redundancy allocation problem
در نشریات گروه مدیریت-
مقدمه و اهدافبا توجه به رقابتی شدن بازار و جهانی شدن آن نیاز به دسترس پذیری در طراحی محصول در دهه های اخیر موردتوجه قرارگرفته است. امروزه دسترس پذیری شامل نیازمندی های عملکردی، استفاده از استانداردها، طراحی، پیش بینی دسترس پذیری، مدل سازی دسترس پذیری و بازیابی و بررسی آن است. یکی از اهداف دسترس پذیری، طراحی سیستم هایی با حداکثر دسترس پذیری است. دسترس پذیری یک سیستم معمولا به واسطه بهبود دسترس پذیری هر یک از اجزاء یا تخصیص اجزای مازاد بهبود می یابد. این بهبودها در عمل به واسطه استفاده از مواد بهتر، فرآیند ساخت بهتر، اصول طراحی استفاده شده و غیره ایجاد می شود.روش هادر این پژوهش، یک رویکرد نوآورانه برای بهینه سازی چندین سیستم سری موازی چندحالته بررسی می شود. این رویکرد به جای محدود کردن بهینه سازی به یک سیستم به صورت جداگانه، به بهینه سازی هم زمان چندین سیستم و بهبود کارایی و عملکرد کلی آن ها می پردازد. در این سیستم ها، تعدادی زیرسیستم موازی قرار دارند که هر یک از این زیرسیستم ها دارای اجزای چندحالته است. این اجزا می توانند در حالت های مختلف عمل کنند و با ترکیب این حالت ها، عملکرد متفاوتی را ارائه دهند. یکی از نکات مهم موردتوجه در این مدل، تاثیر نرخ های خرابی چندمرحله ای بر سیستم ها است که از طریق ترسیم نمودار حالت به وضوح بررسی می شود. فرضیه های مختلفی در این مدل در نظر گرفته می شود؛ از جمله قابلیت انتخاب تامین کننده با شرایط متفاوت، با در نظر گرفتن محدودیت های موجود در سیستم. علاوه بر این، اثرات فعالیت های فنی و سازمانی بر روی بازه های پیوسته بهینه سازی سیستم ها نیز بررسی و تحلیل می شود. در پایان با استفاده از الگوریتم فراابتکاری ژنتیک، مدل ارائه شده بهبود می یابد و نتایج حاصل از آن نشان می دهد که عملکرد سیستم به طور کامل بهبود یافته است.یافته هادر این پژوهش یک مدل بهینه سازی ریاضی برای مدل سازی مسئله موردبررسی تحت مفروضات مطرح شده ارائه می شود؛ همچنین برای نمونه یک نوع مثال عددی در شرایطی که تابع توزیع انتقال حالت نمایی و فعالیت های فنی و سازمانی با شدت عملکرد مختلف هستند، ارائه می شود. در این نمونه، فرض می شود که نرخ عملکردی هر زیرسیستم با مجموع نرخ عملکردی اجزا آن و عملکرد سیستم با حداقل نرخ عملکردی زیرسیستم ها برابر است. می توان با توجه به توضیحات داده شده احتمال دسترس پذیری سیستم را محاسبه و هزینه سیستم را نیز می توان با استفاده از تابع هدف مدل محاسبه کرد. در مرحله بعد با استفاده از الگوریتم ژنتیک، مثال های ارائه شده حل و نتایج آن گزارش می شود.نتیجه گیریبا مطالعه مقاله ها و پژوهش های سال های اخیر می توان دریافت که همواره پژوهشگران عرصه مدل های تخصیص افزونگی، چه در زمینه سیستم های باینری و چه سیستم های چندحالته، کوشیده اند تا با در نظر گرفتن فرضیه های جدید و یا حذف کردن فرضیه های ساده سازی که از سال های گذشته در مبانی نظری این مدل ها باقی مانده بود، شرایط این نوع مسائل را به دنیای واقعی نزدیک تر کنند و به سوال های بیشتری که ذهن تصمیم گیرندگان چنین سیستم هایی را در امر بهینه سازی مشغول کرده بود، پاسخ دهند. این رویکردها از سوی پژوهشگران به نام این موضوع اهمیت و ضرورت ارائه مدل های بهینه سازی ریاضی با در نظر گرفتن همه شرایط و محدودیت های سیستمی کاربران و مدیران را بیش ازپیش مهم تر کرده است. در این پژوهش نیز نشان داده شده است که می توان با افزایش ابعاد بهینه سازی مسائل تخصیص افزونگی، مدل هایی را تنظیم کرد که با دنیای واقعی انطباق بیشتری دارند.کلید واژگان: دسترس پذیری، مسئله تخصیص افزونگی، انتخاب تامین کننده، الگوریتم ژنتیک، سیستم سری موازی چندحالتهIntroductionGiven the competitive and globalized nature of markets, availability has become a crucial aspect of product design in recent decades. Modern availability includes functional requirements, adherence to standards, design considerations, predictability of availability, modeling, and evaluation. One objective of availability is to design systems with maximum accessibility. System availability is often improved by enhancing the availability of individual components or by allocating redundant components. These improvements are achieved through better materials, improved manufacturing processes, and the application of design principles.MethodThis paper introduces an innovative approach to optimizing multiple parallel-series multi-state systems. Unlike traditional methods that focus on optimizing a