劉任洋, 李華, 李慶民
1.海軍裝備研究院, 北京 100037
2.海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 武漢 430033
3.海軍工程大學(xué) 科研部, 武漢 430033
任務(wù)期間考慮故障件報(bào)廢無(wú)補(bǔ)給下的多級(jí)裝備可用度評(píng)估
劉任洋1, 李華2, 李慶民3,*
1.海軍裝備研究院, 北京 100037
2.海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 武漢 430033
3.海軍工程大學(xué) 科研部, 武漢 430033
針對(duì)任務(wù)期間普遍存在的故障件報(bào)廢問題,提出了一種適用于多等級(jí)多層級(jí)航空裝備的可用度近似評(píng)估方法。首先通過(guò)忽略維修和運(yùn)輸時(shí)間將存在報(bào)廢率的可修件等效為消耗件,然后分別通過(guò)后方保障中心對(duì)飛行基地備件量的分配以及下層級(jí)部件對(duì)上層級(jí)部件備件量的折算,將多等級(jí)多層級(jí)備件模型轉(zhuǎn)化為單等級(jí)單層級(jí)模型,最后利用伽馬分布的可加性得到整個(gè)保障系統(tǒng)的裝備可用度。在實(shí)際算例中,通過(guò)與仿真結(jié)果的對(duì)比得出:當(dāng)維修和運(yùn)輸時(shí)間較小或飛行基地備件配置充足時(shí),本文提出的近似評(píng)估方法具有較高的精度。
任務(wù)期間; 多等級(jí)多層級(jí); 故障件報(bào)廢; 可用度; 備件方案
對(duì)于航空器材庫(kù)存建模技術(shù)的研究,自Sherbrooke[1]于1968年提出備件管理多級(jí)(METRIC)模型以來(lái),該模型得到不斷拓展和改進(jìn),已發(fā)展成為包含Mod-METRIC[2]、Vari-METRIC[3]、Dyna-METRIC[4]等諸多模型在內(nèi)的較為完善的理論體系。由于METRIC理論采用系統(tǒng)的分析方法,其操作簡(jiǎn)單、運(yùn)算結(jié)果精度高,是目前解決可修復(fù)性備件多級(jí)庫(kù)存問題的主流方法[5]。國(guó)外一些較為先進(jìn)的備件優(yōu)化工具,如瑞典的OPUS10、美國(guó)的VMETRIC等均將其作為核心模型和算法。
隨著對(duì)備件保障問題研究的不斷深入,在裝備多維修級(jí)別、多層次結(jié)構(gòu)的一般保障模式基礎(chǔ)上,國(guó)內(nèi)外學(xué)者結(jié)合串件拼修[6-8]、橫向補(bǔ)給[9-12]、需求時(shí)變[13-14]等諸多保障工作中存在的實(shí)際問題,運(yùn)用METRIC理論研究出了相應(yīng)模型和算法,取得了不錯(cuò)的效果,進(jìn)一步豐富和發(fā)展了METRIC理論。然而,盡管METRIC理論在裝備多級(jí)庫(kù)存建模中應(yīng)用廣泛,效果顯著,但也有其無(wú)法解決的問題:首先,在時(shí)間維度上,METRIC理論假設(shè)保障周期任意長(zhǎng),著眼于解決裝備從列裝到退役整個(gè)壽命周期內(nèi)總的備件規(guī)劃問題,而對(duì)于短期任務(wù)下的備件方案評(píng)估問題,METRIC理論無(wú)法適用;其次,在空間維度上,METRIC理論所考慮的保障組織結(jié)構(gòu)是包含外部供應(yīng)商在內(nèi)的完備的保障體系,在該體系下,備件即使報(bào)廢也能從外部獲得無(wú)限的補(bǔ)給[15]。而當(dāng)裝備在執(zhí)行具體任務(wù)時(shí),受條件制約可能只得到部分保障組織的支持,由于保障站點(diǎn)維修能力有限,存在故障件無(wú)法修復(fù)而又得不到外部補(bǔ)給(外部供應(yīng)商的補(bǔ)給時(shí)間通常很長(zhǎng),短期任務(wù)無(wú)法考慮)的普遍情況,此時(shí)METRIC理論的基石——庫(kù)存平衡方程不再成立,METRIC理論亦無(wú)法處理該類問題。
