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

背景技術：

1、在現(xiàn)代制造領域中，設備的可靠性是確保生產力和競爭力的關鍵因素。市場環(huán)境對設備有許多特殊的規(guī)定，如設定了一些設備的退款保修期，若設備出現(xiàn)任何質量問題或故障，賣方需承擔相關責任并提供維修；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等等。這些退款制度的實施保證了設備的可靠性，使得消費者在購買設備時更加有保障。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，退款制度往往對關鍵部件設置更嚴格相應的約束。退款制度的實施，增加了設備制造商需要承擔的成本風險，進而增加了設備特別是復雜多部件設備維護策略制定的復雜性和難度。

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

3、蒙特卡洛（monte?carlo）方法，又稱隨機抽樣或統(tǒng)計試驗方法，屬于計算數(shù)學的一個分支。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果。這也是以概率和統(tǒng)計理論方法為基礎的一種計算方法，是使用隨機數(shù)（或更常見的偽隨機數(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。蒙特卡洛解題歸結為三個主要步驟：構造或描述概率過程；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（比如準確率、精確率等）。最后，選擇性能指標最優(yōu)的那個參數(shù)組合作為最終的模型參數(shù)。

技術實現(xiàn)思路

1、為了應對上述現(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策略優(yōu)化方法及系統(tǒng)，通過本發(fā)明優(yōu)化技術方案對質保期內的雙部件設備預防性維護策略進行優(yōu)化，一定程度降低部件故障率，降低制造商的維護總成本。

2、為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

3、具有故障交互性的雙部件維護策略優(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)，并結合預防性維護相關參數(shù)，確定預防性維護和糾正性維護策略實施方法；

6、s3，在預防性維護和糾正性維護策略基礎上得出維護成本方案，并以最小化質保期全程的維護總成本為目標，建立維護優(yōu)化模型；

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

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、設定在不考慮部件間的故障率相關性前提下，部件在第個預防性維護周期內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，；，是在進行第， ?次預防性維護之后，部件的獨立故障率；是部件第次預防性維護周期；s12，在步驟s11描述的獨立故障率基礎上，建立雙部件之間的交互關系，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成分之間的交互程度，取0時表示部件間無相關關系，取1時表示部件間完全相關；雙部件間故障交互性下的部件1和部件2的交互故障率表達式如下所示：

16、；

17、其中，表示部件1第個預防性維護周期的交互故障率函數(shù)；表示部件2第個預防性維護周期的交互故障率函數(shù)；?表示在進行第次預防性維護之后，部件的獨立故障率；表示在進行第次預防性維護之后，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，糾正性維護策略描述和退款制度描述，具體過程如下：

20、當系統(tǒng)在質保期內發(fā)生故障時，制造商或賣方立即開始對故障系統(tǒng)進行最小程度的維修，即糾正性維護并不改變部件的故障率；在退款質保期內，制造商或賣方設定部件的故障次數(shù)閾值為，當部件故障的次數(shù)達到時，質保服務停止，設備產生退款；制造商將產生的退款返還給客戶；

21、s22，預防性維護策略描述，具體過程如下：

22、根據(jù)系統(tǒng)可靠性與故障率函數(shù)的理論關系，得到部件第個預防性維護周期的可靠性，，是部件第個預防性維護周期的交互故障率函數(shù)；當部件的可靠性達到預定的閾值時，就對部件單獨進行一次預防性維護行動；

23、基于，可靠性閾值則轉化為：

24、；

25、其中，為部件第個預防性維護周期；

26、部件第個預防性維護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，設定雙部件設備在一個基本質保期結束時因預防性維護活動而產生的費用，通過如下方式表示：

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

31、；

32、設定為設備發(fā)生退款的時刻，，即；

33、質保期實際長度為，；

34、質保期內預防性維護成本為：

35、；

36、其中，是兩個部件具體的預防性維護成本，為部件維護行動產生的固定成本，包括備件和交貨成本；是兩個部件在內的pm次數(shù)；

37、s32，雙部件設備在一個基本質保期結束時因糾正性維護活動而產生的費用，通過非齊次泊松分布等概率公式表示；

38、根據(jù)關于退款的設定，故障情況被分為兩種：不退款（質保期正常到期）和退款（質保期中斷，提前到期）。每一次預防性維護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。是兩個部件在內的糾正性維護次數(shù)，定義隨機變量，為通過多次算法模擬計算所得的平均值。

39、部件在內發(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，其中是部件在內預防性維護的次數(shù)，是部件在內最后一次預防性維護的時刻。

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，預防性維護閾值一經(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、內部件1和部件2的故障次數(shù)均不超過其閾值，，設備不產生退款，質保期正常到期。該情況發(fā)生的概率為：

46、；

47、該情況的糾正性維護成本為；

48、；

49、（2）退款

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

51、(a).因部件1故障次數(shù)達到閾值而退款，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總成本為：

54、；

55、(b).同理，因部件2故障次數(shù)達到閾值而退款，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總成本為：

58、；

59、綜上，雙部件設備基本質保期結束時的糾正性維護成本為。

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

61、設備故障次數(shù)達到閾值、產生退款時，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品的工作時間有關。假設退款金額()是產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，雙部件設備在一個基本質保期結束時，因任意部件糾正性維護活動次數(shù)超過相應閾值而產生的退款費用，通過如下方式計算；

65、如果質保期內，因維護（糾正性維護和預防性維護）導致的設備總停機時間超過指定的合同閾值，則賣方應承擔罰款費用。假設部件1和部件2的糾正性維護和預防性維護行動分別具有恒定的平均持續(xù)時間,和,，在此期間設備不可用。設備在質保期內的停機時長可以表示為: ? 。

66、質保期間的預期罰款成本為：

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，通過隨機抽樣估計來估算每一個預防性維護周期內雙部件的故障次數(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總成本，其中維護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的平均費用率；

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

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

75、故障率函數(shù)構建模塊，用于根據(jù)混合不完美預防性維護模型，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保期內部件故障的過程；

77、維護策略確立模塊，用于確立預防性維護和糾正性維護策略的實施方法以及所述預防性維護和糾正性維護策略對雙部件故障的作用機制；

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

79、最優(yōu)預防性維護方案確定模塊，用于確定最優(yōu)預防性維護方案。

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防性維護和糾正性維護的模型，利用預防性維護降低產品故障率，減少退款的風險，延長產品生命周期；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；以最小化整個質保期內的維護總成本為目標，通過網(wǎng)格搜索對所有可行解對應的目標函數(shù)進行比較，探尋出最佳預防性維護可靠性閾值，得到使設備制造商維護成本取最小值時的最優(yōu)維護策略設計方案；（2）本發(fā)明選擇雙部件設備為對象，結合蒙特卡洛仿真和網(wǎng)格搜索為設備制造商設計退款制度下雙部件設備維護策略的優(yōu)化方案；考慮部件之間的故障相關性，建立退款制度下的雙部件維護模型，優(yōu)化質保維護策略，從而更好地平衡維修成本和設備可靠性，提高設備的整體性能和運營效率。