基于自动机的设备维修状态演化模型研究

胡 浩，伍传丽，鲁玉军，骆华武

（1.浙江理工大学 艺术与设计学院，杭州 310018；2.杭州创新生物检控技术有限公司，杭州 310018；3.浙江理工大学 机械与自动控制学院，杭州 310018；4.杭州娃哈哈集团有限公司，杭州 310033）

0 引言

目前采用维修工单、维修计划以及维修记录表（单）等维修文档记录与管理设备维修过程，这种管理方式属于生产操作层面的管理，能够指导与记录每次维修生产活动[1]，但是具有以下缺陷：1）仅仅记录与管理每次维修活动的操作内容与结果，对设备维修过程的内在演化机制缺乏定义；2）没有建立过程模型对设备维修过程进行规范与统一地描述；3）维修信息散布在大量的维修文档中[2]，没有被合理地组织，导致设备维修记录缺乏层次性与结构性。

为了解决以上不足，本文依据设备维修过程的各种动力学特性，定义维修状态项(Maintenance Status Items)与维修状态(Maintenance Status)，归纳出维修状态项的3种维修模式，在每种维修模式下采用有穷自动机(finite automaton )建立维修状态项的维修状态演化模型，从而建立设备维修状态演化模型(Evolvement Model of Equipment Maintenance Status)。

1 设备维修过程的动力学特性

设备维修过程具有以下动力学特性：1）设备维修过程被时间上离散与异步的维修事件所驱动，每次维修事件过后，设备的状态发生跃变[3]；2）设备维修过程由其中各个维修模块的维修过程所组成；不同维修模块的维修过程具有相似性[4]；3）各个维修模块的维修过程之间并无内在耦合性[5]；4）除了计划性预防维修之外，设备维修过程具有不可赋时性与不确定性，特别是对于故障维修以及状态维修的情况[6]；5）维修事件对于维修状态项的维修方式存在差异[7]，因此需要定义不同的维修状态。

综上所述，设备维修过程具有典型的离散事件动态过程特性[8]，同时由于设备维修过程具有相当的不确定性，只能在逻辑层面建立反映与表征系统行为的定性模型[9]，因此需要维修模块抽象为同质的维修管理单元，采用离散事件动态系统的逻辑层次建模工具—有穷自动机[10]进行建模。

2 维修状态项、维修状态与维修事件

2.1 维修状态项与维修状态

定义1 维修状态项：维修状态项是指在设备维修过程中，需要记录与管理其维修过程的维修模块（包括设备整机）[11]。

在定义了维修状态项的基础上，建立维修状态项的维修状态演化模型就等同于建立设备维修状态演化模型。

定义2 维修状态：维修状态是定义各种维修方式的元数据[12]，每次对维修状态项维修之后，依据维修方式的不同，维修状态项会转移到不同的维修状态。维修状态分为复原(recover)、更改(alter)、新增(new)与废止(discard)这4种，如下定义6～9。

2.2 维修事件

维修事件即每次对维修状态项实施维修活动的事件，按照维修事件对维修状态项的不同维修方式，可以将维修事件分为3类，如表1所示。

在表1中，换改型维修事件与设备改造型事件都会产生维修状态项的新配置[13]，新配置代表了它将在以下维修时间段的设备结构中被采用，维修状态项的不同配置具有不同的维修过程。

3 基于自动机的设备维修状态演化模型

由于维修事件驱动维修状态项的维修状态转移，由此维修状态项的维修过程可以被分解为维修事件序列与维修状态转移序列。

表1 维修状态项的维修事件分类

3.1 维修状态项的3类维修模式

在表1的基础上，可以将维修状态项的所有可能的维修过程归纳为3种维修模式，如下定义3～5。

定义3 A类维修模式：对于出厂时已经存在的维修状态项，其每次的维修事件都是恢复型维修事件，直到设备改造型维修事件之后从设备结构中去除。

定义4 B类维修模式：对于出厂时已经存在的维修状态项，其每次的维修事件中既包括恢复型维修事件，也包括换改型维修事件，直到设备改造型维修事件之后从设备结构中去除。

定义5 C类维修模式：对于设备改造型维修事件后新增加的维修状态项，其每次的维修事件中既包括恢复型维修事件，也包括换改型维修事件，直到设备改造型维修事件之后从设备结构中去除。

