裝備維修保障資源配置優(yōu)化研究綜述

高穎杰，曹繼平，雷 寧，王清曉

(火箭軍工程大學(xué) 作戰(zhàn)保障學(xué)院，陜西 西安 710025)

隨著科技水平進(jìn)步，裝備向信息化、智能化方向大力發(fā)展，結(jié)構(gòu)組成更加復(fù)雜、涉及領(lǐng)域更加廣泛，裝備的使用方式、損壞機(jī)理、故障規(guī)律和保障特點(diǎn)都發(fā)生了深刻變化，及時(shí)修復(fù)故障裝備對(duì)部隊(duì)完成戰(zhàn)斗任務(wù)至關(guān)重要。當(dāng)前部隊(duì)各級(jí)維修機(jī)構(gòu)維修資源配置不足及過剩的問題同時(shí)存在，因此，了解維修保障資源需求的規(guī)律，做好資源需求預(yù)測(cè)及配置優(yōu)化，對(duì)裝備可用度保持和裝備壽命周期費(fèi)用控制影響重大。

1 裝備維修保障資源配置的目標(biāo)

維修保障資源，根據(jù)《中國(guó)人民解放軍軍語》(2011年版)定義，是“可用于維修保障的人力、物力、財(cái)力、信息等資源的統(tǒng)稱”。該定義包括了維修保障過程的相關(guān)要素，比較全面?！熬S修保障資源配置”可理解為靜態(tài)，指資源分配后的結(jié)果和表現(xiàn)形式；也可理解為動(dòng)態(tài)，指為達(dá)到保障要求，對(duì)資源進(jìn)行籌措分派的過程。

2 優(yōu)化研究現(xiàn)狀

關(guān)于裝備維修保障資源配置優(yōu)化研究，國(guó)外始于上世紀(jì)60年代，研究成果已形成一套完整的理論體系[1-4]。我軍于上世紀(jì)80年代開展相關(guān)研究，取得了一些成果，當(dāng)前新形勢(shì)下，武器裝備無論是數(shù)量、種類、型號(hào)等都快速增加，特點(diǎn)呈現(xiàn)系統(tǒng)化、信息化、智能化、集成化，對(duì)裝備維修保障資源配置的要求也更趨于“適時(shí)、適地、適量”，相關(guān)研究逐漸增多，主要包括如下方面。

2.1 裝備維修人力優(yōu)化

裝備操作使用與維護(hù)排故都需要人的參與，人員是維修保障能力的核心。配發(fā)給基層部隊(duì)的裝備，在使用中會(huì)產(chǎn)生故障，如果沒有專業(yè)修理人員進(jìn)行維修保障，那么裝備就不能發(fā)揮應(yīng)有的效能。維修人力資源配置優(yōu)化，使用較多的方法有以下3種。

2.1.1 維修工作分析法

維修工作分析法以維修視角將任務(wù)分解為不同階段，得出裝備使用環(huán)境、使用方式和使用時(shí)間等參數(shù)，結(jié)合以可靠性為中心的維修分析(Reliability Centered Maintenance Analysis，RCMA)和修理級(jí)別分析(Level Of Repair Analysis，LORA)方法分析得到裝備維修需求，根據(jù)維修程序?qū)⒕S修需求轉(zhuǎn)變?yōu)榫S修工序，之后分析每一工序?qū)S修人員的需求，整合后就得到整個(gè)任務(wù)對(duì)維修人員的需求。文獻(xiàn)[5]采用導(dǎo)彈使用與維修任務(wù)分析方法，將裝備的使用與維護(hù)活動(dòng)分解為流程步驟，通過整合各步驟維修資源需求，完成了導(dǎo)彈維修資源需求的預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[6]針對(duì)部隊(duì)任務(wù)背景，通過維修任務(wù)分解建立了維修人員工時(shí)矩陣，以維修工單位時(shí)間費(fèi)耗為約束，總費(fèi)耗最低為優(yōu)化目標(biāo)建模，求解得出維修人員配備的可接受次優(yōu)解。維修工作分析法計(jì)算人員數(shù)量確定精度較高，但任務(wù)分析過程龐大復(fù)雜，且參數(shù)指標(biāo)大多以全年維修量為單位，未考慮人員編組情況及維修任務(wù)的隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)性。

