stagger chart

Upload: prabs20069178

Post on 06-Jul-2018

221 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    1/55

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    2/55

    REPORT DOCUMENTATION PAGE  

    Form  Approved 

    OMB  No. 

    0704-0188

     

     reporting burden f o r  this collection 

    of

     information is 

    estimated

     t o  average 

    1

     hour per response, 

    including

     the time f o r reviewing instruction, searching  

     

    data

     sources, gathering and maintaining th e 

    data

     needed, an d 

    completing

     an d 

    r e v i e w i n g

     th e collection 

    of

     information. Send comments regarding 

     

    burden

     

    estimate or any other aspect

     

    of  this

     

    collection

     

    of  

    i n f o r m a t i o n ,

     including

     suggestions  f o r 

    reducing

     this 

    burden,

     

    to W ashington 

    headquarters

     

     

    Directorate

     

    f o r 

    Information 

    Operations

     

    an d

     

    Reports,

     

    1215

     Jefferson

     Davis

     

    H i g h w a y ,

     

    Suite

     

    1204 ,

     A r l i n g t o n ,

     

    V A

     

    22202-4302 ,

     

    and

    to

     

    th e

     

    Office

     

    of

     

     an d 

    Budget,

     

    Paperwork

     Reduction Project (0704-0188)  Washington 

    D C

     

    2 0 5 0 3 .

     

    A G E N C Y U SE  O N L Y  

    (Leave

     blank)

      2 . REPORT 

    D A T E

     

    Ju ne 

    1 9 9 8  

    3 .

     

    REPORT TYPE  

    A N D

     

    DATES

     C O V E R E D 

    Master's T hes i s  

    TITLE 

    A N D

     

    SU BTITLE

     

     FLIGHT 

    HOURS

     

    TO

     ARMY HELICOPTERS 

    5 . 

    U N D I N G  N U M B E R S

     

    AUTHOR(S) 

     Bradley W . 

    PERFORMING

     ORGANIZATION  

    NAM E(S)

     A N D  

    ADDRESS(ES)

     

     Postgraduate S c h o o l 

    o nt e rey , CA

     

    3 9 4 3 - 5 0 0 0  

    8 .

     

    PERFORMING  

    ORGANIZATION R E P O R T 

    N U M B E R

     

    S P O N S O R I N G

     

    /

     M O N I T O R I N G

     

    A G E N C Y

     

    NAM E(S)

     

    A N D

     

    ADDRESS(ES)

     

    10 .

     

    S P O N S O R I N G /

     

    MONITORING  

    A G E N C Y

     REPORT  

    N U M B E R

     

    . SUPPLEMENTARY

     

    N O T E S 

    e  views ex pres sed in this thes is are those 

    of

    the author and do not re f lect the off ic ia l policy or position of the 

    Department

     

    of

     

     

    or

     the U . S . G o v e r n m e n t . 

     DISTRIBUTION / A V A I L A B I L IT Y S T A T E M E N T 

     for public re lease; distribution is u nl imi t ed . 

    12b. 

    DISTRIBUTION

     

    CODE  

    ABSTRACT

     

    maximum

     200  words) 

    Army

     helicopter battalions,

     

    consisting of 

    2 4

     hel icopters valued from $ 2 0 6 . 4 million U H - 6 0 Blackhawk

     

    battalion)

     

    o

     

     

    million A H - 6 4 Apache

     

    battalion),

     

    l locate

     

    light

     

    hours

     o

     hel icopters

     

    using

     

    manual

     

    echniques

     

    hat

     

    have

     

    caused

     

    an 

     

    decrease

     

    battalion

     

    eployabi l i ty .

     

    This

     

    hes i s

     

    odels

     

    he

     

    battalion's

     

    light

     

    hour

     

    llocation

     

    problem

     

    using

     

     it develops

     both

     

    a

     mixed 

    integer

     

    linear 

    program and 

    a

     quadrat ic  program. 

    The

     2

    nd

     Battalion, 

    4

    th

     Aviation Regiment 

     

    4

    th

     

    Mechanized

     Division currently u ses 

    a

     spreadshee t implementation of

     

    the

     

    quadratic 

    program

     

    d e ve lop e d

     by the

     

    author cal led  

     

    Quadrat ic Flight H o u r Allocation 

    M o d e l ) , 

    hat s vai lab le o other battalions

     

    or use

     

    with existing

     

    o f t ware and 

     

    resources .

     hemixed integer linear

     

    program, 

    called

     F H A M  ( F l i g h t Hour Allocation 

    M o d e l )

     more appropriately mo de ls

     

     

    problem, but

     requires additional

     

    sof tware .

     his

     

    thes is validates

     the tw o 

    mo de ls

     

    using

     actual 

    flight

     

    hour 

    data 

    from

     a U H - 6 0  

     

    under

     both

     

    typical

     

    training

     and

     co nt ing ency scenarios .  T h e 

    mo de ls 

    pro v ide 

    a

     

    monthly

     

    flight

     

    hour allocation

     for the 

     

    ircraft

     

    hat

     esul t s n

     

    teady-s ta te equ enc ing

     

    aircraft

     

    n to

     

    hase

     

    maintenance,

     

    hus

     

    liminating hase 

     b ack lo g

     

    and providing

     a

     fixed number of aircraft avai lab le for

     

    d e p loym e n t . This thesis

     

    also

     

    addres se s

     

    the

     

    neg a t iv e 

     

    of 

    current helicopter battalion readiness measu res 

    o n

     deplo y ment and

    of fers

     al ternat ives . 

    S U B J E C T

     T E R M S 

     

    Flight

     

    Hour Allo ca t io n , Phase Maintenance

     

    S chedu l ing

     

    15 . N U M B E R O F  

    P A G E S 

    56 

    16 . PRICE

     

    C O D E

     

    . SECURITY  CLASSIFICATION O F  

     

     

    18 . 

    SECURITY 

    CLASSIFICATION

     

    O F  

    THIS PAGE  

    Unclassified 

    19 . SECURITY

     

    CLASSIF I -CATION  

    O F

     

    ABSTRACT

     

    Uncla s s i f i ed  

    2 0 .

      I M I T A T I O N

     

    O F

     ABSTRACT  

    U L  

    7540-01-280-5500  

    Standard

     

    Form

    29 8 (Rev. 

    2-89) 

    Prescribed by  A N S I Std. 239-18  

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    3/55

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    4/55

    Approved

     

    fo r

     

    public 

    release;

     distribution 

    is

     unlimited 

    ALLOCATING  

    FLIGHT 

    HOURS 

    TO 

    ARMY

     

    HELICOPTERS  

    Brad ley

     W .

     Pippin  

    Capta in ,

     

    Uni ted

     

    States A r m y  

    B.S . ,

     

    U n i t e d 

    States

     M ili ta ry

     

    A c a d e m y ,

     9 8 8

     

    Submit t ed

     

    in  partial

     

    ful f i l lment

     

    of the 

    requ i rements

     

    f o r 

    th e

     

    degree

     of

     

    MASTER  O F SCIENCE IN OPERATIONS 

    RESEARCH

     

    f rom

     

    th e

     

    NAVAL 

    POSTGRADUATE SCHOOL 

    June

     1998 

    Author : 

    A p p r o v e d 

    b y :

     

    TMam  

    rr

     

    iin

     T  ̂

    BradleyWJPippin

     

    Robert

     F . Dell , 

    Thes i s

     A d v i s o r 

    T h o m a s

     

    Halwachs ,

     

    Seco nd

     

    Reader

     

    Richard 

    E . 

    Rosenthal ,

     

    C h a i r m a n

     

    D e p a r t m e n t of Operat ions  

    Research

     

    m  

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    5/55

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    6/55

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    7/55

    D I S C L A I M E R  

    T he

     reader

     

    is

     cautioned

     

    that 

    computer

     programs

     

    developed 

    in

     this

     research

     

    m ay

     

    not

     

    have

     

    been 

    exercised

     fo r

     

    al l cases of

    interest.

     Whi le every effort w as made, within

     

    th e 

    time available, to ensure

     

    that

     th e 

    programs ar e free of computational an d 

    logic

     

    errors,

     

    they cannot

     

    be considered

     

    validated.

     

    ny application of these

     

    programs  without 

    additional 

    verification

     

    is

     at

     

    th e

     

    risk of th e

     

    user. 

    VI  

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    8/55

    TABLE OF 

    CONTENTS

     

    I . NTRODUCTION

    A .

     ATTALION O R G A N I Z A T I O N  

    A N D

     

    M A I N T E N A N C E

     

    B A C K G R O U N D

    B .

     

    ISTORIC C A S E  S T U D Y

    C . ROBLEM D E F I N I T I O N

    D . U T L I N E

    I I .

     ELATED R E S E A R C H

    m.

     

    OPTIMIZATION

     

    M O D E L I N G

     O F T H E  F L I G H T

     H O U R  

    ALLOCATION 

    P R O B L E M

    5

     

    A

     

    MIXED

     

    I N T E G E R  L I N E A R  

    P R O G R A M

     

    F O R M U L A T I O N

     

    5

     

    B .

     

    Q F H A M

     F O R M U L A T I O N 0  

    IV .

     

    O M P U T A T I O N A L

     

    R E S U L T S 1  

    A . 

