航材分类方法的研究综述和启示∗

宋传洲 张作刚 殷 实

（1.海军航空大学岸防兵学院 烟台 264000）（2.烟台警备区 烟台 264000）

1 引言

航材分类工作是对航材各类工作开展的基础，对库存管理、统计订购、资金规划、成本控制、配件更换与维护、安全保障等环节产生影响。当前航空飞行器发展迅速，具有机型多、专用航材种类多、储备成本高等特点［1］，因此要根据不同的需求，或定性分析，或定量分析，或者结合两者，研究与之相匹配的分类方法，从而达到科学高效的分类效果。航材与其他备件相比，其种类更为繁琐、技术更为复杂、价格上也更昂贵，专用性、即时性、安全性要求更高。因此，航材的分类方法与其他备件有所不同，但即便如此，其他备件分类方法仍有借鉴价值。本文认真分析当前飞机备件分类研究的文献，进一步研究借鉴其他备件的分类方法，对现有飞机备件分类方法进行了总结，梳理提出一些意见，并大胆做出初步的设想，为方便研究和具体的实际应用，可建立航材分类系统。

2 航材分类的原则和指标

2.1 分类原则

航材具有优先性、周转性、波动性、服务性、隐含性、及时性等特性，其分类原则较多，大多是定性分类，即根据研究对象所关注的影响因素特征建立用于分类的并行性原则。有以航材是否能够维修的特点为原则，把航材分为消耗件、周转件、可修件三类，即可维修分类法［2］；也有体现航材对于飞行运行的重要性的ESS放行重要性分类法，将航材分成NO-GO、GO-IF和GO三类［3］；还有MEL修理间隔分类法，根据飞机装机部件设备在发生故障后必须修复的时间间隔来划定时间长短，分为A、B、C、D、E 五类［4］；此外，民用飞机还有厂商交付期、消耗流动等分类法等。军用航材则有按照储备用途、供应时间、维修等级、质量标准等分类方法。至此，除了上述介绍的航材分类原则外，还有很多，本文将部分归纳总结列出，如表1所示。

表1 航材一般分类原则列表

2.2 分类指标

航材分类的指标可以从航材统计指标中获取，分为数量指标、质量指标、实物指标与价值指标等［5］，航材的各类指标直接影响航材的关注重点。一直以来，航材分类指标是航材分类研究的主要内容之一。航材的指标有很多，往往需通过科学选取并赋予权重，构建分类指标体系。

在航材需求预测领域，张作刚等［6］选取航材单价、平均故障间隔时间、近五年来的平均年消耗量、对飞行安全影响和造成损失的重要度等级、航材保质期、区间历史消耗、供应商等级等8类指标构建体系；文献［7］根据数据处理的需要，选取对飞机的威胁危害度、历史区间消耗、串件拼修可行度等6类指标；文献［8］确定损耗程度、维修难易度、重要程度等5类，用以航母舰载机航材携行品种确定。类似的，文献［9］将重要程度换成危害性，在经济价值、损耗程度等基础上增加可获得性、任务需求性等指标，用这些特征构建权重矩阵。文献［10］在研究战时备件消耗保障时，以战场抢修作为主要目的，以可携带性、可获得性、损耗性、对战争重要程度等特征分类，做好战时航材的品种确定。

文献［11］着重研究物流这一阶段性指标，并充分考虑维修能力，以及进行维修时的航材相对重要程度、单价等特征建立指标体系。在订购航材和管控存储方面，文献［12］提出两种方案，一个是使用率、单价、交货期和可靠性的四要素方案，另一个是将交货期和可靠性换成领先率的三要素方案。此外，文献［13］分析航材的可获得性特征后，舍去可替换性和通用性，用潜在供应商数、故障的可能性、订补货周期区间、技术等级的可行性、备件损坏临界风险、设备维修等级等6类具有临界特性的指标特征对航材进行分类。文献［14］以供应商角度建立指标体系，区分了交货时间、环境与文化、服务与合作、成本、质量等5个大层次，包含细化21小层次。

