水下装备预防性维修策略研究_禹润田.pdf

水下装备使用环境特殊，维修环境复杂，因此装备维修策略的制定极其重要。我国水下装备普遍采用事后维修和定时维修相结合的维修方式。目前，水下装备更新迭代速度快，技术水平不断提高，使得其故障的发生及传播更加复杂多样。定时维修经常会造成过维修或欠维修情况。与定时维修相比，视情维修能够克服过修或失修问题，减少保障资源的浪费，降低保障费用，以最少的资源提高装备可用度，并将装备故障发生控制在规定的可接受水平之内，最大限度地延长装备寿命1。因此，针对水下装备开展基于视情维修的预防性维修策略研究，能够为水下装备作战效能发挥和持续战斗力的生成提供保证。1 装备预防性维修策略研究1.1 维修分类维修策略是指针对产品、组件或系统的劣化情况而制定的维修手段，包括策略依据、维修方法和维修时机2。维修策略主要包括预防性维修和修复性维修。修复性维修的主要维修方式是事后维修，适用于故障率较低且故障后不会造成严重后果或者巨大经济损失的系统。预防性维修主要适用2023年第47卷第4期43Underwater Acoustic EngineerinG水 声 工 程水 声 工 程于重要度高、作战贡献率大、故障后果严重的设备。水下装备使用环境恶劣，故障后果严重，不但会造成较大的经济损失，甚至会导致所属作战系统瘫痪。因此，对水下装备开展预防性维修策略研究，力求能够在综合考虑维修费用的情况下，通过对水下装备采取各种维修措施，提高其使用可靠性。1.2 典型的预防性维修策略预防维修问题一直是通用质量特性领域研究的重点。国内外学者针对预防性维修策略的制定进行了多方面研究，主要分为基于时间的预防性维修策略和基于状态的预防性维修策略。基于时间的维修策略是根据装备的工作模式和故障特性，在累计工作时间达到预防性维修周期时进行维修。基于状态的维修策略是实时检测装备的工作状况，如温度、电流、电压、油耗等表征的装备状态，结合装备的使用环境、功能性能的退化情况等制定维修策略。基于时间的预防性维修应用和研究虽然较为广泛，但是由于实际操作中不能精确评估设备系统的真实状态且没有考虑系统动态退化等问题，通常会有维修过剩或维修不足的情况发生。尤其对于水下装备，由于水下环境的特殊性，其工作环境通常十分恶劣，一般要经受高温、高湿、振动以及摇摆等恶劣条件的长时间考核，还会受到海底海洋生物撞击或渔网拖拽等意外碰撞情况的影响。此外，水下装备在不断使用与运行中性能不断下降，会发生功能异常、耗材过量等一系列问题。因此，水下装备更适宜采用视情维修。1.3 预防性维修间隔期确定方法合理制定预防性维修间隔期十分重要。国内外诸多学者在这方面进行了大量研究，如利用役龄回退因子确定预防性维修间隔期3，应用遗传算法优化预防维修间隔期4，用成组维修理论优化复杂系统维修策略等5。国内外学者的研究成果为制定间隔期提供了有效支撑，但是方法相对复杂，工程应用效果不是很理想。本文以维修费用最小为优化目标来确定预防性维修间隔期。合理的预防性维修周期对预防性维修策略的有效性至关重要。周期短虽然能有效减少故障发生概率，但是会造成较高的维修费用。反之，周期过长则会增大装备故障发生概率，同时会造成修复性维修费用过高。因此，需要制定合理的维修间隔期，使其在保障装备故障率较低的同时，最小化维修费用。在周期 T 内预防性维修间隔期的总费用 C(T)的计算方法如下C(T)=CpR(T)+Cf 1-R(T)（1）式中：R(T)为预防性维修概率；1-R(T)为修复性维修概率；Cp为开展一次预防性维修的费用；Cf为故障后的维修费用。在每个周期内，平均工作时间为()0dTTR tt=（2）则在单位时间维修总费用为()()()()()()()()()()()0000d1dd1d1TpfTTpfppfTpfpTR ttC R TCR tC TTR tt+=+=（3）等号右侧对 T 求导，并令其为 0，则有()()()()()()()0000d1dd1d1TpfTTpfppfTpfpTR ttC R TCR tC TTR ttCCR TR ttR TCCCR TCtR ttR TCC=()()()()()()()()()()()()0000d1dd1ppfCCCR T+=（4）整理后，得()()()0d1TpfpCtR ttR TCC=（5）可知，通过(t)、R(T)、Cp和 Cf即可确定预防性维修间隔期。