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工程机械设备的可用度质保与维修决策改进探析

时间:2019-08-10 10:57作者:乐枫
本文导读:这是一篇关于工程机械设备的可用度质保与维修决策改进探析的文章,本文的贡献在于:系统地开展基于可用度的产品质保与维修决策优化研究,从可用度质保策略、学习效应、二维预防性维修、定制化维修和基于可用度的维修服务合同等层面,实现方法创新。

摘要

  激烈的市场竞争使制造企业面临诸多挑战,主要表现在:产品结构与功能日趋复杂,研发周期越来越短,更新换代速度加快。在上述背景下,顾客对产品质量和可靠性提出更高要求,富有吸引力的质保条款成为产品营销的重要手段。现有的质保研究主要关注标准产品的质保服务策略,如免费维修或替换质保、按比例退还质保以及组合质保策略等。数控机床、风力机、工程机械等工程装备,它们价值昂贵并且通常是企业的关键设备,一旦发生故障或停机将会影响生产、造成重大经济损失。因此,可用度是此类设备的重要性能指标。为满足用户对此类产品的高可用度需求,近年来可用度质保(availability-based warranty)研究受到关注。本文以具有可用度需求的工程装备为研究对象,基于一维质保、二维质保和维修服务合同等理论,开展可用度质保与维修决策优化研究。主要研究内容如下:

  (1)从制造商的视角研究可用度质保建模问题。为满足质保期内产品的可用度要求、实现质保服务成本的最小化,采用不完全预防性维修以减少设备故障发生次数。采用混合故障率模型描述预防性维修,并考虑维修过程中的学习效应,评估制造商服务成本、优化维修计划。文中采用周期循环的动态优化方法确定预防性维修周期,满足每个周期内产品可用度要求,实现单位时间质保成本的最小化。案例研究表明:与忽略学习效应的情形相比,考虑维修过程中的学习效应,可以用较低的质保成本维持设备的高可用度水平。

  (2)从制造商的视角研究二维可用度质保策略。该策略下,制造商对故障提供维修或替换服务,并保证产品在质保期内的可用度满足约定的水平。通过优化二维预防性维修计划,以最小的质保成本来保障产品可用度要求。针对不同的顾客群体,设计出相应的定制化预防性维修计划。

  算例分析表明:与基于年龄或基于使用量的预防性维修策略相比,二维预防性维修在降低质保成本、保证设备可用度等方面具有明显优势。

  (3)开展基于可用度的维修服务合同设计。建立起涵盖基本可用度质保和维修服务合同的两阶段质保模型,提供三种不同的维修服务,以满足顾客在质保期结束后的不同需求。在第一阶段,制造商通过优化预防性维修计划,以最小服务成本保障产品的可用度;在第二阶段,以制造商收益最大化为目标,比较不同服务选择下制造商的收益和顾客成本。案例结果表明:以大修与预防性维修组合的服务合同,能够显着提升设备可用度水平,使交易双方获得良好收益。

  本文的贡献在于:系统地开展基于可用度的产品质保与维修决策优化研究,从可用度质保策略、学习效应、二维预防性维修、定制化维修和基于可用度的维修服务合同等层面,实现方法创新。相关研究丰富了基于可用度的产品质保理论,为可用度质保的工程应用提供了理论依据。

  关键词:可用度质保;一维质保;二维质保;维修服务合同;维修优化

工程机械

  With the fierce market competition, manufacturing enterprises are facing various challenges, including more complicated structure and function of the product, shorter product research and development cycle, higher frequency of products' updating and replacement. Under this background, the customer also puts forward higher requirements on products' quality and reliability, and the attractive warranty clause has become an important tool for product marketing. Existing researches on warranty management predominately focus on warranty policies for standard products, such as free repair/ replacement warranty, pro-rata warranty or combination warranties policies. For such kinds of engineering equipment, including CNC machine tools, wind turbines, engineering machinery, etc., they are expensive and usually key equipment for their users, and their failure or shutdown may result in substantial production loss. Thus, availability is important performance for these kinds of equipment. In order to satisfy users' high availability requirements for such products, the research on availability-based warranty has received attention in recent years. Based on theories of one-dimensional warranty, twodimensional warranty and maintenance service contract, etc., this thesis focuses on the actual availability requirement of engineering equipment, and carries out the research of availability-based warranty and its maintenance optimization. The main achievements are as the follows:

  (1) An availability-based warranty policy is investigated from the manufacturer's perspective. Imperfect preventive maintenance (PM) activities are implemented to reduce the number of equipment failures, so as to meet product's availability requirement and minimize warranty servicing cost during the warranty period. A hybrid hazard rate model is used to describe imperfect PM actions; maintenance plan and warranty servicing cost are optimized by considering learning effects. PM schedule within a warranty period is optimized cycle by cycle, and the warranty cost rate is minimized under the requirement of availability within each cycle. The results show that by considering learning effects on maintenance, the equipment can maintain a higher availability level with a lower warranty cost than the case without consideration of learning effects.

