(空軍預警學院,湖北武漢430019)

基于定期維修的k/N系統(tǒng)維修渠道優(yōu)化模型

武高衛(wèi),江 峰,楊江平,王永攀

(空軍預警學院,湖北武漢430019)

針對定期維修策略下的k/N系統(tǒng)維修渠道的配置問題,建立了多類故障單元批量定期送修的維修渠道優(yōu)化模型。首先,給出了定期維修策略下的k/N系統(tǒng)工作流程和故障單元維修流程;然后,根據(jù)故障單元批量定期送修的特點,提出了Dξ/M/c排隊模型,并對關(guān)鍵輸入?yún)?shù)進行了修正與計算,對排隊系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)概率進行了求解;接著,建立了多類故障單元同時送修的維修渠道優(yōu)化模型,通過將多類顧客源多服務(wù)臺排隊系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為單類顧客源多服務(wù)臺排隊系統(tǒng),對優(yōu)化模型進行了求解;最后,通過算例仿真與分析,對模型進行了驗證。結(jié)果表明,該模型能夠為k/N系統(tǒng)維修渠道數(shù)量的確定提供理論依據(jù),對部隊維修資源的合理配置具有一定的指導意義。

k/N系統(tǒng);定期維修;維修渠道;排隊系統(tǒng)

0 引言

維修渠道屬于裝備維修保障資源的范疇,通常由一組配套的維修資源組成,如維修設(shè)備設(shè)施、維修人員以及技術(shù)資料等,其配置水平直接影響著故障單元的維修進度進而影響整個武器裝備的作戰(zhàn)效能發(fā)揮[1]。因此,開展維修渠道的優(yōu)化配置研究,意義重大。

為了滿足高可用度和高可靠性的要求,許多大型復雜裝備如艦船、相控陣雷達等越來越多地使用k/N結(jié)構(gòu)系統(tǒng)[2]?？紤]到k/N系統(tǒng)的冗余性設(shè)計,即當少數(shù)單元出現(xiàn)故障時不必立即維修,這類裝備又有其獨特的維修保障特點。然而,在維修渠道的配置方法上,當前部隊的普遍做法是采用GJB 5967—2007《保障設(shè)備規(guī)劃與研制要求》[3]中的類比法或估算法對維修渠道的配置數(shù)量進行確定,從部隊的實際狀況來看,該方法暴露出以下問題,造成維修渠道配置數(shù)量不合理:①沒有考慮故障單元批量送修的影響;②沒有考慮多類故障單元同時送修的影響。

針對上述問題,許多專家學者展開了深入的研究。文獻[4-5]通過在裝備研制階段分析保障活動,對保障資源的配置效率進行了研究,但是沒有考慮故障單元的規(guī)律分布,并不適用于長期運行的有故障規(guī)律的裝備的保障問題;文獻[6-9]根據(jù)部件失效規(guī)律特點,建立了基于M/M/c排隊論的維修設(shè)備優(yōu)化配置模型,在一定程度上解決了故障單元單件送修策略下的維修設(shè)備的配置問題;在故障單元批量送修的問題上,文獻[10]根據(jù)保障設(shè)備數(shù)量與每批次故障產(chǎn)品數(shù)量的大小關(guān)系,單純的通過對保障設(shè)備和故障單元進行分組,將問題轉(zhuǎn)化為單服務(wù)臺排隊系統(tǒng),雖然能夠解決批量送修的問題,但是誤差較大;文獻[11-12]通過建立Mξ/M/c/∞排隊模型,解決了故障單元成批到達、每批到達數(shù)隨機、批與批之間的到達時間間隔服從指數(shù)分布的維修排隊問題,為解決故障單元批量送修提供了較好的思路和方法,但是沒有考慮多種故障單元同時送修的影響;在多類故障單元同時送修的問題上,文獻[13-15]基于METRIC模型,分析了多類故障單元同時送修的情況下有限維修渠道對備件供應(yīng)的影響,但其前提是(S,S-1)庫存策略,而非批量送修策略。

結(jié)合部隊定期維修作業(yè)體制,針對k/N系統(tǒng)故障單元批量定期送修的特點,考慮到多類故障單元同時送修的問題,本文依次建立了Dξ/M/c排隊模型和維修渠道優(yōu)化模型,對定期維修策略下多類故障單元批量定期送修的維修渠道配置問題進行了研究。

1 問題描述與假設(shè)

