基于RCM理论的ANP维修决策研究

李　鑫，张　旋,郑　涛

(合肥工业大学 电气与自动化工程学院，合肥　230009)



基于RCM理论的ANP维修决策研究

李鑫，张旋,郑涛

(合肥工业大学 电气与自动化工程学院，合肥230009)

摘要：针对自动化生产线设备群维修决策问题，提出了基于RCM(Reliability Centered Maintenance—以可靠性为中心的维修)维修理论并应用ANP(Analytical Network Process—网络层次分析法)决策的方法。该方法强调了维修的可靠性观点并运用ANP综合考虑各因素的同时，考虑了指标之间不可避免的相互依赖和反馈关系，使决策的内容更加严谨。最后以某电机自动化生产线为例,利用超级决策软件Super Decisions进行计算，验证了应用ANP方法决策设备的维修方案结果趋于合理。

关键词：RCM；ANP；可靠性；经济性；维修性

0引言

随着人工成本的大幅度提升，劳动力越发短缺，在生产中实现高自动化流程就成为了一种必然。自动化生产线由于其高度的自动化技术，在各个领域得到了广泛的应用。与此同时，面临的设备维修决策问题也随之而来。

设备的维修方式一般可以分为事后维修、定期维修和状态维修三种[1]。维修方式的选择是一个典型的定性与定量相结合的决策问题。在系统工程学各方法中，能够用于解决此问题的方法并不多。基于RCM理论的维修决策评判通常可用的方法有专家评判模型[2]、层次分析法[3](Analytical Hierarchy Process，AHP)、模糊综合评判法[4-5]。专家评判模型虽然简单，一般只应用于不太复杂的系统的评判；层次分析法虽然是一种有效的权重确定方法，但它并没有考虑元素间的相互依赖和反馈关系；模糊综合评判决策是由层次分析法发展而来，同样的存在这个问题。

美国 Thomas L. Saaty 教授于1996年在层次分析法基础上提出了一种适应复杂结构的决策方法网络层次分析法(Analytical Network Process，ANP)[6]。该方法很好的解决了系统元素间存在相互依赖和反馈关系的评判。网络层次分析法在企业技术创新能力评估[7]、金融风险评估[8]、旅游景区评估[9]等领域得到了广泛的应用。所以，本文采用网络层次分析法结合RCM理论对某电机厂生产电机的设备群的维修方式进行决策。同时运用层次分析法(AHP)与之作对比，以此说明元素间存在的相互依赖和反馈关系在维修决策中的重要性。

1维修决策评价指标体系

以可靠性为中心的维修[10](RCM)是目前国际上通用的、用以确定资产预防性维修需求、优化维修制度的一种系统工程方法。它的实质就是根据设备的可靠性状态，以最少的维修资源消耗来保持设备固有可靠性和安全性,应用逻辑决断的方法确定设备维修的过程。

根据该电机厂的实际情况和设备特点,结合RCM理论的维修思想,从设备的可靠性B1、经济性B2、重要性B3和维修性B4四个方面综合考虑,选择了设备的固有可靠性C11、使用可靠性C12、故障模式C13、故障后果C14；故障频率C15；设备原值C21、维修费用C22、维修时间C23；设备利用率C31、生产中的重要程度C32；维修难易程度C41；配件、工具供应程度C42；人力资源C43作为该设备维修决策评价指标。如表1。

表1　维修决策网络层次分析指标体系

由于设备的监测和统计技术的发展，使得设备的故障模式、故障频率等数据易于得到。根据监测或统计到的数据可以很方便的在决策模型中改变各指标的权重，从而决策出最新的维修计划。

2维修决策评价模型

根据ANP原理结合指标内涵及其相互关系 ,构建如图1所示ANP网络层次分析模型。由图1可知，B1~B4组成主因子层，C11~C43组成次因子层。

图1　维修决策网络层次分析模型

3各因素权重的确定

影响维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标度法(见表2)来标度，确定各影响因素的权重值。通过两两比较，得到各元素相对于其它元素的重要适度。通过邀请该企业的决策层、技术工作人员、一线员工组成一个专家小组共同完成此项工作。所有计算过程全部使用超级决策软件Super Decisions[11]来完成。

该软件基于ANP理论，已经成功地将ANP的计算程序化，操作简便，AHP只是ANP的一个特例，该软件同样适用。

表2　Satty 1~9 级判断矩阵标准度

4算例研究

下面将对该电机自动化生产线的压定子设备用AHP和ANP两种方法做对比来分析决策的结果，以此来说明考虑元素间的相互依赖和反馈关系在维修决策中的重要程度。

4.1确定指标权重(ANP/AHP)

首先，在Super Decisions软件中建立如图1所示的ANP维修决策模型。同时，建立不考虑元素间的相互依赖和反馈关系的AHP维修决策模型。然后建立指标间的两两比较矩阵。根据专家小组打分的结果在Super Decisions软件中的比较窗口依次输入各指标的比较值。

表3表示的是在AHP分析方法下建立的一级指标可靠性B1、经济性B2、重要性B3和维修性B4的比较值，即得出一级指标的权重，如表3所示。由于ANP模型中只考虑第二层元素之间的相互依赖和反馈关系。所以，一级指标的权重值与AHP相同。

