基于自動機的設備維修狀態演化模型研究

胡 浩，伍傳麗，魯玉軍，駱華武

（1.浙江理工大學 藝術與設計學院，杭州 310018；2.杭州創新生物檢控技術有限公司，杭州 310018；3.浙江理工大學 機械與自動控制學院，杭州 310018；4.杭州娃哈哈集團有限公司，杭州 310033）

0 引言

目前采用維修工單、維修計劃以及維修記錄表（單）等維修文檔記錄與管理設備維修過程，這種管理方式屬于生產操作層面的管理，能夠指導與記錄每次維修生產活動[1]，但是具有以下缺陷：1）僅僅記錄與管理每次維修活動的操作內容與結果，對設備維修過程的內在演化機制缺乏定義；2）沒有建立過程模型對設備維修過程進行規范與統一地描述；3）維修信息散布在大量的維修文檔中[2]，沒有被合理地組織，導致設備維修記錄缺乏層次性與結構性。

為了解決以上不足，本文依據設備維修過程的各種動力學特性，定義維修狀態項(Maintenance Status Items)與維修狀態(Maintenance Status)，歸納出維修狀態項的3種維修模式，在每種維修模式下采用有窮自動機(finite automaton )建立維修狀態項的維修狀態演化模型，從而建立設備維修狀態演化模型(Evolvement Model of Equipment Maintenance Status)。

1 設備維修過程的動力學特性

設備維修過程具有以下動力學特性：1）設備維修過程被時間上離散與異步的維修事件所驅動，每次維修事件過后，設備的狀態發生躍變[3]；2）設備維修過程由其中各個維修模塊的維修過程所組成；不同維修模塊的維修過程具有相似性[4]；3）各個維修模塊的維修過程之間并無內在耦合性[5]；4）除了計劃性預防維修之外，設備維修過程具有不可賦時性與不確定性，特別是對于故障維修以及狀態維修的情況[6]；5）維修事件對于維修狀態項的維修方式存在差異[7]，因此需要定義不同的維修狀態。

綜上所述，設備維修過程具有典型的離散事件動態過程特性[8]，同時由于設備維修過程具有相當的不確定性，只能在邏輯層面建立反映與表征系統行為的定性模型[9]，因此需要維修模塊抽象為同質的維修管理單元，采用離散事件動態系統的邏輯層次建模工具—有窮自動機[10]進行建模。

2 維修狀態項、維修狀態與維修事件

2.1 維修狀態項與維修狀態

定義1 維修狀態項：維修狀態項是指在設備維修過程中，需要記錄與管理其維修過程的維修模塊（包括設備整機）[11]。

在定義了維修狀態項的基礎上，建立維修狀態項的維修狀態演化模型就等同于建立設備維修狀態演化模型。

定義2 維修狀態：維修狀態是定義各種維修方式的元數據[12]，每次對維修狀態項維修之后，依據維修方式的不同，維修狀態項會轉移到不同的維修狀態。維修狀態分為復原(recover)、更改(alter)、新增(new)與廢止(discard)這4種，如下定義6～9。

2.2 維修事件

維修事件即每次對維修狀態項實施維修活動的事件，按照維修事件對維修狀態項的不同維修方式，可以將維修事件分為3類，如表1所示。

在表1中，換改型維修事件與設備改造型事件都會產生維修狀態項的新配置[13]，新配置代表了它將在以下維修時間段的設備結構中被采用，維修狀態項的不同配置具有不同的維修過程。

3 基于自動機的設備維修狀態演化模型

由于維修事件驅動維修狀態項的維修狀態轉移，由此維修狀態項的維修過程可以被分解為維修事件序列與維修狀態轉移序列。

表1 維修狀態項的維修事件分類

3.1 維修狀態項的3類維修模式

在表1的基礎上，可以將維修狀態項的所有可能的維修過程歸納為3種維修模式，如下定義3～5。

定義3 A類維修模式：對于出廠時已經存在的維修狀態項，其每次的維修事件都是恢復型維修事件，直到設備改造型維修事件之后從設備結構中去除。

定義4 B類維修模式：對于出廠時已經存在的維修狀態項，其每次的維修事件中既包括恢復型維修事件，也包括換改型維修事件，直到設備改造型維修事件之后從設備結構中去除。

定義5 C類維修模式：對于設備改造型維修事件后新增加的維修狀態項，其每次的維修事件中既包括恢復型維修事件，也包括換改型維修事件，直到設備改造型維修事件之后從設備結構中去除。

