梅振國(guó)

（遷安中化煤化工有限責(zé)任公司，河北 唐山 064400）

1 引言

備件是指制造企業(yè)為了縮短設(shè)備修理停歇時(shí)間，而實(shí)現(xiàn)提前采購(gòu)并儲(chǔ)備在倉(cāng)庫(kù)中用于更換的配件。在制造企業(yè)的庫(kù)存結(jié)構(gòu)中，備件庫(kù)存往往占了很大一部分，特別是一些慢速流動(dòng)備件容易成為呆滯庫(kù)存，占用企業(yè)資金，造成浪費(fèi)。一方面為了避免停機(jī)損失，制造企業(yè)的設(shè)備部門、生產(chǎn)部門要求多儲(chǔ)備備件；而供應(yīng)部門出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，又希望能盡可能少儲(chǔ)備，怎么確定合適的備件庫(kù)存控制策略也就成為企業(yè)備件管理的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

以往的備件研究往往以運(yùn)籌學(xué)為主，通過(guò)建立庫(kù)存模型來(lái)解決問(wèn)題。同時(shí)考慮到針對(duì)不同備件需要采用不同的庫(kù)存控制策略才能取得較好效果，又對(duì)備件分類的影響因素、分類方法及不同的庫(kù)存控制策略進(jìn)行研究。但這些研究往往對(duì)數(shù)學(xué)要求較高，在實(shí)際中難以應(yīng)用。為了能夠直觀、動(dòng)態(tài)的反映系統(tǒng)，本文基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對(duì)制造企業(yè)備件庫(kù)存進(jìn)行研究。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)最初由初始人Forrester 教授應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，研究需求放大、庫(kù)存波動(dòng)、產(chǎn)量與勞動(dòng)力雇傭之間的不穩(wěn)定現(xiàn)象等問(wèn)題。張鵬等應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對(duì)航材周轉(zhuǎn)件庫(kù)存進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，周轉(zhuǎn)件維修水平、庫(kù)存調(diào)節(jié)時(shí)間是影響庫(kù)存系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，發(fā)貨延遲對(duì)庫(kù)存系統(tǒng)影響較小。潘顯俊等以某型武器“基層級(jí)-基地級(jí)”兩級(jí)保障模式為研究對(duì)象建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，備件供應(yīng)系統(tǒng)中較大的延遲時(shí)間和備件供需差額調(diào)整強(qiáng)度將導(dǎo)致備件庫(kù)存水平較大波動(dòng)，較大出庫(kù)延遲時(shí)間將顯著增加備件庫(kù)存水平。

本文針對(duì)制造企業(yè)備件檢修的實(shí)際，構(gòu)建計(jì)劃?rùn)z修和隨機(jī)檢修兩種不同檢修方式所產(chǎn)生的備件庫(kù)存系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，利用VENSIM 仿真軟件，探討影響庫(kù)存系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，比較不同參數(shù)設(shè)置下庫(kù)存系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)平均庫(kù)存量、缺貨次數(shù)、庫(kù)存周轉(zhuǎn)率的變化，探索備件庫(kù)存控制的優(yōu)化策略。

2 備件庫(kù)存系統(tǒng)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

2.1 備件庫(kù)存系統(tǒng)因果分析

在設(shè)備隨機(jī)檢修模式下，只有發(fā)生故障才更換備件，產(chǎn)生備件需求?？紤]到管理、出庫(kù)距離等因素，有一定的出庫(kù)延遲時(shí)間。但在實(shí)踐中可以將出庫(kù)延遲時(shí)間理解為備件重要性的函數(shù)，重要的備件要求更少的出庫(kù)延遲。極為重要的備件往往要求不僅公司總部庫(kù)房有庫(kù)存，在車間工段或車間小庫(kù)中也要求有庫(kù)存。設(shè)定一定的備件期望庫(kù)存，考慮到庫(kù)存量進(jìn)行庫(kù)存調(diào)節(jié)，庫(kù)存較大時(shí)減小庫(kù)存調(diào)節(jié)，再加上備件需求形成備件采購(gòu)訂貨，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的訂貨延遲（也可理解為訂貨提前期）到貨入庫(kù)，從而使庫(kù)存增加；設(shè)備故障產(chǎn)生備件的更換需求，從庫(kù)房支領(lǐng)后形成備件出庫(kù)，從而減少備件需求，備件庫(kù)存系統(tǒng)因果分析如圖1所示。