針對(duì)上述問題,在部隊(duì)現(xiàn)有多等級(jí)多層級(jí)保障模式背景下,結(jié)合任務(wù)期間頂層保障站點(diǎn)修復(fù)概率小于1的實(shí)際情況,以整個(gè)保障系統(tǒng)裝備可用度為指標(biāo),利用近似等效思想提出一種快速有效的備件方案評(píng)估方法。與METRIC側(cè)重裝備整個(gè)壽命周期備件的總體規(guī)劃和評(píng)估問題不同,該方法著眼于具體任務(wù)階段,因此可與METRIC理論相輔相成,為保障人員在裝備服役不同階段對(duì)備件方案和保障效能進(jìn)行有效評(píng)估提供新思路。
以最基本的兩等級(jí)兩層級(jí)保障模型為例,更多等級(jí)更多層級(jí)的情況仍可按本文方法類推。考慮由一個(gè)后方保障中心和多個(gè)飛行基地構(gòu)成的裝備保障系統(tǒng),如圖1所示。裝備部署在飛行基地,包含若干現(xiàn)場(chǎng)可更換單元(Line Replacable Unit,LRU)和車間更換單元(Shop Replacable Unit,SRU),如圖2所示,各單元壽命均服從指數(shù)分布。
當(dāng)某個(gè)飛行基地的裝備發(fā)生故障,其原因是所屬第1層部件LRU故障,若基地有該LRU備件,則將其替換故障件;若基地沒有備件則發(fā)生1次備件短缺。故障LRU在飛行基地有一定維修概率,如果基地不能維修,則將其送往后方保障中心維修,同時(shí)向后方保障中心申領(lǐng)1項(xiàng)該備件。后方保障中心對(duì)故障LRU也存在一定維修概率,如果修復(fù)不了則作報(bào)廢處理。在對(duì)LRU維修時(shí),故障原因是其所屬的SRU故障,如果現(xiàn)場(chǎng)有SRU備件,將其安裝到LRU上即完成LRU的修理,如果現(xiàn)場(chǎng)沒有SRU備件則會(huì)造成LRU的修理延誤。SRU的送修、補(bǔ)給過(guò)程和LRU相同。
圖1 多級(jí)保障結(jié)構(gòu)
Fig.1 Multi-echelon support systems
圖2 裝備層次結(jié)構(gòu)
Fig.2 Hierarchical structures of equipment
在上述保障過(guò)程描述之外還需做出以下幾點(diǎn)假設(shè)和說(shuō)明:
1) 所有備件需求率服從泊松分布。
2) 飛行基地均采用(S-1,S)庫(kù)存策略,即缺少一件就向上級(jí)申領(lǐng)一件。
3) 各保障站點(diǎn)維修渠道無(wú)限,不會(huì)因?yàn)榫S修渠道被占滿而出現(xiàn)維修等待的現(xiàn)象。
4) LRU的故障只是由其所屬SRU之一故障所致,不考慮多個(gè)SRU同時(shí)故障的情況。
5) 備件在后方保障中心無(wú)法維修時(shí)則報(bào)廢,不考慮外部補(bǔ)給的情況。
2.1 報(bào)廢條件下可修復(fù)備件的消耗件近似等效
對(duì)于存在一定報(bào)廢率的可修復(fù)單元,分析其從開始工作到最終報(bào)廢經(jīng)歷的整個(gè)壽命周期,除了中間的若干次維修過(guò)程,該可修復(fù)單元與消耗件存在相似的壽命過(guò)程。兩者的本質(zhì)區(qū)別在于消耗件為連續(xù)工作直至報(bào)廢,而可修單元為間斷工作直至報(bào)廢,間斷工作是由維修時(shí)間造成。因此,如果忽略維修時(shí)間,可將存在一定修復(fù)概率的可修件近似等效為消耗件。
首先分析飛行基地各SRU在整個(gè)保障系統(tǒng)內(nèi)的等效維修概率reij,該概率包含3部分內(nèi)容:一是LRU、SRU均在飛行基地可修的概率;二是LRU在飛行基地可修,SRU雖在飛行基地不可修但在后方保障中心可修的概率;三是LRU在飛行基地不可修,但LRU、SRU均在后方保障中心可修的概率。即有
reij=r0jrij+r0j(1-rij)ri0+(1-r0j)r00ri0
(1)
式中:rij表示部件i在站點(diǎn)j的維修概率,i為備件種類編號(hào),i=1,2,…,I,代表SRU,i=0代表LRU;j為保障站點(diǎn)編號(hào),j=1,2,…,J,代表飛行基地,j=0代表后方保障中心。為了便于描述,如未特意強(qiáng)調(diào),i僅代表SRU(即i=1,2,…,I),j僅代表飛行基地(即j=1,2,…,J)。
根據(jù)以上分析,在不考慮維修時(shí)間和運(yùn)輸時(shí)間的前提下,等效維修概率為reij的可修復(fù)單元SRUi可近似等效為平均壽命為MTBFeij的消耗件,MTBFeij即首項(xiàng)為MTBFi/(NjZ0Zi),公比為reij的等比數(shù)列之和:
(2)
式中:MTBFi為SRUi平均壽命;Nj為裝備在飛行基地j的配置數(shù)量;Z0和Zi分別為L(zhǎng)RU和SRUi的機(jī)裝數(shù)。則LRU的等效平均壽命為
(3)
需要說(shuō)明的是,上述壽命等效過(guò)程雖然忽略了維修時(shí)間和運(yùn)輸時(shí)間,但通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)表明,只要維修時(shí)間和運(yùn)輸時(shí)間之和不是太大或飛行基地LRU備件量配置充足時(shí),該近似等效合理可行。
2.2 多級(jí)保障站點(diǎn)備件量的單級(jí)等效
在實(shí)現(xiàn)飛行基地消耗件壽命等效基礎(chǔ)上,考慮后方保障中心備件量分配問題,即對(duì)各飛行基地所能向后方保障中心“競(jìng)爭(zhēng)”到的備件量進(jìn)行“事先”評(píng)估和分配,從而將兩級(jí)保障結(jié)構(gòu)等效為單級(jí)。
對(duì)于飛行基地j上的第項(xiàng)備件,在(S-1,S)庫(kù)存策略下,其從后方保障中心分配所得備件比例kij為自身需求率λij與所有飛行基地總需求率λi0之比,即
(4)
則在考慮后方保障中心備件量分配下,飛行基地j第項(xiàng)備件的等效備件量為
Seij=Sij+kijSi0i=0,1,…,I
(5)
式中:Si0、Sij分別為后方保障中心和飛行基地j第i項(xiàng)備件的配備數(shù)量。
至此,由后方保障中心和飛行基地構(gòu)成的多等級(jí)保障系統(tǒng)被完全等效為僅包含各飛行基地在內(nèi)的單級(jí)保障系統(tǒng)。在該系統(tǒng)下,飛行基地j包含等效壽命為MTBFe0j的LRU可修件以及等效壽命為MTBFeij的SRUi消耗件,其等效備件量分別為Se0j和Seij。
2.3 多層級(jí)部件備件量的單層級(jí)等效
由多層級(jí)部件的維修過(guò)程知,由于下層級(jí)的子備件SRU完全用于維修故障的母體部件LRU,若能提前對(duì)所配SRU備件共能維修成功的對(duì)應(yīng)故障LRU件數(shù)進(jìn)行有效評(píng)估,就可實(shí)現(xiàn)SRU備件向LRU備件的等效折算,從而將多層級(jí)可修復(fù)備件轉(zhuǎn)化為僅包含LRU的單層消耗件。
飛行基地j上LRU發(fā)生故障由所屬的SRUi故障導(dǎo)致的條件概率為
(6)
則一次對(duì)故障LRU維修所消耗的SRUi的備件數(shù)量為
(7)
將SRUi的備件消耗量等效折算為L(zhǎng)RU的備件增加量,即
(8)
步驟2裝備發(fā)生一次故障,消耗一個(gè)LRU備件,利用SRUi備件對(duì)其維修產(chǎn)生新LRU備件,得到當(dāng)前LRU的累積備件增加量和可用數(shù)量分別為
圖3 等效頂層LRU備件數(shù)量計(jì)算流程
Fig.3 Calculation process of number of spares for equivalent LRU in top indenture
Sleft_j=Sleft_j-1+ΔSe0j
步驟3更新當(dāng)前各SRUi的備件數(shù)量:Seij=Seij-ΔSeij
步驟4如果可用LRU數(shù)量Sleft_j≤0,算法結(jié)束,得到等效LRU備件數(shù)量:
否則轉(zhuǎn)入步驟2繼續(xù)迭代。
裝備可用度是評(píng)價(jià)備件方案好壞、評(píng)估裝備保障效能的常用指標(biāo),其定義為裝備期望工作時(shí)間與總?cè)蝿?wù)時(shí)間之比。
(9)
(10)
對(duì)于由多類LRU構(gòu)成的裝備,一般假設(shè)各LRU之間的可靠性結(jié)構(gòu)為串聯(lián)結(jié)構(gòu),由串聯(lián)系統(tǒng)性質(zhì)可知,飛行基地j裝備可靠度為各LRU部件可靠度之積:
(11)
式中:l為L(zhǎng)RU類別;Rlj(t)為L(zhǎng)RUl可靠度函數(shù),由式(10)得到。
在任務(wù)時(shí)間T內(nèi),裝備可用度為裝備的平均可靠度,由此得到飛行基地j的裝備可用度為
(12)
