設(shè)備故障發(fā)生的必然性使得維修成為設(shè)備使用者不可回避的現(xiàn)實(shí)。根據(jù)設(shè)備故障后果的嚴(yán)重程度，需要采用不同的維修策略才能最大限度地消除設(shè)備故障后產(chǎn)生的影響，如安全性、任務(wù)性和經(jīng)濟(jì)性影響等。因此，針對(duì)設(shè)備不同的故障類型，有必要比較不同維修策略產(chǎn)生的效益，從中選擇最適合的維修策略。
維修策略的發(fā)展依次經(jīng)歷了事后維修、定期維修和基于狀態(tài)的維修(condition based maintenance，CBM)。事后維修采取一種設(shè)備故障后才修理的策略，適用于故障后果不嚴(yán)重、故障后容易修理的設(shè)備；定期維修從預(yù)防故障發(fā)生的角度，采用固定的時(shí)間間隔實(shí)施維修，可以顯著減少設(shè)備的非計(jì)劃停機(jī)次數(shù)，提高設(shè)備的可用度，但容易引起維修不足或維修過(guò)剩的問(wèn)題，造成非計(jì)劃停機(jī)損失或增加不必要的維修費(fèi)用；CBM根據(jù)監(jiān)測(cè)的設(shè)備狀態(tài)信息，評(píng)估設(shè)備當(dāng)前所處的“健康”狀態(tài)，并預(yù)測(cè)其未來(lái)的變化趨勢(shì)，以便在設(shè)備功能故障前確定最優(yōu)的維修時(shí)機(jī)，從而有效避免維修不足和維修過(guò)剩的問(wèn)題，該類維修非常適用于故障后果嚴(yán)重的關(guān)鍵設(shè)備。隨著現(xiàn)代設(shè)備向大型、復(fù)雜的方向發(fā)展，CBM策略的應(yīng)用前景更為廣闊，因此受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注并加以研究。目前關(guān)于CBM的研究大部分集中于如何在具體設(shè)備上實(shí)現(xiàn)，考慮到實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜性，只有在評(píng)估CBM策略效益的基礎(chǔ)上，實(shí)施CBM才具備合理性，因此需要開(kāi)展CBM策略的效益評(píng)估研究。現(xiàn)有確定設(shè)備維修策略的研究中，常用的方法是對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行故障模式影響及危害性分析(failure mode effect and criticality analysis，F(xiàn)MECA)。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)設(shè)備故障模式按照危害性高低進(jìn)行排序，對(duì)應(yīng)維修策略依次為CBM、定期維修和事后維修。應(yīng)用FMECA實(shí)現(xiàn)故障模式危害性排序時(shí)，需要評(píng)估的三個(gè)基本要素為嚴(yán)重度、出現(xiàn)頻率和檢測(cè)率，因而對(duì)于致命性或者危害性最低的故障模式來(lái)說(shuō)，維修策略的選擇還比較直觀。但設(shè)備故障后果不一定都產(chǎn)生致命性的安全影響，通常情況下只產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)性影響，直接導(dǎo)致危害性分析結(jié)果難以有效界定不同維修策略選擇的分割點(diǎn)，所以可行的方法是評(píng)估不同維修策略的經(jīng)濟(jì)效益。因此，針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備故障后果的經(jīng)濟(jì)性影響，對(duì)于實(shí)施CBM策略的多個(gè)設(shè)備，本文根據(jù)預(yù)測(cè)的設(shè)備故障概率，利用離散事件仿真方法模擬設(shè)備運(yùn)行過(guò)程，構(gòu)建維修策略效益評(píng)估流程，定量評(píng)估CBM策略產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，量化CBM策略相對(duì)于事后維修和定期維修策略的優(yōu)勢(shì)。
1 維修策略概述
CBM的出現(xiàn)得益于狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，使得根據(jù)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)制定維修計(jì)劃成為可能。從時(shí)間上，維修策略演變主要經(jīng)歷事后維修、預(yù)防性維修到基于狀態(tài)的維修。三種維修策略的對(duì)比如表1所示。
表1 維修策略比較
通過(guò)對(duì)比可以看出CBM相對(duì)于其他兩種維修策略的優(yōu)勢(shì)，但這并不意味著CBM可以完全取代這兩種維修策略。因?yàn)槭蹸BM實(shí)現(xiàn)條件和適用范圍的限制，CBM策略不可能適用于所有設(shè)備。一般來(lái)說(shuō)，CBM實(shí)施需要滿足的條件包括：a)設(shè)備從潛在故障到功能故障過(guò)程中存在足夠長(zhǎng)的延遲時(shí)間；b)能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)的狀態(tài)信息預(yù)測(cè)設(shè)備功能故障發(fā)生時(shí)間；c)預(yù)測(cè)的最長(zhǎng)時(shí)間間隔不能小于維修準(zhǔn)備時(shí)間，并且適用CBM策略的設(shè)備，其故障后果都比較嚴(yán)重。
