蒸汽动力装置可修备件的四种不同控制结构∗

金 旸 蔡芝明 覃海波

（1.中国舰船研究设计中心 武汉 430033）（2.海军工程大学动力工程学院 武汉 430033）

1 引言

备件可分为可修备件和不可修备件（消耗品），笔者关注的重点是可修备件。装备的可靠性、可用度及安全性是使用人员关注的重点，备件意外的不可用会降低装备战备完好性、增加停机成本及使用人员的不满意度。在蒸汽动力装置维修期间，装备组成部分被拆开，直接修理或用备件进行更换，可见备件的可用性对修理工作是至关重要的。

自 Sherbrooke［1］在 1968年提出经典的备件保障METRIC理论以来，国内外一些学者对备件保障理论进行了大量的研究，Costantino等［2］以修理能力需求不同对航空备件多层级维修中心进行了分类。文献［3］建立了有限维修保障资源约束下静态的修理车间类型。文献［4～6］建立了订货至交货时间不确定约束情况下的备件多层级库存模型。文献［7］提出了绿色供应链系统中低寿命周期费用可修备件回收再利用的方法。文献［8］针对修理车间研究存在理论和实践不相符合的情况，提出了实时的计划和生产控制方法。罗祎［9］等建立了任意结构可修备件的配置方案优化模型。文献［10］提出了可修备件修理车间的一般控制结构方法。文献［11］建立了基于保障概率的可修备件需求预测模型，模型可以有效解决可修备件的需求预测问题。文献［12～14］提出了可修备件存储仓库合并的方法。文献［15］提出了有限维修能力下多层级可修备件最优库存建立方法。文献［16］建立了备件库存和修理能力之间最优控制模型。文献［17］提出了考虑修理能力的战时备件配置方案优化方法。文献［18］对一个具有多种多样修理能力的系统进行了研究。目前研究备件保障理论和实践之间不相符的问题［19～20］是研究的热点，同时也是难点。

从上述文献可以看出，当前的研究虽然取得了很多成果，但一方面，从不同角度来进行观察，首先在蒸汽动力装盒子可修备件修理工作的组织上，仓库管理人员和修理车间维修人员之间存在一系列缺乏交流的问题，其次，仓库管理员通过库存管理系统来制定备件库存水平，做决定的前提可能偏离备件的真实情况；另一方面，部分文献局限于假设蒸汽动力装置修理车间只有单一种类的修理能力，或虽考虑了具有多种修理能力但没有考虑修理车间保障资源需求的不确定性。从上述文献可以看出研究符合工程实践真实情况的可修备件控制结构的综合方法是缺失的。

因此，本文针对部分备件保障理论和蒸汽动力装置工程实践不相符的问题，依据修理车间的特点和设计原理，建立了蒸汽动力装置四种不同修理车间控制结构，可有效解决目前蒸汽动力装置工程实践中存在的问题。

2 蒸汽动力装置可修备件的一般控制结构

修理车间负责及时维修故障件，仓库负责及时给修理车间供应备件，修理车间管理员和仓库管理人员之间达成了一些共识，比如备件保障概率必须超过事先设定的阈值或者短缺数必须小于某个阈值。

2.1 装备维修类型、故障原因及特点

装备现场维修的策略主要是采用换件维修，需要维修的部分从装备上取下来，如果有备件就直接更换，没有的话就发生一次备件短缺。装备被拆解的原因：故障维修、预防性维修及超过某一设定极限值必须更换。表1给出了不同的修理类型、故障原因及特点。

表1 修理类型、故障原因及特点

2.2 可修备件的一般控制结构

直接从装备上拆解下来的部分称为现场维修更换单元（Line Replaceable Unit，LRU），故障件LRU（具有可维修价值）被送到修理车间，通常修理工作分三步：1）故障诊断，2）修理或再制造，3）测试。通过故障诊断之后会得到具体的修理需求，这表明修理车间故障诊断工作非常重要，因为故障部位和保障资源需求在诊断之前并不知道，诊断之后可以确定哪些车间修理单元（Shop Replaceable Unit，SRU）需要被取下来被备件取代，故障件SRU可被修理（具有可维修价值）或再次使用，因SRU型号及种类多样且修理比较复杂，故SRU的修理工作具有多层级性。同时在修理工作中需要大量修理人员参与及需要多种维修资源作为后勤保障，这些都在图1控制结构中进行了说明。

每一项维修工作都是由多个修理步骤构成，修理工作的每一步都需要修理人员参与，维修车间需要多种多样的修理能力来完成修理工作，同时应对特殊的修理技能和基本维修能力进行区分，因每个修理人员只具有这些修理能力其中的一部分，所以只能完成几个修理步骤。修理车间的故障诊断水平由于受装备及检测人员能力限制，若故障件无法诊断时，此时可以短暂协调外来修理人员（比如协调设备厂技术人员）或送到更高层级进行修理。

修理车间可以自行安排修理工作的优先级顺序，对于只需要基本修理能力就能完成的修理工作是相对容易的，万一某项修理工作需要特殊的修理技能，这可能导致增加额外的修理时间或转换时间。影响修理工作的主要费用因素：1）修理能力；2）上报给更高层级单位；3）协调设备厂的修理能力；4）加班费用；5）LRU库存费用；6）SRU库存费用。

