王鴻東，易宏，梁曉鋒，余平

1上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海2002402高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240

3江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海201913

艦船備件配置研究現(xiàn)狀與思考

王鴻東1，2，易宏1，2，梁曉鋒1，2，余平3

1上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240
2高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240

3江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海201913

備件是艦船裝備進(jìn)行正常檢修或應(yīng)急修理的保障性物資，艦船備件配置水平的高低直接影響艦船裝備保障的能力與費(fèi)用。在艦船維修體制分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外艦船備件配置文獻(xiàn)的梳理研究，依據(jù)不同的理論基礎(chǔ)與數(shù)學(xué)模型，總結(jié)基于歷史數(shù)據(jù)、METRIC理論和系統(tǒng)可靠性的配置方法，并對(duì)這些方法的優(yōu)勢(shì)與不足進(jìn)行分析對(duì)比。在此基礎(chǔ)上，提出考慮部件重要度、混合約束下的多目標(biāo)優(yōu)化以及備件共用策略優(yōu)化這3個(gè)艦船備件配置研究未來(lái)的發(fā)展方向。

艦船；備件配置；維修體制；配置方法

0　引　言

近年來(lái)，對(duì)于大型機(jī)電設(shè)備的備件配置問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外專家已進(jìn)行了許多研究，尤其是在航空航天、核工程和電力等領(lǐng)域，研究較為充分。但受裝備特性的影響，多是研究供應(yīng)鏈中各層級(jí)備件配置問(wèn)題［1］。

艦船是一個(gè)可維修的大型復(fù)雜系統(tǒng)，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。因此，對(duì)隨船備件的種類和數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化配置是保障艦船任務(wù)順利完成的重要手段［2-3］。

本文將系統(tǒng)地梳理近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)艦船備件配置方面的研究成果，對(duì)現(xiàn)有研究方法進(jìn)行分析、歸類、對(duì)比，總結(jié)目前研究存在的問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上提出自己的思考與觀點(diǎn)，對(duì)艦船備件配置問(wèn)題下一步的研究方向進(jìn)行闡述。

1　艦船維修體制

維修是產(chǎn)生備件需求的原因，艦船所采用維修體制的不同將直接影響到對(duì)備件數(shù)量的需求［4］。維修體制主要是指維修級(jí)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。

1.1維修級(jí)別

艦船裝備維修級(jí)別目前由基層級(jí)、中繼級(jí)和基地級(jí)這3級(jí)構(gòu)成。其中：基層級(jí)維修由艦員在艦上完成，包括日常檢修及小故障的排除；中繼級(jí)由艦隊(duì)修理所或是修理船完成，包括較大備件的修理；基地級(jí)由海軍造/修船廠或原設(shè)備制造商完成，即艦船要進(jìn)廠進(jìn)行預(yù)防性維修或大故障的排除［5］。

針對(duì)不同設(shè)備不同的故障模式，所采取的維修方式也不一致。按照層次，可分為故障現(xiàn)場(chǎng)可更換部件（Line Replaceable Unit，LRU）和車間可更換部件（Shop Replaceable Unit，SRU）。對(duì)應(yīng)的基地級(jí)維修是車間可更換部件，相應(yīng)地，也就不需要隨船備件。對(duì)應(yīng)的中繼級(jí)維修需要分2種情況：對(duì)于備件的配置而言，艦隊(duì)修理所與基地級(jí)是一致的，而如果由修理船提供備件，則需要考慮艦隊(duì)共用備件的問(wèn)題。對(duì)應(yīng)的基層級(jí)維修是故障現(xiàn)場(chǎng)可更換部件，其解決的是隨船備件的配置問(wèn)題［6］，因此，要確定隨船備件，其前提是確定艦船裝備的維修級(jí)別［7］。

