艦船動力系統(tǒng)方案評估指標體系研究

張 鵬，徐 鵬

(1.中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢430064;2.海軍駐大連船舶重工集團有限公司軍事代表室，遼寧 大連116011)

0 引 言

作為艦船的重要組成部分，動力系統(tǒng)的性能影響并制約著艦船戰(zhàn)技術(shù)性能的發(fā)揮，并直接決定艦船能否完成其使命任務(wù)。艦船動力系統(tǒng)在方案論證階段的主要工作是多方案評估優(yōu)選，其實質(zhì)是多準則決策，建立科學(xué)合理的評估指標體系，是進行多準則決策的前提。目前，艦船動力系統(tǒng)方案評估一般采用人工方法進行，多屬定性分析和經(jīng)驗決策，制約了論證能力的提升。因此，建立艦船動力系統(tǒng)方案評估指標體系，推動艦船動力系統(tǒng)方案評估從定性向定量轉(zhuǎn)化，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 構(gòu)建評估指標體系的原則和方法

建立一套具有實用價值的指標體系，需要遵循一定的原則。根據(jù)實踐經(jīng)驗的總結(jié)，指標體系的構(gòu)建一般要遵循系統(tǒng)性原則、可比性原則、科學(xué)性原則、實用性原則、層次性原則和簡易性原則等［1］。

指標分解一般按照艦船工程的原理對頂層目標進行逐層分解，最后形成一個具有遞階層次結(jié)構(gòu)的指標體系。在該遞階層次結(jié)構(gòu)中，最高層是總目標層，給出艦船動力系統(tǒng)方案評估的總體目標;中間層是準則層，給出對艦船動力系統(tǒng)方案進行綜合評估的準則;底層是指標層，即進行艦船動力系統(tǒng)方案評估的具體指標。應(yīng)該看到，下層指標比上層指標更加明確、具體，它是進行上層目標評估的手段，而最底層目標就形成了可直接進行評估的指標。

本文將根據(jù)上述原則和方法提出一套適用于艦船動力系統(tǒng)方案評估的指標體系。

2 評估指標體系的層次結(jié)構(gòu)

艦船動力系統(tǒng)的研制目標是以最低的風(fēng)險和費用獲得效能最高的動力系統(tǒng)，因此，按照評估指標體系構(gòu)建的一般方法和原則，艦船動力系統(tǒng)方案評估指標體系采用以下3 層結(jié)構(gòu):

第1 層為目標層:以最低的風(fēng)險和費用獲得效能最高的動力系統(tǒng)。

第2 層為準則層:分別包括效能、壽命周期費用和風(fēng)險。

效能和費用是系統(tǒng)分析或決策者所關(guān)心的2個核心要素。效能是效果好壞和價值大小的表征準則，費用是資源投入和代價大小的表征準則。由于需要開展綜合評估的艦船裝備大多是新研制的裝備，投入預(yù)定的經(jīng)費，達到預(yù)想的效能，都存在一定的不確定性，因此綜合評估準則還應(yīng)綜合考慮風(fēng)險因素，并將風(fēng)險作為評估準則。美、英海軍用于艦艇裝備概念探索和概念開發(fā)的綜合評估模型都以效能、費用和風(fēng)險三項作為綜合評估準則。

第3 層為指標層:是效能、壽命周期費用和風(fēng)險準則的分解。

3 評估指標體系的構(gòu)建

3.1 效能的分解

效能評估是衡量軍事裝備質(zhì)量的重要方法，也是軍事裝備論證的必要環(huán)節(jié)。在軍事裝備的型號論證中，按照研究范圍可將效能分為單項效能、系統(tǒng)效能和作戰(zhàn)效能。單項效能不能完整地反映動力系統(tǒng)的特點，不宜作為動力系統(tǒng)的方案評估指標，在方案論證階段對動力系統(tǒng)進行作戰(zhàn)效能評估的可操作性較差。因此，作戰(zhàn)效能也不宜作為動力系統(tǒng)的方案評估指標;系統(tǒng)效能是對裝備系統(tǒng)效能的綜合評價，是型號論證時主要考慮的效能參數(shù)，因此，動力系統(tǒng)方案評估應(yīng)采用系統(tǒng)效能指標，并按照定義對系統(tǒng)效能作進一步分解。

