裝備備件資源預(yù)測(cè)與優(yōu)化技術(shù)研究

王 靜，秦吉良，尹子盟，王 威

（1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

裝備備件資源預(yù)測(cè)與優(yōu)化技術(shù)研究

王 靜1，秦吉良2，尹子盟1，王 威1

（1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)備件預(yù)測(cè)基本流程、備件品種的預(yù)測(cè)技術(shù)、備件數(shù)量的建模與計(jì)算方法，以及備件滿(mǎn)足率和利用率的驗(yàn)證與評(píng)估方法進(jìn)行研究，形成了一種備件資源優(yōu)化的迭代過(guò)程，為裝備備件預(yù)測(cè)與優(yōu)化技術(shù)的工程化實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)。

備件；預(yù)測(cè)；優(yōu)化；評(píng)估

0 引 言

保障性是裝備系統(tǒng)的固有屬性，包括與裝備保障有關(guān)的設(shè)計(jì)特性和保障資源的充足與適用程度兩方面含義[1]。隨著裝備復(fù)雜性的提高，供應(yīng)和保障工作越來(lái)越復(fù)雜，各型裝備部署后都面臨著保障費(fèi)用高和戰(zhàn)備完好性差的兩難問(wèn)題，但在傳統(tǒng)的裝備研制過(guò)程中，依然維持重視主裝備的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能，對(duì)裝備的保障性設(shè)計(jì)特性以及配套的保障資源、保障需求等方面考慮較少，從而導(dǎo)致裝備缺乏好用、管用、實(shí)用、耐用的能力。

備件是維修裝備及其主要成品所需元器件、零件、組件或部件等的統(tǒng)稱(chēng)[2]，是為裝備使用及維修保障而采購(gòu)的產(chǎn)品，備件的保障需求與保障方案的生成及保障系統(tǒng)的建立息息相關(guān)，在保障資源采購(gòu)與管理中有著重要的地位和作用。研究裝備備件資源預(yù)測(cè)與優(yōu)化技術(shù)的目的是研究如何合理利用保障資源使裝備備件的使用效能發(fā)揮到最大狀態(tài)，其基本思想是通過(guò)在裝備研制階段開(kāi)展備件品種及數(shù)量預(yù)測(cè)，形成初步備件規(guī)劃方案；在裝備試用或使用階段，結(jié)合備件供給與實(shí)際利用情況，對(duì)備件滿(mǎn)足率和利用率等定量指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，提出優(yōu)化備件資源的建議，以此形成備件資源優(yōu)化的迭代過(guò)程。本文對(duì)備件預(yù)測(cè)基本流程、備件品種的預(yù)測(cè)技術(shù)、備件需求數(shù)量的建模與計(jì)算方法以及備件滿(mǎn)足率和利用率的驗(yàn)證與評(píng)估方法等進(jìn)行了研究，為裝備備件預(yù)測(cè)與優(yōu)化技術(shù)的工程化實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)，對(duì)提高裝備保障系統(tǒng)的保障能力和保障效益，增強(qiáng)裝備的戰(zhàn)斗力具有十分重要的意義。

1 國(guó)外研究現(xiàn)狀分析

對(duì)于裝備備件綜合供應(yīng)保障的相關(guān)研究，以美國(guó)為首的軍事強(qiáng)國(guó)隨著其軍事裝備的發(fā)展，較早注意到了后勤保障工作對(duì)戰(zhàn)斗力的影響[3]，特別是在科技信息含量較高的航空領(lǐng)域，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用并取得了一定成果。

備件需求量預(yù)測(cè)與優(yōu)化技術(shù)在國(guó)外經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)形成了較為完備的方法，主要經(jīng)歷了由靜態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)向動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程[4]：

a）20世紀(jì)50年代屬于備件管理的早期研究階段，美國(guó)首先針對(duì)航空裝備備件依據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和專(zhuān)家決策建立了庫(kù)存控制模型，預(yù)測(cè)特定維修點(diǎn)的初始備件數(shù)量。這種方法基本沒(méi)有考慮備件的保障過(guò)程，是一種靜態(tài)模型。

