風電場運行維護中的庫存管理控制策略

伍孟軒，宋庭新，張一鳴，劉慧敏

（湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢430068）

備品備件在風電設備維修維護過程中必不可少。由于風電場建設處于剛剛起步階段，沒有大量實際數據作為備品備件報廢預測和備品備件采購依據，市場上雖然存在一些成熟的庫存管理軟件，但是這類軟件不能完全適用于風電場的庫存管理。本文通過分析風電場備品備件相對于風機重要程度的特點，利用ABC分類方法將備品備件進行合理分類，并且根據采購周期長短將B類備品備件分為B1類和B2類，借助理論研究方法對庫存進行定性分析和定量計算，設計了風電場庫存管理模塊并將其集成到風電場運行維護管理系統中，從而在一定程度上解決了風電場運行維護過程中庫存管理不合理的問題。

1 風電場運維和庫存管理現狀

我國風電設備的管理以及風電場維修、維護業務流程、庫存管理仍然處于紙質文檔管理階段［1－2］，管理手段還比較單一，資源協調和優化能力亟待提高。風電場運行保障的快速響應能力和安全保障能力的提升，必須依靠技術進步和管理創新，使之向先進高效的網絡化、信息化方向發展。

風電場庫存管理是風電場運行維護中非常重要的一個環節。風電企業庫存管理是指對風電場運行維護過程中所需單位備品備件數量的管理。備品備件是指風機可維修單元（即風機維修和更換的基本單位），風電場庫存管理依據風機可維修單元進行合理化管理。現代庫存管理的最理想方案是零庫存［3］，然而實際備品備件的庫存量大于零是顯而易見的，庫存量需要通過計算而確定。風電場庫存過多不僅僅占用大量資金，而且需要人員對庫存進行相應維護和管理。此外，某些備品備件長時間閑置，可能會導致浪費；當風電場的庫存量不足時，則會出現維修活動無法按期完成。這不僅可能使得電場的管理處于混亂的狀態，還可能導致客源流失，使得風電企業的競爭力下降。風電場庫存采購標準不確定，某些備品備件庫存過多，另一些又不足；單件采購商品耗費大，信息管理程度低。

庫存控制方法有很多，但都不適用于風電場庫存管理。如:3A庫存控制法分零部件的重要程度比較模糊，4-ABC正交完備控制法［4］和基于混和模糊神經網絡的零部件庫存優化方法［5］僅從單個零件的多個屬性角度出發，忽略各個零部件之間的相互影響關系，ABC庫存控制法僅從物資的價值程度進行控制，但是價值不能代表物資的需求量。

2 層次分析法確定零部件的重要程度

2.1 層次分析法

層 次 分 析 法 （AHP，Analytic Hierarchy Process）是指將一個復雜的多目標決策問題作為一個系統，將目標分解為多個目標或準則，進而分解為多指標的若干層次，通過定性指標模糊量化方法算出層次單排序和總排序，以作為目標、多方案優化決策的系統方法。AHP應用過程包括:首先繪制出備品備件分類層次結構模型，其次確定比例標度表，然后根據標度表列舉出準則層和方案層的判斷矩陣并作一致性校驗，最后計算各備件元素的權重。

2.1.1 構建風機備件層次結構模型 結合參考文獻［6］的分類標準，選取了年消耗金額、易損壞性、提前采購期、供應環境、關鍵性和可修復性等6個指標，然后運用層次分析法將風機各個部件和對風機各部件有作用的影響因素組織成為一個樹狀的層次結構，并且對每一個部分的相對重要性給予權數值，進而分析出各個部分的優先權。風電場的備品備件的分類層次結構模型可以分為目標層、準則層、方案層三個層次。其中備品備件在整個風機運行過程中的重要程度屬于方案層，風機各個零部件庫存量的各種影響因子屬于準則層，風機的各個零部件屬于方案層（圖1）。

