基于消耗數(shù)據(jù)的航材RMS指標計算系統(tǒng)研究

張 揚， 牛強軍， 趙 輝， 駱 樂

(1.空軍第一航空學(xué)院 航空電子工程系,河南 信陽 464000； 2.中人民解放軍第94795部隊，安徽 蕪湖 241007)

基于消耗數(shù)據(jù)的航材RMS指標計算系統(tǒng)研究

張 揚1， 牛強軍1， 趙 輝1， 駱 樂2

(1.空軍第一航空學(xué)院 航空電子工程系,河南 信陽 464000； 2.中人民解放軍第94795部隊，安徽 蕪湖 241007)

航材精細化保障的重點之一就是準確把握航材消耗規(guī)律，航材消耗規(guī)律的準確與否在很大程度上取決于航材的故障率，但在實際工作中航材固有的RMS(可靠性、維修性、保障性)指標與實際的消耗情況有十分大的差距,對于航材訂貨的指導(dǎo)意義不強。提出了一種基于消耗數(shù)據(jù)的RMS計算系統(tǒng)，分析了預(yù)測航材消耗數(shù)量的需求，綜合運用了統(tǒng)計分析計算法方法中的均值法、極大似然估計法和秩回歸法，分別按指數(shù)分布、威布爾分布、正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布進行擬合，計算器材的各類指標和結(jié)果的擬合程度，選取擬合程度最高的一向作為最后的結(jié)果輸出。這種通過實際的消耗情況，結(jié)合故障周期，計算航空維修器材在實際運行中的RMS指標的方法，為準確預(yù)測消耗提供參考。

可靠性； 航材； 保障； 消耗數(shù)據(jù)

0 引 言

在我軍飛機裝備承擔(dān)越來越多任務(wù)的情況下，器材庫存的作用巨大，已成為裝備戰(zhàn)斗力的重要組成部分，它與作戰(zhàn)性能居于同等重要的地位，是制約裝備發(fā)展和影響壽命周期費用的重要因素。但是目前備件方案利用率很低，出現(xiàn)很多使用頻率高的備件訂購少，而使用頻率低的備件訂購卻相對較多的現(xiàn)象，因此，消耗的預(yù)測成為一種航材籌措前的通用做法[1-2]，其中，大多數(shù)的航材消耗規(guī)律的預(yù)測，是基于器材的RMS(可靠性、維修性、保障性)指標，航材在出廠時雖然給出了MTBF(最小無故障間隔時間)的值，但在具體的使用過程中，由于裝備使用條件和人員使用水平等因素的不同，造成航材的RMS(可靠性)指標與實際情況有十分大的差距，在進行消耗規(guī)律的研究時，也由于數(shù)據(jù)不準確，使得消耗的預(yù)測與現(xiàn)實情況有加大的偏差，為此，本文提出了一種基于消耗數(shù)據(jù)的RMS指標的計算系統(tǒng)，以解決器材RMS指標不易把握的問題[3-4]。

1 需求分析

1.1 總體需求

為了符合航材消耗規(guī)律的研究和航材籌措的需求，器材的RMS指標計算系統(tǒng)應(yīng)具備以下的功能：

(1) 根據(jù)輸入的故障數(shù)據(jù)、出入庫數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)和供應(yīng)保障數(shù)據(jù)，對器材的使用效能進行評估，對建制單位保障能力進行分析，得出器材的可靠性、維修性和保障性等方面的情況，得出的數(shù)據(jù)將用于器材消耗分析模塊的仿真建模[5-6]。

(2) 隨后依據(jù)部件的部署的單位和使用時間，根據(jù)壽命分布類型得到器材消耗規(guī)律和消耗趨勢，主要包括：①建制單位消耗規(guī)律分析和預(yù)測；②單項器材消耗規(guī)律分析；③不同階段的消耗規(guī)律分析和預(yù)測[7]。

1.2 指標計算需求

對于器材RMS指標的計算，應(yīng)滿足以下的需求：以表格的形式記錄計算出的RMS指標，數(shù)據(jù)可導(dǎo)出。對應(yīng)每個器材單獨繪制四類函數(shù)圖形，包括概率密度函數(shù)圖、失效率等函數(shù)圖、可靠度函數(shù)圖和累積分布函數(shù)圖[8-9]。

