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一種基于邊際分析法的可修復(fù)備件最優(yōu)庫存
論文摘要:分析了可用度和短缺數(shù)效能指標(biāo)之間的關(guān)系,用短缺數(shù)代替可用度求最優(yōu)庫存。以備件保障經(jīng)費(fèi)為約束條件、短缺數(shù)最大為目標(biāo)函數(shù),建立了單基地最優(yōu)庫存模型。用邊際分析法求解,并將庫存模型應(yīng)用于實(shí)例,計(jì)算工具是Matlab。進(jìn)行了數(shù)值實(shí)驗(yàn)和理論分析,結(jié)果證明該模型的優(yōu)化效果和實(shí)用性很好。
論文關(guān)鍵詞:最優(yōu)庫存,邊際分析,效能指標(biāo),可用度,短缺數(shù)
  引言
  傳統(tǒng)的庫存論使用單項(xiàng)方法,它計(jì)算確定某項(xiàng)備件數(shù)量的方法是在此項(xiàng)備件庫存的保管費(fèi)、訂貨費(fèi)和缺貨費(fèi)三項(xiàng)成本之間進(jìn)行權(quán)衡,只對要購置的庫存?zhèn)浼䲠?shù)量進(jìn)行決策,而無須考慮其他備件情況,因此比較簡便易行。其缺點(diǎn)是,在決策中無法控制構(gòu)成裝備的備件總投資費(fèi)用和裝備系統(tǒng)的可用度,因而就有可能存在一些不合理現(xiàn)象,例如,單項(xiàng)備件決策可能導(dǎo)致一個(gè)基地機(jī)群的總可用度太低或者備件保障預(yù)算成本超過現(xiàn)有經(jīng)費(fèi)總量。
  如果用系統(tǒng)方法解決,以上問題就不會(huì)存在。系統(tǒng)方法是從裝備一級研究大量備件的儲(chǔ)備,目的是使整個(gè)裝備系統(tǒng)的可用度最大,而不是單個(gè)備件的可用度最大;同時(shí),盡量較少保障費(fèi)用。因此,系統(tǒng)方法可以逐步確定裝備系統(tǒng)的大量備件的儲(chǔ)備對策方案,既能夠滿足裝備的可用度要求,又不突破預(yù)算經(jīng)費(fèi)限額。
  裝備備件分為可修復(fù)備件和不可修復(fù)備件兩大類,其中,可修復(fù)備件費(fèi)用在裝備全壽命周期費(fèi)用中占有很大的比例,而且其決策比較復(fù)雜,所以下面就主要研究單個(gè)基地的可修復(fù)備件最優(yōu)庫存決策。
  1庫存平衡公式
  研究備件庫存的目的是獲得各項(xiàng)備件的最優(yōu)庫存量,也就是確定庫存量的大小。這里假設(shè)單個(gè)基地的一項(xiàng)備件的故障件可以在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行修理,并通過均值為T的概率分布予以表述;同時(shí),假設(shè)該基地總是能修理該備件,不存在報(bào)廢處理問題,則有庫存平衡公式
  
  其中,s為庫存量,OH為基地現(xiàn)有庫存數(shù),DI為來自修理機(jī)構(gòu)和補(bǔ)給部門的基地待收庫存數(shù),即基地的在修件數(shù),BO為備件短缺數(shù)。
  由于基地的可修件往往價(jià)格高、需求低,所以針對備件批量送修而確定的經(jīng)濟(jì)訂貨量Q等于1。因此,送修一般是一對一的進(jìn)行,再次訂貨點(diǎn)(或稱發(fā)出一項(xiàng)備件送修時(shí)的備件狀況)就是s-1。在這種情況下,庫存量s是一個(gè)常數(shù)。這些隨機(jī)變量中有一個(gè)發(fā)生變化,其他變量都同時(shí)發(fā)生變化。例如,當(dāng)發(fā)生一次需求時(shí),來自修理機(jī)構(gòu)的基地待收件數(shù)就增加一件;此時(shí),若現(xiàn)有庫存數(shù)為正整數(shù),它就減少一件,否則,備件短缺數(shù)就增加一件。當(dāng)一次修理完成后,DI減少一件,短缺數(shù)減少一件,或者是無短缺時(shí)現(xiàn)有庫存增加一件。不管哪種情況,等式(1)都保持平衡。
  庫存平衡公式是分析在修件數(shù)、短缺數(shù)、庫存量的基本依據(jù),因此是建立庫存模型的關(guān)鍵,所以在此予以詳細(xì)說明。
  2效能指標(biāo)分析
  根據(jù)系統(tǒng)方法,確定備件最優(yōu)庫存就是在有限的經(jīng)費(fèi)下使裝備的可用度最大。為了衡量不同的工作,裝備的可用度又可分為固有可用度、維修可用度、使用可用度和供應(yīng)可用度,其中只有供應(yīng)可用度A與維修對策無關(guān),僅與庫存對策有關(guān),其定義為
  
