風(fēng)電場運(yùn)行維護(hù)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(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

備品備件在風(fēng)電設(shè)備維修維護(hù)過程中必不可少。由于風(fēng)電場建設(shè)處于剛剛起步階段，沒有大量實(shí)際數(shù)據(jù)作為備品備件報(bào)廢預(yù)測和備品備件采購依據(jù)，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(fēng)電場的庫存管理。本文通過分析風(fēng)電場備品備件相對于風(fēng)機(jī)重要程度的特點(diǎn)，利用ABC分類方法將備品備件進(jìn)行合理分類，并且根據(jù)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(jìn)行定性分析和定量計(jì)算，設(shè)計(jì)了風(fēng)電場庫存管理模塊并將其集成到風(fēng)電場運(yùn)行維護(hù)管理系統(tǒng)中，從而在一定程度上解決了風(fēng)電場運(yùn)行維護(hù)過程中庫存管理不合理的問題。

1 風(fēng)電場運(yùn)維和庫存管理現(xiàn)狀

我國風(fēng)電設(shè)備的管理以及風(fēng)電場維修、維護(hù)業(yè)務(wù)流程、庫存管理仍然處于紙質(zhì)文檔管理階段［1－2］，管理手段還比較單一，資源協(xié)調(diào)和優(yōu)化能力亟待提高。風(fēng)電場運(yùn)行保障的快速響應(yīng)能力和安全保障能力的提升，必須依靠技術(shù)進(jìn)步和管理創(chuàng)新，使之向先進(jìn)高效的網(wǎng)絡(luò)化、信息化方向發(fā)展。

風(fēng)電場庫存管理是風(fēng)電場運(yùn)行維護(hù)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。風(fēng)電企業(yè)庫存管理是指對風(fēng)電場運(yùn)行維護(hù)過程中所需單位備品備件數(shù)量的管理。備品備件是指風(fēng)機(jī)可維修單元（即風(fēng)機(jī)維修和更換的基本單位），風(fēng)電場庫存管理依據(jù)風(fēng)機(jī)可維修單元進(jìn)行合理化管理。現(xiàn)代庫存管理的最理想方案是零庫存［3］，然而實(shí)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(jì)算而確定。風(fēng)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(jìn)行相應(yīng)維護(hù)和管理。此外，某些備品備件長時(shí)間閑置，可能會(huì)導(dǎo)致浪費(fèi)；當(dāng)風(fēng)電場的庫存量不足時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)維修活動(dòng)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(tài)，還可能導(dǎo)致客源流失，使得風(fēng)電企業(yè)的競爭力下降。風(fēng)電場庫存采購標(biāo)準(zhǔn)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(fèi)大，信息管理程度低。

庫存控制方法有很多，但都不適用于風(fēng)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)的零部件庫存優(yōu)化方法［5］僅從單個(gè)零件的多個(gè)屬性角度出發(fā)，忽略各個(gè)零部件之間的相互影響關(guān)系，ABC庫存控制法僅從物資的價(jià)值程度進(jìn)行控制，但是價(jià)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(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題作為一個(gè)系統(tǒng)，將目標(biāo)分解為多個(gè)目標(biāo)或準(zhǔn)則，進(jìn)而分解為多指標(biāo)的若干層次，通過定性指標(biāo)模糊量化方法算出層次單排序和總排序，以作為目標(biāo)、多方案優(yōu)化決策的系統(tǒng)方法。AHP應(yīng)用過程包括:首先繪制出備品備件分類層次結(jié)構(gòu)模型，其次確定比例標(biāo)度表，然后根據(jù)標(biāo)度表列舉出準(zhǔn)則層和方案層的判斷矩陣并作一致性校驗(yàn)，最后計(jì)算各備件元素的權(quán)重。

