艦船動(dòng)力系統(tǒng)方案評(píng)估指標(biāo)體系研究

張 鵬，徐 鵬

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064;2.海軍駐大連船舶重工集團(tuán)有限公司軍事代表室，遼寧 大連116011)

0 引 言

作為艦船的重要組成部分，動(dòng)力系統(tǒng)的性能影響并制約著艦船戰(zhàn)技術(shù)性能的發(fā)揮，并直接決定艦船能否完成其使命任務(wù)。艦船動(dòng)力系統(tǒng)在方案論證階段的主要工作是多方案評(píng)估優(yōu)選，其實(shí)質(zhì)是多準(zhǔn)則決策，建立科學(xué)合理的評(píng)估指標(biāo)體系，是進(jìn)行多準(zhǔn)則決策的前提。目前，艦船動(dòng)力系統(tǒng)方案評(píng)估一般采用人工方法進(jìn)行，多屬定性分析和經(jīng)驗(yàn)決策，制約了論證能力的提升。因此，建立艦船動(dòng)力系統(tǒng)方案評(píng)估指標(biāo)體系，推動(dòng)艦船動(dòng)力系統(tǒng)方案評(píng)估從定性向定量轉(zhuǎn)化，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)體系的原則和方法

建立一套具有實(shí)用價(jià)值的指標(biāo)體系，需要遵循一定的原則。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，指標(biāo)體系的構(gòu)建一般要遵循系統(tǒng)性原則、可比性原則、科學(xué)性原則、實(shí)用性原則、層次性原則和簡(jiǎn)易性原則等［1］。

指標(biāo)分解一般按照艦船工程的原理對(duì)頂層目標(biāo)進(jìn)行逐層分解，最后形成一個(gè)具有遞階層次結(jié)構(gòu)的指標(biāo)體系。在該遞階層次結(jié)構(gòu)中，最高層是總目標(biāo)層，給出艦船動(dòng)力系統(tǒng)方案評(píng)估的總體目標(biāo);中間層是準(zhǔn)則層，給出對(duì)艦船動(dòng)力系統(tǒng)方案進(jìn)行綜合評(píng)估的準(zhǔn)則;底層是指標(biāo)層，即進(jìn)行艦船動(dòng)力系統(tǒng)方案評(píng)估的具體指標(biāo)。應(yīng)該看到，下層指標(biāo)比上層指標(biāo)更加明確、具體，它是進(jìn)行上層目標(biāo)評(píng)估的手段，而最底層目標(biāo)就形成了可直接進(jìn)行評(píng)估的指標(biāo)。

本文將根據(jù)上述原則和方法提出一套適用于艦船動(dòng)力系統(tǒng)方案評(píng)估的指標(biāo)體系。

2 評(píng)估指標(biāo)體系的層次結(jié)構(gòu)

艦船動(dòng)力系統(tǒng)的研制目標(biāo)是以最低的風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用獲得效能最高的動(dòng)力系統(tǒng)，因此，按照評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建的一般方法和原則，艦船動(dòng)力系統(tǒng)方案評(píng)估指標(biāo)體系采用以下3 層結(jié)構(gòu):

第1 層為目標(biāo)層:以最低的風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用獲得效能最高的動(dòng)力系統(tǒng)。

第2 層為準(zhǔn)則層:分別包括效能、壽命周期費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)。

效能和費(fèi)用是系統(tǒng)分析或決策者所關(guān)心的2個(gè)核心要素。效能是效果好壞和價(jià)值大小的表征準(zhǔn)則，費(fèi)用是資源投入和代價(jià)大小的表征準(zhǔn)則。由于需要開展綜合評(píng)估的艦船裝備大多是新研制的裝備，投入預(yù)定的經(jīng)費(fèi)，達(dá)到預(yù)想的效能，都存在一定的不確定性，因此綜合評(píng)估準(zhǔn)則還應(yīng)綜合考慮風(fēng)險(xiǎn)因素，并將風(fēng)險(xiǎn)作為評(píng)估準(zhǔn)則。美、英海軍用于艦艇裝備概念探索和概念開發(fā)的綜合評(píng)估模型都以效能、費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)三項(xiàng)作為綜合評(píng)估準(zhǔn)則。

第3 層為指標(biāo)層:是效能、壽命周期費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則的分解。

