航空四站裝備退役的模糊聚類分析*

李　康　黃之杰　朱　倩

(空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系　徐州　221000)

?

航空四站裝備退役的模糊聚類分析*

李康黃之杰朱倩

(空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系徐州221000)

退役是航空四站裝備全壽命周期的重要階段之一，科學(xué)合理地判斷退役時(shí)機(jī)既能充分發(fā)揮裝備的效能，又能降低全壽命周期費(fèi)用。目前，航空四站裝備的退役時(shí)機(jī)多以其設(shè)計(jì)使用壽命為主，缺乏有效的定量分析方法，論文分析了影響航空四站裝備退役的主要因素，并建立了相應(yīng)的退役模型。運(yùn)用模糊聚類分析法對(duì)裝備的退役問(wèn)題進(jìn)行量化分析，評(píng)估了裝備退役的優(yōu)先順序。實(shí)例分析表明，該方法符合實(shí)際，為航空四站裝備的退役決策提供了一種定量分析手段。

航空四站裝備; 模糊聚類分析; 退役; 定量分析

Class NumberTJ089

1　引言

裝備的全壽命周期一般包括立項(xiàng)論證、方案設(shè)計(jì)、試驗(yàn)試制、設(shè)計(jì)定型、生產(chǎn)定型、使用保障和退役處理等內(nèi)容，其中退役處理是裝備全壽命周期的終結(jié)階段。同其他武器裝備一樣，航空四站裝備的退役也是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，受到諸多因素影響。過(guò)早退役將無(wú)法充分發(fā)揮裝備的保障效能，退役晚了不僅存在安全隱患，而且浪費(fèi)大量的軍費(fèi)與人力、降低裝備的軍費(fèi)效益，因此研究航空四站裝備的退役模型具有重要意義。

2　航空四站裝備退役處理?xiàng)l件

四站裝備超過(guò)使用壽命期限，或因性能下降、技術(shù)落后及其他原因不宜繼續(xù)使用的，應(yīng)作退役處理。可申請(qǐng)退役的一般條件有[1]：

1) 超過(guò)規(guī)定使用年限，主要結(jié)構(gòu)和零件已嚴(yán)重磨損，性能達(dá)不到戰(zhàn)技指標(biāo)的最低要求；

2) 因戰(zhàn)損、意外災(zāi)害或重大事故受到嚴(yán)重?fù)p害，無(wú)法修復(fù)使用的裝備；

3) 嚴(yán)重影響環(huán)保安全，繼續(xù)使用將會(huì)污染環(huán)境，引發(fā)人身安全事故與危害健康；

4) 淘汰機(jī)型專用、且不宜改作其他機(jī)型使用的保障裝備；

5) 技術(shù)改造和更新替換出、且不能利用或調(diào)出的舊裝備。

四站裝備配發(fā)部隊(duì)后，雖然對(duì)裝備的退役處理有相關(guān)規(guī)定，但一般比較籠統(tǒng)且停留在定性判斷方面，而且裝備使用方在使用過(guò)程中大多遵循“達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命即退役”這一基本原則，無(wú)法發(fā)揮裝備的最佳費(fèi)效比，因此科學(xué)合理的定量分析方法對(duì)航空四站裝備的退役決策顯得尤為重要。

3　影響退役的主要因素分析

現(xiàn)役的航空四站裝備有幾十個(gè)型號(hào)，數(shù)量多達(dá)幾千臺(tái)(套)[1]，考慮到四站裝備的核心任務(wù)是保障飛機(jī)訓(xùn)練作戰(zhàn)，認(rèn)為影響四站裝備退役的主要因素可歸納為五個(gè)方面[2～8]：裝備保障效能、年使用維護(hù)費(fèi)用、技術(shù)性能落后程度、超期服役系數(shù)和戰(zhàn)略重要權(quán)重。

