一種基于狀態(tài)監(jiān)測和設(shè)備部件可靠性的備件需求預(yù)測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于狀態(tài)監(jiān)測和設(shè)備部件可靠性的備件需求預(yù)測方法，屬于機(jī)械制造【技術(shù)領(lǐng)域】。首先根據(jù)設(shè)備維修記錄單，使用可靠性理論對維修記錄中的部件失效壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到部件失效壽命的概率累積分布函數(shù)，再根據(jù)部件失效壽命的概率累積分布函數(shù)、設(shè)備工作總時長、實(shí)際備件需求量的歷史記錄、備件需求量同比環(huán)比值記錄、計(jì)劃員的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測值等，與實(shí)際備件需求量的歷史記錄用于比較預(yù)測的誤差相比較，得到設(shè)備備件需求量預(yù)測值。本方法的預(yù)測結(jié)果有實(shí)際依據(jù)，能夠有效減少企業(yè)呆滯庫存，減少資源浪費(fèi)、降低成本對不同的易損備件具有較好的普適性。
【專利說明】一種基于狀態(tài)監(jiān)測和設(shè)備部件可靠性的備件需求預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于狀態(tài)監(jiān)測和設(shè)備部件可靠性的備件需求預(yù)測方法，屬于機(jī)械制造【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]大型復(fù)雜設(shè)備的維修過程復(fù)雜，為縮短修理的停歇時間，保證維修效率，一定數(shù)量的備件庫存是必須的。備件庫存短缺可能導(dǎo)致設(shè)備不能及時維修投入使用，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失；備件儲備過多產(chǎn)生大量呆滯庫存，造成倉庫場地費(fèi)、保管費(fèi)、備件損壞造成的損失等額外消耗增加，占用大量的企業(yè)流動資金，影響企業(yè)運(yùn)營。因此，合理地預(yù)測備件需求量，在保證設(shè)備正常維修需求的前提下降低備件庫存量，對于減少企業(yè)資金滯留、提高經(jīng)濟(jì)效益，有著重要的意義。
[0003]傳統(tǒng)的備需求預(yù)測是通過對備件需求量的同比環(huán)比記錄、下月銷售政策等因素進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)估計(jì)來預(yù)測備件需求量、制定采購計(jì)劃，這也是目前大部分企業(yè)采用的方法。由于缺乏數(shù)字化的預(yù)測方法，備件需求的估計(jì)主要憑借計(jì)劃員的經(jīng)驗(yàn)，而備件需求量受到未來一段時間內(nèi)開工設(shè)備數(shù)量、開工時間、季節(jié)因素、銷售政策等多種因素的影響，單憑經(jīng)驗(yàn)很難做到準(zhǔn)確的需求預(yù)測。
[0004]一些科研文獻(xiàn)中提到的定量預(yù)測的方法如單指數(shù)平滑、函數(shù)擬合回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等計(jì)算方法，通常需要大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析等，但實(shí)際生產(chǎn)中由于受數(shù)量質(zhì)量的限制，很難擬合準(zhǔn)確，經(jīng)常出現(xiàn)的過擬合和過學(xué)習(xí)現(xiàn)象導(dǎo)致預(yù)測準(zhǔn)確率較低。
