水面艦艇新研裝備備品備件配置方法

常瑞承

(中國艦船研究院，北京 100101)

0 引 言

備品備件是指為水面艦艇配備的易損零件、部件或整機(jī)以及隨機(jī)供應(yīng)的專用工具，其供應(yīng)及需求量的確定是艦船設(shè)備供應(yīng)保障的重要內(nèi)容，直接影響裝備的技術(shù)狀態(tài)性能、戰(zhàn)備完好性、任務(wù)成功性和全壽命周期費(fèi)用。備品備件的配置是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其實(shí)質(zhì)是為保證系統(tǒng)達(dá)到使用需求，對(duì)相關(guān)備品備件存儲(chǔ)位置、數(shù)量、儲(chǔ)備種類選取在內(nèi)的一系列問題的求解，核心是確定備件的種類與數(shù)量。

從20世紀(jì)60年代美軍研究備件供應(yīng)保障問題開始，備品備件管理工作就是裝備保障領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，研究覆蓋備件分類方法、備件需求預(yù)測(cè)、備件庫存控制和優(yōu)化等方面技術(shù)，形成MIL-STD-1375《初始供應(yīng)保障通用要求》、MIL-STD-1561B《國防部統(tǒng)一的供應(yīng)程序》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，已成為工程日常工作項(xiàng)目。90年代隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)、物流及供應(yīng)鏈管理等技術(shù)發(fā)展，備件管理精確化供應(yīng)成為可能，從而使得壽命周期內(nèi)，備品備件費(fèi)用達(dá)到最低成為可能。我國相關(guān)研究工作開展較國外要晚，但隨著人們對(duì)備品備件管理重要性認(rèn)識(shí)越來越深刻，相關(guān)技術(shù)研究全面展開，20世紀(jì)90年代末期結(jié)合預(yù)研成果制定了備品備件配置相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如GJB3914-1999《電子對(duì)抗裝備隨機(jī)備件概算》，GJB4355-2002《備件供應(yīng)規(guī)劃要求》等。但由于水面艦艇裝備壽命長、任務(wù)多樣、維修體制多樣、系統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)場可更換單元種類多、使用年限長短不一、體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，使得備品備件配置問題尤其復(fù)雜，備品備件配置不合理為使用部隊(duì)反映的比較突出的問題之一，相關(guān)工作仍處于起步階段，GJB2528-1995《艦船備品備件和供應(yīng)品配置一般規(guī)定》對(duì)配置問題作了原則性的規(guī)定，但并沒有形成備品備件配置的流程與步驟，本文主要在GJB4355基礎(chǔ)上針對(duì)新研產(chǎn)品開展適應(yīng)性研究，形成備品備件配置方法，重點(diǎn)解決種類與數(shù)量配置問題。

1 水面艦艇備品備件配置原則

1）由于水面艦艇裝備故障可維修特點(diǎn)，應(yīng)優(yōu)先考慮艦員級(jí)維修級(jí)別的備品備件需求，可使艦船裝備完成相應(yīng)任務(wù)的影響最小，也使維修保障費(fèi)用最低。

2）備品備件配置考慮初始保障期與后續(xù)保障期問題，前者考慮目前裝備供應(yīng)特點(diǎn)以一年為參考，后續(xù)保障期應(yīng)充分考慮使命任務(wù)的最大周期，一般情況水面艦艇執(zhí)行任務(wù)的周期為90 d，艦員級(jí)備品備件的保障周期必須滿足90 d的需要。

3）由于艦船空間有限，應(yīng)優(yōu)先考慮對(duì)完成任務(wù)有影響的故障維修所需的備品備件。

4）考慮水面艦船惡劣儲(chǔ)藏環(huán)境對(duì)備品備件的影響，對(duì)于需要定期檢測(cè)或通電的備品備件，若無檢測(cè)條件，要考慮在艦上的儲(chǔ)存時(shí)間盡量不超過檢測(cè)、通電周期。

2 水面艦艇備品備件配置程序

新研裝備備品備件配置核心分為備件品種確定和數(shù)量的確定，一般應(yīng)根據(jù)裝備使用要求、故障模式、影響及危害性分析和維修級(jí)別、維修任務(wù)以及維修時(shí)間分析確定可更換單元，再考慮壽命期內(nèi)更換的可能性，確定是否需要配置；應(yīng)明確需要和不需要配置的準(zhǔn)則，通過概算模型確定，根據(jù)配置原則、實(shí)際使用數(shù)據(jù)等進(jìn)行調(diào)整，工作過程如圖1所示。

