裝備可持續(xù)發(fā)展能力量化分析——從資源環(huán)境約束的視角

劉世倫，倪明仿，馬 翠，呼凱凱

(1．裝甲兵工程學(xué)院技術(shù)保障工程系，北京100072;2．96630部隊(duì)，北京102206)

目前，裝備發(fā)展面臨2個突出的矛盾［1-2］:資源的有限性與裝備的高消耗之間的矛盾;環(huán)境的脆弱性與裝備的高污染之間的矛盾。因此，亟待加強(qiáng)對裝備可持續(xù)發(fā)展有關(guān)問題的深入研究。文獻(xiàn)［1，3-4］作者提出了裝備資源特性設(shè)計(jì)思想，探討了從裝備研制源頭采用科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，提高裝備的資源節(jié)約性與環(huán)境友好性，促進(jìn)裝備可持續(xù)發(fā)展;楊宏偉等［5］梳理了裝備全壽命周期各階段的資源節(jié)約工作重點(diǎn)，為開展裝備資源節(jié)約實(shí)踐提供了方法指導(dǎo);魏楊倬等［6］對裝備可持續(xù)發(fā)展的策略途徑進(jìn)行了定性分析。

在宏觀經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域多采用影響因素分解法［7-9］、基于經(jīng)濟(jì)增長和技術(shù)進(jìn)步［10-11］等方法來定量分析系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力?？紤]到裝備系統(tǒng)的軍事性、國防戰(zhàn)略性等特征，上述方法難以直接應(yīng)用到裝備領(lǐng)域中。裝備可持續(xù)發(fā)展能力從根本上取決于裝備面臨的資源環(huán)境約束程度，約束越大，可持續(xù)發(fā)展能力越差;反之，則越好。本文將資源環(huán)境約束視為裝備可持續(xù)發(fā)展的阻力，以此來探討裝備可持續(xù)發(fā)展能力量化分析問題。

1 思路與方法

資源環(huán)境約束包括資源約束和環(huán)境約束2個方面。首先，從資源的稀缺性、有用性2方面構(gòu)建資源約束量化模型;然后，從裝備所處環(huán)境的容納能力、裝備對環(huán)境的危害2方面構(gòu)建環(huán)境約束量化模型;最后，將資源約束和環(huán)境約束綜合起來，形成裝備可持續(xù)發(fā)展能力的度量模型。

應(yīng)用冪權(quán)重法對各項(xiàng)子因素進(jìn)行綜合的做法最早見于經(jīng)濟(jì)學(xué)中的柯布-道格拉斯函數(shù)［12］;軍事領(lǐng)域中利用冪權(quán)重法建立了戰(zhàn)斗力生成模型［13］。

與傳統(tǒng)的加權(quán)求和法相比，冪權(quán)重法具備特有的“趨0性”，即當(dāng)其任一指標(biāo)趨于0時，其綜合值也趨于0。在資源環(huán)境約束度的量化分析中，也存在這種“趨0性”，即當(dāng)任意一項(xiàng)子指標(biāo)趨于極大或極小值時，資源環(huán)境約束度也趨于極端值，因此，本文采用冪權(quán)重法對資源環(huán)境約束度的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合，其基本形式為

式中:R為對各項(xiàng)子指標(biāo)賦權(quán)匯總得到的綜合值;Ai為第i個子指標(biāo)的值，Ai∈［0，1］;αi為第 i個子指標(biāo)的權(quán)重

2 模型構(gòu)建

2．1 資源約束

資源約束是由于裝備建設(shè)所需資源短缺而對裝備發(fā)展造成的制約效應(yīng)。資源約束體現(xiàn)在資源的稀缺性和有用性2個方面，二者缺一不可。某種資源越稀缺、對裝備越有用，則其對該型裝備的資源約束越強(qiáng)。定義稀缺度(Scarcity Degree，SD)和有用度(Usefulness Degree，UD)分別為資源的稀缺性和有用性的度量指標(biāo)。

2．1．1 資源稀缺度

資源稀缺度主要通過存量稀缺度(Reserves Scarcity，RES)、進(jìn)口風(fēng)險度(Import Risk，IR)、技術(shù)稀缺度(Technology Scarcity，TES)3個指標(biāo)來度量。