2.1.2 排隊(duì)論法

排隊(duì)論(Queuing Theory)，在運(yùn)籌學(xué)中是一項(xiàng)重要的分析方法，當(dāng)裝備出現(xiàn)故障需要維修時(shí)，到達(dá)維修場(chǎng)所的時(shí)間是隨機(jī)的，所以維修服務(wù)需求是一個(gè)隨機(jī)過程，因而可以用排隊(duì)論法確定維修資源需求，使所需費(fèi)用最小或某些指標(biāo)最優(yōu)。文獻(xiàn)[7]采用排隊(duì)論方法，以平均等待時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)建立了求解模型。文獻(xiàn)[8]、[9]采用排隊(duì)論的方法，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室人員需求規(guī)劃和軟件維護(hù)人員需求預(yù)測(cè)?；谂抨?duì)論的方法，要求裝備出現(xiàn)故障的多少與起始時(shí)間無關(guān)，而與統(tǒng)計(jì)時(shí)間段有關(guān)。但對(duì)于預(yù)防性維修，由于故障規(guī)律不符合前提條件，所以不能用排隊(duì)論法確定。

2.1.3 最小維修單元法

最小維修單元就是指能獨(dú)自完成給予維修任務(wù)的最簡(jiǎn)資源組合，主要包括修理人員、維修設(shè)備和工具、材料和備件等[10]。該方法通過分析完成維修任務(wù)對(duì)最小維修單元的需求數(shù)量，進(jìn)而得出維修所需的修理工數(shù)量。文獻(xiàn)[11]基于最小維修單元，構(gòu)建了維修人員預(yù)測(cè)算法。文獻(xiàn)[12]基于最小維修單元法，區(qū)分維修人員專業(yè),建立了人員需求預(yù)測(cè)方法模型。但該方法在確定最小維修單元配置上，需結(jié)合不同任務(wù)內(nèi)容與不同裝備特點(diǎn)來分別建模，通用性不強(qiáng)。

2.2 裝備維修物力優(yōu)化

裝備維修保障物力資源主要指維修器材及維修場(chǎng)地、設(shè)備和材料等[13]。關(guān)于維修設(shè)備配置的優(yōu)化，主要以設(shè)備平均滿足率為優(yōu)化目標(biāo)，以設(shè)備利用率、設(shè)備運(yùn)維費(fèi)和設(shè)備規(guī)模等為約束條件[14]，運(yùn)用Petri網(wǎng)[15]、排隊(duì)論[16]等理論進(jìn)行建模，采用遺傳算法、粒子群算法等智能算法[17]及組合算法等進(jìn)行求解，得出維修保障設(shè)備的最佳配置方案。

備件是維修器材的一部分，另外還包括工具和附品。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，備件消耗經(jīng)費(fèi)占到裝備保障總經(jīng)費(fèi)的1/3左右，開展備件配置的優(yōu)化研究很有意義，研究主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。

一是備件需求預(yù)測(cè)。通過優(yōu)化精準(zhǔn)預(yù)測(cè)備件種類和數(shù)量需求，為合理分配打下基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[18]兼顧備件需求和修理組件類型，提出了使用零件維修信息來預(yù)測(cè)備件需求的兩步法模型。文獻(xiàn)[19]對(duì)粗糙集理論進(jìn)行改進(jìn)后提出了變精度粗糙集，并利用該理論構(gòu)建了基于戰(zhàn)時(shí)的裝備維修保障資源配置優(yōu)化模型，對(duì)不同精度條件下的多資源點(diǎn)、多需求點(diǎn)下的維修資源進(jìn)行配置和優(yōu)化。文獻(xiàn)[20]提出了一種結(jié)合了信息標(biāo)準(zhǔn)、回歸建模和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混合備件需求預(yù)測(cè)方法。

二是資源點(diǎn)設(shè)置。通過對(duì)資源儲(chǔ)備點(diǎn)的數(shù)量及點(diǎn)位部署進(jìn)行優(yōu)化，使裝備維修備件獲得效率最高。文獻(xiàn)[21]運(yùn)用物流場(chǎng)理論的思想與方法，建立了車輛裝備維修器材的戰(zhàn)備儲(chǔ)備布局優(yōu)化評(píng)價(jià)模型，為資源點(diǎn)位設(shè)置提供了可選方法。文獻(xiàn)[22]提出了一種基于魯棒優(yōu)化的維修器材倉(cāng)庫選址模型，有效避免了參數(shù)擾動(dòng)的影響。

三是庫存調(diào)控。通過調(diào)整備件庫存種類數(shù)量，優(yōu)化備件補(bǔ)充及出庫模式，從而減少庫存運(yùn)行費(fèi)，縮短響應(yīng)時(shí)間。文獻(xiàn)[23]提出了基于均勻交叉遺傳算法的多產(chǎn)品庫存優(yōu)化模型。當(dāng)前維修保障體制逐步由三級(jí)向兩級(jí)發(fā)展，文獻(xiàn)[24]基于虛擬庫存理論建立兩級(jí)庫存模型，提高了備件庫存控制度并縮減了管理經(jīng)費(fèi)。文獻(xiàn)[25]基于多屬性分類方法構(gòu)建庫存策略矩陣，確定備件最佳調(diào)控策略。

