面向系統(tǒng)性能最大化的裝備經(jīng)費(fèi)結(jié)構(gòu)SD優(yōu)化

陳國衛(wèi), 周雨菁, 任 蕾

(海軍工程大學(xué)管理工程與裝備經(jīng)濟(jì)系, 湖北 武漢 430033)

0 引 言

武器裝備的發(fā)展受到很多條件的限制,其中最為關(guān)鍵的就是經(jīng)費(fèi)資源的約束[1-2]。優(yōu)化與控制裝備經(jīng)費(fèi)的結(jié)構(gòu)尤其重要,這是解決較長一段時(shí)間內(nèi),裝備經(jīng)費(fèi)供求緊張這一矛盾的根本辦法[3-5]。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(system dynamics,SD)方法擅長把研究對象看成一個(gè)系統(tǒng),強(qiáng)調(diào)從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)入手,認(rèn)為系統(tǒng)的行為模式與特性主要植根于其內(nèi)部的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)和反饋機(jī)制,即遵從“結(jié)構(gòu)決定行為”這一系統(tǒng)科學(xué)原理[6-9],這種按照系統(tǒng)論、基于對系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的透徹掌握而開展的分析,由于數(shù)據(jù)獲取的層次較低、易于獲取相對真實(shí)的費(fèi)用數(shù)據(jù),也由于通過系統(tǒng)的建模,能夠正確地表達(dá)各費(fèi)用及費(fèi)用影響因素之間的相互關(guān)系,因而其結(jié)論相對而言更為可靠,在裝備經(jīng)費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究中發(fā)揮了較好的作用。

魏汝祥等[10]采用SD方法繪制了裝備維修費(fèi)結(jié)構(gòu)的因果關(guān)系圖,給出了建立裝備維修費(fèi)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析方程式的程序,對裝備維修費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了理論分析。羅飛[11]、張棟[12]和張守玉等[13]采用SD方法建立了裝備全壽命費(fèi)用控制模型,通過數(shù)值仿真計(jì)算出了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)效能的時(shí)長,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)效能時(shí)需要多少經(jīng)費(fèi),科研費(fèi)、采購費(fèi)、維修費(fèi)等的總量分別為多少以及相互之間的比例。張懷強(qiáng)等利用SD方法分析了影響裝備“三費(fèi)”(科研費(fèi)、購置費(fèi)和維修費(fèi))比例的因素,并用因果關(guān)系圖分析了“三費(fèi)”與其影響因素之間相互影響的反饋機(jī)制和內(nèi)在規(guī)律[14],建立了一種基于SD的裝備經(jīng)費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型[15]。陳國衛(wèi)等[16-17]結(jié)合裝備經(jīng)費(fèi)結(jié)構(gòu)的層次性特點(diǎn),從外部和內(nèi)部兩個(gè)方面分析了影響裝備經(jīng)費(fèi)結(jié)構(gòu)的主要因素,在此基礎(chǔ)上建立了全壽命角度裝備經(jīng)費(fèi)結(jié)構(gòu)的因果關(guān)系圖和各軍兵種之間裝備經(jīng)費(fèi)結(jié)構(gòu)的因果關(guān)系圖,提出采用SD方法和Vensim軟件對裝備經(jīng)費(fèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,并給出了進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的主要步驟[18]。文獻(xiàn)[19]提煉了武器裝備系統(tǒng)壽命周期的6個(gè)階段,總結(jié)了壽命周期4類系統(tǒng)費(fèi)用,依據(jù)費(fèi)用分解結(jié)構(gòu)原理,建立了武器裝備系統(tǒng)壽命周期費(fèi)用分解圖,構(gòu)建了武器裝備系統(tǒng)壽命周期費(fèi)用優(yōu)化模型,對壽命周期費(fèi)用效能優(yōu)化具有重要意義。此外,姜曉峰等[20]利用裝備邊際性能遞減規(guī)律,分析了基于技術(shù)構(gòu)成的裝備經(jīng)費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。張濤等[21]運(yùn)用微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)中的生產(chǎn)理論,通過靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)角度分析武器裝備經(jīng)費(fèi)支出結(jié)構(gòu),最后從戰(zhàn)略確認(rèn)、增量優(yōu)化與存量調(diào)整相結(jié)合以及加強(qiáng)武器裝備經(jīng)費(fèi)運(yùn)行管理等方面給出了戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)下的武器裝備經(jīng)費(fèi)支出結(jié)構(gòu)優(yōu)化的對策。張懷強(qiáng)等[22]還分析了不同時(shí)期國家戰(zhàn)略部署、科研發(fā)展情況及經(jīng)濟(jì)承受能力對裝備經(jīng)費(fèi)分配的影響,基于博弈的方法,構(gòu)建了裝備科研費(fèi)、購置費(fèi)和維修費(fèi)之間的比例關(guān)系優(yōu)化模型。

