航材分類方法的研究綜述和啟示?

宋傳洲 張作剛 殷 實

（1.海軍航空大學(xué)岸防兵學(xué)院 煙臺 264000）（2.煙臺警備區(qū) 煙臺 264000）

1 引言

航材分類工作是對航材各類工作開展的基礎(chǔ)，對庫存管理、統(tǒng)計訂購、資金規(guī)劃、成本控制、配件更換與維護(hù)、安全保障等環(huán)節(jié)產(chǎn)生影響。當(dāng)前航空飛行器發(fā)展迅速，具有機(jī)型多、專用航材種類多、儲備成本高等特點［1］，因此要根據(jù)不同的需求，或定性分析，或定量分析，或者結(jié)合兩者，研究與之相匹配的分類方法，從而達(dá)到科學(xué)高效的分類效果。航材與其他備件相比，其種類更為繁瑣、技術(shù)更為復(fù)雜、價格上也更昂貴，專用性、即時性、安全性要求更高。因此，航材的分類方法與其他備件有所不同，但即便如此，其他備件分類方法仍有借鑒價值。本文認(rèn)真分析當(dāng)前飛機(jī)備件分類研究的文獻(xiàn)，進(jìn)一步研究借鑒其他備件的分類方法，對現(xiàn)有飛機(jī)備件分類方法進(jìn)行了總結(jié)，梳理提出一些意見，并大膽做出初步的設(shè)想，為方便研究和具體的實際應(yīng)用，可建立航材分類系統(tǒng)。

2 航材分類的原則和指標(biāo)

2.1 分類原則

航材具有優(yōu)先性、周轉(zhuǎn)性、波動性、服務(wù)性、隱含性、及時性等特性，其分類原則較多，大多是定性分類，即根據(jù)研究對象所關(guān)注的影響因素特征建立用于分類的并行性原則。有以航材是否能夠維修的特點為原則，把航材分為消耗件、周轉(zhuǎn)件、可修件三類，即可維修分類法［2］；也有體現(xiàn)航材對于飛行運行的重要性的ESS放行重要性分類法，將航材分成NO-GO、GO-IF和GO三類［3］；還有MEL修理間隔分類法，根據(jù)飛機(jī)裝機(jī)部件設(shè)備在發(fā)生故障后必須修復(fù)的時間間隔來劃定時間長短，分為A、B、C、D、E 五類［4］；此外，民用飛機(jī)還有廠商交付期、消耗流動等分類法等。軍用航材則有按照儲備用途、供應(yīng)時間、維修等級、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等分類方法。至此，除了上述介紹的航材分類原則外，還有很多，本文將部分歸納總結(jié)列出，如表1所示。

表1 航材一般分類原則列表

2.2 分類指標(biāo)

航材分類的指標(biāo)可以從航材統(tǒng)計指標(biāo)中獲取，分為數(shù)量指標(biāo)、質(zhì)量指標(biāo)、實物指標(biāo)與價值指標(biāo)等［5］，航材的各類指標(biāo)直接影響航材的關(guān)注重點。一直以來，航材分類指標(biāo)是航材分類研究的主要內(nèi)容之一。航材的指標(biāo)有很多，往往需通過科學(xué)選取并賦予權(quán)重，構(gòu)建分類指標(biāo)體系。

在航材需求預(yù)測領(lǐng)域，張作剛等［6］選取航材單價、平均故障間隔時間、近五年來的平均年消耗量、對飛行安全影響和造成損失的重要度等級、航材保質(zhì)期、區(qū)間歷史消耗、供應(yīng)商等級等8類指標(biāo)構(gòu)建體系；文獻(xiàn)［7］根據(jù)數(shù)據(jù)處理的需要，選取對飛機(jī)的威脅危害度、歷史區(qū)間消耗、串件拼修可行度等6類指標(biāo)；文獻(xiàn)［8］確定損耗程度、維修難易度、重要程度等5類，用以航母艦載機(jī)航材攜行品種確定。類似的，文獻(xiàn)［9］將重要程度換成危害性，在經(jīng)濟(jì)價值、損耗程度等基礎(chǔ)上增加可獲得性、任務(wù)需求性等指標(biāo)，用這些特征構(gòu)建權(quán)重矩陣。文獻(xiàn)［10］在研究戰(zhàn)時備件消耗保障時，以戰(zhàn)場搶修作為主要目的，以可攜帶性、可獲得性、損耗性、對戰(zhàn)爭重要程度等特征分類，做好戰(zhàn)時航材的品種確定。