[0005]隨著無線傳感技術(shù)和狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，基于狀態(tài)的維修(Condition-BasedMaintenance, CBM)正逐漸得到廣泛的推廣和應(yīng)用?；跔顟B(tài)的維修是對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)測分析來確定設(shè)備維修需求的預(yù)防維修模式。被監(jiān)測的狀態(tài)數(shù)據(jù)通常由傳感器采集或設(shè)備智能終端上傳，形成狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)流，并通過無線傳感網(wǎng)、GPRS、Internet和衛(wèi)星等數(shù)據(jù)傳感網(wǎng)絡(luò)源源不斷地上傳到設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測分析平臺，進(jìn)行解析、存儲以及特征值提取、去噪、數(shù)據(jù)融合等一系列分析過程，確定設(shè)備維修需求。這些狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)所反映出的設(shè)備的使用時間、損耗程度、可能的故障部位及原因等信息，可以在一定程度上用于預(yù)測設(shè)備未來一段時間內(nèi)的健康狀態(tài)以及可能需要更換備件的類型和數(shù)量。
[0006]已有技術(shù)提出了利用狀態(tài)監(jiān)測信息進(jìn)行備件預(yù)測方法，但都通常建立在一個基本的條件上:需要預(yù)測的部件必須帶有傳感裝置，能夠獲得其狀態(tài)數(shù)據(jù)。而實(shí)際情況中，鑒于傳感器成本、體積等問題，不是設(shè)備上的所有部件都能被監(jiān)測到。狀態(tài)監(jiān)測的重點(diǎn)往往在設(shè)備上比較關(guān)鍵或者貴重的部件，而對一些需求量大但比較廉價的易損部件，單獨(dú)安裝傳感器來預(yù)測其未來一段時間的備件需求量，成本過高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提出一種基于狀態(tài)監(jiān)測和設(shè)備可靠性的備件需求預(yù)測方法，針對大型復(fù)雜設(shè)備中大批量需求的易損件進(jìn)行備件需求預(yù)測，提高預(yù)測的準(zhǔn)確度，易于實(shí)施，能夠在保證設(shè)備正常維修需求的前提下降低備件庫存量，減少企業(yè)資金滯留、節(jié)約企業(yè)運(yùn)營成本。
[0008]本發(fā)明提出的基于運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和設(shè)備可靠性的設(shè)備備件需求預(yù)測方法，包括以下步驟:
[0009](I)從設(shè)備維修記錄單中獲取設(shè)備部件的失效壽命，根據(jù)可靠性理論，使用Weibull模型、Weibull競爭風(fēng)險模型或截短的正態(tài)分布模型擬合得到部件失效壽命的概率累積分布函數(shù)F (t)；
[0010](2)對N臺設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，獲取N臺設(shè)備中的每臺設(shè)備j在當(dāng)前時刻Ti的工作總時長tu，其中I≤j≤N，N臺設(shè)備的工作總時長為^
[0011](3)根據(jù)步驟(2)中得到的設(shè)備的工作總時長^和步驟(1)中得到的部件失效壽命的概率累積分布函數(shù)F (t)，利用下式，計(jì)算得到N臺設(shè)備上部件在當(dāng)前時刻Ti的實(shí)際工作年齡5.[0012]Ui = Fii , +AT1- ^(Si),
[0013]實(shí)際工作年齡孓為N維向量，Bij表示為第j臺設(shè)備上的部件在當(dāng)前時刻Ti的實(shí)際工作年齡，
[0014]h為部件在Th時刻的實(shí)際工作年齡，式,=I , mod B、，mod表示取余數(shù)，By為與步驟(1)的累積分布函數(shù)F(t)的Y分位點(diǎn)相對應(yīng)的部件失效壽命時長；
[0015]Ag為時間區(qū)間[Th, Ti]內(nèi)設(shè)備的工作總時長的增量，=H，