綜上所述,分析發(fā)現(xiàn),關(guān)于裝備經(jīng)費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究成果主要集中于壽命周期各階段經(jīng)費(fèi)的分配和軍兵種之間經(jīng)費(fèi)的分配,而圍繞裝備系統(tǒng)組成單元之間的費(fèi)用分配問題、實(shí)現(xiàn)裝備最優(yōu)性能經(jīng)費(fèi)分配等方面的研究相對較少。比如裝備的研制經(jīng)費(fèi)直接與裝備戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能指標(biāo)的高低相關(guān),對于既定的經(jīng)費(fèi)實(shí)施科學(xué)合理的分配,可以消除制約總體戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的短板,也可以避免對于總體戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能無效的“長板”,因而對于提升裝備經(jīng)費(fèi)的使用效益具有重要意義。

只要是在有限的費(fèi)用條件下，在相互影響和制約的系統(tǒng)組成部分之間分配費(fèi)用,就存在費(fèi)用競爭和最優(yōu)經(jīng)費(fèi)分配問題。包括在一個(gè)系統(tǒng)的各組成單元之間分配經(jīng)費(fèi)，在一個(gè)單元的多個(gè)指標(biāo)之間分配經(jīng)費(fèi)，甚至在一個(gè)系統(tǒng)的各組成單元的多個(gè)性能指標(biāo)之間分配經(jīng)費(fèi)等。文獻(xiàn)[23]利用SD方法具有多領(lǐng)域的強(qiáng)大建模能力的特點(diǎn),將系統(tǒng)熱力學(xué)模型和系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算模型融合在一起,初步對面向系統(tǒng)性能最大化的裝備經(jīng)費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了分析,建立了面向系統(tǒng)性能最大化的動(dòng)力系統(tǒng)費(fèi)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化因果關(guān)系圖,初步分析了該費(fèi)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部的各種關(guān)系和反饋回路。該方法與用于軍兵種經(jīng)費(fèi)結(jié)構(gòu)等傳統(tǒng)費(fèi)用結(jié)構(gòu)的分析研究方法之間最大不同之處是,系統(tǒng)與設(shè)備間不僅存在費(fèi)用關(guān)系,還存在熱力學(xué)模型的約束關(guān)系。對于某一裝備系統(tǒng),以系統(tǒng)總體的作戰(zhàn)使用能力最大為目標(biāo),確定特定費(fèi)用在該裝備系統(tǒng)的各個(gè)組成設(shè)備之間的分配比例,即為該系統(tǒng)在設(shè)備層面的費(fèi)用最優(yōu)結(jié)構(gòu),這也是裝備經(jīng)費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要內(nèi)容之一[3,24-25]。

1 相關(guān)假設(shè)

一是假設(shè)某一簡化的汽力裝置,由兩臺鍋爐、一臺主機(jī)、一個(gè)給水泵和一個(gè)冷凝器組成[23]。由于對系統(tǒng)的推進(jìn)功率尚不滿意,因而決定再投入一筆經(jīng)費(fèi)對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),優(yōu)化的目標(biāo)是在既定的經(jīng)費(fèi)下實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)的推進(jìn)功率最大化。

二是為了簡化計(jì)算,假設(shè)主機(jī)功率僅取決于動(dòng)力系統(tǒng)的鍋爐、主機(jī)、給水泵、冷凝器等設(shè)備的性能。其中,鍋爐的性能包括鍋爐蒸發(fā)量、過熱蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度;主機(jī)的性能包括最大功率和有效效率;給水泵的性能包括排量、揚(yáng)程和效率;冷凝器的性能主要是冷凝器壓力。