3 蒸汽动力装置修理车间分类

不同修理车间维修水平及保障资源需求种类和数量是不一样的，保障资源不确定性主要体现在同样的LRU修理工作可能需要不同的修理资源，修理能力分为基本修理能力和特殊修理技能，为此依据修理能力水平和维修保障资源的不确定性的高低来划分修理车间类型，具体划分见表2。

表2 不同的修理车间类型

修理资源具有很强不确定性的修理车间的修理工作常因缺乏保障资源而被打断，修理时间主要由备件等待时间构成；在需要很强修理能力水平的修理车间中，修理时间主要由等待要求的（特殊的）修理能力构成。

4 蒸汽动力装置可修备件四种不同控制结构

舰船设备使用现场出现装备故障，按是否具有可修价值，可分为可修件（故障件）和不可修件（报废件、消耗件），现场若有备件就直接更换，否则就发生一次备件短缺，故障件被送到修理车间进行修理。对于每个修理车间类型，主要概述了特殊特点和设计原理，并给出每种修理车间类型的控制结构。

4.1 蒸汽动力装置修理车间类型Ⅰ

4.1.1 特点和设计原理

蒸汽动力装置修理车间类型Ⅰ的特点是低的修理能力要求和维修资源需求的不确定性，一方面，因维修保障资源的不确定性低，所以不需要或只需要少量同种类的SRU，同时SRU存储数量非常低，容易且相对成本低的去获得一个高的SRU可用性，整合SRU和LRU库存控制的费用是低的；另一方面，因修理能力相同且特殊修理技能需求量是低的，所以向更高层级运送故障件是可行的，并且明确了一个订货至交货的时间。

修理好的完好件经过检测或质量控制之后可以成为将来维修保障资源，例如为了降低装备期望短缺数，除非仓库有大量备件库存，否则备件短缺肯定会发生，满足现在装备短缺需求肯定比将来装备短缺可以获得更大的利益，因此，去区分日常和突发的修理工作是非常有意义的。同时备件仓库管理员具有很好的关于修理工作优先级知识，因为修理能力低，优化修理工作的优先级是没有意义的，基于上述原因，仓库管理员负责设定修理工作的优先级。

4.1.2 控制结构

因为修理工作被打断次数是非常低的，库存管理员和修理车间管理员之间达成了一些基本的共识：1）LRU的日常和突发的修理工作订货至交货的时间是明确的，2）每个周期都最大限度的给予修理车间修理工作，3）每个周期内突发修理工作占整个修理工作的比例是被严格确定的。修理车间类型Ⅰ的修理步骤和控制原理已经在图2中进行了说明。

限制给予修理车间修理工作的最大值，能有效提高修理车间完成修理工作的百分比，以每周最大工作小时为约束条件，约束条件是存储能力、修理能力及上报更高层级之间的综合权衡。修理间隔期是从修理工作下放至修理车间开始直到修理工作完成时为止，在这种控制结构中修理车间半成品（Work-In-Process，WIP）非常少，同时预先设定维修间隔期非常短（通常为几天或一星期）。

因为在规定的订货至交货时间内，修理车间负责修理故障件，显然修理车间管理员对完成订货至交货的时间及SRU库存水平负责，修理车间管理人员同样对决定修理能力负责，如修理人员数量。因维修人员修理能力都是相同的，需要多少修理人员主要取决于从排队修理工作中获得的故障数量，能力分配是非常容易的，因为修理能力相同，SRU备件采用先到先服务（first-come-first-serve）的原则，对于突发修理工作，提出积极的加班政策。

库存管理员负责LRU的库存控制，LRU的存储控制数量主要取决于每个LRU事先设定的订货至交货时间、工作量约束及上报更高层级选择，仓库管理员可以通过设定需要修理的LRU的优先级来影响花在故障件LRU上的时间，仓库管理员对这些修理工作的优先级负责同时决定每项LRU的最大库存水平。万一出现短时间内LRU的高需求量，仓库管理员可以和修理车间管理员协调增加订货至交货的时间，这样可以减少或控制保障费用增加。依据仓库每项LRU的存储期望数，仓库管理员可以决定那部分可以被更换修理并送到LRU故障中心存储，仓库管理员选择修理工作类型（突发、日常或上报更高层级），主要是基于目前存储信息、订货至交货时间及修理工作优先级。

4.2 蒸汽动力装置修理车间类型Ⅱ

显然蒸汽动力装置修理车间类型Ⅱ的控制结构和修理车间类型Ⅰ的控制结构并不相同，限于篇幅原因，本文主要描述二者的主要区别，包括修理车间类型Ⅱ设计目的。

4.2.1 特点和设计原理

修理车间类型Ⅱ和修理车间类型Ⅰ之间的主要区别是保障资源需求具有一个高的不确定性。保障资源高的不确定性表明在同样LRU修理工作中需要多种类及数量的SRU且储存量要维持在一个比较高的水平，修理工作被打断的主要原因是缺乏SRU备件。为了降低SRU备件的等待时间，当收到故障件LRU时，应尽最快速度诊断出故障部位。