single system, this approach simultaneously optimizes multiple systems to enhance their overall efficiency and performance. These systems contain parallel subsystems with multi-state components that can operate in various states, providing different performance outcomes. A significant aspect of this model is the impact of multi-stage failure rates on the systems, analyzed through state diagrams. The model also considers various assumptions, including the capability to select suppliers with different conditions and constraints. Additionally, the effects of technical and organizational activities on continuous optimization intervals are analyzed. The model is refined using a genetic algorithm, showing considerable improvements in system performance.Results and discussionAn optimization mathematical model is presented to address the problem under specified assumptions. A numerical example is provided where the state transition distribution function is exponential, and technical and organizational activities have varying performance intensities. In this example, the performance rate of each subsystem equals the sum of the performance rates of its components, and the system's performance is at least as good as the minimum performance rate of its subsystems. Based on these assumptions, the system's availability probability and cost can be calculated using the model's objective function. The example problems are then solved using a genetic algorithm, and the results are reported.ConclusionsRecent research indicates that scholars in the field of redundancy allocation models for both binary and multi-state systems have continuously aimed to make these problems more realistic by incorporating new assumptions or eliminating simplifying ones. These efforts underscore the importance of developing mathematical optimization models that consider all system conditions and constraints, addressing the broader issues faced by decision-makers. Our research demonstrates that expanding the dimensions of optimization problems related to redundancy allocation can produce models that better reflect real-world conditions.Keywords: Availability, Redundancy Allocation Problem, Supplier Selection, Genetic Algorithm, Multi-State Parallel-Series System
-
با توجه به حساسیت بالای کاربران در استفاده از تجهیزات الکترونیکی و مکانیکی، ایجاد شرایطی جهت افزایش پایایی این سیستم ها همواره از دغدغه های تولید کننده گان است. لذا با افزایش روز افزون تولید، یافتن راهی برای ارتقاء قابلیت اطمینان (پایایی) محصول در طول طراحی بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است. در اکثر تحقیقات انجام شده در این حوزه، نرخ خرابی های اجزای تشکیل دهنده سیستم، ثابت فرض شده است. این در حالی است که در مسایل دنیای واقعی، در نظر گرفتن نرخ های خرابی وابسته به زمان برای مدلسازی فرآیندها واقع بینانه تر است. یکی از مهم ترین و کاربردی ترین توزیع های آماری که قابلیت مدلسازی نرخ خرابی وابسته به زمان برای اجزای تشکیل دهنده سیستم ها را دارند، توزیع وایبل است. اما این توزیع از خاصیت بی حافظگی برخوردار نبوده و در نتیجه امکان استفاده از روابط ریاضی و آماری به صورت صریح برای آن میسر نبود. بنابراین استفاده از تکنیک های متنوع شبیه سازی، تنها راه حل مناسب جهت محاسبه تابع پایایی به صورت ضمنی حین استفاده از توزیع وایبل بود. لذا برای اولین بار در این تحقیق، بدون استفاده از تکنیک های شبیه سازی، یک تابع ریاضی جهت محاسبه پایایی توزیع وایبل ارایه می شود.کلید واژگان: پایایی، مسئله تخصیص افزونگی، توزیع وایبل، شبیه سازی، نرخ خرابی وابسته به زمانDue to the high sensitivity in applying of electronic and mechanical equipment, creating any conditions to increase the reliability of a system is always one of the important issues for system designers. Hence, making academic models much closer to the real word applications is very attractive. In the most studies in the reliability area, it is assumed that the failure rates of the system components are constant and have exponential distributions. This distribution and its attractive memory less property provide simple mathematical relationships