2. 上海外高桥造船有限公司,上海 200137
2. Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 200137, China
由于当前大多数装备系统复杂性高,涉及部件数量多,因此,多部件系统的维护策略优化问题越来越受到关注[1]。相比于传统单设备部件维护决策问题,多部件系统维护决策更为复杂,近年来也涌现了大量系统层维护模型[2],其中广泛应用的为机会维护模型。多部件系统考虑的相关性主要分为3种[3]:经济相关性、随机相关性(也称为故障相关性)和结构相关性。根据考虑相关性种类的不同,机会维护模型可以分为考虑单一相关性的机会维护模型和考虑联合相关性的机会维护模型。Nguyen等[4]基于部件间的正向和负向经济相关性建立系统机会维护模型。Wang等[5]考虑部件间经济相关性,以维修成本最小和系统可用度最高为优化目标建立多部件串联系统机会成组的维护优化模型。苏春等[6]考虑部件间的经济相关性,将基于滚动计划的动态机会维修策略应用于风电机组维修。Song等[7]考虑部件间故障相关性与经济相关性,提出具有固定替换间隔的役龄替换策略和固定检查间隔的维护策略。Do等[8]针对具有故障相关性和经济相关性的两部件系统进行维修决策优化。目前,实际运行系统中存在多种相关性的耦合作用,但相关研究大多考虑单一经济相关性对维护策略的影响。
由于部件结构复杂,维修时间较长,以致于维修时间在系统运行时间内所占比重大,因此,若忽略维修时间的影响,将严重影响系统的维护决策,进而降低维修效率、增加维修成本。但相关系统层维护模型多忽略维修时间对维护策略的影响以达到模型的简化。文献[9-11]均忽略维修时间对于维护策略的影响。文献[12]只考虑预防维修时间影响因素来建立系统维修优化策略。Vu等[13]考虑了小修时间,但是仅结合经济相关性建立系统维护模型。因为预防维护时间大多可提前确定,故仅考虑预防维护时间的维护模型比较简单。而部件故障发生具有随机性,且部件间存在结构相关性,如何基于联合相关性合理划分小修时间,实现故障次数减少、节省成本升高,具有较大挑战。
上述研究大多忽略预防维修时间和小修时间对维护策略的影响,且普遍仅基于经济相关性来进行系统层维护决策,并未涉及考虑多相关性、多维修时间、多成本划分的复杂系统动态维护策略。本文提出一种综合考虑预防维修时间、小修时间、结构相关性、经济相关性因素影响下的多部件系统动态机会维护策略。首先建立部件层短期维护计划决策模型,求解单部件最优预防维护周期。根据部件层的决策结果初步制定试行维修计划,进一步综合考虑部件之间结构相关性、经济相关性对于维护决策的影响,拓展系统维修节省成本划分方法,以维护成本最小化为目标,制定系统层长期维护决策方案。
1 问题描述与假设针对由
以系统维修成本最小化为优化目标,并应用动态计划,将长期计划与短期计划相结合,为该多部件串联系统制定动态机会维护策略,并根据实际的情况,作如下假设:
a. 系统内各部件故障率函数服从尺寸参数为
b. 部件之间是故障独立的[13],即一个部件失效不会对其他部件造成影响;
c. 在预防维护时刻对部件采用完美维护,即对部件执行更换操作;在预防维护周期内部件发生故障采用小修,小修仅使部件恢复运转,不改变其失效率[14];
d. 系统结构复杂,维修时间耗时较长,故预防维修时间和小修时间不可忽略[13];
e. 维修资源足以满足所有维修任务的要求。
2 考虑相关性及维修时间的系统动态机会维修策略本文采用动态机会维修策略,在部件层进行成本优化,得到每个部件的最优预防性维修周期。在此基础上制定试行维修计划,保证每个部件至少预防性维修一次。对具有经济相关和结构相关的系统层分组维修的成本建模,在此基础上对于系统层的分组进行优化。最终完成系统层最优维修计划的制定。
2.1 部件层维护优化考虑由不同部件
$ {\lambda }_{i}\left(t\right)=\frac{{\beta }_{i}}{{\eta }_{i}}{\left(\frac{{x}_{i}}{{\eta }_{i}}\right)}^{{\beta }_{i}-1} $ | (1) |
式中:
部件层的决策目标是最小化单位时间内部件的维护成本。当部件
$ {C}_{i}\left({T}_{i}\right)=\frac{{C}_{\mathrm{p}i}+{C}_{\mathrm{c}i}F\left(0,{T}_{i}\right)}{{T}_{i}+{\omega }_{\mathrm{p}i}+{\omega }_{\mathrm{c}i}F\left(0,{T}_{i}\right)} $ | (2) |
式中:
其中,维修成本用维修人员成本率
$ {C}_{\mathrm{p}i}={C}_{\mathrm{l}\mathrm{a}}{\omega }_{\mathrm{p}i} $ | (3) |
$ {C}_{\mathrm{c}i}={C}_{\mathrm{l}\mathrm{a}}{\omega }_{\mathrm{c}i} $ | (4) |
