高英銘，陳 震，張秀芳，潘爾順

(上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

隨著科技進步和經(jīng)濟發(fā)展，制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，企業(yè)間的競爭愈發(fā)激烈，對制造系統(tǒng)可靠性的要求也越來越高.制造系統(tǒng)可靠性是制造過程平穩(wěn)進行、提高生產(chǎn)效率的重要保障，也是企業(yè)重要的競爭優(yōu)勢所在.目前，對制造系統(tǒng)可靠性的評價主要分為兩類[1]：一類是對傳統(tǒng)單一設(shè)備可靠性定義的擴充，即制造系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)正常運行的概率[2-3]；另一類是從制造系統(tǒng)任務(wù)可靠性的角度，即制造系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)，完成的合格成品數(shù)量大于客戶需求數(shù)量的概率[4-5].

許多學(xué)者沿用傳統(tǒng)的可靠性定義來評估制造系統(tǒng)可靠性.何益海等[6]提出一種考慮產(chǎn)品質(zhì)量的系統(tǒng)可靠性評價方法，將系統(tǒng)可靠性視為系統(tǒng)未失效和產(chǎn)品質(zhì)量合格兩者概率的乘積，其中產(chǎn)品質(zhì)量與設(shè)備刀具和夾具的磨損情況存在耦合效應(yīng)，進而影響系統(tǒng)的失效概率.劉銀華等[7]在夾具磨損的基礎(chǔ)上，考慮來料偏差和定位時的配合公差，對車身裝配系統(tǒng)可靠性進行評價.杜世昌等[8]對制造系統(tǒng)中產(chǎn)品尺寸偏差的累積與傳遞效應(yīng)進行建模，從系統(tǒng)層面控制尺寸偏差.Liu等[9]針對不可修復(fù)系統(tǒng)，建立非齊次Markov模型，分析多態(tài)系統(tǒng)性能的衰退過程.在此基礎(chǔ)上，周豐旭等[10]結(jié)合通用發(fā)生函數(shù)和模糊層次分析法分析非串聯(lián)多級制造系統(tǒng)的可靠性.Sharma等[11]結(jié)合故障樹分析(FTA)和失效模式及后果分析(FMEA)從定性和定量兩個方面分析復(fù)雜機電系統(tǒng)的可靠性.

同時，有許多學(xué)者認(rèn)為任務(wù)可靠性更加適合用于制造系統(tǒng)的可靠性評價.Lin等[12]認(rèn)為基于網(wǎng)絡(luò)模型分析系統(tǒng)的產(chǎn)能十分適用于制造系統(tǒng)的可靠性評估.Tina等[13]對離散的隨機流網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行分析，以輸出量作為指標(biāo)進行可靠性建模，并提出Song Rule對模型進行簡化求解.Chang等[14]考慮設(shè)備間的聯(lián)合緩存，采用仿真方法隨機生成容量狀態(tài)，并通過敏感性分析確定最可能增加緩沖區(qū)容量的位置.Gu等[15]考慮材料及機器的動態(tài)變化，基于隨機流網(wǎng)絡(luò)對不同參數(shù)下的制造系統(tǒng)進行了數(shù)值分析.

以上學(xué)者在系統(tǒng)可靠性評估中，未考慮設(shè)備退化對系統(tǒng)可靠性的影響，因此無法全面反映不同階段制造系統(tǒng)的狀態(tài).綜合分析制造系統(tǒng)可靠性與各設(shè)備退化及維護的關(guān)系，將維護優(yōu)化從設(shè)備層擴展到系統(tǒng)層，有利于減少設(shè)備的不必要維護，在保障系統(tǒng)可靠性的同時，最小化維護成本.

針對現(xiàn)有研究的不足，本文以多工位流水線制造系統(tǒng)為研究對象，考慮產(chǎn)品返工情況，以任務(wù)可靠性作為制造系統(tǒng)可靠性的評價指標(biāo)，運用隨機流網(wǎng)絡(luò)模型對系統(tǒng)可靠性進行建模，并基于Markov方法對設(shè)備狀態(tài)進行轉(zhuǎn)換建模，以平穩(wěn)狀態(tài)下系統(tǒng)維護的平均總成本最低為目標(biāo)，對系統(tǒng)的維護方案進行決策.

1 制造系統(tǒng)可靠性評價

圖1 制造系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of manufacturing system network

原材料依次在設(shè)備M1～Mn上加工變?yōu)槌善?，其中，設(shè)備Mr后的檢查點是一個返工檢查點，即設(shè)備Mr制造出的不良品將回到設(shè)備Mk進行返工.因此，對于給定的產(chǎn)量需求量AD，制造系統(tǒng)的可靠性可以用規(guī)定時間內(nèi)系統(tǒng)輸出滿足需求的概率來表示

R=P(AO≥AD)

(1)

假設(shè)條件如下：① 產(chǎn)品各工序加工時間相同；② 每個產(chǎn)品最多返工一次；③ 不考慮設(shè)備的計劃停工時間；④ 原材料供給充足；⑤ 制造系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為一個連續(xù)流網(wǎng)絡(luò)；⑥ 設(shè)備狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換是一個齊次Markov過程，即每個狀態(tài)轉(zhuǎn)換至其他狀態(tài)的速率只與該狀態(tài)本身有關(guān)；⑦ 設(shè)備維護只能由較劣狀態(tài)向較優(yōu)狀態(tài)維護，不會維護至更劣狀態(tài)，且設(shè)備處于故障狀態(tài)時必須維護.

