基于重要度的風(fēng)電機(jī)組備件分類策略研究

張 健， 趙開闊， 向 東*， 吳秀麗

（1.國(guó)能思達(dá)科技有限公司， 北京 100039； 2.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 北京 100083）

0 引言

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維成本占風(fēng)電總成本的12%～30%[1]。運(yùn)維所需物資受風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行位置、環(huán)境的影響，使其具有需求隨機(jī)性強(qiáng)、分布地區(qū)廣、型號(hào)類別多、運(yùn)輸保障困難等特點(diǎn)。因此為提高備件管理效率，降低風(fēng)電運(yùn)維成本，需要將屬性相同和相近的備件分類管理。 其中最早的單指標(biāo)分類法為Pareto 提出的以庫存價(jià)值為依據(jù)的ABC 分類法。由于備件管理的精細(xì)化的需要， 多指標(biāo)分類受到了更多的關(guān)注。KeYang 等[2]考慮了安全庫存、單價(jià)、年消耗、訂貨提前期、供應(yīng)商數(shù)量、關(guān)鍵性、監(jiān)測(cè)性等指標(biāo)對(duì)船舶備件的影響，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法（ANN）對(duì)備件分類。 Ramakrishnan[3]構(gòu)建加權(quán)線性模型，從總成本、單位成本、訂貨提前期等因素進(jìn)行備件分類。Molenaers 等[4]基于層次分析法，構(gòu)建備件評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)了備件分類。 除此之外，多指標(biāo)備件分類方法還包括K-means[5]、支持向量機(jī)（SVM）[6]、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析（EDA）[7]等。

相比之下，在多指標(biāo)分類方法中，層次分析法（AHP）分析全面， 易于確定指標(biāo)權(quán)重， 更適合多屬性問題的決策。 但AHP 方法應(yīng)用于大批量備件的分類工作中，確定備件綜合權(quán)重過程復(fù)雜。 因此，Katarzyna 等[8]提出了先使用加權(quán)線性方法分類再通過AHP 優(yōu)先級(jí)排序的兩級(jí)分類策略，以減少備件分類的工作任務(wù)。 蔡芝明等[9]基于AHP 完成層次指標(biāo)體系的構(gòu)建和指標(biāo)權(quán)重計(jì)算， 并通過線性加權(quán)計(jì)算備件重要度，提高了備件分類效率。

綜上所述，本文結(jié)合風(fēng)電機(jī)組備件管理特點(diǎn)，針對(duì)現(xiàn)有備件評(píng)價(jià)體系不夠全面的問題， 提出基于備件重要度的兩級(jí)多指標(biāo)分類方法。 該方法通過構(gòu)建層次評(píng)價(jià)與賦分指標(biāo)體系，選取定性、定量指標(biāo)，計(jì)算備件重要度，實(shí)現(xiàn)先篩選再分類的兩級(jí)備件分類任務(wù)。

1 備件評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及分類方法

1.1 風(fēng)電機(jī)組備件評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

風(fēng)電機(jī)組備件分類管理的核心是評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建。 指標(biāo)的選取關(guān)系到分類的合理性和管理策略的有效性。 依據(jù)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維企業(yè)備件管理模式，將備件采購(gòu)、調(diào)配、使用3 個(gè)方面作為分類準(zhǔn)則，依據(jù)企業(yè)現(xiàn)有的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)和歷史經(jīng)驗(yàn)選取備件分類指標(biāo)， 建立如圖1 所示備件評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

圖1 風(fēng)電機(jī)組備件評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

指標(biāo)體系中，采購(gòu)指標(biāo)B1、B2、B3、B4、B6、B7、B8、B9、B10、B12、B17 為有直接數(shù)據(jù)支撐的定量指標(biāo)，通過定量指標(biāo)完成第一級(jí)備件篩選工作。 指標(biāo)B5、B11、B13、B14、B15、B16 沒有直接數(shù)據(jù)支撐， 或數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)相對(duì)困難， 通過運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)評(píng)定，為定性指標(biāo)。結(jié)合定性指標(biāo)與定量指標(biāo)完成第二級(jí)備件分類工作。通過第一級(jí)備件篩選和第二級(jí)備件分類，構(gòu)建兩級(jí)備件分類方法。

1.2 風(fēng)電機(jī)組備件分類方法

備件重要度的風(fēng)電機(jī)組備件兩級(jí)分類方法， 如圖2所示。 首先由圖1 備件評(píng)價(jià)體系，選取定量指標(biāo)，計(jì)算備件重要度，并以此為篩選依據(jù)，確定重要備件；然后針對(duì)重要備件結(jié)合定量+定性指標(biāo)， 完成重要備件的重要度計(jì)算與分類。

