A restless bandit approach for capacitated condition based maintenance scheduling

peer reviewedThis paper considers the maintenance scheduling problem of multiple non-identical machines deteriorating over time. The deterioration gradually decreases a machine’s performance, which results in revenue losses due to lower output quality. The maintenance cost is dependent on the degradation state, and the number of maintenance activities that can be carried out simultaneously is restricted by the number of maintenance workers. Our main goal is to propose a heuristic with low complexity that consistently produces solutions close to the optimal strategy for problems of real size. We cast the problem as a restless bandit problem and propose an index based heuristic (Whittle’s index policy) which can be computed efficiently. We also provide a lower bound that can be computed by linear programming. We numerically compare the performance of the index heuristic with alternative policies. In addition to achieving superior performance over failure-based and threshold policies, Whittle’s policy numerically converges to our lower bound when the number of machines is moderately high and/or maintenance workload is high

Reliability and Condition-Based Maintenance Analysis of Deteriorating Systems Subject to Generalized Mixed Shock Model

For successful commercialization of evolving devices (e.g., micro-electro-mechanical systems, and biomedical devices), there must be new research focusing on reliability models and analysis tools that can assist manufacturing and maintenance of these devices. These advanced systems may experience multiple failure processes that compete against each other. Two major failure processes are identified to be deteriorating or degradation processes (e.g., wear, fatigue, erosion, corrosion) and random shocks. When these failure processes are dependent, it is a challenging problem to predict reliability of complex systems. This research aims to develop reliability models by exploring new aspects of dependency between competing risks of degradation-based and shock-based failure considering a generalized mixed shock model, and to develop new and effective condition-based maintenance policies based on the developed reliability models. In this research, different aspects of dependency are explored to accurately estimate the reliability of complex systems. When the degradation rate is accelerated as a result of withstanding a particular shock pattern, we develop reliability models with a changing degradation rate for four different shock patterns. When the hard failure threshold reduces due to changes in degradation, we investigate reliability models considering the dependence of the hard failure threshold on the degradation level for two different scenarios. More generally, when the degradation rate and the hard failure threshold can simultaneously transition multiple times, we propose a rich reliability model for a new generalized mixed shock model that is a combination of extreme shock model, δ-shock model and run shock model. This general assumption reflects complex behaviors associated with modern systems and structures that experience multiple sources of external shocks. Based on the developed reliability models, we introduce new condition-based maintenance strategies by including various maintenance actions (e.g., corrective replacement, preventive replacement, and imperfect repair) to minimize the expected long-run average maintenance cost rate. The decisions for maintenance actions are made based on the health condition of systems that can be observed through periodic inspection. The reliability and maintenance models developed in this research can provide timely and effective tools for decision-makers in manufacturing to economically optimize operational decisions for improving reliability, quality and productivity.Industrial Engineering, Department o