3 評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建

3.1 效能的分解

效能評(píng)估是衡量軍事裝備質(zhì)量的重要方法，也是軍事裝備論證的必要環(huán)節(jié)。在軍事裝備的型號(hào)論證中，按照研究范圍可將效能分為單項(xiàng)效能、系統(tǒng)效能和作戰(zhàn)效能。單項(xiàng)效能不能完整地反映動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)，不宜作為動(dòng)力系統(tǒng)的方案評(píng)估指標(biāo)，在方案論證階段對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行作戰(zhàn)效能評(píng)估的可操作性較差。因此，作戰(zhàn)效能也不宜作為動(dòng)力系統(tǒng)的方案評(píng)估指標(biāo);系統(tǒng)效能是對(duì)裝備系統(tǒng)效能的綜合評(píng)價(jià)，是型號(hào)論證時(shí)主要考慮的效能參數(shù)，因此，動(dòng)力系統(tǒng)方案評(píng)估應(yīng)采用系統(tǒng)效能指標(biāo)，并按照定義對(duì)系統(tǒng)效能作進(jìn)一步分解。

美國(guó)工業(yè)界武器裝備系統(tǒng)效能咨詢委員會(huì)定義:“系統(tǒng)效能是預(yù)期一個(gè)系統(tǒng)能滿足一組特定任務(wù)要求程度的度量，是系統(tǒng)的可用性、可信性和能力的函數(shù)”［2］。根據(jù)系統(tǒng)效能的定義，系統(tǒng)效能可以分解為可用性、可信性和能力。

為方便起見，在實(shí)際分析中往往用一個(gè)綜合性指標(biāo)來表征可用性和可信性，文獻(xiàn)［3］稱其為可使用性。在可使用性指標(biāo)中，國(guó)內(nèi)外大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)裝備效能影響最大的是可靠性、維修性和保障性。在方案論證階段，能夠獲取的系統(tǒng)信息較少，保障性的量化難度很大，因此不宜作為裝備效能的評(píng)估指標(biāo)。

綜合以上分析，本文將艦船動(dòng)力系統(tǒng)方案評(píng)估指標(biāo)體系中的系統(tǒng)效能分解為任務(wù)能力和可使用性。任務(wù)能力應(yīng)該根據(jù)作戰(zhàn)使用性能的要求作進(jìn)一步的分解，而可使用性可以根據(jù)可靠性和維修性的要求作進(jìn)一步的分解。

3.1.1 任務(wù)能力的分解

在進(jìn)行任務(wù)能力的分解時(shí)，是將動(dòng)力系統(tǒng)納入全艦系統(tǒng)工程范疇，綜合考慮動(dòng)力系統(tǒng)戰(zhàn)技術(shù)性能對(duì)總體的影響程度，在實(shí)際論證工作中，這些影響因素往往會(huì)成為動(dòng)力系統(tǒng)方案決策的主導(dǎo)因素。

本文在參考簡(jiǎn)氏年鑒(Jane＇s Fighting Ships)的基礎(chǔ)上，通過綜合分析，將任務(wù)能力分解為以下幾種:

1)航速適應(yīng)性

提供艦船在執(zhí)行各種任務(wù)時(shí)所需的動(dòng)力和航速，這是動(dòng)力系統(tǒng)的首要使命任務(wù)?？紤]到現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)特點(diǎn)對(duì)艦船航速指標(biāo)提出的新要求［4］，此處將航速適應(yīng)性作為航速的評(píng)估指標(biāo)。

航速適應(yīng)性表征的是動(dòng)力系統(tǒng)方案對(duì)全航速范圍工況的適應(yīng)性，其實(shí)質(zhì)是航速的變化范圍，一般需要再分解成若干個(gè)分指標(biāo)。艦船航速包括最高航速、全速、續(xù)航航速、低速和倒車航速。經(jīng)分析可知，全速與最高航速的相關(guān)性較大，全速越大，最高航速也就越大。為了消除同一層指標(biāo)的相關(guān)性，同時(shí)考慮到航速適應(yīng)性的實(shí)質(zhì)，本文將最高航速作為評(píng)估指標(biāo)。對(duì)于巡航航速來說，所有動(dòng)力系統(tǒng)方案的巡航航速都應(yīng)該相同，這是因?yàn)榕灤兄瓶傄髮?duì)巡航航速有明確規(guī)定，因此，根據(jù)可比性原則，巡航航速不宜作為評(píng)估指標(biāo)。

