金 旸 蔡芝明 覃海波

（1.中國艦船研究設(shè)計中心 武漢 430033）（2.海軍工程大學(xué)動力工程學(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，備件意外的不可用會降低裝備戰(zhàn)備完好性、增加停機成本及使用人員的不滿意度。在蒸汽動力裝置維修期間，裝備組成部分被拆開，直接修理或用備件進行更換，可見備件的可用性對修理工作是至關(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，國內(nèi)外一些學(xué)者對備件保障理論進行了大量的研究，Costantino等［2］以修理能力需求不同對航空備件多層級維修中心進行了分類。文獻［3］建立了有限維修保障資源約束下靜態(tài)的修理車間類型。文獻［4～6］建立了訂貨至交貨時間不確定約束情況下的備件多層級庫存模型。文獻［7］提出了綠色供應(yīng)鏈系統(tǒng)中低壽命周期費用可修備件回收再利用的方法。文獻［8］針對修理車間研究存在理論和實踐不相符合的情況，提出了實時的計劃和生產(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［10］提出了可修備件修理車間的一般控制結(jié)構(gòu)方法。文獻［11］建立了基于保障概率的可修備件需求預(yù)測模型，模型可以有效解決可修備件的需求預(yù)測問題。文獻［12～14］提出了可修備件存儲倉庫合并的方法。文獻［15］提出了有限維修能力下多層級可修備件最優(yōu)庫存建立方法。文獻［16］建立了備件庫存和修理能力之間最優(yōu)控制模型。文獻［17］提出了考慮修理能力的戰(zhàn)時備件配置方案優(yōu)化方法。文獻［18］對一個具有多種多樣修理能力的系統(tǒng)進行了研究。目前研究備件保障理論和實踐之間不相符的問題［19～20］是研究的熱點，同時也是難點。

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

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

2 蒸汽動力裝置可修備件的一般控制結(jié)構(gòu)

修理車間負(fù)責(zé)及時維修故障件，倉庫負(fù)責(zé)及時給修理車間供應(yīng)備件，修理車間管理員和倉庫管理人員之間達成了一些共識，比如備件保障概率必須超過事先設(shè)定的閾值或者短缺數(shù)必須小于某個閾值。

2.1 裝備維修類型、故障原因及特點

裝備現(xiàn)場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，如果有備件就直接更換，沒有的話就發(fā)生一次備件短缺。裝備被拆解的原因：故障維修、預(yù)防性維修及超過某一設(shè)定極限值必須更換。表1給出了不同的修理類型、故障原因及特點。

表1 修理類型、故障原因及特點

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的部分稱為現(xiàn)場維修更換單元（Line Replaceable Unit，LRU），故障件LRU（具有可維修價值）被送到修理車間，通常修理工作分三步：1）故障診斷，2）修理或再制造，3）測試。通過故障診斷之后會得到具體的修理需求，這表明修理車間故障診斷工作非常重要，因為故障部位和保障資源需求在診斷之前并不知道，診斷之后可以確定哪些車間修理單元（Shop Replaceable Unit，SRU）需要被取下來被備件取代，故障件SRU可被修理（具有可維修價值）或再次使用，因SRU型號及種類多樣且修理比較復(fù)雜，故SRU的修理工作具有多層級性。同時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)中進行了說明。

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

修理車間可以自行安排修理工作的優(yōu)先級順序，對于只需要基本修理能力就能完成的修理工作是相對容易的，萬一某項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間或轉(zhuǎn)換時間。影響修理工作的主要費用因素：1）修理能力；2）上報給更高層級單位；3）協(xié)調(diào)設(shè)備廠的修理能力；4）加班費用；5）LRU庫存費用；6）SRU庫存費用。

3 蒸汽動力裝置修理車間分類

不同修理車間維修水平及保障資源需求種類和數(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劃分修理車間類型，具體劃分見表2。

表2 不同的修理車間類型

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

4 蒸汽動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)場出現(xiàn)裝備故障，按是否具有可修價值，可分為可修件（故障件）和不可修件（報廢件、消耗件），現(xiàn)場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間進行修理。對于每個修理車間類型，主要概述了特殊特點和設(shè)計原理，并給出每種修理車間類型的控制結(jié)構(gòu)。

4.1 蒸汽動力裝置修理車間類型Ⅰ

4.1.1 特點和設(shè)計原理

蒸汽動力裝置修理車間類型Ⅰ的特點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的SRU，同時SRU存儲數(shù)量非常低，容易且相對成本低的去獲得一個高的SRU可用性，整合SRU和LRU庫存控制的費用是低的；另一方面，因修理能力相同且特殊修理技能需求量是低的，所以向更高層級運送故障件是可行的，并且明確了一個訂貨至交貨的時間。

修理好的完好件經(jīng)過檢測或質(zhì)量控制之后可以成為將來維修保障資源，例如為了降低裝備期望短缺數(shù)，除非倉庫有大量備件庫存，否則備件短缺肯定會發(fā)生，滿足現(xiàn)在裝備短缺需求肯定比將來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。同時備件倉庫管理員具有很好的關(guān)于修理工作優(yōu)先級知識，因為修理能力低，優(yōu)化修理工作的優(yōu)先級是沒有意義的，基于上述原因，倉庫管理員負(fù)責(zé)設(shè)定修理工作的優(yōu)先級。

4.1.2 控制結(jié)構(gòu)

因為修理工作被打斷次數(shù)是非常低的，庫存管理員和修理車間管理員之間達成了一些基本的共識：1）LRU的日常和突發(fā)的修理工作訂貨至交貨的時間是明確的，2）每個周期都最大限度的給予修理車間修理工作，3）每個周期內(nèi)突發(fā)修理工作占整個修理工作的比例是被嚴(yán)格確定的。修理車間類型Ⅰ的修理步驟和控制原理已經(jīng)在圖2中進行了說明。