設(shè)某大型復雜裝備由l種現(xiàn)場可更換單元(Line Replaceable Unit,LRU)組成,LRUi包含N i個故障間隔時間服從參數(shù)為λi的指數(shù)分布,且相互獨立的單元,當至少有k i個單元正常工作時裝備才能正常運行,即該裝備由l個k/N系統(tǒng)組成。該裝備采用兩級維修作業(yè)體系(部隊級和基地級)和定期維修策略,維修周期為T。定期維修策略的裝備工作示意圖如圖1所示,系統(tǒng)開始正常工作后,若在定期維修周期T內(nèi)LRUi故障件數(shù)x i＜N i-k i,則(k/N)i系統(tǒng)正常工作;若x i≥N i-k i,則(k/N)i系統(tǒng)失效,立即從部隊級庫存中領(lǐng)取LRUi備件對(k/N)i系統(tǒng)進行換件維修,修復完成后裝備繼續(xù)運行。當運行到定期維修周期T時,對所有故障LRUi進行換件維修,系統(tǒng)恢復完好,進入下一個定期維修周期,同時將故障LRUi進行送修。

圖1 定期維修策略的裝備工作示意圖

考慮到k/N系統(tǒng)的冗余性設(shè)計,對其進行維修時需要采用批量換件維修方式,所以傳統(tǒng)的(S,S-1)庫存策略以及與之對應(yīng)的單件送修方式不再適用。本文采取(T,S)庫存策略和批量送修方式。

根據(jù)實際維修保障特點,建立模型需作如下關(guān)鍵性假設(shè):

1)部隊級只對LRU進行換件維修,換件維修時間忽略,基地級修理所對故障LRU進行修復性維修;

2)維修渠道為通用維修渠道,可以對該裝備所有種類的故障LRU進行修理;

3)維修渠道是完好不壞的,可以連續(xù)作業(yè),不會出現(xiàn)故障而影響維修作業(yè);

4)所有的故障LRU沒有優(yōu)先等級,按照FCFS規(guī)則接受維修服務(wù)。

2 Dξ/M/c/∞排隊模型

2.1 排隊過程描述

每次定期維修后,需將故障LRUi送往基地級修理所進行維修。設(shè)故障LRUi批量定期送修,每批次送修的故障LRUi數(shù)為隨機變量ξi,批與批之間的到達間隔為維修周期T。修理所內(nèi)有c組并行的維修渠道,每個維修渠道對故障LRUi的維修時間t服從參數(shù)為μi的指數(shù)分布;排隊系統(tǒng)只有一個隊列,等待位置無限,送修過程與維修過程相互獨立。當ξi＞c時,c個故障LRUi直接進入維修作業(yè),ξi-c個故障LRUi等待維修;當某個維修設(shè)備完成對故障LRUi的維修時,維修隊列中的故障LRUi依次進入維修設(shè)備接受服務(wù),直到該批所有故障LRUi維修完畢。則定義該維修過程為Dξ/M/c排隊過程。故障LRUi維修流程如圖2所示。

圖2 故障LRU i維修流程

2.2 輸入?yún)?shù)的修正與計算

2.2.1 每批次故障數(shù)的概率分布P(ξi)

設(shè)LRUi的故障率服從參數(shù)為λi的指數(shù)分布,由指數(shù)分布規(guī)律得,每個LRUi的故障密度函數(shù)為

則每個LRUi的可靠度函數(shù)為

(k/N)i系統(tǒng)的正常工作時間期望[16]為

當采用單件維修方式時,文獻[17]對k/N系統(tǒng)在時間T內(nèi)的故障數(shù)ξi的概率分布進行了計算:

上式得出的前提是每個故障單元能夠得到及時修復。然而采用定期批量維修方式時,只有當系統(tǒng)工作時間達到維修周期T或故障單元數(shù)達到m i=N i-k i時,才進行維修。因此本文對k/N系統(tǒng)在時間T內(nèi)的故障數(shù)ξi的概率分布進行修正如下:

2.2.2 服務(wù)強度ρ

服務(wù)強度ρ描述了維修設(shè)備的繁忙程度,ρ越大,維修設(shè)備越繁忙。當ρ＜1時,排隊系統(tǒng)能夠達到平衡狀態(tài),存在穩(wěn)態(tài)分布;當ρ≥1時,排隊系統(tǒng)不能達到平衡狀態(tài),即該系統(tǒng)不能構(gòu)成概率分布。Dξ/M/c排隊系統(tǒng)的服務(wù)強度表達式為