裝備維修保障物力資源配置優(yōu)化，主要是基于裝備可用度、資源數(shù)量、所需經(jīng)費(fèi)等約束條件進(jìn)行建模，采用智能算法優(yōu)化，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證模型可用性，從而完成對(duì)裝備維修物力資源配置的優(yōu)化。

2.3 裝備維修經(jīng)費(fèi)優(yōu)化

裝備維修保障經(jīng)費(fèi)是部隊(duì)保持裝備完好性、確保裝備效能發(fā)揮不可或缺的支出，但經(jīng)費(fèi)不是無限的，為提高裝備維修保障經(jīng)費(fèi)的使用成效，需對(duì)裝備維修經(jīng)費(fèi)配置進(jìn)行優(yōu)化。近年經(jīng)費(fèi)配置優(yōu)化的研究主要在經(jīng)費(fèi)預(yù)測(cè)和分配兩方面，優(yōu)化目標(biāo)有兩個(gè)，一是相等費(fèi)用情況下裝備維修效能最大，二是相等效能情況下裝備維修費(fèi)最小[26]。文獻(xiàn)[27]在裝甲裝備基層級(jí)維修經(jīng)費(fèi)需求預(yù)測(cè)上，突出主要影響因子構(gòu)建出模型，指導(dǎo)基層級(jí)經(jīng)費(fèi)配置。文獻(xiàn)[28]采用數(shù)據(jù)挖掘相關(guān)技術(shù)，構(gòu)建出艦船裝備維修經(jīng)費(fèi)的預(yù)測(cè)模型。當(dāng)前關(guān)于維修經(jīng)費(fèi)配置優(yōu)化的研究還比較少，需要進(jìn)一步的深入。

2.4 裝備維修信息優(yōu)化

維修保障信息資源是指在裝備維修工作中產(chǎn)生的所有信息資源和信息活動(dòng)的總和，能充分反映維修過程中的狀態(tài)和特征[29]。當(dāng)前裝備機(jī)關(guān)對(duì)維修分隊(duì)維修能力、資源底數(shù)不清楚，維修分隊(duì)對(duì)維修需求不掌握的難題依然存在。通過維修保障信息化體系設(shè)計(jì)、維修信息規(guī)范化采集以及信息資源智能化運(yùn)用技術(shù)的研究，可以實(shí)現(xiàn)維修保障信息資源充分共享，縮短維修感知與響應(yīng)時(shí)間，提高裝備維修保障效率。文獻(xiàn)[30]基于遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)和E-維修理論對(duì)海軍導(dǎo)彈維修關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[31]對(duì)裝備維修信息資源采集與管理方面的問題進(jìn)行分析，并提出解決策略。文獻(xiàn)[32]通過對(duì)海量維修信息進(jìn)行分析并分類重組，有效去除了數(shù)據(jù)冗余，提高了裝備維修效率。隨著信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展以及大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、3D打印和人工智能的廣泛運(yùn)用，裝備維修領(lǐng)域的信息資源管理與運(yùn)用將會(huì)明顯提升。

3 優(yōu)化研究存在問題

通過文獻(xiàn)分析，當(dāng)前裝備維修保障資源配置優(yōu)化研究存在以下問題：

一是配置優(yōu)化研究不平衡。一方面，基于人力、物力資源配置優(yōu)化的研究較多，對(duì)經(jīng)費(fèi)與信息資源優(yōu)化的研究較少。例如新式裝備信息化程度高，由裝備系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件缺陷和錯(cuò)誤引起的裝備故障越來越多，這類故障不是僅更換備件就能排除的，必需加強(qiáng)裝備維修信息化方面的研究。另一方面，基于考慮某一個(gè)或幾個(gè)因素影響的配置優(yōu)化研究多，而基于裝備全壽命周期與裝備維修保障資源體系的配置優(yōu)化研究較少。

二是優(yōu)化模型通用性不高。一方面裝備維修保障資源配置優(yōu)化模型多是某種背景下基于某具體型號(hào)裝備的特點(diǎn)建立，導(dǎo)致模型間聯(lián)系不緊、差異大，通用性不高。另一方面，算法運(yùn)用多是傳統(tǒng)算法(例如統(tǒng)計(jì)法、解析法、經(jīng)驗(yàn)法等)[33]和啟發(fā)式算法(遺傳、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、模擬退火等)的獨(dú)立運(yùn)用，單一算法都存在局限性，算法的結(jié)合運(yùn)用較少。