結(jié)合水面艦艇工程特點(diǎn)，在備件種類方面重點(diǎn)介紹如何通過故障模式、影響及危害性分析（FMECA）、以可靠性為中心的維修分析（RCMA）、維修級(jí)別分析（LORA）進(jìn)行確定，在備件數(shù)量方面通過概算模型進(jìn)行計(jì)算，主要步驟為：

1）通過FMECA確定可能出現(xiàn)的故障模式，以及結(jié)合使用強(qiáng)度確定各故障模式的故障率（可利用可靠性預(yù)計(jì)的方式或結(jié)果）；

2）同時(shí)，通過LORA確定故障模式的維修級(jí)別（是否為艦員級(jí)維修），對(duì)各艦員級(jí)維修的故障模式通過分析確定維修方式（是否更換備品備件），列出所有需要艦員級(jí)維修且更換備品備件的清單；

3）通過RCMA確定預(yù)防性維修的維修內(nèi)容，納入維修級(jí)別分析、維修任務(wù)分析確定其維修級(jí)別和維修方式，列出預(yù)防性維修中艦員級(jí)維修并需要更換備品備件的清單；

4）確定需要配置備品備件的判別準(zhǔn)則，并確定配置備品備件的種類；

5）根據(jù)不同的備品備件類型或掌握信息的程度選擇概算模型，計(jì)算備品備件的配置數(shù)量，根據(jù)配置原則、實(shí)際使用數(shù)據(jù)等對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

3 水面艦艇備品備件種類確定方法

本章主要從備品備件種類確定需求角度，對(duì)FMECA、LORA、RCMA等工程實(shí)施中與備品備件配置相關(guān)的的內(nèi)容進(jìn)行研究，明確相應(yīng)的工作輸出，為形成備品備件種類確定的完整程序奠定基礎(chǔ)。

3.1 FMECA

FMECA為水面艦艇可靠性工程實(shí)施必做項(xiàng)目，其方法比較成熟，原有的分析主要是從可靠性的角度開展故障模式影響分析，危害性分析尚不廣泛，得到的結(jié)果主要是Ⅰ、Ⅱ類故障模式清單、單點(diǎn)故障模式清單及可靠性關(guān)鍵產(chǎn)品清單等。從備品備件角度目前該工作項(xiàng)目應(yīng)增加如下要求：

1）分析全部故障模式，不僅僅是Ⅰ、Ⅱ類故障模式清單，同時(shí)根據(jù)維修級(jí)別分析的結(jié)果分別按維修級(jí)別分列，特別是艦員級(jí)維修的故障模式單獨(dú)列出。

2）列出各故障模式的故障發(fā)生概率或故障率。

3）列出修復(fù)性維修所需備品備件清單。

3.2 LORA

LORA分析的目的是確定FMECA與RCMA故障模式的維修級(jí)別，明確艦員級(jí)維修故障模式。LORA首先應(yīng)進(jìn)行非經(jīng)濟(jì)性分析，確定合理的維修級(jí)別。如不可能，則需進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，選擇合理可行的維修級(jí)別或報(bào)廢。其中非經(jīng)濟(jì)因素包括：部署的機(jī)動(dòng)性要求，現(xiàn)行保障體制的限制，特殊的運(yùn)輸性要求，修理的技術(shù)可行性，安全、保密限制，人員與技術(shù)水平等，通過這些因素的分析，可直接確定裝備中待分析產(chǎn)品在哪一級(jí)維修或報(bào)廢，當(dāng)不能僅憑非經(jīng)濟(jì)性分析為依據(jù)，還需分析評(píng)價(jià)其報(bào)廢或修理的費(fèi)用，使決策更合理，通常會(huì)考慮備件費(fèi)用、維修人力費(fèi)用、材料費(fèi)用、維修保障費(fèi)用等。對(duì)于備品備件配置，LORA所需信息可用表2列出。

表1 修復(fù)性維修所需備品備件清單

表2 維修級(jí)別分析

3.3 以可靠性為中心的維修分析（RCMA）

RCMA是按照以最少的維修資源消耗保持裝備固有可靠性和安全性的原則，應(yīng)用邏輯決斷的方法確定裝備預(yù)防性維修產(chǎn)品、預(yù)防性工作類型及其間隔期，主要步驟一般為確定重要功能產(chǎn)品、進(jìn)行故障模式和影響分析、應(yīng)用邏輯決斷圖確定預(yù)防性維修工作類型、確定預(yù)防性維修工作的間隔期、提出預(yù)防性維修工作的維修級(jí)別建議、進(jìn)行維修間隔期探索。對(duì)于水面艦艇備品備件配置來說，RCMA的結(jié)果中艦員級(jí)維修需要更換的備品備件與維修工作時(shí)間間隔是所需信息。一般來說，預(yù)防性維修所需的備品備件確定性比修復(fù)性維修所需的備品備件確定性更大。本分析的結(jié)果要求列出確定后所有預(yù)防性維修所需備品備件的清單和相應(yīng)的預(yù)防性維修的時(shí)間間隔，此項(xiàng)分析對(duì)于非電子類系統(tǒng)設(shè)備意義更大。