in order to obtain the system reliability. But in real word problems, considering time-dependent failure rates is more realistic to model processes. It means that, the system components do not fail with a constant rate during the time horizon; but this failure rate changes over the time. One of the most useful statistical distributions in order to model the time-dependent failure rates is the Weibull distribution. This distribution is not a memory less one, so it was impossible to apply simple and explicit mathematical relationships as the same as exponential distributions for the reliability of a system. Therefore, researchers in this field have used simulation technique in these circumstances which is not an exact method to get near-optimum solutions. In this paper, for the first time, it is tried to obtain a mathematical equation to calculate the reliability function of a system with time-dependent components based on Weibull distribution. Also, in order to validate the proposed method, the results compared with exact solution that exists in literature.Keywords: reliability, Redundancy Allocation Problem, Weibull distribution, Time-dependent Failure Rates
-
در این نوشتار، مساله تخصیص مازاد سیستم سری - موازی، برای بیشینه کردن سطح دسترس پذیری سیستم با در نظر گرفتن محدودیت بودجه، وزن، حجم و بیشترین و کمترین تعداد عناصر تخصیص یافته به هر زیرسیستم مورد بررسی قرار گرفته است. نوآوری اصلی تحقیق لحاظ کردن نرخ خرابی و تعمیرپذیری اجزاء در فرآیند بهینه سازی با نرخ های خرابی و تعمیر غیر از تابع توزیع نمایی می باشد. پارامترهای موثر بر سیستم مورد مطالعه این تحقیق به گونه ای می باشد که امکان محاسبه دسترس پذیری با استفاده از روابط ریاضی غیرممکن خواهد بود. بنابراین این تحقیق به منظور محاسبه دسترس پذیری سیستم از تکنیک شبیه سازی استفاده می کند. از آنجایی که شبیه سازی هیچ گونه قابلیت بهینه سازی ندارد سعی می شود تا نتایج حاصل از شبیه سازی به شکل یک تابع ریاضی، که بیانگر چگونگی تاثیر متغیرهای تصمیم بر دسترس پذیری سیستم می باشد، بیان شود. در ادامه با توجه به درجه سختی بالای تابع ریاضی توسعه داده شده، الگوریتم فراابتکاری ژنتیک برای حل آن به کار گرفته می شود. در نهایت کارایی الگوریتم ژنتیک در برابر الگوریتم های اجتماع ذرات و شبیه ساز تبرید سنجیده می شود. به منظور مقایسه منصفانه، پارامترهای تاثیرگذار بر الگوریتم ها با استفاده از روش تاگوچی تنظیم شده و الگوریتم ها در بهترین حالت کارکردی خود قرار می گیرند. نتایج محاسباتی توانایی بالای الگوریتم ژنتیک را در بهینه سازی مساله مورد نظر اثبات می کند.
کلید واژگان: قابلیت اطمینان، مساله تخصیص مازاد، شبیه سازی، الگوریتم فراابتکاری، روش تاگوچیIn the present study, the redundancy allocation problem (RAP) of series-parallel system has been investigated to maximize the system's availability. To achieve the research objective, budget, weight and volume constraints, and the maximum and minimum number of elements assigned to each subsystem have been considered. The main innovation of this research is to consider the failure and repair rates of components with non-exponential distribution function in the process of optimization. The parameters affecting the under-study system in this paper make it impossible to calculate the availability using mathematical relations. Therefore, the present study has used simulation method to calculate system availability. Since the simulation has no optimization capability, this research tries to represent the results of the simulation as a mathematical function, which explains the way decision variables affect the system's availability. Further, due to the high degree of difficulty of developed mathematical function, the genetic metaheuristic algorithm was used to solve it. Finally, the efficiency of the genetic algorithm was measured against particle swarm algorithm and simulated annealing algorithm. To compare fairly, the parameters affecting the algorithms are adjusted using the Taguchi method and the algorithms are in their best practice. The computational results prove the high ability of the genetic algorithm in optimizing the concerned problem.
