裝備器材消耗預(yù)測研究綜述

李東京，秦智勇，王 兵，薛 馳

（1.陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100071；2.陸軍裝備部，北京 100071）

0 引言

裝備器材（簡稱器材）是用于裝備維修所需的各種備件和原材料的總稱，是實(shí)施裝備維修的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。裝備器材消耗預(yù)測，是根據(jù)裝備器材故障規(guī)律、器材特性以及各單位動(dòng)用計(jì)劃、維修能力和使用環(huán)境等，結(jié)合歷史消耗數(shù)據(jù)綜合分析，運(yùn)用各種預(yù)測方法，對(duì)各單位下一階段的器材消耗種類和數(shù)量進(jìn)行推斷的過程。掌握器材消耗規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)器材消耗的精準(zhǔn)預(yù)測，對(duì)解決部隊(duì)當(dāng)前存在的器材庫存“超欠儲(chǔ)”問題[1]，提高器材保障能力具有重要意義。

諸多學(xué)者對(duì)裝備器材消耗預(yù)測方法進(jìn)行了研究。王宏焰，等[2]從全壽命角度出發(fā)，將裝備器材分為研制和使用兩個(gè)階段，對(duì)消耗預(yù)測方法進(jìn)行了研究；Bacchetti，等[3]對(duì)備件進(jìn)行分類后將消耗預(yù)測方法分為傳統(tǒng)的基于時(shí)間序列及其改進(jìn)方法、Cronston及其改進(jìn)方法、Bootstrap 方法、需求聚類/分類分析方法、可靠性分析方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及貝葉斯方法等；黃照協(xié)，等[4]根據(jù)器材消耗規(guī)律將器材消耗類型分為連續(xù)型和間斷型兩種，對(duì)器材消耗預(yù)測方法進(jìn)行研究，具有一定參考意義。

上述研究基于不同角度，對(duì)器材的消耗預(yù)測方法進(jìn)行了分類梳理，但并未對(duì)器材消耗預(yù)測的全過程進(jìn)行系統(tǒng)分析和總結(jié)。本文引入流程管理理念，將器材消耗預(yù)測流程分為明確器材類型、收集分析數(shù)據(jù)和信息、預(yù)測方法選擇與建模、模型求解、分析評(píng)估預(yù)測結(jié)果和應(yīng)用6個(gè)階段，系統(tǒng)分析和總結(jié)器材消耗預(yù)測的相關(guān)文獻(xiàn)，為裝備器材進(jìn)行合理籌措、供應(yīng)和儲(chǔ)備工作提供參考。

1 器材消耗預(yù)測流程管理概述

流程管理是一種以規(guī)范化構(gòu)造端到端的卓越業(yè)務(wù)流程為中心，以持續(xù)提高組織業(yè)務(wù)績效為目的的系統(tǒng)化方法[5]。流程管理聚焦業(yè)務(wù)重要流程，便于發(fā)現(xiàn)每個(gè)流程的價(jià)值與各個(gè)環(huán)節(jié)的問題，有利于管理者提高業(yè)務(wù)效率和認(rèn)清下一步工作重點(diǎn)和方向，在企業(yè)管理中得到廣泛應(yīng)用。本文梳理器材消耗預(yù)測流程，旨在對(duì)器材消耗預(yù)測方法的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)梳理和總結(jié)，找出當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和薄弱環(huán)節(jié)。

2 器材消耗預(yù)測全過程

通過梳理分析和總結(jié)，本文將器材消耗預(yù)測流程分為6個(gè)階段，如圖1所示。

圖1 器材消耗預(yù)測流程

2.1 明確器材類型

明確器材類型是進(jìn)行裝備器材消耗預(yù)測的前提。器材種類多種多樣，只有明確器材類型，充分了解器材特性和影響器材消耗的因素，才能實(shí)現(xiàn)器材消耗的精準(zhǔn)預(yù)測。

首先是對(duì)器材進(jìn)行分類。當(dāng)前，ABC分類法[6]應(yīng)用最為廣泛，其根據(jù)庫存器材的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)將器材分為重要、一般和不重要三個(gè)等級(jí)，反映了器材的重要性程度，但由于成本分配不合理、評(píng)價(jià)維度單一等因素限制了其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值；文獻(xiàn)[7][8]考慮多個(gè)影響因素對(duì)ABC 分類法進(jìn)行了一定優(yōu)化；楊學(xué)強(qiáng)，等[9]從裝甲器材價(jià)值和供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)維度提出了基于Kraljic 模型的裝甲器材分類方法，將裝甲器材分為關(guān)鍵器材、重要器材、一般器材和稀缺器材；吳龍濤，等[10]根據(jù)器材的消耗特點(diǎn)，采用灰色聚類算法對(duì)器材進(jìn)行了分類，具有一定參考意義。

