智能生產(chǎn)線設(shè)備驗(yàn)收指標(biāo)與驗(yàn)收方法

高云霄，胡洪偉，姚單，熊海林，王偉

（中船重工（重慶）西南裝備研究院有限公司，重慶 401123）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，勞動(dòng)力成本的逐年升高，生產(chǎn)型企業(yè)正在逐步地使用智能生產(chǎn)線設(shè)備替代勞動(dòng)力。生產(chǎn)線企業(yè)作為使用方，在設(shè)備可以完成生產(chǎn)功能的前提下，更加關(guān)心設(shè)備的生產(chǎn)能力和配套的勞動(dòng)力成本；但卻無(wú)法準(zhǔn)確地描述出設(shè)備交付時(shí)應(yīng)該達(dá)到的狀態(tài)，也無(wú)法合理地給出設(shè)備驗(yàn)收的方法。導(dǎo)致設(shè)備生產(chǎn)方和使用方因?qū)Ξa(chǎn)品驗(yàn)收指標(biāo)和驗(yàn)收方法的理解不同、在驗(yàn)收過程中的期望也不同而導(dǎo)出現(xiàn)矛盾，甚至糾紛。因此，針對(duì)智能生產(chǎn)線設(shè)備提出合理的驗(yàn)收指標(biāo)，并給出設(shè)備驗(yàn)收方法具有重要的意義。

周炳海等[1]在計(jì)算串行生產(chǎn)線緩沖分配方法時(shí)以可用度為目標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)生產(chǎn)線。孟吉偉等[2]以可靠性理論為基礎(chǔ)，建立了單元化串行連續(xù)生產(chǎn)線模型，得到能力與設(shè)備故障率、修復(fù)率、緩沖庫(kù)存量、生產(chǎn)節(jié)拍和時(shí)間有關(guān)。楊林[3]在串聯(lián)可修生產(chǎn)線緩沖庫(kù)設(shè)計(jì)中得到生產(chǎn)線的可靠性與設(shè)備維修時(shí)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，指出可靠性與維修水平、瓶頸單元的生產(chǎn)率等有關(guān)。在串聯(lián)可修有緩沖庫(kù)的研究中，多位學(xué)者采用可用度評(píng)價(jià)生產(chǎn)線。但對(duì)于無(wú)庫(kù)存區(qū)生產(chǎn)線，尤其對(duì)使用方關(guān)心的生產(chǎn)能力和勞動(dòng)力成本方面研究得較少，孟吉偉[4]通過對(duì)生產(chǎn)過程控制內(nèi)容與系統(tǒng)可靠性的概述，提出用可用度評(píng)價(jià)生產(chǎn)線設(shè)備產(chǎn)能，但并不能全面地反映出使用方關(guān)心的問題。

本文在與智能生產(chǎn)線設(shè)備的使用方和生產(chǎn)方深入溝通的前提下，旨在提出使用方和生產(chǎn)方共同認(rèn)可的驗(yàn)收指標(biāo)和驗(yàn)收方法。首先，將設(shè)備使用方關(guān)心的生產(chǎn)能力和所占用的勞動(dòng)力轉(zhuǎn)換為可定量的敏感參數(shù)；其次，基于設(shè)備特點(diǎn)和可靠性基本理論，將敏感參數(shù)轉(zhuǎn)化為便于驗(yàn)收評(píng)價(jià)的驗(yàn)收指標(biāo)；然后，基于標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案，制定智能生產(chǎn)線設(shè)備驗(yàn)收方法；最后，在某型智能生產(chǎn)線設(shè)備上進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，論證該試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)方法的有效性。

1 使用方關(guān)心的敏感參數(shù)