    Y P I C A L  T R A I N I N G  S C E N A R I O

    1  

    B .

     P T I M I Z A T I O N  R E S U L T S FOR T Y P I C A L  T R A I N I N G  

    S C E N A R I O 3

     

    C .

     

    FHAM O P T I M I Z A T I O N  

    R E S U L T S

     F O R

     T Y P I C A L

     

    TRAINING S C E N A R I O 8  

    D . F H A M  O P T I M I Z A T I O N  

    O F

     C O N T I N G E N C Y  S C E N A R I O 1  

    E . ISCUSSION O F

     

    T H E  R E S U L T S 4  

    V .

     O N C L U S I O N S

     

    A N D  

    R E C O M M E N D A T I O N S 

    5

     

    A .

     E A D I N E S S I M P R O V E M E N T 5  

    B .

     

    E C O M M E N D A T I O N S

    7

     

    C . FHAM

     

    I M P L E M E N T A T I O N

    9

     

    L I S T  O F  R E F E R E N C E S

    1

     

    I N I T I A L  DISTRIBUTION L I S T

    3

     

    VI I 

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    9/55

    Vlll

     

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    10/55

    E X E C U T I V E

     S U M M A R Y  

    A r m y

     

    helicopter  battalions, consisting of2 4

     

    helicopters valued f rom

     

    $206 .4  

    million

     

    ( U H - 6 0

     

    Blackhawk

     battalion) to 

    $432

     

    million

     ( A H -6 4 

    Apache

     

    battalion), 

    allocate

     

    f l ight hours to

     

    helicopters using

     

    manual techniques 

    that

     have caused an 

    unnecessary

     

    decrease

     in  

    battalion

     

    deployability.  

    T he 

    st

     

    Armored Division

     

    (AD) , currently 

    assigned

     in

     

    Germany, provides an  

    example

     where

     

    th e

     lack 

    of

    individual

     aircraft

     

    f l ight

     ho u r 

    allocation

     management 

    resulted

     

    in

     

    a

     

    non-deployable

     

    helicopter

     

    battalion.

     

    During

     

    th e

     

    Dayton

     

    Peace

     Accord

     

    arbitration

     

    process ,

     prior

     

    to  th e U . S. implementation

     

    force

     ( I F O R )

     deployment 

    to Bosnia , 

    1

    st

     

    Armored 

    Division's

    U H - 6 0

     

    Blackhawk  battalion

     

    reported 89%

     fully 

    mission

     

    capable 

    ( F M C ) .

     Given th e

     

    Army standard o f  7 5 %

     F M C ,

     

    al l reportable indications showed 

    a

     

    battalion

     

    ready

     

    f or

     deployment. However , 

    th e 

    st

     

    A D 

    trained extensively

     

    f or

     its 

    impending

     deployment ,

     

    an d when

     

    th e

     Dayton

     Peace Accords 

    were

     

    signed

     in  

    late

     

    N o v ember

     1995 

    an d 

    st

     A D w as ordered

     

    to deploy, it immediately

     

    sent

     u p a 

    red

     f lag.

    T he

     

    aviation

     

    brigade

     

    commander

     

    directed

     

    that

     aircraft

     with

     

    less

     

    than

     

    75 f l ight

     

    hours 

    remaining

     

    until

     

    phase

     

    maintenance, o r 

    nine 

    of th e

     

    battalion's

     2 4  

    U H - 6 0

     

    Blackhawks  

    would

     

    not deploy. 

    his 

    problem  w as

     

    previously

     

    unnoticed above

     

    th e br igade

     

    level and 

    w as

     directly attributable 

    to

     

    a

     

    lack of

    f l ight

     hour 

    allocation

     

    management

     

    within th e

     

    battalion. 

    This thesis models th e

     battalion's

     

    f l ight

     hour 

    allocation

     

    problem

     

    using

     

    optimization; it develops both a 

    mixed integer

     

    linear 

    program  and

     a

     

    quadratic

     program. 

    T he 

    2

    nd

     Battalion,

     

    4

    th

     Aviation

     

    Regiment 

    of

    4

    th

     

    Mechanized

     

    Division

     

    currently 

    uses

     

    IX  

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    11/55

    sp readshee t

     

    implementa t ion

     

    of the

     

    quadrat ic  program

     

    deve loped b y th e author called 

    Q F H A M  

    (Quadrat ic  

    Flight Hour

     

    Allocat ion  

    M o d e l) ,

     that 

    is 

    available to

     

    other bat ta l ions 

    fo r

     u se

     with

     exist ing

     

    so f tware and

     c o m p u t e r resources . 

    h e m i x e d

     integer 

    l inear

     

    prog ram, called FHAM (F l igh t Hour Allocat ion  Model) m o r e

     

    appropria te ly

     

    mode ls 

    th e  

    prob lem, b u t 

    requires addit ional

     sof tware . 

    h is

     thesis

     

    val idates th e tw o

     

    m o d e l s 

    using  

    actual f l i gh t h o u r 

    data 

    f rom a

     U H - 6 0

     

    battal ion 

    under

     

    both typical

     

    training  

    and

     

    con t ingency 

    scenarios .

     h e 

    resul t

     is a steady-state sequenc ing  of aircraf t

     

    into

     

    phase  

    maintenance

     that

     

    el iminates p h a s e 

    maintenance

     backlog and

     

    provides

     

    a f i x e d n u m b e r

     

    of 

    aircraf t

     

    available

     

    for

     

    dep loyment .

     

    This

     

    thes is

     

    also

     

    addresses

     

    th e

     

    negat ive

     

    i m p a c t

     

    of

     

    cur ren t 

    hel icopter

     

    battal ion readiness

     

    m e a s u r e s

     o n

     

    deployabi l i ty

     and of fers

     

    alternatives.  

    Q F H A M  br ings

     

    immedia te results

     

    to  a helicopter battalion. F H A M  w o u l d  

    increase th e 

    n u m b e r

     

    of dep loyab le

     

    ai rcraf t

     for

     

    st

     

    AD's

     U H - 6 0

     

    bat ta l ion b y 2 0 . 8 

    %

     

    ( 8 3 . 3 %

     

    vs. 6 2 . 5 % )

     

    in

     th e

     

    scenario

     

    d iscussed abo v e .

     

    h e init ial m o d e l

     

    set -up is s imple 

    and 

    requi res

     a 

    battal ion

     less

     than

     an

     hour .

     

    h e output

     prov ides f l i gh t c o m p a n y  

    c o m m a n d e r s

     

    by-a i rc ra f t

     

    f l ight

     

    h o u r

     

    al locat ion

     

    f o r

     

    planning

     

    cycle. 

    T h e

     

    al locat ion 

    proces s

     t akes less than 15

     

    minutes 

    and

     can b e

     

    adjus ted

     easily  

    during 

    the

     

    planning

     

    cyc le

     

    if 

    m a j o r 

    c h a n g e s occur . h e aircraf t

     

    f l i gh t

     h o u r 

    al locat ion 

    planning

     

    process

     

    that

     

    prev ious ly

     

    h as

     

    ei ther

     

    b e e n

     

    i gnored

     

    or est imated us ing t ime-

     

    c o n s u m i n g

     

    m a n u a l

     

    t echniques

     

    can

     

    no w

     

    easily b e

     

    accompl i shed  with 

    an 

    au tomated  

    process .

     

    T h e

     percent

     

    F M C

     

    m e a s u r e s 

    th e

     battalion's

     

    abil i ty 

    to

     

    mainta in

     

    hel icopters

     

    operat ional ly

     ready,

     but

     

    it

     provides 

    very

     

    little

     

    indicat ion

     of a battalion's 

    deployabil i ty .

     

    A n 

    ai rcraf t

     is

     

    dep loyab le

     

    if it is both F M C  

    and

     

    h as

     

    a

     

    m i n i m u m

     

    n u m b e r

     ofhours until 

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    12/55

    phase maintenance.

     

    Furthermore,

     

    striving to maintain a high 

    percent

     

    F M C

     can  

    discourage

     

    proactive

     

    phase maintenance

     procedures.

     

    he 

    additional 

    readiness

     

    measure 

    recommended in  

    this

     thesis is a tiered 

    reporting

     ofth e percentage

     

    of

    aircraft

     above

     

    2 5 , 

    50 ,

     

    and 75 hours. 

    his 

    report

     gives

     

    an 

    immediate

     indication of

     th e 

    actual 

    nu mber

     

    of 

    deployable

     

    aircraft, in

     terms 

    of

    phase

     

    maintenance

     scheduling, 

    for

     th e battalion. 

    T he bottom

     

    line: 

    ptimization models such as

     

    Q F H A M  improve

     

    A r m y  

    helicopter

     battalion deployability. 

    XI 

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    13/55

    L

     

    NTRODUCTION  

    Army

     

    helicopter

     

    battalions

     

    allocate

     

    f l ight

     hours to

     

    helicopters  using 

    manual

     

    techniques

     

    that have caused

     an

     unnecessary decrease in  battalion

     

    deployability.

     

    his  

    thesis

     

    models

     

    th e

     battalion's f l ight

     

    hour

     

    allocation

     

    problem

     

    using

     optimization; it

     

    develops 

    both

     a

     mix ed integer

     linear

     

    program an d

     

    a quadrat ic program.

