王鴻東　許暉　易宏　余平

摘要：在現(xiàn)代質(zhì)量管理體系下，產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新為多種資源約束下的產(chǎn)品質(zhì)量提升賦予了強(qiáng)大動力，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。艦船備件管理技術(shù)直接關(guān)系到艦船產(chǎn)品全生命周期服務(wù)質(zhì)量，是業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。文章通過系統(tǒng)梳理國內(nèi)外艦船備件管理技術(shù)研究成果，借鑒質(zhì)量管理、供應(yīng)鏈管理、維修管理等領(lǐng)域的最新成果，提出了以可靠性為中心、多約束多目標(biāo)優(yōu)化、非線性預(yù)測、備件共用等未來艦船備件管理技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展方向，以期保障我國艦船產(chǎn)品質(zhì)量，提升我國艦船產(chǎn)業(yè)的國際競爭力。

關(guān)鍵詞：質(zhì)量管理；科技創(chuàng)新；艦船備件；可靠性

一、 引言

在現(xiàn)代質(zhì)量管理體系的要求下，產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新研究將促使管理者在費(fèi)用、人力、物力等資源約束條件下，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量保障效率最大化。質(zhì)量管理體系在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，實(shí)質(zhì)上是結(jié)合產(chǎn)業(yè)實(shí)際，對體系進(jìn)行吸收、消化、轉(zhuǎn)化。

以艦船備件管理技術(shù)為例，艦船是一個(gè)可維修的大型復(fù)雜系統(tǒng)，具有軍品的基本屬性，使用方對其服役過程中的質(zhì)量管控要求嚴(yán)格，除了要保持平時(shí)的戰(zhàn)備完好性之外，還要滿足戰(zhàn)時(shí)優(yōu)良的戰(zhàn)斗損傷維修恢復(fù)特性。備件是艦船服役過程中進(jìn)行維護(hù)檢修和應(yīng)急處理的保障性物資，過量的備件配置會影響艦船的載重和空間從而影響有效戰(zhàn)斗載荷，造成裝備經(jīng)費(fèi)的浪費(fèi)；備件的匱乏又將影響艦船的順利維修，導(dǎo)致服務(wù)中斷。因此，深入地研究和提升艦船備件管理技術(shù)，是保障艦船產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段，具有重要軍事意義和應(yīng)用價(jià)值。與此同時(shí)，隨著我國艦船產(chǎn)品出口的增加，配套形成完善的備件管理方案，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)質(zhì)量保障服務(wù)，將有利于促進(jìn)艦船產(chǎn)品的出口，提升我國艦船產(chǎn)業(yè)在世界上的質(zhì)量口碑，促進(jìn)艦船制造經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

文章在現(xiàn)代質(zhì)量管理體系的背景下，系統(tǒng)梳理國內(nèi)外現(xiàn)有艦船備件管理技術(shù)創(chuàng)新研究成果，并借鑒質(zhì)量管理、供應(yīng)鏈管理、維修管理等領(lǐng)域的研究進(jìn)展，從艦船維修體制的研究出發(fā)，闡述艦船維修級別、維修策略對備件配置管理的影響，并研究艦船備件管理技術(shù)下一步創(chuàng)新方向，為我國艦船產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供科技支撐。由于艦船具有可維修的特性，備件管理方案重點(diǎn)用于保障海上執(zhí)行任務(wù)過程中的產(chǎn)品質(zhì)量。為區(qū)別于一般問題，文章主要研究隨船備件管理技術(shù)創(chuàng)新。

二、 艦船產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新體制研究

產(chǎn)業(yè)體制創(chuàng)新是指對企業(yè)各種組織構(gòu)架和運(yùn)行關(guān)系進(jìn)行科學(xué)調(diào)整和優(yōu)化組合，從而為生產(chǎn)要素優(yōu)化配置和高效使用開辟道路。艦船產(chǎn)業(yè)的科技創(chuàng)新體制架構(gòu)包括艦船運(yùn)行、艦船維修、艦船備件、艦船管理等方面，其中，維修是產(chǎn)生備件需求的原因，艦船采用不同的維修體制，將直接影響對備件數(shù)量的需求。維修體制主要是指維修級別、維修策略和各種維修的職責(zé)。其中，與備件需求密切相關(guān)的是前兩者。本節(jié)分別介紹艦船裝備維修級別、維修策略的分析方法及其對備件配置管理的影響。只有確定了艦船裝備的維修級別和維修層次，才能提出相應(yīng)的備件配置管理方法。