Keywords: reliability, Redundancy Allocation Problem, Simulation, Metaheuristic Algorithms, Taguchi method -
هدف
این پژوهش با هدف بررسی هم زمان دو دسته از مسائل پرکاربرد در حوزه تولید و عملیات شامل مسئله تخصیص افزونگی و تخصیص بافر انجام شده است. در این پژوهش، به دنبال بهینه سازی اهدافی از جمله دسترس پذیری، هزینه های سیستم و ظرفیت بافرها هستیم و بدین منظور متغیرهایی از جمله میزان بهینه ظرفیت بافرهای بین ماشین آلات، تعداد ماشین آلات با قابلیت اطمینان زیاد و تخصیص آنها و برنامه زمانی مناسب تعمیر و نگهداری بررسی شده است.
روشبا توجه به دسته بندی خرابی های اضطراری و پیشگیرانه برای ماشین آلات، لحاظ کردن هزینه هر نوع خرابی برای ماشین آلات و در نظرگیری تابع توزیع غیرنمایی و فزاینده برای انواع خرابی ها که به موجب آن، به دست آوردن و محاسبه توابع ریاضی مربوط به اهداف دسترس پذیری و هزینه به صورت صریح، بسیار سخت می شود، بنابراین رویکرد ترکیبی شبیه سازی، طراحی آزمایش ها و شبکه عصبی به منظور برآورد این دو تابع هدف به کارگرفته شد. همچنین به منظور تحلیل کارایی الگوریتم مورد استفاده، از الگوریتم MOPSO استفاده شد و بر اساس شاخص های سنجش کارایی الگوریتم ها با یکدیگر مقایسه شدند.
یافته هابعد از پیاده سازی مثال عددی با رویکرد مورد استفاده، نتایج تحقیق، حاکی از اعتبار متدلوژی پیشنهادی برای مسئله مورد بررسی بود.
نتیجه گیریبر اساس مجموعه جواب های به دست آمده از الگوریتم های استفاده شده، می توان ترکیب های مختلفی از متغیرهای مورد بررسی (شامل تعداد ماشین آلات در هر ایستگاه، ظرفیت بافر و مدت زمان انجام تعمیرها) را مورد استفاده قرار داد تا به سطح مناسبی از اهداف مسئله دست یابیم.
کلید واژگان: تخصیص بافر، تخصیص افزونگی، شبیه سازی، الگوریتم فراابتکاری NSGA-IIObjectiveThis research was carried out with the aim of simultaneously examining the two categories of the most commonly encountered issues in the field of production and operations including the redundancy allocation and the buffers allocation. The study sought to optimize goals such as accessibility, system costs, and buffer capacity and for this purpose, variables such as the optimum capacity of buffers between machines, the number of high-reliability machines and their allocation, and the appropriate time schedule for maintenance and repair were investigated.
MethodsConsidering the categorization of emergency and preventive failures for machinery, taking into account the cost of any failure for machinery, and considering the non-exponential and increasing distribution function for a variety of failures, it is very difficult to obtain and calculate mathematical functions related to the objectives of Availability and Cost explicitly. Therefore, a combination of simulation, experimental design, and neural network approach was used to estimate these two objective functions. In order to solve the proposed model, the NSGA-II algorithm was coded in MATLAB. Also, in order to analyze the efficiency of the suggested Algorithm, the MOPSO Algorithm was used and the Algorithms were compared with each other based on the performance measures of the algorithms.
ResultsAfter applying the numerical example with the approach used, the results of the research indicate the validity of the proposed methodology for the problem under study.
ConclusionBased on the set of solutions obtained from the algorithms used, different combinations of variables (including the number of machines per station, buffer capacity and duration of repairs) can be used to achieve the appropriate level of objectives.