  (2) A two-dimensional (2D) availability-based warranty policy is investigated from the view of the manufacturer. Under the policy, the manufacturer guarantees a negotiated availability level of products during the warranty period, with the exception of providing repairs or replacements upon failures. This study aims to meet products' availability requirement with the lowest cost by optimizing 2D PM strategy. Moreover, customized PM programs are designed for different customer categories. The results show that compared with age-based or usage-based PM strategy, 2D PM strategy is superior in terms of warranty cost and operational availability.

  (3) An availability-based maintenance service contract is investigated. A two-stage warranty model is established that includes basic availability-based warranty and maintenance service contracts, and three different maintenance service options are provided to meet customers' different needs after the warranty expired. In the first stage, manufacturers optimize PM schedules to ensure products' availability level with the lowest service cost. In the second stage, with the objective to maximize the benefit of the manufacturers, manufacturer's revenue and customer's cost under different service options are compared. The results show that the service contract combined with overhaul and PM can not only significantly increase the availability level of the warrantied equipment, but also benefit to both the transaction sides.The contributions of this thesis lie primarily in the systematical investigation of availability-based product warranty and its maintenance optimization, and also in the new ideas on availability-based warranty policy, learning effects, 2D PM, customized PM and availability-based maintenance service contract. This research promotes the development of availability-based warranty theory, and it also provides theoretical guidance for manufacturers to meet customers' availability requirements.

  Key words: Availability-based warranty; One-dimensional warranty; Two-dimensional warranty; Maintenance service contract; Maintenance optimization

目录

  第一章 绪论

  1.1 课题背景及研究意义

  改革开放以来,我国制造业取得了长足发展。但是,面对日趋激烈的全球化竞争,仍然面临着诸多挑战,主要表现在:企业的创新能力不强、生产效率低、产品质量与可靠性不高、品牌知名度低、生产性服务业发展滞后等[1].多数制造企业对产品服务的重视不够,产品质保期限偏短,服务成本缺乏准确估计,维修服务不及时,未能考虑产品特征与顾客个性化需求。图 1-1 所示为德国装备制造企业的利润构成,其中新产品的设计、制造和销售获得的利润在利润总额中只占 2.3%,而来自故障修理、维护、备件等服务环节的利润占据更高份额。

  与此相对应的是,现阶段多数国内制造企业的利润仍来源于制造与销售环节。因此,大力发展生产性服务业,扩宽业务范围,是提高制造企业利润水平和经济效益的重要手段。

  科学技术进步和全球化竞争,使得产品结构与功能的复杂度不断提高、研发周期持续缩短、更新换代速度不断加快,消费者对产品质量与可靠性的要求也越来越高[2].激烈的市场竞争使得产品趋于同质化。为此,提供差异化服务成为制造商建立竞争优势、赢得顾客的重要手段。随着消费者维权意识的加强和相关法律体系的完善,制造商更加重视产品的售后服务(after-sale service)。2013 年国家质量监督检验检疫总局颁布《家用汽车产品修理、更换、退货责任规定》,明确了制造商对于汽车产品的售后责任与义务,对制造商的产品售后服务体系提出了严格要求。2015 年 5 月,国务院印发制造强国战略第一个十年行动纲领--《中国制造 2025(国发[2015]28 号)》。其中将"积极发展服务型制造和生产性服务业"列为战略任务之一,提出"推动发展服务型制造,加快生产性服务业发展"、"发展个性化定制服务、全生命周期管理、网络精准营销"、"支持有条件的企业由提供设备向提供系统集成总承包服务转变,由提供产品向提供整体解决方案转变"等战略举措[3].面对激烈的市场竞争,制造企业亟需完善售后服务体系,制定科学的、富有吸引力的质保策略与维修计划,实现产业结构转型与升级。

  质保(warranty)也称产品保证、保修,它是制造商或销售商对所售产品在一定期限及条件下因自身质量引起的缺陷或故障现象,所提供的免费维修、更换、退赔等责任与义务[4].

  质保就是在一定条件下当产品发生故障或不能完成预定功能时,买卖双方各自应承担的责任与义务。从消费者的角度,质保可以保证所购买产品的质量与性能,保护顾客免于因产品故障或未达到预期性能而产生的利益损害。从制造商角度,质保明确了制造商应承担的有限责任,避免因无效质保索赔造成的利益损害。对制造商来说,质保也是重要的营销工具,质保条款在某种程度上反映了产品质量,成为顾客选购产品的重要参考[5, 6].质保服务涉及的产品包括:消费品、软件、硬件、工业产品以及军工产品等。例如:海尔公司为其空气能热水器产品提供整机 10 年质保服务;日本日产汽车公司为北美地区顾客提供 10 年/100000 英里质保服务[7, 8].