2.3 隊長穩(wěn)態(tài)概率p ij

設(shè)N i(t)表示時刻t排隊系統(tǒng)內(nèi)故障LRUi數(shù),包括正在進行維修的故障LRUi,即N i(t)表示時刻t排隊系統(tǒng)的隊長,{N i(t),t≥0}的狀態(tài)空間為{0,1,2,3,…}。設(shè)p ij(t)=P{N i(t)=j}為N i(t)的瞬時分布,由于排隊系統(tǒng)的概率隨機性,求解其瞬時分布是不精確且沒有意義的,因此通常求當排隊系統(tǒng)達到平穩(wěn)狀態(tài)后的穩(wěn)態(tài)分布下面討論ρi＜1條件下N i(t)的穩(wěn)態(tài)分布p ij。

由2.1節(jié)的排隊過程,可得出隊長N i(t)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖,如圖3所示。

圖3 隊長N i(t)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖,可列出平衡條件下的K氏代數(shù)方程:

文獻[18]對M X/G/1/∞排隊系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)概率求解方法進行了推導和證明,本文運用其思想和方法,推導出Dξ/M/c排隊系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)概率如下:

1)當ρi≥1時,p ij=0;

2)當ρi＜1時,p ij存在且構(gòu)成概率分布,進一步有遞推式:

3 維修渠道優(yōu)化模型

基地級修理所的通用維修渠道能夠?qū)Χ喾N不同類型的故障LRUi進行維修,因此維修系統(tǒng)可以看作一個多類顧客源多服務(wù)臺排隊系統(tǒng)。設(shè)某維修渠道能夠?qū)種故障LRU進行維修,對故障LRUi的維修率為μi,由于不同種類LRU相互獨立,互不影響,為了便于分析,通常將多類顧客多服務(wù)臺排隊系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為單類顧客多服務(wù)臺排隊系統(tǒng)。

3.1 多類故障LRU i送修的排隊系統(tǒng)輸入?yún)?shù)的確定

1)平均到達率Λ

裝備采用定期維修策略時,到達維修周期T后對所有(k/N)i系統(tǒng)進行維修,則進入維修渠道的各種故障LRUi的平均到達率為

2)每批次平均故障數(shù)概率分布P(ξ)

式中,j i表示LRUi的故障數(shù),且

3)平均服務(wù)強度ρ

4)平均維修率μ

由服務(wù)強度的定義得

考慮多類故障LRUi的排隊系統(tǒng)輸入?yún)?shù)確定之后,便可求解出排隊系統(tǒng)的平均穩(wěn)態(tài)隊長p j。

3.2 維修渠道優(yōu)化模型

在對維修渠道進行優(yōu)化配置時,維修渠道滿足率是比較常用的約束指標。維修渠道滿足率是指當故障LRU到達修理所時不用等待,能夠馬上開始維修作業(yè)的概率?？梢?維修渠道滿足率從裝備維修保障的角度考慮,反映了維修渠道的配置數(shù)量對于維修活動及時開始的影響程度。根據(jù)維修渠道滿足率的定義,在本文的排隊模型中,維修渠道滿足率P可以表示為排隊模型的穩(wěn)態(tài)隊長不大于維修渠道的數(shù)量的概率,即

費用是配置維修資源時必須考慮的因素。假設(shè)每組維修渠道的配置費用為r萬元,則以維修渠道配置費用C為優(yōu)化目標,以維修渠道滿足率為約束條件建立維修渠道優(yōu)化模型:

式中,P0為最低可接受的維修渠道滿足率。

4 算例分析

某相控陣雷達天線陣面主要由兩種LRU組成:T/R組件和發(fā)射電源,其基本數(shù)據(jù)見表1,假設(shè)每組維修渠道配置費用r=50萬元,最低可接受的維修渠道滿足率P0=0.95。

表1 天線陣面LRU基本數(shù)據(jù)

維修渠道滿足率P與維修渠道數(shù)量c、定期維修周期T,以及每批次送修數(shù)量ξ有關(guān),當天線陣面的LRU參數(shù)確定時,ξ還與部隊級備件庫存數(shù)量s1有關(guān)。圖4以T/R組件為例,分別給出了控制變量條件下維修渠道滿足率P隨維修渠道數(shù)量c、定期維修周期T,以及T/R組件的部隊級備件庫存數(shù)量s1的變化情況。