圖2 風(fēng)電機(jī)組備件分類流程

最后根據(jù)備件類別特點(diǎn)， 提出相應(yīng)備件管理策略。 備件重要度作為篩選與分類的依據(jù)， 其計(jì)算方法關(guān)系到篩選與分類的準(zhǔn)確性。

2 重要度計(jì)算方法

備件重要度的計(jì)算流程：一方面，根據(jù)備件評(píng)價(jià)指標(biāo)建立判斷矩陣，計(jì)算權(quán)重，并檢驗(yàn)矩陣一致性，對(duì)不符合一致性的判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整， 得出各指標(biāo)對(duì)風(fēng)電機(jī)組備件管理的影響權(quán)重。另一方面對(duì)備件指標(biāo)預(yù)賦分，并進(jìn)行指標(biāo)賦分均值判斷，對(duì)不滿足要求的指標(biāo)進(jìn)行賦分調(diào)整，得到備件賦分。最后確定備件重要度，以支撐備件篩選或分類。

2.1 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

2.1.1 建立判斷矩陣計(jì)算權(quán)重

根據(jù)所選取的備件評(píng)價(jià)指標(biāo)， 基于層次分析法中成對(duì)比較法，根據(jù)AHP 的評(píng)價(jià)尺度比較表建立判斷矩陣設(shè)A=（aij）nn，計(jì)算矩陣權(quán)重向量ωi。

式中：（aij）nn（i，j=1，2，…，n）表示兩個(gè)指標(biāo)?i和?j之間相對(duì)重要性。

2.1.2 一致性檢驗(yàn)

由于客觀事物的復(fù)雜性和主觀判斷的多樣性， 導(dǎo)致評(píng)價(jià)者判斷的不一致， 因此需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。 一致性檢驗(yàn)包括式（1）所示的一致性指標(biāo)（Consistence Index，C.I）和式（2）所示的一致性比例（Consistence Ratio，C.R）：

式中：λmax—最大特征根；n—矩陣的階數(shù)。

式中：R.I——隨機(jī)一致性指標(biāo)（Random Consistence Index），其取值見表1。

表1 隨機(jī)一致性指標(biāo)

當(dāng)C.R〈0.1 時(shí)， 判斷矩陣符合一致性要求， 當(dāng)C.R〉0.1 時(shí)，判斷矩陣一致性不滿足要求，需要調(diào)整。

2.2 備件指標(biāo)賦分

根據(jù)定性或定量指標(biāo)特點(diǎn)制定指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)。 定性指標(biāo)依據(jù)管理經(jīng)驗(yàn)直接賦分。 定量指標(biāo)的分值可通過指標(biāo)值與賦分之間的函數(shù)關(guān)系確定。

2.2.1 定量指標(biāo)賦分

根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)分為三類： 第一類指標(biāo)， 如訂貨提前期，其數(shù)據(jù)分布范圍小，直接制定賦分標(biāo)準(zhǔn)。第二類指標(biāo)，如出庫頻次，其分布范圍廣，需要?dú)w一化處理。 第三類指標(biāo)，如備件需求偶然性、備件地區(qū)分布集中性等，沒有直接數(shù)據(jù)，需要先計(jì)算指標(biāo)的評(píng)價(jià)依據(jù)，再進(jìn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)歸一化處理。第一類指標(biāo)賦分簡(jiǎn)單不再贅述。下面為第三類指標(biāo)評(píng)價(jià)依據(jù)計(jì)算流程和二、三類指標(biāo)值賦分流程。

（1）指標(biāo)評(píng)價(jià)依據(jù)計(jì)算。 出庫偶然性：由于出庫業(yè)務(wù)之間存在差異，各備件出庫業(yè)務(wù)比例也存在差異，為體現(xiàn)這兩種差異對(duì)備件出庫偶然性的影響， 通過無量綱系數(shù)OjB6評(píng)估，如式（3）所示。

式中：ωOi—業(yè)務(wù)i 的出庫偶然性權(quán)重， 通過建立定檢、出質(zhì)保、調(diào)試和維修業(yè)務(wù)出庫偶然性判斷矩陣計(jì)算，如表2所示；Rji—備件j 在i 業(yè)務(wù)出庫數(shù)量占總出庫數(shù)量的比例。

表2 業(yè)務(wù)出庫偶然性比較

地區(qū)集中性：由于風(fēng)場(chǎng)環(huán)境、服役年限不同，導(dǎo)致備件需求集中于特定風(fēng)場(chǎng)。 因此選擇出庫數(shù)量占前3 的風(fēng)場(chǎng)需求量與總需求量的比值OjB10來反應(yīng)地區(qū)集中性，如式（4）所示。