對(duì)使用方來(lái)講，設(shè)備的生產(chǎn)能力與所占用的勞動(dòng)力是設(shè)備的主要評(píng)價(jià)方法。設(shè)備的生產(chǎn)能力體現(xiàn)在單位時(shí)間內(nèi)的生產(chǎn)的合格品數(shù)量。所占用的勞動(dòng)力體現(xiàn)在設(shè)備運(yùn)行過程中是否需要人員干預(yù)，出現(xiàn)故障的需要人員恢復(fù)時(shí)間等。此外，若設(shè)備運(yùn)行過程中不停機(jī)但出現(xiàn)了廢品，該情況雖不需要人員干預(yù)，但影響了設(shè)備的生產(chǎn)能力?；谥悄苌a(chǎn)線設(shè)備的特點(diǎn)，提出以下3個(gè)敏感參數(shù)。該參數(shù)可以較全面地反映使用方關(guān)心的敏感參數(shù)。同時(shí)，可以通過計(jì)算轉(zhuǎn)化為常用的可靠性指標(biāo)，作為驗(yàn)收指標(biāo)在設(shè)備驗(yàn)收過程中使用。

1.1 成品率

當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行的過程中產(chǎn)生了廢品，若設(shè)備本身可以將其識(shí)別，并能單獨(dú)存放，則廢品率僅影響設(shè)備的生產(chǎn)能力；但當(dāng)設(shè)備本身無(wú)法識(shí)別，將其混入成品區(qū)，則會(huì)影響生產(chǎn)產(chǎn)品的可靠性。這無(wú)疑對(duì)使用方的檢驗(yàn)提出了更高的要求，因此廢品率是設(shè)備驗(yàn)收的一個(gè)重要的參數(shù)。成品率（P）的估算方法如公式（1）所示。

式（1）中：n——成品個(gè)數(shù)；

N——生產(chǎn)總個(gè)數(shù)。

1.2 基于可用度的生產(chǎn)能力

在沒有廢品產(chǎn)生的情況下，生產(chǎn)能力是指每單位時(shí)間內(nèi)，設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)的成品數(shù)量。傳統(tǒng)的生產(chǎn)能力直接從節(jié)拍計(jì)算，但設(shè)備故障停機(jī)的時(shí)間并未考慮在內(nèi)。為了更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)設(shè)備的生產(chǎn)能力，引入了可用度（Ai）的概念，可用度是指產(chǎn)品能工作時(shí)間與能工作時(shí)間和不能工作時(shí)間的總和之比[6]。生產(chǎn)能力（Q）的估算如公式（2）所示。

式（2）中：Q——生產(chǎn)能力；

Ai——可用度；

d t——單位時(shí)間，依據(jù)使用方的使用習(xí)慣來(lái)確定，建議采用小時(shí)，h；

t0——生產(chǎn)節(jié)拍。

在有廢品產(chǎn)生的情況下，若設(shè)備并不停機(jī)，單從可用度的角度無(wú)法識(shí)別廢品個(gè)數(shù)，便不能直接地評(píng)價(jià)設(shè)備的生產(chǎn)能力。為了更加準(zhǔn)確地描述成品的生產(chǎn)能力，引入成品率和可用度一同進(jìn)行生產(chǎn)能力的評(píng)價(jià)。生產(chǎn)能力的估算方法修正如公式（3）所示：

1.3 故障頻率

基于可用度的生產(chǎn)能力可以很好地評(píng)價(jià)設(shè)備的生產(chǎn)能力，并體現(xiàn)出操作人員的總的勞動(dòng)力占用情況。但操作人員是不受設(shè)備約束的，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常報(bào)警時(shí)，基于可用度估算的勞動(dòng)力占用時(shí)間是指操作人員必須及時(shí)地介入到設(shè)備中去，進(jìn)行處理并恢復(fù)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間。這就要求操作人員擁有迅速的反應(yīng)與操作能力。而智能生產(chǎn)線設(shè)備一般會(huì)由一個(gè)人員看守多臺(tái)設(shè)備、甚至處于無(wú)人看守狀態(tài)，可能會(huì)存在因配備的操作人員過少，導(dǎo)致設(shè)備報(bào)警后長(zhǎng)時(shí)間得不到處理，從而影響生產(chǎn)能力。因此單位時(shí)間故障發(fā)生的頻次是指導(dǎo)使用方給設(shè)備配套勞動(dòng)力的重要依據(jù)，如公式（4）所示：

2 驗(yàn)收指標(biāo)

2.1 基本可靠性指標(biāo)

