基于RMS的裝備備件多等級多層級庫存優化及仿真研究

郭峰，趙宏強，李琨

（海軍航空大學青島校區，青島 266041）

引言

我軍裝備種類多、機型多、技術狀態多，任務多樣，備件需求存在很大差異，尤其是近年來新機型陸續服役，數據樣本容量較小，需求規律不清，要實現精確保障困難重重。“精確保障”的概念是美軍在海灣戰爭之后提出的，并在伊拉克戰爭中付諸實施，以“精確保障”代替“規模保障”，比較精確地保障了美軍的作戰行動[1]。簡單來講，精確保障是相對于傳統的粗放型保障而言，并非達到完全準確，而是盡可能使裝備保障的供求之間達成或接近一致，盡可能用最小的資源消耗、最少的經費投入、最大限度地滿足裝備保障要求，達到在最佳的效費比。作為精確保障的基礎與關鍵性工作，如何準確地進行備件需求預測、庫存優化是當前裝備維修保障研究中的一個熱點問題，也是一直困擾世界各海軍強國實現備件精確保障的關鍵。

相比國外發達國家而言，我軍裝備備件保障水平與精確保障還有不少差距。一是，目前我軍裝備備件周轉庫存決策缺乏科學依據，仍一定程度存在依靠經驗來對備件需求和配置進行預測和采購的問題，科學定量測算較少，所以不可避免地存在為了保證供應而過量采購，同時不少重要備件因沒有安排經費采購導致庫存不足。二是，我軍裝備備件在各級倉庫外場可更換件（Line Replaceable Unit, LRU）、內場可更換件（Shop Replaceable Unit, SRU）的配置不太合理，某一個機場發生備件短缺時需要從其他倉庫緊急調撥，調撥審批和運輸周期較長，導致缺件停飛的情況時有發生，雖然庫存有備件，但是經常因為供應不及時導致裝備保障效益沒有達到預期水平。三是，現有文獻在庫存優化方面同時考慮多約束（費用、庫存限額等）、多等級（基地級、中繼級、基層級）和多層級（LRU、SRU）研究的較少，采用的系統保障效能指標與我軍保障實際不太相符[2]；對可靠性、維修性、保障性（Reliability Maintainability Supportability, RMS）等保障特性的影響考慮不足，而在裝備使用過程中，RMS因素是影響裝備備件需求的關鍵因素[3]；另外，所建庫存及優化模型缺乏仿真驗證，不符合系統工程方法的要求[4]。

為解決以上問題，本文提出基于RMS因素進行多約束多等級裝備備件庫存優化及仿真技術研究，下面從國內外研究現狀、現有研究存在問題及解決方法等幾個方面進行詳細闡述。

1 國內外研究現狀

美國、俄羅斯等國家近年來推行精確后勤保障，在備件庫存優化與仿真技術領域的研究達到了較高的水平，我國在這方面的理論研究與應用和外國還有較大差距。下面對目前國內外關于備件的需求影響因素、需求預測、庫存優化及仿真、RMS保障特性等問題的研究情況進行詳細闡述。

1.1 備件需求影響因素

文獻[5]對影響攜行航材需求的因素進行分析，該研究可為后續提高攜行航材品種確定和預測的準確率和運算效率提供參考。文獻[6]根據軍用標準的相關規定，確定初始航材保障效能評估指標體系。文獻[7]將粗糙集理論引入航空裝備消耗預測研究，確定了影響航空裝備消耗的重要因素。上述分析文獻提出的攜行航材需求影響因素、初始航材保障效能指標體系以及影響航空裝備消耗的重要因素，對周轉備件庫存優化均有一定的參考價值。

1.2 備件需求預測方法

1.2.1 備件需求時間序列預測方法

現有研究中有些文獻采用消耗數據作為時間序列，并基于該序列利用各種方法進行消耗預測，這類方法可以統一歸為時間序列預測。例如，文獻[8]～[11]采用移動平均法等方法對無人機、導彈等裝備備件的消耗量進行預測，也有的采用三次指數平滑法[12]、灰色系統法[13]、神經網絡法[14]構建預測模型。以上方法都是采用單項方法對備件需求進行時間序列預測，這類方法的預測精度有限，哪一種單項方法最優還需要逐一對比分析。文獻[15]提出了一種可修件的二級組合預測方法，可以較好地解決單項預測方法精度不高、預測方法尋優不夠智能化、自動化的問題。但是，上述文獻采用的數據只有一種時間序列暑假，考慮的因素太少，預測結果不一定與實際的消耗規律相符。