(2)

同理，可計算出在設(shè)備Mk后的各個設(shè)備的輸入.綜上，任意設(shè)備Mi的輸入可以通過下式計算：

AIi=

(3)

若系統(tǒng)輸出滿足需求，則AO≥AD.其中，系統(tǒng)輸出可以認(rèn)為是虛擬設(shè)備Mn+1的輸入，即AO=AIn+1，故有如下公式：

(4)

(5)

從而，可以獲得滿足系統(tǒng)需求的設(shè)備Mi的最小輸入可以表示為

(6)

R=P(AO≥AD)=P(Ax≥AImin)=

(7)

2 制造系統(tǒng)維護策略

2.1 系統(tǒng)維護模型建立

πiQi=0

(8)

式中：0=[00…0]，且

(9)

(10)

(11)

(12)

P(Axi=AImini)=

CAIminiAli(1-πis)AImini(πis)Ali-AImini

(13)

AImini

P(Axi≥AImini)=

∑Alij=AIminiCjAli(1-πis)j(πis)Ali-j

(14)

所以制造系統(tǒng)可靠性滿足下式：

∏ni=1∑Alij=AIminiCjAli(1-πis)j(πis)Ali-j≥Rmin

(15)

(16)

約束條件為式(3)、(6)、(8)～(11)、(15).

2.2 模型變換

圖2 決策變量矩陣Yi的形式Fig.2 Form of decision variable matrix Yi

(17)

(18)

模型的計算過程為

(3) 通過式(8)～(10)，計算轉(zhuǎn)移速率矩陣Qi和平穩(wěn)分布πi.

(4) 通過式(15)，計算系統(tǒng)可靠性并將其與給定的可靠性閾值比較.

(5) 通過式(16)，計算維護成本.

3 算例分析

下面通過算例分析來驗證模型的有效性.制造系統(tǒng)由3種設(shè)備組成，每種設(shè)備有5臺，每臺設(shè)備的退化過程中包括狀態(tài)1～4，共4種狀態(tài).狀態(tài)1代表設(shè)備全新，狀態(tài)4代表設(shè)備故障.原材料在3種設(shè)備上依次加工變?yōu)槌善?每種設(shè)備加工出合格品的概率均為0.95.系統(tǒng)單位時間的輸出需求量為3個，系統(tǒng)可靠度最低要求為95%.設(shè)備的狀態(tài)變化為齊次Markov過程.制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示.

圖3 制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Diagram of manufacturing system structure

表1 退化過程中設(shè)備的狀態(tài)轉(zhuǎn)移速率Tab.1 State transition rate of devices during degradation

表2 維護過程中設(shè)備的狀態(tài)轉(zhuǎn)移速率Tab.2 State transition rate of devices during maintenance

表3 設(shè)備各狀態(tài)間的維護成本Tab.3 Maintenance cost among states of devices

計算步驟如下.

步驟1初始化g=4，gg=Ni.

2 fig=agg-1!,ag≡ag-1(modg-1!),

步驟3g=g-1.

步驟4若g≥1，返回步驟2；否則，計算結(jié)束.

fi4=143!=2,14≡a3=2(mod3!),fi3=22!=1,2≡a2=0(mod2!),fi2=01!=0,0≡a1=0(mod1!),fi1=00!=0,0≡a0=0(mod0!),

然后變化i，建立f=(f1,f2,f3)與正整數(shù)N的對應(yīng)關(guān)系.通過上述步驟可以確定，對于每個i，正整數(shù)Ni的最大值為 4!-1=23.按照如下步驟建立f與正整數(shù)N的一一對應(yīng)關(guān)系.

步驟1初始化i=3,bi=N.

2 Ni=bi23i-1,bi≡bi-1(mod23i-1),

步驟即令bi除以23i-1的商為Ni，余數(shù)為bi-1.

步驟3i=i-1.

步驟4若i≥1，返回步驟2；否則，計算結(jié)束.

(4) 通過式(15)，計算系統(tǒng)可靠性并與給定可靠性閾值比較.

(5) 對于滿足可靠性閾值的一組解，通過式(16)計算其維護成本，并與當(dāng)前最小維護成本進行對比，以確定是否更新最優(yōu)解.若N>(s!)n，計算結(jié)束；否則，令N=N+1，返回步驟(2).

