一體化裝備保障備件品種確定方法

張 闖， 劉福勝， 單志偉， 付 冰

(1. 陸軍裝甲兵學(xué)院裝備保障與再制造系， 北京 100072； 2. 96744部隊(duì)，陜西 漢中 723000)

科學(xué)高效的備件保障是提高裝備戰(zhàn)備完好性、充分發(fā)揮裝備效能的重要保證[1]。在裝備保障過程中，備件保障費(fèi)用往往占據(jù)保障經(jīng)費(fèi)的“大頭”。備件配置不科學(xué)，一方面容易造成備件短缺，降低裝備戰(zhàn)備完好性；另一方面可能會(huì)出現(xiàn)部分備件過量配置，造成資源浪費(fèi)，加重部隊(duì)機(jī)動(dòng)、運(yùn)輸?shù)确矫娴呢?fù)擔(dān)。有資料[2]表明：隨新裝備部署部隊(duì)時(shí)配發(fā)的器材，經(jīng)過一段時(shí)間后統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)其使用的品種只占總品種的10%，但仍有10%的器材存在短缺問題。ADRIAAN等[3]對(duì)荷蘭海軍軍艦索馬里護(hù)航編隊(duì)的備件配置情況研究后發(fā)現(xiàn)：攜行備件中80%的備件未被使用而被原樣帶回。

當(dāng)前有關(guān)備件配置問題的研究大多數(shù)為備件數(shù)量確定方法，對(duì)備件品種確定方法的研究較少。實(shí)際上，備件品種是備件數(shù)量確定的前提，其在很大程度上決定了攜行備件的規(guī)模。部隊(duì)在執(zhí)行作戰(zhàn)和訓(xùn)練任務(wù)時(shí)，一般采用自身攜行備件，實(shí)施自我保障為主的備件保障方式。由于受任務(wù)需求、運(yùn)輸能力、保障經(jīng)費(fèi)等方面的約束，部隊(duì)難以攜行裝備所需的所有種類的備件，亟需合理地選擇備件品種。

備件品種確定的關(guān)鍵是分析備件品種選擇的影響因素，建立備件品種確定的指標(biāo)體系。JAMES[4]選取關(guān)鍵性、專用性、需求模式和價(jià)格作為影響備件品種選擇的主要因素，結(jié)合模糊層次分析法和模糊綜合評(píng)判方法，建立了備件品種確定模型;江毅等[5]討論了可靠性、耗損性、可更換性、關(guān)鍵性、經(jīng)濟(jì)性5個(gè)備件品種選擇因素影響;王乃超等[6]提出了備件品種綜合重要度的概念，建立了備件品種決策模型;陳修學(xué)等[7]以耗損性、關(guān)鍵性、獲取難度、可更換性和設(shè)置成本為主要影響因素，應(yīng)用價(jià)值工程法分析確定了導(dǎo)彈備件品種。綜合分析現(xiàn)有研究成果,仍存在以下問題：

1)與一體化裝備保障的特點(diǎn)和要求不相符。一體化裝備保障強(qiáng)調(diào)保障資源的統(tǒng)管統(tǒng)用，隨著我軍大力開展裝備“基型”研制，裝備通用化水平得到了大幅提升。因此當(dāng)一種備件能夠保障多種裝備時(shí)，其配置必要性將高于其他品種的備件，且單品種備件能夠保障的裝備型號(hào)越多，其必要性越強(qiáng)。

2)未考慮裝備構(gòu)造及使用的實(shí)際情況，如裝備冗余結(jié)構(gòu)對(duì)備件品種選擇的影響。當(dāng)具有冗余結(jié)構(gòu)的部件發(fā)生故障后，則可利用備份部件保障其繼續(xù)工作，降低了故障對(duì)裝備的影響，因此，存在冗余結(jié)構(gòu)的部件，其備件配置必要性相對(duì)較低。

筆者提出了基于重要度的一體化裝備保障備件品種確定方法，利用主成分分析法，對(duì)影響備件品種確定的指標(biāo)進(jìn)行分析和約簡(jiǎn)，構(gòu)建主成分指標(biāo)體系，計(jì)算備件品種重要度并排序，合理確定備件品種，為部隊(duì)保障部門的決策提供方法支持。

1 備件品種確定指標(biāo)

結(jié)合考慮備件的功能要求、保障需求以及資源約束等，按照備件配置的必要性，梳理總結(jié)如下8項(xiàng)影響備件品種確定的指標(biāo)因素。

1) 一體化。一體化裝備保障要求一種備件可保障多種型號(hào)裝備，可實(shí)現(xiàn)互換互用。某種備件能夠保障的裝備型號(hào)越多，則該種備件配置的必要性越高。

