随着全球化竞争日益加剧,生产制造系统不断升级;现代制造系统逐渐向精密化、信息化、集成化、以及柔性化方向发展。现代生产制造系统的一个重要特征就是,设备运行在变(分段恒定)工况下。本课题以由多台数控机床按工序组成的金属零部件生产系统为研究对象,考虑设备的运行工况主要包含加工原料、切削深度、进给量、旋转速率以及生产率等协变量参数决定的操作工况。同时为了更好地适应随机化的客户订单,生产计划呈现出了动态化以及短期化的特征。预防维护为生产线可靠运行提供保障的同时控制维护成本,生产计划确保生产任务完成的同时控制生产成本。预防维护和生产计划是现代企业降低运营成本,提高核心竞争力的两大核心要素,它们相互作用、影响。开展变工况生产系统预防维护及其与生产计划联合决策研究,有助于提高生产效率和缩短交货期,也对促进现代企业安全、高效生产生活具有重要的意义。本文以运行在变工况下的制造系统为研究对象,改进传统的预防维护模型以适应分段恒定的工况,并提出基于短期生产计划的动态预防维护策略。针对批量生产系统,考虑不同批量(次)间工况的差异性,基于其生产模式的特点,建立设备层-系统层交互的多设备机会维护策略。考虑实际过程中生产计划与维护单位不平等的决策优先权,提出基于博弈框架的生产速率与预防维护联合决策模型。构建了考虑设备运行工况的生产调度与预防维护联合优化模型。降低系统运营成本,保证生产流畅性,缩短理论研究与实际应用的差距。本文在变工况生产系统预防维护及其与生产计划联合决策研究中做出的主要研究成果如下,(1)针对现代生产制造系统设备运行工况呈现出个体化,时变化特征,采用出厂前统计数据拟合的失效率函数在个体应用中与实际情况存在较大偏差这一难题;结合加速失效模型,将设备的运行工况集成到传统的失效函数模型中,以描述设备在不同运行工况下的可靠度与失效率函数。挖掘设备在不同工况下的运行役龄与其在基准工况下的等效关系,建立设备在变工况下的可靠度与失效率函数演化模型;继而基于经典的预防维护模型,创新性提出扩展的非完美维护模型;解决设备在变工况下的预防维护建模这一难题,显著提高了针对个体设备可靠度与失效率函数预测的准确性。继而考虑到现代生产计划的动态化以及短期化特征,提出基于短期生产计划的动态预防维护策略,有效降低了维护成本。为现代生产系统单设备预防维护理论提供了有力的补充。(2)针对批量生产模式下的多设备系统,考虑不同批量间设备运行工况的差异性,从而导致设备劣化速率变化;以及生产模式导致的维护时间限制,创造性提出基于批量转换时刻的设备层-系统层交互的动态机会维护策略。策略有效地考虑了批量加工工况对设备预防维护决策的影响,适应于动态的批量生产计划,避免预防维护对同一批量产品质量一致性的影响,降低系统停机和预防维护总成本。有效地拓展了批量生产模式下生产系统设备的预防维护理论。(3)针对综合层生产批量与预防维护联合决策中未有研究考虑不平等决策优先权这一研究空白,探索性提出基于非合作博弈框架的联合决策模型,以契合企业实际生产决策过程中生产计划方较预防维护方具有优先决策权这一广泛存在的情况。该模型有效地考虑了生产速率与预防维护的相互作用,确保了生产批量的需求,有效控制了维护成本,同时避免了由于计划冲突导致的资源浪费以及生产中断。(4)针对车间层生产调度与预防维护联合决策中未有研究考虑设备运行工况这一研究真空,考虑由于工件加工参数不同导致设备运行工况变化,进而探讨工况对工件完工时间的影响,提出了考虑设备运行工况的生产调度与预防维护联合决策模型。针对小规模问题,采用枚举法寻找最优解。针对大规模问题,提出基于遗传算法的启发式算法快速有效地寻找优化解。通过算例证明该策略的有效性,以及考虑设备运行工况的必要性,一定程度上丰富了生产调度和预防维护联合决策的研究。本课题建立的模型可以更准确地描述运行在个体化、分段恒定工况下的现代生产系统设备的可靠度、失效率演化规律;提出的预防维护策略适应于动态的生产计划;构建的生产速率与预防维护非合作博弈模型契合大部分企业的决策流程;探讨的考虑设备运行工况的生产调度与预防维护联合优化模型具有一定的实际适用性。本文的工作拓展了传统的预防维护及其与生产计划联合决策研究,促进了它们在实际生产过程中的应用。为促进现代企业安全、高效生产,提高设备健康管理水平;以及我国实现工业化4.0提供一定的支持和推动。