因为部件故障率函数服从威布尔分布,所以
$ F\left(0,{T}_{i}\right)={\int }_{0}^{{T}_{i}}{\lambda }_{i}\left(t\right)\mathrm{d}t={\left(\frac{{T}_{i}}{{\lambda }_{i}}\right)}^{{\beta }_{i}} $ | (5) |
通过式(2)~(5),可得维修成本率为
$ {C}_{i}\left({T}_{i}\right)=\frac{{C}_{\mathrm{l}\mathrm{a}}{\omega }_{\mathrm{p}i}+{C}_{\mathrm{l}\mathrm{a}}{\omega }_{\mathrm{c}i}{\left(\dfrac{{T}_{i}}{{\lambda }_{i}}\right)}^{{\beta }_{i}}}{{T}_{i}+{\omega }_{\mathrm{p}i}+{\omega }_{\mathrm{c}i}{\left(\dfrac{{T}_{i}}{{\lambda }_{i}}\right)}^{{\beta }_{i}}} $ | (6) |
对上述最优成本率
基于部件的名义预防维修周期,可进行确定部件的试行维修时间间隔
![]() |
图 1 考虑维修时间和结构相关性的维修计划动态更新 Fig. 1 Dynamic maintenance plan considering maintenance duration and structural dependence |
记
$ {t}_{i1}={T}_{i}^{*}+{d}_{i}^{1}+{t}_{\mathrm{b}}-{t}_{is} $ | (7) |
$ {t}_{ij}={t}_{i\left(j-1\right)}+{\omega }_{\mathrm{p}i}+{d}_{i}^{j}+{T}_{i}^{*},j > 1 $ | (8) |
$ t_{\mathrm{e}}=\max _{i=1, \cdots, n} t_{i 1} $ | (9) |
式中:
$ {d}_{i}^{1}={\omega }_{\mathrm{c}i}F\left({t}_{\mathrm{b}},{t}_{i1}\right) $ | (10) |
$ {d}_{i}^{j}={\omega }_{\mathrm{c}i}F\left({t}_{i(j-1)},{t}_{ij}\right) $ | (11) |
在系统层考虑多个部件之间存在的结构相关性和经济相关性,在试行维修计划的基础上,建立维护计划调整下的节省成本模型,对串联系统中各个部件的维护作业进行动态优化调整。其中,多个部件同时维修可以节省固定的维修成本,部件之间具有经济相关性;多个结构上有关联的部件同时维修可以节省维修时间,部件之间具有结构相关性。
在第
a. 维修准备节省成本,记为
$ {S}_{{G}_{l}}=\sum _{i\in{G}_{l}}{S}_{i}-\max_{\mathit{i\in}{G}_{l}}{S}_{i} $ | (12) |
式中,
b.惩罚成本,记为
$ \begin{split}& {P}_{{G}_{l}}=\sum _{i\in{G}_{l}}\left\{{C}_{{\rm{c}}i}\left[F\left(0,{t}_{ij}\right)-\right.\right.\\&\quad \left.\left.F\left(0,{t}_{{G}_{l}}\right)\right]-{C}_{i}\left({T}_{i}\right)\left({t}_{ij}-{t}_{{G}_{l}}\right)\right\} \end{split}$ | (13) |
式中,
c. 停机损失节省成本,记为
$ \sum _{i\in{G}_{l}}{d}_{i}^{{\rm{r}}-}+ \underset{\mathit{i\in}{G}_{l}}{\mathrm{max}}\;{d}_{i}^{{\rm{s}}-}$ |
则停机损失节省成本计算公式如下:
$\begin{split} {D}_{{G}_{l}}=&{C}_{{\rm{u}}}\mathrm{\alpha }\left[\left(\sum _{i\in{G}_{l}}{d}_{i}^{{\rm{sp}}}-\underset{\mathit{i\in}{G}_{l}}{\mathrm{max}}\;{d}_{i}^{{\rm{sp}}}\right)+\right.\\& \left.F\left(0,{t}_{{G}_{l}}\right)\left(\sum _{i\in{G}_{l}}{d}_{i}^{{\rm{sc}}}-\underset{\mathit{i\in}{G}_{l}}{\mathrm{max}}\;{d}_{i}^{{\rm{sp}}}\right)\right] \end{split}$ | (14) |
