统计过程控制与维修决策集成优化模型研究

摘要

统计过程控制（Statistical Process Control，SPC）与维修决策是保证产品质量与提高系统可靠型的两种常用手段。前者通过合理的监控手段以提前发现过程异常，防止质量特性偏移导致大量劣质产品和高昂成本代价。后者通过合理的维修策略来提高系统可用度，防止设备状态劣化和失效故障导致的系统崩溃和生产中断。二者在质量控制方面具有紧密联系，对生产成本有着重要影响。
　　本文在深入总结分析前人研究成果后，以产品制造过程为研究背景，以系统的经济性能最优为目标，建立了统计过程控制与维修决策的集成优化模型。模型基于随机过程理论和可靠性工程理论，通过分析生产系统要素之间内在关联，分别从质量特性的均值偏移量变化模式、系统失效机制、控制图类型的选择、平均运行链长的计算方法等多个角度，对生产系统中的过程监控策略与维修计划的联合决策模型中的相关问题进行了较为深入的理论研究。本文主要研究内容和成果如下：
　　针对过程质量特性的均值偏移随时间变化的情况，提出了过程单一失效机制下的统计过程控制与维修决策的集成优化模型。利用均值控制图对过程质量特性进行监控，若产生警报信号，则对过程实施预防性维修；若在一段时间内皆无警报信号，则对过程实施计划维修。在此基础上建立集成模型基本框架。分析了随时间递增型质量特性的均值偏移对控制图统计性能与失控成本的影响，基于随机过程、更新过程与可靠性理论，以生产系统平均成本最小为目标，建立了数学模型，并采用禁忌搜索算法进行求解。分别针对偏移量呈线性函数、二次函数和指数函数变化，在与SPC模型、计划维修模型的对比实验中证实了本文所提集成模型的经济优越性。
　　针对由质量过程与生产设备组成的系统，提出了混合失效机制下基于延迟监控策略的统计过程控制与维修决策的集成优化模型。分析了质量过程与设备的内在关联与相互作用，提出了包含过程失控与设备故障的混合型失效机制。提出基于延迟监控策略的均值控制图，结合四种不同维修手段，构建了固定质量偏移下包含十种场景的集成优化模型。采用蒙特卡洛模拟方法对模型有效性进行了仿真验证，利用了遗传算法对模型进行求解，并与全过程监控集成模型的性能进行了对比。
　　针对质量特性的均值偏移为随机分布的情况，建立了经济-统计最优的指数加权移动平均（Exponentially Weighted Moving Average，EWMA）控制图与预防性维修集成优化问题。建立了包含过程受控、失控未检出和失控检出维修三个阶段的更新过程。提出了通过计算偏移量超出规格界限的概率来计算缺陷产品质量损失的方法，建立了以平均成本最小为目标的EWMA控制图成本模型。研究了基于马尔科夫方法的多个观测样本下单变量EWMA控制图平均运行链长计算方法，将平均警报时间作为约束，构建了经济-统计型控制图优化模型。采用了遗传算法对所建模型进行求解，并在不同质量偏移分布下，对比了均值控制图、传统EWMA控制图的性能。
　　针对过程失控与设备故障混合失效机制，建立了混合失效机制下多变量EWMA控制图与维修决策集成优化模型。研究了基于马尔科夫链方法的多观测样本下多变量 EWMA控制图平均运行链长计算方法，联合了预防性维修和故障维修两种方式，建立了经济-统计型多变量 EWMA控制图与维修决策集成优化模型。采用了粒子群算法对模型进行了求解，并对比了单纯经济型多变量EWMA控制图的性能。
　　在上述理论研究的基础之上，设计和开发了支撑统计过程控制与维修决策集成优化的原型系统，并以某汽车发动机连杆盖螺栓装配过程为应用案例，对统计过程控制和维修集成控制策略进行了验证。
　　最后，对全文研究成果及创新点进行了总结归纳，并指出了未来可继续研究的方向。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 课题来源

1.3 课题目的与意义

1.4 国内外研究现状

1.5 组织结构与主要内容

2 统计过程控制与维修决策集成优化模型的总体研究框架

2.1 集成优化模型的基本关注点

2.2 研究思路与总体研究框架

2.3 基本假设与符号定义

2.4 本章小结

3 单一失效机制下基于时变偏移的均值控制图与维修决策集成优化模型研究

3.1 单一失效机制

3.2 基于时变偏移的集成优化模型

3.3 两种对比模型

3.4 算例求解与分析

3.5 本章小结

4 混合失效机制下基于延迟监控的均值控制图与维修决策集成优化模型研究

4.1 混合失效机制

4.2 基于延迟监控的集成优化模型

4.3 蒙特卡洛仿真验证

4.4 无延迟监控的对比模型

4.5 算例求解与分析

4.6 本章小结

5 单一失效机制下基于随机偏移的EWMA控制图与维修决策集成优化模型研究

5.1 EWMA控制图基本理论

5.2 EWMA控制图平均运行链长

5.3 基于随机偏移的质量损失函数

5.4 单一失效机制下基于随机偏移的集成优化模型

5.5 算例求解与分析

5.6 本章小结

6 混合失效机制下MEWMA控制图与维修决策集成优化模型研究

6.1 MEWMA控制图基本理论

6.2 MEWMA控制图平均运行链长

6.3 混合失效机制下的多变量集成优化模型

6.4 算例求解与分析

6.5 本章小结

7 统计过程控制与维修决策集成优化原型系统构建与验证

7.1 原型系统架构及功能模块

7.2 原型系统运行步骤及界面

7.3 工程应用案例验证

7.4 本章小结

8 总结与展望

8.1 全文总结

8.2 创新点

8.3 研究展望

致谢

参考文献

附录1攻读博士学位期间发表的学术论文目录

附录2攻读博士学位期间参加的科研项目