     

    he 

    2

    nd  

    Battalion, 4

    th

     Aviat ion Reg iment

     

    of 4

    th

     Mechanized  Divis ion currently uses a

     

    spreadsheet 

    implementat ion

     of

    th e 

    quadratic 

    program

     

    developed

     

    by

     

    th e

     

    author

     

    called Q F H A M  

    (Quadratic

     

    Fl ight

     

    H o u r 

    Allocation

     

    M o de l ) , that

     

    is

     available to

     

    other

     battalions fo r

     u se 

    with

     

    existing

     

    sof tware

     

    an d

     

    computer

     

    resources.

     

    he

     

    mix ed

     

    integer

     

    linear

     program,

     

    called

     

    F H A M  

    (Flight

     H ou r

    Allocation

     M o de l ) more

     

    appropriately  models 

    th e

     

    problem, but 

    requires additional software. his

     

    thesis

     

    contrasts both  programs and shows 

    that

     both  

    provide

     

    helicopter 

    battalions

     with

     

    a valuable

     

    planning tool fo r allocating

     

    f l ight hours. 

    A.  BATTALION ORGANIZATION AND MAINTENANCE BACKGROUND  

    U n d e r th e 

    Aviation

     Restructuring Initiative ( ARI )

     

    th e

     A r m y

     

    is reorganizing 

    helicopter 

    battalions

     (Robinson, 998) .

     

    T he new

     

    organizat ion

     

    consists of five

     

    companies:

     

    headquarters

     company, three f l ight companies,

     

    an d a

     

    maintenance company.

     

    he 

    headquarters

     company

     

    performs

     

    th e

     battalion's administrative  activities

     

    and

     

    maintains 

    th e

     

    battalion's

     ground vehicles. 

    E a c h

     of

    th e

     three 

    f l ight

     companies operates its 

    eight

     

    aircraft

     

    an d

     

    performs

     

    scheduled

     maintenance.

     

    he maintenance company coordinates 

    al l

     

    maintenance

     activities 

    for

     th e

     

    battalion's

     

    f leet of2 4 

    aircraft

     valued at

     

    approximately 

    $206 .4

     

    million for

     

    a U H - 6 0  Blackhawk  battalion

     

    an d $432 million fo r

     

    a n A H -6 4 Apache 

    battalion

     

    (Jackson, 

    1997) . 

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    14/55

    The 

    Depar tment 

    of

    th e

     

    A r m y 

    (DA) 

    schedules

     

    maintenance

     

    requirements fo r

     

    helicopters

     on

     

    phase 

    maintenance

     scheduling

     

    program  

    ( D A

     

    1 9 9 5 ) 

    where 

    aircraft

     

    undergo

     

    extensive maintenance

     

    procedures after

     

    a f ixed number 

    of

    f l ight

     hours.

     

    F o r 

    th e

     

    U H - 6 0 

    Blackhawk,

     A H - 6 4 Apache , an d C H - 4 7 Chinook , th e 

    primary

     

    helicopters

     

    of th e

     

    Army

     

    fleet, phase maintenance occurs every 5 0 0 hours 

    (DA,

     1996) , 2 5 0 hours

     

    (DA, 

    1998) ,

     

    an d

     30 0 hours (DA 

    9 8 9 )

     respectively. Phase

     

    maintenance is

     

    t ime an d m a n p o w e r 

    intensive

     requiring anywhere

     

    f rom

     

    30

     

    to 30 0 days.

     

    he length of

    th e

     

    phase

     maintenance  

    can  

    translate

     into lack of deployability  with

     

    no quick 

    f ix

     for battalions 

    that

     do not 

    properly

     

    manage

     

    their

     

    aircraft.

     

    D A

     

    ( 1 9 9 5 ) advocates

     

    using

     

    th e  Sliding 

    Scale

     M et ho d

    to

     

    help

     

    manage 

    th e f low  

    of

    aircraft 

    into 

    phase maintenance. 

    he

     

    sliding

     

    scale method

     

    has 

    battalions sequentially

     

    plot 

    th e aircraft 's remaining f l ight hours

     until

     phase maintenance 

    from

     

    most hours  

    remaining to 

    least

     hours remaining (Figure 1 ) .

     hey

     

    then

     

    compare

     

    this

     plot versus 

    th e

     

    Army goal ,

     

    referred

     

    to as th e D A  go a l line, a

     

    line drawn

     

    from

     

    zero

     

    to  th e 

    m a xi m um

     hours 

    remaining until

     

    phase

     maintenance.

     

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    15/55

    Battalion Flow Chart 

    6 0 0

     

    500   - -

     

    I

     

    4 0 0

     

    to  

    x :

     

    a.

     

    300

     

    |

     

    200

     

    1 0 0 

    lßg>CMOCMQ--0

     ocsoh-oocüinooŵoôT-oj

    Tail

     

    Figure

     

    1

     

    Sample 

    Battalion

     

    Flow

     

    Chart

     

    for

     

    a

     

    UH-60

     

    Battalion

     

    The

     

    graph

     

    shows 

    th e

     

    relationship

     

    between 

    flight hours for

    sequentially

     sorted aircraft

     an d

     the

     D A

     goal 

    (shown

     

    as

     

    line).

     The D A  

    goal line establishes a 

    steady-state

     flow 

    of

     aircraft into phase 

    maintenance.

     

    When

     f l i gh t 

    h o u r s

     

    remain ing  unt i l

     

    p h a s e

     

    main tenance

     

    are

     ke p t

     

    o n

     the

     

    DA g o a l 

    l ine, 

    th e

     times between the

     

    aircraf t phase main tenance du e dates

     

    are

     

    equal between the 

    aircraft .

     or

     instance , if the 

    n e x t

     aircraf t 

    du e

     phase main tenance h as 

    3 0 

    h o u r s

     remain ing , 

    and

     the unit's opera t iona l

     

    tempo ( O P T E M P O ) av erages 15 

    f l i gh t hours /per ai rcraf t /per

     

    month ,

     

    then the 

    n e x t 

    phase 

    maintenance

     beg ins

     

    in

     

    a b o u t 2

     

    m o n t h s

     

    (6 0

     

    days) . By 

    keeping

     

    th e 

    ai rcraf t

     on the DA g o a l line

     

    (or parallel to

     

    it ) th e

     

    sequenc ing

     

    of aircraf t into phase 

    maintenance  is  equal .

     

    h is  prevents a b a c k l o g

     

    of aircraft wait ing  

    fo r

     phase main tenance . 

    Many battal ions

     

    i gnore  DA guidance and do

     

    not m a n a g e their ai rcraf t f l ow  since  

    cur ren t

     helicopter battal ion 

    measures 

    of ef fect iveness  ( M O E s ) 

    do 

    no t requi re 

    report ing  

    of 

    ind iv idua l

     

    aircraft

     

    f l i gh t

     

    hour

     

    ( t ime

     

    remain ing

     

    unt i l

     

    phase

     

    maintenance) .

     

    T h e

     

    pr imary

     

    MOE

     

    for

     

    a

     

    helicopter 

    battal ion 

    is

     th e 

    percen tage

     

    of

    aircraft 

    that

     

    are

     

    Ful ly Mission 

    C a p a b l e

     

    ( F M C ) with a  DA goal of7 5 %  

    F M C . 

    F M C

     is

     th e 

    percen tage

     of time within the 

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    16/55

    previous m o n t h tha t an

     

    aircraf t

     is 

    able to  per f o rm

     

    it s 

    füll

     wartime

     

    miss ion

     ( D A ,

     9 9 2 ) . 

    T h e

     battal ions

     m u s t

     

    repor t

     percen t F M C

     

    to  h i g h e r 

    headquar te rs

     

    o n

     th e

     

    15

    th

     of

     

    each

     month .

     

    T h e percent 

    F M C

     

    measures th e battalion's

     

    ability to

     

    mainta in helicopters 

    operat ional ly ready, b u t 

    it

     provides 

    very 

    little

     

    indicat ion

     

    of

     a 

    battalion's deploy   ability.

     

    A n

     aircraf t is

     deployable 

    if it is

     both F M C  

    and

     h as 

    a m i n i m u m  

    n u m b e r

     

    ofhours unt i l 

    phase maintenance . t

     

    is easy to  see

    that

     a 

    battal ion

     

    could

     

    report 9 0 %  

    F M C

     for a g iven  

    m o n t h

     and have several aircraf t with

     

    only

     

    a few

     

    f l i gh t

     

    h o u r s

     remain ing unt i l

     

    phase 

    main tenance .

     

    s long as

     those

     

    aircraf t

     

    a re  operat ional , they

     

    a re  repor ted 

    as

     F M C , 

    however ,

     

    they

     

    are

     

    no t

     

    considered

     

    dep loyab le

     

    unt i l

     

    phase

     

    maintenance

     

    is 

    comple te .

     

    This

     

    si tuat ion w o u l d

     

    no t be visib le

     

    o n th e 

    battalion's 

    m o n t h l y

     

    report . 