Keywords: Buffer allocation problem, Redundancy Allocation Problem, simulation, NSGA-II Algorithm -
تخصیص اجزاء مازاد شامل انتخاب اجزاء و سطوح افزونگی برای بیشینه نمودن قابلیت اطمینان تحت
محدودیتهای مختلف سیستم است. در اکثر طراحی ها، به دلیل وجود توابع هدف چندگانه متضاد، محاسبه قابلیت اطمینان دشوار میباشد. در مدل ارائه شده در این مقاله سه هدف شامل بیشینه سازی قابلیت اطمینان،کمینهسازی حجم و کمینهسازی هزینه مد نظر قرار میگیرد که برای حل آن، یک الگوریتم تلفیقی چندهدفه جدید بر پایه الگوریتمهای رقابتی و ژنتیک برای اولین بار در حل مسائل بهینه سازی قابلیت اطمینان چند هدفه با استفاده از تخصیص عضو مازاد پیشنهاد میشود. علاوه بر این از روش رویه شناسی رویه سطح 1( برای تنظیم عملگرهای الگوریتم پیشنهادی استفاده میشود. الگوریتم پیشنهادی در مقایسه با RSM( پاسخ 3از کارایی بالاتری برخوردار است. PAES 2و NSGA-II دو الگوریتمکلید واژگان: مسئله تخصیص افزونگی، روش شناسی رویه سطح پاسخ، بهینه سازی قابلیت اطمینان چند هدفه، الگوریتم رقابتی، الگوریتم ژنتیکA redundancy allocation problem is a well-known NP-hard problem that involves the selection of elements and redundancy levels to maximize the system reliability under various system-level constraints. In many practical design situations, reliability apportionment is complicated because of the presence of several conflicting objectives that cannot be combined into a single-objective function. A stele communications, manufacturing and power systems are becoming more and more complex, while requiring short developments schedules and very high reliability, it is becoming increasingly important to develop efficient solutions to the RAP. In this paper, a new hybrid multi-objective competition algorithm (HMOCA)based on competitive algorithm (CA) and genetic algorithm (GA) is proposed for the first time in multi-objective redundancy allocation problems. In the multiobjective formulation, the system reliability is maximized while the cost and volume of the system are minimized simultaneously. Additionally, ay RSM is employed to tune the CA parameters. The proposed HMOCA is validated by some examples with analytical solutions. It shows its superior performance compared to a NSGA-II and PAES algorithms. Finally, the conclusion is given.Keywords: Redundancy Allocation Problem, Response Surface Methodology, Multi-objective Reliability Optimization, Competitive Algorithm, Genetic Algorithm -
بهینه سازی قابلیت اطمینان و متوسط زمان ماندگاری سیستم همواره یکی از حوزه های مهم و جذاب برای مهندسان و طراحان سیستم ها بوده است. هدف این مساله بهینه سازی، پیدا کردن تعداد بهینه قطعات مازادی است که می بایست جهت ارضای اهداف مهندس قابلیت اطمینان در سیستم مورد استفاده قرار گیرند و تعادل لازم میان منابع موجود نظیر بودجه، فضا و وزن برقرار شود. در تحقیقات گذشته، عموما مساله تخصیص افزونگی در سیستم های با اجزای تعمیر ناپذیر و یا دارای نرخ خرابی با توزیع نمائی مورد بررسی قرار گرفته است؛ اما در این تحقیق اجزاء تعمیر پذیر فرض گردیده و نرخ خرابی و تعمیر نیز از توزیع های غیر نمائی پیروی می کنند که در حقیقت نوآوری اصلی این تحقیق است. برای مدل سازی از تکنیک شبیه سازی و برای بهینه سازی مدل حاصل، از تکنیک های آماری، طراحی آزمایشان و روش های تصمیم گیری چند معیاره استفاده شده است.کلید واژگان: مسئله تخصیص افزونگی، بهینهه سازی چند هدفه، تصمیم گیری چند معیاره، طراحی، آزمایشات، شبیه سازیReliability optimization and mean time to failure are those of the areas of interest for engineers and designers of systems and the use of redundancy components is one of the most common approaches in this field. The purpose of the optimization problem, finding the optimum number of redundancy components that must be satisfied the objectives of reliability engineering in the system. But usually the reliability improves results in increased costs and changes in parameters such as volume and weight of the system; therefore, it is necessary to establish a balance between resources. In previous researches, redundancy allocation problem is studied with non-repairable components or failure rate with exponential distribution; but in this study, repairable components and rates of failure and repair a non-exponential distribution assumed. Thus the purpose of this paper is solving reliability redundancy allocation problem with the goals of increasing the