Μελέτη και βελτιστοποίηση διαθεσιμότητας και κόστους λειτουργίας υποβαθμιζόμενων συστημάτων με προληπτική συντήρηση

  1. MSc thesis
  2. Χαμακιώτης, Χρήστος
  3. Διαχείριση και Τεχνολογία Ποιότητας (ΔΙΠ)
  4. 21 September 2019 [2019-09-21]
  5. Ελληνικά
  6. 146
  7. Μαλεφάκη, Σωτηρία
  8. Διαθεσιμότητα | Προληπτική Συντήρηση | Ολικό Κόστος Λειτουργίας | Συστήματα πολλαπλών καταστάσεων υποβάθμισης | Βέλτιστη πολιτική επιθεώρησης | Μαρκοβιανές διαδικασίες
  9. 1
  10. 2
  11. 64
  12. Περιέχει : πίνακες, σχήματα, εξισώσεις
    • Τις τελευταίες δεκαετίες, όλο και πιο σύνθετα και πολύπλοκα τεχνολογικά συστήματα βρίσκουν εφαρμογή στη βιομηχανία, τις μεταφορές, τη μετάδοση ισχύος και τις υποδομές. Η συνεχής εξέλιξη των συστημάτων αυτών συνοδεύεται από αντίστοιχη αύξηση των απαιτήσεων στα χαρακτηριστικά αξιοπιστίας τους που έχουν άμεση σχέση με την επιχειρησιακή τους ετοιμότητα, την ασφάλεια και την επίδοσή τους στα πλαίσια της λειτουργίας που επιτελούν. Δεδομένου ότι τα συστήματα αυτά αποτελούνται συχνά από μια πληθώρα αλληλεπιδρώντων υποσυστημάτων, τα οποία «καλούνται» να λειτουργήσουν εντός συγκεκριμένων προδιαγραφών, η μελέτη τους αποτελεί μια ολοένα και πιο σύνθετη και περίπλοκη διαδικασία. Ταυτόχρονα, η μοντελοποίηση τέτοιων συστημάτων με δύο μόνο δυνατές καταστάσεις (κατάσταση λειτουργίας (up state) και κατάσταση μη-λειτουργίας (down state)) δεν επαρκεί για να περιγράψει ικανοποιητικά το μηχανισμό αστοχίας τους, καθώς ο τρόπος υποβάθμισης πολλών τέτοιων συστημάτων από την κατάσταση τέλειας λειτουργίας (perfect state) έως την ολική βλάβη (total failure) είναι σταδιακός, όπου το σύστημα περιέρχεται - με στοχαστικό τρόπο - από διάφορες ενδιάμεσες καταστάσεις μειωμένης απόδοσης (deterioration states). Τέτοια συστήματα χαρακτηρίζονται ως συστήματα πολλαπλών καταστάσεων υποβάθμισης (multi-state deterioration systems). Πέραν της εγγενούς πολυπλοκότητας αυτών των συστημάτων, πολλά από αυτά επιτελούν τέτοιες λειτουργίες, η κρισιμότητα των οποίων απαιτεί τη διασφάλιση της αδιάλειπτης λειτουργίας τους χωρίς σφάλματα και χωρίς αιφνίδιες αστοχίες ή διακοπές λειτουργίας. Πρακτικά μια βλάβη, καταστροφική αστοχία, ή εν γένει διακοπή λειτουργίας ενός τέτοιου συστήματος συνοδεύεται από μη αποδεκτής έκτασης και μεγέθους οικονομικό ή/και κοινωνικό κόστος. Για το λόγο αυτό η διαχείριση τέτοιων συστημάτων απαιτεί πολιτικές επιθεώρησης και συντήρησης που δίνουν μεγάλη βαρύτητα στις ενέργειες προληπτικής συντήρησης. Υπάρχουν διάφορες κατηγορίες προληπτικής συντήρησης, αλλά όλες στοχεύουν στην επαναφορά του συστήματος είτε στην αρχική «τέλεια» κατάσταση λειτουργίας είτε σε μια βελτιωμένη κατάσταση λειτουργίας, προκειμένου το σύστημα να διατηρείται σε αποδεκτά επίπεδα λειτουργίας και παράλληλα να μειώνεται ο κίνδυνος κάποιου είδους αιφνίδιας κατάρρευσης του. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας μοντελοποιούνται και μελετώνται στοχαστικά συστήματα πολλαπλών καταστάσεων υποβάθμισης, τα οποία υπόκεινται σε επιθεώρηση και προληπτική συντήρηση. Ένας από τους βασικούς στόχους της εργασίας είναι ο υπολογισμός των βασικών μέτρων αξιοπιστίας και του συνολικού κόστους λειτουργίας τους. Επιπρόσθετα, το ενδιαφέρον εστιάζεται στον εντοπισμό βέλτιστων πολιτικών επιθεώρησης και κατ’ επέκταση συντήρησης ως προς τη διαθεσιμότητα και το κόστος λειτουργίας των παραπάνω συστημάτων. Στο πρώτο μέρος της εργασίας ορίζονται και περιγράφονται αναλυτικά τα συστήματα πολλαπλών καταστάσεων υποβάθμισης (multi-state deterioration systems) και γίνεται μια αναδρομή στην εξέλιξη και ανάπτυξή τους. Επίσης παρουσιάζονται αναλυτικά τα είδη συντήρησης με έμφαση στις κατηγορίες προληπτικής συντήρησης. Στη συνέχεια παρατίθενται βασικά στοιχεία της θεωρίας των στοχαστικών ανελίξεων, με έμφαση στις μαρκοβιανές διαδικασίες διακριτού και συνεχούς χρόνου. Κατόπιν, πραγματοποιείται μια σύντομη ανασκόπηση βασικών εννοιών από τη θεωρία αξιοπιστίας για συστήματα πολλαπλής υποβάθμισης, εστιάζοντας κυρίως στους όρους της αξιοπιστίας και της ασυμπτωτικής διαθεσιμότητας καθώς και το ολικό κόστος λειτουργίας ανά μονάδα χρόνου. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας μοντελοποιείται ένα θεωρητικό σύστημα πολλαπλών καταστάσεων υποβάθμισης, το οποίο περιλαμβάνει μείζονα (major maintenance) και ελάσσονα (minor maintenance) συντήρηση καθώς και ατελή συντήρηση (imperfect maintenance) και στo πλαίσιo μιας αριθμητικής εφαρμογής μελετάται ως μαρκοβιανή διαδικασία διακριτού και συνεχούς χρόνου. Η ασυμπτωτική διαθεσιμότητα και το ολικό κόστος λειτουργίας του υπό μελέτη συστήματος εκφράζονται συναρτήσει της πιθανότητας ή του ρυθμού επιθεώρησης για διακριτό και συνεχή χρόνο αντίστοιχα. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας τεχνικές βελτιστοποίησης, επιχειρείται η εύρεση βέλτιστων πολιτικών επιθεώρησης, οι οποίες μεγιστοποιούν την ασυμπτωτική διαθεσιμότητα και ελαχιστοποιούν το ολικό κόστος λειτουργίας του συστήματος.
