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1、上海海事大学本科生毕业设计关于失效历史的预防性维修调度 学院：物流工程 专业：机械电子工程（中荷） 班级：机电荷121 姓名：曾明昭 指导教师：林丹萍 完成日期：摘 要本文以实际生产设备故障率符合威布尔分布（Weibull distribution）为前提，应用役龄回退因子这一参数对生产设备实际总寿命进行评估，利用递推关系建立机械生产设备的故障率模型。以机械设备总维修费用为优化目标，建立了有限时间区间内变周期预防性维修的总费用模型。运用遗传算法（Genetic Algorithm）对该模型进行求解,并研究了改变遗传算法初始参数中交叉概率对模型求解进行验证。关键词：预防性维修，遗传算法，役龄回退
2、因子，交叉概率。AbstractThis paper is based on that the mechanical production equipment is following the Weibull distribution. We evaluate the actual lifespan of mechanical production equipment by applying the parameter of age reduction factor and build the failure rate model using recurrent relation. The o
3、ptimization target is total maintenance cost of mechanical production equipment in the whole lifespan. We build the total imperiodic preventive maintenance model in finite time interval. Applying the Genetic Algorithm to solve the model and verify the validity of this model by change the value of cr
4、ossover probability. Key words：Preventive Maintenance,Genetic Algorithm,age reduction factor,crossover probability.上海海事大学本科生毕业设计目 录引言1一、预防性维修现状1（一） 研究背景和意义1（二）国内外研究现状3（三）本文研究问题5二、预防性维修费用模型6（一）模型符号及基本假设6（二）费用优化模型7（三）风险函数8三、总维修费用决策模型9四、 综合决策模型求解10（一）遗传算法的起源10（二）遗传算法的优点10（三）遗传算法的基本术语11（四）遗传算法的运行参数12（五）
5、遗传算法的流程图13五、算例分析14六、结束语27参考文献28引言在机械设备的日常工作运转中，故障的发生往往是难以避免的，尤其是在高速运转的当今社会，数小时的设备故障往往会造成难以承受的损失，如何提高设备的生产效益和节约维修成本才是生产商迫切关心的问题。较为传统的维修理论几乎都是在故障发生后的应对策略。因此预防性维修是一种理想的解决方法。它应用在故障发生之前，以降低机械系统故障率，减少和降低系统故障的发生，主要用于其故障后果会危及安全和影响任务完成，或导致较大经济损失的产品。预防性维修的目的是降低产品失效的概率或防止功能退化，减少生产系统维修广义成本。它能够减少因为临时设备故障而产生不良品或者
6、预防生产任务无法按期完成的情况。当然，做好预防性的维修，并不是设备就不会临时故障，而是尽可能减少其突发故障发生次数使设备在一定的时期内使设备的总的停机时间控制在正常生产可以接受的范围内。一、预防性维修现状（一） 研究背景和意义在工业生产中，大多数工厂会因为没有一套不够先进和完善的维修方案而会导致维修成本的无意义浪费，导致总运营成本的很大一部分会花在设备的维修和保养方面。随着工业产业的迅速发展，越来越多工厂的建立，维修成本总金额也在逐年增长。有数据显示，在1981年，美国的工厂在对生产设备和生产车间上投入的维修费用总金额至少为6000亿美元，到了1991年，这一数字攀升到了8000多亿美元，到了
7、21世纪初，这一部分份的金额甚至达到了12000亿美元。这些数字所表明的现象无疑一种巨大的资源浪费。不仅仅是在美国，对于我们国家以及世界上每一个工业大国都是应当着重处理的问题。无效的管理方法以及对工厂资源缺乏即时、实际的了解会带来认为造成的高维护成本，在这方面世界范围内几乎每个制造和生产设施都存在巨大的机遇。有效使用预防性/预知性维护技术提供了充分利用这种机遇的方法。如果使用正确，可以消除被浪费掉的维护成本的33%至50%并可取得并维持有效地利用工厂的生产和维护资源。所谓事后维修即是在设备发生故障后使其恢复正常生产功能的维修方式。其目的是消除故障，尽管它是设备故障后必须进行的手段，但是如果是完
