,必然会产生数以万计的新能源汽车废旧动力蓄电池,对新能源汽车废旧动力蓄电池的回收利用成为国家和公司所面临的问题。2016年6月24日,工信部发布《新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范条件》和《新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范公告管理暂行办法》,促进新能源汽车废旧动力蓄电池进行多层次、多用途的合理利用,主要包括梯级利用、资源再生利用、原材料能量回收利用。2018年2月26日,工信部等7部委发布《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》,指出“落实生产者责任延伸制度,汽车生产企业承担动力蓄电池回收的主体责任”。2018年7月26日,工信部等7部委发布《关于做好新能源汽车动力蓄电池回收利用试点工作的通知》,指出“解决动力蓄电池梯次利用、高效再生利用等突出瓶颈问题”。2018年8月1日,工信部《新能源汽车动力蓄电池回收利用溯源管理暂行规定》正式实施,规定“对梯次利用电池产品实施溯源管理”。从以上国家政策可知,动力电池回收由新能源汽车生产企业承担主要责任,企业必须对动力电池回收问题加以重视。而新能源车退役的动力电池,经适应性处理,可在物流电拖车、自动牵引车等运输载具上使用,这也正好降低企业生产运营成本,锂离子电池物流载具也基于此背景下应运而生。

1.1.2研究意义

随着锂离子电池物流载具的使用,将会同步出现很多问题需要解决。充电设施的选取和布局则显得尤为重要。锂离子电池物流载具的正常运行必然需要充电设施为其提供足够的充电服务,充电设施的大力发展也需要拥有足够的电池物流载具为其带来效益,两者之间的关系如同鸡和蛋的关系,两者互相影响,密不可分。研究充电桩的位置布局和数量设置,使满足车间工厂生产需求的充电桩数量最少,可以达到降低投入成本的效果;研究载具调度,可以使载具去车间运输货物的总路径最短,从而达到减少载具电量损耗,满足更高工作量的效果。总而言之,锂离子电池物流载具运行研究,必然会促进锂离子电池载具的发展,同时给车间工厂带来长期的经济利益。

1.2国内外运行优化研究现状

目前,国内外对城市电动汽车充换电设施布局规划与运营研究较多,对车间载具充电设施布局规划与运营研究较少,但仍对车间载具充电设施运行优化研究具有较大的参考意义。在电动汽车充换电站发展方面,国外在早期就对电动汽车充电设施以及充换电站加以重视,美国、日本、法国、英国、以色列、荷兰等国已建成了一定规模和数量的充电设施。在国内,从2006年深圳建成该市第一个充换电站,到2013年国家累计建设有四百个充换电站、多达约两万个充电桩,国内在电动汽车充换电站建设规划方面取得了突飞猛进的发展。在运行优化研究上,刘潇滿,廉国海等人分析影响电动汽车运营的因素,结合电动汽车充电设施商业化运营历经的3个阶段,提出相应电动汽车充电设施运营方案,最后就商业化运营提出相关建议[1]。王萌等人提出电动汽车充换电站网络布局规划所需解决的问题,分析电动汽车充换电站选址原则,分析电动汽车产业的现行商业模式及其存在问题,并对换电模式下动力电池配送问题进行了研究[2]。徐凡,俞国勤,顾临峰等人对电动汽车的充电需求进行了分析,提出了发展电动汽车对充电技术的要求,分析了影响电动汽车充电站规划的几方面因素,并对其布局规划提出了原则性建议[3]。寇凌峰,刘自发,周欢等人合理确定电动汽车充电站的规模及位置,建立了一种电动汽车充电站选址定容的最优费用模型,并采用粒子群算法对一假设算例进行优化求解[4]。石勇等人对物流车辆调度的基本现状进行了分析,研究了物流车辆调度的影响因素,并最后提出了对物流车辆调度系统开发的一些建议[5]