  富有吸引力的质保策略有助于制造商促销产品、赢得顾客并获取利润。但是,制造商在为顾客提供质保服务时,也会产生一定的服务成本,包括备件费用、人工成本、物流成本、设施成本等。据统计,质保成本可占到销售额的 0.5%-0.7%,对制造商的利润有重要影响[6]

  因此,制定科学合理的质保策略,有效地控制质保成本,在赢得消费者青睐的同时获得合理的利润,是制造企业面临的重要课题。

  近年来,质保决策研究受到广泛关注,并取得丰富的研究成果。但是,仍然存在一些亟待解决的问题,主要包括:(1)基于可用度的质保研究相对有限。对于风力机、数控机床等工程装备,故障或停机意味着高额的生产损失。因此,可用度(availability)是此类产品重要的性能指标。在设计此类产品的质保策略时,既要考虑质保成本,也要考虑产品的可用度指标。(2)大多数质保模型都是刚性的,顾客获得的质保条款均是相同的,难以满足顾客的个性化需求。近年来,柔性质保(flexible warranty)顺应了服务型制造和生产性服务业的市场需求,成为质保研究的热点课题。(3)多部件产品质保理论有待完善。现有质保决策中通常将机电产品作为一个整体,忽视了产品中多部件属性的差异性,降低了质保决策的科学性。因此,开展多部件产品的质保决策理论研究,具有重要价值。

  本课题以风力机、汽车、工程机械等产品为研究对象,从制造企业的视角出发,综合考虑此类产品可用度要求、质保与维修服务策略设计、产品故障建模以及维修优化等因素,开展基于可用度的产品质保与维修决策优化研究工作,创新基于可用度的质保理论,为可用度质保的工程应用提供理论依据。本论文研究工作受到国家自然科学基金项目"面向客户化定制的多部件产品柔性延长质保理论研究(No.71671035)"的资助。

  1.2 质保研究综述质保理论研究

  始于上世纪 60 年代。经过几十年发展,已经成为融合工程学、统计学、经济学、管理学、决策科学等学科的交叉学科,研究内容涉及质保建模[5]、质保数据分析[9-11]、质保中的维修模型[12]、长期质保[13](long-term warranty)以及质保物流[14]等领域。

  1.2.1 质保

  建模对制造商来说,为顾客提供质保服务会产生一定的经济负担。因此,质保成本分析至关重要。质保成本分析的首要任务是确定质保策略。Blischke 和 Murthy 等[4, 15]总结出常用的质保策略分类方法。

  根据制定质保策略时变量的数目,可以将质保分为一维质保(one-dimensional warranty)、二维质保(two-dimensional warranty)和多维质保(multi-dimensional warranty)。一维质保通常由使用时间(time)或使用量(usage)定义,而二维质保是由使用时间和使用量共同定义,直观地表示为二维平面内一个特定形状的区域,如矩形、三角形、L 型等。汽车产品的质保是典型的二维质保。例如:多数汽车产品在销售时会附有 3 年/6 万公里的二维质保合同。质保还可以分为简单质保(simple warranty)和组合质保(combination warranty)。简单质保包括免费维修或替换质保(free repair/replacement warranty,FRW)、按比例退还质保(pro-ratawarranty,PRW),组合质保通常由两种或两种以上简单质保组合而成。

  根据质保期内产品故障时进行维修或者替换后是否更新,可以将质保分为可更新质保(renewing warranty)和不可更新质保(non-renewing warranty)。除此之外,还有针对批量产品的累计质保(cumulative warranty)、附有产品可靠性提升要求的可靠性改善质保(reliability improvement warranty,RIW)等。

  早期的质保合同主要用来解决产品在使用初期可能出现的质量问题,由制造商提供有限时间或使用量范围的质保承诺,也称为基本质保(basic warranty)。科学技术的进步使得产品寿命不断增加,面对激烈的市场竞争和为满足多元化的消费者需求,在基本质保策略基础上逐步发展出长期质保策略。长期质保又可以分为延长质保(extended warranty)、二手产品质保(warranty for used product)、终生质保(lifetime warranty)和维修服务合同(maintenanceservice contract)等[13].二手产品质保策略可以进一步分为更新策略(non-renewing policy)、非更新策略(renewing policy)、回购策略(buy-back policy)[16].终生质保下产品的有效寿命可以是物理寿命(physical life)、技术寿命(technological life)、商业寿命(commerciallife)、所有权寿命(ownership life),上述四者区别可参见文献[13].以延长质保为例,根据 Warranty Week 提供的数据[17]:美国 Dell 公司 30%的净收入、Apple 公司 43%的净收入来自延长质保的销售收入;Best Buy 公司销售延长质保的边际利润达 50-60%、约 50%的营业利润来自延长质保合约的销售,远高于产品销售的利润率。延长质保服务已成为一种新的产品营销与盈利方式,既可以增进制造商与顾客的关系,也为后续产品的销售和增值服务提供机会。

