楊 華，季若飛，張智強(qiáng)

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 智能制造學(xué)院，天津 300050）

0 引言

為了滿足制藥企業(yè)連續(xù)化生產(chǎn)需求，自動化立體倉庫需24h連續(xù)不斷保證出入庫作業(yè)。巷道堆垛機(jī)是自動化立體倉庫存取貨物的主要設(shè)備，其運(yùn)轉(zhuǎn)情況直接影響藥品出入庫作業(yè)。因此，制藥企業(yè)倉儲部門設(shè)立了專門維修組，按照一定維修規(guī)程，對巷道堆垛機(jī)組織維修。同時，制造企業(yè)設(shè)有備件庫，儲有一定數(shù)量的維修備件，目的是在巷道堆垛機(jī)某些隨機(jī)故障發(fā)生時，用最短的時間恢復(fù)設(shè)備性能?；谙锏蓝讯鈾C(jī)的使用維修特點(diǎn)，為了幫助制藥企業(yè)對巷道堆垛機(jī)實(shí)施更科學(xué)化的維修策略，減少維修備件庫存，合理控制維修成本，需從全壽命周期角度對巷道堆垛機(jī)維修費(fèi)用進(jìn)行預(yù)測研究。

文獻(xiàn)[1]構(gòu)建了動車組全壽命周期靜態(tài)采購價格模型、動態(tài)采購價格模型及考慮風(fēng)險溢價因素的采購價格模型。文獻(xiàn)[2]對現(xiàn)階段民用飛機(jī)全壽命周期費(fèi)用管理存在的問題進(jìn)行探究。文獻(xiàn)[3]提出一系列可有效降低軌道交通車輛全壽命周期費(fèi)用的措施。文獻(xiàn)[4]對城市軌道交通工程項(xiàng)目全壽命周期的投入產(chǎn)出進(jìn)行系統(tǒng)分析。文獻(xiàn)[5]對基于全壽命周期成本的港口設(shè)備所有費(fèi)用單元進(jìn)行分解、估算，并對估算結(jié)果進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[6]提出了巷道堆垛機(jī)健康管理概念,設(shè)計了巷道堆垛機(jī)健康管理系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]針對巷道堆垛式立體車庫，采用故障樹分析法與基于規(guī)則的診斷專家系統(tǒng)相結(jié)合的方法,建立了基于故障樹的巷道堆垛式立體車庫故障診斷專家系統(tǒng)。文獻(xiàn)[8]以某制藥企業(yè)生產(chǎn)包裝工廠的自動化物流系統(tǒng)作為主要研究對象,對其運(yùn)營管理水平所帶來的影響進(jìn)行了研究，綜上所述，文獻(xiàn)[1]至文獻(xiàn)[5]均是對全壽命周期費(fèi)用在各個方面的應(yīng)用進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]是對巷道堆垛機(jī)的信息管理方法進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[8]僅是對自動化物流系統(tǒng)進(jìn)行研究。上述文獻(xiàn)均未對巷道堆垛機(jī)全壽命周期維修費(fèi)用進(jìn)行研究。

本文以某制藥企業(yè)自動化立體倉庫巷道堆垛機(jī)為研究對象，引入全壽命周期理論，分析了巷道堆垛機(jī)維修特點(diǎn)規(guī)律，提出了巷道堆垛機(jī)全壽命周期維修費(fèi)用構(gòu)成。依據(jù)該制藥企業(yè)自動化立體倉庫實(shí)際優(yōu)化需求，運(yùn)用全壽命周期理論對巷道堆垛機(jī)維修費(fèi)用進(jìn)行控制。該方法可為其他同類企業(yè)提供借鑒。

1 全壽命周期維修費(fèi)用構(gòu)成與計算

1.1 巷道堆垛機(jī)維修特點(diǎn)規(guī)律

某制藥企業(yè)倉庫共11個庫區(qū)。其中，2個常溫庫、1個陰涼庫為12層高架立體庫，共計26排貨架，13個巷道。高架立體庫采用雙立柱巷道堆垛機(jī)，實(shí)現(xiàn)雙伸位叉取貨物。巷道堆垛機(jī)的行走速度為120m/min，垂直行走速度為90m/min。

