梁先登 劉英舜 毛一軒

(南京理工大學車輛與交通工程系,210094,南京∥第一作者,碩士研究生)

地鐵設備維修策略優(yōu)選方法及實證

梁先登 劉英舜 毛一軒

(南京理工大學車輛與交通工程系,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、灰色局勢決策作為定量評判、定性和定量相結合來實現(xiàn)設備維修策略優(yōu)選的方法,并構建了維修決策評價指標體系。以地鐵車門系統(tǒng)故障維修為例選出了最優(yōu)維修策略。

地鐵設備;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

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

1 維修策略的一些基本概念

現(xiàn)在國內(nèi)外企業(yè)在設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,簡為BM),是指設備發(fā)生故障或者性能下降至合格水平以下時采取的非計劃性維修,或對事先無法預計的突發(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,并允許隨時進行修理的場合。

2)預防性維修(Preventive Maintenance,簡為PM),是指通過對設備的檢查、檢測,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)所進行的各種維修活動,主要包括計劃預防修和根據(jù)情況的預防修兩類。

3)視情維修(Condition Based Maintenance,簡為CBM),是通過監(jiān)控掌握設備的狀況,對其可能發(fā)生功能故障的項目進行必要的預防性維修。它適用于耗損故障初期有明顯劣化癥候的設備,但需要適當?shù)臋z測手段,如功能檢測和先進的技術等。

4)預定翻修(Scheduled Maintenance,簡為SM)和預定報廢(Scheduled Change,簡為 SC),均屬于預防性維修的計劃預防修。預定翻修意指周期性地采取措施把現(xiàn)有設備或部件恢復到原有狀態(tài)。預定報廢意指按預定的時間間隔用新設備或部件更換舊設備或部件。

5)改進性維修(Improvement Maintenance,簡為IM),系指對設備進行技術改進和改造,或者是重新設計(換另一種產(chǎn)品替代),以提高設備的固有可靠性、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

從目前國內(nèi)外研究情況來看,邏輯決斷圖的設計和表現(xiàn)形式上雖然不同,但設計的根本理念是一致的[4]:對于有嚴重故障后果的關鍵設備首選狀態(tài)檢測維修,技術不可行時也必須采用定期計劃維修策略;對于故障后果一般或較重的主要設備,除故障突發(fā)的特殊情況外,都應采用定期計劃維修;對于故障后果較小的次要設備,采用事后維修的策略。

英國學者莫布雷提出的經(jīng)典邏輯決斷圖已廣為使用,但在使用中也出現(xiàn)了一些實際問題:由于決策人員經(jīng)驗和專業(yè)素質(zhì)的差異,在回到“是否技術可行”和“是否經(jīng)濟可行”時,往往較難做出判斷。本文在經(jīng)典邏輯決斷圖的基礎上設計了更為簡潔的邏輯決斷圖(見圖1)。該邏輯決斷圖的設計主要從故障后果和技術可行性出發(fā)。

圖1 邏輯決斷圖

為了更準確、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備或系統(tǒng)功能的喪失對操作者來說是不明顯的,那么該故障就是隱性故障,否則為顯性故障。

2)故障機理是否與時間壽命有關,是通過對故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,判斷故障是否隨時間呈現(xiàn)特定的變化規(guī)律。若是隨機的,不能明確得出其與時間的關系,則為與時間壽命無關。

3)多重故障風險度是否高,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重程度。多重故障即為此故障引發(fā)的相關聯(lián)的其他故障。

4)故障后果是否嚴重,是指若引起環(huán)境與安全性后果,則為嚴重;若只是影響運營,則為一般嚴重;若對環(huán)境、安全和運營都不產(chǎn)生影響,只是產(chǎn)生直接的維修費用,則為不嚴重。

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

2.2 灰色局勢決策法

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。由于維修策略評價中存在定性和定量因素,各因素間不具有數(shù)量上的確定關系,故信息的可知性差,具有灰色性。因此,運用灰色系統(tǒng)理論使評價各方案多方面因素的相互間互補的、不可比的技術經(jīng)濟指標成為可比的、可量化的。特別是對于多評價指標的系統(tǒng)方案選擇,灰色理論提供了一個簡單可行的方法[5]。