式中,
所以,
$ {E}_{\mathrm{P}}\left({G}_{l}\right)={S}_{{G}_{l}}+{D}_{{G}_{l}}+{P}_{{G}_{l}} $ | (15) |
上述系统层维修成本随着分组方式的不同而变化,因此本节进行系统层分组的优化。假设H代表系统中部件的集合,将短期时间间隔
$ \left\{\begin{array}{c}{G}_{m}\cap {G}_{n}=\varnothing , \forall m\ne n\\ {G}_{1}\cup {G}_{2}\cup \dots \cup {G}_{k}=H\end{array}\right. $ | (16) |
问题求解的核心在于寻找最佳的分组方式
$ {x}_{il}=\left\{\begin{array}{l}1,部件i属于{G}_{l}\\ 0,部件i不属于{G}_{l}\end{array}\right. $ | (17) |
故系统内所有部件节省总成本为各组节省成本之和,其值
$ \begin{split}& {E}_{\mathrm{P}\mathrm{T}}=\sum _{l=1}^{k}{E}_{\mathrm{P}}\left({G}_{l},{t}_{{G}_{l}}\right)=\\&\quad\sum _{l=1}^{k}\left({S}_{{G}_{l}}+{D}_{{G}_{l}}+{P}_{{G}_{l}}\right) \end{split} $ | (18) |
因此,系统级维修优化问题可被划分为两个子问题:寻找最优划分组合问题和每组部件最优维护周期决策问题。其中划分组合为
$ \begin{split}& {E}_{\mathrm{P}\mathrm{T}}\left({{G}{S}}^{\mathrm{*}},{T}_{GS}^{*}\right)=\mathrm{max}\;{E}_{\mathrm{P}\mathrm{T}}\left({G}{S},{T}_{GS}\right)=\\&\quad\mathrm{max}\sum _{l=1}^{k}{E}_{\mathrm{P}} \left({G}_{l},{t}_{{G}_{l}}\right) \end{split} $ | (19) |
决策变量均为0-1变量,此模型通过遗传算法进行求解得到优化后的多部件系统层维护计划,具体结果见下文。
3 实例计算为验证上述优化模型的有效性,以某机械系统(含9个部件)为例进行分析,各部件串联。
系统单位停机损失成本为
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表 1 系统各部件相关参数 Table 1 Related parameters of various components |
不考虑部件间经济相关性和结构相关性的影响,根据上文要求对系统内各部件进行维修优化,并通过设置小修时间
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表 2 部件级维护优化值 Table 2 Individual maintenance optimization results |
表2中,
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图 2 各部件维修时间(PM) Fig. 2 Maintenance time of each component (PM) |
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图 3 各部件维修时间(PM & CM) Fig. 3 Maintenance time of each component (PM & CM) |
从表2可见,相对于只考虑预防维修时间的情况,同时考虑预防维修时间和小修时间能够保证达到更优的部件级维护计划,其中每个部件的替换周期值提前了35.55%~73.56%,总维修成本率降低了21.99%。为了进一步明确小修时间对于部件维护优化的影响,以部件3为例,固定其他参数值不变,将部件3小修时间依次设置为0.5的整数倍(即
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图 4 不同小修时间下最优维护周期 Fig. 4 Optimal replacement cycle under different CM durations |
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图 5 不同小修时间下节省维修成本率 Fig. 5 Additional cost saving rate under different CM durations |