  产品故障建模是质保成本分析中的关键步骤。目前,基于时间的一维故障模型已经相对成熟,而基于时间和使用量的二维故障建模理论尚不成熟[12].二维故障建模常用的有三种方法:单变量法(使用率法)、两变量法和复合尺度法[18].单变量法假设使用量是使用时间的线性函数,且单一消费者使用率是恒定的,将二维模型降维成一维模型。Jack 等[18]利用单变量法中的加速故障时间模型研究了二维质保期内产品的最优替换-维修问题。Huang 和Yeh[19]利用多项式模型研究二维质保产品的最优预防性维修策略。两变量法采用两变量概率分布刻画时间和使用量对产品故障的影响。Murthy 等[20]较早地提出两变量法,并应用于二维质保成本分析。Tsoukalas 和 Agrafiotis[21]假设产品使用时间和使用量相关,运用两变量法建模,提出一种新的替换质保策略。复合尺度法是将时间和使用量复合成一个新的变量,然后采用该变量刻画产品故障,常见的复合方法有线性模型和指数模型。Gertsbakh 和Kordonsky[22]首次将复合尺度法应用于二维质保建模中。以上三种二维故障建模方法都有其局限性:单变量法和复合尺度法都假设使用时间和使用量之间服从某种关系(如线性关系),显然这种假设很难符合工程实际。但是,上述两种模型求解容易,计算量较小。两变量法建模过程相对简单,在数据量较小或两个变量弱相关情况下,精度较高。但是,该方法计算杂,很难找到合适的两变量分布,尤其在使用量是离散分布的时候。此外,工程实际中的质保数据往往存在尾部相关性,此时上述三种方法都不再适用[23].

  为控制质保成本,制造商可以在产品销售之前,采取设计改进、老化测试、质量检测等可靠性增长措施。文献[24]研究在产品设计中嵌入自检测功能,结果表明:产品的自检测和自维修特性能够有效降低质保成本和维修时间。Shafiee 等[25]考虑质保期结束后产品故障对顾客满意度的影响,研究老化试验和质保期的联合优化问题,以实现制造商利润的最大化。

  此外,制造商可以在产品投入使用过程中,安排适当的维修活动。文献[12]在回顾质保中维修模型的基础上,将其分为仅考虑事后维修、同时考虑事后维修和预防性维修、质保期结束后的维修等类型。事后维修(corrective maintenance,CM)和预防性维修(preventivemaintenance,PM)作为两种基本的维修类型,在质保研究中广泛应用。事后维修是指在故障发生后对系统或产品进行的维修活动,它的目的是将产品恢复到工作状态;而预防性维修指在故障发生之前,根据预定时间或某种预定规则进行的维修活动,其目的是降低故障发生的概率并延缓产品退化。预防性维修又可以分为基于时间、基于状态和基于机会的三种维修方式。此外,根据对故障的恢复程度,维修又可以分为替换(replacement)、完全维修(perfectrepair)、不完全维修(imperfect repair)和最小维修(minimal repair)等不同类型[26, 27].

  1.2.2 预防性维修

  维修模型对于质保成本分析、质保决策有着重要的影响。文献中提出多种维修模型和方法,其中寿命分布法、故障率法和虚拟年龄法是常见的三类方法[28, 29].与事后维修相比,预防性维修可以有效地降低产品的故障率,减少质保成本。其中,基于时间的预防性维修(timebased preventive maintenance)方法[26, 30, 33].