因此，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，考慮到CBM策略的局限性和復(fù)雜性，對(duì)于存在經(jīng)濟(jì)性故障后果且能夠?qū)嵤〤BM策略的故障模式，需要量化CBM策略能夠產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，從而為維修決策過(guò)程中最優(yōu)維修策略的選擇提供依據(jù)。
2 維修策略效益評(píng)估流程
2.1 前提假設(shè)
設(shè)備故障后產(chǎn)生的影響可概括為安全性影響、任務(wù)性影響和經(jīng)濟(jì)性影響。故障發(fā)生的必然性使得只能通過(guò)選擇適合的維修策略來(lái)避免或降低以上故障影響。因此，維修策略的效益可以體現(xiàn)在多個(gè)方面，本文主要評(píng)估維修策略產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，以多個(gè)設(shè)備組成的生產(chǎn)系統(tǒng)為研究對(duì)象，構(gòu)建適合評(píng)估不同維修策略效益的目標(biāo)函數(shù)。
在評(píng)估CBM策略的效益時(shí)，本文假設(shè)對(duì)于生產(chǎn)系統(tǒng)中的每一個(gè)設(shè)備，根據(jù)故障預(yù)測(cè)算法和設(shè)備歷史可靠性數(shù)據(jù)能夠確定其剩余使用壽命的概率分布，如果不能夠獲得設(shè)備隨時(shí)間的故障概率，本文構(gòu)建的評(píng)估方法將不能使用。
2.2 基本原理
設(shè)備故障和維修安排可以看成是設(shè)備使用過(guò)程中發(fā)生的一系列離散事件，因此本文采用離散事件仿真的方法來(lái)評(píng)估不同維修策略的效益，其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)為：a)不需要假設(shè)設(shè)備退化過(guò)程的特征，如假設(shè)退化過(guò)程的馬爾可夫性以及退化函數(shù)形式等；b)離散事件建模直觀性強(qiáng)，能夠使用多種可視化的仿真軟件。本文在建模過(guò)程中，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的描述方式和決策目標(biāo)函數(shù)定義如下：
1)系統(tǒng)狀態(tài)描述
設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷一系列事件，包括開(kāi)機(jī)、停機(jī)、故障、維修開(kāi)始、維修結(jié)束等。不同事件之間持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)設(shè)備的不同狀態(tài)，而這一系列狀態(tài)集合可以描述生產(chǎn)系統(tǒng)的使用過(guò)程。因此系統(tǒng)狀態(tài)可用向量描述如下：
Si={IPR1，IPR2，...，IPRn，CCR1，CCR2，...，CCRn，MA} (1)
其中：IPR表示設(shè)備的瞬時(shí)生產(chǎn)率；CCR表示生產(chǎn)系統(tǒng)容量變化率；MA為狀態(tài)S下可工作的維修人員數(shù)量。IPR描述設(shè)備單位時(shí)間生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量，衡量設(shè)備生產(chǎn)快慢程度；CCR描述生產(chǎn)線緩沖區(qū)容量的變化快慢。CCR與IPR直接相關(guān)，當(dāng)CCR為正值時(shí)，表示緩沖區(qū)輸入件數(shù)大于輸出件數(shù)，導(dǎo)致緩沖區(qū)容量不斷變小，最終導(dǎo)致緩沖區(qū)阻塞；當(dāng)CCR為負(fù)值時(shí)，表示緩沖區(qū)輸出件數(shù)大于輸入件數(shù)，引起緩沖區(qū)容量不斷變大，最終導(dǎo)致緩沖區(qū)空置。
2)決策目標(biāo)函數(shù)
維修決策目標(biāo)通常與使用費(fèi)用或可用度相關(guān)，而可用度也可表示為停機(jī)費(fèi)用的形式。對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)中的設(shè)備，期望通過(guò)有效的維修安排實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化，因此本文將費(fèi)用和可用度目標(biāo)綜合為一個(gè)費(fèi)用目標(biāo)函數(shù)，具體表達(dá)式如下：
V=P－M (2)
