船舶优化维修策略研究

第２７卷第１期　西华大学学报－自然科学版　２００８年１月　Ｖｏ１．２７，Ｎｏ．１　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ－Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｊａｎ．２００８　文章编号：１６７３—１５９Ｘ（２００８）０１—００６０—０３　船舶优化维修策略研究　盛进路　，邢繁辉２，刘　柱３，张光远　（１．西南交通大学物流学院，四川成都６１００３１；２．大连海事大学交通工程与物流学院，山东大连１１６０２６　３．青岛远洋船员学院，山东青岛２６６０７１）　摘要：船舶维修策略直接关系到船舶的航行安全和效益。文章从事后维修、定期维修、状态修的角度出发，　根据保证船舶航行安全的维修周期系统理论思想，总体构建了船舶维修策略及流程。根据船舶可靠度，对船舶风　险进行评估，利用船舶经济性维修模型及船舶可靠性和经济性维修的博弈性，能有效确立船舶维修周期。　关键词：船舶安全；可靠性；风险评估；维修周期　中图分类号：Ｕ６７２　文献标识码：Ａ　０　引言　也逐渐从定期维修向以经济性的状态维修体制转　船舶运行的可靠性对航运公司的安全经济运　变。需要说明的是这里所谓的经济性维修是和可　行有着重大影响ｌ１＇２　Ｊ。船舶本身的安全隐患以及　靠性维修是相协调的，是建立在设备可靠性的相　安全管理中的漏洞，使得船舶航行时刻存在风险。　对最佳经济性维修。目的是使航运公司在追求利　其中，计划维修体制是提高机组运行可靠型、延长　益最大化的同时，能够保证船舶安全、稳定的运　机组寿命的关键。船舶在服役期内如何进行维　行，并有效降低船舶安全运行及维护成本。　修，一直以来是航运界和学术界关注的焦点之一。　１　船舶维修策略的选择方案　综观船舶维修体制的发展过程，随着科学技术的　船舶维护是个系统工程，包括日常维护、各种　进步，船舶维修体制也发生了很大的变化。从最　设施的检查与维修、总项目和设备的修改及升级。　初的“救火式”的事后维修，到执行以时间为基础　目前设备维修有事后维修、定期维修和状态修三　的预防性“定期维修”（ＴＢＭ，Ｔｉｍｅ　Ｂａｓｅｄ　Ｍａｉｎｔｅ—　种方式　ｊ，但船舶是个非常复杂的系统，其维修策　ｎａｎｃｅ）制度。但是单纯按规定以时间间隔对设备　略不可能简单地采取完全一种方式进行。对于船　进行相当程度解体的雉修方法，不可避免地会产　舶关键设备，其运行状态的好坏，直接导致了整个　生“过剩维修”，不但造成设备有效利用时间的损　船舶的安全运行，要采取状态修的方式，日常对其　失和人力、物力的浪费，甚至会引发维修故障。或　状态进行适时监测（船舶重要设备都已采取了监　者是导致船舶的不及时维修，引发重大海事，给国　视系统）。对于重要设备则可以采取定期维修的　家带来巨大的经济损失和人员伤亡。后来，随着　方式ｌ４］，相对于次要设备的好坏不能对船舶运行　计算机技术的发展，船舶自动化技术的进步，特别　造成很大影响，且在线监测设备的投入过大，利用　是在线监测技术的发展，船舶维修体制逐渐向可　状态修得不偿失，则完全可以采取事后维修的方　靠性维修、状态修方向发展。虽然在线监测和故　式进行。