Esto es un extracto abreviado de la introducción a la tesis doctoral de Franco Peschiera titulada: “Exact and Heuristic Methods to Optimize the Flight and Maintenance planning of Military Aircraft”.
La industria del mantenimiento
Ya sea una casa, un automóvil o una planta de energía nuclear, el mantenimiento es una consideración clave al construir o adquirir un nuevo activo. Por ejemplo, los costes anuales de mantenimiento de una casa pueden equivaler al 1-4% del precio de compra. Este coste representa el precio a pagar para mantener el activo adquirido en condiciones normales de operación y prolongar su vida el mayor tiempo posible económicamente.
El mantenimiento es caro. Por lo general, implica varias tareas especializadas que requieren mucha mano de obra y que son difíciles de automatizar. Además de eso, en la búsqueda de menores costes de producción, las empresas han hecho que los productos sean cada vez más difíciles de reparar o mantener. Canadá estima que sus empresas gastaron el 3,3% del PIB en reparaciones en 2016, más del doble de lo que el país gasta en I+D. Aunque el valor de una buena política de mantenimiento suele esconderse detrás del funcionamiento correcto y sin incidentes de un sistema, el coste de la falta de mantenimiento de las infraestructuras públicas se puede medir de vez en cuando. Esto se hizo muy evidente con el colapso del puente de Génova en Italia. La falta de inversión en mantenimiento fue uno de los principales motivos de esta tragedia que causó la muerte de 43 personas en agosto de 2018.
En la industria aeronáutica, el mantenimiento se realiza mediante varios tipos de operaciones de mantenimiento, también conocidas como verificaciones. Estos controles varían en frecuencia, duración y minuciosidad. La frecuencia generalmente se mide en una combinación de horas de vuelo, ciclos de despegue-aterrizaje y meses de calendario; la duración, en meses u horas-hombre de trabajo.
Planificando mantenimientos
El problema de planificación de vuelo y mantenimiento (FMP por sus siglas en inglés), presentado por primera vez por Barnhart en uno de sus dos artículos de 1998, estudia cómo se programan estas operaciones de mantenimiento y cómo se asignan las actividades de vuelo a una flota de aeronaves a lo largo de un horizonte de planificación.
En la variante civil del FMP, con mucho la que ha recibido más atención, las aeronaves deben enrutarse por diferentes destinos asignándoles tramos de vuelo para construir viajes diarios. Los controles se realizan durante la noche y generalmente se limitan a controles de tipo A y B. El horizonte de planificación cubre varios días (por ejemplo, este método propuesto por Sriram usa 7 días). El objetivo suele ser reducir el coste total o maximizar el beneficio total del plan.
En la variante militar, que llamamos problema de planificación de mantenimiento y vuelo militar (MFMP por sus siglas en inglés), los vuelos (que se denominan misiones) siempre regresan a su base y, por lo tanto, no se realiza ningún enrutado. Las verificaciones constan de los tipos B, C y D. El horizonte de planificación abarca unos meses o varios años. El objetivo suele ser maximizar el estado operativo de la flota y minimizar el número total de controles.
En la mayoría de las fuerzas aéreas, se utiliza un derivado del Método de programación de escala móvil (SSSM) para planificar las asignaciones de misión para una flota de aviones. Este método consiste en una heurística simple que intenta distribuir las horas de vuelo restantes entre las aeronaves en una distribución similar a una escalera, es decir, existe una probabilidad constante de encontrar una aeronave por cada cantidad posible de horas de vuelo restantes. Cuando una aeronave supera un determinado umbral de horas de vuelo, se envía para su verificación. En el siguiente ejemplo, la Aeronave “944” tiene el mayor excedente de horas de vuelo restantes (tiempo de banco) con respecto a la curva y, por lo tanto, debería volar en la siguiente misión.
Esta técnica intenta distribuir la carga de vuelo de manera uniforme entre cada aeronave y es muy adecuada cuando se conocen los requisitos de la misión y éstos no cambian con el tiempo, la flota es homogénea y el estado inicial está más o menos bien distribuido. Como es de esperar, estas hipótesis rara vez se aplican en la vida real, por lo que se necesitan técnicas más sofisticadas si se desea obtener planes de mantenimiento de buena calidad para situaciones realistas.
Recientemente, mejorar la calidad de estos planes de mantenimiento se ha convertido en una prioridad para muchos gobiernos. En particular, la Fuerza Aérea francesa se interesó en soluciones matemáticas para programar el mantenimiento de la flota Mirage 2000 después de que se reveló que los aumentos en los costes de mantenimiento no habían sido seguidos por una mejor disponibilidad de los aviones.