可靠性指標(biāo)反映其保持其性能指標(biāo)的能力，這是使用方十分關(guān)心的問題。生產(chǎn)方為了說(shuō)明自己產(chǎn)品保持其性能指標(biāo)的能力，就要在設(shè)備研制的前期提出產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)，并在交付前進(jìn)行驗(yàn)收試驗(yàn)。對(duì)于可維修產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，單獨(dú)使用可靠性指標(biāo)無(wú)法很好地評(píng)價(jià)其在某時(shí)刻具有或維持規(guī)定功能的能力。因此常用可靠性和維修性的綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)，也稱廣義可靠性[5]。常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)如公式（5）-（8）所示[6]。

a）可靠度（R）

式（5）中：N0——產(chǎn)品總數(shù)；

r（t）——工作到t時(shí)間產(chǎn)品發(fā)生的故障數(shù)。

b）平均故障間隔時(shí)間（MTBF）

式（6）中：T——產(chǎn)品總的工作時(shí)間；

N0——故障總次數(shù)；

ti——第i次工作持續(xù)時(shí)間。

c）平均故障修復(fù)時(shí)間（MTTR）

式（7）中：n——維修次數(shù)；

ti——第i次修復(fù)時(shí)間。

d）可用度（Ai）

2.2 驗(yàn)收指標(biāo)

基于可靠性基本理論，將提出的3個(gè)敏感參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，如下所述。

a）成品率

在設(shè)備運(yùn)行t0時(shí)刻，共生產(chǎn)的產(chǎn)品總數(shù)為N，故障數(shù)為r，成品為n，則成品率公式如公式（9）所示，可知，成品率可用可靠度表示。

b）生產(chǎn)能力

基于式（3）和式（8），生產(chǎn)能力公式如公式（10）所示，可知，生產(chǎn)能力可由MTBF、MTTR、R表示。

c）故障頻率

故障頻率為單位時(shí)間的故障次數(shù)，即單位時(shí)間內(nèi)的故障修復(fù)總時(shí)間與平均故障修復(fù)時(shí)間的比值。基于式（2）和式（8），故障頻率的表達(dá)式如公式（11）所示，故障頻率可由MTBF、MTTR表示。

由以上3個(gè)公式可以發(fā)現(xiàn)：3個(gè)敏感參數(shù)可以由MTBF、MTTR、R 3個(gè)參數(shù)表示，即可用MTBF、MTTR、R 3個(gè)參數(shù)作為驗(yàn)收指標(biāo)。

3 驗(yàn)收方法

智能生產(chǎn)線設(shè)備的特殊性在于設(shè)備運(yùn)行過程中每一個(gè)工序均有指定的動(dòng)作，該動(dòng)作以節(jié)拍為單位進(jìn)行循環(huán)。當(dāng)該動(dòng)作無(wú)法順利完成時(shí)，設(shè)備故障無(wú)法工作或產(chǎn)出廢品。在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)發(fā)生的事件均與時(shí)間無(wú)關(guān)，從這個(gè)角度來(lái)看設(shè)備生產(chǎn)產(chǎn)品屬于成敗型壽命產(chǎn)品。但從另一個(gè)角度來(lái)講，一旦設(shè)備故障需要維修時(shí)，修復(fù)時(shí)間會(huì)影響設(shè)備的生產(chǎn)能力，想要對(duì)設(shè)備的生產(chǎn)能力水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，就需要將智能生產(chǎn)線設(shè)備的壽命以時(shí)間進(jìn)行度量，屬于連續(xù)型壽命產(chǎn)品。使用的驗(yàn)收指標(biāo)R、MTBF、MTTR中，既有連續(xù)型壽命產(chǎn)品的MTBF指標(biāo)，又有成敗型產(chǎn)品的R，還有一個(gè)維修性指標(biāo)。因此不能簡(jiǎn)單地只使用單一的截尾方式進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。本文提出了一種定時(shí)截尾和定數(shù)截尾統(tǒng)籌考慮的試驗(yàn)驗(yàn)證方法，可對(duì)R、MTBF進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 單一指標(biāo)驗(yàn)收方法

