金 旸 蔡芝明 覃海波

（1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430033）（2.海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

備件可分為可修備件和不可修備件（消耗品），筆者關(guān)注的重點(diǎn)是可修備件。裝備的可靠性、可用度及安全性是使用人員關(guān)注的重點(diǎn)，備件意外的不可用會(huì)降低裝備戰(zhàn)備完好性、增加停機(jī)成本及使用人員的不滿意度。在蒸汽動(dòng)力裝置維修期間，裝備組成部分被拆開(kāi)，直接修理或用備件進(jìn)行更換，可見(jiàn)備件的可用性對(duì)修理工作是至關(guān)重要的。

自 Sherbrooke［1］在 1968年提出經(jīng)典的備件保障METRIC理論以來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)備件保障理論進(jìn)行了大量的研究，Costantino等［2］以修理能力需求不同對(duì)航空備件多層級(jí)維修中心進(jìn)行了分類(lèi)。文獻(xiàn)［3］建立了有限維修保障資源約束下靜態(tài)的修理車(chē)間類(lèi)型。文獻(xiàn)［4～6］建立了訂貨至交貨時(shí)間不確定約束情況下的備件多層級(jí)庫(kù)存模型。文獻(xiàn)［7］提出了綠色供應(yīng)鏈系統(tǒng)中低壽命周期費(fèi)用可修備件回收再利用的方法。文獻(xiàn)［8］針對(duì)修理車(chē)間研究存在理論和實(shí)踐不相符合的情況，提出了實(shí)時(shí)的計(jì)劃和生產(chǎn)控制方法。羅祎［9］等建立了任意結(jié)構(gòu)可修備件的配置方案優(yōu)化模型。文獻(xiàn)［10］提出了可修備件修理車(chē)間的一般控制結(jié)構(gòu)方法。文獻(xiàn)［11］建立了基于保障概率的可修備件需求預(yù)測(cè)模型，模型可以有效解決可修備件的需求預(yù)測(cè)問(wèn)題。文獻(xiàn)［12～14］提出了可修備件存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)合并的方法。文獻(xiàn)［15］提出了有限維修能力下多層級(jí)可修備件最優(yōu)庫(kù)存建立方法。文獻(xiàn)［16］建立了備件庫(kù)存和修理能力之間最優(yōu)控制模型。文獻(xiàn)［17］提出了考慮修理能力的戰(zhàn)時(shí)備件配置方案優(yōu)化方法。文獻(xiàn)［18］對(duì)一個(gè)具有多種多樣修理能力的系統(tǒng)進(jìn)行了研究。目前研究備件保障理論和實(shí)踐之間不相符的問(wèn)題［19～20］是研究的熱點(diǎn)，同時(shí)也是難點(diǎn)。

從上述文獻(xiàn)可以看出，當(dāng)前的研究雖然取得了很多成果，但一方面，從不同角度來(lái)進(jìn)行觀察，首先在蒸汽動(dòng)力裝盒子可修備件修理工作的組織上，倉(cāng)庫(kù)管理人員和修理車(chē)間維修人員之間存在一系列缺乏交流的問(wèn)題，其次，倉(cāng)庫(kù)管理員通過(guò)庫(kù)存管理系統(tǒng)來(lái)制定備件庫(kù)存水平，做決定的前提可能偏離備件的真實(shí)情況；另一方面，部分文獻(xiàn)局限于假設(shè)蒸汽動(dòng)力裝置修理車(chē)間只有單一種類(lèi)的修理能力，或雖考慮了具有多種修理能力但沒(méi)有考慮修理車(chē)間保障資源需求的不確定性。從上述文獻(xiàn)可以看出研究符合工程實(shí)踐真實(shí)情況的可修備件控制結(jié)構(gòu)的綜合方法是缺失的。

