基于RCM理論的ANP維修決策研究

李　鑫，張　旋,鄭　濤

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，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

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，合肥230009)

摘要：針對自動化生產線設備群維修決策問題，提出了基于RCM(Reliability Centered Maintenance—以可靠性為中心的維修)維修理論并應用ANP(Analytical Network Process—網絡層次分析法)決策的方法。該方法強調了維修的可靠性觀點并運用ANP綜合考慮各因素的同時，考慮了指標之間不可避免的相互依賴和反饋關系，使決策的內容更加嚴謹。最后以某電機自動化生產線為例,利用超級決策軟件Super Decisions進行計算，驗證了應用ANP方法決策設備的維修方案結果趨于合理。

關鍵詞：RCM；ANP；可靠性；經濟性；維修性

0引言

隨著人工成本的大幅度提升，勞動力越發短缺，在生產中實現高自動化流程就成為了一種必然。自動化生產線由于其高度的自動化技術，在各個領域得到了廣泛的應用。與此同時，面臨的設備維修決策問題也隨之而來。

設備的維修方式一般可以分為事后維修、定期維修和狀態維修三種[1]。維修方式的選擇是一個典型的定性與定量相結合的決策問題。在系統工程學各方法中，能夠用于解決此問題的方法并不多。基于RCM理論的維修決策評判通常可用的方法有專家評判模型[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，一般只應用于不太復雜的系統的評判；層次分析法雖然是一種有效的權重確定方法，但它并沒有考慮元素間的相互依賴和反饋關系；模糊綜合評判決策是由層次分析法發展而來，同樣的存在這個問題。

美國 Thomas L. Saaty 教授于1996年在層次分析法基礎上提出了一種適應復雜結構的決策方法網絡層次分析法(Analytical Network Process，ANP)[6]。該方法很好的解決了系統元素間存在相互依賴和反饋關系的評判。網絡層次分析法在企業技術創新能力評估[7]、金融風險評估[8]、旅游景區評估[9]等領域得到了廣泛的應用。所以，本文采用網絡層次分析法結合RCM理論對某電機廠生產電機的設備群的維修方式進行決策。同時運用層次分析法(AHP)與之作對比，以此說明元素間存在的相互依賴和反饋關系在維修決策中的重要性。

1維修決策評價指標體系

以可靠性為中心的維修[10](RCM)是目前國際上通用的、用以確定資產預防性維修需求、優化維修制度的一種系統工程方法。它的實質就是根據設備的可靠性狀態，以最少的維修資源消耗來保持設備固有可靠性和安全性,應用邏輯決斷的方法確定設備維修的過程。

根據該電機廠的實際情況和設備特點,結合RCM理論的維修思想,從設備的可靠性B1、經濟性B2、重要性B3和維修性B4四個方面綜合考慮,選擇了設備的固有可靠性C11、使用可靠性C12、故障模式C13、故障后果C14；故障頻率C15；設備原值C21、維修費用C22、維修時間C23；設備利用率C31、生產中的重要程度C32；維修難易程度C41；配件、工具供應程度C42；人力資源C43作為該設備維修決策評價指標。如表1。

表1　維修決策網絡層次分析指標體系

由于設備的監測和統計技術的發展，使得設備的故障模式、故障頻率等數據易于得到。根據監測或統計到的數據可以很方便的在決策模型中改變各指標的權重，從而決策出最新的維修計劃。

2維修決策評價模型

根據ANP原理結合指標內涵及其相互關系 ,構建如圖1所示ANP網絡層次分析模型。由圖1可知，B1~B4組成主因子層，C11~C43組成次因子層。

圖1　維修決策網絡層次分析模型

3各因素權重的確定

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標度法(見表2)來標度，確定各影響因素的權重值。通過兩兩比較，得到各元素相對于其它元素的重要適度。通過邀請該企業的決策層、技術工作人員、一線員工組成一個專家小組共同完成此項工作。所有計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，已經成功地將ANP的計算程序化，操作簡便，AHP只是ANP的一個特例，該軟件同樣適用。