3 关于航材主要的分类算法

3.1 ABC分类法及其改进算法

ABC分类法是经典且传统的分类法，可以区分和表征总体中以价值判断占比较多的事物其数量上所占的比重。按此方法，把航材以一定原则比重分成A、B、C三大类，通常以价值原则排序［15］。这种分类方法简单，通用性强，被广泛使用，但不够精确，缺乏多因素的综合考虑，评价结果容易造成偏差［16］。为了解决ABC分类法存在的问题，一些改进方法被相继提出。文献［17～18］利用AHP和模糊方法改进ABC分类法。在决策分析的过程中，首先将航材集进行分层，同时采用模糊方法降低人为因素的干扰，分别赋以准则层对目标层和方案层对准则层各自的权重，计算方案层对目标层的组合权重，进行排序后再次ABC分类。

在研究备件的供应链管理时，杨兴顺［19］以材料的重要性和供应风险两大要素排列航材，针对矩阵分类的四大类物料，联合使用kraljic矩阵分类法与ABC分类法，采取不同的库存管理和控制方法。候贾凯［4］在研究周转件时，建立ABC-3A分类模型，依次对设备、部件、零件进行ABC分类，最终以4个等级划分27种航材，多维分析设备，从整体到零件，试图让各类权重分配更加科学合理。

3.2 VED分类法及其改进方法

无论安全库存［20］还是库存数量质量管控［21］和航材订购研究［22］，VED分类法都有采用。与ABC分类法类似，VED分类法是通过对航材库存的关键性分析评价，从而进行航材库存分类的方法。V类表示至关重要，缺失备件，飞机无法正常运行，会造成重大损失；E类表示重要，缺失备件，飞机无法运行，会造成一定的损失；D类表示必要，缺失备件，将会对飞机正常运行产生一定的影响。

3.3 支持向量机分类法及其改进方法

支持向量机（SVM）分类法是基于数据统计的机器学习方法，利用结构风险最小化原理，引入核函数，实现维度转换。文献［23］以ABC分类改进SVM分类方法，使用决策有向无环图分类模型，利用核函数和惩罚函数构造非线性SVM，待样本训练完成后，使用“二值有向无环图”，最后进行ABC分类。这种方法将机器分类和专家经验结合运用，既对人工减负，又立足机器分类的客观性，寻找内在规律。任博等［24］为解决模式识别问题，将SVM与最小二乘线性系统联用。类似的，刘志涛［25］利用SVM分类器对包括航材在内的不常用备件进行了分类研究，在最小二乘法基础上联用贝叶斯方法改进，形成基于贝叶斯证据框架的最小二乘SVM，既提升了泛化性能，又降低了错误率。

3.4 聚类分析的分类法及改进算法

聚类算法是分类理论的经典算法之一，将整个数据集划分成相对均匀的子组或簇，实现簇内相似度最大，簇间的相似度最小［26］。虞文胜［27］运用马氏距离和离差平方和进行类与类间的相似性度量，对航材进行定量计算并分类。类似的，张作刚等［7］根据分类指标的重要度不同，采用模糊一致性矩阵来确定指标的权重建立分类模型。陈振林等［28］在研究某航材消耗数据球形分布特点时，面对航材需求，即消耗数量的波动性，将聚类的划分和层次两种方法糅合运用，得到层次划分聚类模式，以平稳型、突变型、波动型对航材进行3类区分。周佳萱等［29］以PAM聚类算法考虑混合属性的方式区分航材。

3.5 主成分分析的分类法及改进算法

主成分分析（PCA）属于一种基于降维思想的统计分析方法，将多个变量通过正交变换线性组合，选出小部分重要变量集合来描述。在对航材分类时，很多分类方法需确定航材分类指标，该方法多用于这些方法之前［30］。王伟等［31］通过PCA将原来凭经验选出的年消耗量、重要度等级、保质期、历史消耗量、单价、供应商等级8个指标进行筛选，舍掉保质期、历史消耗量、供应商3个指标，保留5个指标，降低采集数据难度，为后续采取SVM分类提高了分类的效率。文献［6］也使用该方法先作降维简化指标体系，最后聚类处理确定类别。杨超［32］在研究慢速流动航材时，首先使用模糊综合评判法将慢速流动航材初筛，再采用PCA进一步明确分类指标，最后采用谱系聚类法对航材进行细分类。