1. 艦船維修級別。艦船裝備維修級別分為三級：基層級、中繼級和基地級。其中，基層級由艦員在艦上進(jìn)行日常檢修，排除小故障；中繼級由艦隊(duì)修理所或修理船對較大型設(shè)備進(jìn)行修理；基地級由海軍造修船廠或原設(shè)備制造商對艦船進(jìn)行預(yù)防性維修或大故障的排除。

針對不同設(shè)備不同的故障模式，所采取的維修方式不同。依照部件層次，可分為：①故障現(xiàn)場可更換部件LRU（Line Replaceable Unit）；②車間可更換部件SRU（Shop Replaceable Unit）。對應(yīng)基地級維修的是SRU，相應(yīng)地就不需要隨船備件；對應(yīng)中繼級維修，需要分兩種情況，艦隊(duì)修理所對于備件的配置而言與基地級一致，而如果由修理船提供備件，則需要考慮船隊(duì)共用備件的問題；對應(yīng)基層級維修的是例如，其解決的是隨船備件的配置問題。因此，確定隨船備件的前提是確定艦船裝備的維修級別。

對于裝備部件維修級別以及層次分析LORA（Level of Repair Analysis）的問題，Lilian Barros和Michael Riley（2001）建立了LORA問題的整數(shù)規(guī)劃模型，并開發(fā)了LOROM軟件包，通過分支定界啟發(fā)式算法求解。Eduardo Siqueira Brick和Eduardo Uchoa（2009）建立了混合整數(shù)規(guī)劃MIP（Mixed-integer Programming）模型，并利用商業(yè)軟件CPLEX9.1在合理時(shí)間內(nèi)，求解了維修級別規(guī)劃問題。

2. 艦船維修策略。艦船維修策略是指根據(jù)一定的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)因素，對故障部件的更換方案進(jìn)行優(yōu)化和選擇。對于維修策略的認(rèn)識，經(jīng)歷了從緊急維修CM（Corrective Maintenance）到預(yù)防性維修PM（Preventive Maintenance）的跨越。

緊急維修對備件配置的影響一般通過經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，根據(jù)以往的故障數(shù)據(jù)分析備件配置方案。例如，易宏（2003）等通過對艦船零部件的MTBF、故障率等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析獲取備件的配置方案。對于預(yù)防性維修，多考慮定時(shí)維修下的備件配置方案，如Armstrong和Atkins（1996）基于定時(shí)維修策略，對備件配置方案進(jìn)行了優(yōu)化。也有學(xué)者同時(shí)考慮兩種維修情況下的備件更換策略，如Ward Romeijnders（2012）等對Fokker Services航空設(shè)備維修服務(wù)公司10年來的備件需求數(shù)據(jù)及維修信息情況進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，結(jié)果表明兼容考慮兩種維修策略情況下的備件更換策略較以往Croston預(yù)測方法提高20%的準(zhǔn)確率。

除此之外，一些特定的維修條件也會對備件配置方案產(chǎn)生影響。唐成（2012）等對是否配置隨船修理設(shè)備兩種維修能力下的隨船備件數(shù)量進(jìn)行研究，結(jié)果顯示配置隨船修理設(shè)備可以降低隨船備件數(shù)量。因此，要細(xì)致全面地研究艦船備件管理問題，不同維修策略導(dǎo)致的不同備件需求影響不能被忽略。

三、 艦船產(chǎn)業(yè)備件配置管理策略分析方法

對于艦船不同種類備件配置數(shù)量的決策，一般采用數(shù)學(xué)建模的方式，建模方法的不同，意味著研究備件配置問題角度的不同。目前，大致可以將研究方法分為以下三類：

1. 基于歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測方法?；跉v史數(shù)據(jù)的預(yù)測方法是一種統(tǒng)計(jì)手段，它不考慮產(chǎn)生備件需求的因果關(guān)系，而是對以往備件需求的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，由此預(yù)測裝備的備件配置數(shù)量及種類。

目前，基于歷史數(shù)據(jù)預(yù)測備件需求的方法分為兩個(gè)流派：一是基于唯一時(shí)間序列里各個(gè)部件歷史備件需求數(shù)據(jù)直接進(jìn)行預(yù)測的方法，稱為直接預(yù)測法DF（Direct Forecasting）；二是對分系統(tǒng)（由部件組成）時(shí)間序列和各個(gè)部件時(shí)間序列進(jìn)行多層級分析預(yù)測，最終按照一定比例合成獲得各個(gè)部件的備件需求的方法，稱為層次預(yù)測法HF（Hierachical Forecasting）。