RES是指由于資源儲存量少(由于裝備系統(tǒng)主要消耗的是不可更新的資源，本文僅關(guān)注不可更新資源的存量稀缺)，難以持續(xù)滿足人們不斷增長的需求而造成的資源稀缺的程度。衡量RES的指標(biāo)主要有資源的儲采比、循環(huán)利用率和消耗增長率。IR是指由于國際貿(mào)易、地緣政治等因素，使得資源進(jìn)口面臨中斷、抬價、受阻等風(fēng)險，導(dǎo)致國內(nèi)資源的供需矛盾，進(jìn)而造成資源稀缺的程度。衡量IR的指標(biāo)主要有對外依存度、進(jìn)口集中度和地緣政治風(fēng)險。TES是指雖然擁有一定的資源儲存量，但由于缺乏核心技術(shù)，導(dǎo)致資源開采成本高、深加工利用困難而造成的資源稀缺程度。

可采用德爾菲法、層次分析法等得到RES、IR和TES的取值。SD的3項(xiàng)指標(biāo)具有如下2個特性:1)取值范圍均為［0，1］，且取值越大，相應(yīng)的稀缺程度越重;2)當(dāng)任一指標(biāo)取極大值時，綜合值也取極大值，即若某種資源儲存量特別稀少(RES→1)，或者對外依賴嚴(yán)重(IR→1)，或者核心技術(shù)嚴(yán)重受制于人(TES→1)，那么該資源的稀缺度取值也應(yīng)當(dāng)接近極大值(SD→1)。根據(jù)冪權(quán)重法可得

SD=1-(1-RES)α11(1-IR)α12(1-TES)α13。(2)

2．1．2 資源有用度

資源有用度的衡量指標(biāo)如圖1所示，可見:衡量UD的指標(biāo)主要有資源的消耗量，可回收再利用性，功能、性能、任務(wù)影響，經(jīng)濟(jì)影響以及長遠(yuǎn)戰(zhàn)略價值。UD的各項(xiàng)子指標(biāo)的取值范圍均為［0，1］，可采用層次分析法等得到UD的值。

圖1 資源有用度衡量指標(biāo)構(gòu)成及各項(xiàng)指標(biāo)的特性

2．1．3 單項(xiàng)資源約束度

定義單項(xiàng)資源約束度(Single Resource Constraint Degree，SRCD)為單一品種資源對裝備產(chǎn)生約束的度量值。結(jié)合資源約束的含義，SRCD、SD和UD應(yīng)滿足3個條件:1)SD、UD和SRCD的取值范圍均為［0，1］;2)SRCD為SD和UD的賦權(quán)綜合值，且與二者均呈正相關(guān)關(guān)系;3)當(dāng)SD或UD中任意一項(xiàng)趨于0時，SRCD也趨于0。根據(jù)冪權(quán)重法可得

2．1．4 資源約束度

定義“資源約束度(Resource Constraint Degree，RCD)為多種資源約束同時施加于同一裝備上的綜合值。RCD可通過對多個SRCD加權(quán)求和得到，即

式中:SRCDi為第i項(xiàng)單項(xiàng)資源的約束度;βi為其權(quán)重。

2．2 環(huán)境約束

環(huán)境約束是由環(huán)境承載的有限性和裝備高排放、高污染等特性造成的制約裝備發(fā)展的效應(yīng)。值得注意的是:同樣的污染物排放，對生態(tài)保護(hù)區(qū)和沙漠戈壁灘，對封閉的湖泊和流動的河海，造成的危害是完全不同的。因此，環(huán)境約束包括環(huán)境本身的容納能力和裝備破壞環(huán)境的程度2個方面。

2．2．1 環(huán)境容量指數(shù)

采用環(huán)境容量指數(shù)(Environmental Capacity Index，ECI)來度量環(huán)境容納能力，取值范圍為［0，1］。ECI主要體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、生態(tài)價值以及區(qū)域開放流動性3個方面，其衡量指標(biāo)及各指標(biāo)的特性如圖2所示?？刹捎脤哟畏治龇ǖ鹊玫紼CI的值。

圖2 環(huán)境容量指數(shù)的衡量指標(biāo)構(gòu)成及各項(xiàng)指標(biāo)的特性

2．2．2 環(huán)境危害指數(shù)

采用環(huán)境危害指數(shù)(Environmental Harmfulness Index，EHI)來衡量裝備對環(huán)境造成的危害程度。衡量EHI的指標(biāo)主要有生態(tài)系統(tǒng)危害和人體危害2方面，如圖3所示。可采用層次分析法等得到EHI的值。

圖3 環(huán)境危害指數(shù)衡量指標(biāo)構(gòu)成

2．2．3 環(huán)境約束度

采用環(huán)境約束度(Environment Constraint Degree，ECD)來度量裝備面臨環(huán)境約束的程度。當(dāng)環(huán)境容量極大(ECI→1)，或裝備對環(huán)境的危害極小(EHI→0)時，環(huán)境約束度都應(yīng)當(dāng)取極小值(ECD→0)。根據(jù)冪權(quán)重法可得