灰色局勢決策是專門解決灰色系統(tǒng)多目標決策問題的方法,是根據(jù)某些準則對各個局勢所產(chǎn)生的實際效果規(guī)定效果測度,然后計算每一方案綜合效果測度,據(jù)此進行方案的排序。其具體步驟如下:

1)給出事件和對策。

2)構造局勢,即事件和對策的二元組合。局勢={事件,對策}。

3)給出目標。目標是評價局勢好壞的依據(jù),一般包括經(jīng)濟目標、技術目標、效果目標、環(huán)保目標等。按目標值的大小一般分為三種:對于效益目標,效益越大越好,這是極大值目標;對于損耗目標,損耗越小越好,這是極小值目標;對于適中值目標,即不能太大也不能太小。

4)給出不同目標的效果白化值:對每個目標、每個局勢有一個效果白化值。

5)計算不同目標的效果測度。由于量綱和要求不同,需要統(tǒng)一量綱和要求。即一個多目標局勢決策,在局勢效果進行量化之前,將樣本的局勢效果白化值轉化成各種可以比較的效果測度。

·對于“越大越好”的目標采用上限效果測度

式中:

TRIZ理論具有良好的可操作性、系統(tǒng)性和實用性,它能夠幫助我們系統(tǒng)地分析問題,快速發(fā)現(xiàn)問題本質(zhì)或矛盾.針對固定設計原形,基于多功能調(diào)節(jié)思路,進行多功能創(chuàng)新設計,在創(chuàng)新設計的同時,運用TRIZ理論中39個通用的工程參數(shù)與40條發(fā)明原理,把實際問題轉換為對應的TRIZ標準問題;然后,以TRIZ理論中發(fā)明問題的解決策略作為指導方法,最終演繹得出實際解決方案.并結合可靠性分析，篩選創(chuàng)新設計方案,具體的耦合創(chuàng)新設計的基本思路如圖1所示.

·對于“越小越好”的目標采用下限效果測度

式中:

·對于要求“適中”的目標采用適中效果測度

6)計算多目標綜合效果測度。由于局勢有k(k＞1)個目標,根據(jù)各種目標的權重,則求取綜合效果測度

7)選擇最優(yōu)局勢,就是挑選綜合效果測度值最大的局勢。

2.3 邏輯決斷與灰色局勢法共決機制

邏輯決斷圖定性分析得出維修策略優(yōu)選的結果,而灰色局勢決策從量化的角度依據(jù)多個目標做出評價。定性分析和定量計算結合起來使得決策的結果能盡可能接近實情,以減少主觀因素影響,避免出現(xiàn)嚴重偏差。故本文提出了邏輯決斷與灰色局勢法共決機制:當邏輯決斷出的結果和灰色局勢法的結果一致時,決策形成;當兩者出現(xiàn)不同結論時,由工程技術人員重新對邏輯決斷和灰色局勢法的每一個步驟做出分析和修正,若確定分析過程無誤或對其中某一些判斷步驟把握不足,則需通過部門或專家會議進行確認。共決機制過程如圖2所示。

圖2 邏輯決斷圖與灰色局勢決策共決機制

3 維修策略優(yōu)選評價指標體系的構建

灰色局勢決策法是通過對多個評價指標進行綜合評價,進而選擇最優(yōu)的維修策略。下面以地鐵設備為例來構建評價指標體系。

3.1 指標體系的建立

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,技術可行性和經(jīng)濟可行性等幾個方面。本文根據(jù)南京地鐵的實際運營情況,建立地鐵設備維修策略優(yōu)選評價指標體系。其目標層包括:風險性,技術可行性,經(jīng)濟可行性以及維修資源調(diào)配的可行性等。

風險性是對維修策略減輕或避免故障后果和影響程度的評估;技術可行性是對維修策略的適用性和有效性以及維修性的評估;經(jīng)濟可行性是對維修成本的評估;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),評判維修策略對維修資源的要求及調(diào)配的可行性。具體對應的指標如圖3所示。

