基于费效分析的武器装备体系结构优选研究

卞立新,　罗兴柏,　李金明,　满海涛,2

(1.军械工程学院,河北 石家庄　050003;2.72373部队,河南 洛阳　471900)



基于费效分析的武器装备体系结构优选研究

卞立新1,罗兴柏1,李金明1,满海涛1,2

(1.军械工程学院,河北 石家庄050003;2.72373部队,河南 洛阳471900)

摘要：在现代信息化战争中,作战双方的对抗方式不仅仅是作战双方主战武器和兵力的较量,更多的是多种武器装备间的体系对抗。本文在对武器装备体系的概念内涵分析的基础上,对有关费用-效能分析中的费效准则进行了简要的介绍,简述了在武器装备体系效能评估中常用几种计算方法,并对目前广泛使用的效能评估方法ADC法进行了详细的介绍,利用费效分析法对武器装备体系的结构组成和配置进行优化,确保在资源有限的条件下,以达到所选择的武器装备体系的综合作战效能最优,投入的费用最少的结果,利用此方法有助于决策机构对武器装备体系结构优选提供决策支持。

关键词：武器装备体系; 费效分析; 优化

1引言

在现代信息化战争中,由于高新技术的不断应用使得战场环境越来越复杂,作战双方的对抗不仅仅是作战双方主战武器和兵力的较量,更多的是多种武器装备的综合作战能力的较量,即体系的对抗[1]。

武器装备体系是一类特殊的体系,国外文献一般使用军事体系[2](military system of systems)或联合系统(joint systems)以及武器体系[3](weapon systems)等词组。目前关于武器装备体系的概念在国内为有多种版本的定义,普遍的定义为:武器装备体系是在一定战略指导、作战指挥和保障条件下,为完成一定作战任务,而有功能上相互联系,相互作用的各种武器装备组成的更高层系统[4]。

武器装备体系结构是武器装备体系内部各成员之间联系方式、组织秩序及其相互关系的内在表现形式[5]。对于装备体系结构优选的目的是在资源约束尤其是经费有限的条件下,通过对装备体系中各种武器装备的结构、数量进行最优匹配,从而使装备体系的整体作战效能最大化。

2武器装备体系费用-效能分析

费效分析是指通过确定目标、建立备选方案、从费用和效能两方面综合评价各方案的过程[6]。费用-效能分析(简称费效分析)是一种决策分析的方法,主要是通过对所提供备选方案能产生的效益(或效能)和为此付出的代价作整体的权衡比较,从而为决策提供辅助和支持[7]。

2.1武器装备体系效能分析

目前关于效能的概念一般大都采用美国工业界武器系统咨询委员会WSEIAC给出的定义,它指的是预期一个系统能满足一组特定任务要求的度量[8]。在我国对于武器系统效能指的是在规定的条件和规定的时间内,完成预定任务的能力[9]。评定武器装备体系效能的方法很多,如图1所示。比较常用的方法有指数法、ADC法及层次分析法等。

图1　装备体系效能评估方法Fig.1　Equipment system effectiveness evaluation method

目前对于装备体系效能评估广泛应用的是美国工业界武器系统咨询委员会WSEIAC的ADC法。它根据有效性(Availability)、可靠性(Dependability)和能力(Capacity)三大要素来评价装备系统把这三大要素组合成一个表示装备系统总性能的单一效能量度(E)[10]。装备效能可表示为

E=ADCT

(1)

2.2.1有效度矩阵A

表示武器系统在开始执行任务时处于不同状态下的概率,一般表达式为

(2)

式中:ai为开始执行任务时处于i状态的概率;n为开始执行任务时系统的状态数。

2.2.2可信度矩阵D

表示武器系统在执行任务时的各种状态的概率,表达式为

(3)

式中:dij表示武器系统由初始状态i经过对抗过程转变到状态j的概率。

2.2.3能力矩阵C

表示在已知执行任务期间系统状态的条件下,系统完成作战任务能力的量度,表达式为:

(4)

式中:Ci表示武器系统在第i中状态下完成规定作战任务的概率。

2.2武器装备体系费用分析

由于高新技术在武器装备中不断应用,不仅使武器装备的研制费用和采购费用快速上升,也使武器装备的维修费用急剧增加,甚至远高于武器装备的采购费用。因此,对于武器装备的费用不能只估算采购费用,而要使用全寿命期费用Lcc(见图2)(Life Cycle Cost)估算装备费用[11]。

