автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Моделирование надежностных схем и предупредительных замен при формировании запасов узлов и агрегатов автотранспортного предприятия

На правах рукописи

ЧЕРНЯВСКИЙ Алексей Игоревич

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТНЫХ СХЕМ И ПРЕДУПРЕДИТЕЛЬНЫХ ЗАМЕН ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ЗАПАСОВ УЗЛОВ И АГРЕГАТОВ АВТОТРАНСПОРТНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2013

005544693

005544693

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» на кафедре «Автоматизированные системы управления»

Научный руководитель Строганов Виктор Юрьевич

лауреат премии правительства РФ, доктор технических наук, профессор кафедры «Системы обработки информации и управления» МГТУ им.Н.Э.Баумана, г.Москва Официальные оппоненты Илюхин Андрей Владимирович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматизация производственных процессов» МАДИ,

г.Москва

Карасев Антон Алексеевич,

кандидат технических наук, ведущий инженер ГУП «НИиПИ Генплана Москвы»,

г.Москва

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт автомобильного транспорта» (НИИАТ), г. Москва.

Защита состоится 27 декабря 2013г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.126.05 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, д.64, ауд. 42. Телефон для справок: (499) 155-93-24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Автореферат разослан 26 ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета университета, а копии отзывов присылать по электронной почте: uchsovet@madi.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.126.05, кандидат технических наук, доцент

Михайлова Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Основным звеном автосервиса являются станции технического обслуживания, взаимодействующие как с индивидуальными владельцами, так и с автотранспортными предприятиями. Спрос на услуги постоянно возрастает. Это объясняется рядом факторов, а именно: зачастую создаваемые предприятия не планируют формировать ремонтную базу, рассчитывая на услуги автосервиса; для снижения себестоимости действующие предприятия освобождаются от ремонтных цехов; потребители новейших моделей не могут и не хотят ремонтировать их сами, стараясь избежать дополнительных затрат на специализированное оборудование и обучение ремонтников. Однако для крупных автотранспортных предприятий целесообразно иметь свою ремонтную базу. При этом услуги можно разделить на следующие основные группы: профилактические, направленные на регламентное обслуживание (выполняется диагностика, крепежные, контрольные, смазочные и регулировочные работы через определенный пробег; ремонтные — выполняются для устранения появившихся неисправностей и восстановления его работоспособности (замена или ремонт узлов, приборов, агрегатов, а также кузовные, слесарно-механические, электромеханические работы и др.); обеспечение эксплуатации — снабжение топливом маслом, тосолом и др. При этом задача моделирования надежностных схем и предупредительных замен для формирования запасов узлов и агрегатов автотранспортного предприятия достаточно актуальна.

Предметом исследования являются система технического обслуживания (ТО) и ремонта транспортных и технологических машин.

Цель и основные задачи исследования

Целью работы является повышение эффективности технического обслуживания, ремонтных и регламентных работ в автотранспортном предприятии за счет моделирования надежностных схем и процессов управления запасами для плановых и предупредительных замен узлов и агрегатов.

Для достижения данной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Системный анализ методов организации ТО и ремонта транспортных и технологических машин с учетом показателей надежности узлов и агрегатов.

2. Статистический анализ потоков заявок на запчасти и комплектующие различных групп и типов.

3. Разработка моделей диагностики и идентификации состояния узлов и агрегатов на основе скрытых марковских процессов.

4. Разработка методов и алгоритмов реализации процедур предупредительных замен, порядка прохождения и схемы

технологического процесса выполнения основных этапов заказа на ТО и ремонт.

5. Разработка моделей входных потоков и рекуррентных схем процессов формирования комплекта запасных частей для восстанавливаемых систем.

6. Разработка и апробация подсистемы информационной поддержки процессов управления запасами для ремонта и технического обслуживания.

Методы исследования

При разработке формальных моделей в диссертации использовались методы и модели имитационного моделирования, теории надежности, методы математического программирования, теория случайных процессов, управления запасами и др.

Научная новизна работы состоит в разработке методов, моделей, алгоритмов и методики комплексного анализа, моделирования и оптимизации стратегий управления запасами для ТО и ремонта транспортных и технологических машин.

На защиту выносятся:

• результаты статистического анализа для параметризации моделей входных потоков отказов и заказов на узлы и агрегаты;

• модели Марковских процессов идентификации состояний в процедуре диагностики неисправностей узлов и агрегатов;

• методика формирования графика реализации процесса предупредительных замен;

• методика формирования комплекта запасных частей восстанавливаемых систем.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов

Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов определяется предварительным статистическим анализом потоков заказов в ряде предприятий и согласованностью результатов аналитических и имитационных моделей. Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами внедрения результатов работы в ряде крупных предприятий, занимающихся техническим обслуживанием и ремонтом транспортных и технологических машин.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до практического использования. Они представляют непосредственный интерес в области управления авторемонтными предприятиями. Методы и алгоритмы, а также программные средства могут быть использованы при решении задач моделирования и управления запасами узлов и комплектующих для технического обслуживания и ремонта транспортных и технологических машин. Разработанные методы и алгоритмы прошли апробацию и внедрены для практического

применения в ряде предприятий, а также используются в учебном процессе на кафедре АСУ МАДИ.

Апробация работы "

Содержание отдельных разделов и диссертации в целом было доложено и получило одобрение:

• на Российских и межрегиональных научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах (2010-201 Згг.);

• на заседании кафедры АСУ МАДИ.

Совокупность научных положений, идей и практических результатов исследований в области автоматизации процессов управления представляет интерес для теоретических и практических методов поддержки принятия решений по управлению запасами узлов и агрегатов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Структура работы соответствует списку перечисленных задач, содержит описание разработанных методов, моделей и алгоритмов.

Во введении обосновывается актуальность работы. Ставятся цели и задачи исследований. Приводится краткое содержание глав диссертации.

В первой главе проведен анализ методов и моделей организации ТО и ремонта. Показано, что основные подходы к построению методик автоматизации и управления опираются на положения теории надежности и моделирования случайных процессов при формировании моделей управления запасами запчастей и комплектующих для проведения ремонтных работ.

Анализ отечественной и зарубежной литературы, а именно, трудов таких учёных и специалистов как Е.Ю. Барзиловича, А.В.Гличёва, Е.С.Кузнецова, Е.Н.Пустыльника, А.И.Субетто, Р.С.Судакова и др. показал, что целый ряд вопросов по оптимальной эксплуатации автомобилей ещё не получил должного развития: вопросы управления качества ТО и ремонта автомобилей; оптимизации объектов и номенклатуры запасных частей, используемых при ремонте; стандартизации технического диагностирования автомобилей и др. Был проведен анализ существующих принципов оценки надежности узлов и агрегатов и рассмотрены работы по резервированию А.И.Селиванова, А.Д.Соловьева, В.С.Нассонова, А.С.Гальперина, И.Е.Дюмина, С.Б.Норкина и ряда других российских и зарубежных авторов. В этих работах, в основном, рассмотрены системы, которые работоспособны только тогда, когда количество исправных элементов не менее количества основных.

Создавшееся положение объясняется тем, что вопросы повышения качества ТО решаются без должного учёта связей появления отказов, использования статистических методов, отсутствия системного подхода к проблеме управления качеством на стадии эксплуатации. Всё это заставляет выделить разработку научно-технических основ управления качеством услуг, ТО и ремонта автомобилей в самостоятельную

проблему исследований, решение которых должно основываться на применении системного подхода, который следует считать одной из актуальнейших задач повышения эксплуатационной надёжности, безопасности и снижения эксплуатационных затрат.