Principalmente hay dos preguntas que deben responderse al mejorar las decisiones de mantenimiento: cuándo se necesita el mantenimiento (predicción) y cuándo realizar realmente el mantenimiento (prescripción).
El cálculo de las necesidades de mantenimiento ha consistido habitualmente en lo que se denomina mantenimiento preventivo. En el mantenimiento preventivo, se establece una regla simple que vincula el uso y la necesidad de mantenimiento, por ejemplo, una aeronave no puede volar más de 500 horas sin mantenimiento. Por el contrario, el mantenimiento predictivo implica el análisis de datos históricos para estimar ventanas de tiempo en las que se debe realizar el mantenimiento para garantizar un riesgo de falla por debajo de un cierto umbral. Según las pruebas de la Fuerza Aérea de EE. UU. En aviones de comando y control, el uso de mantenimiento predictivo podría reducir el trabajo no programado en un tercio.
Independientemente de cómo calculemos esas necesidades de mantenimiento, un programa de mantenimiento adecuado es esencial para producir un plan general eficiente. Para lograr esto, esas ventanas de tiempo se toman junto con las capacidades de recursos y la planificación del uso futuro, entre otra información, con el fin de producir un programa de mantenimiento real que sea factible y satisfaga las necesidades de sus planificadores.
El valor de un buen plan de mantenimiento
La diferencia entre un plan de mantenimiento cualquiera y uno bueno es importante. Como los recursos necesarios para realizar las verificaciones son costosos y la experiencia necesaria es muy especializada, la capacidad para proporcionar este servicio suele ser bastante limitada e inflexible. Como resultado, un plan que no asigna la capacidad de manera óptima puede terminar con más aeronaves en tierra esperando una verificación en algunos períodos, mientras que en otros períodos el uso de la capacidad no es máximo. Esta indisponibilidad reduce el potencial real de la flota y, por lo tanto, requiere tener aún más aviones para satisfacer un cierto potencial de flota.
El costo real de un plan de mantenimiento se mide por el número de verificaciones necesarias para cumplir con todos los requisitos de la misión: cuanto menor sea ese número, mejor. Si bien los costes de estas verificaciones no son públicos en el caso de aviones militares, los costes reales de los controles tipo D en aviones Boeing oscilan entre 1 y 6 millones de dólares dependiendo del modelo de avión. En Francia, el coste anual total del mantenimiento de aviones militares aumentó de 3.200 millones de euros en 2012 a 4.000 millones de euros en 2017. Un buen plan de mantenimiento intentará utilizar cada avión tanto como sea posible antes de programar una verificación para minimizar el número de horas de vuelo restantes que se “pierden” cuando se realiza la verificación y las horas de vuelo se restablecen a su máximo.
“Un buen plan de mantenimiento intentará utilizar cada aeronave tanto como sea posible antes de programar una verificación para minimizar la cantidad de horas de vuelo restantes que se” pierden “cuando se realiza la verificación y las horas de vuelo se restablecen al máximo”.
Planificación de mantenimiento en la práctica
Por último, la planificación de mantenimiento se suele realizar de forma manual (en una hoja Excel), lo que consume mucho tiempo. Esto además limita el número de escenarios que se pueden evaluar antes de tomar una decisión y aumenta el tiempo de reacción cuando se trata de nueva información que requiere cambiar el plan original. Como resultado, se pierde solidez y flexibilidad como parte del proceso de planificación.
De ahí la necesidad de una planificación de vuelo y mantenimiento eficiente y fiable es claramente una prioridad tanto en contextos comerciales como militares. Sin embargo, producir un plan tan detallado para una flota extensa mientras se planifica para un horizonte a largo plazo y teniendo en cuenta los múltiples objetivos inherentes a dicha planificación no es una tarea fácil.
Las técnicas de Investigación Operativa están especializadas en la resolución de problemas combinatorios como el MFMP para producir soluciones de muy buena calidad (a menudo óptimas) dado un conjunto de restricciones y una función objetiva. El éxito en la aplicación de estas técnicas a un problema nuevo y difícil requiere una combinación de experiencia en el dominio y una profunda formación teórica. Este último consiste en un estudio profundo de la estructura del problema matemático subyacente y la investigación de enfoques de solución innovadores que sean compatibles con ese problema. Detallaremos dicho análisis en futuras publicaciones de este blog.
