总第172期2008年第10期舰船电子工程Ship Electronic Enginee ring Vol.28No.10183 舰船电子设备备件概算模型分析与应用研究3刘 祥(武汉数字工程研究所 武汉 430074)摘 要 结合舰船电子设备备件需求的特点,对备件概算模型进行了系统分析,重点介绍了电子设备初始随机备件概算泊松模型,探讨了应用中存在的局限性,作为应用的补充,提出了以可靠性为中心的舰船电子设备备件品种概算模型和舰船随行维修备件最优储备量模型,给出了部分概算实例。
关键词 舰船;备件;概算;模型中图分类号 TP302.7Application St u dy and Models An alysis of Sp ares B udget aryEsti m ate on Wars hip s Elect ronic Equip mentL iu Xia ng(Wuha n Digital Engineering Institute ,Wuhan 430074)Abs tra ct This paper puts t he budgetar y estimate model of spar e par ts into syste mic analysis combined wit h f ea tures of require me nts to war ships πelect ronic equipment.Poisson distribution model of initial carried spare fo r electronic equipment is empha tically int roduced.Then the a utho r di scusses the limitations that exist in application and p rese nts the reliability ce n 2tered spa re varieties budgeta ry e stimate model of war ships πelectronic equipment and the optimum storage quantity model of war ships πconcomita nt maintena nce spare pa rt s as t he complementa rities to application.Par ts of budgetary e stimate examples a re given in the end.Ke y w ords wa rships ,spar es ,budgetar y estimate ,model Class N umber TP302.71 引言备件需求策略应解决的基本问题是确定备件的品种、数量和对装备效能的影响,是一个相当复杂的系统工程,牵涉到技术和管理的方方面面,受多种因素的制约。
国内外各军、兵种针对不同的装备特点、使用需求和供应链体制,建立了大量的备件概算模型。
但至今没有一种模型能完全精确地确定备件需求。
因此,要形成一整套既科学合理,又行之有效的舰船电子设备备件决策概算模型,需要研究的问题很多。
综合考虑影响舰船电子装备备件决策的约束条件和诸因素,量身定制备件需求概算模型,进行多目标决策,是提高备件的保障率和利用率,实现舰船一体化保障的有效手段。
2 备件模型分析备件模型的主要用途是用于确定各任务阶段、各维修级别备件单元的品种、数量以及存放地点。
装备的使用需求、备件的特点和属性、决策策略决定了备件需求的建模、概算和调整方法。
影响备件建模的参数有五类,即1)使用要求参数;2)系统配置及特性参数;3)可靠性、维修性和保障性设计参3收稿日期年3月日,修回日期年5月5日作者简介刘祥,男,硕士研究生,研究方向舰船装备“五性”可靠性、维修性、测试性、保障性和安全性技术。
:200829:20081::184 刘 祥:舰船电子设备备件概算模型分析与应用研究总第172期数;4)备件供应的响应能力参数;5)经济性参数。
备件建模过程就是在使用完好率、保障率、费用等目标约束条件下,在各参数间权衡、寻优的过程。
备件保障率和备件利用率是评价备件模型优劣的重要参数,它从备件满足使用要求的概率和实际利用结果的统计量两个方面来衡量备件确定的科学性和效率。
备件模型按建模方法可分为统计模型、分析模型、综合模型,采用的预测技术主要有工程算法、解析算法和仿真算法[1]。
1)统计模型该模型利用历史数据,用统计学的基本方法,找出备件的消耗规律,以预测备件的末来消耗量。
该类模型还可进一步分为时间序列预测模型和回归分析模型。
前者又可采用不同的方法来预测,如单位平均法、滑动平均法和指数平均法等。
2)分析模型该模型利用可靠性、维修性工程理论和方法,把备件保障系统当作一个开始可靠的冷储备系统,以确定备件的需求量。
备件是否可修,对需求量的影响很大,分为不可修复备件需求量模型和可修复备件需求量模型;不可修复备件需求量模型是假定零部件在单位时间内的故障服从泊松分布,根据在储备期不缺备件的概率大于某个值而确定最低备件量;可修复备件需求量模型是假定零部件的寿命和修复时间均服从指数分布,根据随机过程原理建立不缺备件的概率和备件储备量的关系来确定备件需求量。
在工程上通常采用这种方法进行初始备件的概算。