Современная теория надежности охватывает широкий круг вопросов, а именно: разработка технических условий и требований, предъявляемых к техническим системам; построение этих систем; организация их эксплуатации, технического обслуживания и ремонта; замена изношенных и др. Надежность - сложный показатель, который может включать в себя такие свойства, как:

• безотказность (свойство непрерывно сохранять работоспособность до наступления предельного состояния в течение некоторой наработки);

• долговечность (свойство сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта);

• ремонтопригодность (свойство в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению работоспособности путем проведения ремонтов и технического обслуживания);

• сохраняемость (свойство объекта непрерывно сохранять показатели безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и транспортировки).

По ГОСТу 27.002.-83 и 23.642-79 все показатели надежности делят на два вида: единичные и комплексные. Единичные - количественно характеризуют только одно из свойств надежности: безотказность, долговечность, ремонтопригодность и т.д. Комплексные показатели одновременно характеризуют несколько свойств надежности, например, безотказность и ремонтопригодность объекта и т.д. Так вероятность безотказной работы P(t) - вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникает. Средняя наработка до отказа Г, - математическое ожидание наработки объекта до первого отказа. Интенсивность отказов l(t) - условная плотность вероятности возникновения отказа невосстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник. Параметр потока отказов w(t) - отношение среднего числа отказов восстанавливаемого объекта за произвольно малую его наработку к значению этой наработки. Наработка на отказ Г0 - отношение наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки. Установленная наработка до отказа foy. - наработка до установленных в технической документации видов отказов, которую должен иметь каждый объект при заданных условиях эксплуатации. Вероятность восстановления P(tJ - вероятность того, что время восстановления работоспособности объекта не превысит заданного.

Среднее время восстановления 1В° - математическое ожидание времени восстановления работоспособности (собственно ремонта).

Любое автотранспортное предприятие представляет собой систему, т.е. совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих компонентов, В нем движутся материальные, финансовые и информационные потоки. На нее воздействуют различные внешние факторы. При этом процесс управления имеет циклический характер и содержит множество этапов (рис.1.). Процесс управления - это воздействие на систему и ее элементы, которое обеспечивает ее эффективное функционирование.

Рис. 1. Этапы процесса управления

К основным этапам относятся: обработка исходной информации (ОИ) об объекте управления (ИОУ) и внешней среде (ИБС), анализ информации (АИ) и выбор критериев качества, разработка вариантов управленческих решений (РВУР), принятие управленческого решения (ПР), разработка руководящего предписания (РРП). В объекте управления осуществляется реализация принятого решения (РР), вследствие чего происходит изменение состояния объекта управления (ИС). Изменение состояния объекта управления (ОУ) контролируется в системе управления (СУ) в блоке контроля (К), в котором сравниваются параметры измененного состояния объекта управления с параметрами, отраженными в руководящем предписании.

Во второй главе разработаны модели оценки надежности узлов и агрегатов для формирования процедур управления заказами комплектующих, узлов и агрегатов для проведения технического обслуживания и ремонта.

Решение задачи синтеза управления поставками, в первую очередь основывается на прогнозе различных финансовых показателей. В работе проведен анализ динамики потоков заказов по ряду предприятий, входящих в зону обслуживания одной дилерской сети. За два квартала 2012 года графики объемов заказов приведены на рис.2.а. В работе проведено упорядочения предприятий по объему потоков. Показано, что на 5 из 200 предприятий приходится почти 20% потока. Для первых трех проведен более детальный анализ потоков заказов. По выделенным трем предприятиям сравнительный объем потоков представлен на рис. 2.6. Далее проведен анализ потребностей для различных групп запчастей и комплектующих (рис.3.). Показана значительная корреляция на отдельные группы запасных частей

(рис.4.а). Далее проведен анализ автокорреляционных функций временных рядов (рис.4.б).

Variable Correlations (Rez_Sol_2_Kopp.sta) Marked correlations are significant at p < ,05000 N=33 (Casewise deletion of missing data)

Means 1 Std.DevjAIR REFiGASKETi FILTER

AIR REF GASKET FILTER 14213,9: 5843,13: 20482,3! 8065,38: 20334,4: 8275,62! 1,000001 0,95639. 0,98783 0,95639- 1,000001 0,96574. 0.98783" 0,96574- 1,000001

а) таблица корреляций б) автокорреляционная функция

Рис. 4. Среднемесячная интенсивность запросов на основные запчасти

Рис. 3. Среднемесячная интенсивность запросов на основные запчасти

Рис.2.

б) поток заказов от основных предприятий Временные ряды потоков заказов на комплектующие

«а AIR REFRESHER ASSY

На основе проведенного анализа в диссертации ставится задача моделирования временных рядов с заданными (полученными на основе статистики) значениями оценок корреляций и автокорреляционных функции.

Далее в диссертации на примере ремонта механизма подъема платформы (МПП) был проведен анализ показателей надежности (табл.1.): 1. средний ресурс до первого отказа (тыс.км); 2. доверительный интервал (тыс. км); 3. среднеквадратическое отклонение (тыс. км); 4. коэффициент вариации; 5. параметр Ь закона Вейбулла; 6. параметр а закона Вейбулла; 7. гамма - процентного ресурса при у=90% (до первого отказа); 8. гамма - процентного ресурса при заданном значении у=90% (до второго отказа); 9. интенсивности отказов за заданную наработку ?7=30тыс.ц. (до первого отказа); 10. интенсивности отказов за заданную наработку ?(=30тыс.ц. (до второго отказа); 11. показатель Спз(0 методики расчета; 12. показатель С0(ДО методики расчета.

Были выявлены основные виды отказов и неисправностей деталей МПП в заданных условиях эксплуатации. Рассчитаны средние ресурсы деталей, лимитирующих надежность механизма подъема платформы,

Ч "о

как математическое ожидание = ТЬ|С где 1 " пР°®ег Д°

<4) ;=1

предельного состояния ¡-го элемента; - число подконтрольных элементов.

Для апробации моделей отказов в работе проведен статистический анализ. Получены основные характеристики распределений по времени наработки на отказ и пробегу (табл.1.). По имеющимся данным выполнена аппроксимация функций распределения: для времени наработки на отказ - нормальным законом; для пробега -логнормальным (рис.5.).

5 («<3|иявс3|. р ■ 0.23573

ч

ЛГ

180 200 220 240 260 280 :

-10 -б 0 5 10 15 20 25 30 35 «0 45 50 55 80 85 70 75 80 85 90

Рис. 5. Аппроксимация распределений наработки на отказ Проверка соответствия выборочных характеристик генеральной совокупности показала, что экспериментальные данные о распределений ресурсов деталей, лимитирующих надежность МПП, согласуются с теоретическими законами Вейбулла и нормальным распределением (табл.1, - столбы 1-6).

