本發(fā)明涉及雙部件設(shè)備在基本質(zhì)保期內(nèi)的預(yù)防性維護(hù)策略優(yōu)化，具體涉及具有故障交互性的雙部件維護(hù)策略優(yōu)化方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)代制造領(lǐng)域中，設(shè)備的可靠性是確保生產(chǎn)力和競爭力的關(guān)鍵因素。市場環(huán)境對設(shè)備有許多特殊的規(guī)定，如設(shè)定了一些設(shè)備的退款保修期，若設(shè)備出現(xiàn)任何質(zhì)量問題或故障，賣方需承擔(dān)相關(guān)責(zé)任并提供維修；如果故障次數(shù)超過規(guī)定的數(shù)目，賣方需要提供退款退貨服務(wù)等等。這些退款制度的實施保證了設(shè)備的可靠性，使得消費者在購買設(shè)備時更加有保障。在實際中，系統(tǒng)往往由多個相互依賴的部件組成，某個部件的故障可能會增加其他部件的故障概率。不同部件對整體設(shè)備運行的作用不同，在退款制度上也會因部件重要性不同而存在差異，退款制度往往對關(guān)鍵部件設(shè)置更嚴(yán)格相應(yīng)的約束。退款制度的實施，增加了設(shè)備制造商需要承擔(dān)的成本風(fēng)險，進(jìn)而增加了設(shè)備特別是復(fù)雜多部件設(shè)備維護(hù)策略制定的復(fù)雜性和難度。

2、雙部件設(shè)備作為復(fù)雜系統(tǒng)中部件構(gòu)成最簡單的類型，存在有兩個起主導(dǎo)或者關(guān)鍵作用、彼此存在相關(guān)性的部件，這種設(shè)備在各個領(lǐng)域中廣泛存在，如風(fēng)力渦輪機(jī)的齒輪箱和變速器、重型卡車的齒輪箱和離合器、海上風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片和電機(jī)等。雙部件設(shè)備是本發(fā)明的主要研究對象，其維護(hù)模型的核心原理和策略可以擴(kuò)展應(yīng)用到更復(fù)雜的多部件系統(tǒng)之中，如通過bellman函數(shù)擴(kuò)展等。制造商需要一種更具現(xiàn)實性、普適性和科學(xué)性的維護(hù)策略改善設(shè)備維護(hù)現(xiàn)狀，在現(xiàn)有維護(hù)策略上進(jìn)行一系列優(yōu)化改進(jìn)，專注于退款制度下具有故障相關(guān)性的雙部件維護(hù)策略。

3、蒙特卡洛（monte?carlo）方法，又稱隨機(jī)抽樣或統(tǒng)計試驗方法，屬于計算數(shù)學(xué)的一個分支。傳統(tǒng)的經(jīng)驗方法由于不能逼近真實的物理過程，很難得到滿意的結(jié)果，而蒙特卡羅方法由于能夠真實地模擬實際物理過程，故解決問題與實際非常符合，可以得到很圓滿的結(jié)果。這也是以概率和統(tǒng)計理論方法為基礎(chǔ)的一種計算方法，是使用隨機(jī)數(shù)（或更常見的偽隨機(jī)數(shù)）來解決很多計算問題的方法。蒙特卡洛方法的基本思想是：當(dāng)所要求解的問題是某種事件出現(xiàn)的概率，或者是某個隨機(jī)變量的期望值時，它們可以通過某種“試驗”的方法，得到這種事件出現(xiàn)的頻率，或者這個隨機(jī)變數(shù)的平均值，并用它們作為問題的解。蒙特卡洛解題歸結(jié)為三個主要步驟：構(gòu)造或描述概率過程；實現(xiàn)從已知概率分布抽樣；建立各種估計量。

4、網(wǎng)格搜索是一種參數(shù)調(diào)優(yōu)的方法，它可以幫助找到最佳的模型參數(shù)。在網(wǎng)格搜索中，先指定參數(shù)的候選值范圍，然后枚舉所有可能的參數(shù)組合，計算每個模型的性能指標(biāo)（比如準(zhǔn)確率、精確率等）。最后，選擇性能指標(biāo)最優(yōu)的那個參數(shù)組合作為最終的模型參數(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了應(yīng)對上述現(xiàn)狀和解決難點，本發(fā)明提供了一種具有故障交互性的雙部件維護(hù)策略優(yōu)化方法及系統(tǒng)，通過本發(fā)明優(yōu)化技術(shù)方案對質(zhì)保期內(nèi)的雙部件設(shè)備預(yù)防性維護(hù)策略進(jìn)行優(yōu)化，一定程度降低部件故障率，降低制造商的維護(hù)總成本。