    Battal ions that 

    do 

    m a n a g e aircraf t f low  tend to 

    do

     so

     o n 

    a

     daily 

    basis , with th e  

    battal ion main tenance

     

    of f ice r (ma in tenance c o m p a n y

     

    c o m m a n d e r ) 

    dictating

     

    o n

     

    a b y-  

    miss ion

     

    bas i s 

    w h i c h

     ai rcraf t

     to

     

    f ly . h is

     

    leads

     to

     

    react ive

     

    micro-management

     

    of

    th e

     

    company's aircraf t f l i gh t h o u r s b y  

    th e

     

    battal ion

     rather than 

    proact ive

     management b y th e  

    f l i gh t

     

    c o m p a n y c o m m a n d e r . 

    B .

     

    HISTORIC CASE STUDY  

    T h e 1

    st

     A r m o r e d Divi s ion ( A D ) ,

     

    current ly

     

    ass igned in

     

    G e r m a n y , provides an  

    e x a m p l e where th e lack

     

    of individual aircraf t

     

    f l i gh t

     

    h o u r al locat ion resul ted in

     

    a non-  

    deployable

     

    hel icopter battalion. During  th e Dayton P e a c e A c c o r d arbi trat ion proces s , 

    prior

     

    to

     

    the

     

    U . S .

     

    implementa t ion

     

    force

     

    ( I F O R )

     

    d e p l o y m e n t

     

    to

     

    Bosn ia ,

     

    st

     

    AD's

     

    UH-60

     

    B l a c k h a w k 

    bat ta l ion 

    repor ted

     8 9 %

     

    F M C . G i v e n

     

    the

     

    DA g o a l of 7 5 % , al l reportable 

    indicat ions

     s h o w e d 

    th e

     battal ion w a s ready

     

    fo r

     dep loyment . Upon notification

     

    of it s  

    impending

     

    dep loyment , the

     

    s

    t

     

    A D t ra ined

     

    ex tens ive ly

     fo r

     

    th e

     

    mission. h e 

    Dayton

     

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    17/55

    Peace A c c o r d s w e r e s igned

     

    in late November 1 9 9 5 ,

     

    and 1

    st

     A D was

     

    ordered  to

     

    dep loy to  

    th e 

    f o r m e r

     

    Y u g o s l a v 

    Republ i c

     

    (Bosn ia ) .

     

    mmedia te ly

     th e U H - 6 0 

    Battalion 

    s e n t 

    u p

     

    a red  

    f lag . h e

     

    aviat ion br igade

     

    c o m m a n d e r directed  that

     

    aircraf t

     

    with

     

    less

     

    than

     

    7 5

     f l i gh t 

    hours remain ing unt i l p h a s e maintenance  w o u l d

     

    not deploy. h is

     

    a f f ec ted nine

     

    of th e

     

    battalion's 2 4  

    U H - 6 0

     B l a c k h a w k s . h is  

    prob lem  w as

     previous ly

     unnoticed

     above

     

    the 

    br igade 

    level 

    and w as

     

    directly  attr ibutable to  a lack  off l i gh t hour al locat ion m a n a g e m e n t 

    within

     

    th e battalion.

     

    h e 

    prob lem

     w as

     f u r the r

     

    ace rba ted

     

    b y the

     

    high

     

    O P T E M P O  of the

     

    required

     training  

    prior 

    to

     

    thei r 

    dep loyment .

      F i g u r e 

    2

     s h o w s

     

    an

     e x a m p l e

     

    of

    this

     

    type

     

    of 

    main tenance

     f low

     

    prob lem. 

    Battalion Flow

     

    Chart 

    60 0  

    50 0  

    OOJCMCOCMOr-OCDCOCNOr̂OOCNOOOCOTroOT-T-CD

    o

     

    4-coo)r>̂ rcMc»̂r

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    18/55

    deployments,

     battalions

     

    can 

    achieve

     

    higher

     

    deployability

     

    by deviating

     

    f rom

     th e

     D A

     

    goal

     

    line,

     

    however ,

     for

     long  

    term

     

    planning

     

    under

     

    conditions

     ofuncertainty, 

    th e

     

    D A  goa l 

    line

     

    provides

     

    th e

     

    best

     

    solution 

    fo r max imu m  deployability at an y

     time.

     

    his

     

    thesis allocates 

    f l ight

     

    hours to g et as close to  

    th e

     D A goal line

     

    as

     possible. hapter

     

    V

     

    addresses

     

    intentional deviat ion

     

    from  th e D A goa l line

     

    fo r k no wn deployments . 

    C. 

    PROBLEM

     

    DEFINITION  

    A n

     

    A r m y 

    helicopter

     

    battalion

     must

     be 

    prepared 

    fo r

     missions

     

    that can vary

     

    daily. 

    T he

     

    A r m y

     

    organizes 

    aviation

     maintenance activities

     

    to

     

    provide

     

    th e

     

    battlefield c o mmander 

    with 

    th e

     

    max imu m

     

    nu mber

     of

     

    safe,

     

    mission-capable

     

    aircraft

     

    to

     

    meet

     

    its

     

    missions

     

    (DA,

     

    1995 ) .

     

    iven

    th e

     vas t array

     

    of

    mission

     

    profiles

     for the

     

    combat

     aviation  unit, from 

    direct,

     

    high 

    intensity

     

    conflict

     to operations other 

    than

     war, battalions can 

    expec t

     to deploy as  

    either

     a 

    battalion assigned 

    to

     

    an

     aviation

     brigade

     level task

     

    force o r

     

    as 

    smaller

     

    sized 

    (company 

    and

     below) support

     

    packages .

     

    herefore, 

    th e

     

    battalion must be

     

    prepared 

    fo r

     

    any

     

    cont ingency. 

    large

     

    part

     

    ofthat

     

    preparation is 

    a

     well-established

     

    battalion

     

    phase 

    maintenance

     

    f low

     ( D A ,

     

    1995 ) .

     

    In

     order to  

    maintain

     an 

    effective

     phase maintenance f low, th e battalion 

    c o mmander

     

    mu st

     

    balance

     

    his operation 

    an d

     training

     

    requirements 

    against 

    his maintenance 

    effort .

     

    he 

    battalion 

    staff

      and

     

    th e

     

    f l ight 

    company 

    commanders 

    ar e

     responsible

     

    fo r

     

    th e 

    operational 

    an d 

    training aspects. he

     

    battalion maintenance off icer

     

    is

     

    responsible

     

    fo r th e 

    maintenance

     

    effort .

     

    he

     battalion

     

    c o mmander

     

    manages

     

    resources

     

    through

     

    f l ight

     

    hour

     

    allocation

     an d

     maintenance management

     within

     

    a

     

    planning

     

    cycle 

    (Planning  

    cycles

     are  

    typically

     

    monthly and

     

    this

     

    thesis

     

    uses 

    only monthly 

    planning cycles

     

    fo r 

    computat ional 

    studies,

     

    although 

    F H A M

     

    an d Q F H A M

     

    are

     

    appropriate

     fo r

     

    an y

     

    planning  cycle length). 

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    19/55

    T he

     battalion

     

    maintenance off icer

     

    mu st

     

    recommend

     

    th e

     

    f l ight

     h o u r

     allocation

     

    fo r 

    each

     

    aircraft

     

    assigned to  th e battalion

     

    at th e beginning ofeach 

    planning

     cycle. Prior to  

    making

     

    this

     recommendat ion,

     

    he 

    mu st

     

    k no w  th e

     

    fo l lowing

     

    information:  

     

    attalion

     

    commander ' s

     

    f l ight

     hour goa l 

    fo r

     

    planning

     

    cycle. 

    • 

    u mber

     of f l ight hours 

    remaining until

     

    phase

     

    maintenance 

    f o r each aircraft in  

    th e

     battalion. 

    • inimum  

    percentage of

    battalion

     f l ight 

    hours 

    each 

    company

     

    receives.

     

    • 

    ost probable

     status ofan y on-going  phase

     maintenance

     at

     

    th e en d

     

    of

    th e

     

    planning

     

    cycle.

     

     

    inimum

     and m a xi m um  

    f l ight 

    hours 

    each

     aircraft flies 

    during

     th e planning  

    cycle.

     

    T he A r m y

     

    can benef i t

     

    from  an

     

    optimization  program  to  

    help

     hel icopter battalions 

    allocate

     

    f l ight hours. chieving  

    an d

     maintaining

     

    a steady-state f low

     

    of aircraft into phase 

    maintenance

     

    guarantees 

    a constant 

    nu mber

     

    ofaircraft available

     

    f or

     

    deployment without

     a

     

    phase 

    maintenance

     backlog .

     F H A M

     can help 

    th e

     

    battalion

     maintenance off icer 

    determine

     an optimal 

    f l ight h o ur 

    distribution 

    between

     

    individual

     

    aircraft . he 

    battalion 

    maintenance off icer

     

    applies

     

    current mission

     

    criteria

     

    and aircraft limitations 

    while

     

    setting

     

    up 

    th e

     

    constraints

     

    within

     

    Q F H A M . Having solved 

    for 

    th e optimal 

    f l ight

     

    h o ur

     

    allocation, 

    th e

     battalion

     

    maintenance

     

    officer then

     

    issues

     

    f l ight

     

    hour

     

    allocation

     

    goa ls

     fo r th e 

    f l ight

     

    company

     

    commanders

     

    fo r

     

    th e

     

    planning

     

    cycle.