其中：V為費(fèi)用目標(biāo)函數(shù)；P為生產(chǎn)利潤(rùn)；M為維修費(fèi)用。以上目標(biāo)函數(shù)根據(jù)不同的應(yīng)用案例有不同的表示形式，從而可以計(jì)算不同維修策略產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。
2.3 評(píng)估框架
通過(guò)離散事件仿真來(lái)評(píng)估維修策略的效益，需要已知生產(chǎn)系統(tǒng)中各組成設(shè)備的故障概率，建立系統(tǒng)運(yùn)行的仿真模型，從而根據(jù)決策目標(biāo)函數(shù)來(lái)量化維修策略效益。具體評(píng)估流程如圖1所示。
圖1 維修策略效益評(píng)估基本框架
圖1構(gòu)建的評(píng)估框架中，關(guān)鍵是建立系統(tǒng)運(yùn)行的仿真模型，從而根據(jù)預(yù)先設(shè)置的各單元功能故障時(shí)間分布，仿真生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的停機(jī)、故障和維修等事件，并且在某個(gè)單元故障修理期間，所造成的產(chǎn)品生產(chǎn)中斷或積壓也需要在仿真模型中體現(xiàn)，最終通過(guò)設(shè)置仿真終止條件(如生產(chǎn)一定數(shù)量的產(chǎn)品或運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間)進(jìn)行多次仿真，根據(jù)決策目標(biāo)函數(shù)獲得統(tǒng)計(jì)意義下實(shí)施不同維修策略能夠產(chǎn)生的效益。
3 案例應(yīng)用
3.1 案例描述
本文選擇一個(gè)加工生產(chǎn)線為應(yīng)用對(duì)象，分別評(píng)估事后維修、定期維修和CBM策略產(chǎn)生的效益。生產(chǎn)線總共包含10臺(tái)設(shè)備，如圖2所示。生產(chǎn)線中任何一臺(tái)設(shè)備故障都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)率下降，某些設(shè)備故障還會(huì)使整個(gè)生產(chǎn)線停機(jī)，從而影響產(chǎn)能，造成生產(chǎn)利潤(rùn)下降。
圖2 生產(chǎn)線布局
根據(jù)每個(gè)設(shè)備故障時(shí)間分布函數(shù)和對(duì)應(yīng)故障后維修時(shí)間分布函數(shù)，可以計(jì)算每個(gè)設(shè)備的故障間隔時(shí)間(time between failure，TBF)和修復(fù)時(shí)間(time to repair，YTR)，其中，設(shè)備故障時(shí)間分布函數(shù)可由預(yù)測(cè)方法確定。由于本文研究的重點(diǎn)為維修策略效益評(píng)估，因此假設(shè)TBF和TIR服從已知的分布函數(shù)形式，具體分布參數(shù)和每個(gè)設(shè)備加工時(shí)間如表2所示。
表2 設(shè)備仿真建模參數(shù)
3.2 系統(tǒng)仿真建模
為了在計(jì)算機(jī)上模擬上述生產(chǎn)線的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，使用ExtendSim可視化仿真軟件包建立仿真模型。ExtendSim仿真軟件采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，對(duì)離散系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)具有較高的靈活性和可擴(kuò)展性，目前已經(jīng)應(yīng)用到制造業(yè)、物流業(yè)、銀行、金融、交通和軍事等領(lǐng)域。本案例使用ExtendSim構(gòu)建的仿真模型如圖3所示，左上角時(shí)鐘形狀的控件用于調(diào)度事件發(fā)生，最上面一排和最下面一排控件用于設(shè)置生產(chǎn)線所包含設(shè)備的故障時(shí)間以及相應(yīng)的維修停機(jī)時(shí)間，中間的控件構(gòu)成生產(chǎn)線的仿真模型。
3.3 決策目標(biāo)函數(shù)
根據(jù)仿真模型產(chǎn)生的結(jié)果，構(gòu)建評(píng)估維修策略效益的目標(biāo)函數(shù)如下：
B=N×P－(Cs×Ms+Cu+×Mu) (3)
其中：N表示產(chǎn)品數(shù)量；P表示生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品獲得的利潤(rùn)；Ms表示實(shí)施計(jì)劃維修的總時(shí)間；Cs表示實(shí)施計(jì)劃維修的單位時(shí)間費(fèi)用；Mu表示實(shí)施非計(jì)劃維修的總時(shí)間；Cu表示實(shí)施非計(jì)劃維修的單位時(shí)間費(fèi)用。計(jì)劃維修指按照預(yù)定的計(jì)劃在設(shè)備故障前實(shí)施的維修；非計(jì)劃維修指除計(jì)劃維修之外實(shí)施的維修。
3.4 案例設(shè)計(jì)