3.1裝備保障效能

根據(jù)系統(tǒng)效能的定義：系統(tǒng)效能指系統(tǒng)在規(guī)定條件下完成特定任務(wù)的能力[9]。認(rèn)為航空四站裝備的保障效能指裝備在一定條件下完成特定任務(wù)剖面的能力。不同的四站裝備有不同的任務(wù)剖面，即使同一類不同型號(hào)的四站裝備，也因其保障對(duì)象、操作環(huán)境等因素的差異而具有不同的任務(wù)剖面。評(píng)定系統(tǒng)效能的方法多種多樣，應(yīng)用較為典型的是美國(guó)工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會(huì)(WSEIAC)模型[10]，該方法運(yùn)用可用性A、可信賴性D和能力C來(lái)表示裝備效能E，即E=ADC。

計(jì)算航空四站裝備的保障效能時(shí)，只考慮裝備的兩種狀態(tài)：正常狀態(tài)和故障狀態(tài)(分別用“1”和“0”表示)，同時(shí)假定裝備在保障過(guò)程中是不可修復(fù)的。

A=(a1,a2)

(1)

(2)

C=(c1,c2)T=(c1,0)T

(3)

由此可得：E=ADC=a1d11c1，對(duì)不同的四站裝備而言，a1、d11和c1的計(jì)算是不同的。結(jié)果E反映了不同裝備完成不同任務(wù)剖面的能力，其數(shù)值分布在 0和1之間，且隨著裝備服役年限的增加，E將逐漸下降。這種變化可歸結(jié)為兩方面原因：一是技術(shù)的進(jìn)步；二是裝備在使用過(guò)程中的效能磨損。通過(guò)對(duì)各種四站裝備效能指數(shù)的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，其保障效能模型可近似表示為[11]

Et=Et0·exp[-λ1(t1-t0)]

·exp[-(λ1+λ2)(t-t1)]

(4)

Et0為t0年裝備研制成功時(shí)的效能值；λ1為技術(shù)發(fā)展系數(shù)；λ2為效能損耗系數(shù)，λ1和λ2可由專家評(píng)定得到。當(dāng)裝備保障效能E下降到一定程度而無(wú)法滿足保障要求時(shí)，裝備應(yīng)作退役處理。

3.2年使用維護(hù)費(fèi)用

年使用維護(hù)費(fèi)用指使用方在裝備采購(gòu)費(fèi)以外每年所需承擔(dān)的費(fèi)用，其在裝備全壽命周期的全部費(fèi)用中占很大比重，是發(fā)揮裝備最佳費(fèi)效比、準(zhǔn)確判斷退役時(shí)機(jī)必須考慮的因素。航空四站裝備的年使用維護(hù)費(fèi)用C包括不定期支出的大修費(fèi)Cd、中修費(fèi)Cz和按年支出的年均使用維護(hù)費(fèi)用Cm，其中年均使用維護(hù)費(fèi)用又可進(jìn)行細(xì)分，主要有年均油料費(fèi)Cnyl、年均人員費(fèi)Cnry、年均小修費(fèi)Cnxx和年均營(yíng)房費(fèi)Cnyf，即：

Cm=Cnyl+Cnry+Cnxx+Cnyf

(5)

不定期支出的費(fèi)用Cbz可采用一次所發(fā)生的費(fèi)用在間隔期內(nèi)的分?jǐn)傊祦?lái)估算[6]：

(6)

其中，Cdx和tdx表示一次大修費(fèi)用及其與上次大修之間間隔的時(shí)間，Czx和tzx表示一次中修費(fèi)用及其與上次中修之間間隔的時(shí)間，由此可得年使用維護(hù)費(fèi)為：C=Cm+Cbz。

綜上分析，航空四站裝備的年使用維護(hù)費(fèi)用可用圖1表示，隨著裝備服役時(shí)間的增長(zhǎng)，裝備發(fā)生故障的頻率逐漸升高，維修間隔期tdx和tzx也隨之縮短，而維護(hù)費(fèi)用Cdx、Czx和Cnxx將會(huì)升高，年使用維護(hù)費(fèi)用將逐年增加，當(dāng)其增長(zhǎng)到一定程度時(shí)，裝備需作退役處理。