b）20世紀(jì)70年代前后，各國(guó)都加入了對(duì)備件需求量預(yù)測(cè)技術(shù)的研究，發(fā)展出了基于時(shí)間序列預(yù)測(cè)法的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)，根據(jù)備件需求量隨時(shí)間的變化規(guī)律來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的需求量，考慮了備件對(duì)維護(hù)、維修、戰(zhàn)備等不同事件及保障過(guò)程的影響。比較有代表性的方法有移動(dòng)平均法、指數(shù)平滑法、灰色預(yù)測(cè)法等。

c）20世紀(jì)90年代前后，出現(xiàn)了以大量歷史數(shù)據(jù)做基礎(chǔ)，以數(shù)理理論做支撐的基于大數(shù)據(jù)分析的動(dòng)態(tài)備件需求量預(yù)測(cè)技術(shù)。該方法需要有大量歷史數(shù)據(jù)做基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)處理，在此基礎(chǔ)上利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法找出需求預(yù)測(cè)值與影響需求量變化的自變量之間的關(guān)系，對(duì)自變量和需求量進(jìn)行擬合處理，得出最佳的擬合曲線，從而得出需求預(yù)測(cè)模型。

d）近些年來(lái)，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的備件預(yù)測(cè)技術(shù)又成為了新的研究方向，通過(guò)引入反饋與知識(shí)學(xué)習(xí)建立預(yù)測(cè)模型，進(jìn)行需求量的預(yù)測(cè)[5]。

2 初始規(guī)劃

由于裝備在使用與維修過(guò)程中所需備件量大、耗費(fèi)資金多，因此，對(duì)備件的預(yù)測(cè)應(yīng)遵循早期規(guī)劃的原則，即從裝備研制階段開(kāi)始，從裝備的使用角度出發(fā)，系統(tǒng)分析備件預(yù)測(cè)流程，科學(xué)確定備件品種及需求數(shù)量的預(yù)測(cè)方法并根據(jù)裝備硬件設(shè)計(jì)、保障性分析、有關(guān)試驗(yàn)所作的消耗統(tǒng)計(jì)等信息實(shí)現(xiàn)備件的初步規(guī)劃。

2.1 預(yù)測(cè)基本流程

根據(jù)GJB 4355—2002《備件供應(yīng)規(guī)劃要求》，采用保障性分析方法確定武器系統(tǒng)的備件品種和數(shù)量。

圖1給出了與備件需求有關(guān)的數(shù)據(jù)來(lái)源，以及應(yīng)用這些數(shù)據(jù)確定備件品種和需求數(shù)量的迭代過(guò)程。如圖1所示，通過(guò)故障模式影響分析（Failure Mode, Effects and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA）和以可靠性為中心的維修性分析（Reliability Centered Maintenance Analysis，RCMA）及修理級(jí)別分析（Level of Repair Analysis，LORA）等分析方式，以故障模式、失效率和維修工作時(shí)間等分析結(jié)果作為輸入，確定備件的品種、需求數(shù)量及其配置級(jí)別。

圖1 確定備件品種及需求數(shù)量的基本流程

根據(jù)FMECA結(jié)果，將故障率高的產(chǎn)品作為RCMA的工作對(duì)象，針對(duì)工作對(duì)象開(kāi)展RCMA工作，采用邏輯決斷分析流程對(duì)每個(gè)分析對(duì)象按照預(yù)防性維修、修復(fù)性維修以及改進(jìn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行分類(lèi)。

2.2 品種預(yù)測(cè)的邏輯決斷法

備件優(yōu)化技術(shù)研究，首先要從備件品種預(yù)測(cè)技術(shù)入手。目前確定備件品種的方法主要包括邏輯決斷法、價(jià)值工程法和模糊綜合評(píng)判法等。其中，邏輯決斷法因其邏輯性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單易行等優(yōu)點(diǎn)被多數(shù)裝備采用。本節(jié)對(duì)備件品種預(yù)測(cè)的邏輯決斷法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，其主要工作步驟如下：

a）確定高故障率產(chǎn)品。通過(guò)劃分出裝備的高故障率產(chǎn)品和非高故障率產(chǎn)品，為邏輯決斷分析提供必要的輸入信息，并為設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)可更換單元奠定基礎(chǔ)。