Наименование 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1 Шестерня КОМ 202 27,18 65,6 0,33 3,2 178,8 88,5 31,4 0,00035 0,00110 128 411

2 Вал шлицевой 227,6 51,62 97,0 0,43 2,5 256,6 104,3 67,3 0,00039 0,00095 78 361

3 Диафрагма КОМ 135,9 26,44 93,4 0,68 1,5 150,5 61,2 42,8 0,00445 0,00760 319 36

4 Уплотнительные кольца г/ц 103,0 11,10 41,2 0,40 2,7 115,9 50,4 35,3 0.00234 0,00613 400 994

5 1-я выдвижная труба 237,0 73,10 153, 0,65 1,55 163,3 70,9 49,7 0,00374 0,00650 100 150

6 Головка г/ц 153,2 17,70 57,3 0,37 2,9 171,94 79,1 55,4 0,00061 0,00172 348 942

7 2-я выдвижная труба 123,0 20,50 74,8 0,61 1.7 137,90 63,5 44,4 0,00424 0,00777 1266 1860

8 Пара втулка-шестерня насоса 171,1 15,79 47 0,27 4,2 188,6 110,4 77,2 0,00017 0,00028 489 886

9 Манжета насоса 238,1 66,20 144,0 0,60 1,7 266,93 71 49,7 0,00138 0,00253 32 429

10 Пружина крана управления 234,8 76,56 171,6 0,73 1,39 258,3 68,7 48,1 0,00252 0,00382 53 323

11 Корпус крана управления 205,9 37,40 91,3 0,44 2,40 232,4 90,9 63,6 0,00059 0,00138 72 342

12 Зубчатый сектор 185,3 40,10 114,5 0,62 1,75 207,04 57,2 40 0,00199 0,00371 139 409

13 Золотник крана управления 120,2 23,06 84 0,69 1,15 101,2 27,9 19,6 0,00947 0,01427 244 514

14 Манжета клапана 67,5 11,80 46,2 0,68 1,45 74,5 20,6 14,4 0,01293 0,02168 350 615

15 Клапан 108,0 15,70 60,8 0,56 1,84 121,4 35,7 25 0,00468 0,00903 188 453

16 Диафрагма клапана 134,7 28,32 98,3 0,73 1,39 147,7 29,3 20 0,00505 0,00830 71 336

17 Пружина клапана 249.0 108,77 193,5 0,77 1,30 269,48 47,7 33 0,00249 0,00397 77 332

18 Уплотнительные кольца клапана 181,8 32,40 91,2 0,50 2,10 205,2 36,3 25,4 0,00123 0,00261 96 361

19 Шланг всасывающей магистрали 130,6 20,25 73,5 0,56 1,843 147 32,8 22,9 0,00328 0,00654 227 527

20 Шланг г/ц высокого давления 223,2 68,7 156,5 0,70 1,5 247,2 55,1 38,6 0,00211 0,00361 97 397

3

(В X

в>

1 0>

§ г

Я)

о

о

£> -о

ГГ

ш 2

Ш 3

а °

4 21 ■а 9}

о 3 11

2 I

О Ш

ш Зз

2 $

о л

о ±

го о ш о

3 а

ш зэ о я>

2 §

£<|

ш 0)

>

0) о>

На основании проведенного анализа следует, что ресурсы деталей, лимитирующих надежность механизма подъема платформы, находятся в пределах 67-238 тыс.км и имеют "' коэффициент вариации \/=0,27 -0,77. Обработка и анализ статистических данных, а также характерных отказов и неисправностей деталей, лимитирующих надежность, позволили разработать карту надежности механизма подъема платформы автомобилей-самосвалов семейства МАЗ (табл.1. - столбы 7-10). Из таблицы наглядно видно место расположения деталей и узлов, лимитирующих надежность МПП, и содержит характеристики распределения ресурсов деталей в виде кривых убылей.

Графически вероятности безотказной работы позволяют рассчитать среднюю наработку на отказ, выявить гамма-процентный ресурс деталей, лимитирующих надежность, т.е. ресурс который имеют или превышают не менее 80 или 90% изделий данного вида. Оценка интенсивности отказов за заданную наработку íз=3 тыс.ц. вычислялась

Так, для определения оптимальной периодичности диагностирования узлов в диссертации была разработана модель, описывающая изменение эксплуатационного состояния. Граф этой модели приведен на рис.6.а. Все узлы, находящиеся в эксплуатации, были разбиты на три группы: узлы, по своим параметрам удовлетворяющие нормативам, соответствующим сезону эксплуатации (группа I); узлы, сохраняющие работоспособность, но по своим параметрам не удовлетворяющие действующим нормативам (группа II); узлы, находящиеся в ремонте, новые узлы, подготавливаемые к эксплуатации и узлы, подлежащие списанию (буферная группа III).

В модели были приняты следующие обозначения:

-A(t), B{t) - распределение узлов по времени нахождения в эксплуатации соответственно в I, II и III группах;

- ki(t) - соответственно плотность распределения и интенсивность потока переходов узлов из группы I в группу II;

- X.2(t) - соответственно плотность распределения и интенсивность потока переходов узлов из группы II в группу !;

- |i(t) - плотность потока выхода в ремонт или на списание и плотность потока поступлений новых и отремонтированных узлов в эксплуатацию.

В работе получены аналитические выражения для A(t) и B(t) как при отсутствии, так и при наличии системы управления надежностью узлы по состоянию. Эти решения также описывают долю узлы, находящиеся в предотказном состоянии. Эта доля зависит как от периодичности проведения диагностирования, так и от параметров законов

Ь-1

оценка гамма - процентного ресурса при

заданном значении у=90% как ехр

распределения для функций вероятности, являющихся образующими для А.^) и В простейшем варианте (без диагностирования) эти выражения имеют вид

/К0=А,Р1(0. В(0=ВоР2(0е^. (1)-

В работе также использовалась модель оценки периодичности проведения проверок состояния тормозных дисков. Этот шаг выбирается с целью минимальных потерь ресурса и затрат рабочего времени на их расточку в соответствии со статистическими данными (замеров износа), полученными по каждому конкретному предприятию. Построение необходимой модели проведено с использованием известного аппарата граф-схем, описывающго дискретный ряд состояний объекта с тем или иным набором функций перехода между этими состояниями - вершинами граф-схемы (рис.6.). В диссертации в качестве вершин приняты моменты времени, соответствующие фактам механической обработки деталей.

а) распределение техн. состояния б) Граф-схема состояний узлов

Рис.6. Марковская модель изменения состояний узлов

При этом для нахождения функций перехода меяеду состояниями (определяются в каждом конкретном случае для различных деталей) необходимы статистические данные об изменении технического состояния детали в реальных условиях эксплуатации, с учетом оказывающих воздействие на адекватность описания модели краевых условий задачи, таких как разброс значений геометрических параметров новой детали в момент установки на автомобиль, при ее списании и т.д.

Для задачи идентификации состояний узлов в работе предлагается модель скрытой марковской цепи, которая позволяет классифицировать состояния по косвенным признакам на основе накопленной статистики. Модель представляет собой кортеж СММ={5, V, А.}, Х=(А, В, л), где:

1.8={81, Бг..... Эп} - множество состояний модели, где N -

количество состояний, qt - текущее состояние в момент времени I.

2. - алфавит наблюдаемой последовательности.

3. А=||а1)|| - матрица вероятностей переходов, где а^=Р[с/|+1=§ | 1</,/<М.

4. В=||ЬД/()|| - распределение вероятностей появления символов в том состоянии, где Ь//с)=Р№ | с^^], 1</с<М.

5. лгР^З], 1</<М.

СММ генерирует наблюдаемую последовательность: Ои 02.....От,

где 0(еУ, Т - длина последовательности.

Автором предложен алгоритм генерации последовательности, который включает следующие шаги:

Шаг 1. Выбираем начальное состояние я^Э, в соответствии с распределением тт^л!.....лм).

Шаг 2. Устанавливаем 1=1.

Шаг 3. Выбираем 04=ук в соответствии с распределением Ь](к) в состоянии Б,.

Шаг 4. Переводим модель в новое состояние в соответствии

с матрицей переходов ||ай|| с учетом текущего состояния 5|.

Шаг 5. Устанавливаем время ; возвращаемся к шагу 3, если 1<Т; иначе - конец алгоритма.

На основе представленной модели в диссертации решается следующая задача: задана наблюдаемая последовательность 01, 02,..., От и модель Х=(А, В, я). Необходимо вычислить Р(0|Л) -вероятность того, что данная наблюдаемая последовательность построена именно для данной модели.