通過調(diào)研，了解到該企業(yè)對巷道堆垛機(jī)主要實(shí)施定期維護(hù)、故障性修理、預(yù)防性修理。其特點(diǎn)規(guī)律有以下方面：（1）以定期維護(hù)為主，由技術(shù)人員開展經(jīng)常性點(diǎn)檢、日常點(diǎn)檢、定期點(diǎn)檢、季度性保養(yǎng)、半年保養(yǎng)工作；（2）對巷道堆垛機(jī)實(shí)施故障性維修，主要是更換距離感應(yīng)器、變頻器、導(dǎo)輪等備件；（3）高架立體庫建成至今，巷道堆垛機(jī)預(yù)防性維修主要以項(xiàng)修、小修為主，大修次數(shù)很少。隨著使用年限的推移，巷道堆垛機(jī)軌道受地面沉降影響，易傾斜，存在更換天軌和地軌可能；（4）維修工作由廠家與企業(yè)共同承擔(dān)。如，當(dāng)巷道堆垛機(jī)PLC系統(tǒng)發(fā)生故障時，需要調(diào)整操作系統(tǒng)，請廠家協(xié)助進(jìn)場維修。巷道堆垛機(jī)全壽命周期維修費(fèi)用分解如圖1所示。

圖1 制藥企業(yè)巷道堆垛機(jī)全壽命周期維修費(fèi)用分解

1.2 全壽命周期維修費(fèi)用計算方法

巷道堆垛機(jī)維修費(fèi)用項(xiàng)目分為向廠家支付的委托維修費(fèi)用和制藥企業(yè)內(nèi)部的維修費(fèi)用。

向廠家支付的委托維修費(fèi)用按人工費(fèi)項(xiàng)目計算。內(nèi)部維修費(fèi)用分別按人工費(fèi)、材料費(fèi)、備件費(fèi)，以及備件庫存資金占用成本計算。其中，人工費(fèi)可由修理工的年度工資、福利費(fèi)等歸集；材料費(fèi)、備件費(fèi)按采購價格與實(shí)際消耗數(shù)量歸集；備件庫儲存了巷道堆垛機(jī)各類故障維修所需備件，需考慮備件庫存資金占有成本。

2 維修費(fèi)用數(shù)據(jù)收集與處理

2.1 數(shù)據(jù)收集

通過查閱設(shè)備檔案、設(shè)備購置合同或設(shè)備的實(shí)際制造費(fèi)用、設(shè)備報表、設(shè)備檢修臺賬（含設(shè)備檢修工時定額）、生產(chǎn)費(fèi)用、故障停機(jī)時間及費(fèi)用、設(shè)備更新改造資料、物價上漲指數(shù)、利率等，以及現(xiàn)場調(diào)查收集到的相關(guān)的設(shè)備原始資料、日常生產(chǎn)的運(yùn)行記錄以及相關(guān)報表，了解到工時、材料費(fèi)、備件費(fèi)等費(fèi)用。

日常點(diǎn)檢按日常實(shí)際收集數(shù)據(jù)；經(jīng)常性點(diǎn)檢按周、月收集數(shù)據(jù)；定期點(diǎn)檢按4 200h、2 000h收集數(shù)據(jù)；季度保養(yǎng)按季度收集數(shù)據(jù)；半年保養(yǎng)按半年收集數(shù)據(jù)；大修按五年一次收集數(shù)據(jù)；項(xiàng)修按兩年一次收集數(shù)據(jù)；小修、故障性修理不按次數(shù)，按故障修復(fù)具體時間收集數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)整理

由于原始數(shù)據(jù)來源于制藥企業(yè)倉儲、財務(wù)、采購等不同業(yè)務(wù)部門，在錄入過程中由于人為因素的影響，收集到的維修費(fèi)用數(shù)據(jù)可能存在某些問題，或不同部門對于在同一維修費(fèi)用數(shù)據(jù)定義上有差別，導(dǎo)致數(shù)據(jù)重復(fù)計算等。因此，需對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。在整理過程中應(yīng)注意以下問題：