對(duì)于裝備部件維修級(jí)別以及層次分析（Level of Repair Analysis，LORA）的問(wèn)題，Brick和Uchoa［8］建立了混合整數(shù)規(guī)劃（Mixed-Integer Programming，MIP）模型，并利用商業(yè)軟件CPLEX9.1在合理的時(shí)間內(nèi)求解了維修級(jí)別規(guī)劃問(wèn)題。Barros和Riley［9］建立了LORA問(wèn)題的整數(shù)規(guī)劃模型，并開(kāi)發(fā)了LOROM軟件包，通過(guò)分支定界啟發(fā)式算法求解。胡濤和黎放［10］運(yùn)用分析決策樹(shù)模型和經(jīng)濟(jì)性分析模型，研究了面向裝備的維修級(jí)別分析方法，并結(jié)合艦船實(shí)例進(jìn)行了討論。阮旻智等［11］結(jié)合艦載裝備維修保障特點(diǎn)，提出了基于維修效果和費(fèi)用的多指標(biāo)約束下的LORA模型，并運(yùn)用自適應(yīng)粒子群算法進(jìn)行了求解。

1.2維修策略

維修策略是指根據(jù)一定的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素，對(duì)故障部件的更換方案進(jìn)行優(yōu)化與選擇。對(duì)維修策略的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了從事后維修（Corrective Maintenance，CM）到預(yù)防性維修（Preventive Maintenance，PM）的跨越。根據(jù)維修觸發(fā)條件的不同，維修策略可以分為事后維修和預(yù)防性維修2種，其中預(yù)防性維修又可以分為定時(shí)維修和視情維修。由計(jì)劃外故障引起的事后維修對(duì)備件配置的影響一般通過(guò)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，根據(jù)以往的故障數(shù)據(jù)來(lái)分析備件配置方案［12］，如陳慶等［13］通過(guò)對(duì)艦船零部件的平均故障間隔時(shí)間（Mean Time Between Failure，MTBF）及故障率等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲取了事后維修情況下的備件配置方案。對(duì)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［14］基于定時(shí)維修策略對(duì)備件配置方案進(jìn)行了優(yōu)化。也有學(xué)者同時(shí)考慮了2種維修情況下的備件更換策略，如Shum等［15］在同時(shí)考慮預(yù)防性維修和事后維修的情況下，利用遺傳算法對(duì)備件配置方案進(jìn)行了優(yōu)化。基于同樣的維修策略，Romeijnders等［16］對(duì)Fokker Services航空設(shè)備維修服務(wù)公司10年來(lái)的備件需求數(shù)據(jù)及維修信息情況進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證，結(jié)果表明，同時(shí)考慮2種維修策略情況下的備件更換策略較以往Croston的預(yù)測(cè)方法，其準(zhǔn)確率提高了20%［17］。

除此外，一些特定的維修條件也會(huì)對(duì)備件配置方案產(chǎn)生影響。唐成等［18］對(duì)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)行了蒙特卡羅仿真分析，結(jié)果顯示，配置隨船修理設(shè)備可以降低隨船備件的數(shù)量。

可見(jiàn)，要細(xì)致、全面地研究艦船備件的配置問(wèn)題，不能忽略由不同維修策略所導(dǎo)致的不同備件需求影響。在實(shí)際工程中，對(duì)于執(zhí)行任務(wù)的艦船，一般是采取“以換代修”的策略，即假設(shè)艦上所有故障件都是可以被更換但卻不能在艦上進(jìn)行修復(fù)的，故障件被存放在艦上倉(cāng)庫(kù)待返航后再送到基地進(jìn)行處理［19］。

2　艦船備件配置方法

對(duì)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，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行條件約束，運(yùn)用合適的優(yōu)化算法進(jìn)行求解。建模方法的不同，也就意味著研究備件配置問(wèn)題角度的不同。目前，大致可以將研究方法分為以下3類。

2.1基于歷史數(shù)據(jù)的配置方法

基于歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)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，只是對(duì)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(cè)裝備的備件配置數(shù)量及種類［20］。