3.6 层次分析法及其改进方法

层次分析法（AHP）分层带来的好处是可以较为清晰的分类，2.1中文献［17～18］也可以说是用模糊方法和ABC改进了AHP的分类模型，此外，文献［33］在研究战时航材储备时，为了解决之前定性分析方法存在的不确定性和模糊性等问题，采用Delphi法、AHP、灰度关联法和模糊综合评判法相结合的DHGF算法进行分类。

3.7 粗糙集理论及其改进方法

粗糙集理论一般用来处理定性数据或不确定性数据，用以解决数据不完备、离散或缺失等情况。韩俊骞等［34］采用粗糙集方法，通过属性依赖度函数约简含有混合属性的数据集合，避免处理数据而离散化，最终确定分类规则进行品种分类。张帅等［35］利用粗糙集方法，在约减属性后，分析出单属性、顺次属性和多属性的品种分类决策方法。阎车飞等［36］在解决飞机初始备件分类问题时，采用集对分析法改进粗糙集分类法。文献［37］考虑到备件品种的属性权重，先建立初始备件影响因素的系统，利用加权阈值相容关系改进粗糙集模型，以系统信息量为基础的属性权重分类法，减少了主观因素的影响。

3.8 基于消耗数据面向需求的分类方法

基于面向需求的分类方法是以消耗数据和需求数据的特点为参照来对航材进行分类的。李金国等［38］利用航材的寿命分布特点，将航材分为正态寿分布、指数分布、威布尔分布3类。王芳［39］通过分析有无运行历史数据、相似机型、可维修性等原则，基于不同泊松分布得λ取值将航材分为ABCD型4类。赵淑舫等［40］以维修工程理论为基础，充分考虑有无损耗期，故障率时间变化、偶然和早期故障期、规定寿命等特性，对航材的故障率时间曲线进行分析，将航材分为5类。Syntetos等提出两维度分类规则，将变异系数与需求间隔作为维度，将航材分为平稳型、不平稳型、块状型、间断型4类［41］。也有为了后续针对不同类别进行研究的方便，将块状消耗视为间断性消耗，将4类简化分为平稳性、不平稳型和间歇型3类。这些分类法都热衷于航材消耗的基本数据。直接挖掘和研究数据，从大量数据中拟合规律，能有效降低人为干预，特别是当先验经验不足时，通过发现航材内在消耗规律而降低错误，其缺点在于该类研究需要采集大量数据，如果干扰因素太多，模型容易不够完备科学，往往并不准确，也可能南辕北辙。

3.9 可以借鉴的其他备件分类算法

备件分类研究显然包含了飞机备件分类研究，但基于航材的特点，一些非针对航材分类的备件分类方法未必适用于解决航材分类问题，但仍然具有借鉴意义。就ABC分类法而言，其改进方法除了2.1节介绍的方法以外还有很多，比如，孔琳等［42］使用AHP和灰色分析法改进ABC，而文献［43～44］则联合使用AHP和DEA改进ABC，丁留明等［45］提出AHP和蒙特卡洛模拟法改进ABC。付战莹等［46］在研究地铁备件分类，将ABC和VED分类方法联用，提出来KIO方法，备件的重要程度由其打分评价和多因素相结合的方式共同决定，这种方法在消耗性医疗物资［47］分类中也被使用。熊君星等［48］利用Levenberg-Marquardt优化BP神经网络，考虑多种因素，并按其重要性进行ABC分类。