綜合以上分析，航速適應(yīng)性可分解為最高航速、低速和倒車航速。

2)機(jī)動(dòng)性

艦船機(jī)動(dòng)性是一個(gè)綜合性指標(biāo)，通常包括①艦船完成備戰(zhàn)備航所需的時(shí)間;②由最低航速到全速的加速時(shí)間和距離;③由全速到停航的滑行時(shí)間和距離;④由全速前進(jìn)到全速倒航的時(shí)間;⑤回轉(zhuǎn)1周的時(shí)間和回轉(zhuǎn)半徑等指標(biāo)。

在以上5個(gè)指標(biāo)當(dāng)中，指標(biāo)③和指標(biāo)④有較明顯的包含關(guān)系，根據(jù)可比性原則，指標(biāo)③不宜作為機(jī)動(dòng)性的評(píng)估指標(biāo)。指標(biāo)⑤也不宜作為機(jī)動(dòng)性的評(píng)估指標(biāo)，原因在于:一是艦船的回轉(zhuǎn)性能并不完全取決于動(dòng)力系統(tǒng)，它還與操縱系統(tǒng)有關(guān);二是在方案論證階段難以準(zhǔn)確確定回轉(zhuǎn)時(shí)間和回轉(zhuǎn)半徑，如果采用經(jīng)驗(yàn)公式［5］進(jìn)行估算，那么在其他條件不變的情況下，回轉(zhuǎn)直徑只取決于艦船在回轉(zhuǎn)前的直線航行速度，而航速指標(biāo)應(yīng)在航速適應(yīng)性中進(jìn)行論證評(píng)估。

通過以上分析，同時(shí)考慮到動(dòng)力系統(tǒng)的性能對(duì)艦船機(jī)動(dòng)性的影響，機(jī)動(dòng)性可分解為主機(jī)啟動(dòng)時(shí)間、最低航速到全速的時(shí)間和全速前進(jìn)到全速倒航的時(shí)間。

3)生命力

動(dòng)力系統(tǒng)生命力是指其能抵御戰(zhàn)斗破損和故障破損，并在破損情況下最大限度地維持主機(jī)工作，從而保證艦船戰(zhàn)斗活動(dòng)的能力。對(duì)于軍船而言，動(dòng)力系統(tǒng)的生命力主要是指其抵御戰(zhàn)斗破損的能力［6］。

在方案論證階段，可以依據(jù)機(jī)艙布置好壞的準(zhǔn)則［6］對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)生命力進(jìn)行分析評(píng)估。從機(jī)艙布置好壞準(zhǔn)則的重要程度來看，一次命中破損后，動(dòng)力系統(tǒng)功率完全損失的可能性要小這一準(zhǔn)則的重要性較之其他準(zhǔn)則要大，因此，本文將生命力分解為一次命中功率完全損失的概率。需要特別說明的是，如果各方案一次命中功率完全損失的概率都一樣，此時(shí)就應(yīng)該采用一次命中功率部分損失的概率作為動(dòng)力系統(tǒng)生命力的評(píng)估指標(biāo)。

4)隱身性

動(dòng)力系統(tǒng)的隱身性包括聲隱身和紅外隱身。

聲隱身是指由機(jī)械設(shè)備振動(dòng)引起的水下輻射噪聲，降低水下輻射噪聲，對(duì)于提高艦船生命力十分重要。隨著艦船向高速化發(fā)展，特別是對(duì)安靜性和隱蔽性要求的提高，使得各國(guó)海軍對(duì)艦船水下輻射噪聲研究的重視程度也在不斷提高。

紅外隱身是指動(dòng)力裝置的紅外輻射強(qiáng)度，主要為排氣系統(tǒng)的紅外輻射。對(duì)艦船紅外特性進(jìn)行控制的目的是降低艦船不同區(qū)域的溫度差，從而降低來襲兵器的識(shí)別能力。

紅外輻射指標(biāo)一般采用紅外強(qiáng)度來表示，紅外強(qiáng)度與主機(jī)排氣溫度的四次方成正比。在方案論證階段，可以采用排氣溫度來表征紅外輻射指標(biāo)［7］，但在具體量化時(shí)應(yīng)該取排氣溫度的四次方。