3)综合模型综合模型是通过系统地研究备件保障系统运行机制,把备件的需求、与使用要求、作战效能、使用与维修、效能评估、技术状态管理、运行体制等有机地结合起来,建立一种与实际尽量相近的在数学上能处理的模型,然后以一定的期望目标,利用优化技术求出最佳备件需求量。
这种综合模型在美军备件供应体制中得到了广泛地应用,如目前美国海军舰船平台和作战系统广泛应用的综合模型有舰队保障库存大纲模型FL SIP、以可用性为中心的库存模型ACIM、以战备完好性为基础的备件配置模型RBS等[5]。
3 舰船电子设备常用备件概算模型3 初始随机备件概算模型舰船电子设备寿命服从指数分布,具有恒定故障率,备件需求服从泊松分布。
在工程上电子设备随机备件概算分为初始随机备件概算和后续补充备件概算,每种概算又分为不可修复备件概算和可修复备件概算。
初始随机备件概算是基础,后续备件概算是利用初始阶段的使用数据,对随机备件量进行补充和调整。
1)不可修复件的初始随机备件概算模型[2]P(XΦn)=∑n X=0(Lλt)x e-LλtX!(1)式中,p(XΦn)为备件保障概率;L为装备中某备件使用数;λ为某备件工作失效率h-1;t为装备工作时间h。
不可修复件初始随机备件量N通过对n的权衡后确定。
初始随机备件保障概率用(2)式确定: p(XΦn)=1-β(2)式中,β为基层级备件风险率。
当已知修复比(r SL)时,基层级备件风险率β= 1-r SL,或β用式(3)确定:A O L=A OP M TB FM TB F+M T T R+βS MD T(3)式中,A O L为装备使用可用度最低值;A OP为预防性维修使用可用度;M TB F为装备平均故障间隔时间h;M T T R为装备平均故障修复时间h;S MD T 为备件供应平均延误时间h。
预防性维修使用可用度用式(4)确定:A OP=TT+T P(4)式中,T为在备件供应周期内装备使用总时数h; T P为在备件供应周期内总的预防性维修时数h。
2)可修复件初始随机备件概算模型可修复件初始随机备件概算模型有两种形式,一种通过随机过程建立,一种采用不可修复件模型,只对时间参数t按不同情况分别处理。
分为两种情况:(1)基层级更换,后送中继级或基地级修复,此时t按修理周转期(TA T)内装备累积工作时数(h)计算,TA T取值一般比初始保障期短很多,例如3～6个月,但要注意周转期(日历时间)也不能太短,以保证中继级或基地级不出现待修备件排队现象。
(2)在基层级对该件进行修复,此时应当满足该件的MTB Fi远大于该件的平均修复时间M cti时,在至少备一个供换件修理的条件下,t用该件的M cti。
在两种情况下均不考虑可修复件的报废问题。
按照美军标(MIL55印制板插件通用规范)规定,一般印制板模块按可修复5次计算,即备一块可修复印制板模块,相当于备5块.1-P-111002008年第10期舰船电子工程185不可修复印制板模块。
3.2 模型的局限性该模型虽在舰船电子装备的初始随机备件决策过程中得到了广泛应用,可解决舰船电子设备初始随机备件概算的基础数据,但也存在一定的局限性,主要表现在:1)在备件需求量计算过程中存在“0”备件或需求量很小的问题,难以判断是否需要配置备件,需借助备件定性分析方法综合考虑。
用数学的方法来描述或确定一个现实问题是不可能将所有的因素都考虑周全的。
影响备件品种确定的因素很多,有的因素不易量化,并且,这些因素与备件品种的关系也是一种模糊的关系。
因此,用模型来对备件需求量进行计算时不可避免地会出现个别备件在规定的保障时间和保障率下不需要备件的情况。
产生“0”备件问题的原因一方面可能来自计算数据或公式的不精确性;另一方面来自于在舰船电子装备实际使用中,有的模块可靠度很高,在规定的保障时间内,不会发生故障,不需要对这些部件储备备件。
但由于部件对任务的影响程度、采购难易等诸多无法量化因素的存在,简单地按计算结果将备件需求量定为“0”是不妥当的。
2)未反应各模块的可靠性差异,对确定备件品种优选秩序的影响,难以体现备件整体的配套性。
该模型在备件需求量的概算过程中,各个部件单元是分别独立计算的,在备件需求量计算结果都小于1而且数据比较接近时,难以利用计算结果来确定备件的品种,未直接体现模块的可靠性差异与备件优选秩序的关系。
作为应用补充,针对舰船电子设备备件与需求的特点,下面提出以可靠性为中心的备件品种确定模型和舰船随行维修备件最优储备量概算模型。
3.3 以可靠性为中心的备件品种确定模型3.3.1 备件品种的概算原理及模型从可靠性的角度讲,设置备件实际是通过冷贮备提高设备可靠度。
设某种设备有n种现场可更换单元L RU,这n种可更换单元都可能需要备件。
每个单元有了备件后就构成了每个单元都有若干冷贮备冗余的串联系统,系统可靠性框图如图1。
图 备件冷贮备冗余系统可靠性框图如某种备件在装备中的使用数量不止一个,可先按失效率将他们等效为一个。
然后按失效率大小排列λ1Ελ2Ελ3Ε…Ελn。
在确定备件品种时假设每种备件的数量只取两种情况,要么备件为0,要么备件有足够的数量使其可靠度接近1,则系统的可靠为公式(5)[3]:R S=∏mi=1R o i∏ni=m+1R i(mΦn)=∏nm+1R i(m+1Φn)(5)其中,R i为无冷贮备时L RU的可靠度,R o i表示第i个L RU有备件时的可靠度,则R o i≈1。