已有不少學(xué)者基于上述兩類數(shù)據(jù)預(yù)測分析方法進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用。例如，馮楊（2011）等人利用簡單指數(shù)平滑方法SES（Simple Exponential Smoothing），對某型艦艇備件進(jìn)行DF分析，建立了艦艇間斷需求備件的預(yù)測模型。Seongmin Moon（2012）在SES基礎(chǔ)上，利用“R 2.6.2-forecast”軟件包確定最優(yōu)化的平滑指數(shù)系數(shù)，對韓國海軍184艘艦艇的年度備件需求數(shù)據(jù)進(jìn)行HF層次預(yù)測，獲得了較以往DF直接預(yù)測方法更準(zhǔn)確的結(jié)果。

除此之外，許多學(xué)者還將機(jī)器學(xué)習(xí)、模糊數(shù)學(xué)、大數(shù)據(jù)分析等思想融合進(jìn)基于歷史數(shù)據(jù)的備件需求預(yù)測方法中。D. Petrovic（1992）等開發(fā)了Sparta（Spare Parts Advisor）軟件，基于歷史數(shù)據(jù)不斷給出備件配置方案，并通過不斷向使用者提問對方案進(jìn)行篩選，直至給出結(jié)果。李涵（2010）等將影響機(jī)載導(dǎo)彈部署備件需求的六項(xiàng)因素量化，利用單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對下一年備件需求量的預(yù)測。

2. 基于METRIC理論的配置方法。METRIC（Multi-Echenlon Technique for Recoverable Item Control）理論由Sherbrooke在1968年首次提出，他以平均缺貨率EBO（Expected Back Order）為衡量指標(biāo)，對可修復(fù)部件的供應(yīng)鏈進(jìn)行管理，并實(shí)際運(yùn)用于美國空軍備件保障體系。Muckstadt（1973）在METRIC模型基礎(chǔ)上，對部件進(jìn)行分級，形成多層供應(yīng)、多級部件的MOD-METRIC模型，并應(yīng)用于美國空軍的F-15武器系統(tǒng)。Hillestad和Carrill（1982）提出Dyna-METRIC模型，研究部件送修與備件庫存系統(tǒng)的瞬時(shí)活動，用于解決裝備在戰(zhàn)斗狀態(tài)下發(fā)生不定常的備件需求。Slay和Graves（1985）各自獨(dú)立地將原METRIC理論中部件修復(fù)時(shí)間服從的泊松分布替換為負(fù)二項(xiàng)式分布，更真實(shí)地反映維修過程，形成多層供應(yīng)、單級部件的VARI-METRIC模型，隨后，Sherbrooke（1992）將上述模型拓展成多層供應(yīng)、多級部件的VARI-METRIC模型。

在這些經(jīng)典模型的基礎(chǔ)上，許多學(xué)者做了大量創(chuàng)新探索工作，使其更適用于解決實(shí)際工程問題。Gross（1983）將VARI-METRIC模型中維修能力無限的假設(shè)修正為更真實(shí)的有限維修能力，引入閉排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)理論描述維修過程。Rustenburg和van Houtum（2001）等荷蘭學(xué)者，將VARI-METRIC模型應(yīng)用于荷蘭皇家海軍護(hù)衛(wèi)艦隊(duì)的備件管理，并計(jì)算艦船系統(tǒng)的保障概率作為優(yōu)化目標(biāo)，以備件預(yù)算費(fèi)用為約束，利用貪婪算法進(jìn)行優(yōu)化求解。

3. 基于系統(tǒng)可靠性的配置方法。像艦船這樣的大型機(jī)電系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)過程中，并非所有的故障部件都要立即進(jìn)行更換，可以留待返回基地后再進(jìn)行檢修更換。Sleptchenko（2005）等依照艦船部件發(fā)生故障后，帶來危害的嚴(yán)重程度和對預(yù)算經(jīng)費(fèi)的影響，將部件按照重要程度分為四類進(jìn)行分析，開始用系統(tǒng)觀點(diǎn)來看待問題，有些小部件不產(chǎn)生影響的故障不進(jìn)行考慮，但他并未給出定量的數(shù)學(xué)模型。

