梁先登 劉英舜 毛一軒

(南京理工大學(xué)車(chē)輛與交通工程系,210094,南京∥第一作者,碩士研究生)

地鐵設(shè)備維修策略優(yōu)選方法及實(shí)證

梁先登 劉英舜 毛一軒

(南京理工大學(xué)車(chē)輛與交通工程系,210094,南京∥第一作者,碩士研究生)

介紹了幾種維修策略。提出了以邏輯決斷圖作為定性分析、灰色局勢(shì)決策作為定量評(píng)判、定性和定量相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備維修策略優(yōu)選的方法,并構(gòu)建了維修決策評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。以地鐵車(chē)門(mén)系統(tǒng)故障維修為例選出了最優(yōu)維修策略。

地鐵設(shè)備;維修策略;優(yōu)選方法

First-author's addressDepartment of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,210094,Nanjing,China

設(shè)備維修隨著工業(yè)發(fā)展而產(chǎn)生,其種類不斷完善和細(xì)化。從18世紀(jì)手工作坊式的簡(jiǎn)單維修到今天高技術(shù)含量的綜合維修,體現(xiàn)了人類對(duì)促進(jìn)和提高生產(chǎn)力的一種進(jìn)步[1]。目前對(duì)于維修策略選擇的研究大部分還是從定性的角度出發(fā),而且針對(duì)性不夠、模糊性較大,很少有定量的研究。比較實(shí)用的方法還是RCM(以可靠性為中心的維修)中提出的用邏輯決斷圖法進(jìn)行決策。但邏輯決斷圖的判別法容易受到人的主觀意識(shí)的影響,不同的工程師有時(shí)會(huì)得到不同的結(jié)論,因而在策略決策時(shí)需要定量方法給予支撐,通過(guò)定性、定量相結(jié)合的方式得出的結(jié)論更加可信與可靠。本文提出以邏輯決斷作為定性分析,灰色局勢(shì)決策法作為定量評(píng)判,通過(guò)定性和定量相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備維修策略的優(yōu)選。

1 維修策略的一些基本概念

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外企業(yè)在設(shè)備管理或維修中普遍采用的維修策略有[2-3]:

1)事后維修(Break-down Maintenance,簡(jiǎn)為BM),是指設(shè)備發(fā)生故障或者性能下降至合格水平以下時(shí)采取的非計(jì)劃性維修,或?qū)κ孪葻o(wú)法預(yù)計(jì)的突發(fā)故障采取的維修。這種策略多用于安全性、可靠性要求一般,并允許隨時(shí)進(jìn)行修理的場(chǎng)合。

2)預(yù)防性維修(Preventive Maintenance,簡(jiǎn)為PM),是指通過(guò)對(duì)設(shè)備的檢查、檢測(cè),發(fā)現(xiàn)故障苗頭以防止故障的發(fā)生,使其保持在規(guī)定的狀態(tài)所進(jìn)行的各種維修活動(dòng),主要包括計(jì)劃預(yù)防修和根據(jù)情況的預(yù)防修兩類。

3)視情維修(Condition Based Maintenance,簡(jiǎn)為CBM),是通過(guò)監(jiān)控掌握設(shè)備的狀況,對(duì)其可能發(fā)生功能故障的項(xiàng)目進(jìn)行必要的預(yù)防性維修。它適用于耗損故障初期有明顯劣化癥候的設(shè)備,但需要適當(dāng)?shù)臋z測(cè)手段,如功能檢測(cè)和先進(jìn)的技術(shù)等。

4)預(yù)定翻修(Scheduled Maintenance,簡(jiǎn)為SM)和預(yù)定報(bào)廢(Scheduled Change,簡(jiǎn)為 SC),均屬于預(yù)防性維修的計(jì)劃預(yù)防修。預(yù)定翻修意指周期性地采取措施把現(xiàn)有設(shè)備或部件恢復(fù)到原有狀態(tài)。預(yù)定報(bào)廢意指按預(yù)定的時(shí)間間隔用新設(shè)備或部件更換舊設(shè)備或部件。

5)改進(jìn)性維修(Improvement Maintenance,簡(jiǎn)為IM),系指對(duì)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)和改造,或者是重新設(shè)計(jì)(換另一種產(chǎn)品替代),以提高設(shè)備的固有可靠性、維修性和安全性水平。