目前，基于歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)備件需求的方法分為2個(gè)流派：一是基于單時(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(cè)的方法，稱為直接預(yù)測(cè)法（Direct Forecasting，DF）；二是對(duì)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(jí)分析預(yù)測(cè)，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(cè)法（Hierachical Forecasting，HF）［21］。其中層次預(yù)測(cè)法根據(jù)從分系統(tǒng)到部件備件需求合成方法的不同，又可以分為TDF（Top-Down Forecasting）法和CF（Combinatorial Forecasting）法。前者是直接利用頂層分系統(tǒng)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)對(duì)頂層分系統(tǒng)的備件需求進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后再按照各部件在分系統(tǒng)中所占比例，將備件需求數(shù)量分解到部件層次［22］；后者是對(duì)各個(gè)層次分系統(tǒng)或部件時(shí)間序列上的備件需求進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后再推導(dǎo)出更低層級(jí)部件的備件需求量［23］。由于備件需求呈現(xiàn)不穩(wěn)定性和間歇性的特點(diǎn)，故分層預(yù)測(cè)比直接預(yù)測(cè)更為準(zhǔn)確［24］，這是因?yàn)椴考哟紊系男枨蟛环€(wěn)定與間歇性可以在系統(tǒng)層級(jí)上被其他部件所中和，從而使部件層次的預(yù)測(cè)結(jié)果更為可靠［25］。

已有不少學(xué)者基于上述2類數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)分析方法對(duì)艦船備件配置進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用。例如，馮楊等［26］利用簡(jiǎn)單指數(shù)平滑方法（Simple Exponential Smoothing，SES）對(duì)某型艦艇備件進(jìn)行直接預(yù)測(cè)，分析了指數(shù)平滑法初始值和加權(quán)系數(shù)對(duì)模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的影響，建立了艦船間斷需求備件預(yù)測(cè)模型，并通過(guò)仿真計(jì)算證明該方法可行、有效。Romeijnders等［16］在平滑指數(shù)預(yù)測(cè)方法的基礎(chǔ)上予以改進(jìn)，提出了雙步預(yù)測(cè)方法。Moon等［27］在SES的基礎(chǔ)上，利用“R 2.6.2-forecast”軟件包確定了最優(yōu)化的平滑指數(shù)系數(shù)，通過(guò)對(duì)韓國(guó)海軍184艘艦船的年度備件需求數(shù)據(jù)進(jìn)行層次預(yù)測(cè)，獲得了較以往直接預(yù)測(cè)方法更為準(zhǔn)確的結(jié)果。

除此以外，許多學(xué)者還將機(jī)器學(xué)習(xí)、模糊數(shù)學(xué)和大數(shù)據(jù)分析等思想融合進(jìn)了基于歷史數(shù)據(jù)的備件需求預(yù)測(cè)方法中。Petrovi等［28］開(kāi)發(fā)了Sparta （Spare parts advisor）軟件，該軟件是將知識(shí)工程與歷史數(shù)據(jù)融合來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)判斷的。該軟件的知識(shí)系統(tǒng)由30個(gè)參數(shù)和30條規(guī)則組成，其基于歷史數(shù)據(jù)不斷給出備件配置方案，并通過(guò)不斷向使用者提問(wèn)來(lái)獲得關(guān)于系統(tǒng)可靠性要求與總經(jīng)費(fèi)的參數(shù)值，對(duì)方案進(jìn)行篩選，直至給出結(jié)果。李涵等［29］將影響機(jī)載導(dǎo)彈部署備件需求的6項(xiàng)因素量化，利用單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)下一年備件需求量的預(yù)測(cè)。Willemain等［30］采用基于時(shí)間序列預(yù)測(cè)的Bootstrap方法，從歷史備件需求數(shù)據(jù)中自助抽樣統(tǒng)計(jì)，對(duì)未來(lái)備件需求進(jìn)行了預(yù)測(cè)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于，通過(guò)機(jī)器計(jì)算產(chǎn)生虛擬數(shù)據(jù)將艦船這樣的“小樣本”數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為了“大樣本”數(shù)據(jù)，但尚缺乏實(shí)際的應(yīng)用。