2) 可靠性?？煽啃允侵府a(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)間和條件下，完成規(guī)定功能的能力。備件可靠性和部件的故障率密切相關(guān)，可靠性越差的部件，其備件配置的必要性越高。

3)原位修復(fù)難度。當(dāng)裝備某部件發(fā)生故障時(shí)，如果本級(jí)維修力量無法完成，或原位修復(fù)時(shí)間過長(zhǎng)，影響裝備使用和任務(wù)完成，則需要采用換件修理方式。根據(jù)裝備部件特性及以往的使用經(jīng)驗(yàn)，采用專家打分法量化原位修復(fù)難度，如表1所示。

表1 原位修復(fù)難度的量化方法

4) 耗損性。耗損性是指?jìng)浼谑褂眠^程中的耗損程度，包括戰(zhàn)斗耗損和非戰(zhàn)斗耗損。裝備在執(zhí)行任務(wù)的過程中，總耗損比越大的備件，其配置的必要性越高。

5) 冗余結(jié)構(gòu)。冗余是指產(chǎn)品中具有多種手段執(zhí)行同一規(guī)定功能的結(jié)構(gòu)形式。冗余度為備份部件與總部件的比值，備件的冗余度越高，其配置的必要性越低。

6) 獲取等待時(shí)間。對(duì)于根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件，其可在較短時(shí)間內(nèi)通過配發(fā)或就近市場(chǎng)購(gòu)買而得到補(bǔ)充；但對(duì)于需要專門生產(chǎn)和配發(fā)的專用件，其獲取等待時(shí)間較長(zhǎng)。備件獲取等待時(shí)間越長(zhǎng)，其配置的必要性越高。

7) 關(guān)鍵性。備件關(guān)鍵性是指該備件對(duì)整個(gè)裝備的影響程度，尤其是當(dāng)備件故障后對(duì)任務(wù)完成，人員、裝備的安全及生態(tài)環(huán)境等造成的影響程度。選擇備件品種時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇關(guān)鍵性高的備件。關(guān)鍵性指標(biāo)的量化方法如表2所示。

表2 關(guān)鍵性指標(biāo)的量化方法

8) 備件配置成本。備件配置成本包括備件的購(gòu)置、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)荣M(fèi)用，裝備保障不僅需要滿足軍事效益需求，還受到保障經(jīng)費(fèi)的制約。因此，確定備件品種時(shí)，配置成本越高，對(duì)保障經(jīng)費(fèi)的壓力越大，其配置的必要性越低。

2 基于主成分分析法的指標(biāo)約簡(jiǎn)

指標(biāo)間如果存在冗余、重復(fù)，或指標(biāo)影響過小，將影響評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。常用的指標(biāo)約簡(jiǎn)方法有不相關(guān)法、聚類分析法、熵值法等，通過對(duì)指標(biāo)間相關(guān)性及指標(biāo)重要性的分析，保留關(guān)鍵指標(biāo)，構(gòu)建約簡(jiǎn)指標(biāo)體系。

事實(shí)上，影響備件品種確定的指標(biāo)間的關(guān)系較為復(fù)雜，利用上述方法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行取舍時(shí)，不可避免地會(huì)丟失信息，且保留的指標(biāo)間仍可能存在一定相關(guān)性。由于不同指標(biāo)的側(cè)重點(diǎn)既有區(qū)別又有相關(guān)性，因此筆者采用一種新思路——主成分分析法，從指標(biāo)表達(dá)的信息方面對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行約簡(jiǎn)。通過采用主成分分析法選取各指標(biāo)涵蓋信息中的主成分信息作為影響備件品種確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)，這樣，既保留了指標(biāo)的大部分信息，又能有效地約簡(jiǎn)指標(biāo)，進(jìn)而保證指標(biāo)間的相互獨(dú)立性，具體約簡(jiǎn)步驟如下。

1) 樣本矩陣構(gòu)建及其標(biāo)準(zhǔn)化

設(shè)備件品種集合U={x1,x2,…,xn}，影響備件品種確定的指標(biāo)共有m個(gè)，第i(i=1,2,…,n)種備件的評(píng)價(jià)向量為xi=(xi1,xi2,…,xim)，則初始備件評(píng)價(jià)矩陣

(1)

由于不同量綱的指標(biāo)綜合后，其評(píng)價(jià)結(jié)果不具有實(shí)際意義和價(jià)值，因此指標(biāo)綜合時(shí)需要解決量綱不同的問題，通過無量綱化處理使指標(biāo)由實(shí)際值轉(zhuǎn)化為評(píng)價(jià)值，同時(shí)需要將指標(biāo)進(jìn)行正向化處理。正向指標(biāo)無量綱化處理方法為