（1）充分考慮所收集的維修費(fèi)用數(shù)據(jù)的一致性，維修費(fèi)用數(shù)據(jù)應(yīng)在一定范圍內(nèi)有一定連續(xù)性；

（2）剔除奇異數(shù)據(jù)，對不合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；

（3）考慮技術(shù)進(jìn)步、通貨膨脹等因素對維修費(fèi)用數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響，選擇一定的方法進(jìn)行調(diào)整。

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

收集巷道堆垛機(jī)各年度各類維修費(fèi)用數(shù)據(jù)，匯總生成當(dāng)年維修費(fèi)用數(shù)據(jù)，進(jìn)行貼現(xiàn)計算。以某一年度為基準(zhǔn)年，將其他年份換算到基準(zhǔn)年的現(xiàn)值，然后累計得出總現(xiàn)值，即可進(jìn)行比較。貼現(xiàn)計算公式為：

式中：P為全壽命周期費(fèi)用現(xiàn)值；Fn為第n年費(fèi)用的名義值；i為貼現(xiàn)率；n指某一固定年份；T為考慮的時間長度；f為現(xiàn)值系數(shù)，此處f=(1+i)-n為一次性支付現(xiàn)值系數(shù)。

3 基于灰色系統(tǒng)理論的維修費(fèi)用數(shù)據(jù)預(yù)測模型

3.1 預(yù)測步驟

步驟1：通過調(diào)研，收集到某制藥企業(yè)巷道堆垛機(jī)在不同年度各類維修費(fèi)用的原始數(shù)據(jù)，包括：日常點(diǎn)檢、經(jīng)常性點(diǎn)檢、定期點(diǎn)檢、季度保養(yǎng)、半年保養(yǎng)、大修、項(xiàng)修、小修、故障性修理發(fā)生的次數(shù)、維修項(xiàng)目、消耗材料與消耗備件數(shù)量等。

步驟2：以年為單位，分廠家維修、企業(yè)自修，分別匯總計算各類維修費(fèi)用。

其中，材料費(fèi)、備件費(fèi)按照每類維修實(shí)際消耗的材料、備件進(jìn)行匯總計算。企業(yè)自修的人工費(fèi)按照實(shí)際參與維修人數(shù)、維修工時、以及每小時折合的人工工資與福利費(fèi)進(jìn)行計算。故障費(fèi)按照當(dāng)年統(tǒng)計得出的平均故障費(fèi)用與一年內(nèi)平均故障間隔次數(shù)相乘進(jìn)行計算。

步驟3：考慮到通貨膨脹的影響，對上述年度匯總計算得出的各類維修費(fèi)用進(jìn)行預(yù)處理。

步驟4：建立灰色預(yù)測模型，選擇企業(yè)期望預(yù)測的年份，對未來年份數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。

基于灰色預(yù)測理論的預(yù)測分為：①構(gòu)建原始序列；②做一次累加序列；③生成均值序列；④建立灰微分方程；⑤建立白化微分方程；⑥解方程還原為原始數(shù)列模型等步驟，生成曲線，對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行精度校驗(yàn)。

步驟5：使用已通過結(jié)果精度校驗(yàn)的灰色預(yù)測模型，得出期望預(yù)測年份的維修費(fèi)用的預(yù)測數(shù)據(jù)，并對維修費(fèi)用在所選擇的期望預(yù)測年份的變化趨勢進(jìn)行分析。

3.2 算例

3.2.1 問題背景?，F(xiàn)收集到某制藥企業(yè)立體庫13臺巷道堆垛機(jī)在2016-2020年的維修數(shù)據(jù)，見表1。

表1 2016-2020年各類維修費(fèi)用匯總 單位：元

3.2.2 數(shù)據(jù)處理。

表2數(shù)據(jù)來源于制藥企業(yè)，為處理后數(shù)據(jù)。該制藥企業(yè)的巷道堆垛機(jī)點(diǎn)檢模式為定期性點(diǎn)檢模式，每年3.6次；以2020年收集到的大修數(shù)據(jù)為例，折算到平均的五年里為每年39 000元；以2018年收集到的中修數(shù)據(jù)為例，折算到平均的兩年里為每年32 500元；故障性修理數(shù)據(jù)為每年實(shí)際發(fā)生故障的修理費(fèi)用。將合計后的維修費(fèi)用代入式（1）計算后得到貼現(xiàn)后費(fèi)用。