因此，本文針對(duì)部分備件保障理論和蒸汽動(dòng)力裝置工程實(shí)踐不相符的問(wèn)題，依據(jù)修理車(chē)間的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)原理，建立了蒸汽動(dòng)力裝置四種不同修理車(chē)間控制結(jié)構(gòu)，可有效解決目前蒸汽動(dòng)力裝置工程實(shí)踐中存在的問(wèn)題。

2 蒸汽動(dòng)力裝置可修備件的一般控制結(jié)構(gòu)

修理車(chē)間負(fù)責(zé)及時(shí)維修故障件，倉(cāng)庫(kù)負(fù)責(zé)及時(shí)給修理車(chē)間供應(yīng)備件，修理車(chē)間管理員和倉(cāng)庫(kù)管理人員之間達(dá)成了一些共識(shí)，比如備件保障概率必須超過(guò)事先設(shè)定的閾值或者短缺數(shù)必須小于某個(gè)閾值。

2.1 裝備維修類(lèi)型、故障原因及特點(diǎn)

裝備現(xiàn)場(chǎng)維修的策略主要是采用換件維修，需要維修的部分從裝備上取下來(lái)，如果有備件就直接更換，沒(méi)有的話就發(fā)生一次備件短缺。裝備被拆解的原因：故障維修、預(yù)防性維修及超過(guò)某一設(shè)定極限值必須更換。表1給出了不同的修理類(lèi)型、故障原因及特點(diǎn)。

表1 修理類(lèi)型、故障原因及特點(diǎn)

2.2 可修備件的一般控制結(jié)構(gòu)

直接從裝備上拆解下來(lái)的部分稱(chēng)為現(xiàn)場(chǎng)維修更換單元（Line Replaceable Unit，LRU），故障件LRU（具有可維修價(jià)值）被送到修理車(chē)間，通常修理工作分三步：1）故障診斷，2）修理或再制造，3）測(cè)試。通過(guò)故障診斷之后會(huì)得到具體的修理需求，這表明修理車(chē)間故障診斷工作非常重要，因?yàn)楣收喜课缓捅Ｕ腺Y源需求在診斷之前并不知道，診斷之后可以確定哪些車(chē)間修理單元（Shop Replaceable Unit，SRU）需要被取下來(lái)被備件取代，故障件SRU可被修理（具有可維修價(jià)值）或再次使用，因SRU型號(hào)及種類(lèi)多樣且修理比較復(fù)雜，故SRU的修理工作具有多層級(jí)性。同時(shí)在修理工作中需要大量修理人員參與及需要多種維修資源作為后勤保障，這些都在圖1控制結(jié)構(gòu)中進(jìn)行了說(shuō)明。

每一項(xiàng)維修工作都是由多個(gè)修理步驟構(gòu)成，修理工作的每一步都需要修理人員參與，維修車(chē)間需要多種多樣的修理能力來(lái)完成修理工作，同時(shí)應(yīng)對(duì)特殊的修理技能和基本維修能力進(jìn)行區(qū)分，因每個(gè)修理人員只具有這些修理能力其中的一部分，所以只能完成幾個(gè)修理步驟。修理車(chē)間的故障診斷水平由于受裝備及檢測(cè)人員能力限制，若故障件無(wú)法診斷時(shí)，此時(shí)可以短暫協(xié)調(diào)外來(lái)修理人員（比如協(xié)調(diào)設(shè)備廠技術(shù)人員）或送到更高層級(jí)進(jìn)行修理。

修理車(chē)間可以自行安排修理工作的優(yōu)先級(jí)順序，對(duì)于只需要基本修理能力就能完成的修理工作是相對(duì)容易的，萬(wàn)一某項(xiàng)修理工作需要特殊的修理技能，這可能導(dǎo)致增加額外的修理時(shí)間或轉(zhuǎn)換時(shí)間。影響修理工作的主要費(fèi)用因素：1）修理能力；2）上報(bào)給更高層級(jí)單位；3）協(xié)調(diào)設(shè)備廠的修理能力；4）加班費(fèi)用；5）LRU庫(kù)存費(fèi)用；6）SRU庫(kù)存費(fèi)用。

