以費效綜合特性為變量的單兵系統(tǒng)評價方法

楊洋，方峻，徐誠

（南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，南京210094）

以費效綜合特性為變量的單兵系統(tǒng)評價方法

楊洋，方峻，徐誠

（南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，南京210094）

單兵系統(tǒng)是一種新型的數(shù)字化武器裝備，對其評價技術(shù)進(jìn)行研究，具有重要的意義。從費效比概念在實際應(yīng)用中的問題出發(fā)，討論了單兵系統(tǒng)的費效綜合特性的基本理論、方法和技術(shù)框架，為單兵系統(tǒng)的評估提供一種新方法。針對目前單兵系統(tǒng)效能評價的現(xiàn)狀，提出了一種非線性指標(biāo)聚合的單兵系統(tǒng)效能評估模型，并給出了相應(yīng)的指標(biāo)體系模型、指標(biāo)聚合方法。最后以某型號單兵系統(tǒng)的數(shù)據(jù)為例，證明該方法的有效性。

單兵系統(tǒng)，費效綜合特性，效費比，效能，壽命周期費用

0 引言

單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)（簡稱單兵系統(tǒng)）是一種新型的數(shù)字化武器系統(tǒng)，是未來陸軍武器裝備體系的重要組成部分，它以士兵為作戰(zhàn)平臺，集火力、火控、防護(hù)、通信、指揮與控制等功能為一體［1］。我軍的單兵系統(tǒng)的研制工作正在積極而有效地展開，但長期以來對單兵系統(tǒng)還沒有有效的評價機制［2］，尤其是在裝備論證階段，需要綜合考慮系統(tǒng)效能和壽命周期費用。

單兵系統(tǒng)的效能和壽命周期費用都是單兵系統(tǒng)的固有屬性，在對單兵系統(tǒng)的評價過程中，需要將費用作為與性能同樣重要的設(shè)計因素進(jìn)行考慮和權(quán)衡。由于單兵系統(tǒng)包含多個子系統(tǒng)，功能模塊比較多，采用傳統(tǒng)的費效比概念對單兵系統(tǒng)進(jìn)行評價過于簡單，并且不能直接用于方案的優(yōu)化和優(yōu)選，只能用于剔除一些優(yōu)劣差異十分明顯的方案［3-4］。本文結(jié)合單兵系統(tǒng)的特點提出了以費效綜合特性為變量的單兵系統(tǒng)評價方法，將士兵系統(tǒng)效能和壽命周期費用兩個綜合特性的參數(shù)進(jìn)行二次綜合而形成的一種新的特性，通過它可以對方案進(jìn)行優(yōu)劣比較，對各方案的費用和效能進(jìn)行優(yōu)化權(quán)衡。

1 單兵系統(tǒng)費效綜合特性的提出

單兵系統(tǒng)的各項性能對效能都有貢獻(xiàn)，同時單兵系統(tǒng)的壽命周期費用是由系統(tǒng)性能驅(qū)動，因此，它們都是系統(tǒng)效能的函數(shù)。單兵系統(tǒng)的效能和壽命周期費用都是單兵系統(tǒng)的固有屬性，將效能和壽命周期費用科學(xué)地加以綜合形成單兵系統(tǒng)的頂層特性，該參數(shù)反應(yīng)了單位壽命周期費用所蘊含的效能。在評估過程中，由于每個方案的評價都是相對的，而且是無量綱的，這就導(dǎo)致系統(tǒng)的優(yōu)劣必須通過對比才能體現(xiàn)出來。因此，在計算費效綜合特性時，引入了基準(zhǔn)型號作為比較，突出了系統(tǒng)對國防資源的相對利用率，同時解決了簡單的效費比的單位不對稱的問題。費效綜合特性采用下式進(jìn)行計算：