文獻(xiàn)［11］著重研究物流這一階段性指標(biāo)，并充分考慮維修能力，以及進(jìn)行維修時的航材相對重要程度、單價等特征建立指標(biāo)體系。在訂購航材和管控存儲方面，文獻(xiàn)［12］提出兩種方案，一個是使用率、單價、交貨期和可靠性的四要素方案，另一個是將交貨期和可靠性換成領(lǐng)先率的三要素方案。此外，文獻(xiàn)［13］分析航材的可獲得性特征后，舍去可替換性和通用性，用潛在供應(yīng)商數(shù)、故障的可能性、訂補貨周期區(qū)間、技術(shù)等級的可行性、備件損壞臨界風(fēng)險、設(shè)備維修等級等6類具有臨界特性的指標(biāo)特征對航材進(jìn)行分類。文獻(xiàn)［14］以供應(yīng)商角度建立指標(biāo)體系，區(qū)分了交貨時間、環(huán)境與文化、服務(wù)與合作、成本、質(zhì)量等5個大層次，包含細(xì)化21小層次。

3 關(guān)于航材主要的分類算法

3.1 ABC分類法及其改進(jìn)算法

ABC分類法是經(jīng)典且傳統(tǒng)的分類法，可以區(qū)分和表征總體中以價值判斷占比較多的事物其數(shù)量上所占的比重。按此方法，把航材以一定原則比重分成A、B、C三大類，通常以價值原則排序［15］。這種分類方法簡單，通用性強，被廣泛使用，但不夠精確，缺乏多因素的綜合考慮，評價結(jié)果容易造成偏差［16］。為了解決ABC分類法存在的問題，一些改進(jìn)方法被相繼提出。文獻(xiàn)［17～18］利用AHP和模糊方法改進(jìn)ABC分類法。在決策分析的過程中，首先將航材集進(jìn)行分層，同時采用模糊方法降低人為因素的干擾，分別賦以準(zhǔn)則層對目標(biāo)層和方案層對準(zhǔn)則層各自的權(quán)重，計算方案層對目標(biāo)層的組合權(quán)重，進(jìn)行排序后再次ABC分類。

在研究備件的供應(yīng)鏈管理時，楊興順［19］以材料的重要性和供應(yīng)風(fēng)險兩大要素排列航材，針對矩陣分類的四大類物料，聯(lián)合使用kraljic矩陣分類法與ABC分類法，采取不同的庫存管理和控制方法。候賈凱［4］在研究周轉(zhuǎn)件時，建立ABC-3A分類模型，依次對設(shè)備、部件、零件進(jìn)行ABC分類，最終以4個等級劃分27種航材，多維分析設(shè)備，從整體到零件，試圖讓各類權(quán)重分配更加科學(xué)合理。

3.2 VED分類法及其改進(jìn)方法

無論安全庫存［20］還是庫存數(shù)量質(zhì)量管控［21］和航材訂購研究［22］，VED分類法都有采用。與ABC分類法類似，VED分類法是通過對航材庫存的關(guān)鍵性分析評價，從而進(jìn)行航材庫存分類的方法。V類表示至關(guān)重要，缺失備件，飛機(jī)無法正常運行，會造成重大損失；E類表示重要，缺失備件，飛機(jī)無法運行，會造成一定的損失；D類表示必要，缺失備件，將會對飛機(jī)正常運行產(chǎn)生一定的影響。

3.3 支持向量機(jī)分類法及其改進(jìn)方法

支持向量機(jī)（SVM）分類法是基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，利用結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化原理，引入核函數(shù)，實現(xiàn)維度轉(zhuǎn)換。文獻(xiàn)［23］以ABC分類改進(jìn)SVM分類方法，使用決策有向無環(huán)圖分類模型，利用核函數(shù)和懲罰函數(shù)構(gòu)造非線性SVM，待樣本訓(xùn)練完成后，使用“二值有向無環(huán)圖”，最后進(jìn)行ABC分類。這種方法將機(jī)器分類和專家經(jīng)驗結(jié)合運用，既對人工減負(fù)，又立足機(jī)器分類的客觀性，尋找內(nèi)在規(guī)律。任博等［24］為解決模式識別問題，將SVM與最小二乘線性系統(tǒng)聯(lián)用。類似的，劉志濤［25］利用SVM分類器對包括航材在內(nèi)的不常用備件進(jìn)行了分類研究，在最小二乘法基礎(chǔ)上聯(lián)用貝葉斯方法改進(jìn)，形成基于貝葉斯證據(jù)框架的最小二乘SVM，既提升了泛化性能，又降低了錯誤率。