     

    This

     thesis

     

    analyzes

     

    th e

     stated

     optimization 

    problem

     with F H A M

     

    and Q F H A M . 

    F H A M

     

    validates th e

     

    exportable

     ( to

     battalions) 

    Q F H A M .

     

    F H A M  

    is

     

    a

     

    m ixe d

     

    integer

     

    linear 

    program

     

    with  penalties

     

    per hour

     

    deviation

     

    that

     

    increase

     

    as

     

    th e

     

    f l ight

     

    hours

     

    f rom  th e  

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    20/55

    desired 

    D A

     

    goa l

     line increase. he

     

    resulting aircraft

     

    f low 

    should be as

     

    parallel as  

    possible

     

    to

     

    th e

     

    D A  go a l 

    line

     an d

     

    thereby

     

    provide 

    a

     steady-state

     

    f low 

    of aircraft 

    into 

    phase

     

    maintenance. 

    F H A M

     

    changes 

    th e

     

    methodology

     

    of

    th e

     battalions from  reactive 

    micro-

     

    management 

    to 

    proact ive management . onducting th e flight h o ur

     allocation

     on

     

    a

     

    periodic

     basis 

    rather

     

    than

     

    managing 

    on

     a

     miss ion-by-miss ion basis,

     gives

     

    th e

     f l ight

     

    company c o mmander

     

    th e

     

    f lexibility

     

    to manage his ow n aircraft assets

     within

     

    planning  

    cycle

     

    rather than

     

    having

     

    th e

     choice

     of aircraft for

     

    missions dictated 

    on

     

    daily

     basis.

     

    D.  OUTLINE 

    Chapter

     

    I I

     

    describes

     

    related

     

    research.

     

    hapter

     

    m

     

    formulates

     

    both

     

    th e

     

    mixed

     

    integer

     

    linear program  an d

     

    th e

     quadrat ic

     

    program. 

    hapter IV

     

    provides

     

    results

     

    from  

    both

     

    programs

     

    using 

    data

     f rom

     

    a U H - 6 0 battalion's annual flying 

    h o ur

     program.

     

    nalysis 

    includes

     

    both typical

     

    training 

    an d

     

    contingency

     scenarios. hapter V  discusses th e 

    implementat ion 

    of

    Q F H A M

     and 

    th e

     ramif icat ions

     of current

     

    helicopter

     battalion  M O E 's

     

    an d 

    possible alternative

     

    M O E ' s .  

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    21/55

    H.

      RELATED

     RESEARCH  

    A  literature  review  

    revealed

     several examples of similar work . However , 

    previous models 

    addressing

     issues of scheduled maintenance on

    repairable

     systems are  

    no t

     

    directly adaptable

     

    to

     

    th e

     

    problem

     

    addressed 

    by

     

    this

     

    thesis.

     

    he

     

    bulk

     

    o f   th e 

    w o r k done

     

    fo r

     

    aircraft scheduling

     

    addresses mission

     

    ass ignment 

    to

     specific

     

    aircraft with

     no

     

    consideration 

    given

     to major scheduled maintenance 

    procedures. n

     models 

    addressing

     

    major scheduled maintenance

     

    procedures,

     

    systems are  

    grouped

     by

     

    ag e

     

    of device

    with

     no 

    consideration to

     

    individual 

    sys tems

     (e.g. ,

     

    aircraft). he only

     model found 

    that

     

    specifically

     

    addresses

     

    necessary

     

    issues

     

    contained

     

    in

     

    F H A M

     

    and

     

    Q F H A M

     

    is

     

    developed

     

    by

     

    D A .

     

    he

     

    fo l lowing 

    contains

     a 

    brie f  

    discussion of

    related

     models an d their 

    relevance

     to  

    th e

     problem addressed 

    in  

    this

     

    thesis.

     

    D A

     prescribes 

    a

     technique fo r

     

    establishing

     a

     steady-state

     

    flow

     

    of

    aircraft 

    into  

    phase

     

    maintenance 

    called 

    th e sliding scale scheduling

     

    method ( S S S M ) 

    (DA, 

    1995) . 

    U n d e r th e

     

    A R I

     

    organized battalions, th e S S S M requires th e battalion  maintenance off icer 

    perform

     

    th e fo l lowing

     steps:

     

     

    lo t

     

    th e actual 

    f l ight

     

    hours an d

     

    manually

     

    draw

     

    a

     

    linear

     

    approximation

     

    of this  

    plot;

     

    • 

    ivide

     

    th e

     

    number

     of

    f l ight

     hours

     

    available

     

    for

     th e nex t 

    planning

     cycle 

    (given b y

     

    battalion

     

    commander )

     

    by

     

    th e

     nu mber

     

    of

    aircraft

     

    assigned  to  

    th e

     

    battalion; 

     

    ubtract

     

    th e average 

    f l ight

     hours

     

    per aircraft

     

    f rom 

    th e

     

    Y-ax is

     

    intercept

     

    ofth e 

    linear

     

    approx imat ion

     

    of th e battalion's current 

    aircraft

     flow; 

    an d

     

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    22/55

      Draw a l ine (ad justed

     

    g o a l l ine)

     

    parallel

     

    to  

    th e

     DA g o a l line such that it  

    in tercepts th e

     

    Y - a x i s

     at

     th e adjusted

     

    Y- in te rcept ( F i g u r e 3 ) . 

    T h e 

    battal ion

     

    main tenance

     

    of f ice r then

     

    de te rmines 

    th e

     r e c o m m e n d e d  f l i gh t

     

    hours

     

    b y calculat ing th e dif ference

     

    be tween

     actual

     

    f l i gh t

     

    h o u r s

     

    and 

    th e

     

    adjusted

     

    g o a l 

    line. 

    f

     an

     

    aircraf t is 

    below  th e

     adjusted line, 

    then 

    that 

    aircraf t

     is 

    no t 

    f lo wn. 

    Example 

    of SSSM  

    -D A Goal Line 

    ea r  Approximation 

    Figure

     

    3 -

     An example of  the

     

    DA sliding

     

    scale scheduling  method

     

    (SSSM).

     

    F or simplicity, SSSM

     

    is

     

    shown 

    for

     a 

    flight

     company. 

    The

     

    DA goal line

     

    shows

     

    th e

     

    desired

     

    position

     of  

    the 

    aircraft.

     

    The

     

    linear 

    approximation

     

    shows

     

    the

     

    battalion

     

    maintenance

     

    officer's

     

    estimate

     

    of

     

    a

     

    linear

     

    f it

     to 

    th e

     

    actual

     

    flight

     hours.

     

    The  adjusted goal line shows the line 

    parallel

     

    to

     the DA goal 

    line

     

    with

     a Y-intercept determined by 

    subtracting 

    the 

    average

     

    number of  

    flight

     hours for the

     

    aircraft

     

    for this

     planning 

    cycle from

     

    the

     

    Y-intercept 

    of   the

     

    linear

     approximation F or 

    example, 

    aircraft

     2  ca n f ly

     400

     

    37 5

     

    =  2 5

     

    hours,

     while Aircraft

     5 

    is

     

    allocated

     

    zero

     hours. 

    The

     

    adjusted

     goal line i s 

    the

     

    desired

     end-state after the 

    planning

     cycle. 

    T h r o u g h o u t

     a ten

     

    yea r

     aviation 

    career , the

     

    au thor h as never 

    obse rved

     

    n o r 

    heard of 

    any

     

    aviat ion

     

    battal ion

     using S S S M . W h a t e v e r 

    shor tcomings

     

    kept S S S M  f rom  

    being

     used , 

    it 

    is

     

    less appropriate  for today's A R I

     o rganized 

    battal ions

     as

     

    it

     is des igned fo r u se

     

    a t a 

    c o m p a n y

     

    level.

     

    rev ious

     

    battal ion

     

    organizat ions

     

    ( p r e - A R I )

     

    h ad

     

    m u c h

     

    l a rger

     

    f l i gh t

     

    c o m p a n i e s

     with 

    their

     

    o w n 

    main tenance sect ions

     a l lowing

     p h a s e

     

    maintenance  

    m a n a g e m e n t

     

    a t

     

    th e

     c o m p a n y level .

     

    owever , with res tructuring

     

    of

    th e

     bat ta l ion , 

    all

     

    phase 

    maintenance

     

    is n o w

     

    m a n a g e d

     at

     th e battal ion level.

     

    t th e battal ion level, S S S M  

    10

     

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    23/55

    does

     n o t

     

    ensure

     any  type of 

    equitable

     

    distribution  

    of

    f l i gh t 

    time

     between

     

    th e

     compan ies .  

    Als o , 

    when aircraf t fall below  th e adjusted g o a l l ine,

     

    then as s i gned f l i gh t h o u r s fall

     

    below 

    th e

     

    al located f l i gh t hours for th e planning

     cycle .

     

    general ,

     the sliding

     

    scale

     

    schedu l ing  

    m e t h o d 

    provides

     a generic planning  tool , b u t it s

     

    lack of

    f lex ibi l i ty

     and s impl ic i ty m a k e it  

    unusab le

     at

     

    th e

     

    battalion 

    level .