在修理车间类型Ⅱ中，应该在故障件LRU诊断工作（主要是降低SRU的备件等待时间）和SRU的修理工作（主要是降低LRU的等待时间）之中取得一个最佳控制点。仓库管理员负责依据现有备件库存水平来制定故障诊断工作和修理工作的优先级。

4.2.2 控制结构

和类型Ⅰ不同的是，对于故障诊断工作和修理工作，仓库管理员和修理车间管理员达成了一致的订货至交货时间，修理车间管理员不再负责SRU备件库存及等待时间控制，其在修理车间类型Ⅰ是由修理车间管理员控制的，具体控制结构见图3。

库存管理员负责SRU和LRU的备件库存控制，因此库存管理员能够在SRU和LRU库存量之间寻求一个最优的平衡点，库存管理员可以影响修理车间故障件修理时间，库存管理员负责制定修理工作的优先级及每项LRU和SRU的库存水平。

4.3 蒸汽动力装置修理车间类型Ⅲ

4.3.1 特点和设计原理

蒸汽动力装置修理车间类型Ⅲ的特点是拥有低维修保障资源需求不确定性及一个高维修保障能力。修理工作被打断的次数是中等的，因为修理资源需求不确定性水平低，类似于修理车间类型Ⅰ，SRU和LRU库存优化控制节省的保障费用是有限的，同时优化诊断工作和修理工作优先级带来的保障费用降低程度也是有限的，因此，修理车间管理员完全负责修理工作及SRU备件存库控制。

修理车间类型Ⅲ具有的修理能力是多种多样的且具有多种特殊的维修技能，因而上报更高层级的故障件是非常有限的，所以应该充分利用大量维修保障能力和特殊维修技能，例如具有特殊技能的修理人员应优先从事需要特殊修理技能的修理步骤而不是需要基本维修技能的岗位，当有突发修理事件发生时，适当的延长修理人员工作时间是允许的。

修理车间管理人员具有良好的关于如何安排修理工作优先级的知识，可以最大化利用现有的维修保障能力，因修理能力和特殊维修技能是非常高的，所以车间修理人员负责制定修理工作优先级。修理车间类型Ⅲ中WIP件相比于Ⅰ和Ⅱ会非常多，因为一个修理人员在同一时间内要处理的修理工作可能会非常多。

4.3.2 控制结构

修理车间管理员比库存管理员可以更加科学、合理地制定修理工作的优先级，库存管理员负责制定静态修理工作的优先级，参照静态修理工作优先级，修理车间管理员可以制定动态的修理工作的优先级，具体控制结构见图4。

修理车间管理员和库存管理员对于静态修理工作的优先级的制定原则是一致的，如每项LRU备件库存量最大值和最小值的制定。修理车间管理人员负责制定动态修理工作的优先级，库存管理员负责控制LRU库存水平。

4.4 蒸汽动力装置修理车间类型Ⅳ

4.4.1 特点和设计原理

蒸汽动力装置修理车间类型Ⅳ特点是拥有高维修保障资源需求不确定性及一个高维修保障能力。不同于上述三种修理车间类型且也并不是修理车间类型Ⅱ和Ⅲ的简单叠加。保障资源需求高的不确定性表明在同样的LRU修理工作中多种类的SRU，其具有的修理能力是多种多样的且具有多种特殊的维修技能，因此SRU的库存量应维持在一个最高水平，以满足保障需求，修理工作被打断的主要原因是缺乏SRU备件。合理分配修理能力资源，可以降低LRU故障诊断时间、快速处理突发故障事件，仓库管理员和修理车间管理员共同负责制定诊断工作或修理工作优先级。

4.4.2 控制结构

修理车间管理员和库存管理员共同负责SRU和LRU的备件库存控制，因此双方共同制定SRU和LRU库存量之间最优控制平衡点，双方可以共同影响修理车间故障件修理时间，二者共同负责制定修理工作的优先级及每项LRU和SRU的库存水平。具体控制结构见图5。

由于修理资源的不确定性水平比较高且具有较强的修理能力水平，面对这种复杂的情况，修理车间管理员和仓库管理员应该共同制定静态和动态的修理工作优先级，只有两者联合起来共同制定修理工作的优先级，才能达到综合权衡各方面因素的目的，使制定的修理工作优先级更加科学、合理，确保这项修理工作优先级能够比较客观地反应修理工作的实际情况。

5 结语

针对目前可修备件保障研究领域中存在理论和工程实践联系不紧密的问题，本文通过分析修理车间特点和设计原理，依据维修能力水平和保障资源需求不确定性高低的不同，建立了蒸汽动力装置四种不同类型的修理车间控制结构，并对可修备件控制结构原理进行了说明。在实际工程应用中，可修备件的控制结构影响因素众多，不仅与修理能力和保障资源需求的不确定性相关，还与可修备件的维修特性、任务强度等相关，在今后的工作和学习中，还需要针对上述问题进行更进一步的研究。