三是地方研究機(jī)構(gòu)參與度不高。從事裝備維修保障資源配置優(yōu)化研究的單位主要是陸軍工程大學(xué)、陸軍裝甲兵學(xué)院、國(guó)防科技大學(xué)、海軍工程大學(xué)等軍事科研機(jī)構(gòu)[34]。在當(dāng)前軍民融合大背景下，地方科研機(jī)構(gòu)參與研究的力度不夠，而地方物流技術(shù)、供應(yīng)鏈技術(shù)、故障檢測(cè)技術(shù)等對(duì)提升裝備維修保障資源配置優(yōu)化水平上有很大幫助。

4 優(yōu)化研究展望

4.1 基于事例推理的維修保障資源配置優(yōu)化研究

基于事例的推理技術(shù)(CBR)是充分獲取過去求解問題的成功經(jīng)驗(yàn)來解決新問題的一種方法[35]。該方法將過去裝備維修資源配置優(yōu)化的成功案例視為配置優(yōu)化最優(yōu)解，并借助計(jì)算機(jī)將事例形成數(shù)據(jù)知識(shí)庫系統(tǒng)，針對(duì)新問題進(jìn)行相似案例搜索，得到建議解，經(jīng)過修正后得出新問題的資源配置優(yōu)化方案，并作為新案例錄入案例庫。此方法能夠有效利用過去裝備維修資源配置優(yōu)化中的成功經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)避免了個(gè)人經(jīng)驗(yàn)帶來的局限干擾。在當(dāng)前大數(shù)據(jù)背景下，豐富的事例數(shù)據(jù)庫為新問題的求解提供了強(qiáng)大的支撐，是今后研究的一個(gè)新方向。

4.2 基于信息化智能化技術(shù)運(yùn)用的資源配置優(yōu)化研究

新裝備信息化、智能化水平不斷提升，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)法、類比法已不能滿足需求，信息化、智能化技術(shù)在裝備維修資源配置中的應(yīng)用逐漸深入。在裝備故障預(yù)測(cè)方面，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)[36]的自主式、智能化診斷提高了故障預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。維修資源需求配置方面，基于物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星定位、射頻條形碼感應(yīng)識(shí)別等技術(shù)的可視化系統(tǒng)，縮短了響應(yīng)時(shí)間，通過計(jì)算機(jī)與軟件集成，使裝備維修保障資源與維修保障需求實(shí)時(shí)溝通，通過配置優(yōu)化系統(tǒng)，輸出所需的裝備維修保障資源配置方案，為決策者提供選擇。維修資源供應(yīng)方面，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)、物流與供應(yīng)鏈技術(shù)，使所需維修資源以最短時(shí)間送達(dá)，減少修理等待時(shí)間，確保裝備正常運(yùn)行，恢復(fù)和保持部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力。

4.3 基于軍民融合的資源配置優(yōu)化研究

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中裝備維修保障任務(wù)異常繁重，但軍隊(duì)儲(chǔ)備的資源有限，難以滿足長(zhǎng)期需求。為解決上述問題，在軍民融合式發(fā)展思想引領(lǐng)下，通過依托社會(huì)化保障資源，探索研究軍民融合一體化維修保障模式，達(dá)到減輕部隊(duì)庫存壓力，增強(qiáng)維修資源供應(yīng)能力的目的。美軍在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中依靠“現(xiàn)役、預(yù)備役、合同商”等多元保障力量，為美軍部隊(duì)提供了強(qiáng)有力的裝備維修保障，使裝備長(zhǎng)期處于高可用度。下步基于軍民融合一體化維修保障架構(gòu)的建立，維修保障資源供應(yīng)儲(chǔ)存模式優(yōu)化以及維修保障活動(dòng)運(yùn)行制度機(jī)制的制定，都將是研究的熱點(diǎn)。

5 結(jié)束語

掌握裝備維修保障資源需求規(guī)律，做好需求預(yù)測(cè)及配置優(yōu)化，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中意義重大。當(dāng)前，我國(guó)在裝備維修保障資源配置優(yōu)化方面取得了一定科研成果，但同西方發(fā)達(dá)國(guó)家尚存在較大差距，在戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知、資源自主式配置、備件智能化配送方面仍需開展深入研究。隨著軍隊(duì)信息化程度的提高，裝備使用數(shù)據(jù)更加豐富準(zhǔn)確，資源需求預(yù)測(cè)更加精準(zhǔn)，資源配置的效率更高，將對(duì)實(shí)現(xiàn)維修保障資源的科學(xué)管理、保持裝備戰(zhàn)斗力和降低裝備全壽命周期費(fèi)用做出更大貢獻(xiàn)。