2 研究思路

眾所周知,設(shè)備的一些性能是由研制和制造而產(chǎn)生、決定的。因此可以認(rèn)為,對設(shè)備增加費(fèi)用投入,就可以對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn),使設(shè)備的性能得到某一程度的提高,而由這些設(shè)備組成的系統(tǒng)的功率或效能也會(huì)有所提高。以上文假設(shè)確定的動(dòng)力系統(tǒng)為例,對該動(dòng)力系統(tǒng)增加費(fèi)用投入,對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),提高該系統(tǒng)的運(yùn)行功率。這是因?yàn)?隨著費(fèi)用投入的增加,鍋爐、主機(jī)、給水泵和冷凝器的各個(gè)性能就會(huì)得到某一程度的提高,從而使主機(jī)功率也得到提高,也即使動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行功率得到提高。但是,由于各個(gè)設(shè)備的性能對主機(jī)功率的影響不盡相同,而且有的性能與性能之間還存在一定的相互作用和相互影響,即系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),性能之間必須相互匹配,所以在費(fèi)用投入之時(shí),應(yīng)考慮該費(fèi)用在各性能之間、各設(shè)備之間的投入比例,使有限的費(fèi)用投入產(chǎn)生最大的系統(tǒng)功率增量。本文將在文獻(xiàn)[23]的基礎(chǔ)上,繼續(xù)分析費(fèi)用在各設(shè)備之間的投入比例問題,即對于一筆費(fèi)用,以動(dòng)力系統(tǒng)的功率最大為目標(biāo),確定該筆費(fèi)用在鍋爐、主機(jī)、給水泵和冷凝器之間的投入比例,也就是該筆費(fèi)用分配的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

3 裝備經(jīng)費(fèi)結(jié)構(gòu)SD優(yōu)化仿真模型構(gòu)建

3.1 系統(tǒng)流程圖

在文獻(xiàn)[23]的基礎(chǔ)上,依據(jù)SD原理和動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行的基本原理[26],得到如圖1所示的面向系統(tǒng)性能最大化的動(dòng)力系統(tǒng)費(fèi)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)流程圖。系統(tǒng)流程圖一般由狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量、常量等要素組成[27]。在圖1中,一共有13個(gè)狀態(tài)變量、13個(gè)速率變量、13個(gè)輔助變量和11個(gè)常量,如表1所示。

圖1 面向性能最大化的動(dòng)力系統(tǒng)費(fèi)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)流程圖

表1 面向性能最大化的動(dòng)力系統(tǒng)費(fèi)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型參數(shù)

3.2 系統(tǒng)模型

根據(jù)圖1中各種參數(shù)的關(guān)系、動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行的基本原理以及SD的基本原理,構(gòu)造面向系統(tǒng)性能最大化的動(dòng)力系統(tǒng)費(fèi)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的模型方程式為

Ne=GmtHe 0ηe

(1)

式中,Ne為主機(jī)功率;Gmt為主機(jī)耗汽量;He0為絕熱焓降;ηe為主機(jī)效率。

Gmt=IF THEN ELSE

(Gb-Gat≤SJGmt，Gb-Gat,SJGmt)

(2)

式中,Gb為鍋爐蒸發(fā)量;Gat為輔機(jī)耗汽量;SJGmt為設(shè)計(jì)產(chǎn)生的主機(jī)耗汽量。

SJGmt=INTEG(R13,0)

(3)

式中,R13為設(shè)計(jì)主機(jī)耗汽量變化速率。

R13=MGmt(1-e-Cmt)

(4)

式中,MGmt為主機(jī)極限耗汽量。

He0=f(Pgr,Tgr,Pc)

(5)

式中,Pgr為過熱蒸汽壓力;Tgr為過熱蒸汽溫度;Pc為冷凝器壓力。由于本文研究所使用的SD仿真軟件的建模解算能力有限,只能假設(shè)過熱蒸汽溫度隨過熱蒸汽壓力線性變化,并同時(shí)假定終焓不變,使絕熱焓降變?yōu)檫^熱蒸汽壓力的單一函數(shù)。由此并根據(jù)水及水蒸汽熱力性質(zhì)函數(shù)[28],對式(5)進(jìn)行數(shù)值擬合,He0可進(jìn)一步表示為

(6)

(7)

