基于生命周期的氣象裝備庫存模式研究

李艷+李翠翠+陳勝遠+冷宇

摘要： 隨著氣象觀測要素不斷增加，氣象觀測裝備備件的種類也不斷增多。本文通過對貴州省氣象觀測裝備備件故障率進行分析，初步判斷出氣象觀測裝備的磨合期、穩(wěn)定期、衰減報廢期的運行時長；利用EOQ模型計算出氣象觀測裝備備件的最低庫存量與其故障率曲線緊密相關。通過對氣象觀測裝備備件的故障率曲線分析發(fā)現(xiàn)，同一氣象觀測裝備備件在不同生命周期階段其故障率曲線分布也不一樣。

Abstract： With the increasing number of meteorological observational elements， the types of spare parts for meteorological observation equipment are also increasing. In this paper， the failure rate of meteorological observation equipment spare parts in Guizhou province is analyzed to determine the run-in period， the stable period and the decaying end-of-life of meteorological observation equipment. The EOQ model is used and it finds out that the minimum inventory of meteorological observation equipment spare parts is closely related its failure rate curve. According to the analysis of failure rate curve of spare parts of meteorological observation equipment， the distribution of failure rate curves of spare parts of the same meteorological observation equipment at different life stages is also different.

關鍵詞： 氣象裝備；生命周期；庫存模式

Key words： meteorological equipment；life cycle；inventory model

中圖分類號：P456.8 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）04-0022-03

0 引言

近年來，隨著氣象現(xiàn)代化的不斷建設，貴州省已建設完成8部新一代多普勒天氣雷達、84個國家級臺站均為雙套站互為備份運行、3000站次以上區(qū)域氣象觀測站、交通氣象站、土壤水分觀測站、自動監(jiān)測水位站、閃電站、降水現(xiàn)象觀測儀、能見度等多種氣象要素觀測站。為保障全省氣象觀測裝備的正常運行，縮短氣象觀測裝備故障恢復時間，必須在省、市、縣三級存儲一定比例、種類的氣象觀測裝備備件（以下簡稱備件）。隨著氣象觀測要素的增加，備件的種類也越來越多。同時，每年用于購置備件的經(jīng)費有限，而且各類備件的生命周期不盡相同，那么研究如何有效降低備件庫存的積壓，加快備件周轉效率，提升了氣象保障經(jīng)費的有效利用率非常有必要。

1 設備生命周期相關概念

1.1 設備生命周期

指設備從投入使用到最終退出使用的總的時間長度。

1.2 設備故障率

長期統(tǒng)計研究表明[1]，設備故障率并不是一成不變的。由多種零部件組成的設備故障率曲線如圖1所示。從使用時長看，曲線明顯呈現(xiàn)3個不同的階段。

磨合期：設備在A階段時故障率較高，但隨著使用時間的延長，其故障率將明顯降低，該階段稱初期故障期，又稱磨合期。

穩(wěn)定期：設備在B階段時故障率大致趨于一個較低且穩(wěn)定的定值，表明設備已進入穩(wěn)定使用階段。該階段為偶發(fā)故障期，又稱穩(wěn)定期。

衰減報廢期：設備在C階段時故障率再一次上升，經(jīng)過長期使用，設備的故障帶有普遍性，基本接近設備的使用壽命，此階段稱損耗故障期，又稱衰減報廢期。

可見，故障率特性曲線實際上是描述設備從開始使用到退出使用的故障率隨時間變化而變化的規(guī)律，即描述設備從開始使用到退出使用的全部生命周期。

2 氣象裝備備件故障率分析

2009年開始，省大探中心由專人利用氣象器材物資供應軟件負責備件的出入庫登記，登記詳實。本文數(shù)據(jù)均來源于氣象器材物資供應軟件。筆者對2009-2017年全省國家級地面?zhèn)浼恼{(diào)撥數(shù)量、建站數(shù)量、建站年限等進行統(tǒng)計匯總后，計算得出故障率，如圖2所示。

