引用本文

周炳海, 刘子龙. 带失效的拉式生产系统预防性维护建模. 自动化学报, 2018, 44(6): 1045-1052. doi: 10.16383/j.aas.2017.c160767

ZHOU Bing-Hai, LIU Zi-Long. Preventive Maintenance Modeling of Pull System With Failures. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2018, 44(6): 1045-1052. doi: 10.16383/j.aas.2017.c160767

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.2017.c160767

关键词

拉式系统，预防性维护，看板，马尔科夫链，遗传算法 

摘要

为了有效解决同时具有随机失效与退化失效的拉式生产系统的维护问题，提出了基于状态的双阶段预防性维护（Preventive maintenance，PM）策略.首先，根据设备的退化状态、生产端状态以及库存容量构建了系统的状态空间，并利用马尔科夫链描述系统的状态转移.之后，分别以最小化失效率和最大化产出速率为目标，建立了考虑检测周期、看板数量以及预防性维护阈值的综合预防性维护模型.针对设备随役龄增加而故障频发的特点，引入失效率递增因子.最后，给出了最小化失效率和最大化产出速率两种目标下的求解算法，并对决策变量做了敏感性分析.数值实例与现有方案的对比表明了所建模型和算法的有效性.

文章导读

为了保证生产的持续进行, 需要预防性维护(Preventive maintenance, PM)来提高系统的可靠性.考虑生产与维护的相互作用, 对二者进行联合优化具有广泛的应用价值.结合不同系统的生产特点, 学者们做了大量的研究.针对单设备系统, Ji等[1]提出了基于周期性的预防性维护策略来获得最小化完工时间. Lu等[2]以最大化系统利润为目标提出了基于预测状态的预防性维护策略.以这两类策略为基础, Pan等[3]和Fitouhi等[4]分别以成本最小化和产出最大化为目标建立了生产与维护的联合模型.在多设备系统方面, Nourelfath等[5]对多设备系统的批量生产问题, 提出了不规则周期性预防性维护策略, 来实现整个加工周期成本的最小化.考虑到串行系统的设备关联性, Brundage等[6]通过对系统的动态分析提出了机会维护策略, 目标是实现生产的能耗最低.为了更好地判断系统状态, Golmakani[7]将检测周期的长度和基于状态的预防性维护联合优化问题做了深入探究.而考虑到系统的不稳定性, Golmakani等[8]和Karamatsoukis等[9]利用马尔科夫链决策模型对带缓冲区的串联设备系统预防性维护问题做了研究.陆志强等[10]针对离散流水车间, 建立了不确定性环境下预防性维护和生产调度的集成优化模型.高文科等[11]考虑主辅部件存在故障相关性, 建立了相应的可靠性及预防性维护优化模型.上述文献的研究主要集中在传统的推式生产系统, 随着丰田模式的普及, 以JIT (Just-in-time)为典型的拉式系统, 在生产领域得到了普遍的应用. Kanban[12], CONWIP[13], Base stock[14]等拉式系统生产策略也受到学者的广泛关注, 但对拉式系统的维护问题研究较少. Xanthopoulos等[15]对看板系统的预防性维护问题提出了基于状态的预防性维护策略, 但模型中忽略了设备随机失效对系统的影响. Ezema等[16]在考虑维护的条件下, 利用仿真模拟的方式设计了JIT生产系统的评价方法. Batra等[17]利用价值流(Value stream mapping, VSM)来研究工具间的配置问题以实现及时维护.

综上所述, 现有文献中, 多数预防性维护策略的研究集中在传统的推式生产系统中, 对拉式生产系统的关注不足, 尚需要对拉式系统的生产与维护作进一步研究, 综合考虑维护策略对生产的影响, 来合理设置看板和库存产品数量, 从而实现精益生产.本文在考虑设备的随机失效和退化失效的前提下, 引入失效率递增因子, 提出了基于设备状态的双阶段预防性维护策略.在不确定生产速率和订单到达速率的前提下, 分别以最小化失效率和最大化产出速率为研究目标, 旨在寻找最佳的检测周期、看板数量以及维护阈值的组合策略.

图 1  拉式生产系统

图 2  系统状态转移图

图 3  决策变量对系统的影响

本文综合考虑检测周期和看板数量等因素, 对拉式生产系统预防性维护问题提出了基于状态的双阶段预防性维护策略, 并利用Markov构建了状态转移模型.可以得到如下结论: 1)失效率递增因子的引入和随机失效的考虑, 使模型更加符合实际情况. 2)系统产出速率和系统失效率间存在耦合关系, 在制定维护方案时, 要权衡取舍; 优化目标不同时, 所求的最佳维护策略组合也不相同. 3)双阶段维护模型较单阈值维护策略在系统表现上更加优秀, 可以求得产出速率更高, 失效率更低的决策变量组合. 4)针对不同的订单速率和生产速率, 可以在确定目标下寻求不同的最佳组合策略.这对淡旺季生产以及生产能力不同时如何采取相应策略具有一定的参考意义.同时, 本文所求最优组合中包括看板数量, 这对实际中看板的设置具有重要的参考意义.

作者简介

刘子龙

同济大学机械与能源工程学院工业工程研究所硕士研究生.主要研究方向为集成制造系统调度与控制, 离散系统的建模、调度仿真和控制技术.E-mail:liuzilongcumt@163.com

周炳海  

同济大学机械与能源工程学院教授.主要研究方向为制造系统/物流系统的建模、调度、仿真和控制技术, 生产系统预防性维护建模.本文通信作者.E-mail:bhzhou@tongji.edu.cn