2 视情预防性维修策略模型的构建2.1 基于部件状态的预防性维修参数模型对于服役过程中的部件或装备，为保证其性能满足要求或正常使用，需不断进行检查或性能测试。当 ti为目标处于 Si状态时的检查时间间隔且满足ti=nt（其中 n=1,2,3,）时，在检查间隔时间 ti内，目标直接从状态 Si转移到状态 Sj的概率 pij(ti)为11,(),nun uijijijuijinijpp pijp tpij=|=|=（7）当目标处于状态 Si时，经过时间后直接从状态Si转移到状态 Sj的概率 pij(kti)为()()()()()()()()()()()11112121,(),1()11nun uijijijuijinijkijiijiijiijiijijikiiiijiijijikiiiijiiijiijikiiipp pijp tpijpktptptjimptqpktptptnkp ktptpt ttkt pktpt=|=|=（8）对于部件从状态 Si直接转移到状态 Sj的概率、平均检查次数参数和平均时间参数等的获得，需考虑一个参数为各个不同值时的发生概率，分析该参2023年第47卷第4期44水 声 工 程水 声 工 程nderwater Acoustic EngineeringU数所有取值及概率情况，再应用叠加法进行汇总。应用该方法及计算原则，可获得部件从状态 Si直接转移到状态 Sj的概率 qij、平均检查次数参数 nij和平均时间参数 tij，分别为()()()()()()()()11112121,(),1()11nun uijijijuijinijkijiijiijiijiijijikiiiijiijijikiiiijiiijiijikiiipp pijp tpijpktptptjimptqpktptptnkp ktptpt ttkt pktpt=|=|=（9）()()()()()()()()()()()11112121,(),1()11nun uijijijuijinijkijiijiijiijiijijikiiiijiijijikiiiijiiijiijikiiipp pijp tpijpktptptjimptqpktptptnkp ktptpt ttkt pktpt=|=|=（10）()()()211ijiiijiijikiiipt ttkt pktpt=（11）式中：j=i+1,m。2.2 基于平均费用的维修策略模型日常检查、预防性维修和修复性维修是水下装备主要的维修策略。若进行的检查和预防性维修次数过多，则需要投入较大的人力和物力。因此，在制定预防性维修策略时需要统筹考虑维修费用问题，力求在保障可用性的情况下，最大限度地降低维修费用。假设对装备开展一次检查花费的费用为 cc，对装备开展一次预防性维修花费的费用为cp，对装备开展一次修复性维修花费的费用为 cr，则部件从无故障状态 S1到需要开展一次修复性维修所需的平均维修总费用为ct=nc(S1,Sm)cc+np(S1,Sm)cp+cr（12）式中：S1为部件为投入使用的良好状态；Sm为转移后的状态。部件从投入使用到进行一次修复性维修，其单位时间内花费的平均总维修费用为111(,)(,)(,)tmumrmc S Sc S ST S S=（13）式中：Tr为部件从状态 S1转移到状态 Sm的平均时间。2.3 基于平均费用的维修策略优化模型以单位时间内平均总维修费用最小为优化目标的优化模型为11111(,)(,)(,)(,)min(,)(,)s.t.21 (1,)(1,2,3,)(,)0.930.0650.004 10.000 850.000 0500.880.10.0120.008000.820tmumrmtmumrmpipirmumc S Sc S ST S Sc S Sc S ST S Simtt iitn t nccS ST=（14）当维修策略为“故障后修复”且不进行日常检查时，计算部件所需的维修总费用、部件平均使用时间分别为Tr(S1,Sm)=T1m（15）ct(S1,Sm)=cr（16）此时，单位时间内平均总维修费用为11(,)0.930.0650.004 10.000 850.000 0500.880.10.0120.008000.820tmumrmtmumrmpipirmumc S Sc S ST S Sc S Sc S ST S Simtt iitn t nccS ST=P.170.010000.70.300001.0|（17）3 案例分析水下电源是水下装备中的一个关键部件。