通過圖2發(fā)現(xiàn)大部分備件故障率均呈現(xiàn)“浴盆”狀。貴州省老式自動氣象站建站約在2002年左右，設備故障率峰值基本都約在2010-2011年間。2012年貴州省啟動了新型自動氣象站的建設，故除風速傳感器故障率外，其余備件的故障率峰值之后呈現(xiàn)下降趨勢。風速傳感器由于新型自動氣象站與老式自動氣象站可通用，故其故障率在2014年出現(xiàn)了二次峰值。因此可粗略判斷出，貴州省老式自動氣象站在運行8-9年之后設備基本進入衰減報廢期，貴州省新型自動氣象站在運行1-2年之初設備尚處于磨合期，貴州省老式自動氣象站在運行3-7年之間設備均處于穩(wěn)定期。此判斷結論與中國氣象局綜合觀測司關于印發(fā)氣象專用技術裝備使用年限標準的通知[2]中規(guī)定新型自動氣象站使用年限為8年比較一致。

貴州省老式自動氣象站面臨著升級改造，在保障老式自動氣象站正常運行的基礎上，將適當增加新型自動氣象站備件的備份。每一種備件所服務的站數(shù)不同，每一類氣象觀測裝備建站時長不同，每一種備件的故障率分布不同等，如何實現(xiàn)在有限的經(jīng)費下合理的采購備件，用來保障氣象觀測裝備的正常運行。那么就迫切需要對所有在用備件的庫存儲備進行一個合理的規(guī)劃與設計。endprint

3 氣象觀測裝備庫存模式研究

氣象要素數(shù)據(jù)是氣象預報預警服務的基礎，只有氣象觀測裝備的正常運行，才能保障氣象要素數(shù)據(jù)的采集與傳輸。盡管隨著氣象觀測裝備制造水平的提高可縮短故障修復時間，但是故障能否及時修復往往依賴于故障件是否有備件庫存。對氣象觀測裝備備件進行合理的庫存儲備，不僅可提高庫存?zhèn)浼苻D率，還可以提高經(jīng)費有效使用率。

3.1 影響備件數(shù)量的因素

根據(jù)徐洪濤[3]研究發(fā)現(xiàn)，決定備件數(shù)量的主要因素有：設備數(shù)量、壽命、訂貨周期、性價比與使用頻率。結合氣象觀測裝備的實際情況，筆者認為影響備件庫存數(shù)量的因素有：①站數(shù)。各類備件服務的站數(shù)不同，將決定所需備份的備件的數(shù)量也不同。②故障率與建站時長。氣象觀測裝備的建站時長決定了氣象觀測裝備所處的不同階段。磨合期、穩(wěn)定期、衰減報廢期各個階段備件的故障率不同，進而影響備件的備份數(shù)量。③訂貨周期。目前備件從采購計劃的擬定到最終的到貨周期均不同。有些備件從簽訂合同到設備到貨可能僅需半個月，而有些備件從簽訂合同到設備到貨有可能需要半年以上。因此訂貨周期的長短也要在庫存儲備中考慮進去。

3.2 備件儲備模型的建立

為保障氣象觀測裝備的正常運行，貴州省備件倉庫儲備了10大類5萬以上的備件。有些備件從入庫到現(xiàn)在都未使用，有些氣象備件又呈現(xiàn)短缺。本文利用古典運籌學中的庫存公式即EOQ模型[4]，結合貴州省氣象觀測裝備備件的特殊性，對貴州省氣象觀測裝備備件的儲備模型進行了研究。

氣象觀測裝備在磨合期、穩(wěn)定期、衰減報廢期內(nèi)均會出現(xiàn)故障，因此必須儲備合理的備件，既保障了氣象觀測裝備的正常運行，又不至于大量備件積壓庫存。設某一類氣象觀測裝備備件的使用壽命為T，它的概率密度函數(shù)為f（t），此類氣象觀測裝備備件服務站數(shù)為N*。在氣象觀測裝備備件使用生命周期內(nèi)，該類氣象觀測裝備備件故障總數(shù)為n*= N*f（t）dt。即在氣象觀測裝備備件使用生命周期內(nèi)，應準備好備件數(shù)n*。