  按照维修时间间隔是否相等,基于时间的预防性维修模型可以分为周期预防性维修和顺序预防性维修。尽管周期预防性维修便于计划与实施,但是随着产品逐渐退化与故障增多,预防性维修的频率将不断增加,维修间隔越来越短,顺序预防性维修更加适用于实际状况。

  实施完全预防性维修(perfect preventive maintenance)和最小预防性维修(minimal preventivemaintenance),修复后的产品将分别恢复到修旧如新(as good as new,AGAN)和修旧如旧(as bad as old,ABAO)的状态。考虑到产品性能退化等因素,不完全预防性维修(imperfectpreventive maintenance)可以将产品状态恢复到修旧如新与修旧如旧之间,因而更加符合实际。概率模型(probability model)最早用于描述不完全预防性维修效应。假设一次维修过后,产品有 p 的概率处于最小维修效应情况下,1-p 的概率处于完全维修效应情况下。故障率调整模型(hazard rate adjustment model)和年龄回溯模型(age reduction model)分别假设预防性维修过后,产品故障率发生调整或者年龄递减。Lin 和 Zuo 等[30]提出一种新的不完全预防性维修模型--混合故障率模型(hybrid hazard rate model),假设产品经过预防性维修之后,其故障率和年龄都发生变化。

  在重复实施的预防性维修活动中,操作者积累的经验、收集的故障信息、实施的改进措施等,有助于缩短维修时间、降低维修成本。因此,在预防性维修建模时,除了考虑不同类型维修活动对产品的恢复程度外,还应该考虑维修中的学习效应(learning effect)。Wright [35]

  在分析飞机制造成本时首次提出学习效应。文中指出,随着工人生产过程中不断重复工作和积累经验,会使得单位生产成本逐渐降低,工时不断缩短,生产效率得以提高。随后,Dorroh等[36]将经验学习扩展到基于投入的学习,即通过投入资源到组织、科技、人员培训等,使学习水平提升到一定程度。近年来,学习效应在生产和运营管理领域得到众多研究者的关注。

  文献[38]以单一产品批量生产线为研究对象,分析学习效应对生产批量大小的影响。Jaber 和Givi[39]在质量学习曲线模型的基础上,进一步分析学习效应对生产质量的影响。Teyarachakul等[40]研究在批量生产环境下,学习效应对于工人稳态技能水平的影响。Grosse 等[41]总结生产经济中的学习曲线模型,对比分析各种模型的适用性。

  学习效应不仅存在于生产过程中,在维修活动中也同样存在。Kennedy[42]在内部维修与合同维修优化模型中,考虑维修中的学习效应。Wang 和 Lee[43]研究全面生产维护(totalproductive maintenance,TPM)过程中的学习曲线,预测维修活动中的学习水平,帮助企业确定检查 TPM 效果的时间,进一步改善维修策略。Sheu 等[44]在优化预防性维修策略时,考虑维修中的学习效应,为估计维修成本、确定培训要求、制定维修计划提供了有效信息。

  Tarakci 等[45][46]在研究维修外包时,考虑成本补贴策略对承包商的激励,同时考虑预防性维修中的经验学习和投入型学习,指导企业合理投入维修成本,实现利润的最大化。Huber 和Spinler[47]在全服务维修合同(full-service repair contract)定价研究中,考虑制造商维修活的效率和学习效应,研究发现:学习水平的提高有利于服务供应商降低成本、提高顾客满意度。文献[48]研究预防性维修中的重复学习(repetition learning)和故障学习(failure learning),首次定量化研究故障学习对产品故障率的影响。Zitrou[49]等研究离岸风电场可用度增长模型时,引入微调整(minor adaptations)学习效应,更加准确地估计故障强度。显然,为准确估计维修成本,合理地制定维修计划,在维修决策中应当考虑学习效应。

  近年来,预防性维修在质保领域开始得到应用。周炳海等[50]采用 Canfield 模型描述不全预防性维修对产品故障率的影响,基于可靠性阈值优化预防性维修策略。Pan 等[51]基于设备健康指数提出新的预防性维修改进因子,分析维修成本、设备年龄、维修学习效应对维修效果的影响,并将该因子用于维修策略优化中。Su 和 Wang[52]以经销商利润最大化为目标,研究带有质保合同的二手产品质量升级和预防性维修策略的联合优化问题。Wu 等[53]针对生产型设备,考虑预防性维修延缓系统退化、增加产出等特点,研究质保期内生产型可修复系统的预防性维修决策问题。

  1.2.3 可用度质保

  目前,大多数产品制造商都提供质保和维修服务,常见的质保策略包括免费维修或替换质保、按比例退还质保和组合质保策略等。相比于日常消费品,工业或军用设备有其特殊性。

  工业生产过程中通常需要各种复杂设备来完成产品生产和保障系统的正常运行。由于使用时间增加、载荷交互作用、人为失误以及性能退化等原因,工业设备不可避免地会发生故障。

  对于上述设备,一旦发生故障或停机,都会导致重大的生产损失和高昂的维修成本,甚至造成生命危险。因此,对于此类设备的质保服务,常见的质保策略难以满足实际运维需求,制造商既要提供维修或替换服务以保证产品的运行,又要保证质保期内产品的可靠性达到一定的水平[15].可靠性改善质保是基于满足产品质保期内可靠性要求所提出的服务策略,衡量可靠性的指标通常使用平均故障间隔时间(mean time between failures,MTBF)来表示[4].在可靠性改善质保策略下,质保服务商除去基本的维修或替换活动,需使产品的平均故障间隔时间在质保期内达到双方协商的标准,否则会受到相应的惩罚。

  除可靠性要求外,不少复杂机电产品有一定的可用度需求,如风力机、数控机床、工程机械等。对于上述设备,可用度降低通常意味着停机损失的增加和利润的减少。因此,在质保服务中应该考虑可用度需求。以风力机为例,可用度是衡量风力机运行状况的重要指标,在风力机整机质保合同中必然包括可用度要求[54].

