线性权重分析法在装备特性参数优化中的应用

朱洪伟，陈圣斌，曾曼成

（中国直升机设计研究所,江西 景德镇 333001）

0 引言

现代装备是由多个或多达数十个系统组成的综合体 （例如:现代直升机包括结构、旋翼、传动、动力、飞行操纵、控制、航空电子、电源、液压、燃油滑油和环控等近20个系统）。为了实现装备的任务 （例如:现代直升机为了实现规定的飞行任务）提出了许多性能要求。为了使现代装备 （例如:直升机）的多个系统与多种功能在现有的技术条件下和有限的经费支持下能够很好地协同和融合,于是便要对各个系统的各种特性参数指标进行权衡兼容或综合优化,以便获得以效能指标表征的最大价值[1]。这便是人们所说的效能分析和评估。

作为用户和使用方 （如直升机用户,无论是军方还是民航用户）,他们最关注的往往不是装备系统的结构强度、旋翼直径或阻力系统,而是费用和执行的任务。例如:对于军用直升机,他们关心的是全寿命周期费用；而对于民用直升机,他们关心的则是直升机的直接使用和保障费用。

作为研制方的设计人员,他们常会感到很困惑,不知道到底要以什么样的费用或代价,才能使用户获得满意或保证产品具有较好的性能。

在这样的背景条件下,20世纪60年代的10年间,在西方航空界便形成了效费的概念[1]。所谓效费,它考虑的是装备系统的效能,是效能与费用之比。然而这种效费,正如文献 [1]和文献 [3]所述,至今没有一个标准及度量方法；就费用而言,尽管目前已经有许多费用评估或计算模型,但它们的可信度或置信度至今尚未被广泛地认可和接受。显然,用效费、费用来综合地评估装备的优度也不是最佳方法,难度较大。

目前,以设计技术参数来表征装备系统的效能或效能指标的做法已得到业界人士和用户的认可和接受。

这种效能指标评估方法利用效能与特性参数的显性关系来进行装备系统的评估,是一种切实可行的系统综合评估方法。

因此,本文将致力于装备效能的讨论,试图通过评估,为设计人员和装备系统用户提供一种广为人们接受、认可的系统综合评估和决策的有效方法。

1 效能和效能分析/评估

效能是用户或使用方极为关注而常用的术语。就军用装备而言,其军用效能是指装备系统在规定的条件下或特定的使用剖面内,对所予想的威胁,它能使系统指标或所期望的系统达到某一具体任务要求的程度[4]。

效能分析/评估,即以相应的分析方法和分析模型评估装备/系统的效能指标表征的装备/系统的价值。

效能分析/评估的目的是评估所要解决的问题和所发挥的作用。装备的效能评估是评估装备系统特性综合权衡或综合优化,及其执行任务的优良度或优度。当然,这种分析评估随着设计的深入而反复多次进行,通过迭代不断地发现设计中的问题,不断地完善和改进,使系统更好地综合融合,相互之间友好地协调工作。在方案论证阶段,其能够为方案选择起到重要的决策支撑作用。

装备效能分析/评估程序如图1所示[1-3],具体的过程如下所述。

a）第一步,阐述问题。即说明效能评估的目的、评估的对象、评估的主体和评估的方法等。为了做好这一项工作,要收集、整理和分析相关资料。

b）第二步,根据使用要求和执行的任务,提出多种备选方案。

c）第三步,建立效能评估体系。包括特性和各个特性参数的选择,建立评估模型,确立评估方法。

d）第四步,分析、计算各种备选方案的评估值。进行敏感度分析,确定各个特性的主宰因素。

e）第五步,综合评估和决策,包括各种备选方案综合评估的效能。在方案论证阶段,应确定综合优化方案；而在评审时,应发现问题,并提出相应的改进措施等。

图1 效能分析/评估程序

在这一评估程序中,建立评估体系是很重要的。由于装备的效能分析试图以装备的特性参数指标建立与效能之间的函数关系以便进行综合评估,因此装备特性参数的选择至关重要。选择的特性参数指标既不是越多越好,也不是越少越好。评估的特性参数指标过多就存在重复性,会受到干扰；过少则可能使选择的特性参数缺乏足够的代表,反映不出装备的效能特征。因此,在选择特性参数指标时,应遵循下列原则:

