基于三级维修体制的设备维修SPN模型研究.pdf

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1、第 32 卷第 5 期2011 年 9 月技术与创新管理TECHNOLOGY AND INNOVATION MANAGEMENTVol 32No.5Sept.2011【技术与应用研究】基于三级维修体制的设备维修 SPN 模型研究*江迪(上海理工大学 管理学院，上海 200093)摘要:为了帮助设备管理与优化决策提供参考性的数据，并对企业设备管理的一些性能指标进行检测。在三级维修体制的基础上，运用随机 Petri 网的基本理论和相关技术建立设备维修的 SPN 模型。利用矩姆函数的分析方法，对 SPN 建模进行化简、分析，成功的获得如时间性能指标、稳态概率性能指标等可靠性能指标信息，完成了对企业设

2、备管理系统的评价。关键词:三级维修体制;设备维修;SPN中图分类号:TP 23文献标识码:A文章编号:1672 7312(2011)05 0557 04SPN Model of Equipment Maintenance Based onThree-level Maintenance SystemJIANG Di(Business School，Shanghai University of Technology，Shanghai 200093，China)Abstract:The paper is aim to provide reference data to help with decis

3、ion-making and device management，and to testsome performance indicators of equipment management Under the conditions of three-level maintenance system，by thebasic theory of stochastic Petri nets and related technology，SPN model of equipment maintenance has been built Accord-ing to the data got，funct

4、ion analysis method has been used to analysis and reduce the SPN model Finally，some indicatorssuch as time index and Steady-state probability index are acquired for the equipment management and decision-makingKey words:TMS;equipment maintenance;SPN1序言设备维修是一个协调企业各种资源的系统化的管理过程，其中包括设备、人力、物资、信息以及管理系统的协调

5、。随着制造业的发展，越来越细的市场化分工逐渐显露，其中设备维修的变化与改革尤为明显。因此，运用新的科学技术成果对传统的设备维修业进行补充，孕育新的维修方法和理论就显得尤为迫切和必要。文献 1 运用经济学相关理论对军用设备维修外包进行分析，得出结论:设备维修实行外包是有益的。文献 2 提出一种以合同过程实施为基础的设备维修外包管理，希望能够建立一套以科学、完善的合同管理体制来防范项目实施中的各种风险。文献 3 在 Petri 网技术优点的基础上，采用层次化的Petri 网技术，建立了设备系统维修流程仿真模型。虽然与现实中的企业设备维修管理有很大的差距，但提供了一个设备维修发展的方向，因此，这类模

6、型的构建就显得尤为重要。2三级维修体制计划经济模式下的传统维修管理体制是“大而全、小而全”的管理模式，但很显然这种模式已经不能适应现代市场精细化条件下的制造性企业，所以，维修体制的改革也成为制造性企业降低成本、提高竞争力的重要手段4。*收稿日期:2011 04 12作者简介:江迪(1986 )，男，安徽阜阳人，硕士研究生，主要从事工业工程与设备管理方向研究三级维修体制(Three-level Maintenance System，简称 TMS)是将企业的设备维修分为三个级别进行定期的检修与保养，这三级维修分别是:一级维修(部门级维修):基础性维修，主要由设备操作人员或企业维修类相关技术人员进行

7、维修，设备故障易诊断，多为零部件替换等基础性维修。二级维修(公司级维修):技术性维修，主要由企业高级技术人员进行维修，故障诊断较难，常为设备技术性故障，需要花费较长时间。三级维修(外包或设备生产商级维修):设备严重故障，企业人员无法修复，需要设备外包商或生产商的参与方能修复。按照三级维修体制进行维修，可绘制其流程图，如图 1 所示。图 1三级维修体制流程图3SPN 模型Petri 网采用可视化图形描述但却被形式化的数学方法所支持，表达离散事件的动态系统(Dis-crete Event Dynamic System，DED)的静态结构和动态变化，作为一种结构化的 DEDS 描述工具，可以描述系统