3.4 聚類分析的分類法及改進(jìn)算法

聚類算法是分類理論的經(jīng)典算法之一，將整個數(shù)據(jù)集劃分成相對均勻的子組或簇，實現(xiàn)簇內(nèi)相似度最大，簇間的相似度最小［26］。虞文勝［27］運用馬氏距離和離差平方和進(jìn)行類與類間的相似性度量，對航材進(jìn)行定量計算并分類。類似的，張作剛等［7］根據(jù)分類指標(biāo)的重要度不同，采用模糊一致性矩陣來確定指標(biāo)的權(quán)重建立分類模型。陳振林等［28］在研究某航材消耗數(shù)據(jù)球形分布特點時，面對航材需求，即消耗數(shù)量的波動性，將聚類的劃分和層次兩種方法糅合運用，得到層次劃分聚類模式，以平穩(wěn)型、突變型、波動型對航材進(jìn)行3類區(qū)分。周佳萱等［29］以PAM聚類算法考慮混合屬性的方式區(qū)分航材。

3.5 主成分分析的分類法及改進(jìn)算法

主成分分析（PCA）屬于一種基于降維思想的統(tǒng)計分析方法，將多個變量通過正交變換線性組合，選出小部分重要變量集合來描述。在對航材分類時，很多分類方法需確定航材分類指標(biāo)，該方法多用于這些方法之前［30］。王偉等［31］通過PCA將原來憑經(jīng)驗選出的年消耗量、重要度等級、保質(zhì)期、歷史消耗量、單價、供應(yīng)商等級8個指標(biāo)進(jìn)行篩選，舍掉保質(zhì)期、歷史消耗量、供應(yīng)商3個指標(biāo)，保留5個指標(biāo)，降低采集數(shù)據(jù)難度，為后續(xù)采取SVM分類提高了分類的效率。文獻(xiàn)［6］也使用該方法先作降維簡化指標(biāo)體系，最后聚類處理確定類別。楊超［32］在研究慢速流動航材時，首先使用模糊綜合評判法將慢速流動航材初篩，再采用PCA進(jìn)一步明確分類指標(biāo)，最后采用譜系聚類法對航材進(jìn)行細(xì)分類。

3.6 層次分析法及其改進(jìn)方法

層次分析法（AHP）分層帶來的好處是可以較為清晰的分類，2.1中文獻(xiàn)［17～18］也可以說是用模糊方法和ABC改進(jìn)了AHP的分類模型，此外，文獻(xiàn)［33］在研究戰(zhàn)時航材儲備時，為了解決之前定性分析方法存在的不確定性和模糊性等問題，采用Delphi法、AHP、灰度關(guān)聯(lián)法和模糊綜合評判法相結(jié)合的DHGF算法進(jìn)行分類。

3.7 粗糙集理論及其改進(jìn)方法

粗糙集理論一般用來處理定性數(shù)據(jù)或不確定性數(shù)據(jù)，用以解決數(shù)據(jù)不完備、離散或缺失等情況。韓俊騫等［34］采用粗糙集方法，通過屬性依賴度函數(shù)約簡含有混合屬性的數(shù)據(jù)集合，避免處理數(shù)據(jù)而離散化，最終確定分類規(guī)則進(jìn)行品種分類。張帥等［35］利用粗糙集方法，在約減屬性后，分析出單屬性、順次屬性和多屬性的品種分類決策方法。閻車飛等［36］在解決飛機(jī)初始備件分類問題時，采用集對分析法改進(jìn)粗糙集分類法。文獻(xiàn)［37］考慮到備件品種的屬性權(quán)重，先建立初始備件影響因素的系統(tǒng)，利用加權(quán)閾值相容關(guān)系改進(jìn)粗糙集模型，以系統(tǒng)信息量為基礎(chǔ)的屬性權(quán)重分類法，減少了主觀因素的影響。

