裝備器材需求分析與預(yù)測(cè)方法

王鐵寧，李 浩，劉旭陽(yáng)

（陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100072）

0 引言

自海灣戰(zhàn)爭(zhēng)以來(lái)，高技術(shù)條件下的局部戰(zhàn)爭(zhēng)逐漸成為戰(zhàn)爭(zhēng)的主要形式，伴隨戰(zhàn)場(chǎng)透明度的不斷增加，部隊(duì)面臨的威脅顯著增多，對(duì)裝備保障力量的要求越來(lái)越高，器材保障作為裝備保障的關(guān)鍵組成，是維系裝備戰(zhàn)斗能力的重要基礎(chǔ)。伴隨“平戰(zhàn)一體化”的持續(xù)推進(jìn)，戰(zhàn)時(shí)器材保障能力的生成、力量的運(yùn)用與平時(shí)裝備器材管理活動(dòng)日趨密切，而器材需求確定是器材籌措、供應(yīng)、儲(chǔ)存與運(yùn)輸?shù)裙芾砉ぷ鞯幕A(chǔ)，是影響器材管理效益的重要因素。

針對(duì)器材需求確定的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究，逐漸發(fā)展、形成3種主要的需求預(yù)測(cè)、確定方法：基于歷史數(shù)據(jù)的器材需求預(yù)測(cè)、基于維修的器材需求預(yù)測(cè)、維修與器材的聯(lián)合優(yōu)化。3種需求確定方法，從割裂維修保障與器材保障的關(guān)聯(lián)，發(fā)展到以維修為主，進(jìn)而統(tǒng)籌維修與器材相互影響，但針對(duì)現(xiàn)階段而言，現(xiàn)有研究的工程實(shí)踐應(yīng)用效益卻未得到有效提升，因而在一定程度上削弱了其理論指導(dǎo)價(jià)值，且針對(duì)器材需求確定方法研究的分布，并未伴隨其發(fā)展趨勢(shì)，呈現(xiàn)明顯的側(cè)重，仍相對(duì)寬泛。

依據(jù)使用性質(zhì)，裝備器材可區(qū)分為周轉(zhuǎn)器材與戰(zhàn)備器材兩類，限于篇幅，本文僅針對(duì)周轉(zhuǎn)器材需求確定方法進(jìn)行綜述，且根據(jù)周轉(zhuǎn)器材供應(yīng)時(shí)機(jī)的不同，可進(jìn)一步區(qū)分周轉(zhuǎn)器材需求確定過(guò)程為初始周轉(zhuǎn)器材（簡(jiǎn)稱初始器材）需求分析與后續(xù)周轉(zhuǎn)器材（簡(jiǎn)稱后續(xù)器材）需求預(yù)測(cè)、調(diào)整兩個(gè)階段。

因此，確定本文綜述對(duì)象為初始器材與后續(xù)器材，對(duì)其需求分析與預(yù)測(cè)過(guò)程所涉及方法進(jìn)行總結(jié)、分析，并在此基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)工程的角度，統(tǒng)籌考慮軍用裝備維修保障與器材保障的相互影響，探討下一步研究的重點(diǎn)與趨勢(shì)。

1 初始器材需求分析方法

裝備戰(zhàn)斗力生成為相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，新型裝備列裝部隊(duì)后相當(dāng)長(zhǎng)的階段內(nèi)，尚不能形成有效的裝備保障能力以滿足其需求，主要依靠器材生產(chǎn)廠商或總裝廠商進(jìn)行保障，進(jìn)而產(chǎn)生初始器材需求。