式中：yjfirst、 yjsecond、 yjthird—備件j 出庫數(shù)量排名第1、 第2、第3 風(fēng)場(chǎng)的出庫數(shù)量；Tj—備件j 總出庫量。

（2）指標(biāo)數(shù)據(jù)歸一化。對(duì)于第二、三類定量指標(biāo)，為了突出備件之間的差異性， 采用多級(jí)Min-Max 歸一化方法。 對(duì)于出庫頻次、出庫標(biāo)準(zhǔn)差等指標(biāo)，由于其最大值與最小值比值過大，應(yīng)先采取對(duì)數(shù)、取平方根等數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的操作，再帶入分段函數(shù)進(jìn)行賦分。 指標(biāo)值x 與賦分之間的函數(shù)關(guān)系如公式（5）所示。 圖3 為分段函數(shù)示意圖。

圖3 分段函數(shù)示意圖

式中，F(xiàn)1、F2、F3、F4、F5、F6——不同區(qū)間的指標(biāo)分值，x—指標(biāo)值；fmin、fmax—指標(biāo)數(shù)據(jù)最小值、 最大值，a、b、c、d、e—分段函數(shù)分段點(diǎn)。

分段點(diǎn)的設(shè)定，關(guān)系到分段函數(shù)能否合理反應(yīng)出備件之間的差異性， 其設(shè)定和備件種類數(shù)量與指標(biāo)值x 的分布有關(guān)。

（3）分段點(diǎn)設(shè)定。 分段點(diǎn)的設(shè)定步驟如下：

步驟1 將所有備件按各指標(biāo)值分別排序， 根據(jù)備件種類數(shù)量與指標(biāo)值x 分布設(shè)定， 第k 個(gè)指標(biāo)分段點(diǎn)ak、bk1、ck1、dk1、ek， 確定各指標(biāo)賦分區(qū)間[1，2]、（2，3]、（3，4]、（4，5]占比αk、βk、γk、δk。

步驟2 由于指標(biāo)之間賦分占比、分布不同，導(dǎo)致指標(biāo)賦分均值存在巨大差異，導(dǎo)致設(shè)計(jì)權(quán)重（判斷矩陣所得權(quán)重） 與實(shí)際權(quán)重不一致。 為縮小指標(biāo)之間整體賦分的差異，將各指標(biāo)賦分區(qū)間占比統(tǒng)一為α、β、γ、δ，根據(jù)此占比，調(diào)整各指標(biāo)分段點(diǎn)bk1、ck1、dk1得到新分段點(diǎn)bk2、ck2、dk2，并對(duì)備件指標(biāo)預(yù)賦分，計(jì)算各指標(biāo)賦分均值。

步驟3 為進(jìn)一步減少權(quán)重偏差， 對(duì)分段點(diǎn)bk2、ck2、dk2進(jìn)行調(diào)整， 通過將各指標(biāo)賦分均值調(diào)整在區(qū)間（G1，G2）內(nèi)，以減少自然權(quán)重的影響。 G1，G2由各指標(biāo)賦分均值的分布決定，并通過公式（6）驗(yàn)證其區(qū)間設(shè)定的合理性。

式中：MΚ—第k 個(gè)指標(biāo)的賦分均值；M'—定量指標(biāo)均值的平均值。 通過θΚ反應(yīng)實(shí)際權(quán)重與設(shè)計(jì)權(quán)重的偏差， 當(dāng)偏差在允許范圍內(nèi)，則區(qū)間設(shè)定合理。 具體調(diào)整流程如圖4 所示，其中△kbt為調(diào)整迭代步長(zhǎng)，根據(jù)指標(biāo)和分段點(diǎn)區(qū)間設(shè)定。

圖4 賦分區(qū)間調(diào)整流程圖

2.2.2 定性指標(biāo)賦分修正

對(duì)于定性指標(biāo)對(duì)賦分結(jié)果乘修正系數(shù)Qk，使指標(biāo)賦分均值在與定量指標(biāo)賦分均值的平均值相等，以達(dá)到修正目的。 修正系數(shù)Qk如式（7）所示：

表3 備件評(píng)價(jià)體系指標(biāo)定義及賦分準(zhǔn)則

2.3 重要度計(jì)算

重要度是備件分類的依據(jù)，計(jì)算方法如下：根據(jù)2.1指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果和2.2 指標(biāo)賦分結(jié)果，計(jì)算備件重要度I 如式（8）所示。

式中：ωk—第k 個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；Vjk（Bk）—備件j 的第k 個(gè)指標(biāo)的分值；w—評(píng)價(jià)指標(biāo)總數(shù)量。