其次根據(jù)器材分類明確預(yù)測器材的種類。楊帆，等[11]根據(jù)裝備器材的可靠性，將器材分為指數(shù)型器材、威布爾型器材和正態(tài)分布型器材，并據(jù)此對(duì)威布爾型器材進(jìn)行了需求預(yù)測研究；吳雯雯，等[12]在王縱虎[13]和Nguyen，等[14]研究的基礎(chǔ)上，提出了蒙特卡洛K-means 聚類算法，利用器材的消耗波動(dòng)性對(duì)艦船器材進(jìn)行分類，并對(duì)艦船器材的消耗預(yù)測問題進(jìn)行了研究。

2.2 收集分析數(shù)據(jù)和信息

收集分析數(shù)據(jù)和信息是在明確器材類型后，對(duì)器材的歷史消耗數(shù)據(jù)、使用環(huán)境、使用強(qiáng)度以及使用者水平等有關(guān)影響器材消耗的因素信息進(jìn)行收集、分析和處理。針對(duì)具有大樣本數(shù)據(jù)的器材，楊帆，等[11,15,16]通過分析部隊(duì)執(zhí)行演習(xí)、閱兵等任務(wù)的器材消耗數(shù)據(jù)，提出了基于任務(wù)的器材需求預(yù)測模型；沐愛勤，等[17]結(jié)合器材歷史消耗數(shù)據(jù)，運(yùn)用Monte Carlo仿真的方法對(duì)高原環(huán)境下航空器材的消耗預(yù)測進(jìn)行了研究。而針對(duì)裝備初始列裝階段沒有歷史消耗數(shù)據(jù)的小樣本數(shù)據(jù)器材，主要通過相似器材的相關(guān)數(shù)據(jù)確定器材故障分布、可靠性參數(shù)等，采用模型計(jì)算法、相似產(chǎn)品法進(jìn)行消耗預(yù)測。Kurt，等[18]基于馬爾科夫過程理論對(duì)初始備件的確定進(jìn)行了研究；董驍雄，等[19]利用粗糙集方法，建立了不完備信息的初始器材品種確定模型。

2.3 預(yù)測方法選擇與建模

通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析和總結(jié)，選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)測方法進(jìn)行建模是整個(gè)流程的關(guān)鍵。當(dāng)前器材消耗預(yù)測方法主要包括定性預(yù)測法、定量預(yù)測法和組合預(yù)測法。

2.3.1 定性預(yù)測法。定性預(yù)測方法[20]是以預(yù)測者的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，判斷發(fā)展趨勢(shì)、探討發(fā)展變化規(guī)律的方法。它適用于缺乏數(shù)據(jù)資料的情況下對(duì)事物的預(yù)測，優(yōu)點(diǎn)是方法簡便、靈活。實(shí)踐中，有時(shí)即使有充足的數(shù)量資料，也采用定性預(yù)測方法，其原因是把定性預(yù)測的結(jié)論與定量預(yù)測的結(jié)果相比較可以提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。常用的定性預(yù)測技術(shù)包括德爾菲法、主觀概論法和交叉概論法。古平，等[21]采用相似產(chǎn)品法對(duì)典型器材消耗進(jìn)行了預(yù)測；賈銳，等[22]提出了基于案例的新型艦船器材需求預(yù)測模型。

2.3.2 定量預(yù)測法。定量預(yù)測法是利用已掌握的比較完備的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或因素變量來預(yù)測消耗的方法。主要包括基于時(shí)間序列的預(yù)測方法和基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的預(yù)測方法。

時(shí)間序列預(yù)測法[23]是依據(jù)以往的時(shí)間序列數(shù)據(jù)預(yù)測事物未來的演變趨勢(shì)，包括移動(dòng)平均法、指數(shù)平滑法、季節(jié)性分析法和平衡隨機(jī)序列分析法等。1972年Croston[24]提出的基于時(shí)間序列的Croston（CR）模型，將數(shù)量少、間斷性需求的備件數(shù)據(jù)拆成了非零需求區(qū)間和零需求區(qū)間兩個(gè)序列，再利用指數(shù)平滑法進(jìn)行預(yù)測，在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。但其也存在局限性：在需求為零后，它不會(huì)更新預(yù)測。因此，不少學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，其中Syntetos，等[25]提出的Syntetos Boylan Approximation（SBA）預(yù) 測 模 型 和Teunter，等[26]通過將需求大小的估計(jì)值乘以具有非零需求的概率建立Teunter Syntetos Babai（TSB）預(yù)測模型得到了較廣認(rèn)可。

