考虑人力资源约束的串联系统机会维修策略优化_薛朝改.pdf
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1、 年 月第 卷 第 期机床与液压 .:.本文引用格式:薛朝改,禹鹤,李淑敏考虑人力资源约束的串联系统机会维修策略优化机床与液压,():,():收稿日期:基金项目:国家自然科学基金专项项目();河南省高等学校重点科研项目计划()作者简介:薛朝改(),女,博士,教授,研究方向为企业信息系统、先进制造管理。:.。通信作者:李淑敏(),女,博士,讲师,研究方向为可靠性和决策图的研究。:.。考虑人力资源约束的串联系统机会维修策略优化薛朝改,禹鹤,李淑敏(郑州大学管理工程学院,河南郑州)摘要:针对多部件串联系统维修存在人力资源约束的问题,提出一种考虑人力资源配置的机会维修策略模型。针对部件在使用过程中受外
2、部环境影响发生劣化的特点,引入役龄回退因子和故障率递增因子,建立单部件的预防性维修策略。引入机会维修思想,以机会维修系数作为优化变量,对系统的维修策略进行组合优化,在维修人员有限的条件下确定维修任务的配置以及系统的停机时间,进一步构建考虑人力资源约束的串联系统机会维修策略模型。最后,针对算例进行建模,通过元胞自动机算法应用 进行仿真分析,获得系统的最优机会维修方案。结果显示:考虑机会维修的策略相比传统的预防性维修可有效降低维修成本.,提高系统的可用度.,考虑人力资源约束的机会维修策略相比人员无约束的机会维修策略可有效降低维修成本.,此时经济效益最高。关键词:维修人力资源;串联系统;机会维修;可
3、用度;总维修成本中图分类号:,(,):,.,.,:;前言传统针对单部件的预防性维修策略会造成系统频繁停机,且分散维修会带来停机时间过长和维修资源浪费的问题,机会维修思想是降低系统维护成本、提高系统运行效率的有效途径。当系统运行到某一部件的预防性维修时刻时,判断其余部件是否落入被定义的机会维修区间,落入该区间的部件获得提前一起进行预防性维修的机会,可有效减少系统停机次数和维修成本。这也代表着会有多个部件同时需要进行维修,对维修人员数量的要求会高,然而现实中维修人力资源不可能完全能够满足需求,因此需要考虑维修人力资源约束对维修成本和可用度的影响。国内外诸多学者针对机会维修策略展开了大量的研究,主要
4、集中在寻求最优机会维修阈值、优化算法以及应用领域等方面。()机会维修阈值的优化。等以部件的役龄为机会维修阈值;陈砚桥等以维修间隔期和机会维修系数作为求解机会维修阈值的变量;贺德强等以可靠度阈值作为机会维修策略的控制值;王灵芝等则直接设定机会维修阈值为变量。()维修策略的优化算法。魏启东使用自适应变异粒子群算法对预防性机会维修策略进行优化;肖红升等用二次抛物线插值法对机会维修的区间进行求解,以此确定最优的机会维修策略。()不同领域的应用。等 建立机会维修多目标优化模型解决风力涡轮机维修成本高等问题;陈嘉倩等建立考虑故障风险的预防性机会维修模型以降低医疗设备故障造成的严重损失;等针对风能领域,提出
5、了基于随天气状况而变化的动态可靠性阈值机会维修模型;等结合机会维修思想和贝叶斯理论对气体供应系统的维修策略进行了研究。相比传统的预防性维修策略,以上各种机会维修策略在一定程度上降低了维修成本且减少了系统停机次数,但是忽略了部件自身的维修间隔期特点,而且没有考虑维修人力资源的限制。考虑维修人员的系统维修策略研究主要集中在假设条件限定、目标函数的优化以及不同领域的应用等方面。()假设条件限定。侯莉莉等假设维修次序、维修人员数事先预定,考虑对维修人员的合理分配;昝翔等人假设维修任务数量、工作量已经确定,对维修任务进行分配。()目标函数的优化。薄基昌以综合加权维修人数最小化为目标,求解在规定任务范围内
6、最小的人力资源配置量。孙笑等人以维修工时最短和人力资源总负荷最小为目标建立优化模型,设计抢占式工序的维修人员调度模型;贾宝惠等以优化航线维修时间和成本为目标,求解航线维修组的最优数量。()不同领域的应用。杨天枢以多单元并行系统为研究对象,探讨维修工数目和预防性维修周期之间的关系;梁晨以民机系统为研究对象,综合考虑维修成本下的维修人员和航材 种维修资源对维修任务的调度规划。以上关于维修人力资源的研究大多是考虑在满足维修任务和维修规定时间的条件下,通过控制维修人员的数目来减少维修过程中不必要的等待和浪费。但是较少考虑当维修工作量随着系统运行时间变化时,维修成本和可用度与维修人员数目之间的关系。综上