式中,Hgs為揚(yáng)程;ηgs為給水泵效率;ηft為輔汽輪機(jī)效率。

Hgs=IF THEN ELSE

(Pgr-Pc≤SJHgs,Pgr-Pc,SJHgs)

(8)

式中,SJHgs為設(shè)計(jì)產(chǎn)生的揚(yáng)程。

SJHgs=INTEG(R5,0)

(9)

式中,R5為設(shè)計(jì)揚(yáng)程變化速率。

R5=MHgs(1-e-Cgs)

(10)

式中,MHgs為極限揚(yáng)程。

ηft=INTEG(R12,α)

(11)

式中,R12為輔汽輪機(jī)效率變化速率;α為初始輔汽輪機(jī)效率。

(12)

Gb=IF THEN ELSE

(Qgs/Hhs≤SJGb,Qgs/Hhs,SJGb)

(13)

式中,Qgs為排量;Hhs為回水率;SJGb為設(shè)計(jì)產(chǎn)生的鍋爐蒸發(fā)量。

SJGb=INTEG(R11，0)

(14)

式中,R11為鍋爐設(shè)計(jì)蒸發(fā)量變化速率。

R11=MGb(1-e-Cb)

(15)

式中,MGb為鍋爐的極限蒸發(fā)量。

Qgs=INTEG(R10,β)

(16)

式中,R10為排量變化速率;β為初始排量。

(17)

(18)

(19)

Pc=INTEG(R8,δ)

(20)

式中,R8為冷凝器壓力變化速率;δ為初始冷凝器壓力。

(21)

ηc=INTEG(R7,ε)

(22)

式中,R7為主機(jī)效率變化速率;ε為初始主機(jī)效率。

(23)

Tgr=INTEG(R6,φ)

(24)

式中,R6為過熱蒸汽壓力變化速率;φ為初始過熱蒸汽壓力。

(25)

式中,Cb為投給鍋爐的費(fèi)用。

Cb=INTEG(R1,CSCb)

(26)

式中,R1為投給鍋爐費(fèi)用的變化速率;CSCb為初始投給鍋爐的費(fèi)用。

R1=K1Cgsfp

(27)

式中,K1為改善費(fèi)用分配時(shí),投給鍋爐的費(fèi)用比例;Cgsfp為改善分配的費(fèi)用。

(28)

R1～R13與費(fèi)用之間的關(guān)系,是依據(jù)相應(yīng)設(shè)備的研制費(fèi)調(diào)研和統(tǒng)計(jì)結(jié)果,以及文獻(xiàn)[29-30]中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合并經(jīng)過脫秘處理而得到的。

CJ=QWMB-Nx

(29)

式中,CJ為差距;QWMB為期望目標(biāo);Nx為動(dòng)力系統(tǒng)功率。

Nx=Ne

(30)

Cmt=INTEG(R2,CSCmt)

(31)

式中,Cmt為投給主機(jī)的費(fèi)用;R2為投給主機(jī)費(fèi)用的變化速率;CSCmt為初始投給主機(jī)的費(fèi)用。

R2=K2Cgsfp

(32)

式中,K2為改善費(fèi)用分配時(shí),投給主機(jī)的費(fèi)用比例。

(33)

Cgs=INTEG(R3,CSCgs)

(34)

式中,Cgs為投給給水泵的費(fèi)用;R3為投給給水泵費(fèi)用的變化速率;CSCgs為初始投給給水泵的費(fèi)用。

R3=K3Cgsfp

(35)

式中,K3為改善費(fèi)用分配時(shí),投給給水泵的費(fèi)用比例。

(36)

Cc=INTEG(R4,CSCc)

(37)

式中,Cc為投給冷凝器的費(fèi)用;R4為投給冷凝器費(fèi)用的變化速率;CSCc為初始投給冷凝器的費(fèi)用。

R4=K4Cgsfp

(38)

式中,K4為改善費(fèi)用分配時(shí),投給冷凝器的費(fèi)用比例。

(39)

K1=RANDOM UNIFORM

(0,1,{seed})-0.25

(40)

K2=(1-K1)RANDOM

UNIFORM(0,1,{seed})-0.25

(41)

K3=(1-K1-K2)RANDOM

UNIFORM(0,1,{seed})-0.25

(42)