2.1.1 構(gòu)建風(fēng)機(jī)備件層次結(jié)構(gòu)模型 結(jié)合參考文獻(xiàn)［6］的分類標(biāo)準(zhǔn)，選取了年消耗金額、易損壞性、提前采購期、供應(yīng)環(huán)境、關(guān)鍵性和可修復(fù)性等6個(gè)指標(biāo)，然后運(yùn)用層次分析法將風(fēng)機(jī)各個(gè)部件和對風(fēng)機(jī)各部件有作用的影響因素組織成為一個(gè)樹狀的層次結(jié)構(gòu)，并且對每一個(gè)部分的相對重要性給予權(quán)數(shù)值，進(jìn)而分析出各個(gè)部分的優(yōu)先權(quán)。風(fēng)電場的備品備件的分類層次結(jié)構(gòu)模型可以分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層三個(gè)層次。其中備品備件在整個(gè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中的重要程度屬于方案層，風(fēng)機(jī)各個(gè)零部件庫存量的各種影響因子屬于準(zhǔn)則層，風(fēng)機(jī)的各個(gè)零部件屬于方案層（圖1）。

圖1 備品備件分類層次結(jié)構(gòu)模型

2.1.2 構(gòu)建判斷矩陣 根據(jù)層次分析法中的標(biāo)度與對風(fēng)電場影響因子相互作用，以及與風(fēng)機(jī)部件之間的相互作用進(jìn)行調(diào)研分析。以年消耗量、易損壞性和提前采購期三個(gè)影響因子為例構(gòu)建判斷矩陣（表1）。其中矩陣中的值通過影響因子進(jìn)行兩兩對比而定。另外，層次分析法的標(biāo)度分為9個(gè)等級:1代表表示兩個(gè)因素相比，具有同樣重要性；3代表表示兩個(gè)因素相比，一個(gè)因素比另一個(gè)因素稍微重要；5代表表示兩個(gè)因素相比，一個(gè)因素比另一個(gè)因素明顯重要；7代表表示兩個(gè)因素相比，一個(gè)因素比另一個(gè)因素強(qiáng)烈重要；9代表表示兩個(gè)因素相比，一個(gè)因素比另一個(gè)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(jìn)行一致性檢驗(yàn) 由于在構(gòu)造成對比較矩陣時(shí)，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(jìn)行一致性校驗(yàn)。其校驗(yàn)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(gè)分量）

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

2）計(jì)算成對比較矩陣A的隨機(jī)一致性比率CR，并與0.1比較，如果CR≤0.1則認(rèn)為判斷矩陣A具有滿意的一致性，否則需要調(diào)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(biāo)層備品備件重要性的總權(quán)重 風(fēng)機(jī)零部件對單個(gè)影響因子的權(quán)重

計(jì)算出方案層對準(zhǔn)則層權(quán)重的特征項(xiàng)P＝［P1i，P2i，…，Pni］（i＝1，2，3，4，5，6），最后計(jì)算出備品備件占風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行過程中的總權(quán)重Wn＝

2.2 層次分析法在風(fēng)電場備品備件中的應(yīng)用

東海風(fēng)電場屬于大型海上風(fēng)電場，總裝機(jī)容量102MW。由于風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)數(shù)量大，每臺風(fēng)機(jī)的零部件種類繁多，本文在準(zhǔn)則層不變的情況下隨機(jī)抽取出6種備品備件進(jìn)行權(quán)重排序。這6種零部件為變速箱齒輪、軸承、發(fā)電機(jī)、液壓盤式制動(dòng)器、偏航齒圈、傳感器。

結(jié)合層次分析法中的標(biāo)度，對風(fēng)電場的影響因子進(jìn)行兩兩對比的判斷矩陣，確定兩個(gè)影響因子的相對重要程度，并構(gòu)建風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)各部件進(jìn)行兩兩對比，確定部件的相對重要程度，并構(gòu)建風(fēng)機(jī)部件的判斷矩陣（表3－表8）。然后通過一致性校驗(yàn)中的第1步計(jì)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(yàn)隨機(jī)一致率CR＝0.0726＜0.1，說明矩陣在不一致程度的允許范圍內(nèi)。以同樣的方法計(jì)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(jì)算出各個(gè)備品備件的層次總排序，零部件權(quán)重由高到低的排序?yàn)?發(fā)電機(jī)、液壓盤式制動(dòng)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(yīng)環(huán)境