    • Over the last decades, increasingly complex technology systems are being widely applied and implemented in industry, transportation, power transmission and infrastructures. The continuous evolution of these systems is accompanied by a corresponding increase in the requirements regarding their reliability characteristics that are directly related to their operational readiness, safety and performance in the context of their prescribed mission. These systems often consist of a multitude of interacting components, which must function and cooperate under several specifications; therefore their study is a considerably complex process. At the same time, modeling such systems with only two possible states (up state and down state) is not sufficient to adequately describe their failure mechanism, as the degradation of such systems from the perfect state to total failure is gradual, as the system transits stochastically from various intermediate deteriorated states. Such systems are called multi-state deterioration systems. In addition to the inherent complexity of these systems, many of them perform such critical functions, that their uninterrupted operation has to be continuously ensured, and in particular without uncontained failures or abrupt outages. Practically, a breakdown, catastrophic failure, or a general shutdown of such a system is accompanied by financial and/or social costs of unacceptable extent and lateral impacts. For this reason, the management of such systems requires optimal inspection and maintenance policies that emphasize on preventive maintenance practices. There are several categories of preventive maintenance, but all of them aim to restore the system either to its original "perfect" state of operation or to an improved operating state in order to keep the system at acceptable operating levels while reducing the risk of some kind of sudden collapse (total failure). In the context of this work, multi-state deterioration systems, with inspection and preventive maintenance are modeled and analyzed, with the objective to identify a framework of the feasible optimal inspection policies that would optimize key reliability and performance indices, namely the availability and the total operational cost. In the first part of the thesis, multi-state deterioration systems are defined and their evolution is reviewed. In addition, the maintenance types and philosophies that have appeared and evolved throughout industrial history are reviewed, with an emphasis on the categories of preventive and predictive maintenance. In chapters 3 and 4, basic elements of the theory of stochastic processes are presented, and specifically markovian processes in discrete and continuous time. Moreover, basic concepts of the reliability theory concerning multi-state deterioration systems are reviewed, focusing mainly on the asymptotic availability as well as the total operational cost per time unit. In the second part, a theoretical multi-state deterioration system is modeled, which includes major and minor maintenance concepts, as well as imperfect maintenance. Then, in the framework of a numerical application, it is studied as a discrete and continuous time Markov Chain. Moreover, the asymptotic availability and the total operating cost of the system under study are expressed as a function of the probability or rate of inspection (for discrete and continuous time, respectively). Optimization techniques are applied in order to obtain the optimal inspection policies that maximize availability and minimize total operating cost.
  14. Items in Apothesis are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.