圖1 備品備件分類層次結構模型

2.1.2 構建判斷矩陣 根據層次分析法中的標度與對風電場影響因子相互作用，以及與風機部件之間的相互作用進行調研分析。以年消耗量、易損壞性和提前采購期三個影響因子為例構建判斷矩陣（表1）。其中矩陣中的值通過影響因子進行兩兩對比而定。另外，層次分析法的標度分為9個等級:1代表表示兩個因素相比，具有同樣重要性；3代表表示兩個因素相比，一個因素比另一個因素稍微重要；5代表表示兩個因素相比，一個因素比另一個因素明顯重要；7代表表示兩個因素相比，一個因素比另一個因素強烈重要；9代表表示兩個因素相比，一個因素比另一個因素極端重要。而2，4，6，8分別代表上述兩相鄰判斷的中值。

表1 判斷矩陣

2.1.3 進行一致性檢驗 由于在構造成對比較矩陣時，要求滿足aijajk＝aik（1≤i，j，k≤n）是不可能的。因此可以允許成對比較矩陣存在一定程度的不一致性。但是，層次分析法需要進行一致性校驗。其校驗過程和算法如下。

1）通過

將A的每一列向量歸一化得B＝（bij），再通過

按行求和，得到C ＝ （c1，c2，…，cn）T，然后通過

對C向量做歸一化處理，并利用

（AW）i表示AW 的第i個分量）

計算出λmax的最大特征近似值。計算出成對比較矩陣A不一致程度的指標。接著，根據層次分析法對一致性指標的要求，取平均隨機一致性指標RI＝1.24。

2）計算成對比較矩陣A的隨機一致性比率CR，并與0.1比較，如果CR≤0.1則認為判斷矩陣A具有滿意的一致性，否則需要調整矩陣A中的aij的值，直到CR≤0.1為止。

2.1.4 備品備件對目標層備品備件重要性的總權重 風機零部件對單個影響因子的權重

計算出方案層對準則層權重的特征項P＝［P1i，P2i，…，Pni］（i＝1，2，3，4，5，6），最后計算出備品備件占風機正常運行過程中的總權重Wn＝

2.2 層次分析法在風電場備品備件中的應用

東海風電場屬于大型海上風電場，總裝機容量102MW。由于風電場的風機數量大，每臺風機的零部件種類繁多，本文在準則層不變的情況下隨機抽取出6種備品備件進行權重排序。這6種零部件為變速箱齒輪、軸承、發電機、液壓盤式制動器、偏航齒圈、傳感器。

結合層次分析法中的標度，對風電場的影響因子進行兩兩對比的判斷矩陣，確定兩個影響因子的相對重要程度，并構建風機部件的判斷矩陣（表2）。

表2 影響因子判斷矩陣

另外，在影響因子確定的情況下，對風機各部件進行兩兩對比，確定部件的相對重要程度，并構建風機部件的判斷矩陣（表3－表8）。然后通過一致性校驗中的第1步計算出表2矩陣中的特征向量［0.0842，0.0363，0.2579，0.1359，0.4557，0.0298］T和最大特征值λmax＝6.4503，并檢驗隨機一致率CR＝0.0726＜0.1，說明矩陣在不一致程度的允許范圍內。以同樣的方法計分別算出表3矩陣的特征向量［0.0499，0.0281，0.4634，0.1216，0.0742，0.2627］T和λmax＝6.2807，CR＝0.0453＜0.1，表4矩陣的特征向 量 ［0.4008，0.0860，0.2591，0.1728，0.0534，0.0279］T和λmax＝6.2184，CR＝0.0352＜0.1，表5特征向量［0.0770，0.0483，0.4196，0.2640，0.1641，0.0270］T和λmax＝6.3082，CR＝0.0497＜0.1，表6矩陣的特征向量［0.0461，0.0306，0.4509，0.2376，0.1413，0.0936］T和λmax＝6.1920，CR＝0.0310＜0.1，表7矩陣的特征向量［0.1320，0.0893，0.4552，0.0556，0.2387，0.0292］T和 λmax＝6.1920，CR＝0.0310＜0.1，表 8 矩 陣 的 特 征 向 量 ［0.0317，0.0528，0.4300，0.2486，0.0928，0.1440］T和λmax＝6.0982，CR＝0.0158＜0.1。最后通過層次分析法的第4步計算出各個備品備件的層次總排序，零部件權重由高到低的排序為:發電機、液壓盤式制動器、偏航齒圈、齒輪、軸承、傳感器（表9）。