2.2基于METRIC理論的配置方法

METRIC（Multi-EchenlonTechniquefor Recoverable Item Control）這一經(jīng)典保障理論由Sherbrooke［31］于1968年首次提出，他將備件供應(yīng)體系分為了現(xiàn)場(chǎng)和基地2個(gè)層次，以平均缺貨率（Expected Back Order，EBO）為衡量指標(biāo)對(duì)可修復(fù)部件進(jìn)行配置，并實(shí)際運(yùn)用到了美國(guó)空軍備件保障體系中。1973年，Muckstadt［32］在METRIC模型的基礎(chǔ)上，對(duì)部件進(jìn)行分級(jí)，形成了多層供應(yīng)、多級(jí)部件的MOD-METRIC模型，并應(yīng)用到了美國(guó)空軍的F-15武器系統(tǒng)中。Hillestad［33］于1982年提出了Dyna-METRIC模型，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，以研究部件送修與備件庫(kù)存系統(tǒng)的瞬時(shí)活動(dòng)。Graves［34］將原METRIC理論中部件修復(fù)時(shí)間泊松分布替換為服從負(fù)二項(xiàng)式分布，更真實(shí)地反映了維修過(guò)程，形成了多層供應(yīng)、單級(jí)部件的VARI-METRIC模型，隨后，Sherbrooke［35］又將上述模型拓展成了多層供應(yīng)、多級(jí)部件的VARI-METRIC模型。

METRIC理論的主要缺陷在于其前提假設(shè)條件過(guò)多，難以滿足大型機(jī)電設(shè)備的備件管理問(wèn)題需求，如各部件的失效過(guò)程服從獨(dú)立泊松分布、未考慮相同設(shè)備間的橫向備件共用供給、具備無(wú)限維修能力和備件裝載能力。因此，在這些經(jīng)典模型的基礎(chǔ)上，許多學(xué)者又進(jìn)行了大量的探索，以使其更適于解決實(shí)際工程問(wèn)題。

Gross等［36］將VARI-METRIC模型中維修能力無(wú)限的假設(shè)修正為了更真實(shí)的有限維修能力，并引入了閉排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)理論用于描述維修過(guò)程。Díaz 和Fu［37］給出了有限維維修能力下的庫(kù)存水平分析，認(rèn)為在原有的無(wú)限維修能力下求得的庫(kù)存水平偏低。Kaplan［38］在無(wú)限維修能力假定下，考慮了多層供應(yīng)、雙級(jí)部件、具備冗余設(shè)計(jì)的K/N系統(tǒng)。

Kranenburg等［39-41］采用轉(zhuǎn)移概率描述了備件的共用過(guò)程，運(yùn)用馬爾科夫鏈建模分析了備件共用對(duì)備件配置種類和數(shù)量帶來(lái)的影響。但該方法對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求較多，解析計(jì)算復(fù)雜，難以處理多船、多部件的備件配置問(wèn)題。

以上方法均是以最小化單個(gè)備件平均缺貨率EBO為優(yōu)化目標(biāo)，稱為部件算法（Item approach）。荷蘭學(xué)者Rustenburg等［42］將VARI-METRIC模型應(yīng)用于荷蘭皇家海軍護(hù)衛(wèi)艦隊(duì)的備件配置，并由每個(gè)部件的EBOi計(jì)算了艦船系統(tǒng)的保障概率An以作為優(yōu)化目標(biāo)。計(jì)算公式如下：

式中：Si為第i種部件的庫(kù)存量；Zi為第i種部件在裝備上的數(shù)量。

當(dāng)艦船編隊(duì)由同一種船型組成時(shí)，可以計(jì)算出編隊(duì)整體的保障概率A：

Rustenburg等［42］將這一指標(biāo)等同于艦船編隊(duì)的可用度，提出了“系統(tǒng)算法”（與基于系統(tǒng)可靠性的系統(tǒng)算法有所區(qū)別），并以此為目標(biāo)函數(shù)，以備件預(yù)算費(fèi)用為約束，利用貪婪算法進(jìn)行了優(yōu)化求解。

陳硯橋等［43］考慮備件共用時(shí)的橫向供給時(shí)間，提出了庫(kù)存系統(tǒng)平均不缺貨概率的概念，建立了單級(jí)多點(diǎn)系統(tǒng)備件配置模型，并用仿真方法計(jì)算了保障延誤時(shí)間，對(duì)于解決有限個(gè)配置方案的綜合擇優(yōu)具有較好的適用性。

蔡芝明等［19］以編隊(duì)備件保障概率為目標(biāo)，考慮載荷、費(fèi)用和存儲(chǔ)空間的約束條件，建立了多約束下編隊(duì)隨船備件配置優(yōu)化模型，并引入拉格朗日約束因子和罰函數(shù)，運(yùn)用邊際分析法進(jìn)行了求解。該方法對(duì)于解決多約束下編隊(duì)隨船備件配置優(yōu)化問(wèn)題具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性。

