基于自動機(jī)的設(shè)備維修狀態(tài)演化模型研究

胡 浩，伍傳麗，魯玉軍，駱華武

（1.浙江理工大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，杭州 310018；2.杭州創(chuàng)新生物檢控技術(shù)有限公司，杭州 310018；3.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動控制學(xué)院，杭州 310018；4.杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司，杭州 310033）

0 引言

目前采用維修工單、維修計(jì)劃以及維修記錄表（單）等維修文檔記錄與管理設(shè)備維修過程，這種管理方式屬于生產(chǎn)操作層面的管理，能夠指導(dǎo)與記錄每次維修生產(chǎn)活動[1]，但是具有以下缺陷：1）僅僅記錄與管理每次維修活動的操作內(nèi)容與結(jié)果，對設(shè)備維修過程的內(nèi)在演化機(jī)制缺乏定義；2）沒有建立過程模型對設(shè)備維修過程進(jìn)行規(guī)范與統(tǒng)一地描述；3）維修信息散布在大量的維修文檔中[2]，沒有被合理地組織，導(dǎo)致設(shè)備維修記錄缺乏層次性與結(jié)構(gòu)性。

為了解決以上不足，本文依據(jù)設(shè)備維修過程的各種動力學(xué)特性，定義維修狀態(tài)項(xiàng)(Maintenance Status Items)與維修狀態(tài)(Maintenance Status)，歸納出維修狀態(tài)項(xiàng)的3種維修模式，在每種維修模式下采用有窮自動機(jī)(finite automaton )建立維修狀態(tài)項(xiàng)的維修狀態(tài)演化模型，從而建立設(shè)備維修狀態(tài)演化模型(Evolvement Model of Equipment Maintenance Status)。

1 設(shè)備維修過程的動力學(xué)特性

設(shè)備維修過程具有以下動力學(xué)特性：1）設(shè)備維修過程被時間上離散與異步的維修事件所驅(qū)動，每次維修事件過后，設(shè)備的狀態(tài)發(fā)生躍變[3]；2）設(shè)備維修過程由其中各個維修模塊的維修過程所組成；不同維修模塊的維修過程具有相似性[4]；3）各個維修模塊的維修過程之間并無內(nèi)在耦合性[5]；4）除了計(jì)劃性預(yù)防維修之外，設(shè)備維修過程具有不可賦時性與不確定性，特別是對于故障維修以及狀態(tài)維修的情況[6]；5）維修事件對于維修狀態(tài)項(xiàng)的維修方式存在差異[7]，因此需要定義不同的維修狀態(tài)。

綜上所述，設(shè)備維修過程具有典型的離散事件動態(tài)過程特性[8]，同時由于設(shè)備維修過程具有相當(dāng)?shù)牟淮_定性，只能在邏輯層面建立反映與表征系統(tǒng)行為的定性模型[9]，因此需要維修模塊抽象為同質(zhì)的維修管理單元，采用離散事件動態(tài)系統(tǒng)的邏輯層次建模工具—有窮自動機(jī)[10]進(jìn)行建模。

2 維修狀態(tài)項(xiàng)、維修狀態(tài)與維修事件

2.1 維修狀態(tài)項(xiàng)與維修狀態(tài)

定義1 維修狀態(tài)項(xiàng)：維修狀態(tài)項(xiàng)是指在設(shè)備維修過程中，需要記錄與管理其維修過程的維修模塊（包括設(shè)備整機(jī)）[11]。

在定義了維修狀態(tài)項(xiàng)的基礎(chǔ)上，建立維修狀態(tài)項(xiàng)的維修狀態(tài)演化模型就等同于建立設(shè)備維修狀態(tài)演化模型。

定義2 維修狀態(tài)：維修狀態(tài)是定義各種維修方式的元數(shù)據(jù)[12]，每次對維修狀態(tài)項(xiàng)維修之后，依據(jù)維修方式的不同，維修狀態(tài)項(xiàng)會轉(zhuǎn)移到不同的維修狀態(tài)。維修狀態(tài)分為復(fù)原(recover)、更改(alter)、新增(new)與廢止(discard)這4種，如下定義6～9。

2.2 維修事件

維修事件即每次對維修狀態(tài)項(xiàng)實(shí)施維修活動的事件，按照維修事件對維修狀態(tài)項(xiàng)的不同維修方式，可以將維修事件分為3類，如表1所示。

在表1中，換改型維修事件與設(shè)備改造型事件都會產(chǎn)生維修狀態(tài)項(xiàng)的新配置[13]，新配置代表了它將在以下維修時間段的設(shè)備結(jié)構(gòu)中被采用，維修狀態(tài)項(xiàng)的不同配置具有不同的維修過程。

