賈寶惠,于靈杰,藺越國(guó),盧翔
中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院,天津 300300
基于AHP-SPA方法的民機(jī)修理級(jí)別確定綜合分析模型
賈寶惠*,于靈杰,藺越國(guó),盧翔
中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院,天津 300300
民機(jī)保障性分析中的重要內(nèi)容之一是修理級(jí)別分析(Level of Repair Analysis, LORA),現(xiàn)有的修理級(jí)別分析模型沒有基于民機(jī)維修保障體制的特點(diǎn)綜合考慮各類影響修理級(jí)別的因素。文章綜合考慮修理級(jí)別分析的技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和商業(yè)指標(biāo),將層次分析法(Analytical Hierarchy Process,AHP)與集對(duì)分析法(Set Pair Analysis,SPA)結(jié)合起來,建立民機(jī)修理級(jí)別分析綜合評(píng)價(jià)模型,以實(shí)施經(jīng)濟(jì)性修理級(jí)別分析。并通過實(shí)例對(duì)AHP-SPA綜合分析模型進(jìn)行驗(yàn)證,表明了該模型的可行性,因此該文章的理論模型可為民機(jī)制造商和航空公司在修理級(jí)別確定方面提供理論參考和技術(shù)支持。
保障性分析;修理級(jí)別分析;層次分析法;集對(duì)分析法;綜合評(píng)價(jià)模型
修理級(jí)別分析(Level of Repair Analysis, LORA)是在裝備研制階段根據(jù)裝備修理的約定層次與修理級(jí)別的關(guān)系,分析確定裝備中的產(chǎn)品故障或損壞時(shí)是需要報(bào)廢或是需要修理,如需要修理,確定應(yīng)在哪一個(gè)維修級(jí)別機(jī)構(gòu)中完成修理工作是最佳的過程[1]。根據(jù)維修的不同深度、廣度、技術(shù)復(fù)雜程度和維修資源等因素,將民用飛機(jī)修理級(jí)別分三級(jí),即航線級(jí)、車間級(jí)和基地級(jí)[2]。在進(jìn)行民機(jī)修理級(jí)別分析時(shí),要考慮的因素包括非經(jīng)濟(jì)因素和經(jīng)濟(jì)因素兩大方面。一級(jí)指標(biāo)為商業(yè)性指標(biāo)、技術(shù)性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。二級(jí)基層指標(biāo)有執(zhí)行任務(wù)要求、保密性、效能、安全性、現(xiàn)有維修方案、PHST(Packaging,Handling and Stevedoring Transportation)、保障設(shè)備與設(shè)施、人力與人員、維修費(fèi)用和維修時(shí)間等10個(gè)[3],并針對(duì)定性指標(biāo)和定量指標(biāo)的特點(diǎn)分析了指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
近年來國(guó)內(nèi)外十分重視修理級(jí)別分析的研究,2014年,美軍采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SAE AS1390[4],“LORA”給出了實(shí)施和執(zhí)行修理級(jí)別分析活動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)化方法;Barros先提出解決LORA問題的完整規(guī)劃體系[5],后和Riley提出了用確定的分支定界啟發(fā)式算法,來解決LORA問題[6];Gutina等通過在雙向圖上把LORA問題還原成二部圖的最大權(quán)獨(dú)立集問題證明了LOAR問題是多項(xiàng)式時(shí)間可解的[7-8];Haritha和Kumar建立的優(yōu)化模型是一個(gè)0-1線性規(guī)劃問題[9],假設(shè)任意一個(gè)部件負(fù)擔(dān)一個(gè)特定固定成本,并通過一個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的修理級(jí)別實(shí)例分析,研究該算法在求解LORA問題上的應(yīng)用;Basten等先后提出多層多級(jí)整數(shù)規(guī)劃模型和最小成本流模型并作了相關(guān)擴(kuò)展,但是建立該模型需要更多關(guān)于修理網(wǎng)絡(luò)的信息,在產(chǎn)品壽命初期執(zhí)行修理級(jí)別分析時(shí)很難獲得該信息[10-12];Brick和Uchoa在LORA問題中加入了修理設(shè)施選址問題[13],增加了問題的復(fù)雜程度,作者不得不作簡(jiǎn)化假設(shè),這里資源有容量限制,且數(shù)據(jù)不是按級(jí)別聚合。