鑒于裝備研制過(guò)程的連續(xù)性，以已經(jīng)形成裝備保障能力的相似裝備、系統(tǒng)甚至部件的器材需求規(guī)律為背景的經(jīng)驗(yàn)法，相對(duì)增加了新型列裝裝備初始器材需求分析過(guò)程的合理性與有效性；但伴隨高新裝備的大批量列裝，經(jīng)驗(yàn)分析法針對(duì)性不足、準(zhǔn)確性較低的弊端愈發(fā)明顯，亟需初始器材需求分析理論的發(fā)展。針對(duì)新研艦艇的隨艦備件需求，文獻(xiàn)［1］在現(xiàn)有備件數(shù)量計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，分別建立了基于經(jīng)濟(jì)性和任務(wù)成功性的備件需求量數(shù)學(xué)計(jì)算模型，提高了初始器材需求確定的科學(xué)性，但該方法并未從根本上闡述初始器材種類的確定方法。

鑒于軍用裝備相對(duì)特殊的動(dòng)用方式與保障體制、機(jī)制，器材需求種類、數(shù)量的確定過(guò)程涉及因素相對(duì)較多，但裝備維修需求是器材需求產(chǎn)生的直接原因，文獻(xiàn)［2］通過(guò)對(duì)裝備的所有維修項(xiàng)目進(jìn)行分配，并分析各維修項(xiàng)目中所需的備件，進(jìn)而確定裝備維修所需備件的品種。

伴隨科技的進(jìn)步，裝備保障滯后于研制階段的觀念逐漸被摒棄，裝備保障性分析逐漸被接受：文獻(xiàn)［3］通過(guò)對(duì)《故障模式影響與危害性分析》、《修理級(jí)別分析和使用》與《維修工作分析》的研究，論述了新研裝備的修復(fù)性維修備件品種確定方法；結(jié)合《故障模式、影響及危害性分析程序》、《修理級(jí)別分析》及《備件供應(yīng)規(guī)劃要求》等國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)，文獻(xiàn)［4］對(duì)保障性分析法存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析并提出了建議。

保障性分析法為相對(duì)系統(tǒng)的分析方法，其結(jié)合裝備的設(shè)計(jì)屬性，以理論情況下的裝備保障能力建設(shè)為基礎(chǔ)，是相對(duì)有效的初始器材需求分析方法。

2 后續(xù)器材需求預(yù)測(cè)方法

現(xiàn)有研究的切入角度多樣，但裝備維修是器材需求產(chǎn)生的直接原因，且為便于總結(jié)與分析，依據(jù)是否直接涉及維修要素，對(duì)其進(jìn)行劃分。

2.1 涉及維修要素

裝備維修要素，包括維修體系、維修能力、維修策略、維修方式等；依據(jù)器材的修復(fù)屬性，可將其區(qū)分為消耗品、不可修復(fù)器材與可修復(fù)器材，但由于消耗品屬于日常耗材，一般采用使用單位自行保障的方式，且其采購(gòu)渠道相對(duì)廣泛，故其需求的滿足相對(duì)容易，下面針對(duì)不可修復(fù)器材、可修復(fù)器材與未區(qū)分修復(fù)屬性的器材需求確定過(guò)程進(jìn)行綜述。

2.1.1 不可修復(fù)器材的需求預(yù)測(cè)方法

不可修復(fù)器材不具備修復(fù)的價(jià)值，在儲(chǔ)備相對(duì)充足的前提下，結(jié)合換件維修方式，實(shí)現(xiàn)部組件、系統(tǒng)功能的恢復(fù)，文獻(xiàn)［5］將維修數(shù)據(jù)信息融入備件需求預(yù)測(cè)方法，構(gòu)建了針對(duì)換件維修的兩步法理論，提高了器材需求預(yù)測(cè)的科學(xué)性。換件維修方式既可以作為事后維修策略的維修選擇，又可作為預(yù)防性維修策略的維修選擇，而事后維修與預(yù)防性維修相結(jié)合的策略是相對(duì)復(fù)雜裝備所普遍采用的維修策略。針對(duì)傳統(tǒng)備件需求量計(jì)算模型未考慮預(yù)防性維修需求的問(wèn)題和不足，文獻(xiàn)［6］以工齡更換維修策略為例，建立考慮預(yù)防性維修、針對(duì)任意周期長(zhǎng)度的備件需求量計(jì)算模型，并提出基于離散法的模型求解方法；文獻(xiàn)［7］同時(shí)考慮了隨機(jī)失效部件的更換需求和預(yù)防性維修時(shí)隱患部件的更換需求，以等周期預(yù)防維修為背景，應(yīng)用概率理論，建立了指數(shù)壽命型部件的備件需求模型，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了訂貨策略。