式中：ρ為費效綜合指數(shù)；E0為系統(tǒng)基準(zhǔn)型號效能；C0為系統(tǒng)基準(zhǔn)型號壽命周期內(nèi)費用；ΔE為效能增量；ΔC為費用增量；ρ（E）為規(guī)格化的效能增量；ρ（C）為規(guī)格化的壽命周期內(nèi)費用增量。

2 以費效綜合特性為變量的單兵系統(tǒng)效能建模方法

對于單兵系統(tǒng)，在立項階段，采用以效費綜合特性為變量的方法建立單兵系統(tǒng)模型，是為了建立武器系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)、壽命周期費用和系統(tǒng)效能之間的關(guān)系，以進(jìn)行權(quán)衡優(yōu)化?；谛зM綜合特性為變量的單兵系統(tǒng)效能建模方法主要分為4個部分：①選擇合理的基準(zhǔn)模型，計算基準(zhǔn)單兵系統(tǒng)效能和壽命周期費用?；鶞?zhǔn)模型最好是已有成功的單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)，比如美國的陸地勇士單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)；②建立待評估單兵系統(tǒng)的效能模型。系統(tǒng)效能模型主要是用系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)參數(shù)描述系統(tǒng)效能；③壽命周期內(nèi)費用預(yù)測與分析。費用預(yù)測模型將性能看作是費用的函數(shù)，通過分解結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)的總費用進(jìn)行分解，然后采用參數(shù)估算法得到系統(tǒng)費用；④確定費效綜合特性指數(shù)，并進(jìn)行費用、效能的權(quán)衡分析，提出改進(jìn)方案。

2.1 建立單兵系統(tǒng)效能模型

單兵系統(tǒng)效能度量是受下一層度量參數(shù)-性能度量參數(shù)的影響，而性能度量參數(shù)又會受再下一層度量參數(shù)-指標(biāo)度量參數(shù)的影響，所以參數(shù)體系可大體分為3個層次。

根據(jù)未來數(shù)字化戰(zhàn)場的作戰(zhàn)需求，現(xiàn)代士兵在作戰(zhàn)環(huán)境中將面臨著更大的挑戰(zhàn)，面臨的地域更開闊，以及在黑夜等能見度低的條件下進(jìn)行作戰(zhàn)，要完成的任務(wù)更具有艱巨性。要完成這些任務(wù)，在建立系統(tǒng)性能度量參數(shù)體系時，采用火力射擊能力、戰(zhàn)場感知能力、目標(biāo)發(fā)現(xiàn)能力、機動能力、指揮控制能力和系統(tǒng)非戰(zhàn)斗能力如可靠性、維修性等來描述單兵系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。為能夠計算出單兵系統(tǒng)的各個性能指標(biāo)，必須進(jìn)一步細(xì)化各個性能指標(biāo)，將各個性能指標(biāo)進(jìn)一步分解成為可測量或可估計量，以便于各級指標(biāo)的綜合計算。單兵系統(tǒng)的性能指標(biāo)及進(jìn)一步細(xì)化如圖1所示。

圖1 單兵系統(tǒng)效能評估指標(biāo)體系

對于系統(tǒng)效能，采用模糊綜合分析法對系統(tǒng)綜合效能進(jìn)行計算，具體計算過程在此不再贅述，只對目前所采用的指標(biāo)聚合方法進(jìn)行改進(jìn)。目前所用的指標(biāo)聚合方法過分簡化了體系各層次之間的聚合關(guān)系，突出反映出下層指標(biāo)對上層指標(biāo)的貢獻(xiàn)程度，不能反映出劣指標(biāo)對目標(biāo)層的負(fù)面影響，見文獻(xiàn)［5-6］。但是在聚合的過程中，將下層指標(biāo)相乘和相加混淆，沒有科學(xué)依據(jù)。本文提出的評估指標(biāo)的非線性聚合方法，通過引入指標(biāo)懲罰函數(shù)，為進(jìn)一步解決評價的客觀性和綜合性做一些工作。

