卞立新,　羅興柏,　李金明,　滿海濤,2

(1.軍械工程學院,河北 石家莊　050003;2.72373部隊,河南 洛陽　471900)

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基于費效分析的武器裝備體系結(jié)構(gòu)優(yōu)選研究

卞立新1,羅興柏1,李金明1,滿海濤1,2

(1.軍械工程學院,河北 石家莊050003;2.72373部隊,河南 洛陽471900)

摘要：在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭中,作戰(zhàn)雙方的對抗方式不僅僅是作戰(zhàn)雙方主戰(zhàn)武器和兵力的較量,更多的是多種武器裝備間的體系對抗。本文在對武器裝備體系的概念內(nèi)涵分析的基礎(chǔ)上,對有關(guān)費用-效能分析中的費效準則進行了簡要的介紹,簡述了在武器裝備體系效能評估中常用幾種計算方法,并對目前廣泛使用的效能評估方法ADC法進行了詳細的介紹,利用費效分析法對武器裝備體系的結(jié)構(gòu)組成和配置進行優(yōu)化,確保在資源有限的條件下,以達到所選擇的武器裝備體系的綜合作戰(zhàn)效能最優(yōu),投入的費用最少的結(jié)果,利用此方法有助于決策機構(gòu)對武器裝備體系結(jié)構(gòu)優(yōu)選提供決策支持。

關(guān)鍵詞：武器裝備體系; 費效分析; 優(yōu)化

1引言

在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭中,由于高新技術(shù)的不斷應用使得戰(zhàn)場環(huán)境越來越復雜,作戰(zhàn)雙方的對抗不僅僅是作戰(zhàn)雙方主戰(zhàn)武器和兵力的較量,更多的是多種武器裝備的綜合作戰(zhàn)能力的較量,即體系的對抗[1]。

武器裝備體系是一類特殊的體系,國外文獻一般使用軍事體系[2](military system of systems)或聯(lián)合系統(tǒng)(joint systems)以及武器體系[3](weapon systems)等詞組。目前關(guān)于武器裝備體系的概念在國內(nèi)為有多種版本的定義,普遍的定義為:武器裝備體系是在一定戰(zhàn)略指導、作戰(zhàn)指揮和保障條件下,為完成一定作戰(zhàn)任務(wù),而有功能上相互聯(lián)系,相互作用的各種武器裝備組成的更高層系統(tǒng)[4]。

武器裝備體系結(jié)構(gòu)是武器裝備體系內(nèi)部各成員之間聯(lián)系方式、組織秩序及其相互關(guān)系的內(nèi)在表現(xiàn)形式[5]。對于裝備體系結(jié)構(gòu)優(yōu)選的目的是在資源約束尤其是經(jīng)費有限的條件下,通過對裝備體系中各種武器裝備的結(jié)構(gòu)、數(shù)量進行最優(yōu)匹配,從而使裝備體系的整體作戰(zhàn)效能最大化。

2武器裝備體系費用-效能分析

費效分析是指通過確定目標、建立備選方案、從費用和效能兩方面綜合評價各方案的過程[6]。費用-效能分析(簡稱費效分析)是一種決策分析的方法,主要是通過對所提供備選方案能產(chǎn)生的效益(或效能)和為此付出的代價作整體的權(quán)衡比較,從而為決策提供輔助和支持[7]。

2.1武器裝備體系效能分析

目前關(guān)于效能的概念一般大都采用美國工業(yè)界武器系統(tǒng)咨詢委員會WSEIAC給出的定義,它指的是預期一個系統(tǒng)能滿足一組特定任務(wù)要求的度量[8]。在我國對于武器系統(tǒng)效能指的是在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間內(nèi),完成預定任務(wù)的能力[9]。評定武器裝備體系效能的方法很多,如圖1所示。比較常用的方法有指數(shù)法、ADC法及層次分析法等。