8、异步、同步、并行逻辑关系，能够分析系统运行性能，如制造系统设备使用率、生产率、可靠性等5。3 1SPN 的定义在随机时间 Petri 网中引入时间约束:在变迁的可实施与实施之间定义一个时间延迟，所有的时间延迟均为服从指数分布的随机变量，变迁就成为时间变迁，就得到随机 Petri 网(Stochastic Petri Nets，SPN)5 6。定义:SPN 为 6 要元(P，T，F，V，W，M0，)，其中:1)P=p1，pn 是库所的有限集合，n 0 为库所的个数;2)T=t1，tk 是变迁的有限集合，k 0 为变迁的个数;3)Fa+a为有向弧集，a+T P 表示变迁输出弧的集合，aP T 表示

9、变迁输入弧的集合，关联矩阵 a=a+a;4)W:FN 是权函数，N=1，2，;5)M0:PN0的映射，N0=1，2，代表初始标识;6)=1，2，k 是变迁的平均实施速率，时间变迁服从任意分布。3 2基于矩姆函数的 SPN 模型分析对于随机变量 x，其概率密度函数 f(x)=esx的期望成为 x 的矩姆函数，记为:MGF(s)=E(esx)。x为离散变量，概率分布函数 p(xi)=P(x=xi)，i=1，2，则MGF(s)=i=1esxip(xi)x 为连续随机变量，概率密度函数为 f(x)，则MGF(s)=+esxf(x)dx对于任意分布的 SPN，在条件 C:t1和 t2为 2 个延时为 X

10、1和 X2的设备运转变迁，X1、X2独立，X1的矩姆函数是 MGFi(s)，ti的运转概率和传递函数分别是 pi和 Wi(S)，其中 0 pi1，(i=1，2)。t 是时延为 Y 的设备运转变迁，Y 的矩姆函数为 MGF(s)。于是有:1)在条件 C 下，对于顺序结构 Petri 网，其化简如图 2 所示。MGF(s)=MGF1(s)MGF2(s);W(s)=W1(s)W2(s)图 2顺序结构 Petri 网化简2)在条件 C 下，对于并行选择 Petri 网，其化简如图 3 所示。MGF(s)=MGF1(s)+MGF2(s);W(s)=W1(s)+W2(s)3)在条件 C 下，对于循环结构

11、Petri 网，其化简如图 4 所示。855技术与创新管理第 32 卷第 5 期江迪:基于三级维修体制的设备维修 SPN 模型研究图 3并行选择结构 Petri 网化简MGF(s)=(1 P2)MGF1(s)1 pMGF2(s);W(s)=W11 W2(s)图 4循环结构 Petri 网化简4三级维修体制 SPN 模型分析4 1SPN 模型构建根据图 1 的三级维修体制流程图，可建立制造企业设备维修的 SPN 工作流程模型，以便于对模型进行性能指标分析，为企业设备管理提供设备运行时间性能、运行效率等方面的信息参考。模型如图5 所示。图 5三级维修体制 SPN 模型图其中，库所和变迁的含义，见表

12、 1。对图 5 所示的 SPN 模型图的分析如下:开始企业设备正常运转，变迁 t1表示设备发生故障。按照三级维修体制，首先操作人员或维修类相关技术人员对故障进行诊断分析，并做出及时更换零部件等简单维修。若规定时间内无法完成设备修复，相关检修人员向公司申报设备故障，由公司进行二级设备维修检测。若公司可以完成维修，则由相关高级技术人员维修，若判断为公司无法维修，则开始启动外包维修流程或送设备生产商，有外包公司或生产商完成设备检修工作。表 1库所和变迁的含义库所过程状态变迁过程状态p1正常设备t1设备发生故障p2故障设备t2故障检测p3部门级检测的故障设备t3随机开关p4确定为一级维修故障设备t4随

13、机开关p5确定为二级维修故障设备t5一级维修并返还p6公司接收故障设备t6向公司申报设备故障p7经二级故障的设备t7二级故障检测p8等待二级维修的设备t8随机开关p9确定为三级维修故障设备t9随机开关p10三级故障维修等待t10二级维修p11二级修复的设备t11故障设备运送p12三级修复的设备t12三级维修t13三级修复设备返还t14二级修复设备返还在制造类企业设备维修的实际应用中，根据不同设备维修实际统计结果，得到图 5 中时间变迁分布，见表 2，其中随机开关 t3、t4、t8、t9分别为 a，1 a，0 95 和 0 057。表 2时间变迁分布变迁 分布参数/h变迁分布参数/ht1指数分布