美國工業(yè)界武器裝備系統(tǒng)效能咨詢委員會定義:“系統(tǒng)效能是預(yù)期一個系統(tǒng)能滿足一組特定任務(wù)要求程度的度量，是系統(tǒng)的可用性、可信性和能力的函數(shù)”［2］。根據(jù)系統(tǒng)效能的定義，系統(tǒng)效能可以分解為可用性、可信性和能力。

為方便起見，在實際分析中往往用一個綜合性指標來表征可用性和可信性，文獻［3］稱其為可使用性。在可使用性指標中，國內(nèi)外大量的實踐經(jīng)驗表明，對裝備效能影響最大的是可靠性、維修性和保障性。在方案論證階段，能夠獲取的系統(tǒng)信息較少，保障性的量化難度很大，因此不宜作為裝備效能的評估指標。

綜合以上分析，本文將艦船動力系統(tǒng)方案評估指標體系中的系統(tǒng)效能分解為任務(wù)能力和可使用性。任務(wù)能力應(yīng)該根據(jù)作戰(zhàn)使用性能的要求作進一步的分解，而可使用性可以根據(jù)可靠性和維修性的要求作進一步的分解。

3.1.1 任務(wù)能力的分解

在進行任務(wù)能力的分解時，是將動力系統(tǒng)納入全艦系統(tǒng)工程范疇，綜合考慮動力系統(tǒng)戰(zhàn)技術(shù)性能對總體的影響程度，在實際論證工作中，這些影響因素往往會成為動力系統(tǒng)方案決策的主導(dǎo)因素。

本文在參考簡氏年鑒(Jane＇s Fighting Ships)的基礎(chǔ)上，通過綜合分析，將任務(wù)能力分解為以下幾種:

1)航速適應(yīng)性

提供艦船在執(zhí)行各種任務(wù)時所需的動力和航速，這是動力系統(tǒng)的首要使命任務(wù)。考慮到現(xiàn)代戰(zhàn)爭特點對艦船航速指標提出的新要求［4］，此處將航速適應(yīng)性作為航速的評估指標。

航速適應(yīng)性表征的是動力系統(tǒng)方案對全航速范圍工況的適應(yīng)性，其實質(zhì)是航速的變化范圍，一般需要再分解成若干個分指標。艦船航速包括最高航速、全速、續(xù)航航速、低速和倒車航速。經(jīng)分析可知，全速與最高航速的相關(guān)性較大，全速越大，最高航速也就越大。為了消除同一層指標的相關(guān)性，同時考慮到航速適應(yīng)性的實質(zhì)，本文將最高航速作為評估指標。對于巡航航速來說，所有動力系統(tǒng)方案的巡航航速都應(yīng)該相同，這是因為艦船研制總要求對巡航航速有明確規(guī)定，因此，根據(jù)可比性原則，巡航航速不宜作為評估指標。

綜合以上分析，航速適應(yīng)性可分解為最高航速、低速和倒車航速。

2)機動性

艦船機動性是一個綜合性指標，通常包括①艦船完成備戰(zhàn)備航所需的時間;②由最低航速到全速的加速時間和距離;③由全速到停航的滑行時間和距離;④由全速前進到全速倒航的時間;⑤回轉(zhuǎn)1周的時間和回轉(zhuǎn)半徑等指標。