     

    Other m o r e

     

    sophist icated

     

    methods

     w e r e 

    f ound

     

    in the literature. Bargeron ( 1 9 9 5 )  

    addresses

     

    readiness

     

    issues

     f rom  schedul ing d e p o t level 

    maintenance

     ofMarine

     

    C o r p s

     

    Ml Al m a i n battle tanks . e

     dev elo ps a

     linear integer

     

    p r o g r a m

     

    with an i m b e d d e d

     

    mult i - 

    c o m m o d i t y

     

    network

     

    structure

     

    to

     

    so lve 

    the

     

    tank

     

    maintenance

     

    prob lem.

     

    Bargeron'

    s

    l inear

     

    in teger p r o g r a m contained 3 6 , 2 8 4  

    variables and 1 2 , 7 0 5 

    constra ints .

     

    h e

     l inear

     integer 

    prog ram

     solves

     

    in  6 7 4 . 2 9

     C P U

     

    seco nds 

    o n 

    an IBM 

    R S / 6 0 0 0  Model 5 9 0 H  

    compute r .  

    Bargeron's

     

    l inear

     

    in teger

     

    prog ram

     

    h as

     

    s o m e

     

    similarit ies,

     s u c h

     

    as

     

    scheduled

     

    maintenance  

    based

     

    on u s a g e

     and 

    a t ime in tensive 

    maintenance

     procedure . o w e v e r ,

     

    there are

     

    s o m e 

    basic

     

    dif ferences

     

    be tween

     

    h is

     

    l inear 

    integer

     prog ram

     

    and the

     problem  addres sed in

     this 

    thesis: Bargeron g r o u p s 

    t anks

     within a 

    battal ion 

    based o n

     

    ag e

     

    g r o u p s

     in  

    order to avo id

     

    t racking

     

    individual t anks

     

    and 

    h is

     pr imary

     

    object ive is to

     

    minimize

     th e

     

    c o s t of a viab le 

    maintenance

     

    scheduling  

    plan.

     

    Sgas l ik

     

    descr ibes 

    a decis ion suppor t 

    system

     

    des igned

     

    to

     

    assis t 

    with

     

    maintenance  

    planning

     

    and

     miss ion

     ass ignment fo r a G e r m a n  UH-1H ( H u e y ) 

    Helicopter

     Regiment 

    (Sgas l ik ,

     

    9 9 4 ) . 

    n

     

    order

     

    to

     

    so lve this

     prob lem,

     Sgas l ik

     

    deve lops an

     elastic,

     m i x e d

     

    integer

     

    l inear p r o g r a m . gas l ik 's m i x e d

     

    in teger l inear program  conta ined 2 , 6 0 0 variables ,

     

    9 , 0 0 0  

    non- ze ro 

    e lement s , and 1 , 2 0 0

     

    constraints.

     

    h e m i x e d

     i n teger l inear

     

    p r o g r a m so lves

     

    in  

    less

     

    than

     15

     minutes

     o n

     

    an

    I B M  

    compat ib le

     

    4 8 6 / 3 3 compute r .

     

    l t hough  

    this problem 

    11 

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    24/55

    deals

     with

     scheduled

     maintenance

     i ssues , 

    th e

     

    pr imary

     ob jec t ive is

     the a s s i g n m e n t 

    of

     

    miss ions to  individual 

    aircraft .

     n 

    this

     situation, the 

    miss ions

     

    and the

     

    miss ion length are  

    k n o w n 

    fo r

     

    each

     

    planning

     

    cycle. 

    F a b r y c k y

     

    and Blanchard

     

    ( 1 9 8 4 )

     

    address

     

    the

     

    issue of mode l ing

     repai rable

     

    e q u i p m e n t popu la t i on sys tems ( R E P S ) . h e R E P S m o d e l uses f inite queuing  theory  to  

    evaluate

     

    the costs as

     

    wel l as des ign 

    of

     a service 

    facility.

     a b r y c k y and

     Blanchard t rack

     

    i tems based o n a

     

    dev ice

     ag e

     grouping

     and 

    m o d e l s parts

     

    requ i rements

     

    and

     

    repairs us ing  

    nested Markov

     

    chains .

     

    h is

     

    R E P S

     m o d e l

     deals not 

    only

     in scheduled main tenance , b u t 

    also

     

    in

     

    th e

     

    s tochas t ic

     

    nature

     

    of

    unschedu led

     

    maintenance

     

    whi l e

     

    this

     

    thes is

     

    does

     

    n o t

     

    address unschedu led

     main tenance . h e 

    R E P S

     m o d e l 

    g r o u p s 

    sys t ems

     

    of similar ag e 

    characteri s t ics whi l e this 

    thesis

     requ i res

     

    individual aircraft

     

    t racking . 

    A  f inal 

    m o d e l

     

    that

     

    deals

     with

    A r m y

     

    helicopters

     

    is

     

    the

      P h o e n i x

    m o d e l ( B r o w n , 

    C l e m e n c e , 

    Teufert ,

     and

     W o o d ,

     9 9 1 ) .

     h e

     

    Phoenix

     m o d e l 

    schedules

     

    p r o c u r e m e n t

     and

     

    re t i rement for the Army's

     

    helicopter fleet .

     

    h e m o d e l 

    handles

     16 

    di f f e ren t

     

    hel icopter

     

    p la t f o rms 

    spann ing

     

    a

     

    planning  

    cyc le

     

    of

    2 5

     

    years .

     

    h e 

    modern iza t ion op t ions 

    cons ide red

     

    in  

    Phoenix

     mo del :  

    • rocuring

     

    new  

    aircraf t

     

    through

     comple te ly

     

    new  produc t ion

     

    campa igns ; 

    • 

    rocu r ing

     aircraf t through

     

    b lock 

    modi f i ca t i on

     in

    w h i c h act ive produc t ion

     

    c a m p a i g n s

     are  altered

     

    to

     

    i ncorpora te

     

    enhancements ;  

     

    ervice

     

    life

     

    ex tens ion

     

    p r o g r a m s

     

    ( S L E P s ) ;

     

    and

     

     

    etirement

     

    of obso le te

     

    aircraft . 

    1 2  

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    25/55

    Although

     Phoenix  

    does

     

    not

     address issues 

    involved

     

    with  

    th e

     problem

     

    addressed

     in  

    this

     

    thesis, Phoenix  

    shows A r m y

     Aviat ion will ingness

     

    to  use

     

    optimization  planning systems. 

    1 3

     

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    26/55

    14

     

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    27/55

    m.

     

    OPTIMIZATION

     

    MODELING

     

    OF

     

    THE

     FLIGHT  HOUR  ALLOCATION  

    PROBLEM  

    T he

     

    mixed integer linear program

     

    ( F H A M ) and th e quadratic program

     

    ( Q F H A M ) 

    use 

    th e

     fol lowing information: 

     

    attalion

     

    Commander ' s f l ight

     ho u r 

    goal for

     th e 

    planning 

    cycle

     expressed

     

    as

     

    th e minimum

     an d

     max imu m

     

    number

     

    ofhours . 

    • 

    u mber of

    f l ight

     

    hours

     

    remaining  until

     

    phase

     

    maintenance

     

    fo r

     

    each

     

    aircraft 

    in  

    th e

     

    battalion.

     

    • inimum

     

    f l ight hours

     

    fo r

     

    each

     company.

     

     

    ost probable status

     ofan y

     on-going

     

    phase

     

    maintenance at th e 

    en d

     

    of

    th e

     

    planning 

    cycle. 

    • inimum

     

    an d 

    m a xi m um 

    f l ight

     

    hours each

     

    aircraft flies during  th e planning  

    cycle.

     

    F H A M  bases al l

     

    penalties 

    on 

    a least squares approximation.

     

    This approximation  

    thus 

    penalizes

     

    more

     

    heavily

     fo r 

    larger

     

    relative

     

    f l ight

     

    h o ur

     

    deviation

     

    f rom

     

    th e

     

    D A

     

    goal

     

    line.

     

    A. 

    MIXED

     INTEGER

     

    LINEAR

     

    PROGRAM  FORMULATION  

    This 

    thesis

     

    uses a 

    standard

     U H - 6 0

     

    Blackhawk

     A ir  

    Assaul t Battalion

     

    ( 5 0 0

     

    f l ight 

    hours between 

    phase

     

    maintenance)

     

    fo r demonstrat ion purposes:

     F H A M

     and Q F H A M  

    can

     

    also

     

    be

     easily

     adapted fo r A H - 6 4 

    or

     

    C H-4 7 bat tal ions.

     

    he total hours f lown meets  

    th e 

    constraint

     given by

    th e

     battalion commander ' s f l igh t hour goal .

     

    he distribution

     

    of

     

    f l ight hours between th e

     f l ight 

    companies is

     

    held equitable based on

    th e 

    desired  

    allocation

     between

     th e

     

    companies. Finally, th e

     

    objective

     

    is

     to

     minimize

     

    th e 

    sum 

    of th e 

    individual

     

    penalized 

    f l ight 

    hours

     from

     

    th e

     D A

     

    goal 

    line.

     

    he 

    outputs

     

    f rom  F H A M

     

    are  th e

     

    1 5

     

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    28/55

    al located f l i gh t 

    h o u r s

     

    p er aircraf t

     

    per planning

     

    cycle. T h e

     

    f o l lowing s h o w s  FHAM's 

    formula t ion in  N a v a l Postgraduate 

    S c h o o l

     

    ( N P S ) 

    format :  

    Indices:

     

    i

     

    nterva l 

    f rom  

    th e DAg o a l 

    l ine

     (e .g . , 1,2,...,10);

     

    p

     

    osition

     

    of aircraf t 

    o n th e battal ion 

    f low

     

    cha r t (e .g . , 

    st

     

    ,2

    nd

     .