14、0005t10指数分布05t2正态分布 N(0 5，0 05)t11常数分布20t5指数分布1t12指数分布05t6常数分布10t13常数分布10t7正态分布 N(0 5，0 05)t14常数分布204 2SPN 模型分析根据图 5 的三级维修体制 SPN 模型图，可得到相应状态的 Petri 网，如图 6 所示。图 6SPN 的状态 Petri 网由矩姆函数的 SPN 模型分析，可得图 6 的各转移函数:955W1(s)=11 S=0 0050 005 S，W2(s)=W7(s)=es+122s2=e0 5s+0 025s2W5(s)=1 a，w4(s)=aW5(s)=55 s=11 sW6

15、(s)=W11(s)=e10s，W9(s)=0 05，W9(s)=0 95W10(s)=W12(s)=1212 s=0 50 5 sW12(s)=W14(s)=e20s根据 3 2 中的(1)、(2)、(3)进行化简，令 WA=W8W12W13W14，WB=W9W10W11，WC=W3W6W7，WD=W2，WE=W4W5，于是有:WE(s)=WD(WE+WC(WA+WB)。由于转移函数和其矩姆的关系是:WE(s)=PEMGFE(s)，其中 PE=WE(0)，又 WE(0)=1，得等价函数:MGFE(s)=WE(s)WE(0)得，设备维修平均误差时间:T=sMGFE(s)=24 5 10 25a

16、在一次维修周期中，考虑由二级维修完成维修的周期为 Tc，令 Wi(s)中的 s=0，其中 i 为除 W2、W5、W12、W13、W14外所有的时间变迁，得 Tc=10 95a由二级维修完成的稳态概率是:Pc=TcT=10 9 5s24 5 10 25s从而可得 T 和 Pc的曲线图如图 7 所示8 9。图 7维修系统性能曲线图由以上的计算结果分析可得:三级维修体系下的平均维修完成时间与二级(公司级维修)维修的概率 a 成反比关系，因此，加强二级维修力量，可大大的提高设备维修的时效性;二级维修机构完成维修的情况相对稳定，不会有太大的变化，因此，企业应以二级维修为主导的前提下巩固一级或三级维修体系

17、;在三级设备维修体制下的 SPN 模型，对于实际操作中的时间性能指标进行分析，可以判断出维修体制的时间优势。5结语本研究立足于三级设备维修体制的基础上，建立了设备维修的 SPN 模型，并借助于矩姆函数的分析思路，对企业的设备维修体制的一些性能指标进行分析、评价，并运用新的科技成果 Petri 网络，对传统的设备管理理论进行补充，属于对设备管理方法的探索。其中，时间性能指标和稳态概率性能指标的，是研究的一项重要成果，对于制造类企业的设备管理体系评价，是一个方法论上的突破。但该模型的性能指标分析不是很全面，还有一定局限性，仍需进一步的探索和补充。参考文献:1吴鸣，刘军 装备维修保障外包经济学分析

18、J 装备指挥技术学院学报，2006，17(2):7 8 2 周燕新，顾力刚 设备维修外包合同实施过程的管理 J 科技和产业，2007，7(7):77 78 3朱燕子，邓建忠 设备维修流程的 Petri 网模型研究 J 贵州大学学报，2006，23(1):40 41 4 郭学民 浅谈国有企业设备维修管理体制改革 J 山西冶金，2003，89(1):5 6 5 江志斌 Petri 网及其在制造系统建模与控制中的应用 M 北京:机械工业出版社，2004 6 林闯 随机 Petri 网和系统性能评价 M 北京:清华大学出版社，2005 7 郑睿 利用故障记录数据优化设备维修决策的研究 J 统计与决策

19、2008，20(10):71 72 8 Donateli S，Sereno M On the product form solution forstochastic petri netsC/In:Proc，of IEEE INFOCOM2004，San Francisco，CA，USA，2004 9Li W，Pham H An inspection maintenance model forsystems with multiple competing processesJ IEEETransactions on Re Liability，2005，54(2):318 327065技术与创新管理第 32 卷