  与可靠性改善质保相似,以满足产品在质保期内可用度要求的质保服务策略可称为可用度质保(availability-based warranty)。截止目前,可用度质保的研究相对较少。文献[55][56]

  在研究预测与健康管理技术对于质保理论影响时,率先提出可用度质保策略。Cheng 等[57]在二维质保下通过优化预防性维修,保障产品可用度,并有效降低质保成本。Iskandar 等[58]以自卸卡车为研究对象,设计出以满足产品可用度的维修服务合同,以保证顾客的实际使用需求。Li 等[59]研究具有多种故障模式的产品,在质保分析中同时考虑产品质保成本与可用度水平。

  1.2.4 柔性质保

  随着顾客对质保服务个性化需求的增加,现有的刚性质保策略已经无法满足市场需求质保条款的设计需要考虑顾客使用模式、使用强度、产品使用环境等因素,为顾客提供多样的质保服务选择,以适应市场需求、增强企业竞争力。

  柔性质保(flexible warranty)最早由 Moskowit 等[61]在研究二维质保建模时提出。在相同的质保成本下,制造商可以提供多种二维质保区间以便于顾客选择。柔性质保策略通常及基本二维质保期限的组合选择、延长质保的期限选择、成本分摊机制的选择等,以提供多种质保策略供顾客选择。定制化维修(customized maintenance)结合产品使用环境、顾客个性化需求等因素,为顾客提供符合自身实际的维修计划,以达到提高服务质量和降低成本的目的。Su 和 Wang[62][63]以二手产品为研究对象,从制造商/销售商层面分析质量升级等可靠性改善措施对二手产品质保成本的影响,构建具有柔性的质量升级策略和二维质保合同,研究柔性质保合同的设计方法。Ye 和 Murthy[8]根据使用率对顾客进行分组,以保证每组顾客在质保期内故障发生概率一致为标准,利用绘图法为顾客提供不同的质保区间。文献[64]在二维延长质保下,考虑顾客在不同时刻购买延长质保,分阶段优化维修策略,同时为不同使用率的顾客提供定制化的二维预防性维修服务。Huang 等[65]依据顾客使用率,为顾客提供定制化的二维延长质保策略。尽管柔性和定制化的质保服务得到了较多关注,但是现有研究仍存在一些不足,如划分顾客的依据相对简单、质保柔性因素相对宽泛、柔性质保与定制化维修融合较少等。1.2.5 多部件产品质保汽车、风力机、工程机械、家用电器等均属于多部件产品,零部件种类众多且可靠性、性能退化特性及维修性各异。目前,绝大多数质保决策研究均将产品视为一个整体或单部件系统。简单地将多部件产品视为单部件系统,不仅不符合工程实际,也难以反映产品质保的真实需求。因此,依据产品结构组成,开展单部件质保决策、多部件质保联合优化,有利于制定出更加合理的维修模型,准确地测算质保成本,提高质保决策的科学性。

  近年来,多部件产品的质保决策研究开始受到关注。Bai 和 Pham[66]研究可修复串联系统的折扣质保成本问题,考虑连续折扣、离散折扣两种方式分别构建质保成本模型。文献[67]

  提出包含更换和维修服务的多部件产品全服务质保(full-service warranty)策略,建立了串联、并联、串并联和并串联等类型系统的质保成本模型。Liu 等[68]在文献[67]的基础上,考虑部件之间存在的故障相关性,开展可更新免费更换质保的成本分析。Park 和 Pham[69]采用拟更新过程描述不完全维修,并据此分析可修多部件系统的质保成本。Park[70]在文献[69]的基础上,分别采用可变拟更新过程和混合拟更新过程描述不完全维修,分析多部件产品的质保成本。文献[71]提出一种"故障-间隔-故障"标准模型,并应用于多部件产品质保成本的分析。Cheng 等[72]研究故障干涉和不完全预防性维修问题,考虑质保成本和可用度,求解多部件系统最优质保周期。贾云献等[73]结合某新型装备存在多种故障模式的状况,建立串联、并联、混联和冷储备等多部件、多故障模式系统更新质保成本模型。此外,文献[74]以汽车为研究对象,在二维延长质保下进行多部件产品质保成本建模分析。总体而言,多部件产品的质保研究还处于探索阶段,尚未形成完善的理论方法。

