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A numerical study of Markov decision process algorithms for multi-component replacement problems

离散化 马尔可夫决策过程 计算机科学 数学优化 加速 组分(热力学) 动态规划 算法 马尔可夫过程 随机规划 数学 并行计算 热力学 统计 物理 数学分析
作者
Jesper Fink Andersen,Anders Reenberg Andersen,Murat Külahçı,Bo Friis Nielsen
出处
期刊:European Journal of Operational Research [Elsevier]
卷期号:299 (3): 898-909 被引量:24
标识
DOI:10.1016/j.ejor.2021.07.007
摘要

We present a unified modeling framework for Time-Based Maintenance (TBM) and Condition-Based Maintenance (CBM) for optimization of replacements in multi-component systems. The considered system has a K-out-of-N reliability structure, and components deteriorate according to a multivariate gamma process with Lévy copula dependence. The TBM and CBM models are formulated as Markov Decision Processes (MDPs), and optimal policies are found using dynamic programming. Solving the CBM model requires that the continuous deterioration process is discretized. We therefore investigate the discretization level required for obtaining a near-optimal policy. Our results indicate that a coarser discretization level than previously suggested in the literature is adequate, indicating that dynamic programming is a feasible approach for optimization in multi-component systems. We further demonstrate this through empirical results for the size limit of the MDP models when solved with an optimized implementation of modified policy iteration. The TBM model can generally be solved with more components than the CBM model, since the former has a sparser state transition structure. In the special case of independent component deterioration, transition probabilities can be calculated efficiently at runtime. This reduces the memory requirements substantially. For this case, we also achieved a tenfold speedup when using ten processors in a parallel implementation of algorithm. Altogether, our results show that the computational requirements for systems with independent component deterioration increase at a slower rate than for systems with stochastic dependence.
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