8、全实行事后维修无法保证系统的可靠性与有效性，同时会造成大量的资源浪费现象。随着科学技术的不断发展，生产和自动化程度越来越高，生产的设备更加的复杂了，设备的好坏也越来越决定产品的品质，生产的效率，也就更加要求工厂的设备部门做好预防性的维修。预防性维修（Preventive Maintenance)是指当机械系统使用到规定的时间后进行全面的解体性维修，使其恢复到规定的使用功能状态。它可以包括调整、润滑、定期检查等。现在较为先进的维修方法主要有以下几种：(1) 基于机械设备生产寿命的预防性维修。该理论可以追溯至20世纪60年代，该理论认为在设备经历完一定的生命区间后立即对旧设备进行更换以防止其进入不
9、稳定状态或者报废。但是这种方法的效果不是很明显。仍有很大的可能会因为设备的突发故障而造成较长时间的生产停滞。这种基于生产寿命的定期更换维修策略不会因为突发故障的发生而影响其固定的更换时间。这种基于寿命的预防性维修是许多先进维修策略的基础，它适用于那些系统较为复杂导致设备维修费用太昂贵和困难的设备系统。(2) 基于维修次数技术的策略。该策略是指在设备前若干次发生故障时对其进行小修，而到了规定的维修次数就对其进行更换。(3) 周期性预防性维修策略。这种方法较为简单有效，先制定一个较合适的时间，每当设备工作一段时间后就对其进行预防性维护，相比基于寿命的预防性维修能够减少大量的维修成本和生产停滞时间，
10、但是其还有很大的改进和优化空间。(4) 故障限制策略。故障限制策略即为当设备的故障率或者可靠度条件到达一定的维修阈值就立即对该设备进行维修。这种策略适合用来维护对安全性和可靠性要求比较高的设备。(5) 维修限制策略。维修限制策略主要分成两大类。一类是限制维修费用的策略，该策略会在设备发生故障后对设备的维修费用进行评估预测，若其费用在可以接受的范围内就对其进行维修，若维修费用超过可接受的范围就对设备进行更新替换。但是这一策略有很多不足之处，因此采用限制单位维修费用率对其进行改良修正。另一类是限制维修时间的策略，同理在设备故障后对其进行故障评估，若维修时间较短则进行维修处理，若维修时间太长就对设备
11、进行更换处理。(6) 非周期性预防维修策略。相比于周期性预防性维修策略，同样以时间轴为参考依据进行预防性维修，但是每次进行预防性维修的时间并不固定。这种方法虽然求解比较复杂，但是可以进一步节约一部分的维修成本。也是最优的预防性维修策略。本文建立的模型即应用非周期性预防维修策略。根据设备的失效历史，对其损坏可能发生的次数和发生故障次数较频繁的时期进行一定程度的预测，在设备出现问题之前，寻求由计划内的预防性维修引起的停机损失以及意外故障维修费用和停机损失之间的平衡点，使设备广义维护成本尽可能降到最低。失效历史是指设备初期服役期间得出的各种参考数据，包括设备出现故障的时间点，故障后的平均维修时间和使
12、用寿命等等的数据历史。对于刚服役的新型设备我们可以通过去工厂进行实际现场调研得到初步的模型再通过对该新型设备的失效数据进行修正。我们通过分析这些失效历史而得出设备的故障率模型和使用寿命等等再对设备进行进一步的预防性维修调度分析即可大幅改善设备的维修成本或者延长其使用寿命。（二）国内外研究现状 E.Aghezzaf et al19建立了故障多发生系统的不完全预防性维修模型。运用故障率模型和瞬时可靠度模型，提出了一种解决复杂线性优化问题的解决方法。 B.Naderi et al22研究了柔性流水车间周期性预防维修调度问题，假设生产系统周期性失效，运用遗传算法和人工免疫算法分别求解以最小化产品制造周
13、期。 M.Fitouhi& M.Nourelfath23研究了非周期性预防维修的单设备维修问题。最小化设备广义维护成本，为多设备非周期性预防性维修问题提供了研究基础。 N,Sortrakul& H.Nachtmann.24提出了一种启发式遗传算法求解优化单设备预防性维修模型并验证了该算法的准确性。 S.Canto25研究了电力系统发电机组的预防性维修问题，建立了发电机组的预防性维修模型，为电力公司提供了理论参考。 S.Canto&J.Rubio-Romero17考虑了风力发电厂的预防性维修问题，为了安全问题确定发电机的周期性预防维修的时间。该模型非常方便应用到实际问题中，为风力发电厂相关维修实
14、际问题的研究提供了基础。 K. Moghaddam16提出了一种新的多目标优化模型以解决多目标预防性维修问题。并且用蒙特卡洛仿真方法对模型进行了验证。该模型能同时满足多目标最优化的同时求解，大大简化了实际问题中的优化问题。 K.Moghaddam&J.Usher18提出了一种新的新的多目标预防性维修优化模型，该模型的优化目标是最小化维修费用和最大化设备可靠度，并用不同的算法对该模型进行分析验证。 A. Berrichi et al20等人根据蚁群优化范例提出了一种新的算法，为能够进一步的解决更复杂的多目标问题提供了研究基础，可以用来解决联合生产和预防性维修优化问题。 S.Suliman& S.Jawad21提出了一种新的数学模型，该模型解决单部件生产系统批量生产部件的预防性维修优化问题。假设设备故障分布符合威布尔分布故障率模型，找出系统最佳预防性维修周期。 近年来，国外学者对预防性维修调度这一课题进行了多方面的研究，提出了很多新的理论和优化方法，完善了很多复杂生产系统的预防性维修优化问题，并结合实际的设备或者生产系统进行具体的研究和优化。 李宝鹏8等人以有限时间内装备的维修费用最小和平均可靠度最大为优化目标，建立了一种变周期预防