1.3 消耗分析需求

(1)建制單位消耗規(guī)律分析。以圖表和數(shù)據(jù)表格形式能按照倉庫、單個戰(zhàn)區(qū)、團的分類對消耗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，按照年、月的時間單位給出消耗曲線。按照總體或單個器材金額、器材消耗數(shù)量等情況，能對比不同建制部隊的消耗情況。給出建制部隊的月、季、年的消耗情況。按同類機型給出全空軍的消耗情況。

計算在下一年度的器材消耗規(guī)律，其設(shè)計輸出表格(見表1)。

表1 建制單位消耗規(guī)律分析表

計算方法包括兩種，①按照器材使用效能分析的可靠性指標評估結(jié)果進行計算，②按照此前幾年該建制單位的消耗數(shù)據(jù)進行曲線擬合，對于第2種方法需給出消耗趨勢線[10]。

(2)單項器材消耗規(guī)律分析。此處是研究整個空軍單項器材的消耗規(guī)律和建制單位消耗規(guī)律類似，不過該項輸出要綜合考慮整個空軍的器材可靠性水平，以及近幾年的消耗數(shù)據(jù)。可以采用全軍的器材可靠性數(shù)據(jù)進行消耗預(yù)測，也可以按照近幾年的消耗數(shù)量進行曲線擬合，得到器材消耗趨勢線和數(shù)量。

應(yīng)以圖表和數(shù)據(jù)表格形式，按照全空軍或軍區(qū)、團的分類對某項器材進行消耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。應(yīng)按照年、月的時間單位給出單項器材的消耗數(shù)量、消耗趨勢、消耗金額等信息[11-12]。

(3)不同階段的消耗規(guī)律分析和預(yù)測。按照飛機所處的不同階段，分析其消耗規(guī)律，計算方法為按照使用效能分析的部件壽命分布函數(shù)，按照不同的飛機階段計算其發(fā)生失效的概率，從而確定部件的消耗規(guī)律。其輸出結(jié)果見表2。

表2 輸出結(jié)果示意

2 計算方法及軟件設(shè)計

2.1 RMS計算方法

RMS的計算輸入為出入庫數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)、供應(yīng)保障數(shù)據(jù)，輸出的結(jié)果應(yīng)為器材的可靠性指標、維修性指標和保障性指標，在計算方法上，并沒有成熟的算法作參考。為此，綜合運用了統(tǒng)計分析計算法方法中的均值法、極大似然估計法和秩回歸法，分別按指數(shù)分布、威布爾分布、正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布進行擬合，計算器材的各類指標和結(jié)果的擬合程度，選取擬合程度最高的一向作為最后的結(jié)果輸出[13-14]。

(1)指數(shù)分布的器材消耗規(guī)律。當器材的壽命服從指數(shù)分布時，其消耗規(guī)律如下式所示：

N=nλT

(1)

式中：N為器材消耗數(shù)量預(yù)測；n為器材裝機數(shù)；λ為器材失效率；T為安裝此項器材的所有飛機的總飛行時間；其中失效率λ，由使用效能分析方法的計算原理評估得出。

(2)正態(tài)分布的器材消耗規(guī)律。當器材的壽命服從正態(tài)分布時，其消耗規(guī)律如下式所示：

(2)

式中：N為器材消耗數(shù)量預(yù)測；n為器材裝機數(shù)；T為安裝此項器材的所有飛機的總飛行時間；μ為器材正態(tài)分布的均值；其中正態(tài)分布的均值μ，由使用效能分析方法的計算原理評估得出。

(3)對數(shù)正態(tài)分布的器材消耗規(guī)律。當器材的壽命服從正態(tài)分布時，其消耗規(guī)律如下式所示：

(3)

式中：N為器材消耗數(shù)量預(yù)測；n為器材裝機數(shù)；T為安裝此項器材的所有飛機的總飛行時間；μ為器材對數(shù)正態(tài)分布的均值；σ為器材對數(shù)正態(tài)分布的方差；其中對正態(tài)分布的參數(shù)值μ、σ，由使用效能分析方法的計算原理評估得出。

(4)威布爾分布的器材消耗規(guī)律。當器材的壽命服從正態(tài)分布時，其消耗規(guī)律如下式所示：

(4)

式中：N為器材消耗數(shù)量預(yù)測；n為器材裝機數(shù)；T為安裝此項器材的所有飛機的總飛行時間；η為器材威布爾分布的形狀參數(shù)；β為器材威布爾分布的尺度參數(shù)；其中威布爾的參數(shù)值η、β，由使用效能分析方法的計算原理評估得出。