圖1 隨機(jī)檢修下備件庫(kù)存系統(tǒng)因果分析圖

設(shè)備檢修模式為計(jì)劃?rùn)z修時(shí)，除備件發(fā)生的隨機(jī)故障外，考慮到設(shè)備的使用壽命、設(shè)備故障發(fā)生的頻率、設(shè)備檢修的難易程度，企業(yè)一般對(duì)重要設(shè)備確定具體的檢修周期。一般而言，設(shè)備壽命末期，檢修周期需要變小，設(shè)備故障發(fā)生頻率較高也需要較短的檢修周期，同時(shí)，對(duì)于一旦檢修對(duì)生產(chǎn)造成較大影響的設(shè)備、設(shè)備復(fù)雜程度較高檢修難度大的，需要一個(gè)較長(zhǎng)的檢修周期，備件庫(kù)存系統(tǒng)因果分析如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)模型的流圖設(shè)計(jì)

圖2 計(jì)劃?rùn)z修下備件庫(kù)存系統(tǒng)因果分析圖

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流圖是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基本變量和表示符號(hào)的有機(jī)組合，基本變量包括狀態(tài)變量、輔助變量、速率變量、常數(shù)等，再根據(jù)系統(tǒng)因果分析圖，明確系統(tǒng)的反饋形式和控制規(guī)律。根據(jù)上述建立的因果分析圖，利用VENSIM 軟件，對(duì)隨機(jī)檢修和計(jì)劃?rùn)z修分別構(gòu)建的系統(tǒng)流圖如圖3、圖4所示。

圖3 隨機(jī)檢修模式下的備件庫(kù)存系統(tǒng)流圖

圖4 計(jì)劃?rùn)z修模式下的備件庫(kù)存系統(tǒng)流圖

2.3 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程建立

構(gòu)建完模型后，需要建立相應(yīng)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程體系來(lái)進(jìn)一步確定變量間的關(guān)系。系統(tǒng)初始設(shè)定仿真長(zhǎng)度為100 月，仿真步長(zhǎng)為1 月，每月儲(chǔ)存一次仿真結(jié)果。隨機(jī)檢修模式備件系統(tǒng)一些變量的初始賦值分別如下：

入庫(kù)延遲時(shí)間=1月；

出庫(kù)延遲時(shí)間=1月；

故障間隔時(shí)間=3月；

平均故障量=3個(gè)；

期望庫(kù)存=10個(gè)；

庫(kù)存調(diào)節(jié)時(shí)間=1月；

主要核心方程如下：

（1）備件訂貨率=PULSE TRAIN(0，0，庫(kù)存調(diào)節(jié)時(shí)間，100)*MAX((平均故障量+庫(kù)存調(diào)節(jié)率)，0)；

（2）到貨率=DELAY1(備件訂貨率,入庫(kù)延遲時(shí)間)；

（3）庫(kù)存量=INTEG(到貨率-出庫(kù)率,3);

（4）庫(kù)存調(diào)節(jié)率=(期望庫(kù)存+需求量-庫(kù)存量)/庫(kù)存調(diào)節(jié)時(shí)間；

（5）需求率=(平均故障量+INTEGER(RANDOM NORMAL(0，10，平均故障量，1，2)))*PULSE TRAIN(0，0，故障間隔時(shí)間，100)；

（6）出庫(kù)率=IF THEN ELSE(庫(kù)存量＞=DELAY1(需求率,出庫(kù)延遲時(shí)間)，DELAY1(需求率，出庫(kù)延遲時(shí)間)，庫(kù)存量)；