基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的預(yù)測法是通過現(xiàn)代機(jī)器學(xué)習(xí)算法和理論，研究變量之間相關(guān)關(guān)系，對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析和訓(xùn)練擬合，建立消耗預(yù)測模型的方法，主要包括線性回歸、Bootstrap、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)和灰色預(yù)測法等。Yang，等[27]提出了基于線性回歸的航空器材消耗預(yù)測模型；徐廷學(xué)[28]利用灰色預(yù)測法對(duì)軍械維修器材消耗規(guī)律進(jìn)行了研究；劉長新，等[29]通過研究航材消耗的影響因素，建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的消耗預(yù)測模型；吳龍濤，等[30]基于貝葉斯方法建立了威布爾型器材需求預(yù)測模型，并利用蒙特卡洛仿真方法進(jìn)行了求解；Hasni，等[31]基于Bootstrap方法對(duì)備件的消耗預(yù)測進(jìn)行了研究，均取得了較好效果。

2.3.3 組合預(yù)測法。組合預(yù)測法是通過綜合利用各種方法所提供的信息，以盡可能地提高預(yù)測精度為目的，對(duì)同一個(gè)問題采用兩種以上不同預(yù)測方法進(jìn)行預(yù)測的方法。它既可是幾種定量方法的組合，也可是幾種定性的方法的組合，但實(shí)踐中更多的則是利用定性方法與定量方法的組合。周浩，等[32]首先利用灰色預(yù)測法GM（1,1）模型得到預(yù)測序列，然后根據(jù)預(yù)測序列建立馬爾科夫模型來計(jì)算預(yù)測值，最后發(fā)現(xiàn)灰色馬爾科夫模型優(yōu)于GM（1,1）模型；賈琦，等[33]結(jié)合灰色模型和LS-SVM模型的優(yōu)勢(shì)，建立灰色LSSVM 模型，提高預(yù)測的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；Huang，等[34]運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析計(jì)算出器材消耗和其影響因素間的灰色關(guān)聯(lián)度，然后選擇主要影響因素作為支持向量機(jī)的輸入變量來預(yù)測消耗數(shù)量，并對(duì)比GM（1,1）模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)基于灰色關(guān)聯(lián)分析和支持向量機(jī)組合預(yù)測的結(jié)果誤差更小。組合預(yù)測法逐漸成為消耗預(yù)測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

2.4 模型求解

模型求解是針對(duì)建立的各種預(yù)測模型進(jìn)行求解，主要包括解析法、仿真法和智能算法求解三種方法。

解析法通常將器材的可靠性、壽命分布以及相關(guān)特征等已知的概率和參數(shù)為約束條件，通過構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)和解析式，對(duì)未來一段時(shí)間器材消耗的數(shù)量進(jìn)行預(yù)測的方法。劉慎洋，等[35]運(yùn)用可靠性理論和隨機(jī)過程方法對(duì)可維修器材的使用壽命規(guī)律建立解析式，并直接進(jìn)行求解來預(yù)測器材消耗數(shù)量，具有一定參考意義。

仿真法是通過對(duì)建立的各種預(yù)測模型進(jìn)行大量仿真模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)比得出的仿真數(shù)據(jù)，不斷修改和優(yōu)化相關(guān)參數(shù)進(jìn)行求解的方法。曹軍海，等[36]根據(jù)基于時(shí)間序列的指數(shù)平滑法建立了裝甲器材消耗預(yù)測模型后，利用Anylogic仿真平臺(tái)對(duì)該模型的平滑指數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得出了相對(duì)精確的平滑指數(shù)后對(duì)器材消耗進(jìn)行了預(yù)測。

智能算法求解是通過各種現(xiàn)代優(yōu)化算法，對(duì)建立的預(yù)測模型進(jìn)行求解的方法，主要包括模擬退火算法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。Song，等[37]通過灰色預(yù)測法建立了備件消耗預(yù)測模型后，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)模型進(jìn)行求解，并得到了較好效果。

2.5 評(píng)估預(yù)測結(jié)果與應(yīng)用

為了驗(yàn)證所提出的器材消耗預(yù)測模型的可靠性需要對(duì)預(yù)測結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，主要評(píng)估方法有示例分析驗(yàn)證法和對(duì)比分析驗(yàn)證法。示例分析驗(yàn)證法即選取器材真實(shí)消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，計(jì)算預(yù)測誤差來判斷模型是否可靠，適用于樣本數(shù)據(jù)多、連續(xù)消耗的器材，文獻(xiàn)[27-29]，文獻(xiàn)[36]均采用此法驗(yàn)證。對(duì)比分析驗(yàn)證法是通過對(duì)其他方法預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，比較預(yù)測誤差來判斷是否可靠，適用于無樣本數(shù)據(jù)、間斷消耗的器材，文獻(xiàn)[25][26][38]均采用此法驗(yàn)證。