[0016]趴S')為壽命補(bǔ)給函數(shù)，指設(shè)備上的部件在時間區(qū)間[IV1Ji]內(nèi)因被替換造成的實(shí)際工作年齡減少的值，其中Si為時間區(qū)間[Ti^Ti]內(nèi)的實(shí)際備件儲備量，壽命補(bǔ)給函數(shù)迓岑)值的計(jì)算方法為:分別對部件在IV1時刻的實(shí)際工作年齡ag，」與時間區(qū)間[!^,Ti]內(nèi)設(shè)備的工作總時長的增量At。進(jìn)行加和，得到一個加和值，根據(jù)加和值從大到小順序?qū)υO(shè)備進(jìn)行排序，設(shè)定排序在前SiS的設(shè)備上的部件在時間區(qū)間[!^,Ti]內(nèi)被替換，則前SiS設(shè)備的g(Si)值為該部件的失效壽命時長BY，其余設(shè)備的g(Si)值為0 ;
[0017](4)利用公式5/+1 =ai+Mm，得到Ti+1時刻的部件實(shí)際工作年齡，其中AF ,是為時
間區(qū)間[H+J內(nèi)設(shè)備的工作總時長的增量的估計(jì)值，根據(jù)歷史同期設(shè)備開工情況估計(jì)得到；
[0018](5)將步驟(4)得到的或+1中的每臺設(shè)備上部件的實(shí)際工作年齡ai+1」_分別與部件失效壽命時長By進(jìn)行比較，若％+1，」瓜，則該設(shè)備上的部件可能失效，將可能失效的部件數(shù)加和，得到時間區(qū)間[H+J內(nèi)可能失效的部件數(shù)量
[0019](6)對上述可能失效的部件數(shù)量、設(shè)備備件的歷史需求量為和設(shè)備管理人員對部件需求量的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)值乓進(jìn)行加權(quán)求和，得到時間區(qū)間[Ti，Ti+1]內(nèi)設(shè)備備件需求量的預(yù)測公式:S'i+{ 二 a^ia^+a^ +--，其中a0> a a2分別為、力和r的權(quán)重.[0020](7)將備件需求的預(yù)測值S'與設(shè)備運(yùn)行歷史記錄中的備件實(shí)際需求量S之間的預(yù)測誤差表示為e，S=Is' -Si，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行歷史記錄中的備件實(shí)際需求量，通過最小
化m個時間段內(nèi)的預(yù)測誤差之和;E^，計(jì)算得到部件失效壽命時長By中的Y值以及上述權(quán)
重 Ct O、Ct 1、Ct 2 的值；
[0021 ] ( 8 )將步驟(7 )得到的Y值和a。、a丨、a 2的值代入公式S = J1^h \ )+a^i +
中，計(jì)算得到[H+J時段的設(shè)備備件需求量預(yù)測值$+1。
[0022]本發(fā)明提出的基于狀態(tài)監(jiān)測和設(shè)備可靠性的備件需求預(yù)測方法，其優(yōu)點(diǎn)是:
[0023]( I)本發(fā)明方法利用狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)估計(jì)部件當(dāng)前實(shí)際使用年齡，結(jié)合設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)和部件可靠性模型進(jìn)行備件預(yù)測，預(yù)測結(jié)果有實(shí)際依據(jù)，較傳統(tǒng)預(yù)測方法更加準(zhǔn)確，能夠有效減少企業(yè)呆滯庫存，減少資源浪費(fèi)、降低成本。
[0024](2)本發(fā)明方法針對需求量大的易損耗部件，結(jié)合企業(yè)實(shí)際考慮，通過監(jiān)測部件所在設(shè)備的工作總時長而非各部件自己的狀態(tài)來進(jìn)行預(yù)測，節(jié)約部件上部署傳感器和采集電控信號的成本。
[0025](3)本發(fā)明方法通過最小化預(yù)測誤差調(diào)整預(yù)測參數(shù)，對不同的易損備件具有較好的普適性。
【具體實(shí)施方式】
[0026]本發(fā)明提出的基于運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和設(shè)備可靠性的設(shè)備備件需求預(yù)測方法，包括以下步驟:
[0027](I)從設(shè)備維修記錄單中獲取設(shè)備部件的失效壽命，根據(jù)可靠性理論，使用Weibull模型、Weibull競爭風(fēng)險模型或截短的正態(tài)分布模型擬合得到部件失效壽命的概率累積分布函數(shù)F(t);以Weibull分布為例，累積分布函數(shù)F(t)= 1-exp[-(t/ a ) e]，其中
a、^為需要擬合的參數(shù)。根據(jù)可靠性理論擬合累積分布函數(shù)的具體流程請參見機(jī)械工程出版社蔣仁言、左明健所著的《可靠性模型和應(yīng)用》。
[0028](2)對N臺設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，獲取N臺設(shè)備中的每臺設(shè)備j在當(dāng)前時刻Ti的工作總時長tu，其中I ( j≤N，N臺設(shè)備的工作總時長為O'
[0029](3)根據(jù)步驟(2)中得到的設(shè)備的工作總時長彳和步驟(1)中得到的部件失效壽命的概率累積分布函數(shù)F(t)，利用下式，計(jì)算得到N臺設(shè)備上部件在當(dāng)前時刻Ti的實(shí)際工作年齡乓:
[0030]^ Ui , +A/；-g(5;),
[0031]實(shí)際工作年齡孓為N維向量，3丨' =(a;1ato)T，其中aij表示為第j臺設(shè)備上的部件在當(dāng)前時刻Ti的實(shí)際工作年齡，
[0032]1為部件在IV1時刻的實(shí)際工作年齡，C-, =Ka，mod表示取余數(shù)，By為與
步驟(1)的累積分布函數(shù)F(t)的Y分位點(diǎn)相對應(yīng)的部件失效壽命時長，例如B9tl，則表示部件累積失效概率為90%時對應(yīng)的失效壽命時長。[0033]Ag為時間區(qū)間[Ti+ Ti]內(nèi)設(shè)備的工作總時長的增量，Ati =I1-1i^，
[0034]識5:)為壽命補(bǔ)給函數(shù)，指設(shè)備上的部件在時間區(qū)間[IVpTi]內(nèi)因被替換造成的實(shí)際工作年齡減少的值，其中Si為時間區(qū)間[Ti^Ti]內(nèi)的實(shí)際備件儲備量，壽命補(bǔ)給函數(shù)豆(4)值的計(jì)算方法為:分別對部件在IV1時刻的實(shí)際工作年齡ai_u與時間區(qū)間[!^,Ti]內(nèi)
設(shè)備的工作總時長的增量At。進(jìn)行加和，得到一個加和值，根據(jù)加和值從大到小順序?qū)υO(shè)備進(jìn)行排序，設(shè)定排序在前SiS的設(shè)備上的部件在時間區(qū)間[!^,Ti]內(nèi)被替換，則前SiS設(shè)備的g(Si)值為該部件的失效壽命時長BY，其余設(shè)備的g(Si)值為0 ;
[0035](4)利用公式式+1 =盡+ AL ,得到Ti+1時刻的部件實(shí)際工作年齡，其中AL是為時
間區(qū)間[H+J內(nèi)設(shè)備的工作總時長的增量的估計(jì)值，根據(jù)歷史同期設(shè)備開工情況估計(jì)得到；
[0036](5)將步驟(4)得到的在+1中的每臺設(shè)備上部件的實(shí)際工作年齡ai+u分別與部件失效壽命時長By進(jìn)行比較，若％+1，」瓜，則該設(shè)備上的部件可能失效，將可能失效的部件數(shù)加和，得到時間區(qū)間[Ti，Ti+1]內(nèi)可能失效的部件數(shù)量/?(‘)；
[0037](6)對上述可能失效的部件數(shù)量/KU、設(shè)備備件的歷史需求量矣和設(shè)備管理人員對部件需求量的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)值毛進(jìn)行加權(quán)求和，得到時間區(qū)間[Ti，Ti+1]內(nèi)設(shè)備備件需求量的預(yù)測公式
【權(quán)利要求】