中國(guó)對(duì)修理級(jí)別分析的研究開始較晚,但也進(jìn)行了大量研究;吳昊等針對(duì)民機(jī)修理,建立層次化模型,將定性問題轉(zhuǎn)化成定量問題,利用免疫粒子群優(yōu)化(Immunity Algorithms-Particle Swarm Optimization,IA-PSO)算法對(duì)建立的優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化求解,進(jìn)行實(shí)例分析驗(yàn)證模型的合理性[14-15];李鑫等在基于模糊層次分析法的基礎(chǔ)上引入灰色關(guān)聯(lián)分析,分別建立LORA經(jīng)濟(jì)性和非經(jīng)濟(jì)性分析模型[16-17];薛陶等先后基于LORA決策流、層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)度建立經(jīng)濟(jì)性分析模型,后來又構(gòu)建了一個(gè)三層兩級(jí)的非線性聯(lián)合優(yōu)化模型,所提出的聯(lián)合優(yōu)化方法可節(jié)約維修費(fèi)用[18-20]。
國(guó)外對(duì)于修理級(jí)別分析的研究以降低全壽命周期維修費(fèi)用為出發(fā)點(diǎn),建立數(shù)學(xué)模型,并研究相關(guān)算法,以期對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化求解。國(guó)內(nèi)修理級(jí)別分析方法科學(xué)性和可操作性較差。另外,現(xiàn)有的修理級(jí)別分析模型,沒有綜合考慮影響修理級(jí)別分析的因素和民機(jī)維修保障體制的特點(diǎn)。本文將層次分析法與集對(duì)分析法有機(jī)結(jié)合,綜合考慮影響修理級(jí)別分析的技術(shù)性因素、經(jīng)濟(jì)性因素和商業(yè)性因素,建立民機(jī)修理級(jí)別分析綜合評(píng)價(jià)模型。以某型民機(jī)升降舵伺服閥為研究對(duì)象,應(yīng)用該模型對(duì)備選修理級(jí)別方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),確定該故障件的最佳修理級(jí)別,從而驗(yàn)證了該模型的合理性。
圖1顯示了層次分析法(Analytical Hierarchy Process,AHP)確定權(quán)重的流程。
由圖1可知,首先要構(gòu)造判斷矩陣A,通過和法求解指標(biāo)權(quán)重確定A的特征向量w,通過平均隨機(jī)一致性指標(biāo)計(jì)算一致性比例,以檢驗(yàn)判斷矩陣A的一致性,最終確定權(quán)重。
AHP[21]方法通過比較判斷指標(biāo)的相對(duì)重要性,判斷矩陣?yán)脴?biāo)度將指標(biāo)間的相對(duì)重要性定量化,通常使用Thomas提出的1~9標(biāo)度衡量其關(guān)系,AHP的比例標(biāo)度反映的是人們對(duì)定性因素的比較判斷,一般不具有實(shí)際的物理意義,判斷矩陣標(biāo)度的含義如表1所示。
圖1 層次分析法確定權(quán)重的流程Fig.1 Process of determining weight with AHP
表1 判斷矩陣標(biāo)度及其含義Table 1 Scale and meaning of judgment matrix
重要性標(biāo)度含 義1表示兩個(gè)元素相比,具有同等重要性3表示兩個(gè)元素相比,前者比后者稍微重要5表示兩個(gè)元素相比,前者比后者明顯重要7表示兩個(gè)元素相比,前者比后者強(qiáng)烈重要9表示兩個(gè)元素相比,前者比后者極端重要2,4,6,8表示上述判斷的中間情況倒數(shù)若元素i與元素j的重要性之比為bij,則元素j與元素i的重要性之比為bji=1/bij
求解判斷矩陣的特征向量w,本文采用和法求解指標(biāo)權(quán)重。
1) 將判斷矩陣每一列歸一化:
(1)
將按列歸一化后的判斷矩陣再按行求和:
(2)
(3)
則w=[w1,w2,…,wn]T即為所求的特征向量,即指標(biāo)權(quán)重。
設(shè)判斷矩陣最大特征根為λmax:
(4)
式中:(Bw)i為向量Bw的第i個(gè)分量;n為判斷矩陣階數(shù)。
如果判斷矩陣B具有完全一致性,λmax=n。但一般情況下B是近似估值,故有λmax≥n,因此可以用λmax與n的誤差來判斷B的準(zhǔn)確性。為了檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性,需要計(jì)算它的一致性指標(biāo)CI:
(5)
當(dāng)判斷矩陣具有完全一致性時(shí),CI=0。設(shè)判斷矩陣平均隨機(jī)性一致性指標(biāo)RI,對(duì)于不同階數(shù)的判斷矩陣,RI的值可查表得出。計(jì)算一致性比例CR:
(6)
若CR計(jì)算值小于0.1,則判斷矩陣通過檢驗(yàn),其一致性是可以接受的,否則重新調(diào)整判斷矩陣。
基于民機(jī)維修等級(jí)評(píng)價(jià)問題的工程實(shí)際特點(diǎn),只需計(jì)算方案之間的同一度。一般說來,首先要進(jìn)行評(píng)價(jià)的問題描述:設(shè)備選方案為D1,D2,…,Dp共p個(gè)。每個(gè)方案有E1,E2,…,Em共m個(gè)指標(biāo),各個(gè)指標(biāo)的單位沒有限制,可以一樣,也可以不一樣。eik(i=1,2,…,p;k=1,2,…,m)表示第i個(gè)方案、第k個(gè)指標(biāo)的指標(biāo)值[22]。在進(jìn)行方案綜合評(píng)價(jià)之前,要進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的確定。對(duì)各備選方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),做出決策。為了解決上述問題,應(yīng)用基于集對(duì)分析法(Set Pair Analysis, SPA)同一度的綜合評(píng)價(jià)方法,其步驟如下:
1) 建立綜合分析模型描述要解決的問題
建立方案模型,描述要解決的問題。基于集合的概念,通常將所分析的問題表示為一個(gè)集合。集合由各個(gè)子集組成,包括備選方案集、評(píng)價(jià)指標(biāo)集、指標(biāo)權(quán)重集、集對(duì)矩陣集以及聯(lián)系矩陣集等。
2) 確定理想方案
建立理想方案T,作為評(píng)價(jià)的基準(zhǔn),理想方案的第k個(gè)指標(biāo)值為e0k。
3) 計(jì)算指標(biāo)值間的同一度
計(jì)算備選方案與理想方案各指標(biāo)值之間的同一度,設(shè)同一度值為aik,則有
(7)
4) 計(jì)算方案間的同一度
計(jì)算各個(gè)備選方案與理想方案之間的同一度,設(shè)同一度值為ai(i=1,2,…,p)。由步驟3)計(jì)算得到各指標(biāo)之間的同一度aik,再已知各指標(biāo)的權(quán)重wk(k=1,2,…,m),便可加權(quán)得到各備選方案與理想方案之間的同一度:
(8)
5) 確定最優(yōu)方案
根據(jù)步驟4)計(jì)算得到方案間的同一度值ai,同一度值最大的備選方案即為最優(yōu)方案。
D*=max(a1,a2,…,an)
(9)
具體流程如圖2所示。
圖2 基于SPA同一度的綜合評(píng)價(jià)流程Fig.2 Comprehensive evaluation process based on SPA same degree
本文采用層次分析法來確定指標(biāo)權(quán)重,用集對(duì)分析法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),建立了民機(jī)修理級(jí)別綜合評(píng)價(jià)模型,對(duì)備選維修方案進(jìn)行評(píng)價(jià)比較。
首先,建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系:通過對(duì)相關(guān)領(lǐng)域?qū)<业囊庖娬髟?,綜合分析后,建立修理級(jí)別分析評(píng)價(jià)綜合指標(biāo)體系,一級(jí)指標(biāo)為商業(yè)性指標(biāo)、技術(shù)性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。其中商業(yè)性指標(biāo)和技術(shù)性指標(biāo)是對(duì)非經(jīng)濟(jì)性因素的拆分。根據(jù)一級(jí)指標(biāo)對(duì)修理級(jí)別方案的影響劃分二級(jí)指標(biāo),如商業(yè)性指標(biāo)包括執(zhí)行任務(wù)要求、保密性、維修時(shí)間3個(gè)影響因素。本文建立的民機(jī)修理級(jí)別綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖3所示。