2、為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、具有故障交互性的雙部件維護(hù)策略優(yōu)化方法，包括如下步驟：

4、s1，使用役齡減少及故障率增加模型、故障率相關(guān)性模型描述雙部件的獨立故障率函數(shù)和交互故障率函數(shù)；

5、s2，根據(jù)雙部件的獨立故障率函數(shù)、交互故障率函數(shù)和可靠性函數(shù)，并結(jié)合預(yù)防性維護(hù)相關(guān)參數(shù)，確定預(yù)防性維護(hù)和糾正性維護(hù)策略實施方法；

6、s3，在預(yù)防性維護(hù)和糾正性維護(hù)策略基礎(chǔ)上得出維護(hù)成本方案，并以最小化質(zhì)保期全程的維護(hù)總成本為目標(biāo)，建立維護(hù)優(yōu)化模型；

7、s4，使用蒙特卡洛仿真及網(wǎng)格搜索求解維護(hù)優(yōu)化模型，確立最優(yōu)維護(hù)方案。

8、作為優(yōu)選，步驟s1具體包括以下步驟：

9、s11，使用役齡減少及故障率增加模型、故障率相關(guān)性模型描述雙部件的獨立故障率函數(shù)，具體過程如下：

10、設(shè)定在不考慮部件間的故障率相關(guān)性前提下，部件在第個預(yù)防性維護(hù)周期內(nèi)的獨立故障率通過如下公式獲得：

11、；

12、；

13、；

14、其中，是役齡減少因子，是故障率增加因子，；，是在進(jìn)行第， ?次預(yù)防性維護(hù)之后，部件的獨立故障率；是部件第次預(yù)防性維護(hù)周期；s12，在步驟s11描述的獨立故障率基礎(chǔ)上，建立雙部件之間的交互關(guān)系，得到各自的交互故障率，具體過程如下：

15、在雙部件的交互性故障率模型中，交互系數(shù)被用來表示兩個相關(guān)成分之間的交互程度，取0時表示部件間無相關(guān)關(guān)系，取1時表示部件間完全相關(guān)；雙部件間故障交互性下的部件1和部件2的交互故障率表達(dá)式如下所示：

16、；

17、其中，表示部件1第個預(yù)防性維護(hù)周期的交互故障率函數(shù)；表示部件2第個預(yù)防性維護(hù)周期的交互故障率函數(shù)；?表示在進(jìn)行第次預(yù)防性維護(hù)之后，部件的獨立故障率；表示在進(jìn)行第次預(yù)防性維護(hù)之后，部件2的獨立故障率。

18、作為優(yōu)選，步驟s2具體包括以下步驟：

19、s21，糾正性維護(hù)策略描述和退款制度描述，具體過程如下：

20、當(dāng)系統(tǒng)在質(zhì)保期內(nèi)發(fā)生故障時，制造商或賣方立即開始對故障系統(tǒng)進(jìn)行最小程度的維修，即糾正性維護(hù)并不改變部件的故障率；在退款質(zhì)保期內(nèi)，制造商或賣方設(shè)定部件的故障次數(shù)閾值為，當(dāng)部件故障的次數(shù)達(dá)到時，質(zhì)保服務(wù)停止，設(shè)備產(chǎn)生退款；制造商將產(chǎn)生的退款返還給客戶；

21、s22，預(yù)防性維護(hù)策略描述，具體過程如下：

22、根據(jù)系統(tǒng)可靠性與故障率函數(shù)的理論關(guān)系，得到部件第個預(yù)防性維護(hù)周期的可靠性，，是部件第個預(yù)防性維護(hù)周期的交互故障率函數(shù)；當(dāng)部件的可靠性達(dá)到預(yù)定的閾值時，就對部件單獨進(jìn)行一次預(yù)防性維護(hù)行動；

23、基于，可靠性閾值則轉(zhuǎn)化為：

24、；

25、其中，為部件第個預(yù)防性維護(hù)周期；

26、部件第個預(yù)防性維護(hù)周期長度由以下式子得出：

27、。

28、作為優(yōu)選，步驟s3具體包括以下步驟：

29、s31，設(shè)定雙部件設(shè)備在一個基本質(zhì)保期結(jié)束時因預(yù)防性維護(hù)活動而產(chǎn)生的費用，通過如下方式表示：