b）開(kāi)展高故障率產(chǎn)品的邏輯決斷分析。應(yīng)用邏輯決斷圖確定各高故障率產(chǎn)品需進(jìn)行的預(yù)防性維修工作類(lèi)型或其他處置措施。邏輯決斷圖的分析流程和方法參見(jiàn)GJB 1378A—2007《裝備以可靠性為中心的維修分析》。

c）完成整個(gè)裝備的維修工作分析。從確定裝備各項(xiàng)修復(fù)性維修工作和預(yù)防性維修工作的要求開(kāi)始，對(duì)每項(xiàng)工作擬定詳細(xì)的作業(yè)步驟，然后根據(jù)各項(xiàng)工作的特點(diǎn)，分別進(jìn)行工作技能分析和時(shí)限分析，確定每項(xiàng)作業(yè)步驟的備件要求。

2.3 需求數(shù)量的建模與計(jì)算方法

確定備件需求數(shù)量的方法主要包括利用相似裝備相應(yīng)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)法、按比例供應(yīng)法和模型計(jì)算法等，本節(jié)重點(diǎn)介紹模型計(jì)算法。根據(jù)備件產(chǎn)品的壽命分布類(lèi)型，備件需求數(shù)量計(jì)算模型可分為指數(shù)壽命型、威布爾壽命型和正態(tài)壽命型3類(lèi)。

2.3.1 指數(shù)壽命型備件需求數(shù)量計(jì)算模型

該模型主要用于具有恒定失效率的產(chǎn)品。一般來(lái)說(shuō)，正常使用的電子產(chǎn)品都屬于指數(shù)壽命型，如印制電路板插件、電子部件、電阻、電容和集成電路等。其備件需求數(shù)量計(jì)算模型為式中 P為備件保障概率（相當(dāng)于備件滿(mǎn)足率），即在規(guī)定保障時(shí)間內(nèi)需要該備件時(shí)不缺件的概率；S為裝備中某備件的需求數(shù)量；N為裝機(jī)數(shù)量；λ為備件的故障率；t為累積工作時(shí)間。

對(duì)不修復(fù)備件，累積工作時(shí)間t按裝備初始保障時(shí)間內(nèi)裝備累積工作時(shí)間或備件供應(yīng)更新周期內(nèi)累積工作時(shí)間計(jì)算。對(duì)可修復(fù)備件，分為2種情況研究處理：a）基層級(jí)更換后送中繼級(jí)或基地級(jí)修復(fù)，此時(shí)按修理周轉(zhuǎn)期內(nèi)裝備累積工作時(shí)間計(jì)算；b）在基層級(jí)對(duì)該件進(jìn)行修復(fù)，此時(shí)當(dāng)滿(mǎn)足該件的平均故障間隔時(shí)間遠(yuǎn)大于該件的平均修復(fù)時(shí)間時(shí)，在至少備1個(gè)供換件修理的條件下，用該件的平均修復(fù)時(shí)間代替式中的累積工作時(shí)間t。

2.3.2 威布爾壽命型備件需求數(shù)量計(jì)算模型

該模型主要適用于機(jī)電產(chǎn)品，如滾珠軸承、繼電器、開(kāi)關(guān)、斷路器、某些電容器、電子管、電位計(jì)、陀螺儀、電動(dòng)機(jī)、蓄電池、液壓泵、齒輪和閥門(mén)等。其備件需求數(shù)量計(jì)算模型為

式中 μp為正態(tài)分布分位數(shù)；k為變異系數(shù)；E為平均壽命。

2.3.3 正態(tài)壽命型備件需求數(shù)量計(jì)算模型

該模型主要適用于機(jī)械產(chǎn)品，如齒輪箱和減速器等。其備件需求數(shù)量計(jì)算模型為

式中 T為更換周期；σ 為標(biāo)準(zhǔn)差。

T可按不同情況分別進(jìn)行處理：如果是磨損壽命，T用工作時(shí)間計(jì)算；如果是腐蝕、老化壽命，T可以用日歷時(shí)間近似。

3 備件滿(mǎn)足率和利用率評(píng)估

為了對(duì)上述備件初始規(guī)劃方案進(jìn)行驗(yàn)證與評(píng)估，在裝備試用或使用的一段時(shí)間內(nèi)，應(yīng)對(duì)備件滿(mǎn)足供給情況以及備件品種和數(shù)量的利用情況進(jìn)行總體評(píng)價(jià)，即評(píng)估備件的滿(mǎn)足率和利用率?；趥浼u(píng)估結(jié)果，對(duì)研制階段提出的備件清單及供應(yīng)建議是否可行進(jìn)行評(píng)價(jià)并提出優(yōu)化保障資源及保障系統(tǒng)的建議，從而形成備件資源優(yōu)化的迭代過(guò)程。