  综上所述,质保中的维修建模与优化、可用度质保策略、柔性质保和多部件产品质保是现有理论研究与工程应用的热点,但是仍存在不完善之处。

  1.3 研究内容与论文结构

  1.3.1 研究内容

  如前所述,常见的质保策略包括免费维修或替换质保、按比例退还质保和组合质保策略等。对于复杂工程装备(如数控机床、风力机、工程机械等),故障、停机以及维修活动不仅会产生停机损失和维修成本,甚至可能造成重大的财产损失和服务中断。因此,可用度成为此类设备的重要性能指标。以风力发电为例:风力机是风电场的核心装备,它结构复杂,工作环境恶劣,预期寿命高达 20 年,运维成本昂贵。风电场的运行数据表明:年有效运行2000 小时是单台风力机的盈亏平衡点。显然,风力机可用度直接关系到风电场的经济效益,可用度成为衡量风力机运行状况的重要指标。除可靠性要求外,用户还会对此类产品的可用度提出要求,要求制造商保证产品在质保期内达到预定的可用度。

  可用度质保是一类为满足产品在质保期内可用度要求的质保服务策略。在该策略下,制造商既要负责质保期内产品的维修与替换,也要保证产品可用度在质保期内达到规定的水平。

  例如,风力机质保通常需要保证产品可用度达到 0.95 甚至更高。然而,现有基于可用度的质保研究工作相对有限,相关模型与理论研究仍需进一步完善。可用度质保以保证产品质保期内可用度要求为主要内容,适用于具有可用度要求的复杂机电产品。从制造商的角度,可用度质保决策时除了要考虑质保成本外,还要考虑如何保证产品达到指定的可用度水平。实际中,事后维修和预防性维修是提高顾客满意度和降低成本的有效方法。相比于事后维修,预防性维修可以缓解系统性能退化和减少故障的发生,在质保决策中受到关注。为满足产品可用度要求,制造商可以采用预防性维修来降低产品故障的次数,缩短维修时间。此外,在维修建模时,除要考虑维修对产品状态恢复程度外,还应考虑维修中的学习效应,以便更准确地估计质保服务成本。

  本文提出以保证质保期内产品可用度与控制质保成本为内涵的可用度质保策略,建立质保成本模型,以产品可用度为约束条件,通过合理安排维修计划,实现质保成本的最小化。

  此外,结合质保与维修研究现状,扩展基本可用度质保理论的研究内容,从一维可用度质保扩展至二维可用度质保,从基本可用度质保扩展至基于产品可用度的维修服务合同,并通过数值案例验证所提模型与策略的有效性,为质保决策提供理论支持。

  1.3.2 论文结构

  本文主要包括三部分研究内容:一是考虑学习效应的可用度质保模型研究;二是考虑预防性维修的二维可用度质保模型研究;三是可用度质保期满后的维修服务合同设计。具体的章节内容安排如下:

  第一章:介绍课题背景及研究意义,概括分析产品质保研究现状,归纳本文拟研究内容,并给出论文总体结构分布。

  第二章:以风力机、数控机床等具有可用度要求的可修复产品为研究对象,考虑维修过程中的学习效应,从制造商的视角研究可用度质保建模问题。以满足质保期内产品可用度要求以及质保服务成本最小化为目标,通过预防性维修来减少设备故障发生次数,基于产品可用度建立质保成本模型。采用混合故障率模型描述预防性维修,并考虑维修过程中的学习效应,评估制造商的服务成本、优化维修计划。采用周期循环的动态优化方法确定预防性维修周期,在满足每个周期内产品符合可用度要求的前提下,实现单位时间质保成本的最小化。

  以风力机齿轮箱为例,验证可用度质保策略的有效性。

  第三章:从制造商角度研究二维可用度质保策略。该策略下,制造商除针对故障提供维修或替换之外,同时要保证产品的可用度在质保期内满足事先约定的水平。为满足以合理的质保成本保障产品可用度要求的目的,制造商采取二维预防性维修策略,即每 K 单位时间或 L 单位使用量来制定预防性维修计划。本章研究目的在于,通过优化二维预防性维修计划,以最小的质保成本来保障产品可用度要求。此外,针对不同顾客群体,分别设计出对应的定制化预防性维修计划。以可修复的汽车部件为例,验证所提策略的有效性。