装备全寿命期费用是装备体系在寿命周期不同阶段所产生的费用,是研制费、购置费、使用与保障费、退役处置费之和。

图2　全寿命期费用Fig.2　Life cycle cost

由于退役处置费在整个全寿命期的费用中占比很少,而研制费用和生产费用一般包含在购置费中。因此,武器装备的全寿命期费用可以表示为

(5)

式中:C为购置费;U为使用保障费。

由于武器装备的全寿命期长达15-20年,应考虑物价上涨对费用消耗的影响[6]。设当前年份为k,第k年的年度装备的使用维护费用为Vk,则其n年后的价值Uk与Vk的关系为

(6)

式中:β为平均年利率

价格上涨会引起采购费用的上涨。设现时采购费用为C0,考虑到价格上涨的影响,则n年后的费用需求Cn应为

(7)

由上可得装备体系中的装备的n年全寿命周期费用模型为

(8)

2.3费效准则的确定

费效准则是所分析问题的依据,通过费效准则对多种备选方案进行优劣比较,进而选取备选方案中的最优方案。费效分析常用的准则为:最小费用准则、最大效能准则、费效比准则和收益递减准则[11]，如图3所示。

2.3.1最小费用准则

最小费用准则是指在装备体系的作战效能不小于给定的临界值Eg的条件下,最优方案的整体费用最小,即

(9)

2.3.2最大效能准则

最大效能准则是指在装备体系的费用不超过给定的费用临界值Mg的条件下,最优方案的使用效能最高,即

(10)

2.3.3费效比准则

费效比准则是指最佳方案的费效比最大小,即

(11)

利用费用分析和效能分析组合成的费用效能分析,并添加其他约束条件对武器装备体系进行分析研究,得出最优方案。

图3　分析方法Fig.3　Analytical method

武器系统效能研究与费用研究是同步的,其目的是在费用一定的情况下,怎样选择系统结构及性能参数,使武器装备的效能达到最优。另外,在效能一定的情况下,使用备选系统的费用最低[11]。

3费用-效能分析实例

下面用一个简单的实例来说明费效分析的计算过程,设装备体系由成员A、B、C组成,各武器系统的费用和系统性能等各项指标数据如表1。

表1　武器系统各项指标数据表Tab.1　Weapon system indicators data sheet

经过专家讨论,武器装备体系的构成方案如表2所示。

表2　装备体系构成方案Tab.2　Composition scheme of equipment system

通过以上数据,现对各个方案进行费效分析如下:

通过全寿命周期费用计算可得到各个备选方案的全寿命周期费用分别为:

M1=10.7(百万元);M2=11.5(百万元);M3=9.9(百万元)。

通过公式(1)可得到各个方案综合效能计算结果见表2,分别为:

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

(1) 若采用最小费用准则

由计算可知因M3

(2) 若采用最大效能准则

由计算可知,E2>E1>E3,备选方案2的体系综合效能最大,故选择方案2。

(3) 若采用费效比准则

通过以上计算结果可以看到,采用不同的分析准则所得到的最优方案是不同的。具体选择哪个方案需要综合作战环境和费用条件综合分析,片面的追求效能的最大化,会导致装备体系中装备寿命周期费用的大幅上升,在经费有限的条件下会减少体系中的装备数量反而降低了体系的总体作战效能。

4总结

利用费效分析可以再已有的方案中选出最优方案,保证装备体系在经费有限的情况的体系的综合作战能力最大,然而需要注意的是费用效能分析要求事先提出若干方案,因而所得出的结果是备选方案中相对最优的,不一定是最好的方案,只是帮助决策者做出抉择提供必要的数据资料,便于进行综合分析,在几个给定的方案中选出最优方案。本文只是利用费效分析对装备体系结构优选进行初步探讨,实际上由于装备体系的复杂性,想要精确评估其效能的是十分困难的,需要综合考虑多种因素,下一步会继续进行研究。

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卞立新男(1991-),辽宁本溪人,硕士研究生,主要研究方向为弹药系统设计与试验评估。

罗兴柏男(1962-),安徽芜湖人,教授,主要研究方向为弹药系统设计与试验评估。

中图分类号：E 917

文献标识码：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