但伴隨高新裝備的大批量裝備部隊(duì)，事后維修引起的“維修不足”與預(yù)防性維修引起的“維修過(guò)?！眴?wèn)題日益凸顯，在很大程度上影響了裝備保障的效益，推動(dòng)了預(yù)測(cè)性維修理論的發(fā)展，其技術(shù)應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣，文獻(xiàn)［8］結(jié)合視情維護(hù)策略，以周期檢測(cè)為背景，建立兩階段退化的單部件不可修系統(tǒng)的退化模型，并優(yōu)化了其備件訂購(gòu)策略。現(xiàn)有文獻(xiàn)的研究對(duì)象均相對(duì)簡(jiǎn)單，且無(wú)維修保障層級(jí)、器材保障方式的考慮，需在下一階段著重加強(qiáng)研究。

2.1.2 可修復(fù)器材的需求預(yù)測(cè)方法

相對(duì)于不可修復(fù)器材，可修復(fù)器材既可與換件維修方式相結(jié)合，又可與原件修復(fù)方式相結(jié)合，故對(duì)維修能力的要求更高，應(yīng)充分考慮維修能力的限制。文獻(xiàn)［9］充分考慮了維修能力的限制，并結(jié)合排隊(duì)理論，實(shí)現(xiàn)了Palm定理和Metric理論由“無(wú)限渠道排隊(duì)”向“有限維修渠道”的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)了艦載機(jī)可修復(fù)件的優(yōu)化配置，此方法更加貼近應(yīng)用實(shí)際，在一定程度上提升了其實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值。

維修策略確定的多樣性，以及在此基礎(chǔ)上維修方式選取的靈活性，在一定程度上加大了可修復(fù)維修器材需求的難度，需緊密結(jié)合具體維修策略及相關(guān)約束，確定其需求。文獻(xiàn)［10］考慮了不串件拼修和串件拼修兩種情況，文獻(xiàn)［11］考慮了最小維修的可能性，并在其基礎(chǔ)上，分析了可修復(fù)裝備備件數(shù)量的優(yōu)化配置問(wèn)題；文獻(xiàn)［12］在考慮確定的維修時(shí)間和非完美維修效果的基礎(chǔ)上，分析了維修能力與維修策略、庫(kù)存策略之間的權(quán)衡關(guān)系，建立了針對(duì)可修復(fù)雜關(guān)鍵組件的周期性視情更換式維修與連續(xù)檢查的（S，s）備件訂購(gòu)聯(lián)合優(yōu)化策略；針對(duì)可修復(fù)備件倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)，文獻(xiàn)［13］將橫向庫(kù)存調(diào)整和庫(kù)存預(yù)分配作為預(yù)防庫(kù)存滯留的資產(chǎn)均衡手段，構(gòu)建了面向使用現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)需求變化的雙線程Monte Carlo模型；裝備使用可用度是衡量裝備管理質(zhì)量的重要指標(biāo)，文獻(xiàn)［14］從研究航材備件需求率出發(fā)，考慮了飛機(jī)維修、供應(yīng)以及行政延誤時(shí)間，并結(jié)合經(jīng)費(fèi)約束，提出了基于使用可用度的航材可修備件管理預(yù)測(cè)模型。維修策略不同，其器材需求也不相同，故應(yīng)充分考慮任務(wù)想定、保障能力約束等因素，合理確定維修策略。