2.2 軟件設(shè)計

(1)功能及流程設(shè)計。具體的軟件結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 器材消耗規(guī)律分析系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

軟件運行流程如圖2所示。

圖2 軟件運行流程圖

首先進行數(shù)據(jù)輸入，器材使用數(shù)據(jù)信息包括三種類型的數(shù)據(jù)：故障數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)和預(yù)防性維修數(shù)據(jù)，隨后選取需要進行計算的器材的編碼，選擇要評估的參數(shù)，包括：平均故障間隔時間、失效率、平均換件時間、平均修復(fù)性維修時間、平均預(yù)防性維修時間、平均供應(yīng)時間和平均訂貨時間等，人工選擇需要的計算方法，或由系統(tǒng)自動選擇擬合程度最高的計算方法，隨后將計算的以圖形或表格的形式輸出。其評估結(jié)果可用于后續(xù)消耗規(guī)律的分析和計算。消耗規(guī)律分析模塊可對器材、單位的消耗情況分析并輸出結(jié)果[15]。

(2)軟件的輸入輸出設(shè)計。軟件的輸入輸出如表3所示。

表3 器材消耗規(guī)律分析系統(tǒng)研制輸入輸出表

軟件的輸入主要包括故障數(shù)據(jù)、出入庫數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)、供應(yīng)保障數(shù)據(jù)、機務(wù)質(zhì)控數(shù)據(jù)等，輸出主要包括可靠性評估輸出、維修性評估輸出、保障、評估輸出、建制單位消耗規(guī)律分析和預(yù)測、單項器材消耗規(guī)律分析、不同段的消耗規(guī)律分析和預(yù)測等。具體的輸出輸入以表格或圖形形式體現(xiàn)。

3 軟件實現(xiàn)

3.1 可靠性數(shù)據(jù)評估

(1)可靠性評估方案列表。點擊可靠性評估下的可靠性評估方案列表，用戶可以新建、編輯或者刪除方案，可靠性評估方案列表相關(guān)界面如圖3、4所示。

圖3 可靠性評估方案列表界面

圖4 新建可靠性評估方案

新建可靠性評估方案時，首先要選擇是按照建制單位評估，還是按單項器材評估；如果選擇按照建制單位評估，則可以評估一個建制單位的一個機型的全部器材的可靠性水平；如果選擇按照單項器材評估，則可評估此器材適用的所有機型，和所有部署了這些機型的建制單位的可靠性數(shù)據(jù)，即跨機型、跨單位評估單項器材的可靠性水平。

如果選擇的是單項器材評估，然后確定評估的器材，最后確定評估數(shù)據(jù)的起止年度即可完成方案設(shè)置；如果選擇的是建制單位，則需要確定具體建制單位和具體機型，最后確定評估數(shù)據(jù)的起止年度即可完成方案設(shè)置。

新建方案或編輯方案完成后，用戶可以雙擊選中方案，進入詳細方案，看到方案對應(yīng)的故障數(shù)據(jù)和評估。

(2)故障數(shù)據(jù)。每個具體的可靠性評估方案都有自己的故障數(shù)據(jù)，這是評估的基礎(chǔ)，故障數(shù)據(jù)是通過原始數(shù)據(jù)也就是器材消耗數(shù)據(jù)獲取，也可以由用戶自行添加，這種方式通過故障數(shù)據(jù)的“來源”字段區(qū)分，通過航材基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)為“自動生成”，用戶自動添加的數(shù)據(jù)為手工添加。如果用戶需要通過航材基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)生成故障數(shù)據(jù)，則需添加菜單欄的自動生成數(shù)據(jù)。

處理后的故障數(shù)據(jù)示例如圖5所示。

圖5 處理后的故障數(shù)據(jù)

故障數(shù)據(jù)表中的主要處理字段是時間和狀態(tài)，其中時間表示器材在當前狀態(tài)時已經(jīng)執(zhí)行的飛行時間，狀態(tài)分為失效和中止，失效表示器材故障，中止表示器材沒有故障，到已工作時間為止器材還沒有發(fā)生故障但是統(tǒng)計時間截止了。如上圖所示，第一行表示，某單位的某型飛機上的器材在42.29 h發(fā)生了一次故障，倒數(shù)第二行表示有一個器材到統(tǒng)計截止時間已經(jīng)用了120.49 h，但是還沒有發(fā)生故障。