K4=1-K1-K2-K3-0.25

(43)

式(40)～式(43)中,RANDOM UNIFORM({min}, {max}, {seed})為隨機(jī)函數(shù),該函數(shù)的作用是產(chǎn)生一個(gè)介于min值和max值之間的數(shù)值,這個(gè)數(shù)值是隨機(jī)產(chǎn)生的,但是其分布依賴于種子的確定,這里取該函數(shù)默認(rèn)的種子;每項(xiàng)最后均減去0.25,目的是使總費(fèi)用保持不變。

Cgsfp=IF THEN ELSE[CJ≤0.1,0,

(44)

依據(jù)SD原理,設(shè)置本模型的反饋策略為:初始投入時(shí),投給鍋爐、主機(jī)、給水泵、冷凝器的費(fèi)用相等,為總費(fèi)用的1/4。設(shè)置動(dòng)力系統(tǒng)費(fèi)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型反饋計(jì)算的控制器為“CJ”,如式(44)所示。

(1)當(dāng)計(jì)算得到“CJ”大于0.1時(shí),需要改善費(fèi)用分配,繼續(xù)縮小“CJ”。具體策略為:“CJ”引起改善費(fèi)用分配,重新分配的費(fèi)用Cgsfp可表示為

(45)

式中,CJ/QWMB為重新分配的費(fèi)用占總費(fèi)用的比例。0

(2)當(dāng)計(jì)算得到“CJ”小于或等于0.1時(shí),運(yùn)算結(jié)束。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 仿真數(shù)據(jù)設(shè)置

引用文獻(xiàn)[31]中動(dòng)力系統(tǒng)全工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)各性能參數(shù)的值作為本文動(dòng)力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的性能初始值,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。這里采用0-1歸一法,具體公式為

(46)

表2 性能參數(shù)初始值

4.2 仿真結(jié)果分析

仿真實(shí)驗(yàn)的主要目的是利用SD仿真模擬實(shí)際需求,根據(jù)模擬結(jié)果找到一些有價(jià)值的信息。在不同的仿真條件下,分析系統(tǒng)中狀態(tài)變量和速率變量隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化,研究系統(tǒng)參數(shù)確定條件下系統(tǒng)優(yōu)化與穩(wěn)定的時(shí)間,同時(shí)合理調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)尋找系統(tǒng)變化規(guī)律,提出面向系統(tǒng)性能最大化的動(dòng)力系統(tǒng)費(fèi)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化相應(yīng)可行的政策建議。在表2初始性能參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),在系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí),得到仿真計(jì)算的數(shù)值結(jié)果,并根據(jù)式(46)進(jìn)行歸一化,可得表3～表6和圖2～圖5。

表3 動(dòng)力系統(tǒng)功率對應(yīng)的各個(gè)設(shè)備投入費(fèi)用的增加量

表4 動(dòng)力系統(tǒng)功率提高率對應(yīng)的費(fèi)用投入增加量在各個(gè)設(shè)備之間的分配比例

表5 動(dòng)力系統(tǒng)功率對應(yīng)的系統(tǒng)總費(fèi)用

表6 動(dòng)力系統(tǒng)功率提高的比例對應(yīng)的設(shè)備費(fèi)用投入增加的比例

圖2 系統(tǒng)功率與設(shè)備費(fèi)用投入增加量之間的關(guān)系

圖3 系統(tǒng)功率提高率與費(fèi)用投入增量在各設(shè)備之間的分配比例之間的關(guān)系

圖4 系統(tǒng)功率與系統(tǒng)總費(fèi)用之間的關(guān)系

圖5 動(dòng)力系統(tǒng)功率提高比例與各設(shè)備費(fèi)用增加比例之間的關(guān)系

圖2為動(dòng)力系統(tǒng)功率與各設(shè)備投入費(fèi)用的增加量之間的關(guān)系曲線,圖3為系統(tǒng)功率提高率與費(fèi)用投入增量在各設(shè)備之間的分配比例之間的關(guān)系曲線，表3為不同動(dòng)力系統(tǒng)功率所對應(yīng)的各設(shè)備投入費(fèi)用的增加量，表4為動(dòng)力系統(tǒng)功率提高率對應(yīng)的費(fèi)用投入增加量在各個(gè)設(shè)備之間的分配比例。