器材的構(gòu)成、屬性不同，其儲(chǔ)存要求也不相同，庫(kù)存條件達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，便會(huì)引起器材儲(chǔ)存期內(nèi)的實(shí)效，文獻(xiàn)［15］考慮了儲(chǔ)備期間發(fā)生故障的可能性，利用備件可靠性框圖方法，建立單可修復(fù)件、多可修復(fù)件的備件需求計(jì)算模型，解決了備件考慮儲(chǔ)備期間故障的實(shí)際需求?？尚迯?fù)器材儲(chǔ)存期間失效可能性的考慮，為不可修復(fù)器材失效可能性的考慮，提供了有益借鑒，在此基礎(chǔ)上器材需求的確定過(guò)程，更加符合應(yīng)用實(shí)際。

2.1.3 未區(qū)分修復(fù)屬性的器材需求預(yù)測(cè)方法

為便于描述，規(guī)定統(tǒng)籌考慮器材修復(fù)屬性，或未考慮器材修復(fù)屬性的器材需求確定過(guò)程，統(tǒng)稱未區(qū)分器材修復(fù)屬性的器材需求確定過(guò)程。

1）統(tǒng)籌考慮器材修復(fù)屬性的器材需求預(yù)測(cè)方法

統(tǒng)籌考慮器材修復(fù)屬性的研究，需充分考慮可修復(fù)器材需求以及不可修復(fù)器材需求確定過(guò)程，所涉及的因素較多，過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，文獻(xiàn)［16］統(tǒng)籌考慮了耗損型與修復(fù)類型備件的確定過(guò)程，通過(guò)符合備件可靠性和維修性仿真模型的構(gòu)建，確定了其在特定工作條件下備件的需求率；DE SMIDT-DESTOMBES K S 等［17-20］在分析裝備維修與備件需求關(guān)系的基礎(chǔ)上，以可用度為約束，具體研究了離散劣化狀態(tài)下單個(gè)N中取k系統(tǒng)的視情維修和多個(gè)N中取k系統(tǒng)的成批更換問(wèn)題。統(tǒng)籌考慮器材修復(fù)屬性的研究，可以通過(guò)可修復(fù)器材與不可修復(fù)器材的比對(duì)性研究，能更加清晰地明確器材需求的不同，但往往因素研究對(duì)象的針對(duì)性不強(qiáng)，弱化了研究的深度。

2）未考慮器材修復(fù)屬性的器材需求預(yù)測(cè)方法

部件的壽命分布形式，大致可分為泊松分布、正態(tài)分布與威布爾分布等形式，部分文獻(xiàn)正是以此為基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)其器材需求：針對(duì)利用指數(shù)算法確定Weibull型多部件需求量過(guò)于保守、容易造成浪費(fèi)的問(wèn)題，文獻(xiàn)［21］根據(jù)“累積失效概率相等”原則，通過(guò)Weibull型與指數(shù)型備件在保障時(shí)間內(nèi)期望累積故障次數(shù)相等的關(guān)系，提出了一種改進(jìn)的指數(shù)確定算法；針對(duì)現(xiàn)有備件消耗數(shù)量不能反映設(shè)備實(shí)際故障情況的現(xiàn)狀，結(jié)合航空裝備的六種故障特性，文獻(xiàn)［22］引入非齊次泊松過(guò)程，用以解決航空備件需求和預(yù)測(cè)問(wèn)題。以部件壽命分布為基礎(chǔ)的器材需求預(yù)測(cè)，應(yīng)以相對(duì)規(guī)模的數(shù)據(jù)積累為基礎(chǔ)，且對(duì)研究對(duì)象的背景約束相對(duì)嚴(yán)格，故其準(zhǔn)確性相對(duì)不足。

相關(guān)任務(wù)背景描述下的器材配置過(guò)程，相對(duì)減少了器材配置過(guò)程的不確定因素，在一定程度上提高了器材需求確定的準(zhǔn)確程度，文獻(xiàn)［23］分析了面向任務(wù)保障性工程理論指導(dǎo)下的艦船隨艦備件配置問(wèn)題，明確了任務(wù)與備件配置之間的關(guān)系，并規(guī)定了最大、最小兩種維修策略的應(yīng)用時(shí)機(jī)；區(qū)別于以可用度或可靠性為中心的預(yù)防性維修備件需求量的確定方式，文獻(xiàn)［24］以修復(fù)性維修和預(yù)防性維修總費(fèi)用為約束條件，優(yōu)化了備件更換間隔期，并以此為基礎(chǔ)，確定備件需求量。