30、從設(shè)備制造商角度得到基本質(zhì)保期內(nèi)由部件1和部件2組成的雙部件設(shè)備的維護(hù)總成本，所述維護(hù)總成本c由預(yù)防性維修成本、糾正性維護(hù)成本、退款金額以及懲罰成本四部分組成，即：

31、；

32、設(shè)定為設(shè)備發(fā)生退款的時刻，，即；

33、質(zhì)保期實際長度為，；

34、質(zhì)保期內(nèi)預(yù)防性維護(hù)成本為：

35、；

36、其中，是兩個部件具體的預(yù)防性維護(hù)成本，為部件維護(hù)行動產(chǎn)生的固定成本，包括備件和交貨成本；是兩個部件在內(nèi)的pm次數(shù)；

37、s32，雙部件設(shè)備在一個基本質(zhì)保期結(jié)束時因糾正性維護(hù)活動而產(chǎn)生的費用，通過非齊次泊松分布等概率公式表示；

38、根據(jù)關(guān)于退款的設(shè)定，故障情況被分為兩種：不退款（質(zhì)保期正常到期）和退款（質(zhì)保期中斷，提前到期）。每一次預(yù)防性維護(hù)都將部件的故障率一定程度上地重置，部件的故障率為，，部件故障遵循非齊次泊松分布，是部件的第次故障的時刻。是兩個部件在內(nèi)的糾正性維護(hù)次數(shù)，定義隨機(jī)變量，為通過多次算法模擬計算所得的平均值。

39、部件在內(nèi)發(fā)生次故障的概率為

40、；

41、其中，是大于等于0的整數(shù)；，，；最終得到，其中是部件在內(nèi)預(yù)防性維護(hù)的次數(shù)，是部件在內(nèi)最后一次預(yù)防性維護(hù)的時刻。

42、盡管部件之間存在交互作用，其交互作用參數(shù)以及故障次數(shù)閾值，確定，預(yù)防性維護(hù)閾值一經(jīng)確定，雙部件的交互故障率也是確定值。在這一設(shè)定下，交互作用對故障率的影響已經(jīng)被充分考慮和量化。那么一定時間內(nèi)部件1和部件2故障次數(shù)為的概率為：

43、。

44、（1）不退款

45、內(nèi)部件1和部件2的故障次數(shù)均不超過其閾值，，設(shè)備不產(chǎn)生退款，質(zhì)保期正常到期。該情況發(fā)生的概率為：

46、；

47、該情況的糾正性維護(hù)成本為；

48、；

49、（2）退款

50、退款分為因部件1故障次數(shù)達(dá)到閾值而退款、因部件2故障次數(shù)達(dá)到閾值而退款兩種情況；

51、(a).因部件1故障次數(shù)達(dá)到閾值而退款，部件1的故障總次數(shù)，該情況發(fā)生的概率為：

52、；

53、該情況下糾正性維護(hù)總成本為：

54、；

55、(b).同理，因部件2故障次數(shù)達(dá)到閾值而退款，部件2的故障總次數(shù)， ?該情況發(fā)生的概率為：

56、；

57、該情況下糾正性維護(hù)總成本為：

58、；

59、綜上，雙部件設(shè)備基本質(zhì)保期結(jié)束時的糾正性維護(hù)成本為。

60、s33，雙部件設(shè)備在一個退款質(zhì)保期內(nèi)因任意部件糾正性維護(hù)活動次數(shù)超過其閾值而產(chǎn)生的退款費用；

61、設(shè)備故障次數(shù)達(dá)到閾值、產(chǎn)生退款時，制造商支付顧客一筆退款金額，一般情況下，退款金額與保修期產(chǎn)品的工作時間有關(guān)。假設(shè)退款金額()是產(chǎn)品工作時間的線性函數(shù)。

62、；

63、其中，和是退款策略的兩個參數(shù)。若，?=1，則該制度為按比例退款保修制度；如果，則該制度為一次性退款保修制度。

64、s34，雙部件設(shè)備在一個基本質(zhì)保期結(jié)束時，因任意部件糾正性維護(hù)活動次數(shù)超過相應(yīng)閾值而產(chǎn)生的退款費用，通過如下方式計算；