易宏以保障艦船的任務(wù)可靠性為最終目標(biāo)，利用故障樹方法（FTA）分析了備件數(shù)量對任務(wù)可靠度影響的定量關(guān)系，建立了單船隨船備品備件優(yōu)化配置決策模型，并自主開發(fā)CTIGER軟件，基于歷史數(shù)據(jù)采用Monte Carlo仿真法模擬故障過程，獲得了備件優(yōu)化配置種類和數(shù)量清單。在此基礎(chǔ)上，程鶴（2007）提出艦船編隊(duì)在航率的計(jì)算公式，并建立了相同備件共用策略模型，探索了以可靠性為中心的船隊(duì)備件優(yōu)化配置方法。

四、 艦船產(chǎn)業(yè)備件管理技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展建議

隨著艦船裝備技術(shù)的發(fā)展，隨艦搭載裝備日益復(fù)雜，在現(xiàn)代管理體系要求下，為提高艦船裝備質(zhì)量，促進(jìn)艦船產(chǎn)業(yè)發(fā)展，艦船備件管理技術(shù)需從以下四個(gè)方向創(chuàng)新發(fā)展。

1. 以系統(tǒng)可靠性指標(biāo)為中心進(jìn)行備件保障。備件保障的唯一目標(biāo)是保證艦船任務(wù)的順利執(zhí)行，對于單船，可以選用使用可用度或任務(wù)可靠度為目標(biāo)；對于艦船編隊(duì)，可以選用在航率或船隊(duì)任務(wù)可靠度為目標(biāo)。利用FTA模型和Monte Carlo仿真計(jì)算艦船系統(tǒng)可靠性的方法，使部件失效對系統(tǒng)可靠性的影響大小通過部件關(guān)鍵重要度這一指標(biāo)得到體現(xiàn)，綜合了部件失效概率、備件缺失導(dǎo)致的后果嚴(yán)重程度、是否存在冗余設(shè)計(jì)等要素，實(shí)現(xiàn)了對備件重要度的分級。以系統(tǒng)可靠性為保障目標(biāo)與實(shí)際需求最為契合，從滿足系統(tǒng)可靠性的角度來指導(dǎo)備件配置，能做到“抓大放小”，減少無關(guān)“大局”的備件配置，節(jié)約經(jīng)費(fèi)、空間和載重等有限資源。

2. 綜合定量與定性要求的多約束、多目標(biāo)優(yōu)化。隨著艦船任務(wù)目標(biāo)及約束條件多樣化，在確定備件配置方案時(shí)，需要對多種定性或定量的需求進(jìn)行綜合考量。金家善等綜合考慮了保障費(fèi)用、倉庫空間、載荷及維修能力為約束條件的備件配置問題，運(yùn)用專家打分、歸一化方法對定量與定性條件進(jìn)行處理，建立了約束因素判斷矩陣并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，為解決混合約束下隨船備件配置優(yōu)化問題提供了新的嘗試。如何將艦船備件配置中的模糊要求精確化、定量化，并構(gòu)造多約束、多目標(biāo)優(yōu)化模型，需要進(jìn)一步研究。

3. 基于支持向量機(jī)等新理論的非線性預(yù)測。由于艦船備件消耗數(shù)據(jù)有限，具有小樣本、不穩(wěn)定性和間歇性等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的基于非線性樣本線性化的預(yù)測思想準(zhǔn)確率低。Corinna Cortes和Vapni（1995）等學(xué)者提出支持向量機(jī)SVM（Support Vector Machine）理論，較好地解決了小樣本、非線性及高維模式識別問題。衛(wèi)一熳（2015）等運(yùn)用灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)方法對影響備件消耗的主要因素進(jìn)行分析，并基于SVM理論，建立了灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)分析與多尺度最小二乘支持SVM組合的學(xué)習(xí)模式，較好地解決了影響因素與備件消耗之間的非線性關(guān)系。如何將最新的非線性預(yù)測理論成果應(yīng)用于艦船備件預(yù)測，值得繼續(xù)研究。

4. 艦船編隊(duì)備件共用策略優(yōu)化。艦船執(zhí)行任務(wù)主要以編隊(duì)形式進(jìn)行，艦船之間有許多通用備件，當(dāng)編隊(duì)內(nèi)艦船出現(xiàn)備件短缺時(shí)，可由其他艦船通過橫向供給進(jìn)行補(bǔ)充。國內(nèi)外學(xué)者Cohen（2006）、H. Wong（2006）、陳硯橋、程鶴等均考慮了橫向供給對備件配置種類、數(shù)量帶來的影響，但對于三艘以上艦船的多對多橫向供應(yīng)體系共用策略（Pooling Game）優(yōu)化并未做研究，沒能形成艦船編隊(duì)一體化備件保障體系。