a）備件滿(mǎn)足率是指在規(guī)定維修級(jí)別及規(guī)定時(shí)間周期內(nèi)提出備件需求時(shí)，能提供的備件數(shù)與需求的備件數(shù)之比。該指標(biāo)的考核方法是：在裝備試用或使用階段，記錄一段時(shí)間內(nèi)當(dāng)裝備需要更換備件時(shí)的備件滿(mǎn)足情況。備件滿(mǎn)足率rSF的點(diǎn)估計(jì)評(píng)估模型為

式中 r?SF為rSF的點(diǎn)估計(jì)值；NBY為備件能夠滿(mǎn)足需求的統(tǒng)計(jì)數(shù)量；NBN為備件不能滿(mǎn)足需求的統(tǒng)計(jì)數(shù)量。

b）備件利用率是指在規(guī)定的維修級(jí)別及規(guī)定的時(shí)間周期內(nèi)，實(shí)際使用的備件數(shù)量與該級(jí)別實(shí)際擁有的備件總數(shù)之比。該指標(biāo)的考核方法是：在裝備試用或使用階段，記錄一段時(shí)間內(nèi)當(dāng)裝備需要更換備件時(shí)的備件使用情況。備件利用率rSU的點(diǎn)估計(jì)評(píng)估模型為

式中SU?r為rSU的點(diǎn)估計(jì)值；NBU為實(shí)際使用的備件數(shù)量；NB為能夠提供使用的備件數(shù)量。

4 結(jié) 論

確定裝備使用和維修保障中所需備件的種類(lèi)和數(shù)量是進(jìn)行有效修復(fù)工作和增強(qiáng)裝備保障能力的必要條件，通過(guò)以故障模式、失效率和維修工作時(shí)間等分析結(jié)果作為輸入進(jìn)行備件的初始規(guī)劃，是確定備件供應(yīng)清單的最佳實(shí)現(xiàn)途徑。在綜合保障過(guò)程中，還應(yīng)在裝備部署后做好備件滿(mǎn)足率和備件利用率的評(píng)估工作，為適時(shí)調(diào)整備件供應(yīng)提供決策依據(jù)。

[1] 馬紹民, 章國(guó)棟. 綜合保障工程[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社, 1995.

[2] 空軍裝備部軍械部, 等. GJB 4355—2002備件供應(yīng)規(guī)劃要求[S]. 北京：總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部, 2002.

[3] 宋太亮. 裝備保障性系統(tǒng)工程[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社, 2008.

[4] 董彥軍. 航空備件需求預(yù)測(cè)及兩級(jí)供應(yīng)體制保障策略研究[D]. 沈陽(yáng):沈陽(yáng)航空航天大學(xué), 2014.

[5] 彭文娟, 韓松, 孫銘明, 等. 基于壽命分布的備件需求計(jì)算模型分析[J].艦船電子工程, 2009,29(12): 183-185.

Research on Spare Parts Resource Prediction and Optimization for Equipment

Wang Jing1, Qin Ji-liang2, Yin Zi-meng1, Wang Wei1
(1. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076; 2. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)

In this paper, the basic process of equipment spare parts prediction is researched, according to international status analysis. The model and calculation methods of spare parts quantity and variety are studied as well as the method of the ratio of spare parts fulfillment and ratio of spare parts utilization evaluation and validation. To sum up, a iteration process of spare parts resource optimization is presented which established the foundation of engineering solution to the techniques of equipment spare parts prediction and optimization.

Spare parts; Prediction; Optimization; Evaluation

E927

A

1004-7182(2016)04-0056-03

10.7654/j.issn.1004-7182.20160414

2015-10-28；

2015-11-03

王 靜（1973-），女，研究員，主要研究方向?yàn)樾吞?hào)總體可靠性、維修性、保障性技術(shù)