在工作过程中，根据电源性能的表现，它可分为 5 个状态，其中 S5为完全故障状态（即性能完全丧失状态），S1为完好状态。不同状态下的性能如表 1所示。任意单位时间 t=1（天）内部件状态转移概率矩阵 P 为0.930.0650.004 10.000 850.000 0500.880.10.0120.008000.820=P.170.010000.70.300001.0|（17）状态 S1状态 S4的日常检查时间间隔分别为2 d、1 d、1 d、1 d。对水下电源开展一次日常检查的费用 cc为 200 元，对水下电源开展一次预防性维修的费用 cp为 2 000 元，对水下电源开展一次修复性维修的费用 cr为 20 000 元。此外，进行一次预防性维修所需时间为 1 d，一次修复性维修所需时间为 5 d。经计算，单位使用时间平均总维修费表 1 状态划分表状态状态符号性能判定条件状态属性状态 1S1电池容量 80%完好状态状态 2S280%电池容量 55%中间状态状态 3S355%电池容量 30%中间状态状态 4S430%电池容量 5%中间状态状态 5S5电池容量 5%或发生故障完全故障状态2023年第47卷第4期45Underwater Acoustic EngineerinG水 声 工 程水 声 工 程用为 522.774 元/天。水下电源共有 5 种状态（即 m=5），S5为完全故障状态，预防性维修状态可以为 S4或 S3、S4或S2、S3、S4，检查时间间隔以 t=1（天）为单位量，对视情预防性维修策略进行优化计算。不同维修策略下的计算结果见表 2。表 2 不同参数对应的结果预防性维修范围日常检查时间间隔/d单位使用时间平均总维修费用/（元/天）状态 1（S1）状态 2（S2）状态 3（S3）状态 4（S4）状态 5（S5）S2、S3、S41362.735S3、S411383.385S4111393.699S4211522.774S3、S421575.788S4311801.418S4221935.493S3、S4311 042.872S44111 226.534S3、S4221 253.287由表 2 的计算结果可以看出：仅考虑费用问题时，最优的视情预防性维修策略为预防性维修状态为S2、S3、S4，而S1状态下的检查时间间隔分别为1 d，此时单位使用时间的平均总维修费用（含维修费用及日常检查费用）最低，为 362.735 元/天；优化后的预防性维修策略可将费用损耗降低 30.613%，优化效果明显。4 结 语考虑水下装备使用环境的特殊性、实际维修工况的复杂性、维修工作的实施方法等情况，本文开展了水下装备预防性维修策略研究，明确了预防性维修间隔期的确定方法，以维修费用为优化目标，建立视情预防性维修策略模型及其优化模型。通过案例分析可以看出，该模型具有一定的可操作性和实用性，能通过迭代优化方法不断优化维修策略，以降低单位时间内的平均维修成本，优化效果明显。在开展装备预防性维修过程中应用本模型，可以指导选定最合理的维修策略，有效降低单位时间平均总维修费用，避免因故障的过度维修带来费用损失和时间损失。参考文献：1胡冬，谢劲松.故障预测与健康管理技术在导弹武器系统中的应用 J.导弹与航天运载技术，2010（4）：24-25.2LINGW，JIANC，WUJ.SelectionofoptimummaintenancestrategiesbasedonafuzzyanalytichierarchyprocessJ.InternationalJournalofProductionEconomics，2007，107（1）：151-163.3潘光，毛昭勇，宋保维.预防性维修周期优化决策研究 J.机械科学与技术，2007，26（4）：518-520.4韩帮军，范秀敏，马登哲.用遗传算法优化制造设备的预防性维修周期 J.计算机集成制造系统，2003，9（3）：206-209.5蔡景，左洪福，刘明.复杂系统成组维修策略优化模型研究 J.应用科学学报，2006，24（5）：533-537.编辑：郭芳园