65、如果質(zhì)保期內(nèi)，因維護(hù)（糾正性維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)）導(dǎo)致的設(shè)備總停機(jī)時間超過指定的合同閾值，則賣方應(yīng)承擔(dān)罰款費用。假設(shè)部件1和部件2的糾正性維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)行動分別具有恒定的平均持續(xù)時間,和,，在此期間設(shè)備不可用。設(shè)備在質(zhì)保期內(nèi)的停機(jī)時長可以表示為: ? 。

66、質(zhì)保期間的預(yù)期罰款成本為：

67、；

68、其中為單位時間的懲罰成本。

69、作為優(yōu)選，步驟s4包括如下步驟：

70、s41，采用蒙特卡洛仿真，通過隨機(jī)抽樣估計來估算每一個預(yù)防性維護(hù)周期內(nèi)雙部件的故障次數(shù)，經(jīng)過多次模擬增加數(shù)值的精確度；

71、考慮到部件故障遵循非齊次泊松分布，通過網(wǎng)格搜索遍歷給定的可靠性閾值組合，得到不同組合下的維護(hù)總成本，其中維護(hù)總成本取最低時的取值，即為所求的最優(yōu)可靠性閾值組合；

72、s42，設(shè)定蒙特卡洛仿真的仿真次數(shù)，采用蒙特卡洛仿真的方式對每組決策變量求解出對應(yīng)的平均費用率；

73、s43，基于網(wǎng)格搜索方法，在設(shè)定的搜索空間內(nèi)按步長、搜索最優(yōu)的維護(hù)策略，獲得預(yù)防性維護(hù)策略的最優(yōu)方案，包括最優(yōu)決策變量和最優(yōu)預(yù)防性維護(hù)周期。

74、本發(fā)明還公開了一種具有故障交互性的雙部件維護(hù)策略優(yōu)化系統(tǒng)，其包括以下模塊：

75、故障率函數(shù)構(gòu)建模塊，用于根據(jù)混合不完美預(yù)防性維護(hù)模型，建立具有故障率交互的雙部件故障率函數(shù)模型；

76、非齊次泊松過程描述模塊，用于使用非齊次泊松過程描述基本質(zhì)保期內(nèi)部件故障的過程；

77、維護(hù)策略確立模塊，用于確立預(yù)防性維護(hù)和糾正性維護(hù)策略的實施方法以及所述預(yù)防性維護(hù)和糾正性維護(hù)策略對雙部件故障的作用機(jī)制；

78、預(yù)防性維護(hù)策略優(yōu)化方案獲得模塊，用于根據(jù)基本質(zhì)保期內(nèi)雙部件故障率函數(shù)和可靠性函數(shù)并結(jié)合預(yù)防性維護(hù)相關(guān)參數(shù)，建立退款條件下考慮交互作用的雙部件維護(hù)策略優(yōu)化模型；

79、最優(yōu)預(yù)防性維護(hù)方案確定模塊，用于確定最優(yōu)預(yù)防性維護(hù)方案。

80、本發(fā)明的有益效果如下：（1）本發(fā)明研究在退款期約束下，帶有退款制度的雙部件預(yù)防性維護(hù)和糾正性維護(hù)的模型，利用預(yù)防性維護(hù)降低產(chǎn)品故障率，減少退款的風(fēng)險，延長產(chǎn)品生命周期；運用蒙特卡洛仿真手段模擬部件故障，從而判斷是否觸發(fā)退款條件；以最小化整個質(zhì)保期內(nèi)的維護(hù)總成本為目標(biāo)，通過網(wǎng)格搜索對所有可行解對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行比較，探尋出最佳預(yù)防性維護(hù)可靠性閾值，得到使設(shè)備制造商維護(hù)成本取最小值時的最優(yōu)維護(hù)策略設(shè)計方案；（2）本發(fā)明選擇雙部件設(shè)備為對象，結(jié)合蒙特卡洛仿真和網(wǎng)格搜索為設(shè)備制造商設(shè)計退款制度下雙部件設(shè)備維護(hù)策略的優(yōu)化方案；考慮部件之間的故障相關(guān)性，建立退款制度下的雙部件維護(hù)模型，優(yōu)化質(zhì)保維護(hù)策略，從而更好地平衡維修成本和設(shè)備可靠性，提高設(shè)備的整體性能和運營效率。