而船舶优化维修策略的确定是对船舶可　障诊断技术不断取得进步，但在现阶段并不能因　靠性进行计算分析、根据船舶风险分析的结果，再　在线检测技术的种种优点而完全摒弃我国目前执　根据经济性指标对是否进行维修进行确认。就是　行的定期预防性维修制度。随着世界贸易的一体　在保证可靠度的情况下，总维修费用最低，这其中　化进展，海运市场的快速发展，必须考虑到航运公　包括维修期间利用率降低的情况下的经济损失，　司片面追求经济效益而拖期维修，减少维修时间　其具体过程如图１所示。　或消减维修费用的可能性。船舶的计划维修模式　收稿日期：２０（）７。０５—１２　作者简介：盛进路（１９７６一），男，山东招远人，讲师，博士研究生，主要研究方向：交通安全技术。　维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期　盛进路等：船舶优化维修策略研究　６ｌ　图１船舶维修流程　２　船舶可靠性数学模型　船舶是否维修的主要依据是计算船舶设备的可　靠性，进而分析船舶的风险系数，确定维修策略，达　到安全航行的目的。　机器设备的可靠性定义为它工作时间　故障不　出现的概率，即　ｒｏｏ　Ｒ（ｔ）＝１一Ｆ（ｔ）＝１一Ｉ厂（ｔ）ｄｔ　（１）　Ｆ（ｔ）为不可靠性；厂（ｔ）为故障概率密度分布函　数，其中可靠性函数Ｒ（ｔ）表达式为：Ｒ（ｔ）＝　Ｐ　ｏ　），　为故障率。　对于偶发性设备故障，其故障服从指数分布，表　１　达式为　＝　，其中Ｔ为两次故障间隔周期。　船舶作为复杂系统一般采用故障树方法对其可　靠性进行评价　１’　。故障树的顶端事件为系统Ｓ的　失效事件，底事件为基本事件。底事件为基本单元　（ｉ＝１，２，…，　）的失效事件，则系统共有　个底　事件。　系统的状态变量Ｘ（ｔ）＝［ｂ１（ｔ），ｂ２（ｔ），…，ｂ　（ｔ）］　ｂｉ　Ｊ，、　　ｉ｛　１　１表示在ｔ时刻底事件发生　０　０表示在￡时刻底事件未发生　因此，系统的状态变量有２　种取值，　，、　｛１　１表示在ｔ时刻顶事件发生　ｌ　０　０表示在ｔ时刻顶事件未发生　（ｔ）＝　Ｘ（ｔ）］　故障树分析的目的是找出故障树的最小割集和　最小路径，建立由最小割集或割路集表达的故障树　的结构函数，并分别求出底事件的重要度。　３船舶风险分析　船舶安全的程度用ｓ来表示，用Ｈ来表示危　险性及危险的程度，则Ｓ＝１一Ｈ。危险程度是个矢　量，与危险作用的严重性和该危险出现的概率有关。　Ｈ＝Ｆ（Ｃ　，Ｐ　）＝∑（Ｐ　×Ｃ　）　（２）　Ｐ　表示单个事件的发生概率；Ｃ　表示该事件产生　的预期后果。　衡量风险通常主要考虑以下三个方面：　（１）人员的风险；（２）环境风险；（３）财产风险　目前船舶风险分析仍以定性分析为主，其主要　目的是：　（１）确定风险区；（２）根据失效后果进行风险　等级确定。　对整个船舶的安全评估则采用ＦＳＡ方法对设　备进行评估预测，利用故障树底事件对顶事件的贡　献率，推断顶事件的发生概率。根据预测结果和航　运界可接受的风险，结合４所介绍的经济性维修模　型进行优化维修。　表失效后果分类　风险后果分类　对人员健康、安全和环境及经济损失的后果　Ｉ姗陛　羹譬金　嘉　环境造成灾难性破坏或直接损　ｌｌ　舌　造成严重受伤或引起严重的职业病，对环境破坏　里　程度大，或直接损失３０万　Ⅲ一般性　囊鬟　轻度职业瘴，对环境轻度破坏’或直　Ⅳ可忽略　造成重大伤亡或引起职业病＇不会造成环境　４经济性船舶维修数学模型　过去船舶维修周期采用定期制，到了一定的航　行里程或时间，航运公司就对船舶进行大修，但由于　航运市场的周期性，特别是在航运市场紧俏时，为了　经济效益，过于追求暂时利润，船舶时常带病服役，　给航运安全带来极大隐患。