基于状态监测信息的单设备和机组非完美视情维修决策研究

随着"中国制造2025"强国战略的积极推进,作为工业和民生领域的关键支柱,装备制造业不断朝向复杂化,精密化,智能化方向升级转型.维修作为设备全寿命周期的必要组成部分,发挥着日益重要的作用.虽然设备的研制水平不断取得突破,但是设备系统维修决策问题随之接踵而来,尤其是有限的维修资源与维修决策之间的矛盾日益凸显.视情维修根据设备的实时状态监测数据评估设备的实际"健康"水平,并据此来安排维修活动,能够解决传统定时维修中的"欠维修"和"过维修"问题,已经成为设备维修的发展趋势.同时,维修工作会受到维修资源的限制,往往不太可能对所有需要维修的部件进行所有可行的维修活动.因此,维修决策者必须根据下一阶段任务的需求对整个系统以及资源进行权衡,选择设备的部分部件进行性能水平不同程度恢复的维修活动,称为非完美维修.在资源约束条件下,以系统任务完成为要求,优化配置维修资源,制定合理的维修方案,进而达到预设目标,是提高设备系统维修保障水平,实现降本增效的关键所在.因此,开展设备运行状态评估方法及资源约束下维修策略优化的研究具有重要的理论和现实意义. 本文结合博弈论和视情维修理论,以非完美维修决策为目标,针对传统可靠性评估方法具有大样本依赖性,平均性和滞后性等特点,不能实现对小样本,高可靠性设备运行可靠性变化过程的实时,准确评估;同时维修模型传统求解方法如智能算法等对复杂设备系统维修决策模型的求解存在计算效率低,受初始条件干扰大的缺点和不足,开展了基于状态监测信息的小子样设备运行状态评估技术研究;构建了基于设备运行可靠性的单设备和机组的非完美维修决策模型;提出了采用动态博弈对单设备和机组的非完美决策模型的求解方法,并通过算例验证了求解算法的有效性.本论文主要创新性成果包括以下几个方面: (1)提出了面向视情维修的小子样设备运行状态评估方法 设备运行状态视情评估是进行视情维修的基础,针对小子样设备运行状态评估问题,提出了基于监测信息的设备运行状态定性和定量评估方法.定性评估方面,提出经验小波变换增强的滑移窗相关峭度方法,实现旋转机电部件早期健康状态评估和状态特征的提取;定量评估方面,提出经验小波变换驱动的Logistic模型的小子样设备运行可靠性评估方法,建立了设备状态特征参数与运行可靠度之间的映射模型.最后通过航空轴承全寿命实验数据对提出方法的有效性进行了验证.设备运行状态的评估为进一步的视情维修决策建模提供了基础. (2)提出了基于合作博弈的单设备非完美视情维修建模及决策方法 针对单设备非完美视情维修决策分析问题,提出基于合作博弈理论的决策模型求解方法.分别以维修时间及可靠性约束条件下降低设备维修费用,维修时间及费用约束条件下提高设备可靠性为目标,以设备运行可靠性为基础建立了单台设备的两类非完美维修决策模型;基于两类维修策决策模型构建对应的合作博弈场景,各个部件的负责人视为博弈的参与者,通过每轮博弈中不同状态参与者的策略空间及收益函数的构造,建立了基于合作博弈理论的单设备非完美维修决策模型的求解方法.通过算例和在不同参数下研究了方法的有效性,并与遗传算法的求解结果进行了对比,表明所提出的方法的优化结果整体上明显优于遗传算法的优化结果,且能够避免遗传算法受初始值影响大的不足;另一方面,基于合作博弈的单设备维修模型求解算法大大提高了计算效率,其算法耗时较遗传算法至少低了一个数量级;验证了所提出方法的优势. (3)提出了基于演化竞争-合作博弈的机组非完美视情维修建模及决策方法 针对机组非完美视情维修决策问题,提出基于演化竞争-合作博弈理论的多层级机组非完美维修决策模型的求解方法.基于设备运行可靠性的评估,以维修点,维修时间,任务可靠性等多约束条件下降低维修费用为优化目标,以机组任务派出设备的选择及派出组设备和部件的维修级别为维修决策的优化变量,建立了由机组层-设备层-部件层等组成的多层级机组选择性派遣及非完美维修决策模型及对应的博弈场景.提出基于演化竞争-合作博弈的机组非完美维修决策模型的求解方法,设备每轮博弈中根据状态分为派出组和备用组,派出组设备通过合作博弈降低维修费用;备用组则分为两类:可靠性不足的备用组设备以提高可靠度为目标设计策略空间和收益函数;可靠性高的备用组设备则以降低维修费用为目标设计策略空间和收益函数;进而派出组和备用组设备通过竞争博弈算法对设备的分组进行更新,将备用组中可靠性高,维修费用低的设备吸收到新的派出组中,通过多轮的动态博弈即可实现派出组设备的优选及维修级别的确定.通过算例分析及与数值模拟方法的对比,对提出的方法的有效性进行了验证,结果表明提出的博弈优化算法具有高的计算效率.