Рассмотрим вариант подсчета вероятности появления последовательности наблюдений для каждой возможной последовательности состояний модели на примере одной последовательности состояний 0={Яи где д, - начальное

состояние модели. Вероятность появления последовательности О т

равна Р(010Д) = ]~"[Р(0, | д(Д), где имеет место статистическая

(=1

независимость наблюдений. Вероятность совмещения О и О, то есть вероятность их одновременного проявления, выражается произведением Р(0,01 Х)=Р(01 ОД)-Р(ОД). Вероятность появления О - это сумма вероятностей по всем возможным комбинациям состояний я системы: Р(01X) = £Р(° I О»х)' • а

На рис.7, приведена выборочная траектория скрытой марковской цепи изменения состояний узлов, сгенерированная по разработанной модели.

1 1 200 Рис.7. Выборочная траектория скрытой марковской цепи изменения состояний узлов Для решения указанной задачи в диссертации предлагается использовать алгоритмы прямого и обратного хода. При этом а((1) определим как а((/') = = S¡ | А.), то есть вероятность того

что для заданной модели Л к моменту времени I наблюдалась

последовательность О1, 02,..., От и в момент I система находится в состоянии

Для поиска значения а((0 предлагается рекуррентная схема:, 1) Инициализация: ос1(|')=тг,^(01)1 12/<Л/.

~ N

2) Индукция: aM(j) =

2>< ('К

/=1

bj(0M), 1<КГ-1, 1</<Л/.

3) Завершение: Р(01 = £ау(/').

/=1

В процессе апробации приведенный алгоритм показал достаточно высокую сходимость и низкие вероятности ошибочных классификаций.

Далее в работе решается задача построения методики реализации предупредительных замен. Эксплуатация автомобилей, транспортных и технологических машин пороходает потоки на плановые ТО и ремонты, характеризуемые интенсивностью A(t) и неплановые ремонты, квалифицируемые параметром потока отказов oj(t). Сокращение количества и, соответственно, времени неплановых ремонтов THp(t) TW(t) счет предупредительных замен сборочных единиц, узлов и деталей при плановых ТО и ремонтах: T1Hp(t)=THp(t)-ATHp(t)TbpCt)=TRB(ö-ATHpft), где T1Hp(t) и ATHp(t) соответственно продолжительность и сокращение времени неплановых ремонтов при выполнении предупредительных замен узлов и агрегатов. Вместе с тем, это приводит к увеличению времени Т торГО пребывания автомобилей, транспортных и технологических машин в плановых ТО и ремонтах: T1T0p(t)=TT0p(t)+ATT0p(t)TT0?(t) = TT0F(t)+дТторСО, где ATjop(t) - приращение времени на предупредительные замены при плановых ТО и ремонтах. Но приращение ATTOp(t) существенно меньше продолжительности устранения отказов машин: ATTOp(t)«ATHp(t). Нормативное время выполнения ТО и ремонта: TH=T1Hp+T тор- Таким образом, выполнение предупредительных замен позволяв повысить техническую готовность Ь.

т +{ТН+Ктву

' РАБ + /К

учетом приведенных обозначений формула примет вид:

£ ___ТРАБ__

ТГ ~т 4~АТНР +ТТ0Р +АТт0Р)* Ктв / (2)

'РАБ + /к

Задача заключается в минимизации суммарных затрат Cs на обеспечение работоспособности с учетом компенсации простоев машин за цикл эксплуатации:

Ci(0=Co(0 + Спз(0 min, (3)

где Со(0 - суммарные затраты на устранение отказов при неплановом ремонте, Со(0=С3.ч.+Ст+См+Стр+Суш, где Сзч. - стоимость изделия; Ст-стоимость транспортирования ремонтного фонда до места выполнения ремонта; См - стоимость расходуемых материалов при замене изделия;

машин Kjt^-¿-г РАБы \ /—• После некоторых преобразований с

СТр - стоимость работ по устранению отказа; Суш - затраты на компенсацию простоев машин в неработоспособном состоянии; СПз -суммарные затраты на сопутствующие ТО и неплановому ремонту предупредительные замены изделий, СПз=С3.ч.+ См+СТр.

Если сборочные единицы, узлы и детали заменяются после отказов,

то Nüj = j(' m(t)dt = QXJ(t). При предупредительных заменах N0J = Jo':,i xs(t)dt +... +£ = где ©¡¡(t), Q^t) - соответственно

параметр и ведущая функция потока отказов j-й комплектующей на интервале от ¡-1 до i-ой замены. С учётом сделанных предпосылок, целевая функция принимаем вид:

CE(7"u)=[Co,i*Q(Atii)+Co6,n+Cn3,i]/Tu min, (4)

где Соб.п - затраты на п плановых ТО и ремонтов за цикл эксплуатации машин. В первом случае «подбирается» такое At=const, при которой суммарные затраты за цикл эксплуатации t будут минимальны Cj.(Tu)->min. В этом случае предупредительные замены могут выполняться с периодичностью равной наработкам до первого и последующих отказов изделий, а соответствующий минимум затрат на выполнение ТО и ремонтов определяется рассматриваемой для каждого интервала At=var функцией CAii(t)=\Cmij(t)-C0l(At)|->min, где Coj(Af)=Cokj*Qu(t). Минимум функции при i=1 соответствует значению t3ij, при \=2 - величине t32j и т.д.

В результате проведения исследований по надежности формируется база данных (БД), включающая значения СПз(0 и C0(Af) (табл.1. - столбцы 11-12) и описание зависимостей Qi(t) и Q2(t) для каждого узла (рис.8.). После чего вычисляются значения Сд^)=[Спз(0 -Co(Af)*Qj(t)]/T4, которые позволяют сформировать сроки

Рис. 8. Ведущие функции потока отказов у-й комплектующей Проведенный статистический анализ ведущих функций показал наличие очень сильных корреляций как. между всеми попарными зависимостями П^!), так и а также П^) и О20) между собой. Результаты факторного анализа представлены на рис.9.

л

V

eui

tí/s'

0.95 0.96 057 0.98 0.99 1.00 1.01 final

а) информативность главных факторов б) связь первых факторов

Рис. 9. Результаты факторного анализа ведущих функций В результате показано, что через две главные компоненты с точность до 0.01% можно выполнить аппроксимацию ведущих функций всех узлов и агрегатов МПП.

В третьей главе решаются вопросы построения схем и порядка прохождения основных этапов процесса выполнения заказа на техническое обслуживание и ремонт, с учетом формирования запасов.

В диссертации разработан порядок выполнения и схема технологического процесса по ремонту и техническому обслуживанию транспортных и технологических машин (рис.10.), основным результатом которого является своевременное и качественное выполнение заказа.

При открытии заказа оценивается требуемый ремонт и назначается ответственный за выполнение (мастер участка). Далее выполняется этап приемки техники, на котором отмечается номер открытия заказа и требуемого ремонта. Основной результат этапа разборка - техника заказчика, разобранная на узлы. Функция выполняется только в случае капитального ремонта. Для текущего и аварийного ремонта сразу выполняется этап дефектовки, основным результатом которого является перечень узлов и деталей, требующих замены или ремонта.

Этап 5 выполняется только в случае наличия необходимых запчастей на складе участка. В случае отсутствия необходимых запчастей выполняется этап формирование заявки на приобретение запчастей, результатом которого является заявка на приобретение запчастей, переданная в производственный отдел. При этом этапы 6, 7, 8, 9, 10, 11 и 12 выполняются только в случае отсутствия необходимых запчастей на складе участка. В случае наличия необходимых запчастей на складе участка выполняется этап 5, а затем 13 (выполнение ремонтных работ). В результате выполнения 7-го этапа формируется заявка на склад, изготовление, ремонт узлов или заявка поставщику на выполнение субподрядных работ. Также готовится перечень узлов и агрегатов, которые необходимо отремонтировать силами РМЦ (этап 9).