在确定维修方式及维修　周期时，要充分考虑这种“短期利润”思想的影响，全　面确定合理的维修体制。　４．１预防维修与事后维修的经济性选择模型　维修决策的基本要求是保证系统的可靠度不低　于允许的最小值。优化维修决策的数学模型为：　Ｒ（ｔ）≥Ｒ　Ｒ　为设备允许的最小可靠度。　关于预防性维修与事后维修的选择性，梁工　谦ｌ＿６　等人给出了以下求解模型　Ｃ０十ｌ１一Ｒ（Ｔ）ｊ　Ｃ　，　、　ＬＴ一——］　—一　Ｌｊ　Ｃｏｏ＝　（４）　式中，Ｃ下为预防性维修单位时间内的维修费　用；Ｃ。。为事后维修单位时间内的维修费用；Ｃ为停　机造成的维修费用；Ｃ　为更换零件的费用；Ｍｒ为　达到Ｔ时刻更换零件平均时间，Ｍ为零件的平均工　维普资讯 http://www.cqvip.com 西华大学学报・自然科学版　２００８正　作时间［６，７］，其中Ｍ、ＭＴ表达公式如式（５）和（６）。　Ｓ．ｔ　ｔｉ≤　，ｔｉ—ｔ　一１＜ｒ，ＦｏＲ（ｔ　，ｒ）＜　Ｍ＝－ｆ讹）　－ｆ　＝－『　）ｄ　（１１）　式中，Ｅｏ为机组运行利润，不同条件的航运市场，数　（５）　值大小不同；Ｅｓ为处于停运状态下的损失，包括船　ＭＴ＝Ｉｆ＿　　ｔｆ（ｔ）ｄｔ＝ＩＴ　　东对货主运输延期的违约金；Ｅ　为计划维修费用；　Ｒ（ｔ）一豫（ｔ）　（６）　Ｅ尺为船舶故障后的维修费用；Ｂｏ是船舶正常状态　下所获得的单位时间利润；ｃＲ是船舶故障后的单　利用ａ＝　的比值来选择事后维修或预先维　位时间维修费用；ＦｏＲ为船舶强迫停运率；　为设备　修，当口＞１时，易采用预先定期维修，ａ＜１时，则易　维修率；（　）在整个寿命时间内所发生的故障次数。　采用事后维修。　５　结论　对于一个复杂系统的各个部件都采用定期维　根据船舶系统的复杂性，文章认为船舶设备的　修，则可以采取文献［７Ｊ的组合优化方式进行维修。　维修要根据设备特点及维修策略的经济性采用事后　对于每种潜在故障的预防性维修作业，则可利用效　维修、预防性维修、状态修三种方式复合而成的维修　费比求解，其效益费用比可由公式（７）计算　体制进行。对船舶进行定期维修还是状态修都要考　Ｂ：　（７）　虑经济性指标，目前船舶的重要设备都已采用在线　式中，Ｒ，为故障后果造成损失的减少数额，元／年；　监测装置，即便采用状态修，也要充分考虑一个维修　Ｒ为恢复性维修费用的减少数额，元／年；Ｃ为预防　周期的问题（船上人员很难对其进行恢复性修理）。　性维修的费用，元／年。费效比达到最大的预防性维　而周期的确定，则要必须考虑航运市场的特殊性，对　修费用，则为最优的维修策略。　维修经济性指标的考虑其动态性，把单个（次）维修　４．２优化维修模型　转变成船舶服役期内的长期效益最大化进行考虑，　优化维修的策略则是在保证可靠度的情况下，　利用文章中的计算模型对船舶维修周期进行计算，　总维修费用最低　．９ｌ，其中包括维修期间利用率降　航运公司则能对船舶维修进行有效决策，能有效提　低的情况下的经济损失。船东在维修周期上可以以　高船舶运输安全性和航运企业的经济性。