3 基于自動機(jī)的設(shè)備維修狀態(tài)演化模型

由于維修事件驅(qū)動維修狀態(tài)項(xiàng)的維修狀態(tài)轉(zhuǎn)移，由此維修狀態(tài)項(xiàng)的維修過程可以被分解為維修事件序列與維修狀態(tài)轉(zhuǎn)移序列。

表1 維修狀態(tài)項(xiàng)的維修事件分類

3.1 維修狀態(tài)項(xiàng)的3類維修模式

在表1的基礎(chǔ)上，可以將維修狀態(tài)項(xiàng)的所有可能的維修過程歸納為3種維修模式，如下定義3～5。

定義3 A類維修模式：對于出廠時已經(jīng)存在的維修狀態(tài)項(xiàng)，其每次的維修事件都是恢復(fù)型維修事件，直到設(shè)備改造型維修事件之后從設(shè)備結(jié)構(gòu)中去除。

定義4 B類維修模式：對于出廠時已經(jīng)存在的維修狀態(tài)項(xiàng)，其每次的維修事件中既包括恢復(fù)型維修事件，也包括換改型維修事件，直到設(shè)備改造型維修事件之后從設(shè)備結(jié)構(gòu)中去除。

定義5 C類維修模式：對于設(shè)備改造型維修事件后新增加的維修狀態(tài)項(xiàng)，其每次的維修事件中既包括恢復(fù)型維修事件，也包括換改型維修事件，直到設(shè)備改造型維修事件之后從設(shè)備結(jié)構(gòu)中去除。

從A類維修模式到B類維修模式再到C類維修模式，其維修過程的復(fù)雜程度是不斷增加的。

3.2 A類維修模式下的維修狀態(tài)演化模型

對于A類維修模式，需要定義兩種維修狀態(tài)（維修狀態(tài)轉(zhuǎn)移），分別是復(fù)原狀態(tài)與廢止?fàn)顟B(tài)。如下定義6～7。

定義6 復(fù)原狀態(tài)(recover)：對于維修狀態(tài)項(xiàng)的每次恢復(fù)型維修事件之后，維修狀態(tài)項(xiàng)轉(zhuǎn)移到此維修狀態(tài)，復(fù)原狀態(tài)具有版本，代表經(jīng)過第幾次恢復(fù)型維修事件。

定義7 廢止?fàn)顟B(tài)(discard)：對于維修狀態(tài)項(xiàng)的設(shè)備改造型維修事件后，維修狀態(tài)項(xiàng)被從設(shè)備結(jié)構(gòu)中去除，廢止?fàn)顟B(tài)代表維修狀態(tài)項(xiàng)的維修過程結(jié)束，廢止?fàn)顟B(tài)無版本。

對于A類維修模式，維修狀態(tài)項(xiàng)的維修狀態(tài)演化模型可以采用有窮自動機(jī)進(jìn)行定義，如圖1所示。

圖1中S代表維修狀態(tài)項(xiàng)出廠后沒有經(jīng)過任何維修的原始狀態(tài)，q1代表復(fù)原狀態(tài)，q2代表廢止?fàn)顟B(tài)；圖1中維修狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移利用單向箭頭弧來表示，箭頭弧之上的數(shù)字代表了不同類別的維修事件，1代表恢復(fù)型維修事件，2 代表設(shè)備改造型維修事件；q1指向自身的弧代表恢復(fù)型維修事件驅(qū)動復(fù)原狀態(tài)版本遞增，從S指向q2的虛線箭頭弧代表了維修狀態(tài)項(xiàng)沒有經(jīng)過恢復(fù)型維修事件直接進(jìn)入廢止?fàn)顟B(tài)的特殊情況。

圖1所示的有窮自動機(jī)模型包含了兩個序列[13]，一個是維修事件序列，具有以下形式：恢復(fù)型維修事件－恢復(fù)型維修事件－…－恢復(fù)型維修事件－設(shè)備改造型維修事件；另一個是維修狀態(tài)轉(zhuǎn)移序列，它具有以下形式：復(fù)原(1)－復(fù)原(2)－…－復(fù)原(m)－廢止，其中m是大于等于1的整數(shù)。

圖1 A類維修模式下的維修狀態(tài)演化模型

3.3 B類維修模式下的維修狀態(tài)演化模型

對于B類維修模式，需要定義維修狀態(tài)項(xiàng)的更改狀態(tài)，如下定義8。

定義8 更改狀態(tài)(alter)：對于維修狀態(tài)項(xiàng)的每次換改型維修事件之后，維修狀態(tài)項(xiàng)轉(zhuǎn)移到此維修狀態(tài)，每次轉(zhuǎn)移到更改狀態(tài)產(chǎn)生維修狀態(tài)項(xiàng)的1個新配置。