Value Eigenvalues (Befl_OyHjj.sta) Extraction: Principal components

Eigenvalue % Total variance Cumulative Eigenvalue Cumulative %

1 36,39160 98,35567 36,39160 98,3557

2 0,59642 1,61195 36,98802 99,9676

3 0,00912 0,02466 36,99714 99,9923

4 0,00135 0,00364 36,99849 99,9959

5 0,00067 0,00182 36,99916 99,9977

6 0,00048 0,00129 36,99964 99,9990

7 0,00020 0,00055 36,99985 99,9996

8 0,00015 0,00042 37,00000 100,0000

I 1. Заявка 18 i 2. Письмо

Открытие зэка -Ч-

Рис. 10. Порядок выполнения и схема технологического процесса выполнения основного заказа по ремонту техники

Этап 8 - результат: запчасти, выданные на ремонт с центрального склада. В случае отсутствия необходимых запчастей на центральном складе сначала выполняется процедура «закупка ТМЦ». В результате выполнения 10-го этапа отремонтированные узлы и агрегаты предаются в сборочный цех. Этап 11 для ремонта узлов и агрегатов предполагает привлечение сторонней организации. Результатом этапа 12 является полный комплект запчастей, необходимых для выполнения ремонта, перемещенный на участок. Результатом этапа 13 является отремонтированная техника заказчика, после чего подписывается акт выполненных работ. Также возможны процедуры списания и возврат неиспользованных запчастей на центральный склад.

В работе показано, что как модель входного потока, так и случайный процесс управления запасами достаточно адекватно описывается моделями авторегрессии, которая представляет собой последовательность случайных величин удовлетворяющую

стохастическому разностному уравнению при существовании линейной комбинации

Ь + Рг5и+... + Рр-5Ц.= * Ы+р..........(5)

где последовательность ер+1, ер+2, ... является последовательностью независимых и одинаково распределенных случайных величин.

Наиболее простым случаем является уравнение первого порядка £,=-рг£м + е(. Автокорреляционная функция такого процесса равна

г(1) = о2(г^\ . Однако такой процесс не позволяет реализовать

1-РТ

«затянутость» автокорреляционной функции (АКФ). В связи с этим в работе предлагается использование моделей процесса авторегрессии

второго порядка & —Рг^м-Рг-^-г+й-

Для апериодических процессов в случае действительных корней характеристического уравнения автоковариационная функция имеет вид

2

(Х1-Х2)0-Х,Х2)

х:

( + 1

1_ д2

1^1-х,2 1-х.2

(6)

2

где 0<Х1<1 и 0<х2<1. Такие модели процессов авторегрессии 2-го порядка дают возможность моделирования нестационарных процессов с возможность задания начальной динамики развития процесса, что необходимо для реализации моделей развития предприятия при переходе на новые формы организации управления.

Проведенный анализ входных потоков и полученные модели объемов заказов позволяют подойти к решению задачи моделирования эффективности управления запасами. В работе рассмотрены две модели: модель управления с фиксированным диапазоном и модель монотонная политика заказывания.

В случае модели с фиксированным диапазоном задаются два пороговых значения э и Б, 0<s<S<oc). При снижении уровня запаса до э,

производится заказ, с тем, чтобы уровень поднялся до Б. В результате, объем заказа вычисляется как

О, в < < Б

При этом общий запас для данной модели вычисляется на основании

В приведенной модели заказанный объем комплектующих, поставляется всегда, однако возможна некоторая случайная задержка. В плане моделирования интересна ситуация, когда объем поставок также представляет собой набор случайных величин.

В случае монотонной политики также определяется критическое значение х*, и как только уровень запаса становится меньше этой величины {1п<х*), выполняется процедура заказ с немедленной поставкой случайного объема узлов и запчастей Хп+1. Закон распределения считается заданным, а рекуррентное соотношение для моделирования объема запасов определяется как

\1п + Хп+1 -2п<х*

где £п+1 - требование на комплектующие.

В диссертации показано, что как модели управления запасами, так и входные потоки могут быть достаточно адекватно представлены процессами авторегрессии 2-го порядка. Зависимость (6) для автокорреляционной функции процесса авторегрессии путем замены переменных х^=е'с1 , х2=е'Сг приводится к виду

г(0 = а2(сце^1' + а2е"С2'), (10)

где с^О и с2>0 параметры автоковариации, а е"°1 (1 - е~2°7) е~с'(1-е'2С2 )

функции параметров С\ и с2. Полученная аппроксимация (10) включает экспоненциальную, как частный случай.

Варьируя указанными параметрами, можно моделировать достаточно широкий класс автокорреляций. На рис.11, приведены графики автокорреляционных функций, полученных при различных комбинациях значений параметров с1 и с2.

В результате проведенного анализа можно сделать следующие выводы: минимум из параметров с, и с2 определяет длину интервала, на котором корреляция существенна. Разность между параметрами с^ и с2 определяет вид АКФ при малых значения ?. Чем меньше разность, тем более пологая автоковариация в начале. Как видно из графиков,

а, = ——1—__Сг —и а2 (определяется аналогично) -

варьируя параметры с^ и с2, можно добиться большого разнообразия в поведении функции.

Для различных характеристик процессов были смоделированы временные ряды (рис.12.). Видно, что полученные ряды носят достаточно различный характер, на что указывает автокорреляционная функция (рис.13.)

а) б)

Рис. 11. Аппроксимация АКФ

Рис. 12. Выборочные траектории временных рядов авторегрессии

а) ряд х1 б) ряд х1

Рис. 13. Автокорреляционные функции временных рядов В результате проведения экспериментов по моделированию и оценке характеристик результирующих процессов показано, что

полученные модели достаточно адекватно соотносятся к исходным временным рядам для обследованных автотранспортных предприятий.

Оптимизируемая система рассматривается как совокупность N типов нерезервированных сменных модулей, для каждого из которых заданы стоимость одного модуля (\л/), а также значения интенсивности внезапного отказа в отключенном (ЛО) и включенном (Х1) состояниях. Систему характеризуют суммарная стоимость (Щ и вероятность обеспеченности запасными частями (Р) при известных временах нахождения системы в выключенном (у и включенном (У состояниях.

В работе рассматриваются две постановки оптимизационной задачи.

Задача 1. Найти количество запасных модулей каждого типа (г) для минимизации стоимости запасных частей при ограниченной вероятности обеспечения ЗИП:

где Pz - заданное значение вероятности обеспечения ЗИП.

Задача 2. Найти количество запасных модулей каждого типа (z), для максимизации вероятности обеспечения ЗИП при ограниченной стоимости:

jz = arg тах(Р)

[w-z<Wz ' (12)

где Wz - заданное значение стоимости ЗИП.

В задачах (11) и (12) вероятность обеспеченности системы ЗИП составляет:

где = (Л0„ ■ Ю + А1„ ■ И) • х„; хп - количество модулей п-го типа (без

учёта ЗИП) в системе; Х0п , А.1п - интенсивности отказов модуля п-го типа.

Задачи (11) и (12) относятся к классу нелинейных целочисленных оптимальных задач с неотрицательными аргументами и характеризуются следующими особенностями:

- с помощью логарифмирования выражения (13) задачи могут быть приведены к сепарабельному виду;

- если для системы в целом Р> Рг, то это условие справедливо и для каждого типа модулей, образующих систему.

Задача оптимизации приведена к итерационной процедуре последовательного расчета функций:

z = arg min(w z)

P>Pz

(11)

(13)

На каждой итерации процедуры с учётом ограничений определяется приоритетное направление

nopt = arg тах{ f(z +1, sn, w) - f(z, s„, w)}. (15)

В диссертации проведены расчеты для различных комбинаций резервирования запчастей с точки зрения двух поставленных задач (рис.14.).

