基于可靠性、维修性和测试性的民用飞机供应商选择

黄艳，蔡景，代定强，李海亮

（南京航空航天大学民航学院，南京211106）

0 引言

当前民用飞机“主制造商—供应商”的研制模式使得各飞机厂商与供应商之间建立风险合作伙伴关系，选择合适的民用飞机供应商不仅能够完善企业的供应链体系，同时也能降低飞机研制风险，加快研制进程。

目前国内外对民用飞机供应商的选择都做了相关研究。在供应商选择指标方面，G.W.Dick⁃son［1］最先对供应商选择准则进行了研究，统计出23条评价供应商的准则，排序得出前三的选择准则为：质量、交货、历史效益；C.A.Weber等［2］在此基础上，将质量、价格、准时交付列为选择的三个重要原则；郭巧荣等［3］基于层次分析法提出了民用飞机供应商质量保证体系并建立了对应的评价模型；刘翔锋等［4］提出供应商选择的主要准则为价格、质量、交付等，并将准则继续分为多个指标，进行权重打分，选出合适的供应商；曹广生［5］提出“主制造商—供应商”模式下的民用飞机评估要素包括两种，一种为特色要素，这种要素需要根据被评估单位的特点进行确定和选取，另一种要素为公共要素，包括资源投入能力、优势保障能力、管理协调能力等。

现代航空器对可靠性、安全性和经济性的要求越来越高，而在以往民用飞机产品供应商的选择过程中，虽然涉及到与可靠性、维修性和测试性相关的指标，但这些指标不能直接衡量供应商产品的可靠性、维修性和测试性，无法满足新的设计理念对民航产品的要求。

本文提出基于可靠性、维修性和测试性的民用飞机供应商选择方法，以民用飞机氧气系统供应商为例，从产品可靠性和可用度的角度对供应商进行评估。

1 供应商分类

供应商有多种分类方式，如图1所示。为了全面清晰地对不同种类供应商提出可靠性要求，以便更简洁科学地选取指标进行评估，本文按照供应商在民用飞机产业链中的地位将其分为一类供应商（大部件/分系统制造商）、二类供应商（小系统/部件和专业化零件）、三类供应商（原材料、标准件供应商）［6］，分别分析其可靠性、维修性和测试性要求，提出相应指标。

图1 民用飞机供应商分类Fig.1 Classification of civil aircraft suppliers

按产业链和产品层次划分的供应商种类有如下特点：

（1）一类供应商，其产品价值相对高、技术相对复杂、集成度相对高、携带风险大。

（2）二类供应商，如复合材料件、金属合金件制造商，其产品价值相对较高、技术较复杂、集成化程度相对不高。

（3）三类供应商，其产品价值相对不高、技术相对较为简单、种类繁多、项目琐碎。

2 不同类型供应商的选择准则与指标

在选取选择准则与指标时，需要遵循目的性原则、现实性原则、系统全面性原则和定量与定性相结合的原则［7］。考虑民用飞机产品的高要求、高风险性，为形成全面且合理的评估准则指标体系，除了可靠性、维修性和测试性三个中心准则外，仍需将一般制造业评估体系中的质量、服务、技术、体系准则纳入考虑范围。由于民用飞机一、二类供应商主要是系统供应商，因此其指标相同。民用飞机一、二类供应商的选择准则与指标如表1所示。

表1 基于可靠性、维修性和测试性的民用飞机一、二类供应商选择准则和评价指标Table 1 Selection criteria and evaluation indicators of the first and second class suppliers of civil aircraft based on reliability，maintainability and testability

由于民用飞机三类供应商主要是指标准件、原材料供应商，其中不涉及民用飞机系统的准则和指标，因此，民用飞机三类供应商的选择准则和指标主要如表2所示。

表2 基于可靠性、维修性和测试性的民用飞机三类供应商选择准则和评价指标Table 2 Selection criteria and evaluation indicators of the third class of civil aircraft suppliers based on reliability，maintainability and testability

（1）质量准则

大量研究表明，质量准则经常被列为供应商选择时的第一要素。质量准则可以参照以往供应商的产品合格率、产品性能、返修退货比率等。

（2）服务准则

供应商的服务质量会影响制造商对供应商的选择。在供应商选择过程中，主要从供应商以往工作中所体现的现场工作支持情况以及供应商所承诺的担保年限、试验支持等方面进行考虑。

（3）技术准则

供应商通常需要在项目研制初期就参与进来，因此其技术水平直接影响到产品的性能和飞机的整体性能。技术水平包括设计能力、生产能力、可靠性验证能力。

（4）体系准则

为确保供应商能够以合理高效的方式满足主制造商的要求，保证产品的质量和可靠度，应对供应商提出可靠性相关的体系要求，包括设计保证体系和质量认证体系等。

（5）可靠性准则

结合常用的可靠性参数和用户需求，主要考虑的产品可靠性指标有签派可靠度、航班可靠度、平均故障时间、平均非计划拆卸间隔时间、平均使用总寿命、机组报告故障率、失效率等。

（6）维修性准则

在选择过程中，主要考虑的维修性指标包括平均修复时间、航线可更换单元更换时间、每飞行小时维修工时等。

（7）测试性准则

可测试性能降低产品寿命周期费用，提前发现故障。测试性准则包括故障检测率、故障隔离率、虚警率、故障检测时间等。

由于三类供应商为原材料标准件供应商，出现问题时对产品直接进行更换，因此不需考虑维修性和测试性准则。

3 民用飞机供应商选择方法

供应商选择方法有定性方法［8］（如经验判断法、群决策法、协商选择法、招标采购法［9-10］等）、定量方法（如采购成本法［11］、ABC成本法、成本比率法、数据包络分析法、线性权重法、多目标数学规划法［12］等）、定性与定量相结合的方法（如层次分析法［13］、人工神经网络算法、模糊综合分析法［14］、遗传算法、TOPSIS方法［15-16］）。由于 民用飞机 供应商的选择受多种因素的影响，各因素之间的联系难以精确定量，因此单纯的定性或定量方法都难以做出合理准确的判断。层次分析法有机地结合了定性与定量因素，且计算简单易行，同时符合制造企业供应商选择评价体系的特点［17］，在航空领域受到了广泛应用及认可［18］，因此本文选用层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP）。