其中：ωni表示第n層的第i項指標(biāo)的權(quán)重；Cni表示第n層的第i項指標(biāo)的評價意見；H（Cni）為基于指標(biāo)評估值的懲罰函數(shù)，如式（5）所示。

引入的指標(biāo)懲罰函數(shù)對于指標(biāo)的聚合類似于“木桶效應(yīng)”，即非常差的指標(biāo)相當(dāng)于木桶中的短板。當(dāng)系統(tǒng)中有很差的指標(biāo)值時，系統(tǒng)效能會被非常差的指標(biāo)值限制，為了體現(xiàn)該限制因素，引入了懲罰函數(shù)。

2.2 建立系統(tǒng)壽命周期費用模型

壽命周期費用是在預(yù)期的裝備壽命周期內(nèi)，為裝備的論證、研制、生產(chǎn)、使用、維修和保障所需的直接、間接、重復(fù)性、一次性和其他費用之和［6］。在完成效能評估后，根據(jù)戰(zhàn)技指標(biāo)綜合確定裝備的壽命周期費用。針對單兵系統(tǒng)的模塊化特點，可以將系統(tǒng)分解為各個子系統(tǒng)和組成部分。將單兵系統(tǒng)的壽命周期費用分解為通貨膨脹率，各個組成部分以及總體設(shè)計費。對于各個子系統(tǒng)和組成部分，再次逐步分解為研制費、生產(chǎn)費和維護(hù)費。根據(jù)實際情況擬制出符合分析需要的具體的壽命周期費用分解結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 壽命周期費用分解

2.3 建立效費綜合特性模型

以士兵系統(tǒng)效費特性為目標(biāo)層，系統(tǒng)效能和壽命周期費用為2級指標(biāo)，將單兵系統(tǒng)的效能與費用高度統(tǒng)一起來，采用式（3），將單兵系統(tǒng)效能和壽命周期費用綜合起來。通過費效綜合指數(shù)、規(guī)格化的效能增量和規(guī)格化的壽命周期內(nèi)費用增量具體分析待評估方案與基準(zhǔn)方案的優(yōu)劣。具體討論如下：

（1）當(dāng)ρ>1時，若ρ（E）>0，ρ（C）>0此時單兵系統(tǒng)的效能提高，同時壽命周期費用也增加，這是通過增加壽命周期費用提高單兵系統(tǒng)的效能。該種情況雖然費用增加了，但是國防資源利用率提高了，是單兵系統(tǒng)升級換代時的主要途徑；若ρ（E）>0，ρ（C）<0時，此時士兵系統(tǒng)效費綜合特性提高，士兵系統(tǒng)效能提高，同時壽命周期內(nèi)費用降低，這是士兵系統(tǒng)升級換代時的最優(yōu)途徑；若ρ（E）<0，ρ（C）<0時，此時單兵系統(tǒng)效費綜合特性增加，士兵系統(tǒng)效能降低，同時壽命周期內(nèi)費用降低，此時應(yīng)對方案進(jìn)行慎重考慮，必須謹(jǐn)慎考慮效能的可接受范圍。

（2）當(dāng)ρ=1時，方案與基準(zhǔn)方案相當(dāng)，此時需要謹(jǐn)慎選擇。

（3）當(dāng)ρ<1時，方案劣于基準(zhǔn)型號，此時所有方案不是最優(yōu)方案，應(yīng)對方案進(jìn)行優(yōu)化，謹(jǐn)慎選擇。

對于ρ=1和ρ<1兩種情況，需要決策者綜合考慮費用與效能之間的權(quán)衡關(guān)系，根據(jù)具體情況，如裝備規(guī)模、效能提高的急迫性等多方面考慮。