从图4和图5可知,随着小修时间的增加,部件3的最优维护周期逐渐减小,且部件3节省成本率逐渐升高,说明当部件复杂性越高,小修时间越长时,考虑小修时间对于维护策略的有效性越高。
3.2 考虑相关性及维修时间的系统层维修优化分别考虑以下3种情况:
情况1(
情况2(
情况3(
以上3种情况均采用系统机会维护策略,并应用遗传算法分别进行求解。观察到当情况3中的相关系数
情况1的最优分组结构如表3所示,系统各个部件的预防维护时刻点示意图如图6所示。
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表 3 考虑经济相关性的最优分组 Table 3 Optimal grouping considering economic dependence |
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图 6 各部件维修时间 Fig. 6 Maintenance time of each component |
图6绘制了不考虑结构相关性时各部件进行维护的维修时刻。从表3可知,当部件间存在经济相关性时,与单独对各部件进行维修优化相比,利用机会维护策略将多个部件进行组合维护可有效节省系统维修成本,其中系统节省总成本为2724.35元, 节省成本率为14.09%。
情况2和3中同时考虑结构相关性和经济相关性进行维修计划的优化,表4显示了在考虑不同维修时间情况下,设置不同结构相关系数时系统节省总费用。
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表 4 不同相关系数下节省费用 Table 4 Cost savings under different correlation coefficients |
从表4中数据可发现,部件间结构相关性对维修费用的节省有较大作用,系统节省总成本随着部件间结构相关系数的增加而递增。从情况3对应的数据可知,当部件间结构相关系数为0.4时,运用本文的系统级优化策略可节省总成本5492.19元,与不考虑部件间相关性情况相比,降低成本率为4.58%;与仅考虑经济相关性情况(此时结构相关系数为0)相比,维修成本降低7619.4元。
综合情况2和3来看,在同一结构相关系数下,与仅考虑预防维修时间情况相比,同时考虑预防维修时间和小修时间时系统节省费用进一步增加。当部件间结构相关系数为0.4时,情况3的系统节省总成本比情况2的系统节省总成本高1591.41元,且两情况下的系统节省总成本差值随着结构相关系数的增加而递增,说明同时考虑小修时间和部件间结构相关性能够有效节省系统维修成本,验证了本文考虑预防维修时间、小修时间、结构相关性和经济相关性多重因素时,维修优化策略在经济上具有优势。因此,在复杂的多部件系统维护中,需考虑多重影响因素建立维修优化模型,进而实现更加科学合理的决策优化。
4 结束语本文针对复杂多部件系统制定机会维修优化策略时考虑因素的局限性,建立了考虑预防维修时间、小修时间、结构相关性与经济相关性因素影响下的多部件串联系统动态机会维护模型。以某复杂机械系统为研究对象,以系统多部件维修节省成本最大(即维修成本最小)为优化目标,建立考虑多种维修时间和相关性的动态机会维护模型,并采用遗传算法进行优化求解。从算例优化结果可知,与现有的考虑单一部件相关性及忽略小修时间的系统维修优化模型相比,本文提出的4重因素影响下的机会维护策略可以动态调整系统维修策略,从而有效降低系统总维修成本,该策略更符合实际应用情况。下一步将拓展已有相关性,考虑更多相关性影响下的系统机会维护模型与策略。
[1] |
LIANG Z L, PARLIKAD A K. Predictive group maintenance for multi-system multi-component networks[J]. Reliability Engineering & System Safety, 2020, 195: 106704. |
[2] |
DE JONGE B, SCARF P A. A review on maintenance optimization[J]. European Journal of Operational Research, 2020, 285(3): 805-824. DOI:10.1016/j.ejor.2019.09.047 |
[3] |
THOMAS L C. A survey of maintenance and replacement models for maintainability and reliability of multi-item systems[J]. Reliability Engineering, 1986, 16(4): 297-309. DOI:10.1016/0143-8174(86)90099-5 |
[4] |
