研制阶段的随舰备件规划方法研究＊

宿 勇 张志华 胡俊波

（1.北京西三环中路19号 北京 100033）（2.海军工程大学 武汉 430033）

研制阶段的随舰备件规划方法研究＊

宿 勇1张志华2胡俊波2

（1.北京西三环中路19号 北京 100033）（2.海军工程大学 武汉 430033）

针对随舰备件保障指标分配与配置优化存在的问题，合理确定了随舰备件规划的相关约束条件。通过研究系统与单元之间的备件保障指标的概率模型，提出了随舰备件保障指标分配方法以及配置方案优化方法，给出了随舰备件配置方案制定的步骤与程序。最后，通过实例分析验证了文中方法的有效性和可行性。

装备系统；备件供应规划；随舰备件；满足率；配置方案

Class NumberE92

1 引言

随舰备件作为舰船装备初始备件供应规划的重要内容，是确保舰船装备现场使用保障和维修保障活动顺利实施的重要物质资源。为确保舰船装备保障能力的及时形成，必须在研制阶段同步开展备件供应规划，针对舰船装备的使用与维修保障特点，合理确定随舰备件的配置品种，科学预测随舰备件的配置数量，制定出随舰备件配置方案，对实现随舰备件的精确化管理具有重要意义。

备件供应规划作为装备研制阶段综合保障工程的重要内容，国内外学者提出了多种备件需求预测方法，总体上可分为两类：一类是基于需求的单项备件需求预测方法，主要是通过研究备件消耗规律，预测各种备件的需求。如文献［1］提出利用时间序列分析易消耗性备件需求趋势，构建了易消耗性维修备件的需求量预测模型；文献［2～3］以备件满足率指标为约束条件，建立了备件订购优化模型，并通过算例进行了应用分析；文献［4］以METRIC为基础提出了备件需求预测模型，文献［5］利用神经网络理论建立了备件需求量的预测模型，文献［6］采用计算机仿真方法描述备件动态需求变化规律以预测备件需求量。基于需求的备件预测方法简单易行，但是制定出的备件配置方案无法反映对装备整体保障能力的影响。因此，近年来，人们越来越重视将装备的系统效能与备件预测相结合，提出了基于系统效能的备件需求预测方法。如文献［7］通过研究备件满足率与装备可用度之间的关系，提出基于可用性的备件需求预测与配置优化模型；文献［8］以备件满足率为优化目标，以费用为约束条件研究了备件的优化配置模型。显然，基于系统效能的备件需求预测方法事实上是通过确定装备系统的备件保障指标与其战备完好性的定量关系，依据装备系统的效能确定备件保障指标，并通过建立备件保障模型来预测备件配置数量。在实际备件供应规划过程中，由于面对的装备多为复杂系统，利用该方法所确定的备件保障指标一般是装备系统的备件保障指标，因此，必须将装备系统的备件保障指标进行合理分解，以便明确组成装备系统的单元（或设备）的备件保障指标，并最终确定各种备件的保障指标。如国军标GJB4355规定的备件保障指标分解方法是：串联系统的备件保障概率可近似认为是其组成单元的备件保障概率的最小值；而文献［9］认为系统的备件保障概率与其组成单元的备件保障概率为线性加权，并利用该方法进行备件需求预测。但文献［7］指出，上述文献提出的系统备件保障模型均是根据工程经验建立的，实际运用时具有限制性。因此，通过深入分析备件保障指标的工程意义，科学建立系统与单元（或设备）之间的备件保障模型，提出合理的备件保障指标分配方法，是目前备件供应规划急需解决的重要问题。

论文针对舰船装备使用保障与维修保障特点，通过分析随舰备件规划的主要活动，明确了随舰备件规划的约束条件。通过分析装备系统与其组成单元（或设备）之间备件保障指标的关系，建立了系统备件保障指标分配模型和备件配置方案优化模型，给出了随舰备件规划的步骤与实施程序。最后通过实例分析，说明本文提出的系统备件保障指标分配方法和备件配置优化方法是有效的。