决策树包含分类树和回归树，分类树的使用甚是普遍，对其改进后可应用于多维分类，例如魏曦初等［49］将SVM和决策树联用，从备件供应商管理策略的角度进行多属性备件分类，将备件以一般、瓶颈、杠杆、战略4类区分，并分别给出供应商管理的方案模型。文献［50］以某大型炼油厂设备为例，给出了一个复杂的集成分类方法，分析不同节点上的多属性（如库存、生产损失、物流等），采用了决策树和AHP模型相结合的方法。此外，刘跃武［51］在研究库存分类的时候，利用灰色关联分析改进了D-S证据推理决策，构造分类模型。徐廷学等［52］采用灰色关联将主客观备件分类相结合，提出改进的群体层次分析与超效率DEA理论相结合的备件分类方法。李佩琦［53］组合使用随机森林和梯度提升树算法研究多因素影响的机电设备备件的预测方法。

4 航材方法研究分析

随着航材分类方法的研究不断深入，分类方法的准确性和科学性也不断增强，通过研究文献资料得到如下若干特点和还需加强研究的几个方面。

1）航材分类方法的研究需引入和借鉴其他领域的技术方法，由单原则到多原则集成或组合方法的改进思路是主流，分类方法呈现从一维、二维、多维［54］等组合算法的发展规律，但值得注意的是，一味追求组合算法的创新容易造成机械堆叠，分类效果不一定比原来的效果好。

2）分类方法的选取需要根据实际研究对象来决定。在分类算法比较中，不仅要对同一类型分类算法的改进方法进行纵向比较，还要在同一情况下对不同分类方法进行横向比较，这有助于选取最适合方法。需从样本数、特征数、所含类别数等方面对分类准确率和运行时间的影响进行分析比较。尽管如此，航材分类、需求预测及其库存管理、供应链、供应商等是一个连贯的系统，一方面，多个分类方法要放在一个系统中进行比较将更为科学，因为没有一种方法是万能的；另一方面，要考虑方法的实用性，复杂的模型往往程序繁琐、运行时间久，实际应用困难，而方便快捷高效的方法更受欢迎。

3）分类方法往往是定性与定量分类方法的结合，在方法实施过程中，或多或少都有主观性干预，比如分类指标或属性种类和数量的选择，一些权重、标准和层次的划分，如何按照需要降低人的主观性影响也是分类方法需要研究的方面。此外，在一些情况下增强实践应用经验的介入也是有必要的。

4）不管是纵向比较还是横向比较，科学实用的比较航材分类方法的多重评价指标需加强研究。在提出新的分类方法后，应与常用且分类效果好的分类方法作比较和验证，增强说服力。此外，新的领域产生的优秀分类方法应多借鉴，虽不一定适用，但应积极研究、论证或验证。

5 航材分类系统的初步设想

至今，航材的分类原则、指标、算法是精细化分类逐渐递进的过程，它们相互影响，反映了关注航材性质的侧重点，构成了分类方法。消耗影响因素直接对它们和航材的消耗数据起作用，分类算法适用性在很多时候也需要由消耗数据的特点来决定。其关系，如图1所示。

图1 航材分类方法关系图

以本文基于航材分类原则、指标、算法，归纳总结当前分类方法的诸多研究文献，按照开放、交互、系统、实用的原则，初步设想航材分类系统［55］示意图，如图2所示，具备智能分类、人机交互、开源拓展、反馈升级等效果，通过输入分类的目的和要求，系统综合分析后将快速给出与之相匹配的类型方案，拥有开源和反馈的作用，以便于将最新关于航材或者其他备件的分类方法研究成果及时纳入系统中，且可以高效链接有关航材预测和决策的模型系统，从而囊括航材研究的诸多方面。

图2 航材分类系统示意图

6 结语

高效准确的航材分类是实现对航材管理、维修、预测等各个环节的前提，因此对航材分类方法的研究需更加科学深入。本文总结归纳论述航材分类原则、指标、算法等内容，对航材分类领域应用过的基本算法及其优化模型做了重点介绍，结合其他备件分类方法对当前航材分类研究现状做了分析，初步设想出可以建构的航材分类系统，以便对航材分类及后续的研究和应用提供参考，希望对该领域的研究者起到抛砖引玉的效果。