(3)評估。有了故障數(shù)據(jù)后，即可對機型或器材的可靠性水平進行評估，在進行評估之前要進行評估設(shè)置，包括：① 評估方法選擇。選用了均值法、極大似然估計法和秩回歸法3種評估方法。② 默認分布選擇。采用了指數(shù)分布、威布爾分布、正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布4種分布類型。③ 經(jīng)驗公式。對于秩回歸方法需要選擇經(jīng)驗公式，采用的的經(jīng)驗公式包括中位秩、數(shù)學(xué)期望、海森公式。

評估設(shè)置好后，用戶可點擊自動計算按鈕，系統(tǒng)自動生成各器材的評估結(jié)果(見圖6)。

圖6 器材評估結(jié)果

上圖的結(jié)果顯示區(qū)中，左半部分是器材的分布類型和相關(guān)參數(shù)，所有器材按照評估設(shè)定的默認分布類型計算得到參數(shù)結(jié)果，也可以在結(jié)果區(qū)域單獨對某項器材選擇不同的分布類型，然后再次計算其參數(shù)。

右半部分是器材的相關(guān)可靠性曲線，包括可靠度函數(shù)、概率密度函數(shù)、累計分布函數(shù)、失效率函數(shù)。

評估完成后，用戶可以選擇菜單欄的保存故障率，所有器材失效率的計算結(jié)果填寫到航材基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的型號庫下各器材的故障率字段。

3.2 維修性數(shù)據(jù)評估

維修性數(shù)據(jù)評估的過程和可靠性數(shù)據(jù)評估過程類型，用戶可參考可靠性數(shù)據(jù)評估過程。

3.3 保障性數(shù)據(jù)評估

保障性數(shù)據(jù)評估的過程和可靠性數(shù)據(jù)評估過程類型，用戶可參考可靠性數(shù)據(jù)評估過程。區(qū)別在于所有的保障性數(shù)據(jù)無法直接從航材基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中獲取而需要用戶自行添加。

3.4 器材消耗規(guī)律分析與預(yù)測

器材消耗規(guī)律分析與預(yù)測包括三部分內(nèi)容：建制單位消耗規(guī)律分析和預(yù)測，單項器材消耗規(guī)律分析和預(yù)測，不同階段的消耗規(guī)律分析與預(yù)測。

(1)建制單位消耗規(guī)律分析與預(yù)測。建制單位消耗規(guī)律分析與預(yù)測界面如圖7所示。

圖7 建制單位消耗規(guī)律分析與預(yù)測

系統(tǒng)提供兩種預(yù)測方式：按可靠性數(shù)據(jù)評估結(jié)果預(yù)測和按消耗數(shù)量變化趨勢預(yù)測。如果選擇了按可靠性參數(shù)評估結(jié)果預(yù)測，則預(yù)測的建制單位和機型默認和可靠性數(shù)據(jù)評估方案一致，系統(tǒng)依據(jù)可靠性評估結(jié)果，填寫機型預(yù)計飛行時間，即可計算出機型中各器材的預(yù)測消耗量。

按消耗數(shù)量變化趨勢預(yù)測，將消耗結(jié)合使用數(shù)據(jù)處理為月、季和年度的消耗規(guī)律，默認為年(見表4)。

表4 按消耗數(shù)量變化趨勢預(yù)測

處理完上述表格后，利用工作時間和消耗時間可求得預(yù)計的使用時間，該使用時間將影響實際工作中的消耗數(shù)量，利用可靠性評估可求得預(yù)測的消耗數(shù)據(jù)。

(2)單項器材消耗規(guī)律分析與預(yù)測。單項器材消耗規(guī)律分析與預(yù)測和建制單位消耗規(guī)律分析與預(yù)測方法操作和界面類似，可參考上節(jié)。區(qū)別在于建制單位的消耗預(yù)測考慮的是一個單位一個機型的所有器材消耗預(yù)測，而單項器材預(yù)測是考慮跨單位、跨機型的針對單項器材的消耗預(yù)測。

(3)不同階段的消耗規(guī)律分析與預(yù)測。不同階段的消耗規(guī)律分析與預(yù)測主要考慮飛機在早、中、晚期不同階段時器材消耗規(guī)律不一樣，因此針對機型和器材要針對處于各個階段的器材都進行預(yù)測。過程可參考建制單位消耗規(guī)律分析與預(yù)測。

4 結(jié) 語

本文利用航材消耗基于消耗數(shù)據(jù)系統(tǒng)用多種計算方法，實現(xiàn)了器材的RMS計算，得出的相關(guān)計算結(jié)果結(jié)合基礎(chǔ)消耗數(shù)據(jù)可用于器材訂購的仿真預(yù)測、保障方案的評估驗證、單裝消耗標準制定等領(lǐng)域，研制的軟件提供的航材的消耗規(guī)律預(yù)測已經(jīng)在相關(guān)部隊和地方航材保障部門試用。結(jié)果真實可信，對航材精細化保障提供了有力支撐。

[1] 徐 立，李慶民，李 華，等．有限維修能力下任務(wù)完成單元時變可用度評估模型[J].國防科技大學(xué)學(xué)報，2016(38):114-121.