3.1 AHP概述

AHP对复杂决策问题进行清晰的层次分解，将决策相关因素分解形成目标、准则、指标和方案等若干层次，并按照一定规则对每一层所包含的要素建立判断矩阵，采用数学方法计算得出权重。通过计算每个层次要素对总体目标的组合权重，得出不同方案的权值，为选择最优供应商提供依据［19］。

3.2 AHP的基本流程

（1）构造递阶层次

先确定目标层，再根据问题复杂程度将目标层分解为若干要素并建立从上而下的层次结构模型，最终得出方案层对目标层的优劣次序。层次结构如图2所示。

图2 层次结构模型Fig.2 Hierarchical model

层次结构模型主要分为四个层次。

①目标层A：表示要解决的问题或要达到的目标。

②准则层B：表示为了达到总目标的因素，备选方案所涉及到的中间环节，即为供应商的产品质量、服务、技术等因素。

③指标层C：即准则层对应的子因素，如产品合格率等。

④方案层P：即所有供应商。

（2）成对比较

建立层次结构模型后，进行各层次之间各要素的相互比较，实现定性与定量分析。比较的结果转换成矩阵为式中：元素aij为Ai与Aj之间比较的相对重要性。

判断矩阵A中的元素满足如下关系：

（3）对比尺标

AHP一般使用1～9标度法，其每个数字及代表的含义如表3所示。

表3 层次分析法1～9标注Table 3 Annotation of AHP from 1 to 9

（4）计算各基准层指标权重方法

目前有三种常用的近似计算权重方法：和积法、方根法、幂法［20］。

（5）计算判断最大特征值

可利用Excel表格中MDETERM函数语句和规划求解功能对最大特征值进行求解。

（6）一致性与一致性检验

实际问题的复杂程度和对问题的认识深度可能导致判断矩阵中各要素之间的排序矛盾，从而影响矩阵的一致性。在AHP中，需要检验判断矩阵的一致性是否在可接受的范围内。

判断矩阵A的一致性指标（Consistence Index，简称CI）为

式中：λmax为判断矩阵的最大特征值。

由于判断矩阵的一致性随着标度不同而有所变化，基于此，萨迪教授引入了一致性比例（Con⁃sistence Ratio，简 称CR）［21］作为评价一致性 的 指标，即：

随机一致性指标（Random Consistency Index，简称RI）如表4所示。当所求得的ICR＜0.1，则判断矩阵通过一致性检验，否则需重新修正判断矩阵。

表4 平均随机一致性指标Table 4 Average random consistency index

4 案例分析

4.1 构建多层次选择模型

以民用飞机氧气系统供应商为例，进行基于可靠性、维修性和测试性的供应商选择。氧气系统属于一类供应商，有A、B两个备选供应商。由于不同系统产品对应的供应商选择指标不同，从表1中选择适合氧气系统供应商的选择准则及指标，建立层次分析模型如图3所示。

图3 基于可靠性、维修性和测试性的氧气系统供应商选择模型Fig.3 The supplier selection model of oxygen system based on reliability，maintainability and testability

4.2 构造判断矩阵

以质量准则为例，通过打分构造其指标层对准则层的判断矩阵，如表5所示。

表5 质量准则的判断矩阵表Table 5 Judgement matrix sheet of quality criteria

根据式（1）、式（2）构造判断矩阵为

4.3 指标权重计算及一致性检验

对 于 判 断 矩 阵A质量，最 大 特 征 值λmax为3.009 2，一致性比率0.008 9＜0.1，满足一致性要求。

对其他准则进行相同的计算，并将其最大特征值对应的特征向量归一化，即可获得各个指标层C对准则层B的权重，表示为wC-B。同理，计算出准则层B对目标层A的权重，表示为wB-A。指标层C对目标层A的权重为wC-A，且wC-A=wC-BwB-A。

氧气系统供应商选择准则和指标权重如表6所示。

表6 基于可靠性、维修性和测试性的氧气系统供应商选择准则和指标权重Table 6 Oxygen system supplier selection criteria and index weight based on reliability，maintainability testability

4.4 方案评估

依次对供应商A、B的20项指标评分，构造判断矩阵，并计算权重。以“产品合格率”指标为例，打分结果及方案层P对指标层C的权重wP-C如表7所示。

同理可得供应商A、B相对每一个指标的权重。方案层P对目标层A的组合权重为

由此，获得两个备选供应商方案分别对决策目标的排序权重，如表8所示，可以看出：在此案例中，供应商A的权重更高，表明在考虑可靠性、维修性和测试性的情况下最终选择A供应商。

表7 产品合格率打分及权重表Table 7 Product qualification rate scoring and weight

表8 方案层中要素对应决策目标的权重Table 8 The weights of the elements in the scheme layer to the decision objectives

5 结论

（1）本文以氧气系统供应商为例，得到了该系统备选供应商在方案层、准则层及指标层的权重，确定了最佳氧气系统供应商。

（2）本文提出的方法为民用飞机供应商的选择提供了不同选择视角，满足了现代民用飞机设计理念下对供应商选择的需求，具有一定的应用价值。