从A类维修模式到B类维修模式再到C类维修模式，其维修过程的复杂程度是不断增加的。

3.2 A类维修模式下的维修状态演化模型

对于A类维修模式，需要定义两种维修状态（维修状态转移），分别是复原状态与废止状态。如下定义6～7。

定义6 复原状态(recover)：对于维修状态项的每次恢复型维修事件之后，维修状态项转移到此维修状态，复原状态具有版本，代表经过第几次恢复型维修事件。

定义7 废止状态(discard)：对于维修状态项的设备改造型维修事件后，维修状态项被从设备结构中去除，废止状态代表维修状态项的维修过程结束，废止状态无版本。

对于A类维修模式，维修状态项的维修状态演化模型可以采用有穷自动机进行定义，如图1所示。

图1中S代表维修状态项出厂后没有经过任何维修的原始状态，q1代表复原状态，q2代表废止状态；图1中维修状态之间的转移利用单向箭头弧来表示，箭头弧之上的数字代表了不同类别的维修事件，1代表恢复型维修事件，2 代表设备改造型维修事件；q1指向自身的弧代表恢复型维修事件驱动复原状态版本递增，从S指向q2的虚线箭头弧代表了维修状态项没有经过恢复型维修事件直接进入废止状态的特殊情况。

图1所示的有穷自动机模型包含了两个序列[13]，一个是维修事件序列，具有以下形式：恢复型维修事件－恢复型维修事件－…－恢复型维修事件－设备改造型维修事件；另一个是维修状态转移序列，它具有以下形式：复原(1)－复原(2)－…－复原(m)－废止，其中m是大于等于1的整数。

图1 A类维修模式下的维修状态演化模型

3.3 B类维修模式下的维修状态演化模型

对于B类维修模式，需要定义维修状态项的更改状态，如下定义8。

定义8 更改状态(alter)：对于维修状态项的每次换改型维修事件之后，维修状态项转移到此维修状态，每次转移到更改状态产生维修状态项的1个新配置。

对于B类维修模式，维修状态项的出厂配置的维修状态演化模型如图1。

对于B类维修模式，维修状态项的更改状态产生的新配置的维修状态演化模型如下图2所示。图2中S代表换改型维修事件之前新配置不存在的状态，q3代表更改状态，数字3代表换改型维修事件，图2中其他符号的含义同图1。

图2 B类维修模式下的维修状态演化模型（更改状态产生的新配置）

图2中的维修事件序列具有以下形式：换改型维修事件－恢复型维修事件－恢复型维修事件－…－恢复型维修事件－设备改造型维修事件；图2中维修状态转移序列具有以下形式：更改(n)－复原(1)－复原(2)－…－复原(m)－废止，其中m，n是大于等于1的整数。

3.4 C类维修模式下的维修状态演化模型

对于C类维修模式，需要定义维修状态项的新增状态，如下定义9。

定义9 新增状态(new)：在设备改造型维修事件之后，新的维修状态项被加入设备结构中，此时这个维修状态项的维修状态为新增状态，设备整机与出厂时已经存在的维修状态项没有新增状态。新增状态没有版本。

对于C类维修模式下新增维修状态项的第1个配置，其维修状态演化模型如下图3所示。其中S代表设备改造型维修事件之前新的维修状态项不存在的状态，q4代表新增状态，其余符号的含义与图1同义。

图3中的维修事件序列如下：设备改造型维修事件－恢复型维修事件－恢复型维修事件－…－恢复型维修事件－设备改造型维修事件；图3中维修状态转移序列具有以下形式：新增－复原(1)－复原(2)－…－复原(m) －废止，其中m是大于等于1的整数。

图3 C类维修模式下的维修状态演化模型(新增维修状态项的第1个配置)