3 蒸汽動(dòng)力裝置修理車(chē)間分類(lèi)

不同修理車(chē)間維修水平及保障資源需求種類(lèi)和數(shù)量是不一樣的，保障資源不確定性主要體現(xiàn)在同樣的LRU修理工作可能需要不同的修理資源，修理能力分為基本修理能力和特殊修理技能，為此依據(jù)修理能力水平和維修保障資源的不確定性的高低來(lái)劃分修理車(chē)間類(lèi)型，具體劃分見(jiàn)表2。

表2 不同的修理車(chē)間類(lèi)型

修理資源具有很強(qiáng)不確定性的修理車(chē)間的修理工作常因缺乏保障資源而被打斷，修理時(shí)間主要由備件等待時(shí)間構(gòu)成；在需要很強(qiáng)修理能力水平的修理車(chē)間中，修理時(shí)間主要由等待要求的（特殊的）修理能力構(gòu)成。

4 蒸汽動(dòng)力裝置可修備件四種不同控制結(jié)構(gòu)

艦船設(shè)備使用現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)裝備故障，按是否具有可修價(jià)值，可分為可修件（故障件）和不可修件（報(bào)廢件、消耗件），現(xiàn)場(chǎng)若有備件就直接更換，否則就發(fā)生一次備件短缺，故障件被送到修理車(chē)間進(jìn)行修理。對(duì)于每個(gè)修理車(chē)間類(lèi)型，主要概述了特殊特點(diǎn)和設(shè)計(jì)原理，并給出每種修理車(chē)間類(lèi)型的控制結(jié)構(gòu)。

4.1 蒸汽動(dòng)力裝置修理車(chē)間類(lèi)型Ⅰ

4.1.1 特點(diǎn)和設(shè)計(jì)原理

蒸汽動(dòng)力裝置修理車(chē)間類(lèi)型Ⅰ的特點(diǎn)是低的修理能力要求和維修資源需求的不確定性，一方面，因維修保障資源的不確定性低，所以不需要或只需要少量同種類(lèi)的SRU，同時(shí)SRU存儲(chǔ)數(shù)量非常低，容易且相對(duì)成本低的去獲得一個(gè)高的SRU可用性，整合SRU和LRU庫(kù)存控制的費(fèi)用是低的；另一方面，因修理能力相同且特殊修理技能需求量是低的，所以向更高層級(jí)運(yùn)送故障件是可行的，并且明確了一個(gè)訂貨至交貨的時(shí)間。

修理好的完好件經(jīng)過(guò)檢測(cè)或質(zhì)量控制之后可以成為將來(lái)維修保障資源，例如為了降低裝備期望短缺數(shù)，除非倉(cāng)庫(kù)有大量備件庫(kù)存，否則備件短缺肯定會(huì)發(fā)生，滿足現(xiàn)在裝備短缺需求肯定比將來(lái)裝備短缺可以獲得更大的利益，因此，去區(qū)分日常和突發(fā)的修理工作是非常有意義的。同時(shí)備件倉(cāng)庫(kù)管理員具有很好的關(guān)于修理工作優(yōu)先級(jí)知識(shí)，因?yàn)樾蘩砟芰Φ?，?yōu)化修理工作的優(yōu)先級(jí)是沒(méi)有意義的，基于上述原因，倉(cāng)庫(kù)管理員負(fù)責(zé)設(shè)定修理工作的優(yōu)先級(jí)。

4.1.2 控制結(jié)構(gòu)

因?yàn)樾蘩砉ぷ鞅淮驍啻螖?shù)是非常低的，庫(kù)存管理員和修理車(chē)間管理員之間達(dá)成了一些基本的共識(shí)：1）LRU的日常和突發(fā)的修理工作訂貨至交貨的時(shí)間是明確的，2）每個(gè)周期都最大限度的給予修理車(chē)間修理工作，3）每個(gè)周期內(nèi)突發(fā)修理工作占整個(gè)修理工作的比例是被嚴(yán)格確定的。修理車(chē)間類(lèi)型Ⅰ的修理步驟和控制原理已經(jīng)在圖2中進(jìn)行了說(shuō)明。