3.4 備品備件種類確定的準(zhǔn)則

1）影響任務(wù)完成的故障（即嚴(yán)重以上等級(jí)的故障）且有一定發(fā)生概率的，修復(fù)所需的備品備件應(yīng)配置；

2）在保障期內(nèi)預(yù)防性維修所需的備品備件應(yīng)配置；

3）故障率高的一般故障（臨界或輕微故障）修復(fù)所需的備品備件應(yīng)配置；

4）通過FMECA，故障率極低的故障模式修復(fù)所需的備品備件可不配置；

5）故障率不高的輕微故障修復(fù)所需的備品備件不配置；

6）非艦員級(jí)維修所需的備品備件不配置。

7）對(duì)于那些有一定故障率、但故障率不高的一般故障，應(yīng)列出優(yōu)先順序表，綜合考慮基層級(jí)備品備件滿足率和利用率，視約束條件，按優(yōu)先順序配置。

表3 備品備件配置所需RCMA信息

4 水面艦艇備品備件數(shù)量的確定方法

4.1 國軍標(biāo)4355規(guī)定的方法

在確定水面艦艇備品備件的種類后，根據(jù)備品備件的類型，選擇相應(yīng)概算模型計(jì)算備品備件數(shù)量，GJB4355中對(duì)指數(shù)壽命件備件、威布爾壽命件備件、正態(tài)壽命件備件需求量、戰(zhàn)時(shí)修理備件計(jì)算模型、簡單模型均進(jìn)行了詳盡的介紹，滿足水面艦艇產(chǎn)品多樣的特點(diǎn)。水面艦艇產(chǎn)品多樣，數(shù)據(jù)基礎(chǔ)積累程度水平不一，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品類型不同優(yōu)先采用不同壽命分布的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)不具備相應(yīng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，可采用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的工程經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)水面艦艇特點(diǎn)，在進(jìn)行數(shù)量概算時(shí)，相關(guān)參數(shù)主要為：

1）一般情況下設(shè)備初始保障期按1年計(jì)算，不同設(shè)備可根據(jù)自己產(chǎn)品特點(diǎn)進(jìn)行初始保障期的確定，后續(xù)備件量按隨艦保障期90 d計(jì)算；

2）只計(jì)算艦員級(jí)維修備品備件數(shù)量，滿足率與利用率按各系統(tǒng)、設(shè)備的要求確定，無其它要求的按型號(hào)頂層要求確定；

3）裝備數(shù)量按一條艦計(jì)算，若一條艦上有多臺(tái)相同的設(shè)備，其備品備件可一并考慮，公式中的裝備數(shù)量則按一條艦上配置的設(shè)備數(shù)量計(jì)算；

4）保障期時(shí)間按日歷時(shí)間計(jì)算，設(shè)備工作時(shí)間按該日歷時(shí)間中的設(shè)備實(shí)際工作時(shí)間計(jì)算。當(dāng)后續(xù)保障期中執(zhí)行任務(wù)明確時(shí)，按明確的任務(wù)計(jì)算工作時(shí)間，當(dāng)任務(wù)不明確時(shí)，按最大工作時(shí)間計(jì)算。

4.2 簡單的備品備件數(shù)量概算方法

目前關(guān)于備品備件數(shù)量的確定各行各業(yè)均開展了廣泛的研究，水面艦艇也不例外，除標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的廣受認(rèn)可的配置方法，一些工程經(jīng)驗(yàn)法同樣適用，通常可利用過去的經(jīng)驗(yàn)和類似裝備的需求，規(guī)劃今后給定的一段時(shí)間內(nèi)所需備品備件的預(yù)計(jì)數(shù)。

1）初始備件計(jì)算方法1：

式中：S為初始備件量；λ為第i類備件的故障率；Ni為1臺(tái)裝備上第i類備件的數(shù)量，即單機(jī)基數(shù)；t為使用時(shí)間。K為備件保障水平，K=UP，UP為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布相應(yīng)概率為P（備品備件滿足率）的上側(cè)分位點(diǎn)。