3 實(shí)例分析

3.1 數(shù)據(jù)來源

實(shí)例分析的數(shù)據(jù)主要來源于2021—2022 年度的風(fēng)電運(yùn)維企業(yè)所服務(wù)的上百個(gè)風(fēng)場(chǎng)的出入庫數(shù)據(jù)和風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)故障維修日志。 其中定性指標(biāo)的評(píng)價(jià)來源于企業(yè)運(yùn)營(yíng)人員的工作經(jīng)驗(yàn)和實(shí)地考察。

3.2 判斷矩陣

根據(jù)2.2.1 建立判斷矩陣， 通過打分得到備件采購(gòu)、調(diào)配、使用3 項(xiàng)準(zhǔn)則權(quán)重（C.R=0.018），及采購(gòu)（C.R=0.03）調(diào)配（C.R=0.06）使用（C.R=0.063）下各指標(biāo)權(quán)重，主要指標(biāo)權(quán)重權(quán)重見表4。

表4 備件評(píng)價(jià)體系指標(biāo)定義及賦分準(zhǔn)則

3.3 備件指標(biāo)賦分

實(shí)例研究中，研究對(duì)象為隨機(jī)篩選的36 個(gè)備件。 根據(jù)各指標(biāo)備件種類數(shù)量分布，確定各指標(biāo)的ak、bk1、ck1、dk1、ek分段點(diǎn)。 綜合各指標(biāo)賦分區(qū)間占比， 確定一致占比比例， 賦分[1，2] 區(qū)間內(nèi)備件種類數(shù)量占總備件種類數(shù)的33%，（2，3]占28%、（3，4]占25%、（4，5]占14%，據(jù)此調(diào)整各指標(biāo)分段點(diǎn)并預(yù)賦分。計(jì)算各指標(biāo)的賦分均值，根據(jù)均值分布，設(shè)定指標(biāo)賦分均值區(qū)間（2.65，2.78）。 通過檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際權(quán)重與設(shè)計(jì)權(quán)重偏差在3%，可以忽略不計(jì)。具體賦分準(zhǔn)則見表3。

3.4 分類結(jié)果

根據(jù)指標(biāo)賦分和指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算備件重要度，將備件分為重點(diǎn)管理、特征突出、一般3 個(gè)大類，以區(qū)分備件重要性。 基于ABC 分類結(jié)果，依據(jù)采購(gòu)、調(diào)配、使用準(zhǔn)則重要度將備件劃為27 小類進(jìn)行管理，以針對(duì)備件特性開展相應(yīng)管理策略。 案例分類結(jié)果如表5 所示。

表5 分類結(jié)果

3.5 分類結(jié)果分析

分類結(jié)果分析如下：A 類占1/12， 為重點(diǎn)管理備件，需要重點(diǎn)分析。B 類備件占1/3，該類別單準(zhǔn)則問題較為突出，庫存成本與停機(jī)成本之間矛盾較A 類備件緩和。 備件主要以調(diào)節(jié)庫存周期、庫房位置、服務(wù)水平進(jìn)行管理。 C 類占7/12，為一般備件，該類備件使用頻次低，或時(shí)效要求不高，一般不首先考慮風(fēng)場(chǎng)庫備件，根據(jù)其業(yè)務(wù)需求進(jìn)行地區(qū)庫或中心庫存儲(chǔ)，以減少不必要的備件存儲(chǔ)成本。 選取部分備件進(jìn)行分類分析，賦分結(jié)果圖見圖5，具體分析見表6。

表6 備件分類結(jié)果分析

圖5 備件賦分結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對(duì)風(fēng)電機(jī)組備件管理困難， 提出基于備件重要度的兩級(jí)多指標(biāo)分類方法， 提高了風(fēng)電機(jī)組備件管理效率， 降低了由于備件管理不完善所導(dǎo)致的備件和停機(jī)成本，主要進(jìn)行了以下3 項(xiàng)工作：

（1）基于對(duì)風(fēng)電運(yùn)維企業(yè)業(yè)務(wù)調(diào)研和數(shù)據(jù)發(fā)掘，細(xì)化風(fēng)電機(jī)組備件分類體系，減少評(píng)價(jià)的不確定性；使用多級(jí)函數(shù)將指標(biāo)數(shù)據(jù)映射到賦分區(qū)間，突出備件之間差異，以提高分類準(zhǔn)確性。

（2）依據(jù)備件重要度，將風(fēng)電機(jī)組備件分為重點(diǎn)管理、突出特征、一般3 大類以及27 小類，提高備件分類的透明性和可分析性。

（3）提出先定量篩選，再定量+定性分類管理的兩級(jí)分類策略，減少備件分類工作任務(wù)。