王华

摘 要：当设备采用故障检查作为预防性维修策略时，考虑到故障检查时开机会造成设备退化，并且设备的待命状态和工作状态的故障规律不同，本文建立故障检查策略仿真流程，给出基于蒙特卡罗方法的仿真算法，以设备可用度最大作为决策目标，可确定最佳的检查间隔期。通过案例验证了算法的有效性，得出某设备的期望可用度取最大值0.79时，需采用的检查间隔期为20h的结论。

关键词：故障检查策略 维修间隔期 蒙特卡罗仿真 可用度

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）02（c）-0072-03

灭火器、保护装置、冗余设备以及许多军事装备系统，只在突发情况下工作，平时并不发挥功能作用，无法应用功能检测策略。平时设备如果不检查，就无法知道其是否故障。为了确保该类设备的可靠度，就需要定期检查其是否发生故障，如果故障则换新或修复如新；如果检查过于频繁，不仅降低设备可用度，还会造成设备退化过快；如果检查频率过低，就会使设备长时间停留在故障状态，降低了可用度，因此需要确定合适的维修间隔期，这就是故障检查策略[1]，是预防性维修策略的一种。文献[1]基于对故障检查时间、修理时间和检查是否会引起故障的不同假设，研究了故障检查策略的四种可用度模型，获得了最佳检查间隔期；文献[2]针对复杂系统的故障特征并考虑不完善检查和不等间隔检查的情况，运用概率和随机过程原理建立了復杂系统故障检查决策模型；文献[3]对产品的多种检查维修情况进行分析，建立起故障检查模型获得了最大可用度对应的检查间隔期。

然而，目前少有文献考虑到故障检查启动设备会造成设备退化，退化会增加故障的风险；故障检查作为一项例行工作，所耗费的时间可视作常数；而设备由于其故障模式不同，其故障修复的时间适合用随机变量来描述。设备处于待命状态（不开机或不承担工作负载）时可能发生的故障模式，与设备一直运转时所发生的故障模式不同，因此两种状态所对应的故障规律也不同。实践中，检查过程中会同步开展一些必要的保养工作，能够消除设备刚刚经历的这段待命时间给可靠性带来的负面影响，但保养工作无法消除设备在历次检查时被启动所造成退化。在这种情况下，采用解析的方法建立与求解检查间隔期模型是困难的，本文基于蒙特卡罗方法[4，5]，建立了故障检查仿真流程并给出了仿真算法，用于制定某设备的故障检查间隔期。

1 参数定义和假设前提

检查工作需要开启设备，即检查本身可能导致故障发生，故障概率为，为该设备自从上次被换新（修复如新）后，距离现在已经累计开启的时间。设备在平时不承担工作负载，按固定间隔期T进行例行检查，设备故障率为常数。

1.1 假设前提

（1）采用完善的检查技术，即凡有故障一定能被检查出来，然后立即安排维修；如果是本次检查时开机运行导致设备故障的，那么该故障一定会在本次检查中被发现；只有在本次检查完毕且维修完毕后（如果需要维修），才开始计时，直到T时刻到来后再检查。

（2）故障维修时间是随机变量；检查保养的时间可视为常数，；每次检查保养过程中，设备的平均运转时长为。

1.2 参数定义

（1）：待命状态下设备的故障分布函数；：开机状态下设备的故障分布函数；：维修时间分布函数。

（2）：设备的期望可用度。

2 仿真流程及算法

本文提出的情形中，是随着累计开机时间的增加而增加的，设备某一时刻的瞬时可用度与它之前经历过的开机次数有关，而开机次数并不确定，所以可用度不再是周期为T的函数，写出本情形的解析式模型将变得非常复杂，而相对容易的是，采用蒙特卡罗仿真方法求解出可用度稳定的近似解。

2.1 业务定义

（1）维修业务：代号M；将设备被记录的开机时长置零，登记设备的维修耗时（不可用时长，随机变量）。登记维修结束的时刻，作为“当前时刻”。

（2）检查保养业务：代号C；登记设备的检查保养耗时（不可用时长，常数），登记本次设备的开机运行时长，判断系统是否故障。登记检查保养结束的时刻，作为“当前时刻”。

2.2 仿真流程

Step1：对待命状态下的设备寿命进行随机抽样，获得寿命。如果满足≤T，执行Step2，否则执行Step3。

Step2：登记设备等待T时刻到来的时长（不可用时长），执行C，再执行M，执行Step4。

Step3：执行C。汇总设备的总开机时长，利用函数随机抽样，判断设备是否因为开机运行而发生故障，如果故障，立即执行M；否则执行C。执行Step4。

Step4：一次周期执行完毕，计算全部已经历的周期的总不可用时长以及总时长，计算。继续执行Step1，直到总时长到达服役期限，停止循环，输出，完成一次仿真。

3 案例应用

某冗余设备适合采用故障检查策略，在待命状态下故障分布函数为，在开机运行状态下故障分布函数为，平均检查保养时长为，检查时平均每次开机时长，每次故障的维修时长服从分布函数为，且2h≤≤10h。求设备最佳检查间隔期T，使长期使用的期望可用度最大。

利用本文提出的仿真算法，得出当T取不同值时对应的可用度如图1所示，可用度随着T的增加先升后降，符合实践情况；当T取20h时，期望可用度取最大值0.79。

4 结语

考虑到故障检查时开机会造成设备退化，并且设备的待命状态和工作状态的故障规律不同，本文分析了设备实际工作过程，基于蒙特卡罗方法建立了仿真流程和算法，可用于求解设备最大的可用度对应的检查间隔期，经案例验证，仿真结果符合实践情况，可知故障检查间隔期设定得过大或过小，都会影响设备的可用度；当检查间隔期为20h时，某设备的期望可用度取最大值0.79。在本文的基础上，可进一步研究当故障无法被完全检查出来时的检修策略。

参考文献

[1] 贾希胜.以可靠性为中心的维修决策模型[M].北京：国防工业出版社，2007.

[2] 赵建民，张森林，田燕.潜在故障检查策略及案例研究[J].中国机械工程，2009（23）：2832-2836.

[3] 谷玉波，贾云献，张英波.基于可用度分析的故障检查间隔期的确定[J].计算机与数字工程，2012，40（1）：42-45.

[4] 赵思桥，刘井泉.蒙特卡罗方法在维修过程仿真中的应用研究[J].核科学与工程，2011，31（4）：299-304.

[5] 杨为民，盛一兴.系统可靠性数字仿真[M].北京：航空航天大学出版社，1990.