限制給予修理車(chē)間修理工作的最大值，能有效提高修理車(chē)間完成修理工作的百分比，以每周最大工作小時(shí)為約束條件，約束條件是存儲(chǔ)能力、修理能力及上報(bào)更高層級(jí)之間的綜合權(quán)衡。修理間隔期是從修理工作下放至修理車(chē)間開(kāi)始直到修理工作完成時(shí)為止，在這種控制結(jié)構(gòu)中修理車(chē)間半成品（Work-In-Process，WIP）非常少，同時(shí)預(yù)先設(shè)定維修間隔期非常短（通常為幾天或一星期）。

因?yàn)樵谝?guī)定的訂貨至交貨時(shí)間內(nèi)，修理車(chē)間負(fù)責(zé)修理故障件，顯然修理車(chē)間管理員對(duì)完成訂貨至交貨的時(shí)間及SRU庫(kù)存水平負(fù)責(zé)，修理車(chē)間管理人員同樣對(duì)決定修理能力負(fù)責(zé)，如修理人員數(shù)量。因維修人員修理能力都是相同的，需要多少修理人員主要取決于從排隊(duì)修理工作中獲得的故障數(shù)量，能力分配是非常容易的，因?yàn)樾蘩砟芰ο嗤琒RU備件采用先到先服務(wù)（first-come-first-serve）的原則，對(duì)于突發(fā)修理工作，提出積極的加班政策。

庫(kù)存管理員負(fù)責(zé)LRU的庫(kù)存控制，LRU的存儲(chǔ)控制數(shù)量主要取決于每個(gè)LRU事先設(shè)定的訂貨至交貨時(shí)間、工作量約束及上報(bào)更高層級(jí)選擇，倉(cāng)庫(kù)管理員可以通過(guò)設(shè)定需要修理的LRU的優(yōu)先級(jí)來(lái)影響花在故障件LRU上的時(shí)間，倉(cāng)庫(kù)管理員對(duì)這些修理工作的優(yōu)先級(jí)負(fù)責(zé)同時(shí)決定每項(xiàng)LRU的最大庫(kù)存水平。萬(wàn)一出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)LRU的高需求量，倉(cāng)庫(kù)管理員可以和修理車(chē)間管理員協(xié)調(diào)增加訂貨至交貨的時(shí)間，這樣可以減少或控制保障費(fèi)用增加。依據(jù)倉(cāng)庫(kù)每項(xiàng)LRU的存儲(chǔ)期望數(shù)，倉(cāng)庫(kù)管理員可以決定那部分可以被更換修理并送到LRU故障中心存儲(chǔ)，倉(cāng)庫(kù)管理員選擇修理工作類(lèi)型（突發(fā)、日?；蛏蠄?bào)更高層級(jí)），主要是基于目前存儲(chǔ)信息、訂貨至交貨時(shí)間及修理工作優(yōu)先級(jí)。

4.2 蒸汽動(dòng)力裝置修理車(chē)間類(lèi)型Ⅱ

顯然蒸汽動(dòng)力裝置修理車(chē)間類(lèi)型Ⅱ的控制結(jié)構(gòu)和修理車(chē)間類(lèi)型Ⅰ的控制結(jié)構(gòu)并不相同，限于篇幅原因，本文主要描述二者的主要區(qū)別，包括修理車(chē)間類(lèi)型Ⅱ設(shè)計(jì)目的。

4.2.1 特點(diǎn)和設(shè)計(jì)原理

修理車(chē)間類(lèi)型Ⅱ和修理車(chē)間類(lèi)型Ⅰ之間的主要區(qū)別是保障資源需求具有一個(gè)高的不確定性。保障資源高的不確定性表明在同樣LRU修理工作中需要多種類(lèi)及數(shù)量的SRU且儲(chǔ)存量要維持在一個(gè)比較高的水平，修理工作被打斷的主要原因是缺乏SRU備件。為了降低SRU備件的等待時(shí)間，當(dāng)收到故障件LRU時(shí)，應(yīng)盡最快速度診斷出故障部位。