2）初始備件計(jì)算方法2：

式中：Qi為艦上第i類備件在T時(shí)間內(nèi)所需備件數(shù)；Ni為艦上第i類備件數(shù)；T為使用時(shí)間，即初始備件的保證期限，一年；TBRi為第i類備件的平均維修更換間隔時(shí)間；

式中：TBRpti為預(yù)防性維修更換間隔時(shí)間；TBRcti為修復(fù)性維修更換間隔時(shí)間

3）后續(xù)備件量計(jì)算

水面艦艇的隨艦備品備件以90 d的保障期考慮，可依據(jù)年度計(jì)劃任務(wù)量、備件消耗定額、歷史統(tǒng)計(jì)資料等進(jìn)行確定。備件消耗定額是指在一定條件下，完成相應(yīng)維修定的消耗備件的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量，可用下式計(jì)算：

式中：R為備件的90 d計(jì)劃需求量；W為90 d計(jì)劃任務(wù)量，可由式（5）進(jìn)行估算

式中：Qf為備件消耗定額，該數(shù)據(jù)可由相關(guān)規(guī)定、歷史數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)獲得。

這里需要說明的是備品備件的實(shí)際需求量應(yīng)根據(jù)對(duì)理論計(jì)算值加以修正后得到，需考慮的因素有使用強(qiáng)度和環(huán)境、使用和維修人員技術(shù)等級(jí)、零部件質(zhì)量以及管理水平等。在資料不足時(shí)，可利用類似裝備的類似零部件估計(jì)，也可以按部隊(duì)年實(shí)際消耗分析而得。

5 某雷達(dá)備品備件配置示例

某雷達(dá)擔(dān)負(fù)對(duì)中低空、超低空導(dǎo)彈和飛機(jī)等空中目標(biāo)進(jìn)行警戒搜索，對(duì)視距內(nèi)的海面目標(biāo)進(jìn)行警戒監(jiān)視任務(wù)。本示例為備品備件配置方案部分示例，為其他新研裝備提供參考。

5.1 FMECA

按照備品備件配置要求，該工作項(xiàng)目主要確定修復(fù)性維修所需備品備件，主要在原有FMEA基礎(chǔ)上，列出全部故障模式清單、故障率及所需備品備件。

5.2 LORA

通過LORA將維修工作確定合理的維修級(jí)別，主要采用非經(jīng)濟(jì)性分析開展，考慮安全性、保密性、維修方案、任務(wù)成功性、保障設(shè)備、人力資源等因素：

5.3 以可靠性為中心的維修分析

對(duì)于該雷達(dá)預(yù)防性維修無需更換備品備件，僅涉及部分工具。

5.4 雷達(dá)備品備件種類的確定

將上述結(jié)果匯總，并根據(jù)配置原則和準(zhǔn)則確定該雷達(dá)備品備件種類如表4所示。

5.5 雷達(dá)備品備件數(shù)量的確定

該雷達(dá)屬于電子設(shè)備，針對(duì)確定的備品備件清單，采用GJB4355中指數(shù)壽命件備件需求量計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算。初始保障期按1年計(jì)算，隨艦保障期按90 d計(jì)算。

表4 艦員級(jí)修復(fù)性維修所需備品備件清單

表5 維修級(jí)別分析

表6 備品備件配置所需RCMA信息

表7 備品備件種類清單

式中：S為裝備中某零部件的備件需求量；t為累積工作時(shí)間；P為備品備件滿足率，取0.9；j為為遞增符號(hào)，j從0開始逐一增加，直至某S值，使得規(guī)定的保障概率，該S值即為所求備件需求量。

當(dāng)Nλt＞5時(shí)，備件需求量可以用正態(tài)分布近似計(jì)算，計(jì)算公式簡化為:

式中：up為正態(tài)分布分位數(shù)，可從GB/T 4086.1中查出。

常用工具等工具類備件，因目前沒有成熟的計(jì)算模型適用于該類備件，故參考?xì)v史數(shù)據(jù)采用經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行配置，部分示例見下表。所有工具類備件均為隨艦備件。

表8 備品備件數(shù)量計(jì)算

表9 常用工具清單

6 小 結(jié)

水面艦艇備品備件配置是極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本文圍繞新研裝備備品備件配置流程、方法及數(shù)量確定進(jìn)行研究，并給出示例，為新研裝備備品備件工程提供借鑒，可進(jìn)一步規(guī)范水面艦艇新研裝備備品備件工作的開展。

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