基于状态监测信息的单设备和机组非完美视情维修决策研究

随着"中国制造2025"强国战略的积极推进,作为工业和民生领域的关键支柱,装备制造业不断朝向复杂化,精密化,智能化方向升级转型.维修作为设备全寿命周期的必要组成部分,发挥着日益重要的作用.虽然设备的研制水平不断取得突破,但是设备系统维修决策问题随之接踵而来,尤其是有限的维修资源与维修决策之间的矛盾日益凸显.视情维修根据设备的实时状态监测数据评估设备的实际"健康"水平,并据此来安排维修活动,能够解决传统定时维修中的"欠维修"和"过维修"问题,已经成为设备维修的发展趋势.同时,维修工作会受到维修资源的限制,往往不太可能对所有需要维修的部件进行所有可行的维修活动.因此,维修决策者必须根据下一阶段任务的需求对整个系统以及资源进行权衡,选择设备的部分部件进行性能水平不同程度恢复的维修活动,称为非完美维修.在资源约束条件下,以系统任务完成为要求,优化配置维修资源,制定合理的维修方案,进而达到预设目标,是提高设备系统维修保障水平,实现降本增效的关键所在.因此,开展设备运行状态评估方法及资源约束下维修策略优化的研究具有重要的理论和现实意义. 本文结合博弈论和视情维修理论,以非完美维修决策为目标,针对传统可靠性评估方法具有大样本依赖性,平均性和滞后性等特点,不能实现对小样本,高可靠性设备运行可靠性变化过程的实时,准确评估;同时维修模型传统求解方法如智能算法等对复杂设备系统维修决策模型的求解存在计算效率低,受初始条件干扰大的缺点和不足,开展了基于状态监测信息的小子样设备运行状态评估技术研究;构建了基于设备运行可靠性的单设备和机组的非完美维修决策模型;提出了采用动态博弈对单设备和机组的非完美决策模型的求解方法,并通过算例验证了求解算法的有效性.本论文主要创新性成果包括以下几个方面: (1)提出了面向视情维修的小子样设备运行状态评估方法 设备运行状态视情评估是进行视情维修的基础,针对小子样设备运行状态评估问题,提出了基于监测信息的设备运行状态定性和定量评估方法.定性评估方面,提出经验小波变换增强的滑移窗相关峭度方法,实现旋转机电部件早期健康状态评估和状态特征的提取;定量评估方面,提出经验小波变换驱动的Logistic模型的小子样设备运行可靠性评估方法,建立了设备状态特征参数与运行可靠度之间的映射模型.最后通过航空轴承全寿命实验数据对提出方法的有效性进行了验证.设备运行状态的评估为进一步的视情维修决策建模提供了基础. (2)提出了基于合作博弈的单设备非完美视情维修建模及决策方法 针对单设备非完美视情维修决策分析问题,提出基于合作博弈理论的决策模型求解方法.分别以维修时间及可靠性约束条件下降低设备维修费用,维修时间及费用约束条件下提高设备可靠性为目标,以设备运行可靠性为基础建立了单台设备的两类非完美维修决策模型;基于两类维修策决策模型构建对应的合作博弈场景,各个部件的负责人视为博弈的参与者,通过每轮博弈中不同状态参与者的策略空间及收益函数的构造,建立了基于合作博弈理论的单设备非完美维修决策模型的求解方法.通过算例和在不同参数下研究了方法的有效性,并与遗传算法的求解结果进行了对比,表明所提出的方法的优化结果整体上明显优于遗传算法的优化结果,且能够避免遗传算法受初始值影响大的不足;另一方面,基于合作博弈的单设备维修模型求解算法大大提高了计算效率,其算法耗时较遗传算法至少低了一个数量级;验证了所提出方法的优势. (3)提出了基于演化竞争-合作博弈的机组非完美视情维修建模及决策方法 针对机组非完美视情维修决策问题,提出基于演化竞争-合作博弈理论的多层级机组非完美维修决策模型的求解方法.基于设备运行可靠性的评估,以维修点,维修时间,任务可靠性等多约束条件下降低维修费用为优化目标,以机组任务派出设备的选择及派出组设备和部件的维修级别为维修决策的优化变量,建立了由机组层-设备层-部件层等组成的多层级机组选择性派遣及非完美维修决策模型及对应的博弈场景.提出基于演化竞争-合作博弈的机组非完美维修决策模型的求解方法,设备每轮博弈中根据状态分为派出组和备用组,派出组设备通过合作博弈降低维修费用;备用组则分为两类:可靠性不足的备用组设备以提高可靠度为目标设计策略空间和收益函数;可靠性高的备用组设备则以降低维修费用为目标设计策略空间和收益函数;进而派出组和备用组设备通过竞争博弈算法对设备的分组进行更新,将备用组中可靠性高,维修费用低的设备吸收到新的派出组中,通过多轮的动态博弈即可实现派出组设备的优选及维修级别的确定.通过算例分析及与数值模拟方法的对比,对提出的方法的有效性进行了验证,结果表明提出的博弈优化算法具有高的计算效率.