在C类维修模式下，对于新增维修状态项由更改状态产生的新配置，其维修状态演化模型如图2所示。

基于图1～图3的维修状态项的维修状态演化模型，可以完备地定义各种设备维修过程。

3.5 设备维修状态演化模型的实例化

在实际维修管理系统中，采用有穷自动机这种抽象模型直接管理维修状态项的维修过程并不方便，需要将维修状态项的维修状态演化模型进行实例化。

由于维修状态演化模型本身就是维修事件与维修状态转移序列的逻辑关联，因此可以将维修状态演化模型实例化为具体的维修状态转移序列与维修事件序列。另外，维修状态转移序列中每次维修状态转移的时间以及记录每次维修事件的维修文档编号也需要记录与管理。

4 应用案例

某饮料集团灌装车间使用SIDEL SBO14吹瓶机生产PET饮料瓶[14]，在2010年6月之前，一直采用维修文档管理设备维修过程。在实际维修管理中发现以下问题：1）没有预先规定哪些设备模块的维修过程必须进行记录，每次维修活动之后记录哪些维修内容比较随意，导致很多维修信息的缺失；2）各种维修模块在不同时间的维修信息都混合散布在大量维修文档中，查询某个特定模块的维修记录缺乏索引；3）只能查询到每次维修活动的细节，无法纵览设备维修过程的各个维修模块的整体维修历史。

为此，在目前设备维修管理系统中增加维修状态管理的模块，利用这个模块管理设备维修状态演化信息。

2008年5月21日灌装车间对设备实施设备改造，在原出厂设备上新增加了一种新型的无菌处理装置—瓶坯干式杀菌装置，同时也产生了瓶坯干式杀菌装置的第1个默认配置。

瓶坯干式杀菌装置的第1个默认配置的维修状态演化信息如下图4所示，图4中的维修状态演化模型的建模过程如下。

步骤1：定义SIDEL SBO14吹瓶机中维修状态项集合，并将所有维修状态项以树形结构进行组织，其中包括了瓶坯干式杀菌装置第1个默认配置。

步骤2：定义瓶坯干式杀菌装置第1个默认配置的维修状态项信息，包括零件编号、零件类别、维修策略、维修周期[15]等等。

步骤3：将瓶坯干式杀菌装置第1个默认配置的维修过程归纳为C类维修模式，C类维修模式中第1个默认配置的维修状态演化模型是如上图3所示的有穷自动机。

步骤4：依据图3，将按照时间顺序发生的每次维修事件归纳为恢复型维修事件与设备改造型维修事件这2类维修事件，然后建立其维修事件序列如下：设备改造型维修事件－恢复性维修事件－恢复型维修事件－恢复型维修事件－恢复型维修事件。

步骤5：维修事件序列中每次维修事件驱动了维修状态转移，形成了瓶坯干式杀菌装置第1个默认配置的维修状态转移序列如下：新增－复原(1)－复原(2)－复原(3)－复原(4)。

步骤6：将维修事件序列中每次维修事件与维修状态转移序列中每次维修状态转移关联在一起（有穷自动机模型的实例）。

步骤7： 记录每次维修状态转移的时间，记录每次维修事件相应的维修文档号，将这两者与维修状态序列与维修事件序列关联在一起，形成维修状态演化表。

图4 瓶坯干式杀菌装置（第1个默认配置）的维修状态项信息与维修状态转移序列

瓶坯干式杀菌装置第1个默认配置的维修状态演化表使得管理者既能直观看到维修状态项的整个维修历史，同时能够通过维修状态演化表中维修文档编号链接到具体维修文档，了解每次维修活动的细节。

通过图4，证明了基于自动机的设备维修状态演化模型能够系统地记录与管理设备维修过程。

5 结论

1）目前对于设备维修过程的管理缺乏过程模型，带来了设备维修信息缺乏系统性，为此提出在逻辑层面建立设备维修状态演化模型。

2）设备维修过程具有维修事件驱动的离散动态特性以及不可赋时性、不确定性，需要采用离散动态系统的有穷自动机工具建立逻辑层面的定性描述模型。

3）设备维修状态演化模型的基本单元是维修状态项，维修状态项的维修事件序列驱动与控制维修状态转移序列，这种逻辑关系采用有穷自动机进行形式化的定义。

4）在实际维修管理系统中，维修状态项的维修状态演化模型需要被实例化为维修状态转移序列与维修事件序列，还包括维修事件序列中每次维修事件发生的时间以及相应记录每次维修活动的维修文档号。

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