在修理車(chē)間類(lèi)型Ⅱ中，應(yīng)該在故障件LRU診斷工作（主要是降低SRU的備件等待時(shí)間）和SRU的修理工作（主要是降低LRU的等待時(shí)間）之中取得一個(gè)最佳控制點(diǎn)。倉(cāng)庫(kù)管理員負(fù)責(zé)依據(jù)現(xiàn)有備件庫(kù)存水平來(lái)制定故障診斷工作和修理工作的優(yōu)先級(jí)。

4.2.2 控制結(jié)構(gòu)

和類(lèi)型Ⅰ不同的是，對(duì)于故障診斷工作和修理工作，倉(cāng)庫(kù)管理員和修理車(chē)間管理員達(dá)成了一致的訂貨至交貨時(shí)間，修理車(chē)間管理員不再負(fù)責(zé)SRU備件庫(kù)存及等待時(shí)間控制，其在修理車(chē)間類(lèi)型Ⅰ是由修理車(chē)間管理員控制的，具體控制結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

庫(kù)存管理員負(fù)責(zé)SRU和LRU的備件庫(kù)存控制，因此庫(kù)存管理員能夠在SRU和LRU庫(kù)存量之間尋求一個(gè)最優(yōu)的平衡點(diǎn)，庫(kù)存管理員可以影響修理車(chē)間故障件修理時(shí)間，庫(kù)存管理員負(fù)責(zé)制定修理工作的優(yōu)先級(jí)及每項(xiàng)LRU和SRU的庫(kù)存水平。

4.3 蒸汽動(dòng)力裝置修理車(chē)間類(lèi)型Ⅲ

4.3.1 特點(diǎn)和設(shè)計(jì)原理

蒸汽動(dòng)力裝置修理車(chē)間類(lèi)型Ⅲ的特點(diǎn)是擁有低維修保障資源需求不確定性及一個(gè)高維修保障能力。修理工作被打斷的次數(shù)是中等的，因?yàn)樾蘩碣Y源需求不確定性水平低，類(lèi)似于修理車(chē)間類(lèi)型Ⅰ，SRU和LRU庫(kù)存優(yōu)化控制節(jié)省的保障費(fèi)用是有限的，同時(shí)優(yōu)化診斷工作和修理工作優(yōu)先級(jí)帶來(lái)的保障費(fèi)用降低程度也是有限的，因此，修理車(chē)間管理員完全負(fù)責(zé)修理工作及SRU備件存庫(kù)控制。

修理車(chē)間類(lèi)型Ⅲ具有的修理能力是多種多樣的且具有多種特殊的維修技能，因而上報(bào)更高層級(jí)的故障件是非常有限的，所以應(yīng)該充分利用大量維修保障能力和特殊維修技能，例如具有特殊技能的修理人員應(yīng)優(yōu)先從事需要特殊修理技能的修理步驟而不是需要基本維修技能的崗位，當(dāng)有突發(fā)修理事件發(fā)生時(shí)，適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)修理人員工作時(shí)間是允許的。

修理車(chē)間管理人員具有良好的關(guān)于如何安排修理工作優(yōu)先級(jí)的知識(shí)，可以最大化利用現(xiàn)有的維修保障能力，因修理能力和特殊維修技能是非常高的，所以車(chē)間修理人員負(fù)責(zé)制定修理工作優(yōu)先級(jí)。修理車(chē)間類(lèi)型Ⅲ中WIP件相比于Ⅰ和Ⅱ會(huì)非常多，因?yàn)橐粋€(gè)修理人員在同一時(shí)間內(nèi)要處理的修理工作可能會(huì)非常多。

4.3.2 控制結(jié)構(gòu)