2 随舰备件规划的约束条件分析

根据国军标GJB4355定义，备件供应规划是确定和提供装备初始保障时间内使用与维修所需备件和消耗品的品种和数量，并提出后续备件供应建议和停产后备件供应保障方法的工作过程。随舰备件作为舰船装备现场使用保障和维修保障的重要物质资源，研制单位在开展随舰备件规划时：1）通过建立装备的产品树分解图，结合舰船装备现场使用保障和维修保障任务特点，初步确定装备的随舰备件品种，并根据备件需求预测结果对备件品种进行适当调整，最终建立装备的随舰备件目录。2）由于在舰船装备研制初期，使用方提出的备件保障指标要求通常是根据舰船装备的战备完好性需求确定的，因此，使用方提出的备件保障指标要求实际上对装备系统而言的，研制方需要将装备系统的备件保障指标要求进行逐层分解，确定组成单元或部件的备件保障指标要求，为随舰备件配置数量的预测与配置方案优化提供输入。3）通过充分挖掘装备及其组成设备或部件的各种可靠性维修性信息，对组成装备的各种备件可靠性水平进行评估，对随舰备件需求进行预测。同时，随着研制的不断深入，各种备件的诸多约束条件（如体积、费用、重量等）逐步明确，还需要不断调整优化随舰备件配置方案。由此可见，随舰备件规划实际上是一个反复迭代过程。

由于装备在研制阶段的设计处于不断改进之中，备件供应保障体制尚未建立，加之装备及其组成单元（或部件）的可靠性维修性相对缺乏，因此，研制阶段的随舰备件规划受到较多限制，需要针对舰船装备使用与维修保障特点，对备件是否可修、寿命分布类型，以及备件供应保障策略等影响随舰备件配置品种与数量的相关约束条件进行合理假定，以确保随舰备件规划能够与舰船装备研制同步开展，合理制定出舰船装备的随舰备件配置方案。

1）随舰备件的不可修性。由于受舰上维修环境条件与舰员维修技能水平的限制，在舰上能够对随舰备件进行修理的能力十分有限，因此，在随舰备件规划时一般假定随舰备件为不可修备件。

2）随舰备件的寿命分布。准确预测随舰备件配置数量的前提不仅需要确定随舰备件的寿命分布类型，而且还应充分挖掘各类可靠性维修性信息，对其可靠性维修性水平进行准确估计。由于装备研制阶段积累的可靠性维修性信息较少，通常情况下，研制阶段难以准确掌握各类随舰备件的寿命分布。由文献［10］可知，在假定备件寿命分布为指数分布情况下，确定的备件配置数量较为保守。因此，在规划随舰备件时，通常可以将各类备件的寿命分布假定为指数分布。

3）随舰备件的供应策略。当舰船装备在海上执行任务期间发生故障开展修理需要备件时，首先动用随舰备件，并根据供应保障策略对消耗的随舰备件进行补充。一方面，随舰备件的配置品种数量与使用方的备件供应保障策略密切相关，在规划随舰备件时需要充分考虑备件的供应保障策略。另一方面，由于备件供应保障受舰船装备使用方式等多种因素的影响，尤其当舰船远离基地执行任务期间，及时有效实施备件供应保障是十分困难的，因此，从实际的供应保障实施来看，为确保故障装备修理时随时有备件可用，需要尽可能多地携带随舰备件。从这个意义上来看，在开展随舰备件规划时可不考虑备件的供应保障问题，尤其在装备研制期间使用方的备件供应保障体制还未完全确定情况下，不考虑备件供应保障策略也是必要的。

3 系统备件保障指标分配与配置方案优化

根据第2节分析可以看出，在实施随舰备件规划时进行如下假设：

假定Ⅰ：系统组成单元或部件寿命服从指数分布。设系统由m个单元或部件组成，其第i个单元或部件的失效率为λi（i＝1，2，…，m）。

假定Ⅱ：随舰备件均为不可修件，且故障部件的更换可瞬时完成，即假设更换时间为零。

假定Ⅲ：在开展随舰备件规划时不考虑备件供应保障策略。

3.1 系统备件保障模型

1）单备件的保障概率与满足率。对于系统的第i种部件，假设配置有ni个备件，且该部件在一次执行任务的工作时间为T，则该部件的保障概率P（ni，T）实际上为在执行任务期间发生的故障次数Xi不大于ni的概率，即