基于METRIC理論的成果，瑞典SYSTECON公司開(kāi)發(fā)了綜合保障軟件OPUS，40多年來(lái)，已被廣泛應(yīng)用于艦船、飛機(jī)等大型裝備的備件優(yōu)化與費(fèi)效分析中。

2.3基于系統(tǒng)可靠性的配置方法

系統(tǒng)可靠性描述的是系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的能力。在艦船可靠性工程中，一般選取使用可用度 A0或任務(wù)可靠度Rm作為可靠性參數(shù)。

艦船系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中，并非所有的部件故障都需要立即進(jìn)行更換，那些對(duì)系統(tǒng)可靠性影響甚微的故障部件可以留待返回基地后再進(jìn)行檢修更換。

Moore［44］認(rèn)為，應(yīng)首先根據(jù)所屬部件的不同功能對(duì)備件進(jìn)行分類配置。備件的配置數(shù)量應(yīng)以滿足系統(tǒng)可靠性為目標(biāo)，以能容納備件體積、重量為約束，同時(shí)還要考慮部件的歷史使用情況、備件供應(yīng)延誤時(shí)間以及由缺貨造成的損失等因素。Moore雖然給出了相應(yīng)的闡述，但卻未給出定量的數(shù)學(xué)模型以供計(jì)算。Sleptchenko等［45］依照艦船部件發(fā)生故障后帶來(lái)危害的嚴(yán)重程度以及對(duì)預(yù)算經(jīng)費(fèi)的影響，將部件按照重要程度分為了4類進(jìn)行分析，開(kāi)始運(yùn)用系統(tǒng)的觀點(diǎn)來(lái)看待問(wèn)題，對(duì)有些小部件不產(chǎn)生影響的故障則不進(jìn)行考慮。

敬軍等［46］提出艦船使用可用度對(duì)保障資源的指標(biāo)有明確的約束和指導(dǎo)作用，并論述了使用可用度A0與隨船備件滿足率之間的約束關(guān)系。馮申和楊自春［47］將艦船一次作戰(zhàn)任務(wù)劃分為了3個(gè)階段，即航渡、作戰(zhàn)與返航，根據(jù)3個(gè)階段不同的任務(wù)要求，建立了任務(wù)周期內(nèi)新的備件配置模型：在航渡和返航階段，利用以可用度為中心的蒙特卡羅仿真方法進(jìn)行備件配置；在作戰(zhàn)階段，根據(jù)戰(zhàn)損情況進(jìn)行備件配置，即根據(jù)歷史戰(zhàn)損概率P，假設(shè)每次打擊都是致命打擊，對(duì)部件進(jìn)行備件配置。系統(tǒng)總的備件配置數(shù)等于3個(gè)階段配置數(shù)量之和。

Liang等［48］以保障艦船的任務(wù)可靠度Rm為目標(biāo)，利用故障樹(shù)方法（FTA），提出了基于最小割集的可靠性數(shù)值仿真方法，并對(duì)艦船典型任務(wù)剖面進(jìn)行分析，獲得了艦船部件的關(guān)鍵重要度排序（t），計(jì)算公式如下：

式中：Qi（t）為部件i的失效概率；g（t）為系統(tǒng)的不可靠度函數(shù)。（t）衡量了由部件i的失效概率的變化率引起的系統(tǒng)失效概率的變化率，其值越大，表明該部件觸發(fā)系統(tǒng)失效的可能性越大。從工程應(yīng)用上來(lái)說(shuō)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，首先考慮的是由該部件觸發(fā)，故優(yōu)先增加該部件的備件數(shù)量，這樣有利于快速提高系統(tǒng)可靠性。對(duì)于基于（t）確定的備件配置的優(yōu)先級(jí)，利用經(jīng)典搜索法，可以獲得艦船備件的配置方案［13］。