  其中,MTBM是平均故障間隔時(shí)間,MSD是備件供應(yīng)平均延誤時(shí)間。
  因此,選擇供應(yīng)可用度最大作為模型的目標(biāo)。供應(yīng)可用度是一種裝備效能指標(biāo),表示機(jī)群中未因任何備件短缺而停飛的飛機(jī)架數(shù)所占百分比的期望值,其模型由以下乘積構(gòu)成
  
  其中,I為備件項(xiàng)數(shù),Z為第i項(xiàng)外場可更換件(以下模型所涉及的備件均指外場更換件)的單機(jī)安裝數(shù),N是機(jī)群的飛機(jī)架數(shù),EBO(s)為第i項(xiàng)外場可更換件的短缺數(shù)。
  短缺數(shù)是一種備件保障效能指標(biāo),它是指某一時(shí)間為滿足供應(yīng)的任一項(xiàng)備件需求數(shù),即只要有不能滿足的一次需求,就確定為發(fā)生一件短缺,其時(shí)間持續(xù)到有一件補(bǔ)給品或者故障件修復(fù)為止。短缺數(shù)的模型為
  
  其中,Pr{}為備件在修件數(shù)的穩(wěn)態(tài)概率分布。根據(jù)帕爾姆定理,假設(shè)任意一項(xiàng)備件的需求服從年平均需求量為m的泊松過程,且每一故障件的修理時(shí)間相互獨(dú)立,并服從年度平均修理時(shí)間為T年的同一分布,則在修件數(shù)的穩(wěn)態(tài)概率分布服從均值為mT的泊松分布,即
  
  3最優(yōu)庫存模型
  假設(shè)飛機(jī)所有備件發(fā)生故障的次數(shù)相互獨(dú)立,且不存在串件修理的問題,則對式(3)取對數(shù),有
  
  備件短缺函數(shù)EBO(s)為凸函數(shù),而式(6)表明可用度對數(shù)是備件短缺數(shù)的一個(gè)可分離相加的函數(shù),而凸函數(shù)的和還是凸函數(shù),所以可用度對數(shù)也是凸函數(shù);另外,可用度A與其對數(shù)是在同一點(diǎn)達(dá)到最大值。因此,求可用度對數(shù)表達(dá)式(6)的最大值與求可用度本身最大值的效果相同,同時(shí),式(6)也表明,這一最大化計(jì)算方法是通過尋求備件短缺數(shù)之和的最小值來實(shí)現(xiàn)的。
  綜上所述,下面就采用各項(xiàng)備件的短缺數(shù)之和最小作為單個(gè)基地的可修復(fù)備件最優(yōu)庫存模型的目標(biāo)函數(shù),其約束條件是不同儲(chǔ)備下各項(xiàng)備件的總價(jià)值不大于裝備保障的總費(fèi)用,則其模型為
  
  其中,c為第i項(xiàng)備件的單價(jià),C為裝備系統(tǒng)各項(xiàng)備件的保障總費(fèi)用。
  4模型求解
  備件短缺函數(shù)為凸函數(shù),使得用邊際分析法求解能夠獲得最優(yōu)解。在最優(yōu)庫存模型中,短缺數(shù)是投入一定經(jīng)費(fèi)所產(chǎn)生的效能,因此,第i項(xiàng)備件的邊際效能為
  
  上式表示,當(dāng)選定任一項(xiàng)備件作為庫存、并追加一件時(shí)所獲得的每單位費(fèi)用裝備效能的增量,即所謂“單位費(fèi)用效應(yīng)”。
  下面將問題按備件庫存量(假定庫存量為整數(shù)值)分為k個(gè)階段,即k=1,2,3,……,K,其中K各項(xiàng)備件的總庫存量。
  設(shè)x為第k階段各項(xiàng)備件的庫存數(shù),x為第k階段第i項(xiàng)備件庫存數(shù),則
  
  那么,K滿足約束條件
  
  設(shè)u為第k階段各項(xiàng)備件庫存增量,且u={u,u,……,u},其中
  
  上式表示第k階段第l項(xiàng)備件庫存數(shù)增加1件,則狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為
  
  設(shè)r為第k階段第l項(xiàng)備件的邊際效能,△為每個(gè)階段參與比較的第i項(xiàng)備件的邊際效能,則
  
  令f(x)表示第k階段各項(xiàng)備件的短缺數(shù)之和,則最優(yōu)遞推方程為
  
  此時(shí),
  
  求解式(14)的關(guān)鍵是確定各階段的邊際效能r,方法是:在每個(gè)階段依次將各備件的邊際效能△進(jìn)行比較,其值最大的備件即為第l項(xiàng)備件,該備件的邊際效能即為r,這一階段就選擇該備件作為庫存——其庫存增加1件;用該備件庫存再增加1件時(shí)產(chǎn)生的邊際效能參與下一階段的比較,參與比較的其他備件的邊際效能不變。
  5算例
  某基地庫存總保障經(jīng)費(fèi)為40萬元,其備件庫存的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。
  表1某基地備件庫存情況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)
  

