摘要： 优化设计是设备设计中理应考虑的问题。文章以价值工程为基础，讨论以价值为评价准则的设备可靠性优化设计。
Abstract： The optimization design is the problem that should be considered in the design of equipment. Based on value engineering， this article discuss the value as the evaluation criterion of the device reliability optimization design.
关键词： 价值工程；设备；可靠性；设计
Key words： value engineering；equipment；reliability；design
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）36-0056-03
1 概述
1.1 价值工程的基本式
一般考虑经济效益时，净效益是效益与成本之差，功能隐含在净效益之中，这样在追求净效益最大化中，可能使功能处于不恰当的地位。
价值工程与传统提高净效益的活动的主要不同在于，将这种关系定义为[1-2]：
V=■（1）
式中：F为功能，C为成本，V为价值。
式（1）是价值工程的基本式。
价值工程的基本式的一般应用是：对研究对象，先通过专家打分得到F和C评分值或某种方式取得它们价值量，再转为0-1上的无量纲值，最后算出V。如果V等于或趋于1，认为研究对象处于比较合适的状态，不采取行动，否则要采取对应的行动。价值工程也可以用在方案评价选优上。面对不同的方案，在满足需求的前提下，以价值V作为分析指标，进行方案选优[3-5]。实践上，视功能为利益型的指标、成本为损失型的指标，价值工程将会得到更广泛的应用。
1.2 基于价值工程的设备可靠性优化设计
视设备设计方案的可靠性为功能，该方案在寿命周期上的费用现值为费用，以对应的价值为分析指标评价设备之间的优劣。
可靠性是设备使用和设计中的一个重要指标，是设备设计者和使用者关注的重点之一，从而设备可靠性成为一个需要进行充分研究的领域。因此视可靠性为功能有其重要的实践背景。为方便，以下称基于价值工程的设备可靠性优化设计为设备可靠性设计。
2 设备可靠性设计模型
2.1 基础数据
2.1.1 设备可靠性设计方案
设Ai为第i个设备可靠性设计方案，m为方案的
个数。
2.1.2 可靠性数据
可靠性数据是计算设备可靠性设计方案可靠性的必要数据。这种数据的给出形式不一，如可以以赋权图的形式给出数据，也可以以图、表结合的形式给出数据。
2.1.3 费用数据
费用数据由各设备可靠性设计方案寿命周期上的费用现金流量和基准折现率组成。
2.1.3.1 费用现金流量
取n为各设备可靠性设计方案的共同寿命周期。
方案Ai在寿命周期第t费用为：
c■■ t=0，1，…，n；i=1，2，…，m（2）
2.1.3.2 基准折现率。基准折现率为：
i■=i■ 评价层次为财务评价i■ 评价层次为国民经济评价（3）
式中：i■为财务基准折现率，i■为社会折现率。
2.1.4 方案可行条件
方案可行条件是对设备可靠性设计方案可行与否的约束，其中至少包含设备可靠性设计方案的可靠性可行
条件。
2.2 分析指标计算
2.2.1 功能计算
Ai的功能按下式计算：
F■=■ i=1，2，…，m（4）
式中：pi为Ai的可靠性，据对应的可靠性数据算出。
2.2.2 成本计算
先计算费用现值，再确定成本。
方案Ai的费用现值为：
PCi（i0）=■c■■（P/F，i0，n）（5）
方案Ai的成本按下式计算：
Ci=■ i=1，2，…，m（6）
2.2.3 价值计算
方案Ai的价值为：
Vi=■ i=1，2，…，m（7）
2.3 方案优劣评价准则
按价值最大准则进行评价选优：
V■=■V■（8）
式中：i*对应最优方案A■。