在此基礎(chǔ)上，程鶴［49］探索了基于系統(tǒng)可靠性的艦船編隊(duì)備件配置方法，提出以艦船編隊(duì)在航率為系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。針對(duì)多船共用同一種備件的情況，程鶴提出可在數(shù)值仿真過(guò)程中根據(jù)故障發(fā)生時(shí)間的先后順序來(lái)分配備件，并對(duì)由2艘同型號(hào)艦船組成的編隊(duì)進(jìn)行實(shí)例分析，驗(yàn)證了方法的可行性。

3　艦船備件配置思考與展望

3.1現(xiàn)有研究方法的分析與對(duì)比

當(dāng)前3類主流備件配置研究方法的特點(diǎn)如下：

1）基于歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)方法忽略了艦船故障的內(nèi)在機(jī)理，其準(zhǔn)確性依賴于大量數(shù)據(jù)的累積。但艦船多為小子樣系統(tǒng)，無(wú)法進(jìn)行大量重復(fù)試驗(yàn)，故該類方法適于研究易于進(jìn)行統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)的艦船設(shè)備的備件配置問(wèn)題，如發(fā)電機(jī)、空氣壓縮機(jī)等［27］。

2）基于METRIC理論的配置方法是目前應(yīng)用最廣泛的方法。該方法具備較為完善的數(shù)學(xué)模型，便于進(jìn)行變量分析與編程計(jì)算，尤其是引入數(shù)值仿真方法后，克服了原先對(duì)部件失效概率、保障延誤時(shí)間等參數(shù)的苛刻假設(shè)，使其易于處理大型復(fù)雜系統(tǒng)的備件配置問(wèn)題。但其以備件滿足率為保障目標(biāo)進(jìn)行配置，使得不同部件的重要度無(wú)法區(qū)分。例如，驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)軸承的損壞顯然比發(fā)電柴油機(jī)軸承的損壞對(duì)系統(tǒng)的影響更嚴(yán)重，但在備件配置時(shí)卻無(wú)法體現(xiàn)。

3）基于系統(tǒng)可靠性的配置方法與METRIC理論中以備件滿足率為保障目標(biāo)不同，該方法是以艦船系統(tǒng)規(guī)定功能的實(shí)現(xiàn)為保障目標(biāo)，具有更強(qiáng)的針對(duì)性。尤其是采用FTA模型和基于最小割集的可靠性數(shù)值仿真方法后，使得部件失效對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響大小通過(guò)部件關(guān)鍵重要度這一指標(biāo)得到了體現(xiàn)，綜合了部件失效概率、因備件缺失導(dǎo)致的后果嚴(yán)重程度以及是否存在冗余設(shè)計(jì)等要素，自然實(shí)現(xiàn)了對(duì)備件重要度的分級(jí)。但該方法的使用對(duì)艦船部件可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的積累、艦船故障模式的知識(shí)積累要求很高，且目前的研究忽略了保障延誤時(shí)間對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響。

當(dāng)前，對(duì)于3艘船以上編隊(duì)備件共用策略的問(wèn)題，上述3類方法尚缺少深入的研究。

3.2未來(lái)的研究發(fā)展方向

綜上所述，認(rèn)為艦船備件配置技術(shù)研究將朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展。

1）考慮部件重要度進(jìn)行備件配置。

利用FTA技術(shù)分析艦船部件關(guān)鍵重要度并進(jìn)行分類排序，以作為備件配置的重要參考是一個(gè)較好的方法。隨著艦船任務(wù)目標(biāo)的多樣化，備件的價(jià)格及獲取的難易程度等也可列入部件重要度的考慮范疇。

目前，考慮部件重要度的備件配置方案研究尚不多見(jiàn)，需要進(jìn)一步深入研究，做到“抓大放小”，減少無(wú)關(guān)“大局”的備件配置，以節(jié)約經(jīng)費(fèi)、空間和載重等有限資源。

2）混合約束下的多目標(biāo)優(yōu)化。

隨著艦船約束條件的多樣化，在確定備件配置方案時(shí)，需要對(duì)多種定性或定量的需求進(jìn)行綜合考量。其通用優(yōu)化模型如下：

式中：R0為給定的約束指標(biāo)，如系統(tǒng)可靠性、儲(chǔ)存空間等；G（X）為優(yōu)化目標(biāo)，如費(fèi)用、載荷等；X為備件數(shù)量向量；Z為整數(shù)集。