其次,對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分:對(duì)于執(zhí)行任務(wù)要求、保密性、效能、安全性、現(xiàn)有維修方案、PHST、保障設(shè)備與設(shè)施、人力與人員等定性指標(biāo),設(shè)立評(píng)價(jià)集,用{好,較好,一般,較差,差}五級(jí)評(píng)語評(píng)定指標(biāo)。匯總專家評(píng)價(jià)表,各指標(biāo)的最終得分是專家評(píng)價(jià)的均值。具體方法參照以下步驟進(jìn)行:
1) 列舉各影響因素,并羅列出修理級(jí)別備選方案。
圖3 修理級(jí)別分析評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.3 Repair level analysis and evaluation index system
2) 制作定性指標(biāo)評(píng)價(jià)表,如表2所示,表中O為航線級(jí);I為車間級(jí);D為基地級(jí);X為報(bào)廢。采用置信度的形式,對(duì)各指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。置信度以小數(shù)表示,且各指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)打分之和不能大于1。
3) 為了減弱評(píng)價(jià)過程中的主觀影響,可聘請(qǐng)多位專業(yè)人員,進(jìn)行多輪評(píng)價(jià),對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行綜合分析計(jì)算,得表3。
維修費(fèi)用和維修時(shí)間為定量指標(biāo),取其實(shí)際值作為評(píng)價(jià)值。維修費(fèi)用利用維修成本數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算方法參考賈寶惠和周帆的最小成本優(yōu)化模型[23],其中對(duì)于各類費(fèi)用的計(jì)算公式以及基本費(fèi)用參數(shù)的計(jì)算方法可參考GJB 2961-97[24]。文獻(xiàn)[23]中最小成本優(yōu)化模型為
(10)
式中:l為所研究系統(tǒng)的部件總數(shù);r為修理選項(xiàng),修理、報(bào)廢或移動(dòng);γx為部件x全壽命周期內(nèi)所需維修任務(wù)的總次數(shù);FCr,e,x為部件x在維修級(jí)別e上執(zhí)行修理選項(xiàng)r的固定成本;VCr,e,x為部件x在維修級(jí)別e上執(zhí)行修理選項(xiàng)r的可變成本;決策變量Xr,e,x=1為部件x在修理級(jí)別e上選擇了修理選項(xiàng)r,否則Xr,e,x=0;修理級(jí)別e=1代表航線級(jí),e=2代表車間級(jí),e=3代表基地級(jí)。
表2 定性評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 2 Qualitative evaluation index
表3 民機(jī)修理級(jí)別分析綜合評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型
第三,對(duì)各指標(biāo)評(píng)分確定權(quán)重:確定權(quán)重的計(jì)算方法如式(1)~式(6);利用集對(duì)分析法依次計(jì)算指標(biāo)間和方案間的同一度,如式(7)~式(9),最終確定最優(yōu)方案,具體流程如圖4所示。
以某型民機(jī)升降舵伺服閥為研究對(duì)象,對(duì)該故障件進(jìn)行修理級(jí)別分析,該型飛機(jī)每個(gè)升降舵伺服控制器有一個(gè)伺服閥(SV),如圖5所示。
升降舵伺服閥控制原理如圖6所示,當(dāng)計(jì)算機(jī)ELAC2、ELAC1、SEC2和SEC1都處在正常工作狀態(tài)時(shí),伺服閥由計(jì)算機(jī)控制,以作動(dòng)升降舵。
匯總該研究對(duì)象的專家評(píng)價(jià)定性指標(biāo)值、據(jù)式(10)計(jì)算的維修費(fèi)用以及維修時(shí)間的實(shí)際值。表4給出了各方案對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值。
基于AHP法,構(gòu)造判斷矩陣A、B1、B2、B3,根據(jù)式(1)~式(6),計(jì)算可得各級(jí)指標(biāo)權(quán)重wi:
圖4 基于AHP-SPA的民機(jī)修理級(jí)別分析 綜合評(píng)價(jià)模型Fig.4 Aircraft repair level analysis comprehensive evaluation model based on AHP-SPA