在以上5個指標當中，指標③和指標④有較明顯的包含關(guān)系，根據(jù)可比性原則，指標③不宜作為機動性的評估指標。指標⑤也不宜作為機動性的評估指標，原因在于:一是艦船的回轉(zhuǎn)性能并不完全取決于動力系統(tǒng)，它還與操縱系統(tǒng)有關(guān);二是在方案論證階段難以準確確定回轉(zhuǎn)時間和回轉(zhuǎn)半徑，如果采用經(jīng)驗公式［5］進行估算，那么在其他條件不變的情況下，回轉(zhuǎn)直徑只取決于艦船在回轉(zhuǎn)前的直線航行速度，而航速指標應(yīng)在航速適應(yīng)性中進行論證評估。

通過以上分析，同時考慮到動力系統(tǒng)的性能對艦船機動性的影響，機動性可分解為主機啟動時間、最低航速到全速的時間和全速前進到全速倒航的時間。

3)生命力

動力系統(tǒng)生命力是指其能抵御戰(zhàn)斗破損和故障破損，并在破損情況下最大限度地維持主機工作，從而保證艦船戰(zhàn)斗活動的能力。對于軍船而言，動力系統(tǒng)的生命力主要是指其抵御戰(zhàn)斗破損的能力［6］。

在方案論證階段，可以依據(jù)機艙布置好壞的準則［6］對動力系統(tǒng)生命力進行分析評估。從機艙布置好壞準則的重要程度來看，一次命中破損后，動力系統(tǒng)功率完全損失的可能性要小這一準則的重要性較之其他準則要大，因此，本文將生命力分解為一次命中功率完全損失的概率。需要特別說明的是，如果各方案一次命中功率完全損失的概率都一樣，此時就應(yīng)該采用一次命中功率部分損失的概率作為動力系統(tǒng)生命力的評估指標。

4)隱身性

動力系統(tǒng)的隱身性包括聲隱身和紅外隱身。

聲隱身是指由機械設(shè)備振動引起的水下輻射噪聲，降低水下輻射噪聲，對于提高艦船生命力十分重要。隨著艦船向高速化發(fā)展，特別是對安靜性和隱蔽性要求的提高，使得各國海軍對艦船水下輻射噪聲研究的重視程度也在不斷提高。

紅外隱身是指動力裝置的紅外輻射強度，主要為排氣系統(tǒng)的紅外輻射。對艦船紅外特性進行控制的目的是降低艦船不同區(qū)域的溫度差，從而降低來襲兵器的識別能力。

紅外輻射指標一般采用紅外強度來表示，紅外強度與主機排氣溫度的四次方成正比。在方案論證階段，可以采用排氣溫度來表征紅外輻射指標［7］，但在具體量化時應(yīng)該取排氣溫度的四次方。

綜合以上分析，隱身性可分解為水下輻射噪聲和排氣溫度。

5)適用性

動力系統(tǒng)的適用性是指動力設(shè)備重量和尺寸的適用性。在水面艦船中，主動力裝置設(shè)備和燃油的重量約占艦船排水量的20%～40%，機艙所占的容積約為水線附近全部艙室容積的30%～50%，因此，主動力裝置的重量和尺寸與艦船的排水量和主尺度有著密切的聯(lián)系，且對電子設(shè)備和武器裝備的數(shù)量和布置有明顯的影響，應(yīng)當在可能的前提下盡量減少主動力裝置的重量和尺寸。為了更確切地評價動力設(shè)備的適用性，本文采用相對重量和容積飽和度這2個特征參數(shù)來描述適用性。

①相對重量

式中:GD為動力設(shè)備和燃油的總重量;D為排水量。顯然，K1越小越好。其中，燃油的重量根據(jù)續(xù)航力要求計算得到，因此，續(xù)航力指標體現(xiàn)在燃油重量中。