圖3 維修策略優(yōu)選評價指標體系圖

3.2 指標的處理

評價指標體系中既有定量指標又有定性指標。對于定量指標一般可以直接得到,但是對于定性指標,首先應對其進行定量化。一般的做法都是采用先定性說明再定量描述的方法,即先采用評語集的方法把每一定性指標根據(jù)分類原則將其分為若干等級,再根據(jù)各等級設定相應的分值,采用專家打分法來確定。分數(shù)的設計一般采用李科特量表評分,然后根據(jù)實際情況由專家來確定相應的評語集,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]。

實際上,這些表示判斷的語言變量本身都帶有模糊性。本文運用模糊數(shù)理論,將一些定性指標用模糊數(shù)來表示它們的值。參照文獻[6],確定定性指標對應模糊數(shù)的表現(xiàn)值如表1所示。

表1 模糊數(shù)表現(xiàn)值對應表

3.3 指標權重的確定

目前有很多的定權方法,如專家打分法、調(diào)查統(tǒng)計法、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為是一種較合理、可行的定權方法,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)選評價指標,首先確定抗風險性(G1),技術可行性(G2),經(jīng)濟可行性(G3)以及維修資源調(diào)配可行性(G4)的權值。

根據(jù)AHP(層次分析法)的要求,設計了相應的調(diào)查表格,邀請有關專家和現(xiàn)場工作人員對各個目標的重要程度進行評分。統(tǒng)計結果如表2。利用Matlab軟件求解得到G1,G2,G3,G4的權重分別為0.570,0.267,0.090,0.073。同理,可確定整個評價指標體系中各個評價指標的權值(見表3)。

表2 維修策略優(yōu)選影響因素關系調(diào)查結果

表3 維修策略優(yōu)選影響因素權重分配表

4 地鐵車門系統(tǒng)故障維修策略優(yōu)選

針對各種不同的故障,備選的方案大體分4種:方案U1為視情維修;方案U2為預定翻修;方案U3為預定報廢;方案 U4為事后維修。下面以檢修中心車門子系統(tǒng)的“車門圖標紅閃,開關門正常”故障模式為例,演示維修策略優(yōu)選過程。

4.1 用邏輯決斷圖法實現(xiàn)維修策略優(yōu)選

經(jīng)過FMEA(故障模式及影響分析)及RCA(根本原因分析)得出“車門圖標紅閃,開關門正常”的故障原因是EDCU(電子能控單元)故障。由維修經(jīng)驗豐富的工程師按圖1中邏輯決斷的流程和決策標準進行決斷,結果如圖4所示。其故障模式的邏輯決斷結果為:事后維修。

4.2 用灰色局勢決策實現(xiàn)維修策略優(yōu)選

“車門圖標紅閃,開關門正常”故障模式的故障原因為EDCU故障。按照灰色局勢決策方法對各評價指標賦值,包括定量指標和定性指標,以及評價指標極性的確定(見表4)。

表4 “車門圖標紅閃,開關門正?！本S修策略評價指標極性

采用灰色局勢決策理論中的效果測度理論和模糊數(shù)表現(xiàn)值的計算方法,確定各個評價指標的效果測度值(見表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:車門子系統(tǒng)“車門圖標紅閃,開關門正?！钡木S修策略為事后維修。

圖4 “車門圖標紅閃,開關門正?！边壿嫑Q斷流程圖

表5 “車門圖標紅閃,開關門正?！本S修策略評價指標效果測度

4.3 邏輯決斷圖與風險評估模型共同決策

定性和定量兩種分析得出的結論一致,故“車門圖標紅閃,開關門正?！钡墓收喜捎檬潞缶S修的策略。

5 結語

本文系統(tǒng)地總結了目前維修領域內(nèi)的四類維修策略及各自的適用性,詳細地闡述了如何采用邏輯決斷圖法進行維修策略的優(yōu)選,創(chuàng)新地運用灰色局勢決策法實現(xiàn)了維修策略定量優(yōu)選;最后設計了邏輯決斷圖和灰色局勢決策法共決機制,并以地鐵車門系統(tǒng)故障為實例進行分析。結果表明,該方法可以達到結果更可信的預期效果。

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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)