五、 結(jié)語

對比國際上艦船產(chǎn)業(yè)管理經(jīng)驗(yàn)，美國艦船制造商在備件初始供應(yīng)階段，利用“基于戰(zhàn)備完好性的備件供應(yīng)”方法計(jì)算備件需求；在正常供應(yīng)階段，他們基于全球歷史需求數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此預(yù)測需求，實(shí)現(xiàn)了向企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)過渡。這一備件管理方式可以濾除突發(fā)性的備件需求增長，有效地把具有持續(xù)性需求的備件和間歇性需求的備件分開，極大提升了艦船產(chǎn)品全壽命周期服務(wù)質(zhì)量，促進(jìn)其艦船制造工業(yè)的“本土化回歸”。我國還需進(jìn)一步加強(qiáng)對艦船裝備保障理論的研究，在現(xiàn)代質(zhì)量管理體系指導(dǎo)下，堅(jiān)持產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新，充分利用歷史數(shù)據(jù)、企業(yè)資源，科學(xué)合理地規(guī)劃保障方案，實(shí)現(xiàn)艦船備件管理的精確化、系統(tǒng)化，為艦船產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)由“大”到“強(qiáng)”的轉(zhuǎn)型發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱雅彥，孟曉哲.基于航空產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新平臺運(yùn)行機(jī)理研究[J].現(xiàn)代管理科學(xué)，2013，（6）：71-73.

[2] 計(jì)國君.我國產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新與國際競爭力研究[J]. 廈門大學(xué)學(xué)報(bào)：哲學(xué)社會科學(xué)版，2007，（2）：81-88.

[3] 方道紅.論軍械倉庫管理與質(zhì)量管理技術(shù)[J].現(xiàn)代管理科學(xué)，2000，（4）：48.

[4] 但斌，胡丹.平戰(zhàn)結(jié)合下大型服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)急備品備件管理研究[J].軟科學(xué)，2012，26（145）：51-54.

[5] 易宏.艦船總體可靠性通用模型及艦船可靠性工程方法研究[D].上海：上海交通大學(xué)學(xué)位論文，2003.

[6] 唐成，梁曉峰，陳硯橋.配置隨船修理設(shè)備對備件儲量影響的仿真分析[J].艦船電子工程，2012，（1）： 95-96.

[7] 馮楊，尹迪，羅兵.基于SES的不常用備件需求預(yù)測模型[J].兵工自動化，2011，30（2）：18-21.

[8] 李涵，周東君，張鋒.基于BP網(wǎng)絡(luò)的機(jī)載導(dǎo)彈備件需求量預(yù)測[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，25（4）：457-61.

[9] 程鶴.陸軍船隊(duì)備品備件優(yōu)化配置策略[D].上海：上海交通大學(xué)學(xué)位論文，2007.

[10] 衛(wèi)一熳，邢煥革.基于灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)與 MS-LSSVM 組合的艦船備件需求預(yù)測[J].艦船電子工程， 2015，（1）：126-30.

[11] WONG H， VAN HOUTUM G J， CATTRYSSE D， et al.Multi-item spare parts systems with lateral transshipments and waiting time constraints[J].European Journal of Operational Research，2006，171（3）：1071-93.

基金項(xiàng)目：海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青年創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目“水面艦艇可靠性、維修性、保障性研究”（項(xiàng)目號：GKZD010059-22）；上海市科委軟科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目“商業(yè)模式對技術(shù)創(chuàng)新策略的影響：上海重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)典型案例研究”（項(xiàng)目號：13692104500）。

作者簡介：易宏（1962-），男，漢族，湖北省武漢市人，上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，IEEE可靠性科學(xué)會HIT委員會委員，研究方向?yàn)榕灤こ?、艦船管理；王鴻東（1989-），男，漢族，福建省泉州市人，上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院博士生，研究方向?yàn)榕灤芾?；許暉（1983-）（通訊作者），女，漢族，廣東省韶關(guān)市人，上海海事大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院講師，上海交通大學(xué)管理學(xué)博士，研究方向?yàn)闋I銷管理、企業(yè)管理、質(zhì)量管理；余平（1989-），男，漢族，江西省宜春市人，上海交通大學(xué)碩士，就職于江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，研究方向?yàn)榕灤芾怼?/p>

收稿日期：2016-01-09。