對(duì)于備件費(fèi)用、儲(chǔ)存空間及載荷等可定量化的約束條件，可利用懲罰函數(shù)法和歸一法等將多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化為賦權(quán)單目標(biāo)函數(shù)。對(duì)于維修能力、系統(tǒng)效能及綠色度等定性約束，可采用層次分析和專家打分等方法進(jìn)行定量化。簡(jiǎn)化后的模型可采用經(jīng)典搜索法、遺傳算法和模擬退化算法等啟發(fā)式算法進(jìn)行求解。

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)的優(yōu)化模型求解，需進(jìn)一步進(jìn)行深入研究。

3）艦船編隊(duì)備件共用策略優(yōu)化。

目前，對(duì)于2艘艦船間的備件共用問(wèn)題，利用蒙特卡羅仿真模擬故障發(fā)生過(guò)程可獲得較好的解決。但對(duì)于3艘以上艦船的多對(duì)多橫向供應(yīng)體系共用策略（Pooling game）優(yōu)化問(wèn)題，尚缺少研究，未能形成艦船編隊(duì)一體化備件保障體系。

解決這一問(wèn)題的難點(diǎn)在于，艦船備件配置工程中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺失，且對(duì)備件橫向供給所需的運(yùn)輸時(shí)間和成本等數(shù)據(jù)缺乏采集、統(tǒng)計(jì)與處理。這些問(wèn)題是船舶這一小子樣系統(tǒng)研究中必然會(huì)遇到的困難。同時(shí)，也需要更新的數(shù)據(jù)處理思想和船舶配置方式，以推動(dòng)該領(lǐng)域研究的完善與進(jìn)步。

4　結(jié)　語(yǔ)

艦船備件配置從依靠歷史數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)式預(yù)測(cè)，走向以可靠性為中心的備件配置，是一個(gè)質(zhì)的飛越。而從以備件個(gè)數(shù)的視角來(lái)優(yōu)化，到綜合經(jīng)濟(jì)、載荷和作戰(zhàn)效能等多方面的性能進(jìn)行優(yōu)化，是艦船備件配置走向科學(xué)化、精確化與定制化的又一個(gè)標(biāo)志。

隨著我國(guó)艦船裝備技術(shù)的發(fā)展，隨艦搭載的裝備日益復(fù)雜，我國(guó)科研人員還需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)艦船裝備保障理論的研究，充分利用歷史數(shù)據(jù)，科學(xué)、合理地規(guī)劃保障方案，實(shí)現(xiàn)裝備備件保障的精確化和系統(tǒng)化，為海洋資源開(kāi)發(fā)、海洋權(quán)益維護(hù)提供堅(jiān)實(shí)的保障。

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Analysis of the research status of ship spare parts allocation

WANG Hongdong1，2，YI Hong1，2，LIANG Xiaofeng1，2，YU Ping3

1 State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China
2 Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration，Shanghai 200240，China
3 Jiangnan Shipyard（Group）Co.，Ltd.，Shanghai 201913，China

The spare parts of naval ships are major support for regular and emergent maintenance.The allocation level of spare parts is directly related to the logistic capability and investment.Based on both foreign and domestic study about spare parts allocation，this paper analyzes the ship maintenance system and summarizes the categories for different approaches such as the historical data forecasting method，METRIC theory-based method，and system reliability-based method according to their own theoretical basis and mathematic models.Meanwhile，the advantages and disadvantages of these methods are comparatively studied.Finally，the research directions considering component importance，multi-constraints，and multi-objective optimization，and spare parts sharing strategy optimization are proposed.

ship；spare parts allocation；maintenance system；allocation method

U672.7

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.020

2015-12-16網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-7-29 9:45

海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青年創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（GKZD010059-22）

王鴻東，男，1989年生，博士生。研究方向：艦船可靠性，水動(dòng)力學(xué)。E-mail：whd302@sjtu.edu.cn

易宏，男，1962年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：艦船可靠性。

E-mail：yihong@sjtu.edu.cn

梁曉鋒（通信作者），男，1976年生，博士，助理研究員。研究方向：艦船可靠性。

E-mail：liang_xiaofeng@sjtu.edu.cn