（7）需求量=INTEG（需求率-使用率，0）；

計(jì)劃?rùn)z修模式備件系統(tǒng)增加的初始變量賦值如下：

檢修周期=15月；

主要核心方程只有需求率需要變更，其它不變，如下：

（8）需求率=(平均故障量+INTEGER(RANDOM NORMAL(0，10，平均故障量，1，2)))*PULSE TRAIN(0，0，故障間隔時(shí)間，100)+PULSE TRAIN(0，0，檢修周期，100)*平均故障量*檢修周期

3 模型仿真與分析

3.1 模型檢驗(yàn)與測(cè)試

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的檢驗(yàn)包括量綱一致性檢驗(yàn)、有效性檢驗(yàn)和極端條件檢驗(yàn)三種。在進(jìn)行模擬之前，應(yīng)對(duì)所建模型的正確性進(jìn)行檢查。檢測(cè)由VENSIM軟件的Check Model和Units Check功能執(zhí)行。模型檢驗(yàn)順利通過(guò)后進(jìn)行模擬，得到的庫(kù)存量模擬曲線如圖5所示。

圖5 備件庫(kù)存量曲線

從庫(kù)存量曲線圖可以看出，庫(kù)存初期有較大波動(dòng)外，后期波動(dòng)穩(wěn)定，仿真周期內(nèi)平均庫(kù)存為10.27個(gè)，周轉(zhuǎn)率為17.3，在初期有一次缺貨外，后面沒(méi)有再出現(xiàn)缺貨情況。這說(shuō)明整個(gè)備件庫(kù)存系統(tǒng)是比較穩(wěn)定、有效的，現(xiàn)有備件庫(kù)存系統(tǒng)能夠保障備件供應(yīng)。

3.2 不同變量取值對(duì)備件庫(kù)存系統(tǒng)的仿真分析

3.2.1 模擬故障間隔時(shí)間對(duì)庫(kù)存系統(tǒng)影響。故障間隔時(shí)間反映備件發(fā)生故障的頻率，加快或降低故障間隔時(shí)間，測(cè)試備件屬于快速流動(dòng)備件或慢速流動(dòng)備件對(duì)庫(kù)存系統(tǒng)的影響，仿真結(jié)果如下，如圖6、圖7所示及見(jiàn)表1。

從圖6、圖7及表1中可以看出，故障間隔時(shí)間增大，備件需求速度減慢，在現(xiàn)有備件庫(kù)存系統(tǒng)下，周轉(zhuǎn)率降低的同時(shí)，計(jì)劃?rùn)z修模式中平均庫(kù)存量隨著故障間隔時(shí)間增大而增大，但缺貨次數(shù)沒(méi)有明顯改善，隨機(jī)檢修模式下平均庫(kù)存量則與故障間隔時(shí)間沒(méi)有呈現(xiàn)明顯相關(guān)性。另外，計(jì)劃?rùn)z修模式相較隨機(jī)檢修模式，備件消耗增加，平均庫(kù)存量增加，對(duì)于慢速流動(dòng)備件并沒(méi)有改善缺貨次數(shù)。

3.2.2 模擬庫(kù)存調(diào)節(jié)時(shí)間對(duì)庫(kù)存系統(tǒng)的影響。庫(kù)存調(diào)節(jié)時(shí)間在現(xiàn)實(shí)中可看做企業(yè)備件采購(gòu)周期，是按月采購(gòu)、按季采購(gòu)或者按年采購(gòu)，變動(dòng)庫(kù)存調(diào)節(jié)時(shí)間后進(jìn)行仿真如圖8、圖9所示及見(jiàn)表2。

從圖8、圖9 及見(jiàn)表2 中發(fā)現(xiàn)，增大庫(kù)存調(diào)節(jié)時(shí)間，備件采購(gòu)間隔延長(zhǎng)，平均庫(kù)存量變小，缺貨次數(shù)增加，周轉(zhuǎn)率變化則不明顯。