2 維修策略優(yōu)選方法研究

2.1 邏輯決斷圖法

從目前國(guó)內(nèi)外研究情況來(lái)看,邏輯決斷圖的設(shè)計(jì)和表現(xiàn)形式上雖然不同,但設(shè)計(jì)的根本理念是一致的[4]:對(duì)于有嚴(yán)重故障后果的關(guān)鍵設(shè)備首選狀態(tài)檢測(cè)維修,技術(shù)不可行時(shí)也必須采用定期計(jì)劃維修策略;對(duì)于故障后果一般或較重的主要設(shè)備,除故障突發(fā)的特殊情況外,都應(yīng)采用定期計(jì)劃維修;對(duì)于故障后果較小的次要設(shè)備,采用事后維修的策略。

英國(guó)學(xué)者莫布雷提出的經(jīng)典邏輯決斷圖已廣為使用,但在使用中也出現(xiàn)了一些實(shí)際問(wèn)題:由于決策人員經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)素質(zhì)的差異,在回到“是否技術(shù)可行”和“是否經(jīng)濟(jì)可行”時(shí),往往較難做出判斷。本文在經(jīng)典邏輯決斷圖的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了更為簡(jiǎn)潔的邏輯決斷圖(見(jiàn)圖1)。該邏輯決斷圖的設(shè)計(jì)主要從故障后果和技術(shù)可行性出發(fā)。

圖1 邏輯決斷圖

為了更準(zhǔn)確、直接地判斷故障模式采用何種維修策略,現(xiàn)將圖1中的一些概念表述如下:

1)隱性故障,是指如果由該故障模式本身所引起的設(shè)備或系統(tǒng)功能的喪失對(duì)操作者來(lái)說(shuō)是不明顯的,那么該故障就是隱性故障,否則為顯性故障。

2)故障機(jī)理是否與時(shí)間壽命有關(guān),是通過(guò)對(duì)故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,判斷故障是否隨時(shí)間呈現(xiàn)特定的變化規(guī)律。若是隨機(jī)的,不能明確得出其與時(shí)間的關(guān)系,則為與時(shí)間壽命無(wú)關(guān)。

3)多重故障風(fēng)險(xiǎn)度是否高,是判斷其引發(fā)多重故障的可能性和多重故障的故障后果的嚴(yán)重程度。多重故障即為此故障引發(fā)的相關(guān)聯(lián)的其他故障。

4)故障后果是否嚴(yán)重,是指若引起環(huán)境與安全性后果,則為嚴(yán)重;若只是影響運(yùn)營(yíng),則為一般嚴(yán)重;若對(duì)環(huán)境、安全和運(yùn)營(yíng)都不產(chǎn)生影響,只是產(chǎn)生直接的維修費(fèi)用,則為不嚴(yán)重。

5)狀態(tài)是否可監(jiān)測(cè),是指判斷故障是否有明顯的P-F(從潛在故障的顯露到轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ苄怨收系臅r(shí)間)間隔,是否存在潛在的故障,即是否能根據(jù)一些現(xiàn)象或征兆來(lái)提前發(fā)現(xiàn)故障。

2.2 灰色局勢(shì)決策法

灰色系統(tǒng)理論是利用系統(tǒng)中信息完全確知的白色信息來(lái)解決其中信息不完全或信息完全不確知的部分。由于維修策略評(píng)價(jià)中存在定性和定量因素,各因素間不具有數(shù)量上的確定關(guān)系,故信息的可知性差,具有灰色性。因此,運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論使評(píng)價(jià)各方案多方面因素的相互間互補(bǔ)的、不可比的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)成為可比的、可量化的。特別是對(duì)于多評(píng)價(jià)指標(biāo)的系統(tǒng)方案選擇,灰色理論提供了一個(gè)簡(jiǎn)單可行的方法[5]。

灰色局勢(shì)決策是專門(mén)解決灰色系統(tǒng)多目標(biāo)決策問(wèn)題的方法,是根據(jù)某些準(zhǔn)則對(duì)各個(gè)局勢(shì)所產(chǎn)生的實(shí)際效果規(guī)定效果測(cè)度,然后計(jì)算每一方案綜合效果測(cè)度,據(jù)此進(jìn)行方案的排序。其具體步驟如下:

1)給出事件和對(duì)策。

2)構(gòu)造局勢(shì),即事件和對(duì)策的二元組合。局勢(shì)={事件,對(duì)策}。

3)給出目標(biāo)。目標(biāo)是評(píng)價(jià)局勢(shì)好壞的依據(jù),一般包括經(jīng)濟(jì)目標(biāo)、技術(shù)目標(biāo)、效果目標(biāo)、環(huán)保目標(biāo)等。按目標(biāo)值的大小一般分為三種:對(duì)于效益目標(biāo),效益越大越好,這是極大值目標(biāo);對(duì)于損耗目標(biāo),損耗越小越好,這是極小值目標(biāo);對(duì)于適中值目標(biāo),即不能太大也不能太小。

4)給出不同目標(biāo)的效果白化值:對(duì)每個(gè)目標(biāo)、每個(gè)局勢(shì)有一個(gè)效果白化值。

5)計(jì)算不同目標(biāo)的效果測(cè)度。由于量綱和要求不同,需要統(tǒng)一量綱和要求。即一個(gè)多目標(biāo)局勢(shì)決策,在局勢(shì)效果進(jìn)行量化之前,將樣本的局勢(shì)效果白化值轉(zhuǎn)化成各種可以比較的效果測(cè)度。

·對(duì)于“越大越好”的目標(biāo)采用上限效果測(cè)度

式中:

TRIZ理論具有良好的可操作性、系統(tǒng)性和實(shí)用性,它能夠幫助我們系統(tǒng)地分析問(wèn)題,快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題本質(zhì)或矛盾.針對(duì)固定設(shè)計(jì)原形,基于多功能調(diào)節(jié)思路,進(jìn)行多功能創(chuàng)新設(shè)計(jì),在創(chuàng)新設(shè)計(jì)的同時(shí),運(yùn)用TRIZ理論中39個(gè)通用的工程參數(shù)與40條發(fā)明原理,把實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的TRIZ標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題;然后,以TRIZ理論中發(fā)明問(wèn)題的解決策略作為指導(dǎo)方法,最終演繹得出實(shí)際解決方案.并結(jié)合可靠性分析，篩選創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案,具體的耦合創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基本思路如圖1所示.

·對(duì)于“越小越好”的目標(biāo)采用下限效果測(cè)度

式中:

·對(duì)于要求“適中”的目標(biāo)采用適中效果測(cè)度

6)計(jì)算多目標(biāo)綜合效果測(cè)度。由于局勢(shì)有k(k＞1)個(gè)目標(biāo),根據(jù)各種目標(biāo)的權(quán)重,則求取綜合效果測(cè)度

7)選擇最優(yōu)局勢(shì),就是挑選綜合效果測(cè)度值最大的局勢(shì)。

2.3 邏輯決斷與灰色局勢(shì)法共決機(jī)制

邏輯決斷圖定性分析得出維修策略優(yōu)選的結(jié)果,而灰色局勢(shì)決策從量化的角度依據(jù)多個(gè)目標(biāo)做出評(píng)價(jià)。定性分析和定量計(jì)算結(jié)合起來(lái)使得決策的結(jié)果能盡可能接近實(shí)情,以減少主觀因素影響,避免出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。故本文提出了邏輯決斷與灰色局勢(shì)法共決機(jī)制:當(dāng)邏輯決斷出的結(jié)果和灰色局勢(shì)法的結(jié)果一致時(shí),決策形成;當(dāng)兩者出現(xiàn)不同結(jié)論時(shí),由工程技術(shù)人員重新對(duì)邏輯決斷和灰色局勢(shì)法的每一個(gè)步驟做出分析和修正,若確定分析過(guò)程無(wú)誤或?qū)ζ渲心骋恍┡袛嗖襟E把握不足,則需通過(guò)部門(mén)或?qū)＜視?huì)議進(jìn)行確認(rèn)。共決機(jī)制過(guò)程如圖2所示。

圖2 邏輯決斷圖與灰色局勢(shì)決策共決機(jī)制

3 維修策略優(yōu)選評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

灰色局勢(shì)決策法是通過(guò)對(duì)多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),進(jìn)而選擇最優(yōu)的維修策略。下面以地鐵設(shè)備為例來(lái)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

3.1 指標(biāo)體系的建立

維修策略的決策受很多因素的影響。影響因素主要包括故障后果,維修需求,技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性等幾個(gè)方面。本文根據(jù)南京地鐵的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況,建立地鐵設(shè)備維修策略優(yōu)選評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。其目標(biāo)層包括:風(fēng)險(xiǎn)性,技術(shù)可行性,經(jīng)濟(jì)可行性以及維修資源調(diào)配的可行性等。

