基于运筹优化的大型航司航空发动机机队管理方法
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作者:王锦申 王子卓
摘要：本文介绍了利用运筹优化方法对大型航司发动机机队进行辅助管理的方法和实践。通过运筹学的方法可以全局地考虑发动机机队管理中所需要考虑的多维度因素，包括发动机状态，备发数量，维修策略，成本预算控制等，从而达到在保证机队运营前提下降低运营成本，将发动机管理模式从被动式向主动式过渡。此方法中包括发动机状态预测、维修策略生成，全生命周期优化和维修计划生成四个主要模块。通过这四个模块的有机结合最终实现对机队发动机的中短周期以及长周期维修计划的输出。本文也介绍了此方法在某大型航司的应用实践，展示了此方法应用于实际后可能带来的价值以及潜在收益。
关键词：运筹优化；换发计划；全生命周期管理；动态规划；人工智能
Keywords： operational research optimization；renewal plan；life cycle management；dynamic planning；artificial intelligence
1研究背景与意义
国内大型航司航空发动机机队的显著特征是机队规模庞大、机型复杂。以国内某大型航司为例，发动机细分型号达到13种，整体数量超过1400台。航空发动机作为飞机最为核心的部件，不仅是因为其安全性和可靠性对飞机的运行影响重大，还包含了发动机的价格、运行成本、飞机保值以及其对航班正常运行影响等严重关乎航空公司的运营。因此，在日常运行中，航空公司对发动机有着严格的健康安全管理制度。航空发动机机队管理是一项“牵一发，动全身”的系统性工程，需要通盘考虑机队的正常运行并兼顾发动机精益成本的管控。通常来说，发动机机队管理主要包括备发保障管理、发动机送修管理、成本预算控制及分析、商务及索赔管理和项目管理等多项职责。在机队管理过程中，由于各阶段机队管理策略的不同，制定决策和方案时所需的资源和因素也会随之发生变化。现有发动机机队管理具有以下明显的难点：
1） 发动机维修成本数额巨大，一般占飞机维修成本的一半，其管理工作的决策质量直接影响机务整体成本考核；与此同时，发动机维修过程涵盖了工程、计划、商务、维修现场等业务环节，各环节之间信息孤立，通常采用被动式管理，主要依赖人工经验，缺乏一套科学系统的决策支持工具；
2） 机队规模大，机型种类多，发动机服役周期长，外部环境的不确定性等诸多因素导致机队及成本管理限制及约束繁多，通过传统人工管理的方式难以从全局角度进行最优决策；
3） 当前备发保障和发动机维修的相关决策基本以运营保障为主要导向，备用发动机的保障水平参差不齐，临时租发的使用和维修工作范围的制定尚未与成本核算建立起直接逻辑关系，缺乏整体量化的考量，给预算控制和精细化管理带来巨大的困难。
例如，以“可用备发控制”为核心的管控策略，其核心是在运行过程中随时保持一台备发可用，该策略的优点在于：
a. 运行得到保障，减少非计划下发对运行带来的影响；
b. 长期换发计划准确率较高；
c. 可控性和备发利用率较高；
而缺点在于：
a. 为了保证备发数量，会额外临时租发；
b. 有时为了减少租发费用，将一部分发动机大修改为小修，缩短送修周期，可能会导致发动机维修成本变化大，特别是对未来维修成本的影响；
再如，以“短期成本最低”为核心的管控策略，其核心是以公司下拨预算为控制上限，仅对当年维修成本进行控制，此策略的优点在于：
a. 保证当年维修成本在预算之内，完成公司下达的考核目标；
b. 充分使用发动机的剩余在翼时间；
但缺点在于：
a. 长期换发计划准确率较低；
b. 非计划换发率较高，发生AOG对正常运行带来影响；
c. 可控性和备发利用率较低；
d. 大修发动机搁置不送修，导致产生额外的租发费用；
由此可知，这些策略都存在影响长期维修成本的缺点，但具体影响程度如何或者能否找到一个长短期兼顾的管理方式，仅靠目前传统的人工管理方式是很难实现的。因此，在大数据时代，航空公司迫切需要通过数据和更加科学的管理方式提升发动机机队管理效率和准确性。对此，本文提出借助运筹学的理论与方法，从全局角度综合考虑发动机管理工作中的复杂输入数据与业务约束条件，将发动机管理模式从被动式向主动式过渡，综合优化长短期成本收益，实现成本预算控制和智能管理决策。
2运筹学基本框架及其在发动机维修计划管理中的使用
运筹学是现代管理学中重要的技术手段，也是在大数据环境下提升决策质量的重要方法。运筹学解决的问题是在多维度目标和复杂约束条件下，在众多决策方案中选择符合约束且能最好达到目标的“最优”方案。如图1所示，运筹学解决问题的方法论主要分为两步。第一步是基于业务背景建立运筹优化模型，通过数据或业务经验决定模型中的重要参数，并定义优化目标与约束条件；第二步是求解优化模型，得到满足约束条件下能够最好达成目标的最优解。最终再通过人工的修正和调整将决策使用在业务之中。
在l动机全生命周期的管理中，核心目标在于综合优化长短期成本收益，最终达到满足预算考核的目标。而这一优化目标的实现涉及了发动机送修、租赁、改装、包修、退租等一系列长短期决策工作。基于对现有发动机管理工作流程的梳理，在发动机维修管理中通常面临的核心决策包括：
a. 发动机换发计划；
b. 发动机维修工作范围；
c. 使用备发、临时租发、串发操作等管理策略；
d. 发动机拆解、置换等方案。
与此同时，以上相关决策的优化需要考虑以下4类约束条件：
1） 发动机硬件状态：包括发动机LLP和时控项目、孔探磁堵和油液分析结果；监控项目、性能、改装等相关数据结果所对应的业务约束；
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