圖1　裝備體系效能評估方法Fig.1　Equipment system effectiveness evaluation method

目前對于裝備體系效能評估廣泛應用的是美國工業(yè)界武器系統(tǒng)咨詢委員會WSEIAC的ADC法。它根據(jù)有效性(Availability)、可靠性(Dependability)和能力(Capacity)三大要素來評價裝備系統(tǒng)把這三大要素組合成一個表示裝備系統(tǒng)總性能的單一效能量度(E)[10]。裝備效能可表示為

E=ADCT

(1)

2.2.1有效度矩陣A

表示武器系統(tǒng)在開始執(zhí)行任務(wù)時處于不同狀態(tài)下的概率,一般表達式為

(2)

式中:ai為開始執(zhí)行任務(wù)時處于i狀態(tài)的概率;n為開始執(zhí)行任務(wù)時系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)。

2.2.2可信度矩陣D

表示武器系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)時的各種狀態(tài)的概率,表達式為

(3)

式中:dij表示武器系統(tǒng)由初始狀態(tài)i經(jīng)過對抗過程轉(zhuǎn)變到狀態(tài)j的概率。

2.2.3能力矩陣C

表示在已知執(zhí)行任務(wù)期間系統(tǒng)狀態(tài)的條件下,系統(tǒng)完成作戰(zhàn)任務(wù)能力的量度,表達式為:

(4)

式中:Ci表示武器系統(tǒng)在第i中狀態(tài)下完成規(guī)定作戰(zhàn)任務(wù)的概率。

2.2武器裝備體系費用分析

由于高新技術(shù)在武器裝備中不斷應用,不僅使武器裝備的研制費用和采購費用快速上升,也使武器裝備的維修費用急劇增加,甚至遠高于武器裝備的采購費用。因此,對于武器裝備的費用不能只估算采購費用,而要使用全壽命期費用Lcc(見圖2)(Life Cycle Cost)估算裝備費用[11]。

裝備全壽命期費用是裝備體系在壽命周期不同階段所產(chǎn)生的費用,是研制費、購置費、使用與保障費、退役處置費之和。

圖2　全壽命期費用Fig.2　Life cycle cost

由于退役處置費在整個全壽命期的費用中占比很少,而研制費用和生產(chǎn)費用一般包含在購置費中。因此,武器裝備的全壽命期費用可以表示為

(5)

式中:C為購置費;U為使用保障費。

由于武器裝備的全壽命期長達15-20年,應考慮物價上漲對費用消耗的影響[6]。設(shè)當前年份為k,第k年的年度裝備的使用維護費用為Vk,則其n年后的價值Uk與Vk的關(guān)系為

(6)

式中:β為平均年利率

價格上漲會引起采購費用的上漲。設(shè)現(xiàn)時采購費用為C0,考慮到價格上漲的影響,則n年后的費用需求Cn應為

(7)

由上可得裝備體系中的裝備的n年全壽命周期費用模型為

(8)

2.3費效準則的確定

費效準則是所分析問題的依據(jù),通過費效準則對多種備選方案進行優(yōu)劣比較,進而選取備選方案中的最優(yōu)方案。費效分析常用的準則為:最小費用準則、最大效能準則、費效比準則和收益遞減準則[11]，如圖3所示。

2.3.1最小費用準則

最小費用準則是指在裝備體系的作戰(zhàn)效能不小于給定的臨界值Eg的條件下,最優(yōu)方案的整體費用最小,即

(9)

2.3.2最大效能準則

最大效能準則是指在裝備體系的費用不超過給定的費用臨界值Mg的條件下,最優(yōu)方案的使用效能最高,即

(10)

2.3.3費效比準則

費效比準則是指最佳方案的費效比最大小,即

(11)

利用費用分析和效能分析組合成的費用效能分析,并添加其他約束條件對武器裝備體系進行分析研究,得出最優(yōu)方案。

圖3　分析方法Fig.3　Analytical method

武器系統(tǒng)效能研究與費用研究是同步的,其目的是在費用一定的情況下,怎樣選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及性能參數(shù),使武器裝備的效能達到最優(yōu)。另外,在效能一定的情況下,使用備選系統(tǒng)的費用最低[11]。