NGUYEN K A, DO P, GRALL A. Multi-level predictive maintenance for multi-component systems[J]. Reliability Engineering & System Safety, 2015, 144: 83-94. |
[5] |
WANG J H, ZHANG X H, ZENG J C. Optimal group maintenance decision for a wind farm based on condition-based maintenance[J]. Wind Energy, 2021, 24(12): 1517-1535. DOI:10.1002/we.2644 |
[6] |
苏春, 陈武. 考虑部件经济相关性的风力机系统状态维修优化[J]. 东南大学学报(自然科学版), 2016, 46(5): 1007-1012. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.019 |
[7] |
SONG S L, COIT D W, FENG Q M, et al. Reliability analysis for multi-component systems subject to multiple dependent competing failure processes[J]. IEEE Transactions on Reliability, 2014, 63(1): 331-345. DOI:10.1109/TR.2014.2299693 |
[8] |
DO P, ASSAF R, SCARF P, et al. Modelling and application of condition-based maintenance for a two-component system with stochastic and economic dependencies[J]. Reliability Engineering & System Safety, 2019, 182: 86-97. |
[9] |
YANG L, ZHAO Y, MA X B. Group maintenance scheduling for two-component systems with failure interaction[J]. Applied Mathematical Modelling, 2019, 71: 118-137. DOI:10.1016/j.apm.2019.01.036 |
[10] |
MISHRA A K, SHRIVASTAVA D, VRAT P. An opportunistic group maintenance model for the multi-unit series system employing Jaya algorithm[J]. Opsearch, 2020, 57(2): 603-628. DOI:10.1007/s12597-019-00422-y |
[11] |
NGUYEN T, DELOUX E, DIEULLEZ L. Maintenance policies for an heterogeneous two-component system with stochastic and economic dependencies[J]. IFAC-PapersOnLine, 2016, 49(12): 787-792. DOI:10.1016/j.ifacol.2016.07.870 |
[12] |
DO P, VU H C, BARROS A, et al. Maintenance grouping for multi-component systems with availability constraints and limited maintenance teams[J]. Reliability Engineering & System Safety, 2015, 142: 56-67. |
[13] |
VU H C, DO P, BARROS A. A study on the impacts of maintenance duration on dynamic grouping modeling and optimization of multicomponent systems[J]. IEEE Transactions on Reliability, 2018, 67(3): 1377-1392. DOI:10.1109/TR.2018.2827926 |
[14] |
胡家文, 蒋祖华, 韩李杰. 工况时变下设备预防维护策略[J]. 上海交通大学学报, 2016, 50(5): 736-741,749. DOI:10.16183/j.cnki.jsjtu.2016.05.014 |