表2 經(jīng)處理后的2016-2020年各類維修費(fèi)用匯總單位：元

3.2.3 預(yù)測模型建立。已知原始樣本序列為：

則：

即：

建立灰微分方程：

構(gòu)建數(shù)據(jù)矩陣B及數(shù)據(jù)向量Y，分別為：

設(shè)為待估參數(shù)量，用最小二乘法求得：

即得到：a=-0.084 8，b=301 500.3。

相應(yīng)建立GM(1,1)白化微分方程為：

則白化微分方程GM(1,1)的離散解為：

還原為原始數(shù)列預(yù)測模型為：

將分別代入式（2）和式（3），經(jīng)計算可得出2016-2028年維修費(fèi)用預(yù)測值，見表3。

表3 2016-2028年維修費(fèi)用預(yù)測值

3.2.4 模型精度檢驗(yàn)。

（1）計算殘差ε(k)。假設(shè)殘差為ε(k)，則：

可得：

相對誤差為：

2016-2020年維修費(fèi)用實(shí)際值與預(yù)測值比較見表4。

表4 2016-2020年維修費(fèi)用實(shí)際值與預(yù)測值比較

（2）計算小誤差概率P和后驗(yàn)差比值C。經(jīng)計算原始序列的均值為:

殘差ε(k)的均值為:

將與分別代入，求得

將ε(k)與εˉ分別代入，求 得

|ε(k)|的值分別為200.6，3 453.6，3 482.4，2 494.4，2 322.6。

根據(jù)表5精度評定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)，得到在各故障性修理費(fèi)用預(yù)測模型中的P均大于0.95，C均小于0.35。由此可知，該預(yù)測模型精度等級為1級，2016-2020年堆垛機(jī)維修費(fèi)用的預(yù)測數(shù)據(jù)精準(zhǔn)可靠。

表5 灰色模型精度評定指標(biāo)

3.2.5 計算結(jié)果分析。以表4數(shù)據(jù)為依據(jù)，生成預(yù)測曲線圖，如圖2所示。圖中曲線分別表達(dá)了近五年13臺堆垛機(jī)維修費(fèi)用預(yù)測值與實(shí)際值之間的對比，以及往后八年維修費(fèi)用增長趨勢。

由圖2可知：

圖2 近五年期間維修費(fèi)用實(shí)際值與預(yù)測值對比

（1）2016-2020年的預(yù)測值與實(shí)際值接近。

（2）2021-2028年的預(yù)測值逐年上升，到2024年上升速度陡增。經(jīng)了解，該制藥企業(yè)自動化立體庫已運(yùn)轉(zhuǎn)十年，設(shè)備老化程度顯著增加，存在費(fèi)用陡增的可能性。

（3）2021-2028年維修費(fèi)用的增長趨勢可為企業(yè)優(yōu)化維修策略提供借鑒，企業(yè)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注容易導(dǎo)致維修費(fèi)用陡增的故障原因，如距離感應(yīng)器、變頻器、導(dǎo)輪引起的故障，并對該類備件進(jìn)行充足準(zhǔn)備，以便完善備件采購計劃，控制庫存水平。

4 結(jié)語

巷道堆垛機(jī)作為制藥企業(yè)自動化立體倉庫的重要設(shè)備，是成品藥劑正常出入庫的關(guān)鍵。本文引入全壽命周期理論，建立了巷道堆垛機(jī)全壽命周期維修費(fèi)用分解結(jié)構(gòu)，采用灰色預(yù)測模型，對巷道堆垛機(jī)全壽命周期內(nèi)的維修費(fèi)用進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果數(shù)據(jù)曲線呈遞增的趨勢，可為企業(yè)對巷道堆垛機(jī)編制年度維修費(fèi)用預(yù)算、合理控制維修備件庫存提供依據(jù)。但要想進(jìn)行更加精準(zhǔn)預(yù)測，需按照維修類別，分類對維修費(fèi)用數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。