2.2 未涉及維修要素

相當(dāng)一部分文獻(xiàn)，并未直接涉及維修要素，但其研究的切入角度，為裝備器材需求的預(yù)測(cè)與確定過(guò)程的優(yōu)化，提供了相對(duì)有價(jià)值的參考。

2.2.1 面向器材歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)方法

1）傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法

相對(duì)規(guī)模的器材歷史數(shù)據(jù)積累以及周期性器材需求間相對(duì)平緩且具有一定關(guān)聯(lián)性的變化，是面向器材歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)方法應(yīng)用的前提，此類方法相對(duì)簡(jiǎn)單，但實(shí)用性較強(qiáng)，應(yīng)用較為廣泛的方法包括指數(shù)平滑法［25］、簡(jiǎn)單移動(dòng)平均法［26］、支持向量機(jī)法［27］等。

2）面向間斷性歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)方法

較早用于歸納間斷型歷史數(shù)據(jù)規(guī)律、預(yù)測(cè)器材需求的方法是Croston法［28］，其區(qū)分器材需求產(chǎn)生的時(shí)間與需求量的確定為兩個(gè)相對(duì)對(duì)立的階段，且均采用指數(shù)平滑法進(jìn)行預(yù)測(cè)，并在此基礎(chǔ)上，用后者與前者的比率來(lái)估算每單位周期內(nèi)的平均需求；Syntetos and Boylan不僅證明了Croston法是一種有偏估計(jì)法［29］，并且設(shè)計(jì)了 SBA 估計(jì)法［30］，實(shí)現(xiàn)了其偏差的糾正；Teunter等［31］在充分考慮器材儲(chǔ)存期間失效可能性的背景下，修正了Croston法。

現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的另一種預(yù)測(cè)方法是由Efron開(kāi)發(fā)的 Bootstrapping法［32］，后來(lái)，Willemain等［33］、Hua 等［34］、Porras and Dekker［35］、Teunter and Duncan［36］和 Zhou and Viswanathan［37］分別對(duì)其進(jìn)行了針對(duì)性改進(jìn)，提高了其適用性。

2.2.2 面向不完整知識(shí)的器材需求預(yù)測(cè)方法

由于器材需求確定過(guò)程所涉及定量、定性因素較多，且部分因素難以準(zhǔn)確描述，故器材需求確定過(guò)程所需信息呈現(xiàn)不完整性。文獻(xiàn)［38］將艦艇隨行備件庫(kù)存管理系統(tǒng)定義為有冗余度的單級(jí)定期補(bǔ)給模型，提出了基于灰集的備件需求計(jì)算方法，根據(jù)需求分布的雙隸屬度函數(shù)備件的期望短缺數(shù)，采用邊際分析法以裝備完好率作為主要目標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化。

3 器材需求分析與預(yù)測(cè)方法研究展望

現(xiàn)有的研究工作，促進(jìn)了初始裝備器材需求分析與后續(xù)器材預(yù)測(cè)工作的發(fā)展，特別是保障性分析法的應(yīng)用，為初始器材需求分析的合理性與有效性奠定了基礎(chǔ)；但后續(xù)器材的預(yù)測(cè)過(guò)程仍存在一定的問(wèn)題，以提高后續(xù)器材需求預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性為目標(biāo)的器材需求分析與預(yù)測(cè)方法的研究，還需在許多方面展開(kāi)進(jìn)一步研究。

3.1 器材需求分析與預(yù)測(cè)過(guò)程將更充分地考慮維修因素

如前所述，維修是器材需求產(chǎn)生的直接原因，為提升器材需求分析與預(yù)測(cè)過(guò)程的科學(xué)性及準(zhǔn)確性，需更加合理、有效地描述維修因素，充分考慮裝備維修與器材管理的相互影響，統(tǒng)籌裝備維修保障體制、維修保障任務(wù)分工、維修能力約束、維修方式與維修策略選擇、器材儲(chǔ)存分布、供應(yīng)方式組合等因素，預(yù)測(cè)后續(xù)器材需求，進(jìn)一步提升其科學(xué)性與準(zhǔn)確性。