表7 關(guān)鍵性

表8 可修復(fù)性

表9 備品備件權(quán)重層次總排序

通過分析，計(jì)算得出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的權(quán)重（圖2）。圖3反映出備件提前采購期也是一個(gè)非常關(guān)鍵的影響因子。圖4列舉出了6種備件采購所需時(shí)間的比例——相對于其他零部件而言，發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓盤式制動(dòng)器、偏航齒圈的采購周期特別長。

圖2 備品備件權(quán)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(chǔ)上，結(jié)合ABC庫存法和3A庫存控制法提出一種符合風(fēng)電場庫存管理特點(diǎn)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(fēng)電設(shè)備的關(guān)鍵部件，這類備件需求量不大，但不容易損壞，一經(jīng)損壞必須及時(shí)更換；B類部件風(fēng)電設(shè)備的關(guān)鍵部件，易磨損，易損壞，根據(jù)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(fēng)電設(shè)備中的一些輔助關(guān)鍵零部件正常運(yùn)行的部件和輔助用料，一定時(shí)間的庫存補(bǔ)給延遲不會(huì)影響風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。

根據(jù)層次分析法計(jì)算備品備件的總權(quán)重，并從大到小排序，然后按照排列的次序?qū)淦穫浼M(jìn)行ABC分類。由于不能單從備件的價(jià)值大小來劃分，所以ABC分類法中的比例不能適用于風(fēng)電場備品備件。收集單臺風(fēng)機(jī)備件數(shù)據(jù)，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(jīng)過計(jì)算可以確定發(fā)電機(jī)為A類，液壓盤式制動(dòng)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(shè)A、B1、B2、C備品備件的故障率是一個(gè)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(gè)較小的默認(rèn)值即可，當(dāng)需要C類備品備件的數(shù)量達(dá)到一定的值時(shí)，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(dāng)備品備件消耗到T0時(shí)，風(fēng)電場運(yùn)行維護(hù)管理系統(tǒng)會(huì)發(fā)出預(yù)警通知，此時(shí)即開始實(shí)施對A類備品備件的采購活動(dòng)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(dāng)備品備件消耗到T0時(shí)，理論上備品備件已經(jīng)消耗完，風(fēng)電場運(yùn)行維護(hù)管理系統(tǒng)會(huì)發(fā)出預(yù)警通知，風(fēng)電場可以在T1－T0時(shí)間段內(nèi)對備品備件進(jìn)行采購，使得備件的庫存重新回到最大庫存量（Q）。

經(jīng)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(dāng)備品備件消耗到T0時(shí)刻，理論上備品備件已經(jīng)消耗到了預(yù)警值（L），風(fēng)電場必須在T1－T0這個(gè)時(shí)間段對備品備件實(shí)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(fēng)電場正在運(yùn)行部件的數(shù)量×風(fēng)機(jī)部件的年故障率×（采購周期/365）＋多余采購數(shù)量。

即風(fēng)機(jī)在每個(gè)周期內(nèi)消耗的備件數(shù)量，再加上一定的多余采購量后，即可得到風(fēng)電場備品備件的庫存量。

4 結(jié)束語

本文介紹了當(dāng)前風(fēng)電場的運(yùn)行維護(hù)和庫存管理現(xiàn)狀，分析了當(dāng)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(fēng)電場的庫存進(jìn)行管理。本文的研究成果已經(jīng)集成到“大型海上風(fēng)電場全生命周期的管理決策支持系統(tǒng)研究”項(xiàng)目組開發(fā)的風(fēng)電場運(yùn)行維護(hù)管理信息系統(tǒng)中，并在東海風(fēng)電場運(yùn)維管理中得到了應(yīng)用。此外，風(fēng)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(fēng)電場的維修維護(hù)效率，同時(shí)也降低了維修維護(hù)和庫存管理的成本，使得風(fēng)電場的精益化管理程度有了很大的提高。

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