對(duì)于整個(gè)保障系統(tǒng)而言,全部裝備的可用度為各飛行基地裝備可用度的加權(quán)平均[17],設(shè)裝備在各基地的部署數(shù)量為Nj,則有
(13)
在一次為期1 000 h的訓(xùn)練任務(wù)中,由一個(gè)后方保障中心(編號(hào)為0)和兩個(gè)飛行基地(編號(hào)分別為1、2)組成的保障系統(tǒng)對(duì)某航空裝備開展實(shí)時(shí)保障。裝備的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示,在飛行基地的部署數(shù)量分別為[8,5],備件由后方保障中心運(yùn)送至兩個(gè)飛行基地的時(shí)間均為50 h?,F(xiàn)要求對(duì)該裝備在任務(wù)期間的可用度進(jìn)行評(píng)估,備件的相關(guān)可靠性、維修性參數(shù)以及在各站點(diǎn)的配備數(shù)量如表1所示。其中:Trij表示部件i在站點(diǎn)j的維修時(shí)間;Zi為部件i的裝機(jī)數(shù)。
利用本文近似等效方法得到整個(gè)保障系統(tǒng)的裝備可用度評(píng)估結(jié)果為0.982 5。為了驗(yàn)證該方法的正確性,采用MATLAB平臺(tái)構(gòu)造仿真模型與近似結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。仿真次數(shù)設(shè)為2 000,分別統(tǒng)計(jì)每次仿真各飛行基地的累計(jì)停機(jī)時(shí)間Tdj,則可用度為(1-Tdj/T),取2 000次仿真所得的可用度均值作為最終輸出結(jié)果。運(yùn)行仿真程序,得到保障系統(tǒng)裝備可用度評(píng)估結(jié)果為0.968 3,與仿真結(jié)果相比,近似結(jié)果的相對(duì)誤差為1.46%,在合理的誤差范圍內(nèi)。為了進(jìn)一步研究近似方法的誤差變化情況,使任務(wù)時(shí)間T以500 h為間隔,在[1 000,10 000] h區(qū)間內(nèi)取值,分別得到近似方法和仿真方法的評(píng)估結(jié)果曲線如圖4(a)所示(A表示保障系統(tǒng)可用度,Oj表示運(yùn)輸時(shí)間),圖中兩條曲線基本重合,相對(duì)誤差最大發(fā)生在T=1 500 h 時(shí),其值為2.61%,而當(dāng)T>3 000 h時(shí),近似結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。單次仿真的主要流程如圖5所示,因此,盡管本文近似方法忽略了維修時(shí)間和運(yùn)輸時(shí)間,但所得結(jié)果都在合理誤差范圍內(nèi),由此可知,存在維修、運(yùn)輸時(shí)間不一定會(huì)產(chǎn)生維修和運(yùn)輸延誤,即使產(chǎn)生了維修和運(yùn)輸延誤,延誤后果也不一定很嚴(yán)重(延誤時(shí)間短,對(duì)可用度影響不大)。
表1 備件和保障站點(diǎn)相關(guān)參數(shù)Table 1 Corresponding parameters of spare parts and support sites
為了進(jìn)一步探究維修、運(yùn)輸時(shí)間對(duì)近似方法精度的影響,將兩個(gè)飛行基地的運(yùn)輸時(shí)間Oj從算例中的50 h分別增加到100 h和150 h,得到近似結(jié)果和仿真結(jié)果如圖4(b)、圖4(c)所示。隨著運(yùn)輸時(shí)間的增加,近似結(jié)果不斷偏離仿真結(jié)果,相對(duì)誤差最大值由2.61%分別增加到3.94%和5.99%。這與理論分析的結(jié)果一致,由于運(yùn)輸時(shí)間的增加使得產(chǎn)生運(yùn)輸延誤的風(fēng)險(xiǎn)加大,增加了運(yùn)輸延誤時(shí)間,導(dǎo)致仿真的可用度結(jié)果不斷降低從而與近似結(jié)果的偏差逐漸拉大。大量實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)各部件的平均維修時(shí)間與運(yùn)輸時(shí)間之和在裝備平均故障間隔時(shí)間的一半以內(nèi)時(shí)(算例中運(yùn)輸時(shí)間取值在50 h和100 h下滿足該條件),近似方法均能保證一定的精度。需要說(shuō)明的是,雖然當(dāng)維修時(shí)間和運(yùn)輸時(shí)間超過(guò)一定閾值,近似方法誤差較大,無(wú)法對(duì)某些具有高精度評(píng)估要求的場(chǎng)合實(shí)施準(zhǔn)確的定量評(píng)估,但近似結(jié)果與仿真結(jié)果曲線變化趨勢(shì)一致,此時(shí)近似方法完全可以作為定性評(píng)估備件方案好壞和可用度高低的有效手段。