а) вероятность б) стоимость

Рис.14- Показатели обеспечения надежности при вариацией количеством узлов и агрегатов В четвертой главе разработана информационно-аналитическая система поддержки управленческой деятельности по формированию политики управления запасами для проведения ТО и ремонта.

В диссертации разработана система информационной поддержки Сопровождение данных о текущем состоянии и истории ремонта обслуживаемой техники (рис.15.), которая включает подсистемы регистрации перечня техники, регистрации данных о выполненных ТО и ремонтах, а также формирования отчетов о текущем состоянии и истории ремонта обслуживаемой техники.

Результатом процедуры 1 являются зарегистрированные в информационной системе перечни обслуживаемой техники. К входящим документам относится перечень транспортных и технологических машин, подлежащих ремонту и техническому обслуживанию с основными реквизитами: заказчик, перечень машин и др.

Результатом выполнения процедуры 2 - зарегистрированные в информационной системе данные о текущем состоянии и истории ремонта техники. К входящим документы относится акт выполненных работ с основными реквизитами: номер акта, дата, номер заказа, заказчик, отремонтированная техника, перечень запчастей, фактически использованных при ремонте, фактически выполненные работы, фактически понесенные трудозатраты.

Процедура 3 формирования отчетов о текущем состоянии и истории ремонта обслуживаемой техники постоянных заказчиков включат табличные и графические формы в информационной системе по: машине, заказчику, датам, видам работ и т.д.

Рис. 15.

Регистрация перечня Перечень !

обслуживаемой [ техники |

техники заказчика [ заказчика |

тшшгвшщ^

Регистрация данных о выполненных ТО и ремонтах

текущем состоянии техники

текущем В состоянии 1 ^ техники ^Д Формирование отчетов о текущем состоянии и истории обслужив, техники Отчеты о тек. | состоянии и 1 истории ремонта |

Информационная система поддержки регистрации перечня обслуживаемой техники заказчика

К исходящим документам относятся: заказчик, марка машины, гаражный номер, номер шасси, наработка в моточасах, участок, производивший ремонт, номер договора, дата выполнения работ, номер акта выполненных работ, вид работ (ТО, ТР, КР, АР), ремонтируемая система (ДВС, ходовая, гидравлика и т.д.), выполненные работы, исполнитель работ, сумма по работам, установленные запчасти, сумма по запчастям, закупленные запчасти, запчасти, изготовленные в ремонтно-механическом цехе, запчасти, изготовленные силами субподрядной организации.

Далее в диссертации приведен пример практического приложения методики. Исходными данными для расчетов послужили: карта надежности механизма подъема платформы; примерные затраты на устранение отказов и принудительные замены агрегатов механизма подъема платформы автомобилей-самосвалов семейства МАЗ. На основе параметров законов распределения строятся ведущие функции потоков отказов, как для новых, так и для комбинации новых и восстановленных агрегатов, исходя из условия, что мы наблюдаем общий процесс восстановления. Определяется оптимальная наработка машины до первой и последующих замен выбранного узла

См (0 = ^ " С° ^' П> , где Д соответствует зависимостям

(рис.8.), а СПз(0 и С0(ЛО столбцам 11-12 табл.1. На основании минимизации полученных значений показателей (рис.16.) получаем результат оптимизации первой и последующих замен.

Так, например, наработка машины с начала эксплуатации до первой предупредительной замены уплотнительного кольца составит 86400 км., а все последующие предупредительные замены агрегата происходят через каждые 76800 км. Проведя аналогичные расчеты для остальных элементов лимитирующих надежность, строится оптимальная программа обслуживания МПП (рис.17.).

Узел 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Пружина крана управления

Манжета насоса ; - :

Пара втулки-шестерня насоса

2-я выдвижная труба

Головка г/ц

1-я выдвижная труба

Уплотшгтелъные кольца г/ц

Диафрагма КОМ

Вал шлицевой

Шестерня КОМ

Рис. 17. Рекомендуемая программа обслуживания МПП

Таким образом, группированием предупредительных замен изделий относительно плановых ТО и ремонтов формируется оптимальная программа (рис.17.) Это позволяет оценить объем работ, номенклатуру и количество запасных частей за цикл эксплуатации автомобиля, транспортной или технологической машины.

Приложение диссертации содержит документы об использовании результатов работы.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ, которые приведены в списке публикаций.

Основные выводы и результаты работы

1. Выполнен системный анализ методов организации технического обслуживания и ремонта автомобилей, транспортных и технологических машин с учетом показателей надежности узлов и агрегатов.

2. Проведен статистический анализ потоков заявок ряда автотранспортных предприятий на запчасти и комплектующие

различных групп и типов оборачиваемости и выявлены взаимосвязи между различными группами и предприятиями.

3. На примере механизма подъема платформы выполнено исследование потоков отказов узлов и деталей транспортных и технологических машин, которое позволило оценить параметры распределений вероятности для моделей формирования запасов в системе управления и организации технического обслуживания и ремонта.

4. На основе скрытых марковских процессов разработаны модели диагностики и идентификации состояния узлов и агрегатов, позволяющие по косвенным признакам распознавать техническое состояние техники.

5. Разработана методика оптимизации предупредительных замен, позволяющая снизить расходы и повысить состояние готовности машин.

6. Разработан порядок прохождения и схема технологического процесса выполнения основных этапов заказа на техническое обслуживание и ремонт, которая интегрирует модели реализации производственного цикла и согласует параметры интерфейсного взаимодействия.

7. Разработаны модели входных потоков и рекуррентных схем процессов управления запасами, позволяющие для выбранной политики формирования пакета заявок на определенные типы комплектующих, оценить вероятности отказов.

8. Разработан метод оптимизации комплекта запасных частей восстанавливаемых систем, направленный на реализацию методики предупредительных замен.

9. Разработана подсистема информационной поддержки процессов управления запасами для ремонта и технического обслуживания транспортных машин.

Публикации по теме диссертационной работы

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Чернявский А.И. Принятие рациональных решений при проектировании сборочных схем / А.Н.Божко, А.А.Ивахненко, А.И.Чернявский, А.А.Солнцев, П.А.Товкач II Наука и образование: Электронное научно-техническое издание. М.: МГТУ им. Баумана, 2012. № 10. DOI: 10.7463/1012.0475116 http://technomaq.edu.ru /doc/475116.html.

2. Чернявский А.И. Методика оптимизации предупредительных замен в задаче планирования производственного цикла ремонтного предприятия / Барышников A.B., Чернявский А.И., БорщВ.В., Моисеев А.Н. // Наука и образование: Электронное научно-техническое издание. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. № 8. DOI: http://dx.doi.org/10.7463/1994-0408.0512-351140.400544.

3. Чернявский А.И. Статистическое моделирование поставок комплектующих в сети ремонтных предприятий автомобильной

промышленности / Барышников A.B., Чернявский А.И., Борщ В.В. // Наука и образование: Электронное научно-техническое издание. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. № 8. DOI: http://dx.doi.org/10.7463/1994-0408.0512-351140.400544.

Публикации в других издательствах:

4. Чернявский А.И. Постановка задачи моделирования обмена информационными и материальными ресурсами в рамках промышленного объединения / П.С.Якунин, А.И.Чернявский, А.Н.Моисеев, А.В.Барышников // Методы и модели автоматизации поддержки управленческих решений. 2011. - С.107-116

5. Чернявский А.И. Имитационная модель сетевого планирования программ развития в условиях стохастической неопределенности / А.И.Чернявский, А.Н.Моисеев, П.С.Якунин И Информационное обеспечение систем поддержки принятия решений: сб. науч. тр. МАДИ. - М.: МАДИ, 2012. - С.40-47.