為全面評(píng)估維修策略效益，通過(guò)改變目標(biāo)函數(shù)中參數(shù)值和生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)三個(gè)不同的案例。這三個(gè)案例中費(fèi)用參數(shù)值設(shè)置相同，具體為P=1，Cs=100，Cu=1000；區(qū)別體現(xiàn)在：在案例1的基礎(chǔ)上，案例2中非計(jì)劃維修與計(jì)劃維修條件下的修復(fù)時(shí)間存在差異，即實(shí)施非計(jì)劃維修需要的時(shí)間比計(jì)劃維修需要的時(shí)間多50％，案例3中的生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)如圖4所示。
3.5 仿真結(jié)果
三個(gè)案例中，設(shè)定每生產(chǎn)20萬(wàn)個(gè)產(chǎn)品完成一次仿真。通過(guò)仿真可以獲得10個(gè)設(shè)備各自維修總時(shí)間的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，例如案例1中維修總時(shí)間的均值和標(biāo)準(zhǔn)差(表3)，而后依次將三個(gè)案例中仿真得出的維修總時(shí)間代入決策目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算出不同維修策略下的收益(表4)。
表3 案例1中設(shè)備維修總時(shí)間的均值和標(biāo)準(zhǔn)差
表4 不同維修策略對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)收益
3.6 結(jié)果分析
以上三個(gè)案例中，通過(guò)比較不同維修策略的收益可以看出，實(shí)施CBM策略時(shí)的效益最大，從而驗(yàn)證CBM相對(duì)于事后維修和定期維修的優(yōu)勢(shì)。由于設(shè)定非計(jì)劃維修單位時(shí)間費(fèi)用比計(jì)劃維修單位時(shí)間費(fèi)用高出10倍，而事后維修策略下產(chǎn)生的維修費(fèi)用全為非計(jì)劃維修費(fèi)用，定期維修策略下的維修費(fèi)用包括計(jì)劃維修費(fèi)用和非計(jì)劃維修費(fèi)用，CBM策略下只產(chǎn)生計(jì)劃維修費(fèi)用，所以案例1體現(xiàn)了不同維修策略產(chǎn)生的維修費(fèi)用對(duì)生產(chǎn)收益的影響；案例2中設(shè)定非計(jì)劃維修時(shí)間比計(jì)劃維修時(shí)間多50％，進(jìn)一步凸顯計(jì)劃維修的優(yōu)勢(shì)，因此，定期維修和CBM的效益均比事后維修高出一倍；案例3中將兩個(gè)并行的車削設(shè)備合并(如圖4所示)，在新的生產(chǎn)布局中，車削設(shè)備1成為整個(gè)生產(chǎn)線的瓶頸，直接影響整個(gè)生產(chǎn)線的效益，通過(guò)與案例1比較可以得出三種維修策略的效益都在減少。因?yàn)樵谏a(chǎn)20萬(wàn)個(gè)產(chǎn)品過(guò)程中，除鉆孔設(shè)備1外，其他生產(chǎn)設(shè)備故障次數(shù)都在增加，造成維修費(fèi)用明顯增加，因此對(duì)這些關(guān)鍵設(shè)備采用CBM更加合理。
圖3 生產(chǎn)線仿真模型
圖4 案例3中的生產(chǎn)線布局
在整個(gè)仿真過(guò)程中，定期維修和CBM產(chǎn)生的效益相差不大，主要是沒(méi)有考慮維修人員數(shù)量的限制問(wèn)題，即設(shè)備故障后立即能夠修理，不存在維修等待時(shí)間，從而沒(méi)有突出CBM能夠根據(jù)設(shè)備狀態(tài)提前安排維修的優(yōu)勢(shì)，這也是下一步仿真建模中需要研究的問(wèn)題，即便如此，CBM產(chǎn)生的效益還是最大。
4 結(jié)束語(yǔ)
CBM作為一種先進(jìn)的維修策略，能夠避免設(shè)備故障后的嚴(yán)重后果和降低設(shè)備的使用維護(hù)費(fèi)用。為量化CBM策略產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，本文針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的設(shè)備，根據(jù)預(yù)測(cè)的設(shè)備功能故障時(shí)間，構(gòu)建維修策略效益評(píng)估框架，利用ExtendSim可視化仿真軟件包建立生產(chǎn)線的仿真模型，在理想情況下實(shí)現(xiàn)事后維修、定期維修和CBM三種維修策略效益的定量評(píng)估，評(píng)估結(jié)果突出了CBM策略的優(yōu)勢(shì)，從而為生產(chǎn)過(guò)程中最優(yōu)維修策略的選擇提供依據(jù)。由于本文構(gòu)建的仿真模型只考慮了理想情況，即沒(méi)有考慮CBM實(shí)施所需的初始投資(如安裝傳感器、監(jiān)測(cè)設(shè)備等所需的費(fèi)用)以及維修資源的限制(如維修人員的數(shù)量和替換備件的等待時(shí)間等)，這些都需要在未來(lái)的研究中加以考慮。
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標(biāo)題：面向生產(chǎn)過(guò)程的CBM策略效益評(píng)估方法研究
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