mean time to failure, reduce costs and reduce the variance of the shelf life of the system, while taking into account constraints such as volume and weight of the system. To this end, the research effort will be using mathematical and statistical techniques such as multi criteria decision making models, design of experiments, simulations, and computer software associated with them, provide a new approach for solving reliability redundancy allocation problem in series-parallel systems with repairable componentsKeywords: Redundancy Allocation Problem, Multi Objective Optimization, Multi Criteria Decision Making, Design of Experiments, Simulation
-
This paper presents a mathematical model for a redundancy allocation problem (RAP) for the series-parallel system with k-out-of-n subsystems and failure rate depends on working components of system. It means that failure rate of components increases when a component fails. The subsystems may use either active or cold-standby redundancy strategies, which considered as a decision variable for individual subsystems. Thus, the proposed model and solution methods are to select the best redundancy strategy among active or cold-standby, component type, and levels of redundancy for each subsystem. The objective function is to maximize the system reliability under cost and weight constraints. To solve the model, since RAP belongs to Np-Hard class of the problems, one effective meta-heuristic algorithm named genetic algorithm (GA)is proposed. Then, response surface methodology is applied for algorithm parameter tuning.Finally, we consider the results of solving presented model with a numerical example.Keywords: Redundancy allocation problem, k, out, of, n sub, systems, redundancy strategy, failure rate depends on working components, GA
-
از مهم ترین مسائل در زمینه بهینه سازی قابلیت اطمینان سیستم ها، مسئله تخصیص مازاد است که در ساختارهای مختلفی بررسی شده است. ساختار k از n، ساختاری کلی است و از طریق آن می توان مجموعه وسیع تری از مسائل را تجزیه و تحلیل کرد. بنابراین، در این مقاله، سیستم های k از n بررسی شده اند. در اغلب مسائل تخصیص مازاد، فرض می شود که راهبرد مازاد برای هر زیرسیستم از قبل مشخص و ثابت است، اما در سیستم های واقعی، انتخاب راهبرد مازاد برای هر زیرسیستم، قابلیت اطمینان سیستم را افزایش می دهد. در این مقاله، انتخاب راهبرد مازاد برای هر زیرسیستم، متغیر تصمیم در نظرگرفته شده است. با توسعه مدل ریاضی و تبدیل آن به مدل خطی و با استفاده از برنامه ریزی عدد صحیح، جواب بهینه مسئله به دست آمده است. کارایی روش پیشنهادی با حل یک مثال معتبر در ادبیات موضوعی و مقایسه نتایج آن بررسی شده است.
کلید واژگان: انتخاب راهبرد مازاد، برنامه ریزی عدد صحیح، سیستم های k از n، مسئله تخصیص مازادOne of the most important problems in the system reliability optimization is redundancy allocation problem that has been studied in different system configurations. K-out-of-n structure is a general system configuration and offers enhanced capabilities for analyzing more design problems. Hence, in this paper, the redundancy allocation problem of k-out-of-n systems is studied. In the most previous researches of this problem, a predetermined redundancy strategy is assumed within each subsystem. However, in practice, the choice of redundancy strategy provides more improvement in system reliability. Thus in this paper, the choice of redundancy strategies is considered as decision variables. First the problem is mathematically modeled. Then to overcome the structural complexity of the model, we develop a new linear mathematical formulation to solve the problem with integer programming methods. The proposed algorithm is tested on a well-known test problem that extracted from previous researches. Results show the effectiveness of the proposed algorithm.Keywords: Redundancy allocation problem, k, out, of, n systems, Choice of redundancy strategies, Integer programming
- نتایج بر اساس تاریخ انتشار مرتب شدهاند.
- کلیدواژه مورد نظر شما تنها در فیلد کلیدواژگان مقالات جستجو شدهاست. به منظور حذف نتایج غیر مرتبط، جستجو تنها در مقالات مجلاتی انجام شده که با مجله ماخذ هم موضوع هستند.
- در صورتی که میخواهید جستجو را در همه موضوعات و با شرایط دیگر تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مجلات مراجعه کنید.