由于故障部件更换是瞬时的，因此，保障概率P（ni，T）实际上是该部件工作到时刻T的瞬时可用度，即Ai（T）＝P（ni，T）。利用瞬时可用度有关结论［10］，可得到该部件在任务期间的平均工作时间为

由文献［11］知，该部件在任务期间的备件满足率为

2）系统的备件保障概率。设系统的可用性模型为As（t）＝F［A1（t），A2（t），…，Am（t）］，则系统的备件保障概率即为系统的瞬时可用度，即

特殊地，当系统为串联系统时，系统的备件保障概率为

3）系统的备件满足率。利用系统的瞬时可用度，容易得到系统在任务期间的平均工作时间ETs由此可得到系统的备件满足率为

特殊地，对于串联系统，由文献［7］可知，系统的备件满足率与单元（或部件）的备件满足率之间具有如下关系：

由不等式（7）可以看出，串联系统的备件满足率小于单个单元的备件满足率，但大于m个单元的备件满足率之积，即系统的备件满足率与单元的备件满足率之间并不是简单的线性关系。

3.2 备件保障指标分配

假设装备与其组成单元之间为串联系统，设串联系统的备件满足率要求为P＊sf。为合理将串联系统的备件满足率指标要求分配给各个单元，按照等分原则，则各个单元的备件满足率分配值是相等的。设第i个单元的备件满足率分配值为。由不等式（7）可知，单元的备件满足率与系统的备件满足率要求之间具有如下关系

实例分析表明，利用上述方法所确定的备件配置方案的系统备件满足率与实际要求较为接近，能够满足工程实际需要。显然，上述备件满足率分配方法较国军标GJB4355推荐的方法更为合理。事实上，国军标GJB4355推荐的方法是对组成单元个数小于100的串联系统，将系统的备件满足率近似等于单元的备件满足率。即

由式（7）可知，利用上述方法确定单元的备件满足率要求将会造成随舰备件配置数量较少。

3.3 系统备件配置方案优化模型

在给出系统组成单元的备件满足率指标要求后，就可以通过建立单元与部件之间的备件满足率模型，以及在综合权衡备件体积、重量、费用等相关约束条件下，优化备件配置方案。假设单元的备件满足率要求达到P＊sf，若以随舰携带备件的总重量、体积或费用最小为目标函数，系统舰船备件配置优化模型为

式中：m为部件种类的数量；ni为第i种备件配置数量；Ci为第i种备件的重量、体积或费用；Pf（n1，n2，…，nm）为单元的备件满足率。

4 随舰备件规划程序与步骤

随舰备件规划需要从装备研制初期开始，并持续装备整个研制阶段，通过反复迭代调整优化的过程，最终制定出装备的随舰备件配置方案，确保使用方提出的备件保障要求得以落实。在随舰备件规划时主要包括如下工作：

1）随舰备件品种确定。为了合理确定装备的随舰备件品种，研制单位需要通过保障性分析，确定装备现场使用保障和维修保障的主要任务，建立装备产品树的分解图，初步确定装备的随舰备件品种。同时，结合随舰备件配置量的预测与优化，不断调整随舰备件配置品种，最终确定装备的随舰备件目录。

2）备件保障要求分配。在舰船研制建造初期，针对使用方提出的备件保障指标要求，采用3.2节提出的分配方法，逐层确定组成单元或部件的备件保障指标要求，为随舰备件配置方案的制定提供输入。

3）单元的随舰备件配置量预测。单元的随舰备件配置量预测的流程如下：

（1）备件数量初始化。将单元的备件满足率分配值作为每种部件的备件满足率，利用式（3）确定该单元的备件初始配置；

（2）在该单元的备件初始配置基础上，对单元的每种备件进行逐步增加，并利用式（6）计算不同的随舰备件配置所对应的单元的备件满足率，通过边际效益比较对单元的随舰备件配置进行优化调整；