考慮氣象觀測裝備備件從簽訂采購合同到備件入庫有一個訂貨周期T0，設服務站數(shù)為N*的某一類氣象觀測裝備備件在訂貨之后廠家立即發(fā)出?，F(xiàn)在為t0時刻，那么在（t0，t0+T0）期間，備件還未到貨。那么這段時間的此類氣象觀測裝備備件存儲量為N0（t0）=N*■f（t）dt。即如果在t0時刻，此類氣象觀測裝備庫存?zhèn)浼镹0（t0），就需要對此類氣象觀測裝備備件進行庫存?zhèn)浞萘?。N0（t0）為該類氣象觀測裝備備件的最低庫存量。

3.3 備件故障率曲線擬合

本文第2章節(jié)對各類備件故障率進行了分析，大部分備件故障率呈現(xiàn)“浴盆”狀。上文對備件庫存存儲模型進行了研究，N0（t0）為某一類備件的最低庫存量。N0（t0）與f（t）緊密相關，筆者根據(jù)最小二乘法進行故障率曲線擬合得出某類備件的故障率擬合曲線。

2009-2016年間，ZQZ-CII型采集器、氣壓傳感器、溫濕度傳感器故障率曲線與時間t顯著相關，相關系數(shù)分別為0.73、0.52、0.67。ZQZ-TFS型風速傳感器、CAWS型采集器、CAWS型風向傳感器、CAWS型風速傳感器故障率曲線時間t低度相關，相關系數(shù)分別為0.35、0.39、0.48、0.36。地溫變送器、ZQZ-TFX型風向傳感器、CAWS型電源系統(tǒng)、CAWS型防雷系統(tǒng)、雨量傳感器、溫度傳感器等的故障率曲線與時間t微弱相關，相關系數(shù)在（0.1，0.3）之間。

根據(jù)氣象觀測裝備不同階段進行分階段故障率曲線擬合。氣象觀測裝備處于衰減報廢期：溫度傳感器、氣壓傳感器、溫濕度傳感器、風速傳感器、風向傳感器故障率曲線為f（t）=-at+b。其中t為建站時長，a，b為常數(shù)。相關系數(shù)均在0.9以上，屬于高度相關。采集器類與電源系統(tǒng)類故障率曲線為f（t）=-at2+bt+c其中t為建站時長，a，b，c為常數(shù)。相關系數(shù)均在0.9以上，屬于高度相關。氣象觀測裝備處于磨合期：風向傳感器、溫濕度傳感器、溫度傳感器故障率曲線為f（t）=-at+b。其中t為建站時長，a，b為常數(shù)。相關系數(shù)均在0.5以上，屬于顯著相關。風速傳感器、氣壓傳感器故障率曲線為f（t）=-at2+bt+c其中t為建站時長，a，b，c為常數(shù)。相關系數(shù)均在0.5以上，屬于顯著相關。由于貴州省暫無氣象觀測裝備處于穩(wěn)定期的數(shù)據(jù)，故本文暫未分析。通過對比發(fā)現(xiàn)：同一備件在磨合期、穩(wěn)定期、衰減報廢期下，其故障率曲線分布也不盡相同。

4 小結

本文通過對氣象觀測裝備備件故障率進行分析發(fā)現(xiàn)：大部分備件故障率曲線呈現(xiàn)“浴盆”狀。利用EOQ模型結合貴州省備件實際情況得出，備件的最低庫存量與其故障率緊密相關。筆者對不同備件在磨合期、穩(wěn)定期、衰減報廢期下的故障率曲線進行了分析，發(fā)現(xiàn)即使相同的備件在不同階段其故障率曲線分布也不盡相同。

參考文獻：

[1]謝建東.張穗暉.設備壽命周期的系統(tǒng)管理維護和故障診斷[J].中國有限電視，2014（12）：93-96.

[2]中國氣象局綜合觀測司.中國氣象局綜合觀測司關于印發(fā)氣象專用技術裝備使用年限標準的通知[Z].2017-4-20.

[3]徐洪濤.備品備件管理方法的探討——論LNG企業(yè)備品備件采購及日常管理[J].科技與企業(yè)，2015（11）：17.

[4]何偉國.角淑媛.壽命的可靠性綜述（三）—故障更新信息的匯總、分析、改進系統(tǒng)及維修策略[J].質(zhì)量與可靠性，2011（4）：3-7.endprint