7、所述,以往学者主要关注寻找最优机会维修策略的方法,忽略了现实中维修人力资源约束对维修策略的影响。基于此,本文作者引入机会维修系数作为维修策略的控制量,构建系统的机会维修模型,在维修工作量随着运行时间变化的情况下,研究维修人员的约束对维修成本以及可用度的影响,以满足维修任务的要求并解决频繁停机和维修成本高等问题。问题描述与假设.模型假设文中研究对象为多部件组成的大型设备,系统由 个部件串联而成,为保证研究合理性,做如下假设:()针对系统在运行过程中发生的非预期故障采用最小维修的方式,不忽略维修时间与费用。()每一个维修任务所需要的工时确定,不考虑突发因素。每个员工的维修能力相同,且皆以正常速度完
8、成维修任务,一项工作只能有一个人来做,但一个人可做多项工作。()维修所需设备工具和设备资源无限制。.单部件预防维修策略描述对于部件,随着系统的运行,其可靠度会慢慢降低,当其可靠度值降低到预定的能保证系统正常运行的最低可靠度时,对其采取预防性维修。令 表示对部件 整个生命周期进行预防性维修的次数,如果在 时刻部件 的预防性维修间隔期次数达到次,那么将它更换为新的部件。部件 的预防性维修策略如图 所示。其中:为部件 发生非期望故障所造成的系统停机时间;为对部件 进行预防性维修引起的系统停机时间;为对部件 采取预防性更换引起的系统停机时间;为完成第 次与第 次预防性维修之间所间隔的正常运行时间(,)
9、。图 部件 预防性维修示意.基于机会维修系数的维修策略描述文中采取的维修方式有故障最小维修、预防性维修和预防性更换,任一维修方式都会使系统进入停机状态,任何维修方式都会产生维修费用,为有效减少维修费用,引入机会维修系数,。文中所定义的机会维修区间的大小由 和 所决定。假定系统运行到 时刻,系统内的部件 最先达到其预防性维修时刻,因此需要对 采取预防性维修机床与液压第 卷措施。其次判断系统内的其他部件是否落入机会维修区间,若此时部件()处在 区间内,且在该预防维修间隔期内所运行的时间为,满足,说明 距上次维修之后所运行的时间短,不需要对其进行维修,否则会造成过维修的情况;若,部件 获得提前预防维
10、修的机会。在此基础上,以系统在运行周期内的总维修费用最小为目标函数,可求得最优的,进而确定对应优化的机会维修策略,然后根据优化策略合理配置维修人员及分配维修任务。单部件预防维修策略优化模型系统中部件的运行是一个逐渐退化的过程,其使用状态与运行的环境和时长有关,部件的可靠性随着其预防性维修次数的增加而减小。因此综合考虑各种影响因素引入双调整因子和,其中 为部件 的役龄递减因子,为故障率递增因子,且,。假设该系统中的部件在运行过程中服从 分布的故障率分布函数为()|(,)()式中:为部件的形状参数;为部件的长度参数。则部件 在第 个维修周期内的故障率函数为()()()(,()()式中:和 的值可以
11、通过故障率拟合法、周期拟合法或经验取值法拟合获得。由式()和式()可推出第 个预防性维修周期内的故障率函数:()()|()|()|()式中:。由故障率函数式(),可求出部件 在各预防性维修周期内的期望故障次数如式()所示:()|()()|()部件 可以看作是系统中任何一个部件,部件在有限的运行时间,内进行维修,如果部件 运行至预防性维修可靠度阈值 时对它进行预防性维修,以保证其可靠高效工作,可得到可靠度与故障率函数之间的关系为 ()()()联合以上公式可得到可靠度约束下的部件不同阶段的维修间隔期:()()()|()系统部件 在其生命周期内的单位时间费用率可表示为 ()()()()()()()(
12、)式中:为对部件 实施一次预防性维修的费用;为对部件 实施一次故障维修的费用;为部件 单位时间停机总的损失费用;为维修工人对部件 维修的单位工时成本;为对部件 实施一次更换所花费的费用。使公式()的值最小,能够求出部件 最佳的预防性维修次数。多部件串联系统机会维修策略优化模型设系统第 次预防性维修的时刻为 (,),为系统进行 次预防性维修后,部件 进入下一次预防性维修的时刻,此时已经对部件 进行了 次预防性维修,即现在正处于第 个维修间隔期内。比较 时刻部件 在该预防性维修周期 内所运行的时间 ()与 的大小,如果,则不对 进行任何维修活动;如果,则对 进行预防性维修,实施维修之后 的预防维修
13、次数为;若在此之前已经对 进行 次预防维修,则对部件 进行预防性更换。因此 时刻对部件 采取的维修方式可表示为(,)|()式中:(,)表示在 时刻对部件 采取的维修方式,其中、分别代表不进行任何维修、预防性维修、预防性更换。时刻对部件 进行维修花费的时间:第 期薛朝改 等:考虑人力资源约束的串联系统机会维修策略优化 (,)(,)(,)(,)|()式中:时刻对部件 预防性维修花费的时间为;预防性更换花费的时间为。.部件的直接维修费用分析部件 从第 次预防性维修完成到 时刻这段时间内,会产生三部分的直接维修费用:()预防性维修费用;()更换费用;()故障最小维修费用。表示在,对部件 进行维修所产生
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