風(fēng)險(xiǎn)性是對(duì)維修策略減輕或避免故障后果和影響程度的評(píng)估;技術(shù)可行性是對(duì)維修策略的適用性和有效性以及維修性的評(píng)估;經(jīng)濟(jì)可行性是對(duì)維修成本的評(píng)估;維修資源調(diào)配的可行性主要是從有限的維修資源出發(fā),評(píng)判維修策略對(duì)維修資源的要求及調(diào)配的可行性。具體對(duì)應(yīng)的指標(biāo)如圖3所示。

圖3 維修策略優(yōu)選評(píng)價(jià)指標(biāo)體系圖

3.2 指標(biāo)的處理

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中既有定量指標(biāo)又有定性指標(biāo)。對(duì)于定量指標(biāo)一般可以直接得到,但是對(duì)于定性指標(biāo),首先應(yīng)對(duì)其進(jìn)行定量化。一般的做法都是采用先定性說(shuō)明再定量描述的方法,即先采用評(píng)語(yǔ)集的方法把每一定性指標(biāo)根據(jù)分類原則將其分為若干等級(jí),再根據(jù)各等級(jí)設(shè)定相應(yīng)的分值,采用專家打分法來(lái)確定。分?jǐn)?shù)的設(shè)計(jì)一般采用李科特量表評(píng)分,然后根據(jù)實(shí)際情況由專家來(lái)確定相應(yīng)的評(píng)語(yǔ)集,比如“非常大”(EP)、“很大”(VP)、“大”(P)、“一般”(F)、“小”(G)、“很小”(VG)、“非常小”(EG)等[4]。

實(shí)際上,這些表示判斷的語(yǔ)言變量本身都帶有模糊性。本文運(yùn)用模糊數(shù)理論,將一些定性指標(biāo)用模糊數(shù)來(lái)表示它們的值。參照文獻(xiàn)[6],確定定性指標(biāo)對(duì)應(yīng)模糊數(shù)的表現(xiàn)值如表1所示。

表1 模糊數(shù)表現(xiàn)值對(duì)應(yīng)表

3.3 指標(biāo)權(quán)重的確定

目前有很多的定權(quán)方法,如專家打分法、調(diào)查統(tǒng)計(jì)法、嫡值法等,但均存在不完善的地方。目前,層次分析法被一致認(rèn)為是一種較合理、可行的定權(quán)方法,也是一種系統(tǒng)分析方法,體現(xiàn)了人們決策思維的基本特征分析、判斷和綜合。

根據(jù)圖3中確定的維修策略優(yōu)選評(píng)價(jià)指標(biāo),首先確定抗風(fēng)險(xiǎn)性(G1),技術(shù)可行性(G2),經(jīng)濟(jì)可行性(G3)以及維修資源調(diào)配可行性(G4)的權(quán)值。

根據(jù)AHP(層次分析法)的要求,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的調(diào)查表格,邀請(qǐng)有關(guān)專家和現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)各個(gè)目標(biāo)的重要程度進(jìn)行評(píng)分。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2。利用Matlab軟件求解得到G1,G2,G3,G4的權(quán)重分別為0.570,0.267,0.090,0.073。同理,可確定整個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值(見(jiàn)表3)。

表2 維修策略優(yōu)選影響因素關(guān)系調(diào)查結(jié)果

表3 維修策略優(yōu)選影響因素權(quán)重分配表

4 地鐵車(chē)門(mén)系統(tǒng)故障維修策略優(yōu)選

針對(duì)各種不同的故障,備選的方案大體分4種:方案U1為視情維修;方案U2為預(yù)定翻修;方案U3為預(yù)定報(bào)廢;方案 U4為事后維修。下面以檢修中心車(chē)門(mén)子系統(tǒng)的“車(chē)門(mén)圖標(biāo)紅閃,開(kāi)關(guān)門(mén)正?！惫收夏Ｊ綖槔?演示維修策略優(yōu)選過(guò)程。