[2] 王鴻東，許 暉，易 宏，等．現(xiàn)代質(zhì)量管理體系下的產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新研究——以艦船備件管理為例[J]. 現(xiàn)代管理科學(xué)，2016[4]:93-95.

[3] 韓梅麗，李 霖.基于ARIMA的不穩(wěn)定需求備件測模型研究[J].物流工程與管理，2016(2):48-50.

[4] 劉 海,程 科,高 尚.基于費效分析的艦船備件優(yōu)化模型研究[J].電子設(shè)計工程,2016(5):1-4.

[5] Horenbeek A V，Pintelon L，Scarf P A，etal．The effect of maintenance quality on spare parts inventory for a fleet of assets[J]．IEEE Transactions on Reliability，2013，62(3)：596-607．

[6] WANG Zheng-yuan，CAO Ji-ping，ZHU Yu，etal．An optimization model of wartime spare parts resource allocation on consideration of maintainability[J]．Acta Armamentarium，2014，35(5)：719-724．

[7] Louit D，Pascual R，Banjevic D，etal．Optimization models for critical spare parts inventories-a reliability approach [J]．Journal of the Operational Research Society，2011(62)：992-l004．

[8] Mirzahosseinian H，Piplani R．A study of repairable parts inventory system operating under performance-based contract[J]．European Journal of Operational Research，2011，214(2)：256-261．

[9] 劉臣宇．航材供應(yīng)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2009：6-8．

[10] 劉大海．SPSS15.0統(tǒng)計分析[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2008：298-300．

[11] Yang Xin-She．A new metaheuristic bat-inspired algorithm[C]//Nature Inspired Cooperative Strategies for Optimization. Berlin Heidelberg：Springer Berlin Heidelberg，2010，284：65-74．

[12] 李國建，楊毅恒．基于因子分析法的風(fēng)險投資評價模型[J]．北京信息科技大學(xué)學(xué)報，2011，27(2)：47-62．

[13] 張仕廉，李 鵬．基于因子分析法的建筑工程設(shè)計風(fēng)險因素實證研究[J]．中國安全科學(xué)學(xué)報，2011，21(3)：131-137．

[14] 解 江，史 超，段 斌，等．空軍消耗性航材儲備優(yōu)化模型研究[J]．數(shù)學(xué)的實踐與認識，2014，44(5)：187-192．

[15] 晏 勇，周相兵．基于物聯(lián)網(wǎng)礦井瓦斯動態(tài)檢測與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計[J]．實驗室研究與探索，2016，35(1)：105-109．

OnCalculationSystemofRMSBasedonConsumptionData

ZHANGYang1，NIUQiangjun1，ZHAOHui1，LUOLe2

(1. Department of Aviation Electron Engineering, First College of Air Force, Xinyang 464000, Henan, China;2.The 94795 unit of PLA, Wuhu 241007, Anhui, China)

One of the key points of the material protection is to accurately grasp the law of consumption of air material. The accuracy of air material consumption depends largely on the failure rate of air material, but in practical work, there is a very large gap between the inherent RMS (reliability, maintainability, supportability) indicators and the actual consumption of. This paper presents a calculation system of RMS based on consumption data, analyzis the demand of air materiel, and uses the mean method the maximum likelihood method and the rank regression method to calculate the results which are fitted by exponential distribution, Weibull distribution, normal distribution and normal distribution respectively. Through the actual consumption combined with the fault cycle, the reliability of the actual operation of indicators, can be calculated in order to accurately predict the consumption so as to provide a reference.

reliability; air material； guarantee； consumption date

TN 953

A

1006-7167(2017)11-0269-05

2016-12-22

張 揚(1980-)，男，河南信陽人，碩士，講師，現(xiàn)主要從航空裝備維護保障的教學(xué)與科研工作。

Tel.:13837627656；E-mail:zy9804020@163.com