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、部件或整機以及隨機供應的專用工具，其供應及需求量的確定是艦船設(shè)備供應保障的重要內(nèi)容，直接影響裝備的技術(shù)狀態(tài)性能、戰(zhàn)備完好性、任務成功性和全壽命周期費用。備品備件的配置是一個復雜的系統(tǒng)工程，其實質(zhì)是為保證系統(tǒng)達到使用需求，對相關(guān)備品備件存儲位置、數(shù)量、儲備種類選取在內(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60年代美軍研究備件供應保障問題開始，備品備件管理工作就是裝備保障領(lǐng)域研究的熱點，研究覆蓋備件分類方法、備件需求預測、備件庫存控制和優(yōu)化等方面技術(shù)，形成MIL-STD-1375《初始供應保障通用要求》、MIL-STD-1561B《國防部統(tǒng)一的供應程序》等標準規(guī)范，已成為工程日常工作項目。90年代隨著計算機輔助技術(shù)、物流及供應鏈管理等技術(shù)發(fā)展，備件管理精確化供應成為可能，從而使得壽命周期內(nèi)，備品備件費用達到最低成為可能。我國相關(guān)研究工作開展較國外要晚，但隨著人們對備品備件管理重要性認識越來越深刻，相關(guān)技術(shù)研究全面展開，20世紀90年代末期結(jié)合預研成果制定了備品備件配置相關(guān)標準，如GJB3914-1999《電子對抗裝備隨機備件概算》，GJB4355-2002《備件供應規(guī)劃要求》等。但由于水面艦艇裝備壽命長、任務多樣、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)復雜等特點，使得備品備件配置問題尤其復雜，備品備件配置不合理為使用部隊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品配置一般規(guī)定》對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)上針對新研產(chǎn)品開展適應性研究，形成備品備件配置方法，重點解決種類與數(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，應優(yōu)先考慮艦員級維修級別的備品備件需求，可使艦船裝備完成相應任務的影響最小，也使維修保障費用最低。

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特點以一年為參考，后續(xù)保障期應充分考慮使命任務的最大周期，一般情況水面艦艇執(zhí)行任務的周期為90 d，艦員級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，應優(yōu)先考慮對完成任務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藏環(huán)境對備品備件的影響，對于需要定期檢測或通電的備品備件，若無檢測條件，要考慮在艦上的儲存時間盡量不超過檢測、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別、維修任務以及維修時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；應明確需要和不需要配置的準則，通過概算模型確定，根據(jù)配置原則、實際使用數(shù)據(jù)等進行調(diào)整，工作過程如圖1所示。

結(jié)合水面艦艇工程特點，在備件種類方面重點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）、維修級別分析（LORA）進行確定，在備件數(shù)量方面通過概算模型進行計算，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)合使用強度確定各故障模式的故障率（可利用可靠性預計的方式或結(jié)果）；

2）同時，通過LORA確定故障模式的維修級別（是否為艦員級維修），對各艦員級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維修且更換備品備件的清單；

3）通過RCMA確定預防性維修的維修內(nèi)容，納入維修級別分析、維修任務分析確定其維修級別和維修方式，列出預防性維修中艦員級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，計算備品備件的配置數(shù)量，根據(jù)配置原則、實際使用數(shù)據(jù)等對上述結(jié)果進行調(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FMECA、LORA、RCMA等工程實施中與備品備件配置相關(guān)的的內(nèi)容進行研究，明確相應的工作輸出，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施必做項目，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目應增加如下要求：

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

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故障模式的維修級別，明確艦員級維修故障模式。LORA首先應進行非經(jīng)濟性分析，確定合理的維修級別。如不可能，則需進行經(jīng)濟性分析，選擇合理可行的維修級別或報廢。其中非經(jīng)濟因素包括：部署的機動性要求，現(xiàn)行保障體制的限制，特殊的運輸性要求，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)品在哪一級維修或報廢，當不能僅憑非經(jīng)濟性分析為依據(jù)，還需分析評價其報廢或修理的費用，使決策更合理，通常會考慮備件費用、維修人力費用、材料費用、維修保障費用等。對于備品備件配置，LORA所需信息可用表2列出。