對于B類維修模式，維修狀態(tài)項(xiàng)的出廠配置的維修狀態(tài)演化模型如圖1。

對于B類維修模式，維修狀態(tài)項(xiàng)的更改狀態(tài)產(chǎn)生的新配置的維修狀態(tài)演化模型如下圖2所示。圖2中S代表換改型維修事件之前新配置不存在的狀態(tài)，q3代表更改狀態(tài)，數(shù)字3代表換改型維修事件，圖2中其他符號的含義同圖1。

圖2 B類維修模式下的維修狀態(tài)演化模型（更改狀態(tài)產(chǎn)生的新配置）

圖2中的維修事件序列具有以下形式：換改型維修事件－恢復(fù)型維修事件－恢復(fù)型維修事件－…－恢復(fù)型維修事件－設(shè)備改造型維修事件；圖2中維修狀態(tài)轉(zhuǎn)移序列具有以下形式：更改(n)－復(fù)原(1)－復(fù)原(2)－…－復(fù)原(m)－廢止，其中m，n是大于等于1的整數(shù)。

3.4 C類維修模式下的維修狀態(tài)演化模型

對于C類維修模式，需要定義維修狀態(tài)項(xiàng)的新增狀態(tài)，如下定義9。

定義9 新增狀態(tài)(new)：在設(shè)備改造型維修事件之后，新的維修狀態(tài)項(xiàng)被加入設(shè)備結(jié)構(gòu)中，此時這個維修狀態(tài)項(xiàng)的維修狀態(tài)為新增狀態(tài)，設(shè)備整機(jī)與出廠時已經(jīng)存在的維修狀態(tài)項(xiàng)沒有新增狀態(tài)。新增狀態(tài)沒有版本。

對于C類維修模式下新增維修狀態(tài)項(xiàng)的第1個配置，其維修狀態(tài)演化模型如下圖3所示。其中S代表設(shè)備改造型維修事件之前新的維修狀態(tài)項(xiàng)不存在的狀態(tài)，q4代表新增狀態(tài)，其余符號的含義與圖1同義。

圖3中的維修事件序列如下：設(shè)備改造型維修事件－恢復(fù)型維修事件－恢復(fù)型維修事件－…－恢復(fù)型維修事件－設(shè)備改造型維修事件；圖3中維修狀態(tài)轉(zhuǎn)移序列具有以下形式：新增－復(fù)原(1)－復(fù)原(2)－…－復(fù)原(m) －廢止，其中m是大于等于1的整數(shù)。

圖3 C類維修模式下的維修狀態(tài)演化模型(新增維修狀態(tài)項(xiàng)的第1個配置)

在C類維修模式下，對于新增維修狀態(tài)項(xiàng)由更改狀態(tài)產(chǎn)生的新配置，其維修狀態(tài)演化模型如圖2所示。

基于圖1～圖3的維修狀態(tài)項(xiàng)的維修狀態(tài)演化模型，可以完備地定義各種設(shè)備維修過程。

3.5 設(shè)備維修狀態(tài)演化模型的實(shí)例化

在實(shí)際維修管理系統(tǒng)中，采用有窮自動機(jī)這種抽象模型直接管理維修狀態(tài)項(xiàng)的維修過程并不方便，需要將維修狀態(tài)項(xiàng)的維修狀態(tài)演化模型進(jìn)行實(shí)例化。

由于維修狀態(tài)演化模型本身就是維修事件與維修狀態(tài)轉(zhuǎn)移序列的邏輯關(guān)聯(lián)，因此可以將維修狀態(tài)演化模型實(shí)例化為具體的維修狀態(tài)轉(zhuǎn)移序列與維修事件序列。另外，維修狀態(tài)轉(zhuǎn)移序列中每次維修狀態(tài)轉(zhuǎn)移的時間以及記錄每次維修事件的維修文檔編號也需要記錄與管理。

4 應(yīng)用案例

某飲料集團(tuán)灌裝車間使用SIDEL SBO14吹瓶機(jī)生產(chǎn)PET飲料瓶[14]，在2010年6月之前，一直采用維修文檔管理設(shè)備維修過程。在實(shí)際維修管理中發(fā)現(xiàn)以下問題：1）沒有預(yù)先規(guī)定哪些設(shè)備模塊的維修過程必須進(jìn)行記錄，每次維修活動之后記錄哪些維修內(nèi)容比較隨意，導(dǎo)致很多維修信息的缺失；2）各種維修模塊在不同時間的維修信息都混合散布在大量維修文檔中，查詢某個特定模塊的維修記錄缺乏索引；3）只能查詢到每次維修活動的細(xì)節(jié)，無法縱覽設(shè)備維修過程的各個維修模塊的整體維修歷史。