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

因為在規(guī)定的訂貨至交貨時間內(nèi)，修理車間負(fù)責(zé)修理故障件，顯然修理車間管理員對完成訂貨至交貨的時間及SRU庫存水平負(fù)責(zé)，修理車間管理人員同樣對決定修理能力負(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修理工作中獲得的故障數(shù)量，能力分配是非常容易的，因為修理能力相同，SRU備件采用先到先服務(wù)（first-come-first-serve）的原則，對于突發(fā)修理工作，提出積極的加班政策。

庫存管理員負(fù)責(zé)LRU的庫存控制，LRU的存儲控制數(shù)量主要取決于每個LRU事先設(shè)定的訂貨至交貨時間、工作量約束及上報更高層級選擇，倉庫管理員可以通過設(shè)定需要修理的LRU的優(yōu)先級來影響花在故障件LRU上的時間，倉庫管理員對這些修理工作的優(yōu)先級負(fù)責(zé)同時決定每項LRU的最大庫存水平。萬一出現(xiàn)短時間內(nèi)LRU的高需求量，倉庫管理員可以和修理車間管理員協(xié)調(diào)增加訂貨至交貨的時間，這樣可以減少或控制保障費用增加。依據(jù)倉庫每項LRU的存儲期望數(shù)，倉庫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，倉庫管理員選擇修理工作類型（突發(fā)、日?；蛏蠄蟾邔蛹墸?，主要是基于目前存儲信息、訂貨至交貨時間及修理工作優(yōu)先級。

4.2 蒸汽動力裝置修理車間類型Ⅱ

顯然蒸汽動力裝置修理車間類型Ⅱ的控制結(jié)構(gòu)和修理車間類型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，包括修理車間類型Ⅱ設(shè)計目的。

4.2.1 特點和設(shè)計原理

修理車間類型Ⅱ和修理車間類型Ⅰ之間的主要區(qū)別是保障資源需求具有一個高的不確定性。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及數(shù)量的SRU且儲存量要維持在一個比較高的水平，修理工作被打斷的主要原因是缺乏SRU備件。為了降低SRU備件的等待時間，當(dāng)收到故障件LRU時，應(yīng)盡最快速度診斷出故障部位。

在修理車間類型Ⅱ中，應(yīng)該在故障件LRU診斷工作（主要是降低SRU的備件等待時間）和SRU的修理工作（主要是降低LRU的等待時間）之中取得一個最佳控制點。倉庫管理員負(fù)責(zé)依據(jù)現(xiàn)有備件庫存水平來制定故障診斷工作和修理工作的優(yōu)先級。

4.2.2 控制結(jié)構(gòu)

和類型Ⅰ不同的是，對于故障診斷工作和修理工作，倉庫管理員和修理車間管理員達成了一致的訂貨至交貨時間，修理車間管理員不再負(fù)責(zé)SRU備件庫存及等待時間控制，其在修理車間類型Ⅰ是由修理車間管理員控制的，具體控制結(jié)構(gòu)見圖3。

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

4.3 蒸汽動力裝置修理車間類型Ⅲ

4.3.1 特點和設(shè)計原理

蒸汽動力裝置修理車間類型Ⅲ的特點是擁有低維修保障資源需求不確定性及一個高維修保障能力。修理工作被打斷的次數(shù)是中等的，因為修理資源需求不確定性水平低，類似于修理車間類型Ⅰ，SRU和LRU庫存優(yōu)化控制節(jié)省的保障費用是有限的，同時優(yōu)化診斷工作和修理工作優(yōu)先級帶來的保障費用降低程度也是有限的，因此，修理車間管理員完全負(fù)責(zé)修理工作及SRU備件存庫控制。

修理車間類型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，因而上報更高層級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，適當(dāng)?shù)难娱L修理人員工作時間是允許的。

修理車間管理人員具有良好的關(guān)于如何安排修理工作優(yōu)先級的知識，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，所以車間修理人員負(fù)責(zé)制定修理工作優(yōu)先級。修理車間類型Ⅲ中WIP件相比于Ⅰ和Ⅱ會非常多，因為一個修理人員在同一時間內(nèi)要處理的修理工作可能會非常多。

4.3.2 控制結(jié)構(gòu)

修理車間管理員比庫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，庫存管理員負(fù)責(zé)制定靜態(tài)修理工作的優(yōu)先級，參照靜態(tài)修理工作優(yōu)先級，修理車間管理員可以制定動態(tài)的修理工作的優(yōu)先級，具體控制結(jié)構(gòu)見圖4。

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

4.4 蒸汽動力裝置修理車間類型Ⅳ

4.4.1 特點和設(shè)計原理

蒸汽動力裝置修理車間類型Ⅳ特點是擁有高維修保障資源需求不確定性及一個高維修保障能力。不同于上述三種修理車間類型且也并不是修理車間類型Ⅱ和Ⅲ的簡單疊加。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的庫存量應(yīng)維持在一個最高水平，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故障診斷時間、快速處理突發(fā)故障事件，倉庫管理員和修理車間管理員共同負(fù)責(zé)制定診斷工作或修理工作優(yōu)先級。

4.4.2 控制結(jié)構(gòu)

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

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

5 結(jié)語

針對目前可修備件保障研究領(lǐng)域中存在理論和工程實踐聯(lián)系不緊密的問題，本文通過分析修理車間特點和設(shè)計原理，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，建立了蒸汽動力裝置四種不同類型的修理車間控制結(jié)構(gòu)，并對可修備件控制結(jié)構(gòu)原理進行了說明。在實際工程應(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)強度等相關(guān)，在今后的工作和學(xué)習(xí)中，還需要針對上述問題進行更進一步的研究。