綜合以上分析，隱身性可分解為水下輻射噪聲和排氣溫度。

5)適用性

動(dòng)力系統(tǒng)的適用性是指動(dòng)力設(shè)備重量和尺寸的適用性。在水面艦船中，主動(dòng)力裝置設(shè)備和燃油的重量約占艦船排水量的20%～40%，機(jī)艙所占的容積約為水線附近全部艙室容積的30%～50%，因此，主動(dòng)力裝置的重量和尺寸與艦船的排水量和主尺度有著密切的聯(lián)系，且對(duì)電子設(shè)備和武器裝備的數(shù)量和布置有明顯的影響，應(yīng)當(dāng)在可能的前提下盡量減少主動(dòng)力裝置的重量和尺寸。為了更確切地評(píng)價(jià)動(dòng)力設(shè)備的適用性，本文采用相對(duì)重量和容積飽和度這2個(gè)特征參數(shù)來描述適用性。

①相對(duì)重量

式中:GD為動(dòng)力設(shè)備和燃油的總重量;D為排水量。顯然，K1越小越好。其中，燃油的重量根據(jù)續(xù)航力要求計(jì)算得到，因此，續(xù)航力指標(biāo)體現(xiàn)在燃油重量中。

②容積飽和度

式中:VD為動(dòng)力系統(tǒng)的體積;V為機(jī)艙的容積。顯然，fv越大，說明機(jī)艙內(nèi)越擁擠，要在機(jī)艙內(nèi)進(jìn)行修理、損害管制等活動(dòng)就越困難。

綜合以上分析，適用性可分解為相對(duì)重量和容積飽和度。

3.1.2 可使用性的分解

在方案論證階段，可使用性的研究重點(diǎn)是可靠性和維修性。動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性，是指在規(guī)定的壽命期限內(nèi)能可靠工作，不發(fā)生導(dǎo)致喪失工作可能性的事故的能力(不包括能短時(shí)期內(nèi)迅速排除的小故障)。根據(jù)GJB1906，動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性主要通過平均故障間隔時(shí)間MTBF、致命性故障時(shí)間間隔MTBCT、任務(wù)可靠度Rm和使用壽命Lse 來表征;就動(dòng)力系統(tǒng)的維修性而言，一般采用平均修復(fù)時(shí)間MTTR和平均維修間隔時(shí)間MTBM 來表征［8］，考慮到指標(biāo)之間的相關(guān)性以及方案論證階段的自身特點(diǎn)，可采用平均故障間隔時(shí)間、使用壽命和平均修復(fù)時(shí)間來表征動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性和維修性［9］。

綜合以上分析，可使用性可分解為使用壽命、平均故障間隔時(shí)間和平均修復(fù)時(shí)間。

3.2 壽命周期費(fèi)用的分解

按照壽命周期費(fèi)用的一般概念，壽命周期費(fèi)用可劃分為研究與研制費(fèi)用、初始投資費(fèi)用、使用與保障費(fèi)用三大類，其中，研究與研制費(fèi)用包括新型裝備系統(tǒng)的全部技術(shù)研究、型號(hào)設(shè)計(jì)、樣機(jī)和原型機(jī)制造、各種試驗(yàn)和鑒定的所有費(fèi)用;初始投資費(fèi)是為作戰(zhàn)部隊(duì)裝備一個(gè)裝備系統(tǒng)所花的全部費(fèi)用，包括主要裝備和專用裝備的采購(gòu)費(fèi)、設(shè)施建筑費(fèi)、人員訓(xùn)練費(fèi)和首批備件的采購(gòu)費(fèi);使用與保障費(fèi)用也稱維持費(fèi)用，是一個(gè)系統(tǒng)在裝備部隊(duì)之后的使用過程中所需的全部費(fèi)用，包括燃料費(fèi)、人員費(fèi)和維護(hù)修理費(fèi)用等。

從裝備采辦和使用方的角度來看，上述費(fèi)用可進(jìn)一步歸并為采辦費(fèi)用和使用保障費(fèi)用。采辦費(fèi)用包括研制費(fèi)和裝備采購(gòu)費(fèi);而使用保障費(fèi)用可進(jìn)一步分解為燃油費(fèi)、人員費(fèi)和維修保養(yǎng)費(fèi)。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)的分解