4.1 用邏輯決斷圖法實(shí)現(xiàn)維修策略優(yōu)選

經(jīng)過(guò)FMEA(故障模式及影響分析)及RCA(根本原因分析)得出“車(chē)門(mén)圖標(biāo)紅閃,開(kāi)關(guān)門(mén)正常”的故障原因是EDCU(電子能控單元)故障。由維修經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師按圖1中邏輯決斷的流程和決策標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行決斷,結(jié)果如圖4所示。其故障模式的邏輯決斷結(jié)果為:事后維修。

4.2 用灰色局勢(shì)決策實(shí)現(xiàn)維修策略優(yōu)選

“車(chē)門(mén)圖標(biāo)紅閃,開(kāi)關(guān)門(mén)正?！惫收夏Ｊ降墓收显?yàn)镋DCU故障。按照灰色局勢(shì)決策方法對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)賦值,包括定量指標(biāo)和定性指標(biāo),以及評(píng)價(jià)指標(biāo)極性的確定(見(jiàn)表4)。

表4 “車(chē)門(mén)圖標(biāo)紅閃,開(kāi)關(guān)門(mén)正常”維修策略評(píng)價(jià)指標(biāo)極性

采用灰色局勢(shì)決策理論中的效果測(cè)度理論和模糊數(shù)表現(xiàn)值的計(jì)算方法,確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的效果測(cè)度值(見(jiàn)表5)。

根據(jù)隸屬度值公式E=wi×rij可得到4種方案隸屬于最優(yōu)解的隸屬度值:

結(jié)論為EU2＜EU3＜EU1＜EU4。根據(jù)最大隸屬度原則,選擇 U4為最佳方案。即:車(chē)門(mén)子系統(tǒng)“車(chē)門(mén)圖標(biāo)紅閃,開(kāi)關(guān)門(mén)正常”的維修策略為事后維修。

圖4 “車(chē)門(mén)圖標(biāo)紅閃,開(kāi)關(guān)門(mén)正常”邏輯決斷流程圖

表5 “車(chē)門(mén)圖標(biāo)紅閃,開(kāi)關(guān)門(mén)正?！本S修策略評(píng)價(jià)指標(biāo)效果測(cè)度

4.3 邏輯決斷圖與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型共同決策

定性和定量?jī)煞N分析得出的結(jié)論一致,故“車(chē)門(mén)圖標(biāo)紅閃,開(kāi)關(guān)門(mén)正?！钡墓收喜捎檬潞缶S修的策略。

5 結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)地總結(jié)了目前維修領(lǐng)域內(nèi)的四類維修策略及各自的適用性,詳細(xì)地闡述了如何采用邏輯決斷圖法進(jìn)行維修策略的優(yōu)選,創(chuàng)新地運(yùn)用灰色局勢(shì)決策法實(shí)現(xiàn)了維修策略定量?jī)?yōu)選;最后設(shè)計(jì)了邏輯決斷圖和灰色局勢(shì)決策法共決機(jī)制,并以地鐵車(chē)門(mén)系統(tǒng)故障為實(shí)例進(jìn)行分析。結(jié)果表明,該方法可以達(dá)到結(jié)果更可信的預(yù)期效果。

[1]孫偉.石油化工企業(yè)設(shè)備運(yùn)行可靠性管理研究[D].天津:天津大學(xué),2006.

[2]莫布雷.以可靠性為中心的維修[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995.

[3]陸朝榮,施毅.設(shè)備故障率和設(shè)備維修策略[J].石油化工技術(shù)經(jīng)濟(jì),2004(3):48.

[4]夏良化,賈希勝,徐英.設(shè)備維修策略的合理選擇與決策流程[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2006(4):63.

[5]Jia Xisheng.OR modeling within the RCM context[M].UK:University of Salford,2001.

[6]曹永剛.電力變壓器狀態(tài)分析與維修策略的研究[D].南京:河海大學(xué),2006.

[7]溫清.上海軌道交通綜合維修體制探討[J].城市軌道交通研究,2008(4):1.

Optimal and Empirical Study on the Choice of Metro Equipment Maintenance Strategy

Liang Xiandeng,Liu Yingshun,Mao Yixuan

This paper introduces briefly several maintenance strategies,puts forward a way of choosing the equipment maintenance strategy based on logic decision method and gray theory,and proposes an evaluation indicators'system.Finally,this paper takes the maintenance of metro vehicle door failure as an example to discuss the most suitable maintenance strategy selection.

metro equipment;maintenance strategy;optimal methord

U 231+.94

2009-03-31)