1.一種基于運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和設(shè)備可靠性的設(shè)備備件需求預(yù)測方法，其特征在于該方法包括以下步驟: (1)從設(shè)備維修記錄單中獲取設(shè)備部件的失效壽命，根據(jù)可靠性理論，使用Weibull模型、Weibull競爭風(fēng)險模型或截短的正態(tài)分布模型擬合得到部件失效壽命的概率累積分布函數(shù)F(t)； (2)對N臺設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，獲取N臺設(shè)備中的每臺設(shè)備j在當(dāng)前時刻Ti的工作總時長tu，其中I ( j≤N，N臺設(shè)備的工作總時長為.Jinf' (3)根據(jù)步驟(2)中得到的設(shè)備的工作總時長彳和步驟(1)中得到的部件失效壽命的概率累積分布函數(shù)F (t)，利用下式，計(jì)算得到N臺設(shè)備上部件在當(dāng)前時刻Ti的實(shí)際工作年齡
+Atf-^(Si)， 實(shí)際工作年齡或?yàn)镹維向量，Ui = (a,,,...,a..,...,ata)T，其中aij表示為第j臺設(shè)備上的部件在當(dāng)前時刻Ti的實(shí)際工作年齡， (丨為部件在IV1時刻的實(shí)際工作年齡，K mod5y，mod表示取余數(shù)，By為與步驟(I)的累積分布函數(shù)F(t)的Y分位點(diǎn)相對應(yīng)的部件失效壽命時長； Ag為時間區(qū)間[Ti^1, Ti]內(nèi)設(shè)備的工作總時長的增量，， 豆(岑)為壽命補(bǔ)給函數(shù)，指設(shè)備上的部件在時間區(qū)間[IV1Ji]內(nèi)因被替換造成的實(shí)際工作年齡減少的值，其中Si為時間區(qū)間[!^,Ti]內(nèi)的實(shí)際備件儲備量，壽命補(bǔ)給函數(shù)玖X)值的計(jì)算方法為:分別對部件在Tg時刻的實(shí)際工作年齡ai_u與時間區(qū)間[TmTi]內(nèi)設(shè)備的工作總時長的增量At。進(jìn)行加和，得到一個加和值，根據(jù)加和值從大到小順序?qū)υO(shè)備進(jìn)行排序，設(shè)定排序在前SiS的設(shè)備上的部件在時間區(qū)間[!^,Ti]內(nèi)被替換，則前Si名設(shè)備的g(Si)值為該部件的失效壽命時長BY，其余設(shè)備的g(Si)值為0 ; (4)利用公式或+1=無+#+1，得到Ti+1時刻的部件實(shí)際工作年齡，其中,是為時間區(qū)間[H+J內(nèi)設(shè)備的工作總時長的增量的估計(jì)值，根據(jù)歷史同期設(shè)備開工情況估計(jì)得到； (5)將步驟(4)得到的J,中的每臺設(shè)備上部件的實(shí)際工作年齡ai+u分別與部件失效壽命時長By進(jìn)行比較，若L1+1，yBY，則該設(shè)備上的部件可能失效，將可能失效的部件數(shù)加和，得到時間區(qū)間[H1]內(nèi)可能失效的部件數(shù)量/?+1); (6)對上述可能失效的部件數(shù)量AR'」)、設(shè)備備件的歷史需求量為和設(shè)備管理人員對部件需求量的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)值毛進(jìn)行加權(quán)求和，得到時間區(qū)間[H+J內(nèi)設(shè)備備件需求量的預(yù)測公式:S'i+l 二 a^^+a^+a.x,，其中a 0、a丄、a 2分別為/<5;+1)、^和毛的權(quán)重； (7)將備件需求的預(yù)測值S'與設(shè)備運(yùn)行歷史記錄中的備件實(shí)際需求量S之間的預(yù)測誤差表示為e，e—S, -S|，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行歷史記錄中的備件實(shí)際需求量，通過最小化m個

m時間段內(nèi)的預(yù)測誤差之和，計(jì)算得到部件失效壽命時長By中的Y值以及上述權(quán)重a。、


1-1a i> a 2的值； (8)將步驟(7)得到的Y值和a。、a p a 2的值代入公式S,。=--/?(?；,,)+?.,!-, +a2i2中，計(jì)算得到[H+J時段的 設(shè)備備件需求量預(yù)測值S' i+1。
【文檔編號】G06F19/00GK103632054SQ201310625071
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】張力, 劉英博, 王建民, 曹原 申請人:清華大學(xué)