Acompanhamento e análise da degradação em componentes mecânicos

A inovação e o desenvolvimento tecnológico obrigam os fabricantes a uma intensa competição global, face a uma redução no ciclo de desenvolvimento dos produtos e a rigorosos constrangimentos de custos, ao mesmo tempo que enfrentam consumidores mais exigentes, que procuram produtos de Qualidade. A Fiabilidade do bem é um aspecto marcante dessa Qualidade. Tradicionalmente o acesso a essa fiabilidade é baseado em testes de vida, normalmente acelerados. Todavia, para produtos altamente fiáveis, pouca informação a respeito da sua fiabilidade é fornecida por via dos testes de vida, nos quais poucas ou nenhumas falhas são observadas. Perante este cenário, a análise de degradação surge como uma técnica alternativa atractiva aos clássicos métodos de estudo da fiabilidade, apresentando como grande vantagem o facto de não ser necessário que nenhuma falha ocorra para se obter informação sobre a fiabilidade do bem, beneficiando ainda de uma redução no tempo de duração dos testes. Este trabalho começa por abordar os fundamentos da teoria da fiabilidade, e sua aplicação ao ciclo de vida dos componentes, fazendo alusão aos modelos de fiabilidade, ou distribuições de vida que mais usualmente se ajustam as várias fases de vida de um bem, nomeadamente a distribuição Exponencial, Normal e com particular destaque à versátil distribuição de Weibull. De seguida é feita a abordagem à análise de degradação dos componentes como uma técnica útil para estimar a fiabilidade de um bem, e neste contexto é feita a abordagem de uma metodologia de análise da degradação com base na monitorização da condição dos componentes. Quando um bem está sujeito a um processo de degradação, onde se pode fixar um valor limite para a característica que está a ser medida, pode-se recolher uma série de dados relativos ao processo em causa, servindo estes para ajustar um modelo matemático de degradação, que por extrapolação da curva de degradação permitem estimar o tempo até à falha, e por consequência o tempo de vida útil restante.O trabalho enquadra ainda a análise da degradação dos componentes numa perspectiva de apoio à estratégia de manutenção, no domínio da manutenção condicionada, e em particular no quadro da manutenção preditiva, tendo por objectivo fazer a optimização do programa de manutenção a aplicar, de forma a minimizar os custos globais da função manutenção. Nesta vertente são também considerados os intervalos P-F para monitorizar a evolução do estado de falha, em que é necessário definir o valor do parâmetro analisado para o qual se considere o início do processo de falha e o correspondente valor de falha efectiva. É apresentado um estudo prático com a colaboração duma prestigiada empresa de comercialização e distribuição de veículos pesados, focalizado num modelo de camião específico comercializado por essa marca. O estudo está direccionado para o sistema de travagem do veículo, mais concretamente a um dos seus componentes mecânicos, as pastilhas de travão. Este componente tem associado o mecanismo de degradação conhecido por desgaste. A medição do parâmetro de desgaste será feita por meio da técnica de simulação de valores, tendo no entanto em consideração, uma base de dados restrita de valores reais. O estudo de fiabilidade deste componente tem por objectivo fundamental estimar o tempo de Vida Útil Restante (“Residual Useful Life, RUL”) para as pastilhas, ou seja, até que se atinja o valor limite admissível (considerado como falha). Para os cálculos foi utilizado o programa informático denominado Weibull ++7. O caso de estudo permitiu determinar para situações particulares a relação entre o desgaste e a distância percorrida, estimando-se desta forma a vida restante (em distância), até ao momento em que o componente atinge o limite de desgaste considerado admissível. O grande potencial de estudo futuro passa pela elaboração de um modelo (com base em dados reais de exploração), que contemple os principais factores de influência, e que duma forma expedita permita a gestores de frota, fabricantes ou responsáveis da marca fazer a análise da fiabilidade do componente, tendo em conta uma situação específica de exploração. O conhecimento da fiabilidade das pastilhas pode levar à optimização da exploração do veiculo, por meio de um planeamento estratégico da sua manutenção,nomeadamente ao nível do aprovisionamento, na programação das intervenções, e em particular quanto à vida útil restante para as pastilhas