在艦船動(dòng)力系統(tǒng)的研制過程中，主要存在著技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)和進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)。技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)是指項(xiàng)目在預(yù)定的資源約束條件下，達(dá)不到要求的戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)的可能性及差額幅度，或者說研制計(jì)劃的某個(gè)部分出現(xiàn)事先意想不到的結(jié)果，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)效能產(chǎn)生有關(guān)影響的概率。費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)是指工程項(xiàng)目費(fèi)用突破預(yù)算的可能性及超支幅度。進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)是指工程項(xiàng)目不能按期完成的可能性及超期幅度。

圖1 艦船動(dòng)力系統(tǒng)方案評(píng)估指標(biāo)體系Fig.1 Index for program evaluation of warship power system

在方案論證階段，進(jìn)度安排和費(fèi)用安排尚不明確，評(píng)估進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)的難度很大，因此，在方案論證階段只對(duì)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

綜合以上分析，本文構(gòu)建的艦船動(dòng)力系統(tǒng)方案評(píng)估指標(biāo)體系如圖1所示。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)艦船動(dòng)力系統(tǒng)研制的特點(diǎn)，首先確立費(fèi)用低、風(fēng)險(xiǎn)小、效能高的動(dòng)力系統(tǒng)研制目標(biāo)，確定以“效能―費(fèi)用―風(fēng)險(xiǎn)”為準(zhǔn)則層的指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)，然后依據(jù)系統(tǒng)效能的定義和運(yùn)用艦船工程原理對(duì)準(zhǔn)則層指標(biāo)進(jìn)行逐層分解，最終建立艦船動(dòng)力系統(tǒng)方案評(píng)估指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系考慮現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)特點(diǎn)對(duì)艦船動(dòng)力系統(tǒng)的要求，體現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)方案評(píng)估在方案論證階段的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)方案的定量評(píng)估奠定了基礎(chǔ)。

［1］潘春光.潛艇XX 動(dòng)力裝置指標(biāo)體系及論證評(píng)估方法研究［R］.武漢:海軍工程大學(xué)，2002.PAN Chun-guang.Research on index system and evaluation method of submarine's XX power plant［R］.Wuhan:Naval University of Engineering，2002.

［2］張劍.軍事裝備系統(tǒng)的效能分析、優(yōu)化與仿真［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2000.ZHANG Jian.Effectiveness analyze，optimization and simulation of military equipment system［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2000.

［3］李平.艦船研制指標(biāo)體系與評(píng)估方法研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2003.LI Ping.Research on index system and evaluation method for naval vessel manufacture ［D］.Harbin:Harbin Engineering University，2003.

［4］陳國(guó)鈞，曾凡明.現(xiàn)代艦船輪機(jī)工程［M］.長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社，2001.CHEN Guo-jun，ZENG Fan-ming.Modern marine engineering［M］.Changsha:National University of Defense Technology Press，2001.

［5］蘇興翹.船舶操縱性［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1981.SU Xing-qiao.Ship maneuverability［M］.Beijing:National Defense Industry Press，1981.

［6］浦金云，金濤，邱金水，等.艦船生命力［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2009.PU Jin-yun.JIN Tao，QIU Jin-shui，et al.Warship survivability［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2009.

［7］敖晨陽(yáng).水面艦艇主動(dòng)力系統(tǒng)論證評(píng)估體系研究［D］.武漢:海軍工程大學(xué)，2001.AO Chen-yang.Research on demonstration and evaluation system of warship main power plant［D］.Wuhan:Naval University of Engineering，2001.

［8］朱英富.水面艦船設(shè)計(jì)新技術(shù)［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2004.ZHU Ying-fu.New technology of warship design［M］.Harbin:Harbin Engineering University Press，2004.

［9］劉云生，陳華清，張寧，等.艦船動(dòng)力系統(tǒng)綜合評(píng)估指標(biāo)體系［J］.船舶工程，2008，30(4):32－35.LIU Yun-sheng，CHEN Hua-qing，ZHANG Ning，et al.An index system for the comprehensive evaluation of warship propulsion system［J］.Ship Engineering，2008，30(4):32－35.