表3 年消耗金額

表4 易損壞性

表5 采購提前期

表6 供應環境

表7 關鍵性

表8 可修復性

表9 備品備件權重層次總排序

通過分析，計算得出各個節點的權重（圖2）。圖3反映出備件提前采購期也是一個非常關鍵的影響因子。圖4列舉出了6種備件采購所需時間的比例——相對于其他零部件而言，發動機、液壓盤式制動器、偏航齒圈的采購周期特別長。

圖2 備品備件權重圖

圖3 影響因子的影響程度圖

圖4 提前采購期

3 AB2C分類法的庫存采購策略

筆者在層次分析法的基礎上，結合ABC庫存法和3A庫存控制法提出一種符合風電場庫存管理特點的庫存控制方法——基于層次分析法的AB2C庫存采購方法。其中:A類部件為風電設備的關鍵部件，這類備件需求量不大，但不容易損壞，一經損壞必須及時更換；B類部件風電設備的關鍵部件，易磨損，易損壞，根據備件的采購周期長短，將B類部件劃分B1和B2兩類；C類部件是風電設備中的一些輔助關鍵零部件正常運行的部件和輔助用料，一定時間的庫存補給延遲不會影響風機的正常運行。

根據層次分析法計算備品備件的總權重，并從大到小排序，然后按照排列的次序對備品備件進行ABC分類。由于不能單從備件的價值大小來劃分，所以ABC分類法中的比例不能適用于風電場備品備件。收集單臺風機備件數據，分析得出排序在前15%的備品備件歸為A類，處于中間位置的70%的備品備件被歸為B類，處于最后位置的15%的備品備件被歸為C類。經過計算可以確定發電機為A類，液壓盤式制動器、偏航齒圈為B1類，齒輪、軸承為B2類，傳感器為C類。

通過AB2C分類備品備件后，假設A、B1、B2、C備品備件的故障率是一個定值，則年消耗率也是固定的值k。

對于C類備品備件給定一個較小的默認值即可，當需要C類備品備件的數量達到一定的值時，可以批量采購。

A類備品備件是屬于不允許缺貨的，分析A類備件的需求并繪制出庫存控制策略（圖5a）。由于備品備件的年消耗量是固定的，所以當備品備件消耗到T0時，風電場運行維護管理系統會發出預警通知，此時即開始實施對A類備品備件的采購活動且采購周期必須不大于T1－T0。

分析B1類備件的需求并繪制出庫存控制策略（圖5b）。由于備品備件的年消耗量是固定的，所以當備品備件消耗到T0時，理論上備品備件已經消耗完，風電場運行維護管理系統會發出預警通知，風電場可以在T1－T0時間段內對備品備件進行采購，使得備件的庫存重新回到最大庫存量（Q）。

經需求分析，對B2類備件的庫存控制策略如圖5c所示。由于備品備件采購周期較長，備品備件的年消耗量是固定的，所以當備品備件消耗到T0時刻，理論上備品備件已經消耗到了預警值（L），風電場必須在T1－T0這個時間段對備品備件實施合理的采購，使得備件的庫存重新回到最大庫存量。

圖5 庫存控制策略

綜上所述，備品備件庫存的定量Q＝風電場正在運行部件的數量×風機部件的年故障率×（采購周期/365）＋多余采購數量。

即風機在每個周期內消耗的備件數量，再加上一定的多余采購量后，即可得到風電場備品備件的庫存量。

4 結束語

本文介紹了當前風電場的運行維護和庫存管理現狀，分析了當前的庫存管理方法，采用一種基于層次分析法AB2C分類方法來對海上風電場的庫存進行管理。本文的研究成果已經集成到“大型海上風電場全生命周期的管理決策支持系統研究”項目組開發的風電場運行維護管理信息系統中，并在東海風電場運維管理中得到了應用。此外，風電場在庫存管理方面所需要的人員、物料得到了合理的安排，并保證風電場的維修維護效率，同時也降低了維修維護和庫存管理的成本，使得風電場的精益化管理程度有了很大的提高。

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