圖1　航空四站裝備年使用維護(hù)費(fèi)用結(jié)構(gòu)圖

3.3技術(shù)性能落后程度

技術(shù)性能落后程度主要反映與同類裝備相比，某型四站裝備的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)落后程度，其結(jié)果需要進(jìn)行綜合評(píng)定。由于四站裝備具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、組成單元繁多等特點(diǎn)，能反映其性能特點(diǎn)的指標(biāo)眾多，實(shí)際評(píng)估過(guò)程僅選取幾個(gè)對(duì)比明顯、影響突出、具有決定意義的指標(biāo)。采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)裝備技術(shù)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的實(shí)施過(guò)程如下：

1) 選取n項(xiàng)指標(biāo)組成評(píng)判因素集：

A=(α1,α2,α3,…,αn)

(7)

2) 利用AHP法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重：

(8)

3) 建立綜合評(píng)價(jià)集：

B=(β1,β2,β3,β4,β5)

(9)

其中β1～β5分別表示落后、較落后、一般、較先進(jìn)和先進(jìn)。

4) 采用專家評(píng)分法對(duì)n項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到隸屬度向量Ri和隸屬度矩陣R：

(10)

其中rij(i=1,…,n,j=1,…,5)指多個(gè)評(píng)價(jià)主體對(duì)某個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象在αi方面作出βj評(píng)定的可能性程度，即第i項(xiàng)因素對(duì)應(yīng)第j個(gè)等級(jí)的隸屬關(guān)系。

5) 計(jì)算綜合隸屬度向量S,S=W·R=(b1,b2,b3,b4,b5),根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)原理，最大分量bi所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)βi即為綜合評(píng)價(jià)的最終結(jié)果。

3.4超期服役系數(shù)

裝備的壽命一般分為經(jīng)濟(jì)壽命、技術(shù)壽命和自然壽命三類[2]，經(jīng)濟(jì)壽命是決定裝備最佳服役期和裝備更新的依據(jù)。裝備最佳服役期T1可采用年均費(fèi)用法來(lái)確定，假定某型航空四站裝備在t0年開(kāi)始列裝部隊(duì)，裝備采購(gòu)費(fèi)為Cg，其服役期間各年度的使用維護(hù)費(fèi)為C1,C2,C3,…,Cm，退役殘值為R，年利率為i，將采購(gòu)費(fèi)與年使用維護(hù)費(fèi)及裝備殘值折算到t0年的總費(fèi)用為

(11)

3.5戰(zhàn)略重要權(quán)重

戰(zhàn)略重要權(quán)重多用于導(dǎo)彈、防空高炮等武器裝備的評(píng)價(jià)工作，主要指某型武器裝備雖然作戰(zhàn)效能低、使用維修費(fèi)用高或服役年限超期，但可形成一種威懾或暫無(wú)新的型號(hào)取代，或在作戰(zhàn)體系中有一定作用等原因，暫不能退役。

將此概念引入航空四站裝備的退役評(píng)價(jià)，主要指某型四站裝備在飛行保障過(guò)程中的不可替代性，例如某國(guó)產(chǎn)戰(zhàn)斗機(jī)的地面電源保障只能使用某一型航空地面電源車，而該型裝備已服役多年且維護(hù)費(fèi)用明顯高于同類裝備，但在無(wú)新裝備服役前，該裝備不可輕易作退役處理。對(duì)裝備戰(zhàn)略權(quán)重進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的評(píng)判集為

E=(e1,e2,e3,e4)=(不太重要，一般，較重要，重要)