表2　Satty 1~9 級判斷矩陣標準度

4算例研究

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

4.1確定指標權重(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，建立不考慮元素間的相互依賴和反饋關系的AHP維修決策模型。然后建立指標間的兩兩比較矩陣。根據專家小組打分的結果在Super Decisions軟件中的比較窗口依次輸入各指標的比較值。

表3表示的是在AHP分析方法下建立的一級指標可靠性B1、經濟性B2、重要性B3和維修性B4的比較值，即得出一級指標的權重，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系。所以，一級指標的權重值與AHP相同。

表3　ANP/AHP一級指標比較矩陣

其次，依次填入各二級指標的比較分值，即可得出各二級指標的總權重。如表4所示。經驗證所有的判斷矩陣均滿足一致性檢驗。

表4　維修決策評價模型 ANP/AHP指標總權重

然后，在方案比較矩陣各指標的比較值，即可得出各二級指標在備選方案中的權重值。表5表示的是ANP/AHP中各方案依據二級指標的權重系數值。

表5　 ANP/AHP中維修方案的權重值

最后，由表4得到的二級指標總權重值與表5得到的方案權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計算結果

圖6AHP計算結果

4.2某指標權重改變指標權重確定(ANP/AHP)

當在一段時期內監測到該設備某指標明顯變化時，相應的改變模型中該指標的權重重新決策維修結果。現以監測到該設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的相對權重，同組的其它指標的權重則相對減少，如表6。

表6　ANP/AHP指標總權重

ANP和AHP最終方案排序值如圖7、圖8所示。

圖7ANP計算結果

圖8AHP計算結果

4.3ANP與AHP結果比較分析

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

從圖7和圖8可以看到：當該設備的故障頻率增加時，應用ANP和AHP分別得到的決策結果依然是定期維修2和狀態維修A3。但是，此時定期維修A2和狀態維修A3相對權重相對于之前都增加了，而且ANP中定期維修相對權重的增加要高于AHP。

通過對上面例子的分析可以看到，當元素間存在相互依賴和反饋關系時，考慮元素間的相互依賴和反饋關系是至關重要的。ANP分析的結果與實際分析結果是一致的。事后維修發生的時間是隨機的，故障發生時會打擾生產計劃，有時候為了生產的需要，需要搶修，導致修理質量不高。狀態維修主要是依據監測的數據進行維修，往往需要停機監測和使用昂貴的監測儀器，主要應用于利用率較高的重點設備。而定期維修可以使維修工作有準備、有計劃的進行，充分利用生產的空閑時間。另外，維修時間比事后維修短；經濟性比狀態維修好。根據該廠的實際情況，該設備選擇定期維修方案是合理的，從而也說明了應該ANP方法決策維修方案是可行的。

5結論

生產設備維修方案的選擇是一項很重要的決策，也是許多企業經常要面臨的工作。科學合理的采用評估模型對于得到正確合理的維修方案至關重要。網絡分析法(ANP)是現代多屬性決策中最常用到的方法之一，該方法通過對關系模型的建立和指標間的相互比較來排序方案的優劣順序，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行決策。結果表明，考慮元素間的相互依賴和反饋關系是至關重要的。現實中，指標之間的相互影響是存在的，因此利用ANP方法考慮非獨立遞介層次模型產生的結果更加準確合理。本文所提出的觀點主要有：

(1)對于復雜的維修問題，考慮指標間的相互依賴和反饋關系是必須的，因此運用ANP方法考慮指標間的相關關系產生的結果比AHP更加合理可靠。

(2)一個企業的設備維修方式不應該只有一種，也不應該一成不變，而應該根據不同設備、不同的故障模式、不同的故障后果、企業條件等從設備的可靠性、經濟性、維修性、經濟性綜合考慮，來決定設備的維修方式。

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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

文獻標識碼：A

作者簡介：李鑫(1976—)，男，安徽阜陽人，合肥工業大學副教授，碩士生導師，研究方向為電力電子與傳動中的控制策略、網絡控制,(E-mail)windy02@email.ustc.edu.cn；通訊作者：張旋(1990—)，男，安徽蚌埠人，合肥工業大學碩士研究生，研究方向為現代控制理論及應用，(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