a）MTBF

假設(shè)設(shè)備報(bào)警這一事件服從指數(shù)分布，通過事先規(guī)定試驗(yàn)時(shí)間，一旦到達(dá)試驗(yàn)截止時(shí)間，就立即終止試驗(yàn)，記錄出現(xiàn)的故障次數(shù)。該方法根據(jù)使用方風(fēng)險(xiǎn)、研制方風(fēng)險(xiǎn)、檢驗(yàn)下限（MTBF）和鑒別比確定試驗(yàn)時(shí)間和試驗(yàn)中允許出現(xiàn)的責(zé)任故障數(shù)。使用方風(fēng)險(xiǎn)、研制方風(fēng)險(xiǎn)常采用10%~20%。依據(jù)GJB 899A—2009中標(biāo)準(zhǔn)型定時(shí)試驗(yàn)方案表進(jìn)行試驗(yàn)方案的確定[7]。

b）R

假設(shè)設(shè)備出現(xiàn)廢品這一事件服從二項(xiàng)分布，通過事先規(guī)定試驗(yàn)個(gè)數(shù)n和允許出現(xiàn)的廢品數(shù)r進(jìn)行試驗(yàn)，一旦出現(xiàn)r次廢品，就立即終止試驗(yàn)。該方法根據(jù)可接受的可靠度（R）、雙方風(fēng)險(xiǎn)、鑒別比確定。依據(jù)GB 5080.5—1985中定數(shù)試驗(yàn)方案表進(jìn)行試驗(yàn)方案的確定[8]。

c）MTTR

維修性指標(biāo)MTTR因統(tǒng)計(jì)規(guī)律尚不明確，無(wú)法提出置信度高的試驗(yàn)方法，采用由試驗(yàn)數(shù)據(jù)，依據(jù)式（7）直接計(jì)算MTTR，再保留2倍的安全余量的方式進(jìn)行驗(yàn)收。

3.2 驗(yàn)收試驗(yàn)方案

依據(jù)智能生產(chǎn)線設(shè)備的驗(yàn)收指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方案表，制定驗(yàn)收方案如下所述。

a）由使用方和研制方共同商定雙方風(fēng)險(xiǎn)和鑒別比。

b）定時(shí)截尾試驗(yàn)方案確定試驗(yàn)時(shí)間和故障次數(shù)r1，通過節(jié)拍計(jì)算該試驗(yàn)時(shí)間下需要生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量n1。

c）定數(shù)截尾試驗(yàn)方案確定產(chǎn)品生產(chǎn)總數(shù)量n2和允許出現(xiàn)的廢品數(shù)量f2。

d）試驗(yàn)總數(shù)量為n=max{n1，n2}。

e）試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄：1）對(duì)于節(jié)拍較小的設(shè)備，建議采用秒表計(jì)時(shí)；2）記錄試驗(yàn)過程中每次故障發(fā)生時(shí)的生產(chǎn)產(chǎn)品次序，并記錄故障發(fā)生時(shí)間與重新啟動(dòng)的時(shí)間；3）記錄每一個(gè)廢品出現(xiàn)的次序；4）當(dāng)試驗(yàn)至n1件產(chǎn)品的故障次數(shù)為r1或試驗(yàn)至n2件產(chǎn)品的廢品數(shù)量為f2或達(dá)到試驗(yàn)數(shù)量n時(shí)，試驗(yàn)終止。

3.3 驗(yàn)收判定準(zhǔn)則

a）MTBF指標(biāo)驗(yàn)證

試驗(yàn)至n1產(chǎn)品時(shí)，發(fā)生的故障次數(shù)r≤r1。

b）R指標(biāo)驗(yàn)證

試驗(yàn)至n2產(chǎn)品時(shí)，出現(xiàn)的廢品數(shù)f≤f1。

c）MTTF指標(biāo)驗(yàn)證

實(shí)測(cè)MTTF值/MTTF指標(biāo)≤2。

4 基于某一智能生產(chǎn)線項(xiàng)目的實(shí)踐

4.1 驗(yàn)收指標(biāo)

該智能生產(chǎn)線設(shè)備屬于多工位全自動(dòng)設(shè)備，對(duì)所有的故障均能有效地給出報(bào)警信號(hào)；對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生的廢品可以有效地識(shí)別并將其放入廢品盤中。項(xiàng)目合同簽訂的性能指標(biāo)為節(jié)拍，驗(yàn)收指標(biāo)為R、MTBF、MTTR，參數(shù)值如表1所示。