(2)

逆向指標(biāo)正向化和無量綱化處理方法為

(3)

并記變換后的標(biāo)準(zhǔn)化備件評(píng)價(jià)矩陣為A1。

2) 指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣構(gòu)建

設(shè)rab為反映指標(biāo)a對(duì)指標(biāo)b相似程度的關(guān)聯(lián)系數(shù)，則

(4)

各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)矩陣

(5)

3) 主成分貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率計(jì)算

主成分貢獻(xiàn)率計(jì)算公式為

(6)

主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率計(jì)算公式為

(7)

在進(jìn)行主成分篩選時(shí)，一般選取累計(jì)貢獻(xiàn)率在85%～95%之間的前q個(gè)特征值，并按照從大到小的順序構(gòu)成第1、第2至第q個(gè)主成分。

4) 計(jì)算主成分載荷及最終得分

主成分載荷計(jì)算公式矩陣

(8)

式中：etd為λt的特征向量et的第d個(gè)分量。

主成分的最終得分矩陣

(9)

3 備件品種重要度及配置決策方案

設(shè)Qw為第w項(xiàng)主成分的權(quán)重，則

(10)

備件品種重要度向量

I=SZ·Q，

(11)

式中：Q為主成分的權(quán)重向量。

按照備件品種重要度的大小，將備件分為優(yōu)先配置、選擇配置和不予配置3類：1)重要度在0.5以上的備件為優(yōu)先配置備件，該類備件對(duì)裝備體系效能的發(fā)揮具有十分重要的作用，必須作為攜行備件；2)重要度在0.1～0.5的備件為選擇配置備件，其對(duì)裝備體系效能發(fā)揮具有重要的作用，應(yīng)在經(jīng)費(fèi)、運(yùn)輸?shù)葪l件允許的前提下，綜合考慮備件品種和數(shù)量配置的保障效果進(jìn)行優(yōu)化配置；3)備件重要度低于0.1的備件對(duì)裝備體系效能發(fā)揮影響較小，配置該類備件將會(huì)加重裝備保障系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，一般不作為攜行備件進(jìn)行配置。

4 示例分析

某裝甲機(jī)械化部隊(duì)進(jìn)行一次野外訓(xùn)練，需要確定攜行的備件品種。假設(shè)所需要的備件共有12種，各種備件的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)如表3所示。

運(yùn)用MATLAB軟件編程，求得標(biāo)準(zhǔn)化備件評(píng)價(jià)矩陣

表3 各種備件的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)

相關(guān)系數(shù)矩陣

按大小排序的特征值向量

λ=(2.446，2.159，1.284，0.873，0.690，0.272，0.203，0.073)。

當(dāng)q=5時(shí)，主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率CA5=0.932；當(dāng)q=6時(shí)，主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率CA6=0.966。因此取q=5，即將原有8項(xiàng)指標(biāo)約簡(jiǎn)為5項(xiàng)主成分指標(biāo)。

各主成分的得分矩陣

各種備件的重要度評(píng)估結(jié)果如表4所示。

表4 各種備件的重要度評(píng)估結(jié)果

根據(jù)備件分類標(biāo)準(zhǔn)，得出備件品種確定決策方案如表5所示。可以看出：第4、10、7、8種備件為優(yōu)先配置，須攜行保障；第1、2、3、5、6、9、11種備件為選擇配置，需要進(jìn)一步綜合權(quán)衡，以確定是否作為攜行備件；第12種備件為不予配置備件。

表5 備件品種確定決策方案

5 結(jié)論

著眼一體化裝備保障要求，建立了備件品種確定指標(biāo)體系，運(yùn)用主成分分析法將8項(xiàng)指標(biāo)約簡(jiǎn)為5項(xiàng)主成分指標(biāo)，在保留了大部分信息的同時(shí)，也保證了指標(biāo)的相對(duì)獨(dú)立性。通過計(jì)算備件品種重要度并排序，確定了優(yōu)先配置、選擇配置和不予配置3類備件配置方案。其中：選擇配置備件需進(jìn)一步根據(jù)運(yùn)輸能力、保障經(jīng)費(fèi)等約束條件，并綜合權(quán)衡備件品種與數(shù)量增減的保障效益，確定是否作為攜行備件進(jìn)行配置。

本文提出的備件品種確定方法能夠適應(yīng)當(dāng)前一體化裝備保障要求，在滿足裝備備件保障需求的同時(shí)，合理確定攜行備件品種，可降低部隊(duì)裝備保障的壓力，減少保障經(jīng)費(fèi)支出，提高備件保障的軍事效益和經(jīng)濟(jì)效益。