圖4 維修渠道滿足率變化曲線

從圖中可以看出,維修渠道數(shù)量c是影響維修渠道滿足率P的關(guān)鍵因素,且P是c的單調(diào)遞增凸函數(shù)。維修周期T對維修渠道滿足率P的影響比較復雜,隨著T的增加,在每批次送修數(shù)量增大的同時,維修渠道能夠維修的故障單元的數(shù)量也在增大,因此變化規(guī)律不是單調(diào)曲線。由于T的確定不僅與維修渠道滿足率有關(guān),還與系統(tǒng)使用可用度、備件數(shù)量以及維修規(guī)劃等因素有關(guān),本文中不作討論,取值T=E(T0)。部隊級備件數(shù)量s1對維修渠道滿足率P的影響則幾乎可以忽略不計。

選取T1=E(T0)1=452.054 0 h,s11=50個,計算得出T/R組件每批次送修數(shù)量期望a1=93.111 2個;當c=12組時,維修渠道滿足率P1=0.956 5,維修渠道的穩(wěn)態(tài)隊長L1=5.481 6個,維修渠道配置費用C1=600萬元。

同理對發(fā)射電源進行計算,選取T2=E(T0)2=467.809 0 h,s12=10個,計算得出發(fā)射電源每批次送修數(shù)量期望a2=53.711 7個;當c=8組時,維修渠道滿足率P2=0.954 2,維修渠道的穩(wěn)態(tài)隊長L2=3.397 9個,配置總費用C2=400萬元。

綜合考慮兩種LRU的送修情況,選取T=450 h,s11=50個,s12=10個,計算得出每批次平均送修數(shù)量期望a=98.029 7個,維修渠道的平均維修率μ=0.130 4;當c=1時,ρ=1.600 1＞1,不能構(gòu)成穩(wěn)態(tài),當c≥2時,ρ＜1。圖5給出了兩種LRU綜合考慮與單獨考慮兩種情況的維修渠道滿足率隨總費用的變化曲線。

圖5 兩種方法的維修渠道滿足率對比圖

最后計算得出所需維修渠道數(shù)量c=17組時,維修渠道滿足率P=0.955 0,維修渠道的穩(wěn)態(tài)隊長L=13.271 8個,配置總費用C=850萬元。比較可得,綜合考慮兩種LRU送修所需的維修渠道配置費用比單獨考慮時的費用降低了15%。

5 結(jié)束語

本文從k/N系統(tǒng)的維修實際入手,根據(jù)故障單元批量定期送修的特點,建立了多類故障單元批量定期送修的維修渠道優(yōu)化模型,通過對關(guān)鍵輸入?yún)?shù)和排隊系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)概率進行修正與計算,并將多類顧客源多服務(wù)臺排隊系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為單類顧客源多服務(wù)臺排隊系統(tǒng),對優(yōu)化模型進行了求解,為部隊進行維修資源的合理配置提供了理論依據(jù)。另外,本文只將維修周期T對維修渠道配置的影響進行了簡單的分析,其確定方法并沒有進行討論,還需進一步展開研究。

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Optimization Model of Maintenance Channel for k/N System Based on Periodic Maintenance Policy

WU Gaowei,JIANG Feng,YANG Jiangping,WANG Yongpan

(Air Force Early Warning Academy,Wuhan430019,China)

Aiming at the configuration problem of maintenance channel fork/Nsystem based on periodic maintenance policy,an optimization model is established for maintenance channel considering the batched periodic delivery of multi-class failed units.Firstly,thek/Nsystem operation process and the failed units maintenance flow are given.Secondly,theDξ/M/cqueuing model is proposed according to the feature of the batched periodic delivery of the failed units,the key parameters are calculated and modified,and the steadystate probability of the queuing system is calculated.Then,the optimization model is developed for maintenance channel considering multi-class failed units delivery simultaneously,and the model is solved through converting the multi-class-source-multi-server queuing system into the single-class-source-multi-server queuing system.Finally,simulation and analysis of an example are conducted to verify the proposed model.The results show that the model can solve the maintenance channel allocation problem well and may improve the allocation of maintenance resources.

k/Nsystem;periodic maintenance policy;maintenance channel;queuing system

TN956;N945.12

A

1672-2337(2017)01-0089-06

10.3969/j.issn.1672-2337.2017.01.016

2016-04-29;

2016-08-22

國家部委資助項目(No.KJ2014023200B11145);博士研究生專項課題(No.2014JY546)

武高衛(wèi)男,1991年生于河北邢臺,碩士研究生,主要研究方向為預警裝備綜合保障技術(shù)。E-mail:13098886064@163.com