從A類維修模式到B類維修模式再到C類維修模式，其維修過程的復雜程度是不斷增加的。

3.2 A類維修模式下的維修狀態演化模型

對于A類維修模式，需要定義兩種維修狀態（維修狀態轉移），分別是復原狀態與廢止狀態。如下定義6～7。

定義6 復原狀態(recover)：對于維修狀態項的每次恢復型維修事件之后，維修狀態項轉移到此維修狀態，復原狀態具有版本，代表經過第幾次恢復型維修事件。

定義7 廢止狀態(discard)：對于維修狀態項的設備改造型維修事件后，維修狀態項被從設備結構中去除，廢止狀態代表維修狀態項的維修過程結束，廢止狀態無版本。

對于A類維修模式，維修狀態項的維修狀態演化模型可以采用有窮自動機進行定義，如圖1所示。

圖1中S代表維修狀態項出廠后沒有經過任何維修的原始狀態，q1代表復原狀態，q2代表廢止狀態；圖1中維修狀態之間的轉移利用單向箭頭弧來表示，箭頭弧之上的數字代表了不同類別的維修事件，1代表恢復型維修事件，2 代表設備改造型維修事件；q1指向自身的弧代表恢復型維修事件驅動復原狀態版本遞增，從S指向q2的虛線箭頭弧代表了維修狀態項沒有經過恢復型維修事件直接進入廢止狀態的特殊情況。

圖1所示的有窮自動機模型包含了兩個序列[13]，一個是維修事件序列，具有以下形式：恢復型維修事件－恢復型維修事件－…－恢復型維修事件－設備改造型維修事件；另一個是維修狀態轉移序列，它具有以下形式：復原(1)－復原(2)－…－復原(m)－廢止，其中m是大于等于1的整數。

圖1 A類維修模式下的維修狀態演化模型

3.3 B類維修模式下的維修狀態演化模型

對于B類維修模式，需要定義維修狀態項的更改狀態，如下定義8。

定義8 更改狀態(alter)：對于維修狀態項的每次換改型維修事件之后，維修狀態項轉移到此維修狀態，每次轉移到更改狀態產生維修狀態項的1個新配置。

對于B類維修模式，維修狀態項的出廠配置的維修狀態演化模型如圖1。

對于B類維修模式，維修狀態項的更改狀態產生的新配置的維修狀態演化模型如下圖2所示。圖2中S代表換改型維修事件之前新配置不存在的狀態，q3代表更改狀態，數字3代表換改型維修事件，圖2中其他符號的含義同圖1。

圖2 B類維修模式下的維修狀態演化模型（更改狀態產生的新配置）

圖2中的維修事件序列具有以下形式：換改型維修事件－恢復型維修事件－恢復型維修事件－…－恢復型維修事件－設備改造型維修事件；圖2中維修狀態轉移序列具有以下形式：更改(n)－復原(1)－復原(2)－…－復原(m)－廢止，其中m，n是大于等于1的整數。

3.4 C類維修模式下的維修狀態演化模型

對于C類維修模式，需要定義維修狀態項的新增狀態，如下定義9。

定義9 新增狀態(new)：在設備改造型維修事件之后，新的維修狀態項被加入設備結構中，此時這個維修狀態項的維修狀態為新增狀態，設備整機與出廠時已經存在的維修狀態項沒有新增狀態。新增狀態沒有版本。

對于C類維修模式下新增維修狀態項的第1個配置，其維修狀態演化模型如下圖3所示。其中S代表設備改造型維修事件之前新的維修狀態項不存在的狀態，q4代表新增狀態，其余符號的含義與圖1同義。

圖3中的維修事件序列如下：設備改造型維修事件－恢復型維修事件－恢復型維修事件－…－恢復型維修事件－設備改造型維修事件；圖3中維修狀態轉移序列具有以下形式：新增－復原(1)－復原(2)－…－復原(m) －廢止，其中m是大于等于1的整數。

圖3 C類維修模式下的維修狀態演化模型(新增維修狀態項的第1個配置)