  第四章:以满足产品在质保期满后的可用度需求为目标,开展基于可用度的维修服务合同设计。为满足产品在质保期和维修服务合同期的可用度需求,建立起两阶段质保服务模型。

  考虑制造商成本、收益和顾客成本等因素,探讨质保服务的合理性和适用性。通过数值案例,验证所设计的维修服务合同的有效性。

  第五章:总结本文研究工作,分析现有研究存在的不足,展望基于可用度的产品质保领域未来值得研究的方向。综上所述,本文围绕产品可用度需求,依次开展一维、二维可用度质保设计、维修优化研究、定制化维修服务研究、维修服务合同设计等研究工作。本文的总体架构如图 1-4 所示。

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  2.1引言第二章考虑学习效应的可用度质保模型研究
  2.2模型建立
  2.2.1可用度质保优化模型
  2.2.2不完全预防性维修建模
  2.2.3学习效应建模

  2.3模型分析
  2.4案例研究
  2.4.1学习效应分析
  2.4.2参数灵敏度分析
  2.5本章小结

  第三章考虑预防性维修的二维可用度质保模型研究
  3.1引言
  3.2模型建立与分析3
  .2.1问题描述
  3.2.2产品故障建模
  3.2.3不完全预防性维修建模
  3.2.4质保成本与产品可用度建模
  3.2.5顾客分类

  3.3案例研究
  3.3.1结果分析
  3.3.2参数灵敏度分析
  3.3.3定制化预防性维修结果对比
  3.4本章小结

  第四章可用度质保期满后的维修服务合同设计
  4.1引言
  4.2模型建立
  4.2.1模型描述
  4.2.2基本可用度质保
  4.2.3维修服务合同
  4.2.4预防性维修策略优化分析

  4.3数值案例
  4.3.1基本可用度质保结果分析
  4.3.2维修服务合同结果分析
  4.3.3讨论
  4.4本章小结

第五章 总结与展望

  激烈的市场竞争使产品的售后服务受到关注。良好的售后服务可以提高顾客的满意度,帮助制造商增加市场份额。质保服务是制造商所提供售后服务的重要组成部分,对于交易双方均有益,成为市场营销的重要手段。

  常见的质保策略包括免费维修或替换质保、按比例退还质保以及免费替换更新质保等。

  对于复杂的工业设备,如风力机、数控机床、自卸式卡车等,一旦故障或停机往往造成服务中断或者重大经济损失。例如:在化工企业,因重要设备停机而造成的生产损失高达每小时5000 美元至 100000 美元[92].因此,从顾客的视角,制造商应该保证此类设备的可用度水平。

  上述质保策略无法满足产品的实际运维需求。制造商迫切需要制定科学的质保策略和维修服务计划,以保障产品的可用度要求。

  针对产品可用度需求和质保理论研究存在的不足,本文以基于可用度的产品质保与维修决策优化为研究内容,开展考虑学习效应的可用度质保模型研究、考虑预防性维修的二维可用度质保模型研究、可用度质保期满后的维修服务合同设计。相关研究内容以满足质保期产品可用度要求与有效控制质保服务成本为目的,将一维可用度质保扩展至二维可用度质保,由基本可用度质保扩展到基于可用度的维修服务合同。表 5-1 总结本文的主要研究工作。

  限于作者的工作能力和研究时间,本课题在研究深度和广度等方面还存在一些不足。后续可以进一步完善:

  (1)可用度的定义与测定是可用度质保研究的基础问题。可修复产品的可用度取决于自身的可靠性和维修性,并受到产品设计、制造技术、运行环境、备件供应和维修方式等多重因素的影响。本文仅考虑最小维修和预防性维修对产品可用度的影响。后续研究中可以进一步考虑备件管理、环境效应等因素。

  (2)在故障、维修和质保建模时,本文将产品简化为一个整体,忽视了产品的结构组成、零部件及其故障机理的差异性。这样的处理方式往往不能够反映产品质保的实际需求,无法准确测算质保成本。围绕多部件产品可用度需求,由零部件可用度建模到系统可用度质保建模,由零部件故障建模到系统可靠性建模;在考虑部件相关性的基础上,采取多部件系统维修方式,准确构建质保成本模型,并通过合理安排维修计划,有效控制质保成本,是本课题后续研究的方向之一。

  (3)限于生产计划和操作环境等因素,设备的使用率并不确定,研究使用率对可用度质保的影响也具有明确的工程需求。

  (4)本研究假设预防性维修时间是常值。在后续研究中,可以将预防性维修的时间视为服从特定分布的函数,分析结果将更符合工程实际。

  (5)定制化的质保服务可以帮助制造商获得更高的顾客满意度。除本文中研究的定制化预防性维修外,还可以探索更多的定制化服务策略。

  致谢
  参考文
  献攻读硕士学位期间所取得的成果

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