基于RCM理論的ANP維修決策研究

李　鑫，張　旋,鄭　濤

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥　230009)

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基于RCM理論的ANP維修決策研究

李鑫，張旋,鄭濤

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥230009)

摘要：針對自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)備群維修決策問題，提出了基于RCM(Reliability Centered Maintenance—以可靠性為中心的維修)維修理論并應(yīng)用ANP(Analytical Network Process—網(wǎng)絡(luò)層次分析法)決策的方法。該方法強(qiáng)調(diào)了維修的可靠性觀點(diǎn)并運(yùn)用ANP綜合考慮各因素的同時(shí)，考慮了指標(biāo)之間不可避免的相互依賴和反饋關(guān)系，使決策的內(nèi)容更加嚴(yán)謹(jǐn)。最后以某電機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線為例,利用超級決策軟件Super Decisions進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證了應(yīng)用ANP方法決策設(shè)備的維修方案結(jié)果趨于合理。

關(guān)鍵詞：RCM；ANP；可靠性；經(jīng)濟(jì)性；維修性

0引言

隨著人工成本的大幅度提升，勞動(dòng)力越發(fā)短缺，在生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)高自動(dòng)化流程就成為了一種必然。自動(dòng)化生產(chǎn)線由于其高度的自動(dòng)化技術(shù)，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與此同時(shí)，面臨的設(shè)備維修決策問題也隨之而來。

設(shè)備的維修方式一般可以分為事后維修、定期維修和狀態(tài)維修三種[1]。維修方式的選擇是一個(gè)典型的定性與定量相結(jié)合的決策問題。在系統(tǒng)工程學(xué)各方法中，能夠用于解決此問題的方法并不多?；赗CM理論的維修決策評判通?？捎玫姆椒ㄓ袑＜以u判模型[2]、層次分析法[3](Analytical Hierarchy Process，AHP)、模糊綜合評判法[4-5]。專家評判模型雖然簡單，一般只應(yīng)用于不太復(fù)雜的系統(tǒng)的評判；層次分析法雖然是一種有效的權(quán)重確定方法，但它并沒有考慮元素間的相互依賴和反饋關(guān)系；模糊綜合評判決策是由層次分析法發(fā)展而來，同樣的存在這個(gè)問題。

美國 Thomas L. Saaty 教授于1996年在層次分析法基礎(chǔ)上提出了一種適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的決策方法網(wǎng)絡(luò)層次分析法(Analytical Network Process，ANP)[6]。該方法很好的解決了系統(tǒng)元素間存在相互依賴和反饋關(guān)系的評判。網(wǎng)絡(luò)層次分析法在企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力評估[7]、金融風(fēng)險(xiǎn)評估[8]、旅游景區(qū)評估[9]等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。所以，本文采用網(wǎng)絡(luò)層次分析法結(jié)合RCM理論對某電機(jī)廠生產(chǎn)電機(jī)的設(shè)備群的維修方式進(jìn)行決策。同時(shí)運(yùn)用層次分析法(AHP)與之作對比，以此說明元素間存在的相互依賴和反饋關(guān)系在維修決策中的重要性。

1維修決策評價(jià)指標(biāo)體系

以可靠性為中心的維修[10](RCM)是目前國際上通用的、用以確定資產(chǎn)預(yù)防性維修需求、優(yōu)化維修制度的一種系統(tǒng)工程方法。它的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)設(shè)備的可靠性狀態(tài)，以最少的維修資源消耗來保持設(shè)備固有可靠性和安全性,應(yīng)用邏輯決斷的方法確定設(shè)備維修的過程。

根據(jù)該電機(jī)廠的實(shí)際情況和設(shè)備特點(diǎn),結(jié)合RCM理論的維修思想,從設(shè)備的可靠性B1、經(jīng)濟(jì)性B2、重要性B3和維修性B4四個(gè)方面綜合考慮,選擇了設(shè)備的固有可靠性C11、使用可靠性C12、故障模式C13、故障后果C14；故障頻率C15；設(shè)備原值C21、維修費(fèi)用C22、維修時(shí)間C23；設(shè)備利用率C31、生產(chǎn)中的重要程度C32；維修難易程度C41；配件、工具供應(yīng)程度C42；人力資源C43作為該設(shè)備維修決策評價(jià)指標(biāo)。如表1。

表1　維修決策網(wǎng)絡(luò)層次分析指標(biāo)體系

由于設(shè)備的監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，使得設(shè)備的故障模式、故障頻率等數(shù)據(jù)易于得到。根據(jù)監(jiān)測或統(tǒng)計(jì)到的數(shù)據(jù)可以很方便的在決策模型中改變各指標(biāo)的權(quán)重，從而決策出最新的維修計(jì)劃。