當(dāng)前，美軍主要采用相似產(chǎn)品法和METRIC(可修件控制的多級(jí)技術(shù))模型[39]及其改進(jìn)方法對(duì)初始器材的消耗進(jìn)行預(yù)測，利用移動(dòng)平均法、指數(shù)平滑法、二階指數(shù)平滑法、線性回歸法以及組合預(yù)測方法對(duì)后續(xù)使用階段器材的進(jìn)行消耗預(yù)測[40]，并建立相應(yīng)的預(yù)測系統(tǒng)來不斷提高其預(yù)測精度。在實(shí)際應(yīng)用中，基于時(shí)間序列的預(yù)測方法因器材消耗數(shù)據(jù)容易獲取、預(yù)測模型簡單、精確而使用廣泛，基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的預(yù)測方法是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，但由于模型相對(duì)復(fù)雜、不易操作而應(yīng)用較少。

3 下一步研究展望

通過對(duì)器材消耗預(yù)測全過程中的每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)諸多學(xué)者對(duì)裝備器材消耗預(yù)測進(jìn)行了廣泛而深入的探索，針對(duì)不同類型的器材利用不同的方法建立了不同的預(yù)測模型，并取得了良好效果。但仍然存在一些問題：

（1）目前在器材消耗預(yù)測研究中，多是對(duì)器材消耗數(shù)量的預(yù)測，很少涉及器材消耗品種的預(yù)測研究。明確器材品種是進(jìn)行器材消耗數(shù)量預(yù)測的前提，傳統(tǒng)的器材消耗品種預(yù)測方法主要包括價(jià)值系數(shù)法[41]、邏輯決斷法[42]、主成分分析法[43]、粗糙集法[44]等，但主觀性較強(qiáng)且準(zhǔn)確率不高，因此下一步應(yīng)注重器材消耗種類預(yù)測研究。

（2）器材的壽命分布、故障率以及器材消耗的歷史數(shù)據(jù)是進(jìn)行消耗預(yù)測的基礎(chǔ)，進(jìn)一步收集和分析研究影響器材消耗的各種因素，必須建立裝備器材信息系統(tǒng)，實(shí)時(shí)的獲取器材信息和消耗數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行器材消耗預(yù)測。

（3）當(dāng)前預(yù)測模型大多僅考慮一種或幾種影響因素，預(yù)測精度還有待提高。組合預(yù)測是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，但大多是定性定量組合預(yù)測或多種定量方法組合預(yù)測，基于整個(gè)供應(yīng)鏈的協(xié)同預(yù)測研究較少。舒彤,等[45]提出了基于影響因子的供應(yīng)鏈協(xié)同預(yù)測模型；董紹輝,等[46]對(duì)供應(yīng)鏈協(xié)同預(yù)測機(jī)制進(jìn)行了研究；丁春光[47]基于供應(yīng)鏈CPFR 理論構(gòu)建了協(xié)同預(yù)測模型。協(xié)同預(yù)測有利于降低供應(yīng)鏈中的牛鞭效應(yīng)，提高預(yù)測精度，為下一步器材消耗預(yù)測研究提供了思路。

（4）預(yù)測方法眾多，如何選擇最佳方法成為研究重點(diǎn)。Hemeimat,等[48]分別利用均方誤差(MSE)、平均絕對(duì)偏差(MAD)和平均誤差(ME)三種統(tǒng)計(jì)方法比較了移動(dòng)平均法（MA）、指數(shù)平滑法（ES）、CR、SBA 和TSB 五種預(yù)測方法，并研究使用跟蹤信號(hào)方法（Tracking Signal，TS）來尋找最佳預(yù)測方法和參數(shù)，具有一定參考意義。

4 結(jié)語

裝備器材消耗預(yù)測是確定器材需求、制定器材申請(qǐng)計(jì)劃的基礎(chǔ)，對(duì)于裝備器材籌措、供應(yīng)和儲(chǔ)備工作至關(guān)重要。本文引入流程管理理念，將器材消耗預(yù)測流程分為明確器材類型、收集分析數(shù)據(jù)和信息、預(yù)測方法選擇與建模、模型求解、結(jié)果評(píng)估和應(yīng)用6個(gè)階段，通過對(duì)整個(gè)器材消耗預(yù)測過程中每個(gè)步驟的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行梳理和分析，總結(jié)當(dāng)前器材消耗預(yù)測中的熱點(diǎn)和薄弱環(huán)節(jié)，并在此基礎(chǔ)上提出了下一步研究展望，為開展器材消耗預(yù)測研究工作打下基礎(chǔ)。