1.2.2 備件需求統計分析預測方法

備件需求統計分析預測的關鍵是獲得準確的統計分布，也就是說模型所采用的統計分布如果不符合實際規律，那么所得出的結果就不會太準確。有些文獻是直接提出備件的需求分布。例如，文獻[16]、[17]認為備件的消耗量服從泊松分布。而文獻[18]則提出了另一種假設：如果備件消耗量較小，其消耗量從泊松分布；如果備件消耗量較大，其消耗量則服從正態分布；有些對靜電敏感的電子器材的消耗量則服從指數分布。還有些文獻通過備件的壽命分布來判斷備件的需求服從何種分布。例如，文獻[19]認為，指數壽命件需求在期望均值大于0.051時用泊松分布計算，正態壽命件采用正態分布計算。而文獻[20]則提出，指數壽命件需求一般采用泊松分布計算，只有當期望均值大于5時才采用正態分布近似計算；正態分布件需求也采用正態分布計算；威布爾壽命件需求采用威布爾分布計算。還有文獻[21]提出了第三種假設，即可修件的故障和修復時間服從指數分布，消耗件需求服從泊松分布。可見，上述文獻所提出的需求分布比較亂，而且存在同一類器材的需求分布假設不一致的情況；另外，現有文獻所提出的需求分布均為假設性表述，缺乏實例驗證。

1.3 庫存優化與仿真

文獻[22]～[24]對備件庫存優化以及庫存限額測算方法進行了研究，所建立的庫存優化模型運用邊際分析法求解。但這些文獻所采用的機群完好率、裝備可用度等指標并沒有在我軍備件保障工作中得到應用，導致所建立的庫存優化模型無法評估是否符合我軍備件保障實際。因此，采用這樣指標的文獻不能用于指導我軍裝備備件需求預測和庫存決策工作。文獻[25]進行庫存優化的對象不全，只考慮了LRU，沒有考慮SRU。文獻[26]采用的平均備件保障概率是備件保障效能指標，并不是系統保障效能指標，難以對裝備系統的備件保障水平進行準確評估。文獻[27]提出的基于最優使用壽命和采購批量的聯合訂購模型僅適用于有壽消耗備件訂購決策，不能用于可修件的訂購決策，而可修件才是航材籌措的重點。文獻[28，29]提出的庫存優化模型采用了蒙特卡羅仿真方法求解，該方法也是優化模型的一種重要的求解方法。文獻[30，31]研究的是兩級庫存模型，這也是現有多級庫存優化研究的主要方向。但是，現有文獻在三等級、兩層級備件庫存優化方面的研究較少。另外，現有文獻沒有對庫存優化模型求解算法的時間復雜度和空間復雜度進行評估。而我軍裝備型號很多，備件規模可達幾十萬項，庫存優化的計算量非常大。因此，有必要研究求解算法的評估方法，以便于進一步改進求解算法，提高算法性能。

1.4 RMS保障特性

在庫存優化研究領域的現有文獻很少考慮RMS因素的影響，但有些其他領域的相關文獻考慮了RMS因素。例如，文獻[32]認為裝備體系RMS是裝備體系作戰效能發揮的基礎，并對典型使命任務下的航母艦載機保障過程進行了案例分析；文獻[33]分析了信息化裝備的RMS對其任務效能的影響，為權衡信息化裝備的任務效能與保障資源的預測提供了科學依據；文獻[34]建立了“任務-裝備-保障資源”的RMS評估模型。上述相關文獻對于開展基于RMS的多等級多層級庫存優化研究具有一定的借鑒價值。

2 現有研究存在問題及解決方法

2.1 現有研究存在問題

1）現有文獻沒有系統全面地對備件需求的影響因素進行研究，很多文獻沒有考慮修理周期、供貨周期等因素對需求的影響；另外，RMS是影響裝備備件需求的關鍵因素，而現有文獻對RMS的影響考慮不充分。

2）現有文獻均是直接闡述某一類備件的壽命或故障數服從某一種統計分布，沒有提供采用實際消耗統計數據進行分布檢驗的案例，缺乏實踐檢驗；另外，不同分布適用備件種類的界定不清，相同類別備件需求分布的假設存在互相矛盾的情況。

3）現有文獻采用的各種保障效能指標比較雜亂，沒有對這些指標是否滿足我軍保障實際需要進行過系統全面的評估分析。

4）現有文獻對我軍裝備LRU、SRU二層級備件維修保障能力掌握不清，主要是針對單項備件多等級和裝備系統單級庫存優化問題，不能較好地解決我軍機群系統備件多等級多層級庫存優化配置問題，而且求解算法性能缺乏評估，不一定滿足大規模備件庫存決策的需要。