2維修決策評價(jià)模型

根據(jù)ANP原理結(jié)合指標(biāo)內(nèi)涵及其相互關(guān)系 ,構(gòu)建如圖1所示ANP網(wǎng)絡(luò)層次分析模型。由圖1可知，B1~B4組成主因子層，C11~C43組成次因子層。

圖1　維修決策網(wǎng)絡(luò)層次分析模型

3各因素權(quán)重的確定

影響維修方案各因素的重要性各不相同,AHP和ANP方法采用Satty提出的1～9標(biāo)度法(見表2)來標(biāo)度，確定各影響因素的權(quán)重值。通過兩兩比較，得到各元素相對于其它元素的重要適度。通過邀請?jiān)撈髽I(yè)的決策層、技術(shù)工作人員、一線員工組成一個(gè)專家小組共同完成此項(xiàng)工作。所有計(jì)算過程全部使用超級決策軟件Super Decisions[11]來完成。

該軟件基于ANP理論，已經(jīng)成功地將ANP的計(jì)算程序化，操作簡便，AHP只是ANP的一個(gè)特例，該軟件同樣適用。

表2　Satty 1~9 級判斷矩陣標(biāo)準(zhǔn)度

4算例研究

下面將對該電機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線的壓定子設(shè)備用AHP和ANP兩種方法做對比來分析決策的結(jié)果，以此來說明考慮元素間的相互依賴和反饋關(guān)系在維修決策中的重要程度。

4.1確定指標(biāo)權(quán)重(ANP/AHP)

首先，在Super Decisions軟件中建立如圖1所示的ANP維修決策模型。同時(shí)，建立不考慮元素間的相互依賴和反饋關(guān)系的AHP維修決策模型。然后建立指標(biāo)間的兩兩比較矩陣。根據(jù)專家小組打分的結(jié)果在Super Decisions軟件中的比較窗口依次輸入各指標(biāo)的比較值。

表3表示的是在AHP分析方法下建立的一級指標(biāo)可靠性B1、經(jīng)濟(jì)性B2、重要性B3和維修性B4的比較值，即得出一級指標(biāo)的權(quán)重，如表3所示。由于ANP模型中只考慮第二層元素之間的相互依賴和反饋關(guān)系。所以，一級指標(biāo)的權(quán)重值與AHP相同。

表3　ANP/AHP一級指標(biāo)比較矩陣

其次，依次填入各二級指標(biāo)的比較分值，即可得出各二級指標(biāo)的總權(quán)重。如表4所示。經(jīng)驗(yàn)證所有的判斷矩陣均滿足一致性檢驗(yàn)。

表4　維修決策評價(jià)模型 ANP/AHP指標(biāo)總權(quán)重

然后，在方案比較矩陣各指標(biāo)的比較值，即可得出各二級指標(biāo)在備選方案中的權(quán)重值。表5表示的是ANP/AHP中各方案依據(jù)二級指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)值。

表5　 ANP/AHP中維修方案的權(quán)重值

最后，由表4得到的二級指標(biāo)總權(quán)重值與表5得到的方案權(quán)重值相乘即得最終方案排序值。ANP和AHP最終方案排序值如圖5、圖6所示。

圖5ANP計(jì)算結(jié)果

圖6AHP計(jì)算結(jié)果

4.2某指標(biāo)權(quán)重改變指標(biāo)權(quán)重確定(ANP/AHP)

當(dāng)在一段時(shí)期內(nèi)監(jiān)測到該設(shè)備某指標(biāo)明顯變化時(shí)，相應(yīng)的改變模型中該指標(biāo)的權(quán)重重新決策維修結(jié)果?，F(xiàn)以監(jiān)測到該設(shè)備故障頻率明顯提高為例，增大維修決策模型中故障頻率C15的相對權(quán)重，同組的其它指標(biāo)的權(quán)重則相對減少，如表6。

表6　ANP/AHP指標(biāo)總權(quán)重

ANP和AHP最終方案排序值如圖7、圖8所示。

圖7ANP計(jì)算結(jié)果

圖8AHP計(jì)算結(jié)果

4.3ANP與AHP結(jié)果比較分析

從圖5 和圖6的計(jì)算結(jié)果可以看出：ANP和AHP分別得到的決策結(jié)果是定期維修A2和狀態(tài)維修A3。從而說明了元素間的相互依賴和反饋關(guān)系影響了決策的結(jié)果。