圖4 不同運(yùn)輸時(shí)間下的可用度評(píng)估結(jié)果對(duì)比
Fig.4 Comparison of results of availability with different transportation time
圖5 單次仿真的主要流程
Fig.5 Main process of single simulation
此外,影響近似方法精度的關(guān)鍵是維修和運(yùn)輸延誤,而維修和運(yùn)輸延誤不僅與維修、運(yùn)輸時(shí)間有關(guān),也與站點(diǎn)備件配置量有關(guān)。尤其對(duì)于裝備使用現(xiàn)場(chǎng)(飛行基地)的LRU備件,其對(duì)延誤時(shí)間的影響最大。以上述算例中誤差最大的運(yùn)輸時(shí)間均為150 h的情況為例,將LRU1、LRU2在飛行基地的備件配置量Slj分別從1取到3,所得結(jié)果如圖6所示??梢钥闯?,即使運(yùn)輸時(shí)間較大,隨著飛行基地LRU配置量的增加,近似結(jié)果不斷逼近仿真結(jié)果,最大誤差由8.45%降低至3.97%,最后達(dá)到2.01%。當(dāng)Slj=3時(shí),近似結(jié)果基本與仿真結(jié)果重合。這是因?yàn)榧词咕S修、運(yùn)輸時(shí)間較大,但裝備使用現(xiàn)場(chǎng)充足的LRU備件量給維修和運(yùn)輸中的備件贏取了時(shí)間,從而降低甚至抵消了由于維修和運(yùn)輸產(chǎn)生的延誤,使近似方法能對(duì)可用度進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估。
圖6 不同飛行基地LRU備件配置量下的可用度評(píng)估結(jié)果對(duì)比
Fig.6 Comparison of results of availability with different numbers of spares of LRU in the base
在部隊(duì)現(xiàn)有多等級(jí)多層級(jí)保障模式背景下,結(jié)合航空裝備在執(zhí)行任務(wù)期間普遍存在的故障件報(bào)廢問題,利用等效思想提出了一種快速有效的可用度近似評(píng)估方法。通過(guò)大量的仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論:
1) 當(dāng)各部件的平均維修時(shí)間與運(yùn)輸時(shí)間之和較小(小于裝備平均故障間隔時(shí)間的一半)或飛行基地LRU備件配置充足(2個(gè)以上)時(shí),發(fā)生維修和運(yùn)輸延誤的風(fēng)險(xiǎn)較小,延誤即使發(fā)生了,延誤后果并不嚴(yán)重,本文近似方法可以對(duì)可用度進(jìn)行準(zhǔn)確的定量評(píng)估。
2) 當(dāng)各部件的平均維修時(shí)間與運(yùn)輸時(shí)間之和較大(大于裝備平均故障間隔時(shí)間的一半)且飛行基地LRU備件配置量較少(1個(gè)或不配)時(shí),發(fā)生維修和運(yùn)輸延誤的風(fēng)險(xiǎn)很大,并能造成一定的延誤后果,此種情況下本文近似方法可對(duì)可用度的高低、備件方案的好壞作定性評(píng)估。
在實(shí)際執(zhí)行任務(wù)期間,為了保證任務(wù)的順利完成通常對(duì)裝備有著較高的可用度保障要求,導(dǎo)致飛行基地LRU備件數(shù)量較大的情況較為常見,為近似方法的使用創(chuàng)造了條件。
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Evaluationforavailabilityofmulti-echelonmulti-indentureequipmentwithscrapoffailurepartsduringthemission