3.8 基于消耗數(shù)據(jù)面向需求的分類方法

基于面向需求的分類方法是以消耗數(shù)據(jù)和需求數(shù)據(jù)的特點為參照來對航材進(jìn)行分類的。李金國等［38］利用航材的壽命分布特點，將航材分為正態(tài)壽分布、指數(shù)分布、威布爾分布3類。王芳［39］通過分析有無運行歷史數(shù)據(jù)、相似機(jī)型、可維修性等原則，基于不同泊松分布得λ取值將航材分為ABCD型4類。趙淑舫等［40］以維修工程理論為基礎(chǔ)，充分考慮有無損耗期，故障率時間變化、偶然和早期故障期、規(guī)定壽命等特性，對航材的故障率時間曲線進(jìn)行分析，將航材分為5類。Syntetos等提出兩維度分類規(guī)則，將變異系數(shù)與需求間隔作為維度，將航材分為平穩(wěn)型、不平穩(wěn)型、塊狀型、間斷型4類［41］。也有為了后續(xù)針對不同類別進(jìn)行研究的方便，將塊狀消耗視為間斷性消耗，將4類簡化分為平穩(wěn)性、不平穩(wěn)型和間歇型3類。這些分類法都熱衷于航材消耗的基本數(shù)據(jù)。直接挖掘和研究數(shù)據(jù)，從大量數(shù)據(jù)中擬合規(guī)律，能有效降低人為干預(yù)，特別是當(dāng)先驗經(jīng)驗不足時，通過發(fā)現(xiàn)航材內(nèi)在消耗規(guī)律而降低錯誤，其缺點在于該類研究需要采集大量數(shù)據(jù)，如果干擾因素太多，模型容易不夠完備科學(xué)，往往并不準(zhǔn)確，也可能南轅北轍。

3.9 可以借鑒的其他備件分類算法

備件分類研究顯然包含了飛機(jī)備件分類研究，但基于航材的特點，一些非針對航材分類的備件分類方法未必適用于解決航材分類問題，但仍然具有借鑒意義。就ABC分類法而言，其改進(jìn)方法除了2.1節(jié)介紹的方法以外還有很多，比如，孔琳等［42］使用AHP和灰色分析法改進(jìn)ABC，而文獻(xiàn)［43～44］則聯(lián)合使用AHP和DEA改進(jìn)ABC，丁留明等［45］提出AHP和蒙特卡洛模擬法改進(jìn)ABC。付戰(zhàn)瑩等［46］在研究地鐵備件分類，將ABC和VED分類方法聯(lián)用，提出來KIO方法，備件的重要程度由其打分評價和多因素相結(jié)合的方式共同決定，這種方法在消耗性醫(yī)療物資［47］分類中也被使用。熊君星等［48］利用Levenberg-Marquardt優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，考慮多種因素，并按其重要性進(jìn)行ABC分類。

決策樹包含分類樹和回歸樹，分類樹的使用甚是普遍，對其改進(jìn)后可應(yīng)用于多維分類，例如魏曦初等［49］將SVM和決策樹聯(lián)用，從備件供應(yīng)商管理策略的角度進(jìn)行多屬性備件分類，將備件以一般、瓶頸、杠桿、戰(zhàn)略4類區(qū)分，并分別給出供應(yīng)商管理的方案模型。文獻(xiàn)［50］以某大型煉油廠設(shè)備為例，給出了一個復(fù)雜的集成分類方法，分析不同節(jié)點上的多屬性（如庫存、生產(chǎn)損失、物流等），采用了決策樹和AHP模型相結(jié)合的方法。此外，劉躍武［51］在研究庫存分類的時候，利用灰色關(guān)聯(lián)分析改進(jìn)了D-S證據(jù)推理決策，構(gòu)造分類模型。徐廷學(xué)等［52］采用灰色關(guān)聯(lián)將主客觀備件分類相結(jié)合，提出改進(jìn)的群體層次分析與超效率DEA理論相結(jié)合的備件分類方法。李佩琦［53］組合使用隨機(jī)森林和梯度提升樹算法研究多因素影響的機(jī)電設(shè)備備件的預(yù)測方法。