1）所选择的特性参数应能影响装备系统的效能,它们是效能的主要因素；

2）所选择的特性参数指标是可度量或可测定的,尽可能地避免假设或判断、主张；

3）所选择的特性参数尽可能地是相互独立的,避免重复性。

对于效能评估/分析的模型,要确保:

1）效能的评估具有可比性；

2）效能评估模型要能充分地反映装备系统特性及内部本质,通过定性/定量分析能够有效地揭示装备系统的效能表征的价值。

目前,装备系统或系统工程的分析/评估有许多方法[2-4]。装备效能分析/评估最常用的方法有相似系统分析法、权重法、层次分析法和模糊综合分析法。

其中,相似系统分析法、权重法是原理性分析/评估方法,而层次分析法和模糊综合分析法为工程实用方法。

在论述了效能和效能分析/评估的基本要求之后,以下将以直升机为例进一步地论述效能分析/评估的基本考虑及分析过程,以期给装备系统的效能分析与决策提供一些有效的启示,进而推动装备系统特性综合研究及应用的发展。

2 直升机效能分析/评估的特性参数

直升机有许多的特性参数,根据前面的效能分析/评估的特性参数的选择原则,最终选择了如下所示的各种特性参数。

a）任务生产率特性 （Mission Productivity Attributes）

1）无效悬停重量；

2）有效载荷能力；

3）任务设备；

4）航程能力；

5）速度；

6）悬停时间；

7） 待机时间 （lotier time）。

b）使用可用度特性 （Operation Availability Attributes）

1）故障率；

2）修复率；

3）后勤保障延误时间；

4）飞行/使用时间。

c）战场取胜特性

1）生存率；

2）目标检测率；

3）目标致损率。

d） 库存因素 （Inventory Factors）

1）机群规模 （航空器数量）；

2）首批交付时间；

3）交付速度；

4）使用寿命；

5）耗损率。

e）费用特性

1）研发费用；

2）采购费用；

3）使用保障费用；

4）专项费用或人员等费用。

必须指出,尽管这些特性参数是独立确定的,但是不难发现,在所列举的特性参数中缺少机动性和敏捷性,这并不是被忽视而漏掉了,而是认为他们隐含在战场取胜特性之中,因为这是取胜率的贡献因素[3]。

另外,这些特性参数是根据直升机的各种军事应用的任务而选择确定的,旨在能适用于大多数直升机的效能分析/评估。

3 线性权重分析方法

3.1 权重分析的原理

线性权重分析方法是最简单的且经验证是处理权衡问题的有效方法。这种方法对所关注或影响装备系统效能的每一种特性都赋以一个权重数。这一个权重值是由其考虑的相关特性参数之间的相对重要性来确定的[5]。这种方法的表达式如下:

式 （1）中:wi——第i个特性赋以的权重数；

ei——第i个特性的优度值 （评估值）。

这种效能评估方法,曾用于美国陆军新一代直升机RAH-66卡曼奇方案论证时的效能分析/评估中。这种方法的层次结构如图2所示。每一层的权重总和为这一层次各个特性权重相加所得到的结果。这里,仅表示了顶部的层次关系。

图2中仅列出了系统性能和保障性两个特性参数的权重值,显然,该直升机的保障性比系统性能更为重要。

图2 卡曼奇RAH-66线性权重分析的层次结构

必须指出,这种线性权重分析仅在权重精准时才正确。他们的比较仅适用一个很窄的范围。

通过两个系统的比较分析便不难看出这种方法的缺陷或使用限制,详细内容如表1所示。

表1 两个系统的比较

表1中A系统的有效载荷有较高的权重值,但是它在执行任务中,其有效载荷为0；而B系统的有效载荷评分很高,然而效能评估不高,A系统比B系统好。显然,这一问题是权重值的使用变化超出了其应用的适用性。即前面所说的它仅适宜于比较窄的比较范围。