2．3 裝備可持續(xù)發(fā)展度

定義資源環(huán)境約束度(Resources and Environment Constraint Degree，RECD)為裝備發(fā)展面臨的資源環(huán)境約束程度的度量指標(biāo)?？紤]到當(dāng)RCD或ECD二者任一指標(biāo)取極大值(趨近1)時，RECD也應(yīng)取極大值(趨近1)，根據(jù)冪權(quán)重法可得

RECD=1-(1-RCD)α41× (1-ECD)α42。(6)

定義裝備可持續(xù)發(fā)展度(Equipment Sustainable Development Degree，ESDD)為裝備可持續(xù)發(fā)展能力的度量指標(biāo)。由于將資源環(huán)境約束視為資源特性水平的“對立面”，因此二者的內(nèi)在關(guān)系可表示為

ESDD=1-RECD=(1-RCD)α41(1-ECD)α42。(7)

3 算例分析

3．1 資源約束分析

以某型裝備(記為“T裝備”)為例，為簡化分析，僅考慮其所消耗的3種主要資源:燃油(T裝備的動力)、鋼鐵(T裝備的主要結(jié)構(gòu))、稀土材料(T裝備的核心芯片、激光元器件、特種結(jié)構(gòu)材料中少量使用)。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，石油全球儲產(chǎn)比為 54．2年［14］，我國石油對外依存度為 56．7%［15］，地緣政治風(fēng)險較大，但油料加工技術(shù)基本不需要進(jìn)口;我國稀土原材料基本不需要進(jìn)口，但基于稀土材料的核心零部件制造技術(shù)(如芯片技術(shù)等)對外依賴程度較高;我國鋼鐵對外依存度為56．4%［15］。根據(jù)資源約束度及其各項(xiàng)子指標(biāo)的計(jì)算方法，按照等權(quán)重計(jì)算，各指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出:T裝備面臨的資源約束度為0．595，略偏高，主要是由3類資源的稀缺度和有用度均偏高造成的。從資源有用度來看:3類資源的UD≥0．5，都是裝備所需的重要資源。從資源稀缺度來看:石油資源的存量稀缺度和進(jìn)口風(fēng)險度較高，尤其是稀土資源的技術(shù)稀缺最為突出，鋼鐵資源在3方面都存在一定程度的稀缺。

表1 資源約束度等相關(guān)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

3．2 環(huán)境約束分析

根據(jù)環(huán)境約束度各項(xiàng)子指標(biāo)的構(gòu)成及其計(jì)算方法，按照等權(quán)重計(jì)算可得:ECI=0．6;EHI=0．352;ECD=0．375。可見:T裝備所處環(huán)境的容納能力較強(qiáng)，對環(huán)境造成的危害不太嚴(yán)重，T裝備面臨的環(huán)境約束較低。

3．3 總體分析

根據(jù)式(6)、(8)可得到:RECD=0．496;ESDD=0．504?？梢?T裝備的可持續(xù)發(fā)展能力不高，其面臨的資源約束比環(huán)境約束更嚴(yán)重，尤其是石油和稀土資源的約束度較高，主要是由于所采用稀土材料核心技術(shù)的自主能力不足，石油資源的存量不足且對外依賴度過大。

3．4 靈敏度分析

針對T裝備可持續(xù)發(fā)展度不高的問題，可通過2種途徑來改進(jìn):1)提高稀土材料核心技術(shù)的自主能力;2)采用新能源技術(shù)、新型動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高能效水平，在裝備中逐步減少石油資源的消耗。假設(shè)通過技術(shù)攻關(guān)，稀土材料核心技術(shù)進(jìn)口率從0．7下降到0．3;通過新能源技術(shù)的應(yīng)用，石油成為裝備的輔助燃料，其有用度從0．6下降到0．2;其他參數(shù)不變。重新計(jì)算得到的各項(xiàng)指標(biāo)值如表2所示。

表2 技術(shù)改進(jìn)后相關(guān)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

從表2可以看出:當(dāng)稀土核心技術(shù)進(jìn)口率和石油有用度2個指標(biāo)值均下降40%后，石油資源約束度從0．627下降到 0．362，下降了 26．5%;稀土資源約束度從0．646 下降到 0．541，下降了 10．5%;裝備可持續(xù)發(fā)展度從0．504提高到0．574，提高了7%，效果比較明顯。

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