事后維修引起的“維修不足”與預(yù)防性維修引起的“維修過(guò)?！?，逐漸成為阻礙裝備維修保障效益提升的瓶頸，伴隨高新科技在裝備維修保障中的應(yīng)用，預(yù)測(cè)性維修的方式逐步得到應(yīng)用，不僅提升了維修保障的效益，而且提高了器材需求預(yù)測(cè)的精度，降低了器材庫(kù)存積壓的可能性。統(tǒng)籌事后維修、預(yù)防性維修與預(yù)測(cè)性維修的方式，并以此為基礎(chǔ)，確定裝備器材需求成為下步的研究熱點(diǎn)之一。

3.2 器材需求分析與預(yù)測(cè)將更多面向動(dòng)態(tài)、短期、任務(wù)型分析預(yù)測(cè)過(guò)程

軍用裝備的集團(tuán)屬性、相對(duì)特殊的裝備保障體制、機(jī)制等因素，影響了器材需求分析與預(yù)測(cè)過(guò)程的確定性，且由于器材籌措、供應(yīng)的時(shí)間跨度相對(duì)較長(zhǎng)，進(jìn)一步增加了其不確定性，故下一步的器材需求預(yù)測(cè)過(guò)程，將更多地面向動(dòng)態(tài)、短期與任務(wù)型過(guò)程，從而明確需求預(yù)測(cè)背景與約束、壓縮預(yù)測(cè)面向過(guò)程的時(shí)域，從根本上提高器材需求分析、預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，但器材保障工作為相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，動(dòng)態(tài)、短期、任務(wù)型的器材需求預(yù)測(cè)，需統(tǒng)籌器材籌措、儲(chǔ)備、供應(yīng)過(guò)程。

3.3 開(kāi)展面向初始器材需求與后續(xù)器材需求銜接段的器材需求確定的研究

目前的研究，多割裂初始器材需求分析與后續(xù)器材需求預(yù)測(cè)的研究過(guò)程，而裝備保障能力的生成過(guò)程，為相對(duì)系統(tǒng)的工程，需統(tǒng)籌考慮裝備動(dòng)用、裝備維修以及裝備器材保障等子環(huán)節(jié)，涉及裝備動(dòng)用計(jì)劃、送修計(jì)劃、維修設(shè)備設(shè)施配置、維修人員培訓(xùn)、維修策略選擇、庫(kù)存結(jié)構(gòu)調(diào)整、供應(yīng)方式確定等一系列工作，故其時(shí)間跨度相對(duì)較長(zhǎng)，而此階段器材需求確定的準(zhǔn)確程度，不僅影響了新型裝備戰(zhàn)斗力的生成與維系，而且在一定程度上影響到后續(xù)的器材需求確定過(guò)程，故應(yīng)統(tǒng)籌考慮初始器材需求分析與后續(xù)器材需求預(yù)測(cè)過(guò)程，具體研究面向銜接段的器材需求分析與預(yù)測(cè)過(guò)程，從而提高裝備全壽命管理過(guò)程中器材需求預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，在一定程度上降低器材庫(kù)存積壓的可能性，提升器材管理的效益。

4 結(jié)論

通過(guò)綜述國(guó)內(nèi)外初始器材需求分析、后續(xù)器材需求預(yù)測(cè)研究的進(jìn)展，探討了其理論研究的發(fā)展方向，明晰了其研究重點(diǎn)，為初始器材需求分析的科學(xué)性、后續(xù)器材需求預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的提升提供了理論支撐，對(duì)“平戰(zhàn)一體化”背景下平時(shí)器材管理模式的優(yōu)化，提供了相對(duì)有益的借鑒，為裝備器材管理效益的提高奠定了理論基礎(chǔ)。

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