基于費(fèi)效分析的武器裝備體系結(jié)構(gòu)優(yōu)選研究

卞立新,　羅興柏,　李金明,　滿海濤,2

(1.軍械工程學(xué)院,河北 石家莊　050003;2.72373部隊(duì),河南 洛陽(yáng)　471900)

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基于費(fèi)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(xué)院,河北 石家莊050003;2.72373部隊(duì),河南 洛陽(yáng)471900)

摘要：在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中,作戰(zhàn)雙方的對(duì)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(duì)抗。本文在對(duì)武器裝備體系的概念內(nèi)涵分析的基礎(chǔ)上,對(duì)有關(guān)費(fèi)用-效能分析中的費(fèi)效準(zhǔn)則進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹,簡(jiǎn)述了在武器裝備體系效能評(píng)估中常用幾種計(jì)算方法,并對(duì)目前廣泛使用的效能評(píng)估方法ADC法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,利用費(fèi)效分析法對(duì)武器裝備體系的結(jié)構(gòu)組成和配置進(jìn)行優(yōu)化,確保在資源有限的條件下,以達(dá)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(fèi)用最少的結(jié)果,利用此方法有助于決策機(jī)構(gòu)對(duì)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(fèi)效分析; 優(yōu)化

1引言

在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中,由于高新技術(shù)的不斷應(yīng)用使得戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜,作戰(zhàn)雙方的對(duì)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(duì)抗[1]。

武器裝備體系是一類特殊的體系,國(guó)外文獻(xiàn)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(guó)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(dǎo)、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(duì)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(fèi)有限的條件下,通過(guò)對(duì)裝備體系中各種武器裝備的結(jié)構(gòu)、數(shù)量進(jìn)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(fèi)用-效能分析

費(fèi)效分析是指通過(guò)確定目標(biāo)、建立備選方案、從費(fèi)用和效能兩方面綜合評(píng)價(jià)各方案的過(guò)程[6]。費(fèi)用-效能分析(簡(jiǎn)稱費(fèi)效分析)是一種決策分析的方法,主要是通過(guò)對(duì)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(jià)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(guó)工業(yè)界武器系統(tǒng)咨詢委員會(huì)WSEIAC給出的定義,它指的是預(yù)期一個(gè)系統(tǒng)能滿足一組特定任務(wù)要求的度量[8]。在我國(guó)對(duì)于武器系統(tǒng)效能指的是在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間內(nèi),完成預(yù)定任務(wù)的能力[9]。評(píng)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(píng)估方法Fig.1　Equipment system effectiveness evaluation method

目前對(duì)于裝備體系效能評(píng)估廣泛應(yīng)用的是美國(guó)工業(yè)界武器系統(tǒng)咨詢委員會(huì)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(lái)評(píng)價(jià)裝備系統(tǒng)把這三大要素組合成一個(gè)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(shí)處于不同狀態(tài)下的概率,一般表達(dá)式為

(2)

式中:ai為開始執(zhí)行任務(wù)時(shí)處于i狀態(tài)的概率;n為開始執(zhí)行任務(wù)時(shí)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(shí)的各種狀態(tài)的概率,表達(dá)式為

(3)

式中:dij表示武器系統(tǒng)由初始狀態(tài)i經(jīng)過(guò)對(duì)抗過(guò)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(dá)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(fèi)用分析

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

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

圖2　全壽命期費(fèi)用Fig.2　Life cycle cost

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

(5)

式中:C為購(gòu)置費(fèi);U為使用保障費(fèi)。

由于武器裝備的全壽命期長(zhǎng)達(dá)15-20年,應(yīng)考慮物價(jià)上漲對(duì)費(fèi)用消耗的影響[6]。設(shè)當(dāng)前年份為k,第k年的年度裝備的使用維護(hù)費(fèi)用為Vk,則其n年后的價(jià)值Uk與Vk的關(guān)系為

(6)

式中:β為平均年利率

價(jià)格上漲會(huì)引起采購(gòu)費(fèi)用的上漲。設(shè)現(xiàn)時(shí)采購(gòu)費(fèi)用為C0,考慮到價(jià)格上漲的影響,則n年后的費(fèi)用需求Cn應(yīng)為

(7)

由上可得裝備體系中的裝備的n年全壽命周期費(fèi)用模型為

(8)

2.3費(fèi)效準(zhǔn)則的確定

費(fèi)效準(zhǔn)則是所分析問(wèn)題的依據(jù),通過(guò)費(fèi)效準(zhǔn)則對(duì)多種備選方案進(jìn)行優(yōu)劣比較,進(jìn)而選取備選方案中的最優(yōu)方案。費(fèi)效分析常用的準(zhǔn)則為:最小費(fèi)用準(zhǔn)則、最大效能準(zhǔn)則、費(fèi)效比準(zhǔn)則和收益遞減準(zhǔn)則[11]，如圖3所示。

2.3.1最小費(fèi)用準(zhǔn)則

最小費(fèi)用準(zhǔn)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(fèi)用最小,即

(9)

2.3.2最大效能準(zhǔn)則

最大效能準(zhǔn)則是指在裝備體系的費(fèi)用不超過(guò)給定的費(fèi)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(fèi)效比準(zhǔn)則

費(fèi)效比準(zhǔn)則是指最佳方案的費(fèi)效比最大小,即

(11)

利用費(fèi)用分析和效能分析組合成的費(fèi)用效能分析,并添加其他約束條件對(duì)武器裝備體系進(jìn)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(fèi)用研究是同步的,其目的是在費(fèi)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(dá)到最優(yōu)。另外,在效能一定的情況下,使用備選系統(tǒng)的費(fèi)用最低[11]。

3費(fèi)用-效能分析實(shí)例

下面用一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)例來(lái)說(shuō)明費(fèi)效分析的計(jì)算過(guò)程,設(shè)裝備體系由成員A、B、C組成,各武器系統(tǒng)的費(fèi)用和系統(tǒng)性能等各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)如表1。

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

經(jīng)過(guò)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(guò)以上數(shù)據(jù),現(xiàn)對(duì)各個(gè)方案進(jìn)行費(fèi)效分析如下:

通過(guò)全壽命周期費(fèi)用計(jì)算可得到各個(gè)備選方案的全壽命周期費(fèi)用分別為:

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

通過(guò)公式(1)可得到各個(gè)方案綜合效能計(jì)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(fèi)用準(zhǔn)則

由計(jì)算可知因M3

(2) 若采用最大效能準(zhǔn)則

由計(jì)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(fèi)效比準(zhǔn)則

通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果可以看到,采用不同的分析準(zhǔn)則所得到的最優(yōu)方案是不同的。具體選擇哪個(gè)方案需要綜合作戰(zhàn)環(huán)境和費(fèi)用條件綜合分析,片面的追求效能的最大化,會(huì)導(dǎo)致裝備體系中裝備壽命周期費(fèi)用的大幅上升,在經(jīng)費(fèi)有限的條件下會(huì)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(fèi)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(fèi)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(fèi)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(duì)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(jìn)行綜合分析,在幾個(gè)給定的方案中選出最優(yōu)方案。本文只是利用費(fèi)效分析對(duì)裝備體系結(jié)構(gòu)優(yōu)選進(jìn)行初步探討,實(shí)際上由于裝備體系的復(fù)雜性,想要精確評(píng)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(huì)繼續(xù)進(jìn)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?yàn)閺椝幭到y(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)評(píng)估。

羅興柏男(1962-),安徽蕪湖人,教授,主要研究方向?yàn)閺椝幭到y(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)評(píng)估。

中圖分類號(hào)：E 917

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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