4　航空四站裝備退役決策的模糊聚類方法

選取n型航空四站裝備作為研究對(duì)象，考慮m項(xiàng)影響其退役的主要影響因素，由于不同指標(biāo)之間可能存在對(duì)比性不明顯、量綱不一致以及數(shù)量級(jí)不同等情況，在運(yùn)算過(guò)程中可能會(huì)突出數(shù)量級(jí)較大的特性指標(biāo)對(duì)分類的影響，或降低數(shù)量級(jí)較小的指標(biāo)對(duì)分類的作用，所以應(yīng)對(duì)各指標(biāo)值進(jìn)行量化和標(biāo)準(zhǔn)化處理，這里采用均值方差標(biāo)準(zhǔn)化的方法，即：

(12)

其中

(13)

(14)

利用相關(guān)系數(shù)法計(jì)算樣本之間的相似程度(貼近度)[12]：

(15)

式中：當(dāng)i=j時(shí)，rij=1;當(dāng)i≠j時(shí)，rij取值在0和1之間。由此可以得到模糊相關(guān)相似系數(shù)矩陣R=(rij)n×n。對(duì)R進(jìn)行若干次復(fù)合運(yùn)算，直到R2k=R2k+1為止。此時(shí)R2k已是一個(gè)模糊等價(jià)關(guān)系。

給定聚類水平λ，由式(16)可得聚類矩陣R1,并且R1中一行或一列中數(shù)值為1的樣本應(yīng)歸為一類。

(16)

上述的聚類水平λ表示把不同樣本歸為同一類的嚴(yán)格程度。若λ為1，則表明聚類程度控制的非常嚴(yán)格，此時(shí)的聚類結(jié)果n是個(gè)樣本各自歸為一類。若λ為0，則表明聚類程度較為寬松，此時(shí)的聚類結(jié)果是n樣本歸為一類。若n個(gè)樣本中某一個(gè)樣本的各項(xiàng)指標(biāo)均為最優(yōu)或最差，則該樣本可作為聚類的基準(zhǔn)樣本。當(dāng)按照一定順序不斷調(diào)整聚類水平λ的數(shù)值時(shí)，根據(jù)各樣本與基準(zhǔn)樣本相聚類或相分離的順序，便可以判斷各類的優(yōu)劣次序。

5　算例

假設(shè)現(xiàn)需要對(duì)五個(gè)型號(hào)的航空四站裝備進(jìn)行退役分析，為其退役處理工作提供參考依據(jù)，五類指標(biāo)值如表1所示。

表1　五種四站裝備的五類指標(biāo)值

首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化和標(biāo)準(zhǔn)化處理： 1) 技術(shù)性能落后程度分為落后、較落后、一般、較先進(jìn)和先進(jìn)五個(gè)級(jí)別，依次賦分100、80、60、30和10； 2) 戰(zhàn)略重要權(quán)重分為不太重要、一般、較重要和重要四個(gè)級(jí)別，分別賦分100、80、40和10； 3) 保障效能數(shù)值取倒數(shù)進(jìn)行計(jì)算。預(yù)處理后的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　五種四站裝備的五類指標(biāo)值預(yù)處理結(jié)果

利用式(15)計(jì)算相關(guān)相似系數(shù)矩陣：

因?yàn)橄嗨葡嚓P(guān)系數(shù)矩陣為對(duì)稱矩陣，因此可簡(jiǎn)化為矩陣R0，即

經(jīng)過(guò)四次復(fù)合后得到R2k=R2k+1，說(shuō)明此時(shí)的R2k已是一個(gè)模糊等價(jià)關(guān)系，且其值為

令λ=0.732，則R1為

此時(shí)可以分為兩類：{2}，{1,3,4,5}，裝備2首先與樣本分離。

令λ=0.918，則R1為

此時(shí)可以分為三類：{1}，{2}，{3,4,5},裝備1與裝備2與樣本分離。

令λ=0.925，則R1為

此時(shí)可以分為四類：{1}，{2}，{3,4}，{5},裝備1、裝備2和裝備5與樣本分離。

根據(jù)表1中樣本的數(shù)據(jù)特征，裝備4的各項(xiàng)指標(biāo)較差，可作為基準(zhǔn)樣本。上述聚類過(guò)程中，裝備2首先與基準(zhǔn)樣本分離，其次是裝備1和裝備5，由此可知裝備3和裝備4可首先作退役處理，其次是裝備裝備5，裝備1不太適合退役，而裝備2不應(yīng)作退役處理。