表3　ANP/AHP一级指标比较矩阵

其次，依次填入各二级指标的比较分值，即可得出各二级指标的总权重。如表4所示。经验证所有的判断矩阵均满足一致性检验。

表4　维修决策评价模型 ANP/AHP指标总权重

然后，在方案比较矩阵各指标的比较值，即可得出各二级指标在备选方案中的权重值。表5表示的是ANP/AHP中各方案依据二级指标的权重系数值。

表5　 ANP/AHP中维修方案的权重值

最后，由表4得到的二级指标总权重值与表5得到的方案权重值相乘即得最终方案排序值。ANP和AHP最终方案排序值如图5、图6所示。

图5ANP计算结果

图6AHP计算结果

4.2某指标权重改变指标权重确定(ANP/AHP)

当在一段时期内监测到该设备某指标明显变化时，相应的改变模型中该指标的权重重新决策维修结果。现以监测到该设备故障频率明显提高为例，增大维修决策模型中故障频率C15的相对权重，同组的其它指标的权重则相对减少，如表6。

表6　ANP/AHP指标总权重

ANP和AHP最终方案排序值如图7、图8所示。

图7ANP计算结果

图8AHP计算结果

4.3ANP与AHP结果比较分析

从图5 和图6的计算结果可以看出：ANP和AHP分别得到的决策结果是定期维修A2和状态维修A3。从而说明了元素间的相互依赖和反馈关系影响了决策的结果。

从图7和图8可以看到：当该设备的故障频率增加时，应用ANP和AHP分别得到的决策结果依然是定期维修2和状态维修A3。但是，此时定期维修A2和状态维修A3相对权重相对于之前都增加了，而且ANP中定期维修相对权重的增加要高于AHP。

通过对上面例子的分析可以看到，当元素间存在相互依赖和反馈关系时，考虑元素间的相互依赖和反馈关系是至关重要的。ANP分析的结果与实际分析结果是一致的。事后维修发生的时间是随机的，故障发生时会打扰生产计划，有时候为了生产的需要，需要抢修，导致修理质量不高。状态维修主要是依据监测的数据进行维修，往往需要停机监测和使用昂贵的监测仪器，主要应用于利用率较高的重点设备。而定期维修可以使维修工作有准备、有计划的进行，充分利用生产的空闲时间。另外，维修时间比事后维修短；经济性比状态维修好。根据该厂的实际情况，该设备选择定期维修方案是合理的，从而也说明了应该ANP方法决策维修方案是可行的。

5结论

生产设备维修方案的选择是一项很重要的决策，也是许多企业经常要面临的工作。科学合理的采用评估模型对于得到正确合理的维修方案至关重要。网络分析法(ANP)是现代多属性决策中最常用到的方法之一，该方法通过对关系模型的建立和指标间的相互比较来排序方案的优劣顺序，帮助管理者做出正确的决策。

本文通过例子分别用ANP和AHP 两种方法对维修方式进行决策。结果表明，考虑元素间的相互依赖和反馈关系是至关重要的。现实中，指标之间的相互影响是存在的，因此利用ANP方法考虑非独立递介层次模型产生的结果更加准确合理。本文所提出的观点主要有：

(1)对于复杂的维修问题，考虑指标间的相互依赖和反馈关系是必须的，因此运用ANP方法考虑指标间的相关关系产生的结果比AHP更加合理可靠。

(2)一个企业的设备维修方式不应该只有一种，也不应该一成不变，而应该根据不同设备、不同的故障模式、不同的故障后果、企业条件等从设备的可靠性、经济性、维修性、经济性综合考虑，来决定设备的维修方式。

[参考文献]

[1] 童晟. 基于RCM理论的工业设备维修策略和维修管理系统研究[D].杭州:浙江大学,2007.

[2]王广彦,胡起伟,王亚彬. 基于Prolog语言的装备维修决策专家系统设计与开发[J]. 微计算机信息,2012(7):90-92.

[3] Saaty T L. Decision Making for Leaders: The Analytical Hierarchy Process for Decisions in a Complex Work. Lifetime Learning Publications, Wadsworth. Atlasnta, Georgia 180.

[4]谢小良. 基于模糊综合评判下的决策模型[J]. 统计与决策,2005(11):57-58.

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[9]赵金凌,高峻. 基于ANP法的低碳旅游景区评估模型[J]. 资源科学,2011,33(5):897-904.

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[11]刘睿,余建星,孙宏才,等. 基于ANP的超级决策软件介绍及其应用[J].系统工程理论与实践,2003(8):141-143.

(编辑李秀敏)

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

中图分类号：TH165;TG659

文献标识码：A

作者简介：李鑫(1976—)，男，安徽阜阳人，合肥工业大学副教授，硕士生导师，研究方向为电力电子与传动中的控制策略、网络控制,(E-mail)windy02@email.ustc.edu.cn；通讯作者：张旋(1990—)，男，安徽蚌埠人，合肥工业大学硕士研究生，研究方向为现代控制理论及应用，(E-mail)790615441@qq.com。

收稿日期：2015-04-27

文章编号：1001-2265(2016)03-0158-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.044