3 實例分析

某型號士兵系統(tǒng)B是在型號A的基礎(chǔ)上開發(fā)的下一代士兵系統(tǒng)，型號B與型號A主要配置與功能相同，選取A為基準(zhǔn)型號，B為待評估型號。在立項階段，以武器系統(tǒng)效費特性為目標(biāo)層，建立了武器系統(tǒng)的效能、關(guān)鍵性能指標(biāo)和費用之間的關(guān)系如圖1和圖2所示。

通過對準(zhǔn)則層影響因素進(jìn)行兩兩比較可以得到準(zhǔn)則層相對于目標(biāo)層的判斷矩陣，并由前述的方法求得層次單排序向量、最大特征值以及一致性指標(biāo)和一致性比例，計算過程和結(jié)果如表1、表2所示。

表1 單兵系統(tǒng)計算結(jié)果

表2 效能和壽命周期費用計算值

計算費效綜合系數(shù)

計算結(jié)果表明，型號B與基礎(chǔ)型號A相比，通過型號改進(jìn)后，單兵系統(tǒng)效能提高，但效費指數(shù)卻小于1。主要原因是，雖然效能提高32.2%，但壽命周期費用卻增加了44.7%，該方案不是最優(yōu)方案，需對方案進(jìn)行優(yōu)化。方案優(yōu)化后的結(jié)果如表2所示，系統(tǒng)能力為75，系統(tǒng)周期壽命降低到47萬元。此時型號B的優(yōu)化方案的效費綜合特性為：

士兵系統(tǒng)改型研制以后效費綜合系數(shù)有了很大提高。

4 結(jié)束語

本文針對單兵系統(tǒng)的特點，提出以費效綜合特性為變量的評價機制，建立了單兵系統(tǒng)的效能評估體系和壽命周期費用計算分解模型。該方法有效地實現(xiàn)單兵系統(tǒng)論證研究、型號選擇過程中的效能費用優(yōu)化權(quán)衡，在滿足作戰(zhàn)總要求的情況下通過調(diào)整權(quán)衡，適當(dāng)調(diào)整費用與性能的指標(biāo)，為立項論證階段的決策提供分析工具。該評價方法也適用于其他武器裝備系統(tǒng)的評價。

［1］董躍農(nóng).輕武器裝備第四次浪潮：士兵系統(tǒng)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

［2］王曙光，王瑞林.單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)綜合性能評價的灰色方法［J］.裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2006，17（1）：18-22.

［3］張恒喜，郭基聯(lián)，李鳴.軍用飛機效費綜合特性研究［J］.航空學(xué)報，2005，26（3）：308-313.

［4］譚云濤，郭波.以費用為獨立變量的武器裝備型號論證方法研究［J］.兵工學(xué)報，2007，28（6）：761-764.

［5］羅鵬程，傅攀峰，周經(jīng)倫.武器裝備體系作戰(zhàn)能力評估框架［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2005，27（1）：72-75.

［6］國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會.GJB1364裝備費用效能分析［S］.北京：國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會，1992.

Evalution Methodology of Individual Soldier System Based on Cost-Effectiveness Characteristics

YANG Yang，F(xiàn)ANG Jun，XU Cheng
（School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

The Soldier System is a new type of weapon system，the evaluation of effectiveness of which is very significant to the system.Starting with the problems that occur in applying costeffectiveness ratio concept to practical engineering，an novel method for evaluting the Soldier System is proposed which including the basic concept，methods and technology framework for Integrated Cost-Effectiveness Characteristics（ICEC）.According to ICEC，it provides a nonlinear index aggregation and give the index system model，indicators polymerization method and the method to determine the index weights.Finally，it proves the effectiveness of the method by the example of the data.

soldier system，integrated cost-effectiveness characteristics，cost-effectiveness ratio，effectiveness，life cycle cost

TN958

A

1002-0640（2015）12-0111-04

2014-11-18

2015-01-09

楊洋（1988-），男，安徽蚌埠人，博士研究生。研究方向：復(fù)雜系統(tǒng)建模，武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估。