1.3研究内容及技术路线

1.3.1研究内容

(1)研究对象介绍

介绍了该车间的生产布局以及各生产工段工艺;介绍了各种典型配送模式的优缺点,并对该车间选用的看板拉动模式工作流程进行了详细介绍;介绍了该车间采用的电动拖车载具,并对载具电池由铅酸电池换为锂离子电池进行了分析。

(2)充电桩布局规划研究

充电桩布局规划研究包括充电桩数目确定和充电桩位置确定。在充电桩数目研究中,分析了国内外总结的电动汽车充电需求的影响因素以及求解方法,提出了载具充电需求的影响因素包括载具类型、充(换)电方式、工作时间以及载具数目等,并结合该总装车间的实际背景,计算了电动拖车的充电需求以及满足需求所需的充电桩数目。在充电桩位置研究中,分析了充换电设施布局规划的原则与背景,最终基于空间聚类算法以及有障碍物的曼哈顿距离确定了该车间的充电桩位置坐标。

(3)电动拖车调度方案研究

在电动拖车调度方案的研究中,分析了车辆调度方案国内外研究现状与求解算法,比较了各种算法之间的优缺点,包括求解速度和与最优解的接近程度,详细介绍了蚁群算法的原理、步骤,建立了以该车间电动拖车从仓库装料点到选取的工位点的总曼哈顿距离(有障碍物的)最短为目标函数的数学模型,并利用蚁群算法求解了该模型。

1.3.2技术方案

本论文的技术方案为研究对象确定——充电桩布局规划——载具调度方案确定。研究对象的确定,包括车间布局、物流配送模式、载具类型以及电池参数等确定及说明,为后续求解制定了背景前提。充电桩布局规划是通过车间工位需求,工作时间等初步估计预测电动拖车充电需求,确定了充电桩数目;通过车间布局选取一定数量电动拖车送料后需要去充电的地点,并计算出这些有障碍物约束的点之间的曼哈顿距离,运用空间聚类的方法,确定充电桩的位置。载具调度方案是对比比较各种求解算法的优缺点,用蚁群算法求解以该车间电动拖车从仓库装料点到选取的工位点的总曼哈顿距离(有障碍物的)最短为目标函数的数学模型 ,蚁群算法通过matlab编程实现。

第2章 研究对象介绍

2.1车间介绍

本论文是基于广西某车企一总装车间进行研究,车间生产布局图如图2.1。

图2.1 车间生产布局图

该车间生产线分为5个工段:内饰工段、底盘工段、终线工段、分装工段以及调试工段。内饰工段工艺包括车身上线、门、悬挂、总泵、门窗玻璃、打VIN(Vehicle Identification Number)码和前挡玻璃。底盘工段工艺包括油管、前轴、制动板簧、发动机、消声器、传动轴和油箱。终线工段工艺包括轮胎、电控、后挡玻璃、转向立柱、制动液、座椅、保险杠、防冻液和汽油。调试工段工艺包括四轮定位、车速测试、制动测试、ECU(Electronic Control Unit)测试、底盘测试、Care线和淋雨测试。各工段生产线长度大约268.6m。

2.2物流配送模式介绍

汽车总装配送物流主要特点有:部件种类多需求较大、配送时间数量要求严,各类物料配送频次多、供应商数量多分布广以及标准化、订制化降低配送难度等。典型配送模式有看板拉动、排序拉动、电子信息拉动、生产拉动系统等。车间多种模式混合,根据生产需求去物流中心拉货。本论文主要研究车间看板拉动模式。下面对各配送模式进行介绍。

  1. 看板拉动

看板拉动一般分为5个步骤。第一步是操作工从新物料箱中取出第一个零件,并递送出看板卡,第二步是从该工位上收集看板卡和空箱,第三步是送回空箱,阅读看板卡,第四步是配料工根据看板卡从临时仓库中取出新的物料,第五步是司机将新的物料运送至操作工处,每一箱子中放入一张看板卡。看板拉动工作流程示意图如图2.2。

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