圖5 升降舵伺服控制器主要結(jié)構(gòu)組成Fig.5 Main structure of elevator servo controller
圖6 升降舵伺服控制原理圖Fig.6 Elevator servo control schematic
表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)值Table 4 Evaluation index value
一級(jí)指標(biāo)二級(jí)指標(biāo)航線級(jí)D1車間級(jí)D2基地級(jí)D3理想方案T商業(yè)性指標(biāo)E1執(zhí)行任務(wù)要求E110.20.60.80.8保密性E120.250.70.80.8維修時(shí)間E13/h20308020經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)E2維修費(fèi)用E21/元1500200039001500效能E220.250.50.850.85技術(shù)性指標(biāo)E3安全性E310.20.60.80.8現(xiàn)有維修方案E320.30.70.80.8PHSTE330.60.80.850.85保障設(shè)備與設(shè)施E340.250.60.80.8人力與人員E350.30.70.80.8
(11)
(12)
(13)
(14)
一級(jí)指標(biāo)權(quán)重分別為
1) 一級(jí)指標(biāo)商業(yè)性因素的權(quán)重為w1=0.198;
2) 一級(jí)指標(biāo)經(jīng)濟(jì)性因素的權(quán)重為w2=0.49;
3) 一級(jí)指標(biāo)技術(shù)性因素的權(quán)重為w3=0.312。
二級(jí)指標(biāo)權(quán)重分別為
1) 執(zhí)行任務(wù)要求的權(quán)重為w11=0.346;
2) 保密性的權(quán)重為w12=0.11;
3) 維修時(shí)間的權(quán)重為w13=0.544;
4) 維修費(fèi)用的權(quán)重為w21=0.5;
5) 效能的權(quán)重為w22=0.5;
6) 安全性的權(quán)重為w31=0.109;
7) 現(xiàn)有維修方案的權(quán)重為w32=0.109;
8) PHST的權(quán)重為w33=0.207;
9) 保障設(shè)備與設(shè)施的權(quán)重為w34=0.368;
10) 人力與人員的權(quán)重為w35=0.207。
建立理想方案T,作為評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)。由表4可得,理想方案各指標(biāo)值為
T={0.8,0.8,20,1 500,0.85,0.8,0.8,0.85,
0.8,0.8}
由式(7),可得同一度矩陣
(15)
計(jì)算一級(jí)指標(biāo)間的同一度s1、s2、s3。根據(jù)式(8)和式(15),可得s1=a11w11+a12w12+a13w13=0.665,其余同理計(jì)算,可得:
方案D1:{s1,s2,s3}={0.665,0.656,0.407};
方案D2:{s1,s2,s3}={0.718,0.669,0.829};
方案D3:{s1,s2,s3}={0.592,0.693,1.000}。
得到3個(gè)方案一級(jí)指標(biāo)間同一度對(duì)比圖,由圖7知:方案D2、D3技術(shù)性指標(biāo)的同一度明顯高于其余指標(biāo),3個(gè)方案的商業(yè)性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)同一度大致相當(dāng)。
再根據(jù)式(8)和式(11)計(jì)算方案同一度a1、a2、a3,得出a1=s1w1+s2w2+s3w3=0.58,其余同理計(jì)算,可得:ai={0.58,0.729,0.769}。
計(jì)算得到方案間的同一度值ai對(duì)比如圖8所示:方案D3的同一度明顯高于其余二者,最終采用方案D3作為最佳修理方案,即基地級(jí)。
圖7 3個(gè)方案中一級(jí)指標(biāo)同一度對(duì)比圖Fig.7 Comparison of the first index and the same degree in three schemes
圖8 3個(gè)方案的同一度對(duì)比圖Fig.8 Comparison of the same degree of three schemes
1) 建立了基于AHP-SPA的民機(jī)修理級(jí)別分析綜合評(píng)價(jià)模型,并詳細(xì)推導(dǎo)建模過程,該模型基于AHP來確定指標(biāo)權(quán)重,然后選擇SPA作為綜合評(píng)價(jià)方法,可對(duì)修理級(jí)別備選方案進(jìn)行定量評(píng)估,并實(shí)施有效的經(jīng)濟(jì)性修理級(jí)別分析。