表1 修復性維修所需備品備件清單

表2 維修級別分析

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，應用邏輯決斷的方法確定裝備預防性維修產(chǎn)品、預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、進行故障模式和影響分析、應用邏輯決斷圖確定預防性維修工作類型、確定預防性維修工作的間隔期、提出預防性維修工作的維修級別建議、進行維修間隔期探索。對于水面艦艇備品備件配置來說，RCMA的結(jié)果中艦員級維修需要更換的備品備件與維修工作時間間隔是所需信息。一般來說，預防性維修所需的備品備件確定性比修復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防性維修所需備品備件的清單和相應的預防性維修的時間間隔，此項分析對于非電子類系統(tǒng)設(shè)備意義更大。

3.4 備品備件種類確定的準則

1）影響任務完成的故障（即嚴重以上等級的故障）且有一定發(fā)生概率的，修復所需的備品備件應配置；

2）在保障期內(nèi)預防性維修所需的備品備件應配置；

3）故障率高的一般故障（臨界或輕微故障）修復所需的備品備件應配置；

4）通過FMECA，故障率極低的故障模式修復所需的備品備件可不配置；

5）故障率不高的輕微故障修復所需的備品備件不配置；

6）非艦員級維修所需的備品備件不配置。

7）對于那些有一定故障率、但故障率不高的一般故障，應列出優(yōu)先順序表，綜合考慮基層級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，選擇相應概算模型計算備品備件數(shù)量，GJB4355中對指數(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)時修理備件計算模型、簡單模型均進行了詳盡的介紹，滿足水面艦艇產(chǎn)品多樣的特點。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)學模型進行計算，當不具備相應的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，可采用標準中規(guī)定的工程經(jīng)驗法進行計算，根據(jù)水面艦艇特點，在進行數(shù)量概算時，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年計算，不同設(shè)備可根據(jù)自己產(chǎn)品特點進行初始保障期的確定，后續(xù)備件量按隨艦保障期90 d計算；

2）只計算艦員級維修備品備件數(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頂層要求確定；

3）裝備數(shù)量按一條艦計算，若一條艦上有多臺相同的設(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)量計算；

4）保障期時間按日歷時間計算，設(shè)備工作時間按該日歷時間中的設(shè)備實際工作時間計算。當后續(xù)保障期中執(zhí)行任務明確時，按明確的任務計算工作時間，當任務不明確時，按最大工作時間計算。

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，除標準中規(guī)定的廣受認可的配置方法，一些工程經(jīng)驗法同樣適用，通常可利用過去的經(jīng)驗和類似裝備的需求，規(guī)劃今后給定的一段時間內(nèi)所需備品備件的預計數(shù)。

1）初始備件計算方法1：

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

2）初始備件計算方法2：

式中：Qi為艦上第i類備件在T時間內(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間；

式中：TBRpti為預防性維修更換間隔時間；TBRcti為修復性維修更換間隔時間

3）后續(xù)備件量計算

水面艦艇的隨艦備品備件以90 d的保障期考慮，可依據(jù)年度計劃任務量、備件消耗定額、歷史統(tǒng)計資料等進行確定。備件消耗定額是指在一定條件下，完成相應維修定的消耗備件的標準數(shù)量，可用下式計算：

式中：R為備件的90 d計劃需求量；W為90 d計劃任務量，可由式（5）進行估算

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)驗獲得。

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

5 某雷達備品備件配置示例

某雷達擔負對中低空、超低空導彈和飛機等空中目標進行警戒搜索，對視距內(nèi)的海面目標進行警戒監(jiān)視任務。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，該工作項目主要確定修復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別，主要采用非經(jīng)濟性分析開展，考慮安全性、保密性、維修方案、任務成功性、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

對于該雷達預防性維修無需更換備品備件，僅涉及部分工具。

5.4 雷達備品備件種類的確定

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

5.5 雷達備品備件數(shù)量的確定

該雷達屬于電子設(shè)備，針對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算模型進行計算。初始保障期按1年計算，隨艦保障期按90 d計算。

表4 艦員級修復性維修所需備品備件清單

表5 維修級別分析

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為累積工作時間；P為備品備件滿足率，取0.9；j為為遞增符號，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Nλt＞5時，備件需求量可以用正態(tài)分布近似計算，計算公式簡化為:

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算模型適用于該類備件，故參考歷史數(shù)據(jù)采用經(jīng)驗法進行配置，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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