5）現有文獻沒有從RMS出發對影響裝備訓練任務和保障任務的各種因素進行系統研究，機群系統在特定任務條件下的保障效能缺少必要的仿真驗證。

2.2 需要解決的關鍵科學問題

1）基于RMS建模預測最低周轉量。建模的關鍵在于全面把握RMS對備件需求的影響并確定主要因素，準確驗證備件需求的統計分布，合理評估各種備件級保障效能指標，科學構建考慮影響備件周轉的主要因素和備件保障效能的目標函數。

2）基于RMS建模優化多等級多層級備件庫存。建模的關鍵在于深入分析RMS對機群系統保障效能的影響并確定主要因素，合理評估各種系統級保障效能指標，正確把握我軍飛機多級備件保障體制和保障流程，科學構建針對多等級多層級庫存配置考慮系統保障效能和保障費用的目標函數，改進設計考慮計算成本的智能求解算法。

3）基于RMS建模進行庫存仿真驗證。建模的關鍵在于深入分析RMS對飛行任務的影響并確定主要因素，正確把握我軍飛行訓練任務規劃和備件保障流程，準確設計備件庫存的仿真流程，合理選擇備件的壽命分布，科學構建考慮飛機完好水平的目標函數。

2.3 具體解決方法

1）基本思路

以平時裝備訓練任務為背景，通過分析裝備運用過程中RMS因素對訓練任務的影響，在特定的約束和目標下構建與我軍保障實際相符的基于保障特性的庫存優化及仿真模型體系，實現對備件周轉庫存的科學測算與評估驗證。

2）具體方法

①以平時軍用飛機訓練任務為背景，通過分析RMS等因素對裝備運用過程中備件需求的影響，確定周轉量預測模型的輸入輸出因素指標；比較國內外現有各種備件保障效能指標，確定與我軍飛機保障實際相符的備件保障效能評估指標；根據實際消耗數據，利用數理統計方法，按機型系統全面地研究不同備件的統計規律，確定不同備件需求的準確分布，以解決過去備件需求分布論述雜亂、缺乏驗證的問題；研究運用合適的需求分布，以適當的備件保障效能指標達到一定水平為目標，建立備件周轉量預測模型并進行效果分析，以對備件最低周轉庫存進行準確預測。

②綜合分析RMS等因素對機群系統保障任務的影響，確定庫存優化模型的輸入輸出因素指標；比較國內外現有各種系統保障效能指標，得到與我軍飛機保障實際相符的系統保障效能評估指標；研究我軍多級備件保障體制以及LRU和SRU二層級備件保障流程；選用合適的需求分布，以周轉量預測模型計算結果作為庫存初始值，以一定的備件保障經費為約束條件，以合適的系統保障效能指標達到一定水平為目標，應用系統工程、概率論、邊際分析、模擬退火算法等理論與方法，建立備件多約束多等級多層級庫存優化模型，采用邊際分析法或模擬退火算法等人工智能算法改進求解算法，利用實際保障數據對模型進行效果分析。該模型可實現兩個目標：一是以最低周轉量為基礎進一步優化備件的周轉庫存，二是將備件在各級倉庫之間進行優化配置。這樣即可解決我軍裝備備件多等級多層級庫存配置不合理這一難點問題，確保機群系統的備件保障工作達到要求的水平。

③綜合分析RMS等因素對機群系統飛行任務的影響，確定庫存控制仿真模型的輸入輸出因素指標，得到對飛機完好水平進行評估的系統保障效能指標，探索備件壽命的隨機變量分布類型；研究我軍飛機飛行訓練任務規劃和備件保障流程，設計備件庫存仿真流程；以飛機完好情況達到一定水平為目標，運用蒙特卡羅仿真技術建立任務驅動的備件庫存控制仿真模型并進行效果分析，目的是對多等級庫存優化模型進行必要的仿真驗證，為這些模型的準確性、可靠性提供科學充分的論證過程，這樣就為所構建模型體系的推廣應用奠定了堅實的基礎。

3 結論

1）本文主要聚焦我軍多等級多層級庫存決策及現有研究存在問題，提出從RMS出發，在特定約束和目標下，建立備件周轉量預測模型、多等級多層級庫存優化模型以及任務驅動的庫存控制仿真模型，為進一步深入研究相關理論、解決我軍庫存決策問題指明了方向。

2）本文所采用的研究方法是從裝備系統備件保障的整體性出發，把分析與綜合、定性與定量、預測與仿真結合起來，實現整體優化的研究思路，符合系統方法的科學原理，研究方法的可行性高、可靠性強。

3）本文對于推進基于RMS的多約束多等級多層級庫存優化與仿真技術在裝備備件庫存決策的應用，豐富庫存優化理論，提高我軍裝備備件保障水平具有較高的指導價值和現實意義。