Análise da degradação mecânica de ativos físicos

Trabalho final de mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia MecânicaO atual desenvolvimento tecnológico, a competitividade entre as organizações e o preço excessivo dos produtos são fatores que obrigam as organizações a repensar os seus ativos físicos, ganhando consciência que os mesmos (instalações e equipamentos), resultantes de vultosos investimentos, devem ser melhor rentabilizados, isto é, que os custos ao longo dos seus ciclos de vida (aquisição, operação, manutenção e abate) devem ser minimizados, de um modo sustentável, causando o mínimo prejuízo na qualidade do produto ou serviço prestado, tal como na segurança de pessoas e bens. A fiabilidade do ativo é um fator marcante na qualidade do produto. Um sistema ou equipamento é considerado fiável quando é capaz de executar a sua função com o nível de qualidade previamente definido. As análises de fiabilidade podem ser realizadas através de ensaios realizados pelos fabricantes (normais ou acelerados) ou através de dados de campo, sendo em ambos os casos normalmente referentes a tempos registados até à falha. No entanto, em ambiente industrial, quando se trata de equipamentos críticos, o objetivo é evitar a ocorrência de avarias. Em resposta a este cenário, surge a análise de degradação, como técnica alternativa aos clássicos métodos de estudo da fiabilidade, apresentando a vantagem de não ser necessário que nenhuma falha ocorra, para se obter informação sobre a fiabilidade do ativo, beneficiando ainda de uma redução no tempo de duração dos testes. O presente trabalho, começa por abordar os fundamentos da teoria da manutenção e da fiabilidade, da sua aplicação no ciclo de vida dos ativos, fazendo referência às distribuições estatísticas de fiabilidade que mais se adaptam às várias fases de vida de um ativo, nomeadamente a distribuição de Weibull, a distribuição Normal e a distribuição Exponencial. De seguida, é feita uma proposta de metodologia para acompanhamento e análise da degradação mecânica de ativos físicos, analisando parâmetros dos ativos de maneira a estimar a sua fiabilidade e realizando as intervenções da manutenção apenas quando se encontrarem no seu limite de vida útil, que corresponderá ao tempo até à falha. Por fim, é apresentado um caso de estudo onde, através da recolha de dados dos ativos dinâmicos de uma empresa produtora de fertilizantes, é estimada a fiabilidade e identificado em que período da vida dos ativos deverá ser realizada a intervenção, pelo facto dos seus parâmetros terem atingido os valores limite previamente definidos.The current technological developments, the competitiveness between organizations and the excessive price of products are factors that make organizations rethink their physical assets, gaining consciousness that these (installations and equipment), which are the result of big investments, should be better monetized, which means that the costs throughout their life cycles (acquisition, operation, maintenance and slaughter) should be minimized, in a sustainable way, causing minimal loss in the quality of the product or the service, as well as in the security of people and assets. The reliability of the asset is a striking factor in the product’s quality. A system or an equipment is considered to be reliable when it is capable of executing its function with the previously defined level of quality. The reliability analysis can be made by the manufacturer’s testing (normal or accelerated) or through field data, being in both cases usually referred to time until failure. However, in an industrial environment, when it comes to critical equipment, the point is to avoid the occurrence of malfunction. As a response to this scenario, comes the degradation analysis, as an alternative technique to the classic methods of reliability study, having the advantage that there is no failure necessary in order to obtain information about the asset’s reliability, having yet another benefit, which is the reduction of the test’s duration. This study starts out by addressing the fundamentals of the maintenance and reliability theory, its application in the assets’ life cycle, making a reference to the statistical distributions of reliability that adapt the most to the multiple life phases of an asset, in particular the distribution of Weibull, the Normal distribution and the Exponential distribution. This is followed by a proposal of methodology in order to accompany and analyze the mechanical degradation of the physical assets, analyzing the parameters of the assets in order to evaluate its reliability and making the maintenance interventions only when they’re on their lifespan limit, which will correspond to the time to failure. Finally, there’s the introduction of a study case where, through data retrieved from the dynamic assets of a company that produces fertilizers, we have the estimation of the reliability and the identification of in what life period the assets will need an intervention, because their parameters will have reached the limit values which were previously defined.N/

Availability Optimization of Systems Subject to Competing Risk

This paper considers a competing risk (degradation and sudden failure) maintenance situation. A maintenance model and a repair cost model are presented. The degradation state of the units is continuously monitored. When either the degradation level reaches a predetermined threshold or a sudden failure occurs before the unit reaches the degradation threshold level, the unit is immediately repaired (renewed) and restored to operation. The subsequent repair times increase with the number of renewals. This process is repeated until a predetermined time is reached for preventive maintenance to be performed. The optimal maintenance schedule that maximizes the unit availability subject to repair cost constraint is determined in terms of the degradation threshold level and the time to perform preventive maintenance

Availability optimization of systems subject to competing risk

This paper considers a competing risk (degradation and sudden failure) maintenance situation. A maintenance model and a repair cost model are presented. The degradation state of the units is continuously monitored. When either the degradation level reaches a predetermined threshold or a sudden failure occurs before the unit reaches the degradation threshold level, the unit is immediately repaired (renewed) and restored to operation. The subsequent repair times increase with the number of renewals. This process is repeated until a predetermined time is reached for preventive maintenance to be performed. The optimal maintenance schedule that maximizes the unit availability subject to repair cost constraint is determined in terms of the degradation threshold level and the time to perform preventive maintenance.Preventive maintenance Competing risk Degradation process Sudden failure Non-stationary renewal process