②容積飽和度

式中:VD為動力系統(tǒng)的體積;V為機艙的容積。顯然，fv越大，說明機艙內(nèi)越擁擠，要在機艙內(nèi)進行修理、損害管制等活動就越困難。

綜合以上分析，適用性可分解為相對重量和容積飽和度。

3.1.2 可使用性的分解

在方案論證階段，可使用性的研究重點是可靠性和維修性。動力系統(tǒng)的可靠性，是指在規(guī)定的壽命期限內(nèi)能可靠工作，不發(fā)生導(dǎo)致喪失工作可能性的事故的能力(不包括能短時期內(nèi)迅速排除的小故障)。根據(jù)GJB1906，動力系統(tǒng)的可靠性主要通過平均故障間隔時間MTBF、致命性故障時間間隔MTBCT、任務(wù)可靠度Rm和使用壽命Lse 來表征;就動力系統(tǒng)的維修性而言，一般采用平均修復(fù)時間MTTR和平均維修間隔時間MTBM 來表征［8］，考慮到指標之間的相關(guān)性以及方案論證階段的自身特點，可采用平均故障間隔時間、使用壽命和平均修復(fù)時間來表征動力系統(tǒng)的可靠性和維修性［9］。

綜合以上分析，可使用性可分解為使用壽命、平均故障間隔時間和平均修復(fù)時間。

3.2 壽命周期費用的分解

按照壽命周期費用的一般概念，壽命周期費用可劃分為研究與研制費用、初始投資費用、使用與保障費用三大類，其中，研究與研制費用包括新型裝備系統(tǒng)的全部技術(shù)研究、型號設(shè)計、樣機和原型機制造、各種試驗和鑒定的所有費用;初始投資費是為作戰(zhàn)部隊裝備一個裝備系統(tǒng)所花的全部費用，包括主要裝備和專用裝備的采購費、設(shè)施建筑費、人員訓(xùn)練費和首批備件的采購費;使用與保障費用也稱維持費用，是一個系統(tǒng)在裝備部隊之后的使用過程中所需的全部費用，包括燃料費、人員費和維護修理費用等。

從裝備采辦和使用方的角度來看，上述費用可進一步歸并為采辦費用和使用保障費用。采辦費用包括研制費和裝備采購費;而使用保障費用可進一步分解為燃油費、人員費和維修保養(yǎng)費。

3.3 風(fēng)險的分解

在艦船動力系統(tǒng)的研制過程中，主要存在著技術(shù)風(fēng)險、費用風(fēng)險和進度風(fēng)險。技術(shù)風(fēng)險是指項目在預(yù)定的資源約束條件下，達不到要求的戰(zhàn)技術(shù)指標的可能性及差額幅度，或者說研制計劃的某個部分出現(xiàn)事先意想不到的結(jié)果，從而對整個系統(tǒng)效能產(chǎn)生有關(guān)影響的概率。費用風(fēng)險是指工程項目費用突破預(yù)算的可能性及超支幅度。進度風(fēng)險是指工程項目不能按期完成的可能性及超期幅度。

圖1 艦船動力系統(tǒng)方案評估指標體系Fig.1 Index for program evaluation of warship power system

在方案論證階段，進度安排和費用安排尚不明確，評估進度風(fēng)險和費用風(fēng)險的難度很大，因此，在方案論證階段只對技術(shù)風(fēng)險進行評估。

綜合以上分析，本文構(gòu)建的艦船動力系統(tǒng)方案評估指標體系如圖1所示。

4 結(jié) 語

本文針對艦船動力系統(tǒng)研制的特點，首先確立費用低、風(fēng)險小、效能高的動力系統(tǒng)研制目標，確定以“效能―費用―風(fēng)險”為準則層的指標體系結(jié)構(gòu)，然后依據(jù)系統(tǒng)效能的定義和運用艦船工程原理對準則層指標進行逐層分解，最終建立艦船動力系統(tǒng)方案評估指標體系。該指標體系考慮現(xiàn)代戰(zhàn)爭特點對艦船動力系統(tǒng)的要求，體現(xiàn)動力系統(tǒng)方案評估在方案論證階段的特點，為實現(xiàn)動力系統(tǒng)方案的定量評估奠定了基礎(chǔ)。

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