修理車(chē)間管理員比庫(kù)存管理員可以更加科學(xué)、合理地制定修理工作的優(yōu)先級(jí)，庫(kù)存管理員負(fù)責(zé)制定靜態(tài)修理工作的優(yōu)先級(jí)，參照靜態(tài)修理工作優(yōu)先級(jí)，修理車(chē)間管理員可以制定動(dòng)態(tài)的修理工作的優(yōu)先級(jí)，具體控制結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

修理車(chē)間管理員和庫(kù)存管理員對(duì)于靜態(tài)修理工作的優(yōu)先級(jí)的制定原則是一致的，如每項(xiàng)LRU備件庫(kù)存量最大值和最小值的制定。修理車(chē)間管理人員負(fù)責(zé)制定動(dòng)態(tài)修理工作的優(yōu)先級(jí)，庫(kù)存管理員負(fù)責(zé)控制LRU庫(kù)存水平。

4.4 蒸汽動(dòng)力裝置修理車(chē)間類(lèi)型Ⅳ

4.4.1 特點(diǎn)和設(shè)計(jì)原理

蒸汽動(dòng)力裝置修理車(chē)間類(lèi)型Ⅳ特點(diǎn)是擁有高維修保障資源需求不確定性及一個(gè)高維修保障能力。不同于上述三種修理車(chē)間類(lèi)型且也并不是修理車(chē)間類(lèi)型Ⅱ和Ⅲ的簡(jiǎn)單疊加。保障資源需求高的不確定性表明在同樣的LRU修理工作中多種類(lèi)的SRU，其具有的修理能力是多種多樣的且具有多種特殊的維修技能，因此SRU的庫(kù)存量應(yīng)維持在一個(gè)最高水平，以滿足保障需求，修理工作被打斷的主要原因是缺乏SRU備件。合理分配修理能力資源，可以降低LRU故障診斷時(shí)間、快速處理突發(fā)故障事件，倉(cāng)庫(kù)管理員和修理車(chē)間管理員共同負(fù)責(zé)制定診斷工作或修理工作優(yōu)先級(jí)。

4.4.2 控制結(jié)構(gòu)

修理車(chē)間管理員和庫(kù)存管理員共同負(fù)責(zé)SRU和LRU的備件庫(kù)存控制，因此雙方共同制定SRU和LRU庫(kù)存量之間最優(yōu)控制平衡點(diǎn)，雙方可以共同影響修理車(chē)間故障件修理時(shí)間，二者共同負(fù)責(zé)制定修理工作的優(yōu)先級(jí)及每項(xiàng)LRU和SRU的庫(kù)存水平。具體控制結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

由于修理資源的不確定性水平比較高且具有較強(qiáng)的修理能力水平，面對(duì)這種復(fù)雜的情況，修理車(chē)間管理員和倉(cāng)庫(kù)管理員應(yīng)該共同制定靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的修理工作優(yōu)先級(jí)，只有兩者聯(lián)合起來(lái)共同制定修理工作的優(yōu)先級(jí)，才能達(dá)到綜合權(quán)衡各方面因素的目的，使制定的修理工作優(yōu)先級(jí)更加科學(xué)、合理，確保這項(xiàng)修理工作優(yōu)先級(jí)能夠比較客觀地反應(yīng)修理工作的實(shí)際情況。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前可修備件保障研究領(lǐng)域中存在理論和工程實(shí)踐聯(lián)系不緊密的問(wèn)題，本文通過(guò)分析修理車(chē)間特點(diǎn)和設(shè)計(jì)原理，依據(jù)維修能力水平和保障資源需求不確定性高低的不同，建立了蒸汽動(dòng)力裝置四種不同類(lèi)型的修理車(chē)間控制結(jié)構(gòu)，并對(duì)可修備件控制結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了說(shuō)明。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可修備件的控制結(jié)構(gòu)影響因素眾多，不僅與修理能力和保障資源需求的不確定性相關(guān)，還與可修備件的維修特性、任務(wù)強(qiáng)度等相關(guān)，在今后的工作和學(xué)習(xí)中，還需要針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。