圖4 最優(yōu)維護方案示意圖Fig.4 Diagram of optimal maintenance policy

下面對模型的計算結(jié)果進行分析.設(shè)備M1的維護方案為維護至相鄰的更優(yōu)狀態(tài)；設(shè)備M2的維護方案為故障后維護至全新狀態(tài)；設(shè)備M3的維護方案為若設(shè)備處于狀態(tài)2、3，直接維護至狀態(tài)1，若設(shè)備處于狀態(tài)4，維護至狀態(tài)2.由表2和3可知，設(shè)備M1的相鄰狀態(tài)間維護成本低、維護時間短，適合維護至相鄰狀態(tài).設(shè)備M2不同狀態(tài)間的維護成本和維護時間分布相同，適合故障后換新.設(shè)備M3相鄰狀態(tài)間的維護成本低，但是不同狀態(tài)間的維護時間分布相同.由此可見，由模型獲得的維護方案比較合理.

為了說明本文模型的有效性，將模型的求解結(jié)果與其他11種維護策略進行比較.將本文模型作為維護策略1(S1)；S2：故障后完美維護，即設(shè)備故障(狀態(tài)4)后維護至全新狀態(tài)(狀態(tài)1)，其他情況不維護；S3：最小修，即設(shè)備故障后維護至故障發(fā)生前的狀態(tài)，其他情況不維護；S4：設(shè)備故障(狀態(tài)4)后維護至狀態(tài)1，且設(shè)備衰退至狀態(tài)2時維護至狀態(tài)1；S5：設(shè)備故障(狀態(tài)4)后維護至狀態(tài)1，且設(shè)備衰退至狀態(tài)3時維護至狀態(tài)1；S6：設(shè)備故障(狀態(tài)4)后維護至狀態(tài)1，且設(shè)備衰退至狀態(tài)3時維護至狀態(tài)2；S7：設(shè)備故障(狀態(tài)4)后維護至狀態(tài)2，且設(shè)備衰退至狀態(tài)2時維護至狀態(tài)1；S8：設(shè)備故障(狀態(tài)4)后維護至狀態(tài)2，且設(shè)備衰退至狀態(tài)3時維護至狀態(tài)1；S9：設(shè)備故障(狀態(tài)4)后維護至狀態(tài)2，且設(shè)備衰退至狀態(tài)3時維護至狀態(tài)2；S10：設(shè)備故障(狀態(tài)4)后維護至狀態(tài)3，且設(shè)備衰退至狀態(tài)2時維護至狀態(tài)1；S11：設(shè)備故障(狀態(tài)4)后維護至狀態(tài)3，且設(shè)備衰退至狀態(tài)3時維護至狀態(tài)1；S12：設(shè)備故障(狀態(tài)4)后維護至狀態(tài)3，且設(shè)備衰退至狀態(tài)3時維護至狀態(tài)2.包括本文模型在內(nèi)的12種維護策略對比結(jié)果如表4所示.其中：Ri為設(shè)備Mi的可靠性；wtot為系統(tǒng)級的維護成本.

表4 不同維護策略的結(jié)果對比Tab.4 Comparison results of different maintenance strategies

12種維護策略的系統(tǒng)可靠性與維護成本之間的關(guān)系如圖5所示.其中:-ln(1-R)用于衡量系統(tǒng)可靠性；Δwtot為Su與S1的維護成本差值；藍色虛線為S1的系統(tǒng)可靠性.

圖5 不同維護策略的系統(tǒng)可靠性與維護成本Fig.5 System reliability and maintenance costs of different maintenance strategies

由表4可知，S1與其他維護策略相比，在系統(tǒng)可靠性方面最多可提高8.65%，在維護成本方面最多可降低68.96%.由圖5可知，由于S1考慮了在設(shè)備退化至故障狀態(tài)前進行先行維護，設(shè)備故障率更低，系統(tǒng)可靠性在所有維護策略中僅次于S11，并且兩者相差較小.但在維護成本方面，S1系統(tǒng)地優(yōu)化了各設(shè)備的維護策略，在保障系統(tǒng)可靠性要求的基礎(chǔ)上，避免了設(shè)備的不必要維護，與其他策略相比S1的維護成本顯著降低.

4 結(jié)語

本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，考慮加工過程中產(chǎn)生的不良品以及不良品返工的情況，分析了系統(tǒng)中各設(shè)備的輸入與系統(tǒng)輸出的關(guān)系，建立了基于隨機流網(wǎng)絡(luò)的制造系統(tǒng)可靠性模型.同時，考慮到現(xiàn)有研究的不足，將制造系統(tǒng)可靠性大于等于給定閾值作為約束條件，建立了基于齊次Markov過程的系統(tǒng)維護模型.針對系統(tǒng)維護模型解空間過大的情況，提出一種模型變換方法，有效降低解空間規(guī)模.最后通過算例，證明模型結(jié)果與其他11種維護策略相比，維護成本更小，系統(tǒng)可靠性更高，證明了模型的有效性和先進性.