4 航材方法研究分析

隨著航材分類方法的研究不斷深入，分類方法的準(zhǔn)確性和科學(xué)性也不斷增強，通過研究文獻(xiàn)資料得到如下若干特點和還需加強研究的幾個方面。

1）航材分類方法的研究需引入和借鑒其他領(lǐng)域的技術(shù)方法，由單原則到多原則集成或組合方法的改進(jìn)思路是主流，分類方法呈現(xiàn)從一維、二維、多維［54］等組合算法的發(fā)展規(guī)律，但值得注意的是，一味追求組合算法的創(chuàng)新容易造成機(jī)械堆疊，分類效果不一定比原來的效果好。

2）分類方法的選取需要根據(jù)實際研究對象來決定。在分類算法比較中，不僅要對同一類型分類算法的改進(jìn)方法進(jìn)行縱向比較，還要在同一情況下對不同分類方法進(jìn)行橫向比較，這有助于選取最適合方法。需從樣本數(shù)、特征數(shù)、所含類別數(shù)等方面對分類準(zhǔn)確率和運行時間的影響進(jìn)行分析比較。盡管如此，航材分類、需求預(yù)測及其庫存管理、供應(yīng)鏈、供應(yīng)商等是一個連貫的系統(tǒng)，一方面，多個分類方法要放在一個系統(tǒng)中進(jìn)行比較將更為科學(xué)，因為沒有一種方法是萬能的；另一方面，要考慮方法的實用性，復(fù)雜的模型往往程序繁瑣、運行時間久，實際應(yīng)用困難，而方便快捷高效的方法更受歡迎。

3）分類方法往往是定性與定量分類方法的結(jié)合，在方法實施過程中，或多或少都有主觀性干預(yù)，比如分類指標(biāo)或?qū)傩苑N類和數(shù)量的選擇，一些權(quán)重、標(biāo)準(zhǔn)和層次的劃分，如何按照需要降低人的主觀性影響也是分類方法需要研究的方面。此外，在一些情況下增強實踐應(yīng)用經(jīng)驗的介入也是有必要的。

4）不管是縱向比較還是橫向比較，科學(xué)實用的比較航材分類方法的多重評價指標(biāo)需加強研究。在提出新的分類方法后，應(yīng)與常用且分類效果好的分類方法作比較和驗證，增強說服力。此外，新的領(lǐng)域產(chǎn)生的優(yōu)秀分類方法應(yīng)多借鑒，雖不一定適用，但應(yīng)積極研究、論證或驗證。

5 航材分類系統(tǒng)的初步設(shè)想

至今，航材的分類原則、指標(biāo)、算法是精細(xì)化分類逐漸遞進(jìn)的過程，它們相互影響，反映了關(guān)注航材性質(zhì)的側(cè)重點，構(gòu)成了分類方法。消耗影響因素直接對它們和航材的消耗數(shù)據(jù)起作用，分類算法適用性在很多時候也需要由消耗數(shù)據(jù)的特點來決定。其關(guān)系，如圖1所示。

圖1 航材分類方法關(guān)系圖

以本文基于航材分類原則、指標(biāo)、算法，歸納總結(jié)當(dāng)前分類方法的諸多研究文獻(xiàn)，按照開放、交互、系統(tǒng)、實用的原則，初步設(shè)想航材分類系統(tǒng)［55］示意圖，如圖2所示，具備智能分類、人機(jī)交互、開源拓展、反饋升級等效果，通過輸入分類的目的和要求，系統(tǒng)綜合分析后將快速給出與之相匹配的類型方案，擁有開源和反饋的作用，以便于將最新關(guān)于航材或者其他備件的分類方法研究成果及時納入系統(tǒng)中，且可以高效鏈接有關(guān)航材預(yù)測和決策的模型系統(tǒng)，從而囊括航材研究的諸多方面。

圖2 航材分類系統(tǒng)示意圖

6 結(jié)語

高效準(zhǔn)確的航材分類是實現(xiàn)對航材管理、維修、預(yù)測等各個環(huán)節(jié)的前提，因此對航材分類方法的研究需更加科學(xué)深入。本文總結(jié)歸納論述航材分類原則、指標(biāo)、算法等內(nèi)容，對航材分類領(lǐng)域應(yīng)用過的基本算法及其優(yōu)化模型做了重點介紹，結(jié)合其他備件分類方法對當(dāng)前航材分類研究現(xiàn)狀做了分析，初步設(shè)想出可以建構(gòu)的航材分類系統(tǒng)，以便對航材分類及后續(xù)的研究和應(yīng)用提供參考，希望對該領(lǐng)域的研究者起到拋磚引玉的效果。