     . , 24

    th

    );

     

    x

     i rc raf t tail number

     (e .g . , 8 0 , 

    2 5 4 , ; 

    and

     

    c

     

    o m p a n y (e .g . ,

     

    , B ,

     

    o r

     

    C ).

     

    Se t s : 

    A I R C R A F T c

     

    S et

     

    of

     

    al l

     

    ai rcraf t

     

    in

     

    C o m p a n y

     

    c.

     

    Given Data: 

    BFH

     

    i n imum

     

    f l i gh t

     

    h o u r 

    al locat ion

     

    f o r th e 

    battal ion

     

    during  

    planning 

    cyc le

     

    (hours ) ; 

    BFH

     a x i m u m

     

    f l i gh t

     

    h o u r 

    al locat ion 

    fo r th e battal ion

     

    during  

    planning  

    cycle

     (hours ) ;

     

    D A G p

     

    A

     

    g o a l

     

    for

     

    aircraf t

     

    ass igned

     

    posi t ion

     

    p

    o n

     

    th e

     

    D A

     

    g o a l

     

    line

     

    (hours ) ; 

    FfTPx

     

    light h o u r s remain ing unt i l 

    p h a s e

     maintenance

     

    du e f o r 

    aircraf t

     

    x

    (hours ) ;

     

    INTERVAL^

     A l l o w e d

     deviat ion

     

    within 

    the

     

    I

    th

     interval 

    for

     

    aircraf t

     

    x

    (hours ) ; 

    M A X F L Y x  

    M a x i m u m

     

    f l i gh t

     

    h o u r s for aircraf t

     

    x

    (hours ) ; 

    M T N C O c

     

    M i n i m u m

     

    battalion

     

    f l i gh t

     

    h o u r s

     

    fo r

     

    c o m p a n y

     

    c

    (hours ) ;

     

    M T N F L Y x  M i n i m u m  flight h o u r s fo r

     

    aircraf t

     

    x (hours ) ; 

    NEGPEN

    r

     

    Penal ty per

     

    flight hour

     

    b e l o w

     

    th e

     

    DA

     g o a l line

     within 

    th e

     

    r*

     

    in terval for

     ai rcraf t 

    x ( e .g . , 

    0,10,30,...,

     1 7 0 ) 

    (penalty

     

    uni ts /

     

    ho ur ) ;

     

    1 6

     

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    29/55

    P O S P E N

    r

     

    T A H

    X  

    Decision

     

    Variables:

     

    devneg

    x

     

    devposx,, 

    f ly , 

    X x, p

     

    Penalty per f l ight hour

     

    above th e D A  

    goal

     

    line within 

    th e

     

    i

    th 

    interval fo r

     

    aircraft

     

    x

    (e.g. ,

     0 ,10 ,30 ,

     

    . . . ,170) (penalty units/  

    hour ) ; 

    an d

     

    Total

     

    f l ight

     hours fo r 

    aircraft

      x (hours) . 

    T he

     

    f l igh t hours aircraft

     

    x is below th e D A  goa l

     

    line 

    within

     

    th e 

    i* interval

     

    (hours) ;

     

    T he

     

    f l igh t

     

    hours 

    aircraft 

    x exceeds

     

    th e

     

    D A  goal line 

    within th e

     

    I

    th

      interval (hours) ; 

    Fl igh t

     

    hours

     

    fo r

     aircraft  x during  planning

     

    cycle

     

    (hours) ; an d 

    O ne

     if

    aircraft

     

    x

    is

     

    assigned

     

    to

     

    th e

     

    p

    th

     

    position,

     

    zero

     

    otherwise.

     

    17

     

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    30/55

    FORMULATION

     

    Minimize 

    th e

     

    Objective

     

    Function... 

    ]T  £

    [POSPEN, 

    *

     

    devpos

    T

    .

     

    +

     

    NEGPEN ,

     

    * devneg

    zi

     

    ]

     

    Objective 

    Subject 

    to . 

    HTP

    t

     fy

    t

     ̂ AG, x

    tt

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    31/55

    T he objective 

    function

     

    is 

    th e

     sum

     

    of

    th e

     penalized  f l ight

     

    h o ur

     

    deviation

     

    ofth e  

    battalion's 

    aircraft

     

    f rom  th e D A

     goa l line.

     

    he f l ight 

    hour

     deviation 

    penalty

     p er 

    unit is  

    dif ferent

     depending  on the deviation

     

    interval.

     

    F o r

     

    example,

     

    assume aircraft 

    # 2 5 4

     

    is  

    assigned

     

    to

     

    th e 5

    th

     

    position

     

    an d is

     

    2 3 hours

     above 

    th e D A  goa l

     line.

     E a c h

     

    interval allows

     

    only

     

    10

     hours

     ( I N T E R V A L ^ , ,

     = 

    1 0

     

    V i)

     

    an d 

    th e

     

    penalties

     

    fo r

     

    th e

     

    first three

     intervals

     are: 

    POSPEN^,; 

    =

     

    0,

     

    P O S P E N 2 5 4

    2

     

    1 0 ,

     

    P O S P E N

    2 5

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    32/55

    B . 

    QFHAM

     

    FORMULATION

     

    QFHAM's

     object ive 

    func t ion

     is

     th e

     sum  ofthe squared 

    f l i gh t

     hours a b o v e 

    or

     

    be low  th e DA g o a l

     

    l ine, 

    Objective

     =

    Min̂  

    HTP

     

    ß

    t

     

    ÂG

    p

    *

    x

    ^

     

    w h e r e posi t ions 

    of

    th e

     

    aircraf t within the battal ion flow 

    char t

     (x

    T > p

    are

     f i xed .

     

    pre-  

    process ing 

    step 

    f i x e s aircraf t posi t ion based o n

     

    current f l ight

     

    hours remain ing 

    unt i l 

    phase  

    maintenance

     ( H T P

    T

    and

     the 

    m i n i m u m  

    f l i gh t

     

    hours

     

    for 

    each 

    aircraf t during  th e

     planning

     

    cycle

     

    ( M I N F L Y , ) .

     

    A

     

    V i s u a l

     

    Basic

     

    M a c r o

     

    ( E x c e l ,

     

    1 9 9 6 )

     

    subtracts

     

    MINFLY

    X

     

    f rom

     

    H T P

    X

    ,

     

    sorts

    th e

     

    ai rcraf t 

    based o n the

     

    result , and

     

    f i xe s

     

    the 

    ai rcraf t 

    to

     

    their sorted order . 

    With the posi t ion

     

    f i xed , there 

    are

     

    only

     three constraints:  

    Y f̂ly* 

    >MINCO

    c

     

    V c  Cons t ra in t

     # 5

     

    reAIRCRAFTc 

    BFH 

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    33/55

    IV .  COMPUTATIONAL

     

    RESULTS 

    This chapter

     

    describes 

    th e

     

    validation

     

    of 

    F H A M

     an d Q F H A M  within both typical 

    training  and contingency planning 

    scenarios.

     he

     

    validation

     determines

     th e extent 

    to  

    which 

    th e

     

    system

     

    accurately 

    represents

     th e

     

    intended

     real

    wor ld

     

    phenomenon f rom  th e 

    perspective of th e customer

     

    of th e

     

    mo de l (the

     

    aviation battalion) (DA,

     

    1993) . 

    F H A M

     

    contains

     

    6 2 0

     continuous

     

    variables,

     

    115 

    discrete 

    variables, 2 ,013 

    non-zero

     

    elements,

     

    and 

    6 30

     equations. 

    F H A M

     solves 

    using

     G A M S , 

    Release

     2 .25

     

    (Brooke, 

    Kendrick,

     

    Meeraus , 

    1 9 9 6 ) on

     

    a

     16 6

     

    M H z

     PC

     

    within  6 2 seconds using  th e G A M S XA  

    solver

     (Brooke ,

     Kendrick, Meeraus , 1996) . F H A M  is

     

    implemented using a Microso f t

     

    version

     

    97

     

    E x c e l 

    spreadsheet.

     

    he 

    basic E x c e l 

    9 7

     solver limits any

     model to

     no

     

    more  

    than 

    2 0 0  variables

     

    (Person,

     

    1997) ,

     prohibiting  solution

     

    o f  F H A M  

    but 

    not

     

    Q F H A M ' s

     

    2 4

     

    continuous

     variable model.

     

    he ru n

     

    t ime 

    for 

    th e

     E x c e l

     

    solver with

     

    Q F H A M ' s

     

    quadratic

     

    objective

     

    funct ion

     

    is

     

    approximately 

    8

     seconds. Frontline Systems

     

    Inc. offers

     

    tw o  

    upgrades fo r

     

    th e

     

    E x c e l solver. 

    he 

    Premium  Solver

     

    ($495)

     

    increases

     

    th e variable 

    capacity

     to 

    800 .

     he L arge Scale

    L P 

    Solver f o r Microso f t E x c e l 97 ($1 ,495) also allows  

    80 0  

    variables,

     but decreases solution 

    t ime

     

    significantly

     and 

    simplif ies

     sparse 

    matrices

     

    input

     

    (only

     

    requires non-zero element

     

    input)(Frontline, 1998) . 