LIURenyang1,LIHua2,LIQingmin3,*
1.NavalAcademyofArmament,Beijing100037,China2.DepartmentofWeaponryEngineering,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China3.OfficeofResearch&Development,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China
Fortheproblemofscrapoffailurepartsexistingwidelyduringthemission,anapproximateevaluationmethodforavailabilityofmulti-echelonmulti-indentureaviationequipmentisproposed.Repairablespareswithscrapareconvertedtonon-repairablesparesbyomittingrepairandtransportationtime.Thesparesarethenassignedfromtherearsupportcentertotheflightbaseandareconvertedfromlowerintohigherindenturesuccessively,sothatthemulti-echelonmulti-indenturesparemodelisconvertedintothesingle-echelonsingle-indentureones.TheavailabilityofthewholesupportsystemisobtainedbasedontheadditivepropertyofGammadistribution.Acomparisonoftheactualexamplewiththesimulationresultsshowsthattheapproximatealgorithmcanbeofhighprecisionwhenthevaluesofrepairandtransportationtimearenottoogreatorthesparesoftheflightbasearesufficient.
duringthemission;multi-echelonmulti-indenture;scrapoffailureparts;availability;configurationplanofspareparts
2016-05-24;Revised2016-07-13;Accepted2016-10-08;Publishedonline2016-10-141350
URL:www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20161014.1350.006.html
s:NationalDefensePre-researchFoundationofChina(51304010206,51327020105)
2016-05-24;退修日期2016-07-13;錄用日期2016-10-08; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間
時(shí)間:2016-10-141350
www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20161014.1350.006.html
國(guó)防預(yù)研項(xiàng)目基金 (51304010206,51327020105)
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.E-maillicheng001@hotmail.com
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http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn
10.7527/S1000-6893.2016.0268
V125.7; E911; TJ761.1
A
1000-6893(2017)04-220465-09
(責(zé)任編輯: 蘇磊)
*Correspondingauthor.E-maillicheng001@hotmail.com