表1 項(xiàng)目合同指標(biāo)值

4.2 驗(yàn)收方案

a）使用方和研制方共同商定雙方風(fēng)險(xiǎn)為20%，鑒別比為3.0。

b）查表獲得定時(shí)截尾試驗(yàn)方案的試驗(yàn)時(shí)間為4.3×2=8.6 h，可接受的故障次數(shù)為2個(gè)，通過節(jié)拍計(jì)算共生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)量為938個(gè)。

c）查表獲得定數(shù)截尾試驗(yàn)方案的產(chǎn)品生產(chǎn)總數(shù)量為285個(gè)，允許出現(xiàn)的廢品數(shù)量為3個(gè)。

d）試驗(yàn)總數(shù)量為938個(gè)。

e）試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表如表2-3所示（篇幅問題，表格中只摘取了故障數(shù)據(jù)）。

4.3 驗(yàn)收結(jié)論

第一次試驗(yàn)（表2）因?yàn)楣收洗螖?shù)為3次，超過了可接受的故障次數(shù)，試驗(yàn)終止。依據(jù)故障現(xiàn)象進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)改進(jìn)后，又重新進(jìn)行試驗(yàn)（表3）。試驗(yàn)至生產(chǎn)938個(gè)零件，出現(xiàn)2次故障，滿足MTBF判定準(zhǔn)則；試驗(yàn)至285個(gè)時(shí)，出現(xiàn)的廢品2個(gè)，滿足可靠度判定準(zhǔn)則；兩次故障的修復(fù)時(shí)間分別為73、55 s。平均故障修復(fù)時(shí)間為64 s（0.018 h），平均故障修復(fù)時(shí)間的2倍為0.036 h，小于0.04 h，滿足MTTR指標(biāo)判定準(zhǔn)則。設(shè)備順利地通過了驗(yàn)收試驗(yàn)，滿足合同要求。

表2 第一次驗(yàn)收試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 第二次驗(yàn)收試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)智能生產(chǎn)線設(shè)備目前驗(yàn)收指標(biāo)不清晰導(dǎo)致設(shè)備研制方和使用方在驗(yàn)收問題上無(wú)法形成一致意見的問題，提出了智能生產(chǎn)線設(shè)備的驗(yàn)收指標(biāo)和驗(yàn)收方法，并基于某型設(shè)備進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，得到以下結(jié)論。

a）設(shè)備使用方關(guān)心的生產(chǎn)能力和所占用的勞動(dòng)力可以使用成品率、基于可用度的生產(chǎn)能力和故障頻率3個(gè)敏感參數(shù)評(píng)價(jià)，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)與可靠性基本理論，將3個(gè)敏感參數(shù)轉(zhuǎn)化為可靠度（R）、平均無(wú)故障間隔時(shí)間（MTBF）和平均故障修復(fù)時(shí)間（MTTR）3個(gè)驗(yàn)收指標(biāo)。這3個(gè)參數(shù)可以很好地評(píng)價(jià)設(shè)備的生產(chǎn)能力和所占用的勞動(dòng)力。

b）基于設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)和3個(gè)驗(yàn)收指標(biāo)服從的分布，依據(jù)GJB 899A—2009和GB 5080.5—1985，提出了智能生產(chǎn)線設(shè)備的驗(yàn)收方法，給出了試驗(yàn)方案、數(shù)據(jù)處理方法和判定準(zhǔn)則。

c）結(jié)合某型智能生產(chǎn)線，在項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)與設(shè)備使用方簽訂了P、MTBF和MTTR 3個(gè)指標(biāo)，并依據(jù)提出的驗(yàn)收方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，提出的驗(yàn)收方法可以很好地評(píng)價(jià)設(shè)備的交付狀態(tài)，可操作性強(qiáng)。

d）本課題的研究證明了所提出的驗(yàn)收指標(biāo)和驗(yàn)收方法能夠有效地評(píng)價(jià)設(shè)備的交付狀態(tài)，給使用方和研制方對(duì)設(shè)備的驗(yàn)收提供參考，可以更加準(zhǔn)確地估算設(shè)備的生產(chǎn)能力，為企業(yè)制定準(zhǔn)確的生產(chǎn)計(jì)劃提供了依據(jù)。