线性权重分析法的另一个缺陷是:如果比较中引入了新的特性参数,则整个权重计算或确立都可能变化了,更糟的是有可能使新的特性参数被忽略了。例如:在20世纪90年代以前或更早的时代,雷达截面和红外图像与效能分析没有很高的相关性。对于现代直升机或军用飞机,这一特性便成为主宰因素之一。显然,如果忽略了雷达截面和红外图像特性,其效能分析评估便不正确了。

这里还需指出,如前所述特性参数的选择应是可度量或可测定的 （权值的确定后面会详细说明）。因此,必要时,仍可采用假设判断来确立特性参数,但必须是合理适用。

从上面的分析中可以看出,这种线性权重分析法的应用,其关键在于权重值的确定及每一种特性参数优度值 （或评估值）的选择,下面将结合实例予以详细的说明。

3.2 应用实例

为了说明这种线性权重分析方法的应用,现举例如下。

某型直升机在方案论证时,提出了4个备选方案。这些方案的特性参数如表2所示。

表2 某型机4种备选方案的特性参数指标 [2]

表2中,A1、A2、A3、A4表示该型机的4个备选方案,其中:

X1——最大飞行速度；

X2——最大航程；

X3——最大载荷；

X4——单机价格；

X5——机动性；

X6——可靠性。

按照效能的线性权重分析法,首先必须确定各个特性参数的权重数或权重值。

权重值的确定有2种常用的方法[3],即逐对比较法和A·古林法。

文献 [3]中给出了PATERN法、当家咨询法、集值迭代法和层次分析法。

无论何种方法,各个特性参数的权重值之和应为1.0。

在本例中,选择逐对比较法。

所谓的逐对比较法,即是指将所有的评估特性参数逐对比较。比较结果重要的得1分,另一个得0分,依次类推。本例的逐对比较及权重值如表3所示。

表3 逐对比较法与权重值

例如:X1（最大飞行速度）的权值

W1=4/15=0.27

依次类推可得:

W2=0.20

W3=0.20

W4=0.07

W5=0.13

W6=0.13

然后,由专家团队确定评估标准,本例评估采用5分制。在所有的评估参数指标中,如某一方案的参数指标达到评估指标的最高值为5分,次之为4分,依此类推。本例中的价格,凡价位低的评高分,价位高的评低分。具体的评估标准如表4所示。

根据表3特性权重值与表4的评估标准,得到了该型机4种方案各个特性参数的优度值,如表5所示。

按照表5中各种备选方案给出的各个特性参数的权重值及评估给出的优度值,各个备选方案的综合评估的效能值如下:

由上述的综合评估的效能值可知,由于效能A2＞效能A4＞效能A3＞效能A1,故A2备选方案较优。

4 结束语

通过上述分析,得到了以下结论:

1）权重值的准确性取决于专家团队的知识水平和他们经验的积累,它具有一定的主观性,但使用结果表明其仍是一种有效的方法；

表4 评估标准 （示例表）

表5 4种备选方案的效能评估结果

2）无疑在权重值分析时,任意两个参数之间的相对重要性要有可比性,使权重值具有客观性；

3）所选择的特性参数体系应全面、客观、正确地反映影响装备效能评估的主宰因素；

4）方案论证时,由于顶二层以下的更细化的特性参数尚未确定,此时可用这种原理方法评估各种备选方案,以决定所选择的方案。

[1]国防科工委军用标准中心.防务承办术语和缩略语 [M].北京:航空工业出版社,1992.

[2]汪应洛.系统工程 [M].北京:机械工业出版社,2005.

[3]MAYNARD L Marquis.Affordability and performance in rotorcraft design[C]//AHS 53th Annual Forum, 1997:515-538.

[4]叶义成,柯丽华,黄德府.系统综合评价技术及其应用[M].北京:冶金工业出版社,2006.

[5]贺佳,高尔生,楼超华.综合评价中权重系数及标准化方法的研究 [J].中国公共卫生,2001,18（2）:119-120.