為此，在目前設(shè)備維修管理系統(tǒng)中增加維修狀態(tài)管理的模塊，利用這個模塊管理設(shè)備維修狀態(tài)演化信息。

2008年5月21日灌裝車間對設(shè)備實(shí)施設(shè)備改造，在原出廠設(shè)備上新增加了一種新型的無菌處理裝置—瓶坯干式殺菌裝置，同時也產(chǎn)生了瓶坯干式殺菌裝置的第1個默認(rèn)配置。

瓶坯干式殺菌裝置的第1個默認(rèn)配置的維修狀態(tài)演化信息如下圖4所示，圖4中的維修狀態(tài)演化模型的建模過程如下。

步驟1：定義SIDEL SBO14吹瓶機(jī)中維修狀態(tài)項(xiàng)集合，并將所有維修狀態(tài)項(xiàng)以樹形結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，其中包括了瓶坯干式殺菌裝置第1個默認(rèn)配置。

步驟2：定義瓶坯干式殺菌裝置第1個默認(rèn)配置的維修狀態(tài)項(xiàng)信息，包括零件編號、零件類別、維修策略、維修周期[15]等等。

步驟3：將瓶坯干式殺菌裝置第1個默認(rèn)配置的維修過程歸納為C類維修模式，C類維修模式中第1個默認(rèn)配置的維修狀態(tài)演化模型是如上圖3所示的有窮自動機(jī)。

步驟4：依據(jù)圖3，將按照時間順序發(fā)生的每次維修事件歸納為恢復(fù)型維修事件與設(shè)備改造型維修事件這2類維修事件，然后建立其維修事件序列如下：設(shè)備改造型維修事件－恢復(fù)性維修事件－恢復(fù)型維修事件－恢復(fù)型維修事件－恢復(fù)型維修事件。

步驟5：維修事件序列中每次維修事件驅(qū)動了維修狀態(tài)轉(zhuǎn)移，形成了瓶坯干式殺菌裝置第1個默認(rèn)配置的維修狀態(tài)轉(zhuǎn)移序列如下：新增－復(fù)原(1)－復(fù)原(2)－復(fù)原(3)－復(fù)原(4)。

步驟6：將維修事件序列中每次維修事件與維修狀態(tài)轉(zhuǎn)移序列中每次維修狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)聯(lián)在一起（有窮自動機(jī)模型的實(shí)例）。

步驟7： 記錄每次維修狀態(tài)轉(zhuǎn)移的時間，記錄每次維修事件相應(yīng)的維修文檔號，將這兩者與維修狀態(tài)序列與維修事件序列關(guān)聯(lián)在一起，形成維修狀態(tài)演化表。

圖4 瓶坯干式殺菌裝置（第1個默認(rèn)配置）的維修狀態(tài)項(xiàng)信息與維修狀態(tài)轉(zhuǎn)移序列

瓶坯干式殺菌裝置第1個默認(rèn)配置的維修狀態(tài)演化表使得管理者既能直觀看到維修狀態(tài)項(xiàng)的整個維修歷史，同時能夠通過維修狀態(tài)演化表中維修文檔編號鏈接到具體維修文檔，了解每次維修活動的細(xì)節(jié)。

通過圖4，證明了基于自動機(jī)的設(shè)備維修狀態(tài)演化模型能夠系統(tǒng)地記錄與管理設(shè)備維修過程。

5 結(jié)論

1）目前對于設(shè)備維修過程的管理缺乏過程模型，帶來了設(shè)備維修信息缺乏系統(tǒng)性，為此提出在邏輯層面建立設(shè)備維修狀態(tài)演化模型。

2）設(shè)備維修過程具有維修事件驅(qū)動的離散動態(tài)特性以及不可賦時性、不確定性，需要采用離散動態(tài)系統(tǒng)的有窮自動機(jī)工具建立邏輯層面的定性描述模型。

3）設(shè)備維修狀態(tài)演化模型的基本單元是維修狀態(tài)項(xiàng)，維修狀態(tài)項(xiàng)的維修事件序列驅(qū)動與控制維修狀態(tài)轉(zhuǎn)移序列，這種邏輯關(guān)系采用有窮自動機(jī)進(jìn)行形式化的定義。

4）在實(shí)際維修管理系統(tǒng)中，維修狀態(tài)項(xiàng)的維修狀態(tài)演化模型需要被實(shí)例化為維修狀態(tài)轉(zhuǎn)移序列與維修事件序列，還包括維修事件序列中每次維修事件發(fā)生的時間以及相應(yīng)記錄每次維修活動的維修文檔號。

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