6. Чернявский А.И., Строганов В.Ю. Модели Марковских цепей в задачах диагностики и моделирования надежности узлов и агрегатов / А.И.Чернявский, В.Ю.Строганов // Информационное обеспечение систем поддержки принятия решений: сб. науч. тр. МАДИ. - М.: МАДИ, 2012.-С. 60-69.

7. Чернявский А.И. Моделирование входных потоков отказов агрегатов и узлов в системе управления запасами авторемонтного предприятия / А.И.Чернявский // Информационное обеспечение систем поддержки принятия решений: сб. науч. тр. МАДИ. - М.: МАДИ, 2012. -С. 52-60.

8. Чернявский А.И. Автоматизация управления запасами предприятия с учетом потока отказов / А.И. Чернявский II Автоматизация и управление в технических системах. - 2013. - № 3(5); URL: auts.esrae.ru/5-106 (дата обращения: 18.11.2013).

9. Чернявский А.И. Марковская модель периодичности диагностирования узлов и агрегатов / А.И. Чернявский, В.Ю. Строганов // Автоматизация и управление в технических системах. - 2013. - № 3(5); URL: auts.esrae.ru/5-107 (дата обращения: 18.11.2013).

Подписано в печать: 26.11.2013 Тираж: 100 экз. Заказ № 1084 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект д.74 (495)790-47-77 www.reglet.ru

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

04201450479

ЧЕРНЯВСКИЙ Алексей Игоревич

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТНЫХ СХЕМ И ПРЕДУПРЕДИТЕЛЬНЫХ ЗАМЕН ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ЗАПАСОВ УЗЛОВ И АГРЕГАТОВ АВТОТРАНСПОРТНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Строганов В.Ю.

Москва - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................4

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И МОДЕЛЕЙ ОРГАНИЗАЦИИ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА АВТОМОБИЛЬНОЙ ТЕХНИКИ......................................................................9

1.1. Анализ функций и задач построения распределенной системы управления автотранспортным предприятием.....................................................9

1.1.1. Общие принципы эксплуатации ТТМ, влияющие на особенности организационной структуры автотранспортного предприятия.......................12

1.1.2. Описание основных типов ремонтных работ и технического обслуживания........................................................................................................14

1.1.3. Особенности организации процессов ТО и ремонта...........................15

1.2. Организация технологического процесса ремонта на автотранспортном предприятии...........................................................................................................21

Подготовка и сдача машины в ремонт............................................................25

Разборка машин.................................................................................................27

Дефектация соединений и деталей..................................................................29

Комплектование и сборка составных частей машин.....................................29

Обкатка и испытание........................................................................................30

1.3. Анализ методов исследования операций в задачах оптимизации организации ТО и ремонта ТТМ.........................................................................31

1.4. Основные понятия теории надежности...................................................35

1.5. Формализованные методы и модели описания случайных процессов потоков отказов узлов и агрегатов......................................................................38

1.5.1. Методы прогнозирования временных рядов........................................40

1.5.2. Анализ трендов и сглаживание..............................................................43

1.5.3. Основные свойства цепей Маркова......................................................47

1.6. Анализ программных технологий динамического управления потоками запчастей и комплектующих................................................................................50

1.7. Этапы процесса управления ремонтными работами..............................54

Выводы по главе 1.............................................................................................55

2. МОДЕЛИ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ В ЗАДАЧАХ УПРАВЛЕНИЯ

ПРЕДУПРЕДИТЕЛЬНЫМИ ЗАМЕНАМИ..................................................56

2.1. Статистический анализ..............................................................................56

2.2. Исследование отказов деталей механизма подъема платформы..........58

2.3. Марковская цепь периодичности замен..................................................61

2.4. Подбор закона распределения для наработки на отказ..........................65

2.5. Влияние факторов нестабильности на характер связи законов распределения и их параметров...........................................................................69

2.6. Построение скрытой Марковской цепи идентификации неисправностей......................................................................................................76

2.7. Методика оптимизации предупредительных замен...............................78

Выводы по главе 2.............................................................................................85

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОТОКОВ ПОСТАВОК И УПРАВЛЕНИЯ ЗАПАСАМИ УЗЛОВ И АГРЕГАТОВ АВТОТРАНСПОРТНОГО ПРЕДПРИЯТИЙ.................................................................................................86

3.1. Порядок прохождения основных этапов процесса выполнения основного заказа....................................................................................................86

3.1.1. Процесс учета движения запчастей на центральном складе..............88

3.1.2. Процесс учета движения запчастей на участках.................................91

3.1.3. Процесс планирования, учет и контроль перемещения запчастей между центральным складом и участками.........................................................94

3.2. Экономические факторы формирования запасов...................................97

3.2.1. Минимизация издержек при формировании склада...........................97

3.2.2. Определение оптимального размера запаса.......................................101

3.3. Разработка рекуррентных моделей хранения и запасов......................104

3.4. Моделирование потоков заказов и запасов моделями авторегрессии второго порядка...................................................................................................109

3.5. Оптимизация комплекта запасных частей восстанавливаемых систем...................................................................................................................114

Выводы по главе 3...........................................................................................116

4. РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ ЗАПАСАМИ ДЛЯ

РЕМОНТА И ТЕХНИЧЕСКООГО ОБСЛУЖИВАНИЯ..........................117

4.1. Описание функций системы информационной поддержки сопровождение данных о текущем состоянии ремонта ТТМ........................117

4.2. Контекстные диаграммы описания деятельности склада....................118

4.3. Методика выявления показателей надежности механизма подъема платформы...........................................................................................................123

4.4. Влияние загрузки и вида функции распределения на погрешность модели оценки надежности вложенных узлов и агрегатов............................130

Выводы по главе 4...........................................................................................135

Заключение...................................

Литература ..................................

Приложение. Акты о внедрении

139 152

ВВЕДЕНИЕ

Основным звеном автосервиса являются станции технического обслуживания, взаимодействующие как с индивидуальными владельцами, так и автотранспортными предприятиями. Спрос на услуги постоянно возрастает, что объясняется рядом факторов, а именно: зачастую создаваемые предприятия не планируют формировать ремонтную базу, рассчитывая на услуги автосервиса; для снижения себестоимости действующие предприятия освобождаются от ремонтных цехов; потребители новейших моделей не могут и не хотят ремонтировать их сами, стараясь избежать дополнительных затрат на специализированное оборудование и обучение ремонтников. Однако для крупных автотранспортных предприятий целесообразно иметь свою ремонтную базу. При этом услуги можно разделить на следующие основные группы: профилактические, направленные на регламентное обслуживание (выполняется диагностика, крепежные, контрольные, смазочные и регулировочные работы через определенный пробег; ремонтные — выполняются для устранения появившихся неисправностей и восстановления его работоспособности (замена или ремонт узлов, приборов, агрегатов, а также кузовные, слесарно-механические, электромеханические работы и др.); обеспечение эксплуатации — снабжение топливом маслом, тосолом и др. При этом задача моделирования надежностных схем и предупредительных замен для формирования запасов узлов и агрегатов автотранспортного предприятия достаточно актуальна.

Предметом исследования являются система технического обслуживания (ТО) и ремонта транспортных и технологических машин.

Целью работы является повышение эффективности ТО и регламентных работ за счет моделирования надежностных схем и процессов управления запасами для плановых и предупредительных замен узлов и агрегатов.

Для достижения данной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Системный анализ методов организации ТО и ремонта транспортных и технологических машин с учетом показателей надежности узлов и агрегатов.