2.4 确定实施的设备可靠性设计方案
实施的设备可靠性设计方案是可行且可靠性尽可能大的设备可靠性设计方案。
如果没有可行的设备可靠性设计方案且必须进行设备可靠性方案设计，应进行设备可靠性设计方案的再设计、重新核定设置设备可靠性设计方案的方案可行条件，进行设备可靠性设计方案再评价，直至获得可行设备可靠性设计方案为止；否则，放弃实施设备可靠性设计方案的确定。
3 计算示例
3.1 基础数据
3.1.1 设备可靠性设计方案
设有A1和A2两个设备可靠性设计方案，设备部件间相互独立，其结构示意图如图1所示。
图1中a、b、c和d为设备部件。
3.1.2 可靠性数据
3.1.2.1 可靠性约定
可靠性约定如表1所示。
3.1.2.2 各设备部件的工作概率
各设备部件的工作概率示于表2中。
一个可靠性约定对应两个设备可靠性设计方案的项目方案。
分别以A1，k和A2，k代表可靠性约定（k）下的两个项目方案。
3.1.3 费用数据
3.1.3.1 寿命周期
A1和A2的寿命周期均为10年。
3.1.3.2 费用现金流量
费用现金流量如表3所示。
3.1.3.3 基准折现率
基准折现率i0=ic=10%。
3.1.4 方案可行条件
设备可靠性设计方案可靠性基准值为0.888，无其它设备可靠性设计方案可行条件。
3.2 分析指标计算
3.2.1 功能计算
3.2.1.1 设备可靠性设计方案可靠性
可靠性计算中的两个基本的设备要素关联形式是串联和并联。图1中b、c、d和e是并联关系，a与它们串联。
为便于计算，设置0-1变量如下：
x■=1 t工作0 t不工作 t=b，c，d，e（9）
这样，根据（1）的约定，构造向量（xb，xc，xd，xe），它描述b、c、d和e这些并联设备要素的工作状态。
以pi（x）代表设备方案i并联设备要素b、c、d和e中有x个工作的概率，则
pi（x）■ ■ [x■p■■+（1-x■）（1-p■■）
i=1，2；x=0，1，2，3，4（10）
又以p■■代表设备可靠性设计方案Ai，x在设备可靠性约定（x）下的可靠性，则
p■■=p■■1-■p■（t） i=1，2；x=1，2，3，4（11）
可靠性计算结果见表4。
3.2.1.2 设备可靠性设计方案功能
按式⑷计算各项目方案的的功能，结果示于表5中。
3.2.2 成本计算
3.2.2.1 费用现值
按式（5）计算各项目方案的费用现值，结果示于表
6中。
3.2.2.2 成本计算
按式（6）计算各项目方案的成本，结果示于表7中。
3.2.2.3 价值计算
按式（7）计算各项目方案的价值，结果示于表8中。
3.3 确定实施的设备可靠性设计方案
3.3.1 确定可行项目方案
根据方案可行条件得如下可行项目方案：
可靠性约定（1）和可靠性约定（2）下的项目方案均为可行方案，可靠性约定（3）和可靠性约定（4）下的项目方案均为不可行方案。
3.3.2 确定实施的项目方案
可行项目方案进入方案选优。
某种可靠性约定下的实施方案是对应的可行方案按式（8）确定出来的最优方案。
可靠性约定（1）下的最优方案为A1，1，可靠性约定（2）下的最优方案为A1，2，可靠性约定（3）和可靠性约定（4）下无实施方案。
4 小结
①在价值工程原理下讨论设备的可靠性优化设计，是设备可靠性优化设计值得关注的一个方向，它与概率论、运筹学等学科密切相关，进行适当的交叉研究有助于形成较为合理的实施方法。
②可以对设备展开基于价值工程的可靠性优化设计，也可以对设备的若干部件展开基于价值工程的可靠性优化设计。
③可以在价值工程原理下，通过包含设备可靠性目标的多目标分析确定实施设备方案。
④注意相关数据的统计，为后续基于价值工程的设备可靠性分析服务。
⑤可靠性约定是设备可靠性优化设计中的重要因素，它既是计算设备可靠性设计项目方案可靠性的依据之一，也是形成设备可靠性设计项目方案的要素。
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