（3）当单元的备件满足率满足其分配值时，优化调整结束。

4）系统的随舰备件配置方案制定。综合单元的随舰备件配置方案，获得系统的初始备件品种与各种可能配置数量。在综合考虑备件通用化、标准化、组合化等因素基础上，确定系统初始备件品种。在此基础上，通过综合考虑备件利用率等相关因素，优化获得系统的初始备件配置方案。

5 实例分析

为了说明本文提出的随舰备件规划方法是可行的，本节以某舰船装备为例给出其规划过程。

1）建立该装备的产品树的分解图，初步确定随舰备件品种。该装备由三个分系统串联组成，且每个分系统由若干个部件串联组成。由分解图，初步确定该装备的随舰备件目录如表1所示。

表1 某装备的备件品种及相关参数表（T＝1000）

得到三个分系统的备件满足率为0.8915。

3）分系统的随舰备件配置量预测。以第一个分系统为例，按照每个部件的备件满足率为0.8915，则得到第一个分系统的随舰备件初始配置为（2，2，3，4，4）。利用式（6），可以得到对应的备件满足率为

2）随舰备件保障指标分配。设该装备的备件满足率要求不低于0.8。根据式（8），求解代数方程：

显然，分系统1的备件满足率值未达到配置要求。通过在随舰备件配置基础上逐一增加备件，最终得到分系统1的随舰备件配置量为（3，3，4，5，5），其分系统的备件满足率为0.8941。利用同样方法可得：分系统2的随舰备件配置量为（4，4，4，5），其分系统的备件满足率为0.9187；分系统3的随舰备件配置量为（3，4，5），其分系统的备件满足率为0.8987。

4）装备的随舰备件配置方案确定。由于该装备三个分系统所对应的备件品种相互不通用。因此，根据分系统的随舰备件配置量预测结果，利用式（9）对该装备的随舰备件配置方案进行优化，得到该装备的随舰备件配置方案如表1所示。通过优化，该装备的随舰备件配置方案在原有的配置预测量基础上，分别调整部件31、部件32的配置量（即分别增加1个），此时，装备备件满足率为0.8004，备件总费用为24.24万元。

通过上述实例分析可以看出，论文提出的随舰备件规划方法是可行的，可以将装备的备件保障指标进行合理分解，对随舰备件配置方案优化具有重要意义。

6 结语

对于保障人员来说，舰船装备备件品种和数量的确定是一个较为复杂的过程，需要综合考虑舰船综合特性，例如可靠性、使用强度等因素，并对其进行FMECA、RCMA、MTA、LORA等分析。本文针对舰船装备备件供应规划中急需解决的保障指标分配问题，确定了系统组成单元或部件寿命服从指数分布等随舰备件规划的约束条件，提出了系统备件保障指标分配方法和备件配置方案优化方法，明确了随舰备件规划的步骤与流程。通过实例分析表明，本文提出的随舰备件规划方法是可行的，可对装备保障指标进行合理分解，对随舰备件配置方案优化具有重要意义。

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Research of ShipSpare Parts Regulated Method in Equipment's Development Stage

SU Yong1ZHANG Zhihua2HU Junbo2
（1.No.Central Xisanhuan Road，Beijing 100033）（2.Naval University of Engineering，Wuhan 430033）

To solve the problem in ship spare parts supportability distribution and scheme optimization，the related constraints for spare parts scheme regulated were given.Through studying the probabilistic model of spare supportability index between system and unit，the supportability distribution method and configuration scheme regulated method was put forward.And then the procedure for spare scheme determination was proposed.At last，through example analysis，the validity and feasibility of the method were verified.

equipment system，supply planning for spare parts，ship spare parts，fill rate，configuration scheme

E92DOI：10.3969／j.issn.1672－9730.2015.11.034

2015年5月8日，

2015年6月27日

宿勇，男，博士，高级工程师，研究方向：装备综合保障工程。张志华，男，博士，教授，研究方向：武器系统保障工程和可靠性工程。胡俊波，男，博士，研究方向：装备综合保障工程。