從圖7和圖8可以看到：當(dāng)該設(shè)備的故障頻率增加時(shí)，應(yīng)用ANP和AHP分別得到的決策結(jié)果依然是定期維修2和狀態(tài)維修A3。但是，此時(shí)定期維修A2和狀態(tài)維修A3相對權(quán)重相對于之前都增加了，而且ANP中定期維修相對權(quán)重的增加要高于AHP。

通過對上面例子的分析可以看到，當(dāng)元素間存在相互依賴和反饋關(guān)系時(shí)，考慮元素間的相互依賴和反饋關(guān)系是至關(guān)重要的。ANP分析的結(jié)果與實(shí)際分析結(jié)果是一致的。事后維修發(fā)生的時(shí)間是隨機(jī)的，故障發(fā)生時(shí)會打擾生產(chǎn)計(jì)劃，有時(shí)候?yàn)榱松a(chǎn)的需要，需要搶修，導(dǎo)致修理質(zhì)量不高。狀態(tài)維修主要是依據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行維修，往往需要停機(jī)監(jiān)測和使用昂貴的監(jiān)測儀器，主要應(yīng)用于利用率較高的重點(diǎn)設(shè)備。而定期維修可以使維修工作有準(zhǔn)備、有計(jì)劃的進(jìn)行，充分利用生產(chǎn)的空閑時(shí)間。另外，維修時(shí)間比事后維修短；經(jīng)濟(jì)性比狀態(tài)維修好。根據(jù)該廠的實(shí)際情況，該設(shè)備選擇定期維修方案是合理的，從而也說明了應(yīng)該ANP方法決策維修方案是可行的。

5結(jié)論

生產(chǎn)設(shè)備維修方案的選擇是一項(xiàng)很重要的決策，也是許多企業(yè)經(jīng)常要面臨的工作?？茖W(xué)合理的采用評估模型對于得到正確合理的維修方案至關(guān)重要。網(wǎng)絡(luò)分析法(ANP)是現(xiàn)代多屬性決策中最常用到的方法之一，該方法通過對關(guān)系模型的建立和指標(biāo)間的相互比較來排序方案的優(yōu)劣順序，幫助管理者做出正確的決策。

本文通過例子分別用ANP和AHP 兩種方法對維修方式進(jìn)行決策。結(jié)果表明，考慮元素間的相互依賴和反饋關(guān)系是至關(guān)重要的?，F(xiàn)實(shí)中，指標(biāo)之間的相互影響是存在的，因此利用ANP方法考慮非獨(dú)立遞介層次模型產(chǎn)生的結(jié)果更加準(zhǔn)確合理。本文所提出的觀點(diǎn)主要有：

(1)對于復(fù)雜的維修問題，考慮指標(biāo)間的相互依賴和反饋關(guān)系是必須的，因此運(yùn)用ANP方法考慮指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系產(chǎn)生的結(jié)果比AHP更加合理可靠。

(2)一個(gè)企業(yè)的設(shè)備維修方式不應(yīng)該只有一種，也不應(yīng)該一成不變，而應(yīng)該根據(jù)不同設(shè)備、不同的故障模式、不同的故障后果、企業(yè)條件等從設(shè)備的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、維修性、經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，來決定設(shè)備的維修方式。

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(編輯李秀敏)

A Maintenance Decision Making Researching Model Based on the Theory of RCM and ANP Analysis

LI Xin, ZHANG Xuan, ZHENG Tao

(School of Electrical Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract：With respect to the maintenance decision problem of the automatic production line equipment, an approach of Analytical Network Process (ANP) based on Reliability-Centered Maintenance (RCM) is proposed.In this model, we emphasize the view of reliability of the maintenance and use ANP method, which comprehensive consideration of the interdependence and feedback relationship between the indexes to make the decision more rigorous. Finally, taking a motor automatic production line as an example and using the Super Decisions software to calculate, from the results we can know that the application of this method is proved Reasonable.

Key words：RCM；ANP；reliability；economy；maintainability

中圖分類號：TH165;TG659

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：李鑫(1976—)，男，安徽阜陽人，合肥工業(yè)大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c傳動(dòng)中的控制策略、網(wǎng)絡(luò)控制,(E-mail)windy02@email.ustc.edu.cn；通訊作者：張旋(1990—)，男，安徽蚌埠人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代控制理論及應(yīng)用，(E-mail)790615441@qq.com。

收稿日期：2015-04-27

文章編號：1001-2265(2016)03-0158-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.044