項(xiàng)號(i)

年平均需求(m)

平均修理時(shí)間(T)

供應(yīng)渠道平均數(shù)(mT)

單價(jià)(10000)

1

10

0.1

1

5

2

50

0.08

4

1

3

5

0.2

1

8

首先,根據(jù)式(4)、(5)求出各項(xiàng)備件不同庫存量的短缺數(shù),再根據(jù)式(8)求出各備件的邊際效能。令總庫存量s=0,1,2,……,14(s的取值要使各項(xiàng)備件的短缺數(shù)均達(dá)到極小或0,以滿足用邊際分析法計(jì)算的需要),則各項(xiàng)備件的短缺數(shù)和邊際效能如表2所示。
  表2某基地各項(xiàng)備件的短缺數(shù)和邊際效能
  

總庫存量(s)

EBO

(s )

EBO

(s )

EBO (s )

0

1

4

1

1

0.3679

0.1264

3.0183

0.9817

0.3679

0.0790

2

0.1036

0.0528

2.1099

0.9084

0.1036

0.0330

3

0.0233

0.0161

1.3480

0.7619

0.0233

0.0100

4

0.0043

0.0038

0.7815

0.5665

0.0043

0.0024

5

0.0007

0.0007

0.4103

0.3712

0.0007

0.0005

6

0.0001

0.0001

0.1954

0.2149

0.0001

0.0001

7

0.0000

0.0000

0.0848

0.1107

0.0000

0.0000

8

0.0000

0.0000

0.0336

0.0511

0.0000

0.0000

9

0.0000

0.0000

0.0123

0.0214

0.0000

0.0000

10

0.0000

0.0000

0.0041

0.0081

0.0000

0.0000

11

0.0000

0.0000

0.0013

0.0028

0.0000

0.0000

12

0.0000

0.0000

0.0004

0.0009

0.0000

0.0000

13

0.0000

0.0000

0.0001

0.0003

0.0000

0.0000

14

0.0000

0.0000

0.0000

0.0001

0.0000

0.0000

然后,根據(jù)式(7)以及(9)~(15),用Matlab編寫計(jì)算程序,并求出各項(xiàng)備件的最優(yōu)庫存和總短缺數(shù)。計(jì)算結(jié)果:最優(yōu)庫存為(3,9,2),總短缺數(shù)為0.1392。
  最后,根據(jù)式(3)計(jì)算供應(yīng)可用度。已知該基地機(jī)群飛機(jī)架數(shù)為24,為同一種機(jī)型,各項(xiàng)備件的單機(jī)安裝數(shù)為(1,2,1),則其供應(yīng)可用度為99.42%。
  6結(jié)論
  (1)以上是從裝備系統(tǒng)的效能出發(fā)考慮其備件庫存,不僅為決策層(即裝備主管)要達(dá)成的裝備可用度標(biāo)準(zhǔn)提供了保證,而且使可用度所需的費(fèi)用最。ㄈ绻瞧渌麕齑媾涮追桨福_(dá)到同樣的可用度都會(huì)使費(fèi)用增加)。
  (2)用邊際分析法編寫的算法便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),而且邊際分析法不僅可以求出某些給定經(jīng)費(fèi)下的最優(yōu)庫存,還可以得到中間過程中不同經(jīng)費(fèi)下的庫存儲(chǔ)備方案(如表3所示),這對庫存決策具有良好的參考價(jià)值。
  表3某基地各項(xiàng)備件不同費(fèi)用下的庫存量與短缺數(shù)
  

總庫存量(s)

庫存量(s )

庫存量(s )

庫存量(s )

總短缺數(shù)(z)

總費(fèi)用

1

0

1

0

5.0183

1

2

0

2

0

4.1099

2

3

0

3

0

3.3480

3

4

0

4

0

2.7815

4

5

0

5

0

2.4103

5

6

0

6

0

2.1954

6

7

1

6

0

1.5633

11

8

1

7

0

1.4526

12

9

1

7

1

0.8205

20

10

2

7

1

0.5563

25

11

2

8

1

0.5051

26

12

2

8

2

0.2409

34

13

2

9

2

0.2195

35

14

3

9

2

0.1392

40

邊際分析法的不足之處是它不能夠求出所有整數(shù)費(fèi)用值下的最優(yōu)解,其迭代過程中每一步的步長由備件單價(jià)決定。但是,對備件保障人員來說,要保障的備件成千上萬,使用邊際分析法足以得出全部有實(shí)用價(jià)值的解,求出針對所有整數(shù)費(fèi)用值的解完全沒有必要。
  實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該模型及其算法對實(shí)際應(yīng)用具有很好的指導(dǎo)性意義。
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