圖6 隨機(jī)檢修模式故障間隔時(shí)間變化時(shí)庫(kù)存量曲線圖

圖7 計(jì)劃?rùn)z修模式故障間隔時(shí)間變化時(shí)庫(kù)存量曲線圖

表1 不同檢修模式故障間隔時(shí)間變化時(shí)庫(kù)存指標(biāo)變化

3.2.3 模擬檢修周期對(duì)庫(kù)存系統(tǒng)的影響。為避免生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備損壞而導(dǎo)致停產(chǎn)，企業(yè)決定對(duì)重要設(shè)備進(jìn)行計(jì)劃維修，即每隔一個(gè)檢修周期對(duì)重要的設(shè)備備件進(jìn)行更換，而不考慮備件的使用時(shí)間。假設(shè)更換前后對(duì)設(shè)備備件的故障概率沒(méi)有影響，對(duì)檢修周期對(duì)庫(kù)存系統(tǒng)的影響進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖10所示及見(jiàn)表3。

延長(zhǎng)檢修周期，備件消耗量下降，但是系統(tǒng)需要儲(chǔ)存更多的備件以應(yīng)對(duì)檢修周期到來(lái)的大量備件需求，平均庫(kù)存量增加，周轉(zhuǎn)率下降，但是缺貨次數(shù)并沒(méi)有很明顯的升高或降低趨勢(shì)。

圖8 隨機(jī)檢修模式庫(kù)存調(diào)節(jié)時(shí)間變化時(shí)庫(kù)存量曲線圖

圖9 計(jì)劃?rùn)z修模式庫(kù)存調(diào)節(jié)時(shí)間變化時(shí)庫(kù)存量曲線圖

表2 不同檢修模式庫(kù)存調(diào)節(jié)時(shí)間變化時(shí)庫(kù)存指標(biāo)變化

4 結(jié)論和建議

通過(guò)對(duì)制造企業(yè)備件庫(kù)存系統(tǒng)建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，充分考慮到隨機(jī)檢修和計(jì)劃?rùn)z修情況下的各影響因素和之間的因果關(guān)系，通過(guò)改變模型主要參數(shù)故障間隔時(shí)間、庫(kù)存調(diào)節(jié)時(shí)間和檢修周期，進(jìn)行了仿真分析，得出以下結(jié)論：

（1）慢速流動(dòng)備件導(dǎo)致備件庫(kù)存系統(tǒng)較低的周轉(zhuǎn)率，在計(jì)劃?rùn)z修模式下導(dǎo)致平均庫(kù)存量增加。因此，制造企業(yè)需要更關(guān)注那些價(jià)值高、流速慢的備件，往往這些備件成為企業(yè)中的呆滯件，造成大量的庫(kù)存。

圖10 計(jì)劃?rùn)z修模式庫(kù)存調(diào)節(jié)時(shí)間變化時(shí)庫(kù)存量曲線圖

表3 檢修周期變化時(shí)庫(kù)存指標(biāo)變化

（2）企業(yè)實(shí)際采購(gòu)過(guò)程中，一般都是按月或者年度采購(gòu)。延長(zhǎng)采購(gòu)調(diào)節(jié)時(shí)間，能夠降低庫(kù)存，但是缺貨次數(shù)增加。因此對(duì)于一些不重要的備件或者訂貨周期較快的備件，可采取按年或按季采購(gòu)的模式。

（3）企業(yè)對(duì)于一些重要設(shè)備采用計(jì)劃?rùn)z修模式，檢修周期越長(zhǎng)，需要準(zhǔn)備的備件也越多，平均庫(kù)存量增加，但是總的備件消耗量減少。因此，為了減少備件庫(kù)存，可以對(duì)這些計(jì)劃?rùn)z修需要的備件，按照到貨提前期進(jìn)行準(zhǔn)備。

為了簡(jiǎn)化模型，本文沒(méi)有考慮計(jì)劃?rùn)z修模式集中更換備件對(duì)設(shè)備故障概率的影響，也沒(méi)有考慮實(shí)際備件庫(kù)存系統(tǒng)運(yùn)行中備件價(jià)值對(duì)庫(kù)存系統(tǒng)的影響，這些都是下一步研究的方向。