3費用-效能分析實例

下面用一個簡單的實例來說明費效分析的計算過程,設(shè)裝備體系由成員A、B、C組成,各武器系統(tǒng)的費用和系統(tǒng)性能等各項指標數(shù)據(jù)如表1。

表1　武器系統(tǒng)各項指標數(shù)據(jù)表Tab.1　Weapon system indicators data sheet

經(jīng)過專家討論,武器裝備體系的構(gòu)成方案如表2所示。

表2　裝備體系構(gòu)成方案Tab.2　Composition scheme of equipment system

通過以上數(shù)據(jù),現(xiàn)對各個方案進行費效分析如下:

通過全壽命周期費用計算可得到各個備選方案的全壽命周期費用分別為:

M1=10.7(百萬元);M2=11.5(百萬元);M3=9.9(百萬元)。

通過公式(1)可得到各個方案綜合效能計算結(jié)果見表2,分別為:

E1=0.959;E2=0.976;E3=0.935:

(1) 若采用最小費用準則

由計算可知因M3

(2) 若采用最大效能準則

由計算可知,E2>E1>E3,備選方案2的體系綜合效能最大,故選擇方案2。

(3) 若采用費效比準則

通過以上計算結(jié)果可以看到,采用不同的分析準則所得到的最優(yōu)方案是不同的。具體選擇哪個方案需要綜合作戰(zhàn)環(huán)境和費用條件綜合分析,片面的追求效能的最大化,會導致裝備體系中裝備壽命周期費用的大幅上升,在經(jīng)費有限的條件下會減少體系中的裝備數(shù)量反而降低了體系的總體作戰(zhàn)效能。

4總結(jié)

利用費效分析可以再已有的方案中選出最優(yōu)方案,保證裝備體系在經(jīng)費有限的情況的體系的綜合作戰(zhàn)能力最大,然而需要注意的是費用效能分析要求事先提出若干方案,因而所得出的結(jié)果是備選方案中相對最優(yōu)的,不一定是最好的方案,只是幫助決策者做出抉擇提供必要的數(shù)據(jù)資料,便于進行綜合分析,在幾個給定的方案中選出最優(yōu)方案。本文只是利用費效分析對裝備體系結(jié)構(gòu)優(yōu)選進行初步探討,實際上由于裝備體系的復雜性,想要精確評估其效能的是十分困難的,需要綜合考慮多種因素,下一步會繼續(xù)進行研究。

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卞立新男(1991-),遼寧本溪人,碩士研究生,主要研究方向為彈藥系統(tǒng)設(shè)計與試驗評估。

羅興柏男(1962-),安徽蕪湖人,教授,主要研究方向為彈藥系統(tǒng)設(shè)計與試驗評估。

中圖分類號：E 917

文獻標識碼：A

Study on Weapon System of Systems Optimization Based on Benefit Cost Analysis

BIAN Lixin1,LUO Xingbai1,LI Jinming1,Man Haitao1,2

(1.Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China; 2.No.72373 Unit of PLA,Luoyang 471900,China)

Abstract：In modern warfare,military confrontation between the two sides is not only the main weapons and combat troops battle,and weapon system-of-systems confront has become the main form of combat.In this paper,on the basis of connotation of the concept of Weapon System of Systems analysis,expounded cost-effectiveness of several methods of analysis,briefly describes the efficiency of weapon system of systems of several calculation method,and detailed introduction of the current commonly used methods to evaluate the efficiency of ADC method,using benefit cost analysis of the structural optimized weapon system-of-systems,ensure that under the conditions of limited resources,maximize weapon system-of-systems integrated operational effectiveness,By using this method,it is helpful for decision making mechanism to provide decision support for the optimization of weapon equipment system structure.

Key words：weapon system-of-systems,benefit cost analysis,optimization