    A. 

    TYPICAL 

    TRAINING

     SCENARIO

     

    T he 

    data

     used 

    fo r

     th e 

    typical

     

    training

     

    scenario

     ar e th e 

    f l ight

     hours f lown by

     

    Mechanized

     Infantry

     

    Division's U H - 6 0

     

    battalion

     

    (validation

     

    battalion)

     

    fo r

     

    calendar

    year

     

    1997 (Based on

     

    actual

     

    f l ight hours

     

    fo r

     

    th e 

    2

    nd

     Battalion, 4

    th

     Aviat ion

     

    Regiment

     

    as  

    reported

     

    fo r

     

    their

     Annual 

    Flying

     H o u r Report) .

     

    he

     

    author performed 

    this

     analysis

    using

     

    a typical training scenario. 

    F o r

     example, there were no aircraft deployed for 

    high

     

    21 

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    34/55

    intensity

     miss ions .

     attal ions

     operate

     u n d e r

     

    this

     genera l

     

    scenario

     w h e n

     

    bas ing

     o u t of 

    their h o m e station  with no 

    ex terna l

     suppor t miss ions .

     

    h e

     yea r

     

    consis ts of

     

    month ly  

    planning

     cycles .

     H A M

     uses

     the

     

    allocated total 

    month ly

     hours for th e p u r p o s e

     of

     

    analys is

     

    ( T a b l e

     1)

     with

     

    an

     

    a l lowed 

    deviat ion

     

    above

     

    (BFH )

     

    o r

     b e l o w 

    (BFH 

    often

     

    percent . 

    Jan   Feb 

    Mar  

    Apr

     May  

    Jun  

    Jul

     

    Aug

     ep  

    Oct  N ov 

    Dec  

    471  

    4 27

      234  

    23 6   38 9 

    1 7 7  

    5 02

     

    267  

    27 3

     

    28 2

     

    22 6   4 58 

    Table

     

    1 : 

    Actual 

    hours

     f lown pe r 

    month

     for th e validation battalion

     

    The start

     point of the

     

    analysis 

    is 1 5 January 1 9 9 7 . able 2 and

     Figure

     4 

    show

     

    the 

    initial 

    hours

     

    until phase maintenance

     

    for

     

    the

     

    battalion's aircraft.

     

    Aircraft

     

    Hours to Phase 

    Aircraft

     

    Hours

     to Phase 

    Aircraft 

    Hours

     to

     Phase  

    A422 

    1 4 9

     

    B401  

    25 4

     

    C 1 4 0

     

    12 

    A427 

    4 94

     

    B430  

    441

     

    C 1 63 

    4 4 3

     

    A428 

    298 

    B 4 9 0

     

    C392 

    4 4 6  

    A431  

    20 0

     

    B593 

    1 7 2 

    C432   1 53 

    A442 

    39 8 

    B 7 5 0  

    4 36  

    C437

     

    4 1 4

     

    A446

     

    4 92 

    B 8 4 3

     

    23 0  

    C 4 9 5  

    30 6  

    A749

     

    1 7 0

     

    B888 

    198  

    C 505  

    1 0 2

     

    A066 

    25 0  

    B084

     

    231 

    C 600  

    500  

    Table

     2:Initial state o f

     

    th e 

    validation

     

    battalion

     hown ar e aircraft b y  company, tail n umber , an d

     

    th e

     hours

     

    remaining

     

    until

     

    phase

     

    maintenance.

     

    F or

     

    example,

     

    aircraft

     

    B 5 9 3

     

    belongs

     

    to

     

    Comp an y

     

    an d 

    has

     

    172

     hours 

    remaining

     until phase 

    maintenance. 

    Validation

     Battalion

     

    nitial State 

    Aircraft 

    Figu re 

    4: 

    Initial state o f

      validation

     battalion

     on

     1 5 

    January

     

    1 9 9 7 .

     

    Notice that 

    th e

     

    initial 

    state 

    shows

     

    very

     little adherence to

     th e D A

     goal

     

    line.

     

    This

     is

    typical

     

    for Army

     

    helicopter

     battalions.

     

    ls o note 

    that th e sequencing  

    of  aircraft

     into phase is no t steady-state 

    (parallel

     to  D A  

    goal

     line). This ca n lead to a

     

    back log o f

     

    aircraft awaiting phase maintenance.

     

    22 

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    35/55

    F H A M

     

    f ixes each

     aircraft's

     max imu m  monthly 

    f l ight 

    hours as

     th e 

    minimum

     

    of

    30  

    or

     its

     

    f l ight

     

    hours

     

    remaining  

    until

     phase. 

    F o r

     instance, 

    if

    an aircraft

     

    is due

     

    phase 

    maintenance in 2 8 

    hours ,

     th e

     

    max imu m allocated

     

    fo r that

     

    aircraft

     

    in  a planning cycle

     

    is 28  

    hours.

     

    H A M  

    f ixes 

    an aircraft's 

    minimum f l ight

     

    hours as  th e minimum

     

    of 3 o r 

    its 

    f l ight 

    hours 

    remaining

     

    until

     

    phase. F H A M

     

    allocated each

     

    f l ight

     

    company 

    at 

    least

     

    2 0 %  

    of

    th e 

    total 

    f l ight

     t ime

     fo r

     

    th e

     

    planning 

    cycle. 

    F H A M

     

    analyzed

     each 

    month 

    based on

     th e

     initial 

    conditions

     of 1 5 

    January

     1997 , 

    and 

    th e

     

    f l ight

     

    hours

     f lown in each 

    month. 

    B

     

    OPTIMIZATION

     

    RESULTS 

    FOR  

    TYPICAL TRAINING SCENARIO

     

    Figure 5 

    shows 

    th e

     

    results 

    of th e

     F H A M  f l ight

     

    hour allocation

     as  

    th e

     

    battalion's

     

    phase

     maintenance f low approaches 

    steady-state. F H A M  uses

     the 

    end

     condition ofone 

    month 

    as

     

    th e

     initial condit ion 

    for

     th e nex t

     

    month. igures 

    6

     

    an d

     

    7

     show

     

    a

     

    comparison of 

    F H A M  results 

    an d

     

    th e

     actual

     

    hours

     

    f lown b y  

    th e

     

    battalion

     af ter f ive

     

    months. 

    23

     

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    36/55

    15 

    February

     

    1 9 9 7  

    15  M a r c h

     1 9 9 7  

    500  j .̂ 

    April

     

    1997 

    400

     

    -  

     i - 

    - *^

     

    300

     

    ^^^

     

    200

     

    100

     

    -

     

    -**,

     

    «jr^

     

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    37/55

      soo 

    FHAM Results

     as 

    of

     

    15 June 1997 

    to 

    JH

     

    400 

    °-

      30 0

     

    O

     

    2

    1

    O

     

    ^̂ ^̂ ŝ  ̂

    *̂^̂̂

    ^̂-*̂

     ̂ ̂

    **-̂^

    _t   °  •

     

    CAACBBCBCCACABABBABBACAC

    144344671444440084957445

    424939056349206843894320

    07620000372S816431839225

    Aircraft

     

    Figure 6 :

     

    Th e resulting flow

     

    after

     

    5

     

    months

     

    of   FHAM  

    allocation.

     FHAM

     

    establishes a phase 

    maintenance

     flow in

     

    adherence 

    to

     the

     

    D A  goal line.

     

    Validation 

    Battalion

     

    15

     

    June 

    1997

     

    Aircraft 

    Figure 

    7 : The

     

    actual flow for 

    the

     battalion as

     

    of 1 5

     

    June

     1 9 9 7 .

     The  

    battalion

     flow for th e

     

    validation   battalion

     

    is

     

    no t as  

    close

     

    to

     the DA  

    goal

     

    line

     as the

     

    FHAM  allocation. 

    FHAM's

     

    resul t ing

     

    f low

     

    of

     

    aircraf t

     

    into

     

    phase

     

    main tenance

     

    now

     

    beg ins

     to

    parallel

     

    the

     DA 

    g o a l

     l ine.

     h e 

    actual data

     f rom

     th e val idat ion battal ion 

    is

     not 

    as

     close to

     

    the

     

    DA 

    goal

     

    l ine

     

    as 

    the

     F H A M  

    results .

     

    25  

  • 8/17/2019 Stagger Chart

    38/55

    A n 

    essent ia l 

    prob lem  

    handled b y F H A M  

    is

     th e sequenc ing

     

    of

     low- t ime 

    ai rcraf t 

    into

     phase main tenance .  A k ey problem with the

     

    Army's

     

    current 

    sys tem

     

    of

    M O E  

    report ing

     is

     that th e only m e a s u r e

     

    reported  

    is

     F M C

     

    percen tage .

     

    eaders

     f ace

     

    d i l e m m a 

    w h e n

     

    aircraf t approach 

    p h a s e 

    main tenance .

     

    f

     

    an ai rcraf t ready now

     

    for phase

     

    main tenance

     

    (e .g . , less

     

    than 

    10

     

    h o u r s

     

    remain ing