2) 利用AHP-SPA綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)某型民機(jī)升降舵伺服閥進(jìn)行修理級(jí)別確定,通過建立判斷矩陣,得到各級(jí)指標(biāo)權(quán)重,以理想方案各指標(biāo)權(quán)重作為評(píng)價(jià)基準(zhǔn),計(jì)算各級(jí)指標(biāo)同一度進(jìn)而得到三個(gè)方案的同一度,最終確定基地級(jí)為最佳修理方案,該結(jié)果與實(shí)際情況吻合。
3) 通過實(shí)例分析驗(yàn)證了所建模型的合理性,給出最優(yōu)備選維修方案,本文的方法更加準(zhǔn)確有效,從而完善了民機(jī)修理級(jí)別分析理論,增強(qiáng)了開展修理級(jí)別分析工作的可操作性,特別是解決民機(jī)設(shè)計(jì)和維修規(guī)劃問題極為有效。
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ComprehensiveanalysismodelfordeterminationofcivilaircraftrepairlevelbasedonAHP-SPAmethod
JIABaohui*,YULingjie,LINYueguo,LUXiang
CollegeofAviationEngineering,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China
OneoftheimportantcontentsofcivilaircraftsecurityanalysisisLevelofRepairAnalysis(LORA).Theexistinglevelofrepairanalysismodelisnotbasedonthecharacteristicsofcivilaircraftmaintenancesafeguardsystemtotakeintoconsiderationvariousfactorsaffectingthelevelofrepair.Inthispaper,theAHP(AnalyticalHierarchyProcess)iscombinedwithSPA(SetPairAnalysis)bycomprehensivelyconsideringthetechnicalindex,economicindexandbusinessindexofLevelofrepairanalysissoastoestablishthecomprehensiveevaluationmodelforcivilaircraftlevelofrepairanalysis,thusimplementingtheeconomiclevelofrepairanalysis.ThecomprehensiveanalysismodelofAHP-SPAisverifiedbyanexample,whichshowsthefeasibilityofthemodel.Therefore,thetheoreticalmodelofthispapercanprovidecivilaircraftmanufacturersandairlineswiththeoreticalreferenceandtechnicalsupportinthedeterminationoflevelofrepair.
securityanalysis;levelofrepairanalysis;analyticalhierarchyprocess;setpairanalysis;comprehensiveevaluationmodel
2017-01-13;Revised2017-03-19;Accepted2017-03-30;Publishedonline2017-04-200923
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10.7527/S1000-6893.2017.221130
V267
A
1000-6893(2017)11-221130-09
2017-01-13;退修日期2017-03-19;錄用日期2017-03-30;< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間
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中國(guó)民航局重大專項(xiàng)(MHRD20160105)
.E-mail15510928918@163.com
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(責(zé)任編輯:張晗)