在C類維修模式下，對于新增維修狀態項由更改狀態產生的新配置，其維修狀態演化模型如圖2所示。

基于圖1～圖3的維修狀態項的維修狀態演化模型，可以完備地定義各種設備維修過程。

3.5 設備維修狀態演化模型的實例化

在實際維修管理系統中，采用有窮自動機這種抽象模型直接管理維修狀態項的維修過程并不方便，需要將維修狀態項的維修狀態演化模型進行實例化。

由于維修狀態演化模型本身就是維修事件與維修狀態轉移序列的邏輯關聯，因此可以將維修狀態演化模型實例化為具體的維修狀態轉移序列與維修事件序列。另外，維修狀態轉移序列中每次維修狀態轉移的時間以及記錄每次維修事件的維修文檔編號也需要記錄與管理。

4 應用案例

某飲料集團灌裝車間使用SIDEL SBO14吹瓶機生產PET飲料瓶[14]，在2010年6月之前，一直采用維修文檔管理設備維修過程。在實際維修管理中發現以下問題：1）沒有預先規定哪些設備模塊的維修過程必須進行記錄，每次維修活動之后記錄哪些維修內容比較隨意，導致很多維修信息的缺失；2）各種維修模塊在不同時間的維修信息都混合散布在大量維修文檔中，查詢某個特定模塊的維修記錄缺乏索引；3）只能查詢到每次維修活動的細節，無法縱覽設備維修過程的各個維修模塊的整體維修歷史。

為此，在目前設備維修管理系統中增加維修狀態管理的模塊，利用這個模塊管理設備維修狀態演化信息。

2008年5月21日灌裝車間對設備實施設備改造，在原出廠設備上新增加了一種新型的無菌處理裝置—瓶坯干式殺菌裝置，同時也產生了瓶坯干式殺菌裝置的第1個默認配置。

瓶坯干式殺菌裝置的第1個默認配置的維修狀態演化信息如下圖4所示，圖4中的維修狀態演化模型的建模過程如下。

步驟1：定義SIDEL SBO14吹瓶機中維修狀態項集合，并將所有維修狀態項以樹形結構進行組織，其中包括了瓶坯干式殺菌裝置第1個默認配置。

步驟2：定義瓶坯干式殺菌裝置第1個默認配置的維修狀態項信息，包括零件編號、零件類別、維修策略、維修周期[15]等等。

步驟3：將瓶坯干式殺菌裝置第1個默認配置的維修過程歸納為C類維修模式，C類維修模式中第1個默認配置的維修狀態演化模型是如上圖3所示的有窮自動機。

步驟4：依據圖3，將按照時間順序發生的每次維修事件歸納為恢復型維修事件與設備改造型維修事件這2類維修事件，然后建立其維修事件序列如下：設備改造型維修事件－恢復性維修事件－恢復型維修事件－恢復型維修事件－恢復型維修事件。

步驟5：維修事件序列中每次維修事件驅動了維修狀態轉移，形成了瓶坯干式殺菌裝置第1個默認配置的維修狀態轉移序列如下：新增－復原(1)－復原(2)－復原(3)－復原(4)。

步驟6：將維修事件序列中每次維修事件與維修狀態轉移序列中每次維修狀態轉移關聯在一起（有窮自動機模型的實例）。

步驟7： 記錄每次維修狀態轉移的時間，記錄每次維修事件相應的維修文檔號，將這兩者與維修狀態序列與維修事件序列關聯在一起，形成維修狀態演化表。

圖4 瓶坯干式殺菌裝置（第1個默認配置）的維修狀態項信息與維修狀態轉移序列

瓶坯干式殺菌裝置第1個默認配置的維修狀態演化表使得管理者既能直觀看到維修狀態項的整個維修歷史，同時能夠通過維修狀態演化表中維修文檔編號鏈接到具體維修文檔，了解每次維修活動的細節。

通過圖4，證明了基于自動機的設備維修狀態演化模型能夠系統地記錄與管理設備維修過程。

5 結論

1）目前對于設備維修過程的管理缺乏過程模型，帶來了設備維修信息缺乏系統性，為此提出在邏輯層面建立設備維修狀態演化模型。

2）設備維修過程具有維修事件驅動的離散動態特性以及不可賦時性、不確定性，需要采用離散動態系統的有窮自動機工具建立邏輯層面的定性描述模型。

3）設備維修狀態演化模型的基本單元是維修狀態項，維修狀態項的維修事件序列驅動與控制維修狀態轉移序列，這種邏輯關系采用有窮自動機進行形式化的定義。

4）在實際維修管理系統中，維修狀態項的維修狀態演化模型需要被實例化為維修狀態轉移序列與維修事件序列，還包括維修事件序列中每次維修事件發生的時間以及相應記錄每次維修活動的維修文檔號。

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