6　結(jié)語(yǔ)

影響航空四站裝備退役的因素眾多，不同的裝備在退役問(wèn)題上反應(yīng)在不同的方面，并且反應(yīng)強(qiáng)烈程度不同，有的在技術(shù)性能上表現(xiàn)突出，有些則在使用維護(hù)費(fèi)用上更加明顯。傳統(tǒng)的退役處理方法已無(wú)法滿足裝備全壽命管理的需要，采用模糊聚類分析法，可以綜合考慮多種因素，對(duì)裝備的退役順序進(jìn)行客觀定量地評(píng)判，為航空四站裝備的全壽命管理工作提供參考。

[1] 胡連桃,周俊.四站保障學(xué)[M].徐州:藍(lán)天出版社,2014:85-87.

[2] 燕廣慶,楊建軍,趙英俊.地空導(dǎo)彈武器退役的模糊聚類分析[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2002,12(2):23-26.

[3] 李東巖,陳永革.地空導(dǎo)彈武器裝備退役模型研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2006,26(2):193-195.

[4] 龔旭,劉建一,徐青海,等.防空兵高炮武器裝備退役的模糊聚類分析[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2005,33(5):19-21.

[5] 徐子彬,汪民樂(lè),李朋飛.基于模糊聚類分析法的地地導(dǎo)彈退役決策模型[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù),2011(4):52-55.

[6] 顧麗娟,司守奎.模糊聚類分析應(yīng)用于炮兵精確打擊效能評(píng)估[J].兵工自動(dòng)化,2015,27(2):13-16.

[7] 彭鵬菲,全文彬,于錢.基于模糊聚類與灰色關(guān)聯(lián)的艦船裝備技術(shù)狀態(tài)評(píng)估方法[J].艦船科學(xué)技術(shù),2015,24(4):9-10.

[8] 李艷,李英浩,高峰,等.基于互信息法和改進(jìn)模糊聚類的溫度測(cè)點(diǎn)優(yōu)化[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2015,13(2):12-15.

[9] 郭齊勝,郅志剛.裝備效能評(píng)估概論[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2005:17-69.

[10] 朱雪平.防空兵作戰(zhàn)效能分析[M].鄭州：鄭州防空兵學(xué)院,1999:83-107.

[11] 趙寶軍,楊建軍.防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)退役模型研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2002,13(9):35-37.

[12] 汪應(yīng)洛.系統(tǒng)工程[M].第4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008:32-79.

Analysis of Retirement of Aerospace Ground Equipments Based on the Method of Fuzzy Clustering

LI KangHUANG ZhijieZHU Qian

(Department of Aviation Four Stations, Air Force Logistics College, Xuzhou221000)

Retirement is one of the important stages during aerospace ground equipments’ life-cycle, judging the time of retirement scientifically can fully exert its efficiency andreduce the cost of life-cycle. At present, the time of retirement of aerospace ground equipments mainly rely on its designed life and the effective method of quantitative analysis is absent.This message analyses the primary influencing factors and the corresponding retirement model is established.Then the quantitative analysis of equipments' retirement is carried on using the method of fuzzy clustering,which also gets the priorities of equipments' retirement.According to the example, the result is accordance with the actual case and provides a method of quantitative analysis for retirement policy-making question of aerospace ground equipments.

aerospace ground equipments, fuzzy clustering analysis, retirement, quantitative analysis

2016年4月11日,

2016年5月13日

李康，男，碩士研究生，研究方向：航空四站保障技術(shù)與信息化。

TJ089

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.028