把设备的　船舶长期运行的经济效益最大化作为目标函数，其　可靠性、风险评估和经济指标结合起来建立经济性　基本表达式为：　维修是和可靠性维修是相协调的效益函数指标的维　ｍａｘＰ￣ｏｆ＝∑Ｊ＝　Ｊ　一一∑　一一　（（）８）　修策略目的是提高设备在服役期内的利润最大化，　同时本方法也可为火车、汽车等交通工具的维修方　Ｐ　，为统计时间内船舶运输为企业所获利润，Ｊ一　案制定提供参考。　为统计时间内的收入，　为统计时间内的运行成　参考文献　本。根据式（１），Ｐ　ｒ最大，则需要ｍｉｎ∑　［１］张圣坤，白勇，唐文勇．船舶与海洋风险评估［Ｍ］．北京：　Ｃ　＝Ｃ，＋Ｃ　＋Ｃ　＋Ｃｓ　（９）　国防工业出版社，２００３．　且５．ｔ　Ｒ（ｔ）≥Ｒ　［２］Ｐａｔｅ－Ｃｏｒｎｅｌｌ　Ｍ　Ｅ．Ｒｉｓｋ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｒｉｓｋ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｆｏｒ　Ｒ　为允许的最小可靠度；Ｃ，为事后维修费用；Ｃｐ　Ｏｆｆｓｈｏｒｍｓ：Ｌｅｓｓｏｎｓ　ｆｒｏｍ　Ｐｉｐｅｒ　Ａｌｐｈａ　ａｃｃｉｄｅｎｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｏｆｆｓｈｏｒｅ　为预防维修费用；Ｃｍ为监测费用；Ｃｓ为停机损失　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｒｃｔｉｃ　Ｅｎｇｉｎｎｅｒｉｎｇ，１９９３，１１５：１７９—１９０．　［３］戴旭东，赵三星，谢友柏，等．以可靠性为中心的机械设备针　费。考虑到船舶在线监测装置在船东购买时已经具　对性维修策略研究［Ｊ］．机械科学与技术，２００２，２１（１）：９１—９３．　备，Ｃ可不考虑。　［４］章国栋．系统可靠性与维修，分析设计［Ｍ］．北京：北京航空　参考文献［１０］的思想，考虑到船舶维修效果，将　航天大学出版社，１９９６．　目标函数改成效益函数Ｅ，作为优化的目标函数：　［５］梁工谦，陈翔宇．视情维修中的设备维修模式权衡分析［Ｊ］．　ｒ，　西北工业大学学报，２００５，２３（４）：５０４—５０７．　Ｅ（Ｔ，ｒ）＝Ｉ　［Ｂ（ｔ）一Ｃ（ｔ）］ｄｆ　（１０）　［６］赵建华，赵建民，赵丽琴．多部件系统故障预防工作的组合　Ｂ（ｔ）为船舶运行中获得的利润；Ｃ（ｔ）为船舶在整　优化［Ｊ］．数学的实践与认识，２００５，３５（６）：１８２—１８７．　［７］李典庆，唐文勇，张圣坤．船体结构检测及维修规划的成本　个运行寿命期间内处于各种运行状态下的成本。式　效益评估［Ｊ］．上海交通大学学报，２００５，３９（５）：６６５．６６９．　（１０）计算比较复杂，因此可使用式（１１）进行计算。　［８３夏良华，贾希胜，徐英．设备维修策略的合理选择与决策　Ｅ（Ｔ　，ｒ）＝Ｅｏ一（Ｅｓ＋ＥＰ＋ＥＦ）：ＢｏＴａｇｅ一　流程［Ｊ］．火炮发射与控制学报，２００６（４）：６３—６８．　［ＢｏＦＯＲ（ｔ　，ｒ）（ｔ　—ｔ卜１）＋ＣＭ（１／ｒ）（１一　［９］彭卉，张焰，张彦魁，等．发电机组最佳计划维修周期研　．　　．‘　ａｇｅ　究［Ｊ］．中国电机工程学报，２００３，２３（７）：４１—４５．　Ｆｏｎ（ｔ　，ｒ）（ｔｉ—ｔ　一１）＋　（１　）（　）］　（编校：夏书林）