2. Статистический анализ потоков заявок на запчасти и комплектующие различных групп и типов.

3. Разработка моделей диагностики и идентификации состояния узлов и агрегатов на основе скрытых марковских процессов.

4. Разработка методов и алгоритмов реализации процедур предупредительных замен, порядка прохождения и схемы технологического процесса выполнения основных этапов заказа на ТО и ремонт.

5. Разработка моделей входных потоков и рекуррентных схем процессов формирования комплекта запасных частей восстанавливаемых систем.

6. Разработка и апробация подсистемы информационной поддержки процессов управления запасами для ремонта и технического обслуживания.

Научная новизна работы состоит в разработке методов, моделей, алгоритмов и методики комплексного анализа, моделирования и оптимизации стратегий управления запасами для ТО и ремонта транспортных и технологических машин.

На защиту выносятся:

® результаты статистического анализа для параметризации моделей входных потоков отказов и заказов на узлы и агрегаты;

• модели Марковских процессов идентификации состояний в процедуре диагностики неисправностей узлов и агрегатов;

• методика формирования графика реализации процесса предупредительных замен;

• методика формирования комплекта запасных частей восстанавливаемых систем.

Диссертация состоит из четырех глав, в которых приводится решение поставленных задач.

В первой главе проведен анализ методов и моделей организации технического обслуживания и ремонта. Показано, что основные подходы к построению методик автоматизации и управления опираются на положения теории надежности и моделирования случайных процессов при формировании моделей управления запасами запчастей и комплектующих для проведения ремонтных работ. Был проведен анализ существующих принципов оценки надежности узлов и агрегатов и рассмотрены работы по резервированию А.И.Селиванова, А.Д.Соловьева, Р.Баршоу, А.Л.Райкина, А.М.Половко, В.С.Нассонова, А.С.Гальперина, И.Е.Дюмина, С.Б.Норкина и ряда других российских и зарубежных авторов. В этих работах, в основном, рассмотрены системы, которые работоспособны только тогда, когда количество исправных элементов не менее количества основных, что означает последовательное соединение элементов в системе, так как «последовательным соединением при расчетах надежности называется такое соединение элементов, при котором отказ хотя бы одного из них приводит к отказу всего соединения в целом». Любое предприятие представляет собой систему, т.е. совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих компонентов. В нем движутся материальные, финансовые и информационные потоки. На нее воздействуют различные внешние факторы.

Во второй главе разработаны модели оценки надежности узлов и агрегатов для формирования процедур управления заказами комплектующих для проведения технического обслуживания и ремонта.

Решение задачи синтеза управления поставками, в первую очередь основывается на прогнозе различных финансовых показателей. В работе проведен анализ динамики потоков заказов по ряду предприятий, входящих в зону обслуживания сети ремонтных предприятий. В работе проведено упорядочения предприятий по объему потоков. Показано, что на 5 из 200 предприятий приходится почти 20% потока. Для первых трех проведен более детальный анализ потоков. Для апробации моделей отказов в работе проведен статистический анализ. Получены основные характеристики

распределений по времени наработки на отказ и пробегу. По имеющимся данным выполнена аппроксимация функций распределения: для времени наработки на отказ - нормальным законом; для пробега - логнормальным.

Для определения оптимальной периодичности диагностирования узлов была разработана модель, описывающая изменение эксплуатационного состояния. Все узлы, находящиеся в эксплуатации, были разбиты на три группы: узлы, по своим параметрам удовлетворяющие нормативам, соответствующим сезону эксплуатации; узлы, сохраняющие работоспособность, но по своим параметрам не удовлетворяющие действующим нормативам; узлы, находящиеся в ремонте, новые узлы, подготавливаемые к эксплуатации и узлы, подлежащие списанию. Для задачи идентификации состояний узлов в работе предлагается модель скрытой марковской цепи, которая позволяет классифицировать состояния по косвенным признакам на основе накопленной статистики.

В третьей главе решаются вопросы построения схем и порядка прохождения основных этапов процесса выполнения заказа на техническое обслуживание и ремонт с учетом формирования запасов. Разработан порядок выполнения и схема технологического процесса по ремонту и техническому обслуживанию дорожно-строительной и подъемно-транспортной техники заказчика, основным результатом которого является своевременное и качественное выполнение заказа.

В работе показано, что как модель входного потока, так и случайный процесс управления запасами достаточно адекватно описывается моделями авторегрессии, которая представляет последовательность случайных величин, удовлетворяющая стохастическому разностному уравнению. Проведенный анализ входных потоков и полученные модели объемов заказов позволяют подойти к решению задачи моделирования эффективности управления запасами. В работе рассмотрены две модели: модель управления с фиксированным диапазоном и модель монотонная политика заказывания.

Систему характеризуют суммарная стоимость и вероятность обеспеченности запасными частями при известных временах нахождения системы в выключенном и включенном состояниях.

В четвертой главе решается вопрос построения информационно-аналитической системы поддержки управленческой деятельности по формированию политики управления запасами для проведения ТО и ремонтов. Разработана система информационной поддержки Сопровождение данных о текущем состоянии и истории ремонта обслуживаемой техники постоянных заказчиков, которая включает подсистемы регистрации перечня техники заказчика, регистрации данных о выполненных ТО и ремонтах а также формирования отчетов о текущем состоянии и истории ремонта обслуживаемой техники постоянных заказчиков. Приведен пример практического приложение методики. Исходными данными для расчетов послужили: карта надежности механизма подъема платформы; примерные затраты на устранение отказов и принудительные замены агрегатов механизма подъема платформы автомобилей-самосвалов семейства МАЗ.

Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов определяется предварительным статистическим анализом потоков заказов в ряде предприятий и согласованностью результатов аналитических и имитационных моделей. Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами внедрения результатов работы в ряде крупных предприятий, занимающихся техническим обслуживанием и ремонтом транспортных машин.

Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до практического использования. Они представляют непосредственный интерес в области управления автотранспортными предприятиями. Методы и алгоритмы, а также программные средства могут быть использованы при решении задач моделирования и управления запасами узлов и комплектующих для технического обслуживания и ремонта транспортных машин. Разработанные методы и алгоритмы прошли апробацию и внедрены

для практического применения в ряде предприятий а также используются в учебном процессе на кафедре АСУ МАДИ.

Апробация работы

Содержание отдельных разделов и диссертации в целом было доложено и получило одобрение:

• на Российских и межрегиональных научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах (2010-2013гг.);

• на заседании кафедры АСУ МАДИ.

Совокупность научных положений, идей и практических результатов исследований в области автоматизации процессов управления представляет интерес для теоретических и практических методов поддержки принятия решений по организации управления на АТП.

Материалы диссертации отражены в 8 печатных работах.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 138 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 13 таблиц, список литературы из 133 наименований и приложения.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И МОДЕЛЕЙ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

ОРГАНИЗАЦИИ И РЕМОНТА

В первой главе проведен анализ методов и моделей организации технического обслуживания и ремонта. Показано, что основные подходы к построению методик автоматизации и управления опираются на положения теории надежности и моделирования случайных процессов при формировании моделей управления запасами запчастей и комплектующих для проведения ремонтных работ.

1.1. Анализ функций и задач построения распределенной системы управления автотранспортным предприятием

Транспортные и технологические машины (ТТМ) используются при строительстве, содержании, ремонте автомобильных дорог, а также в гражданском, гидротехническом, промышленном, аэродромном строительстве.

ТТМ можно классифицировать следующим образом [61]:

- автогрейдеры;

- автомобильные краны - сооружения, механизмы для подъема и перемещения грузов;

- бетоносмесители - машины для приготовления бетона;

- бульдозеры - приспособления у �