分析圖2、圖3、表3、表4可得:① 當(dāng)系統(tǒng)的功率較小時(shí),要提高系統(tǒng)功率,對應(yīng)投入的各設(shè)備費(fèi)用較少;而當(dāng)系統(tǒng)功率達(dá)到一定程度后,再要提高相同比例的系統(tǒng)功率,對應(yīng)投入的各設(shè)備費(fèi)用就要大大增加,即要使系統(tǒng)功率稍微提高,就要投入大量的費(fèi)用,如曲線在動(dòng)力系統(tǒng)功率為0.85以后,上升趨勢迅速增加;② 要提高系統(tǒng)功率,對應(yīng)系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的性能都要有所提高,即對系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備都要進(jìn)行費(fèi)用投入,且各個(gè)設(shè)備的性能要同時(shí)提高,性能提高以后,同時(shí)也要相互匹配,才能發(fā)揮出最大的系統(tǒng)功率;③ 當(dāng)系統(tǒng)功率提高時(shí),對應(yīng)各設(shè)備投入的費(fèi)用是不同的,這是因?yàn)椴煌脑O(shè)備對費(fèi)用的需求不同,即費(fèi)用對設(shè)備性能的影響是不同的,有些設(shè)備要投入較多的費(fèi)用,才能提升其性能,而有些設(shè)備性能提高所需要的費(fèi)用較少;④ 當(dāng)系統(tǒng)功率提高的比例不同時(shí),對應(yīng)的費(fèi)用投入增加量在各個(gè)設(shè)備之間的分配比例也不同,這是因?yàn)椴煌南到y(tǒng)功率提高比例,對應(yīng)的各設(shè)備性能的提高比例不同,設(shè)備各性能之間必須互相匹配,才能使性能得到完全利用,而不浪費(fèi)多余的性能,使得系統(tǒng)的效能最大。

圖4為動(dòng)力系統(tǒng)功率與系統(tǒng)總費(fèi)用之間的關(guān)系曲線,表5為動(dòng)力系統(tǒng)功率所對應(yīng)的系統(tǒng)總費(fèi)用。

分析圖4和表5可得:動(dòng)力系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn),產(chǎn)生預(yù)期的系統(tǒng)功率,則表明該系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求,系統(tǒng)中各設(shè)備的性能也達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上,如果要通過提高設(shè)備的性能來提高系統(tǒng)功率,就需要投入較多的費(fèi)用,如圖4中動(dòng)力系統(tǒng)功率0.2～0.25所對應(yīng)的動(dòng)力系統(tǒng)總費(fèi)用,這是因?yàn)檫@一區(qū)間可能是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的瓶頸。在本例中,冷凝器壓力的降低非常困難,是提高動(dòng)力系統(tǒng)功率的一個(gè)瓶頸。如果突破了這一瓶頸,再要提高該系統(tǒng)的功率,只需投入相應(yīng)的費(fèi)用即可,如圖4中動(dòng)力系統(tǒng)功率0.25～0.50所對應(yīng)的動(dòng)力系統(tǒng)總費(fèi)用。而到了系統(tǒng)功率的設(shè)計(jì)極限后,再要繼續(xù)提高系統(tǒng)功率,就需要大量的費(fèi)用投入,如圖4中動(dòng)力系統(tǒng)功率0.50之后所對應(yīng)的動(dòng)力系統(tǒng)總費(fèi)用。

圖5為動(dòng)力系統(tǒng)功率提高比例與各設(shè)備費(fèi)用增加比例之間的關(guān)系曲線,表6為動(dòng)力系統(tǒng)功率提高的比例對應(yīng)的設(shè)備費(fèi)用投入增加的比例。

分析圖5和表6可得:① 系統(tǒng)功率提高的比例越大,相應(yīng)設(shè)備費(fèi)用增加的比例也越大,這是因?yàn)橄到y(tǒng)功率提高越大,需要的費(fèi)用越多,因此設(shè)備費(fèi)用增加的比例也越大;② 系統(tǒng)功率提高的比例不同,對應(yīng)的設(shè)備費(fèi)用投入增加的比例不同,這是因?yàn)椴煌O(shè)備的性能對系統(tǒng)功率的影響也不相同,所以不同設(shè)備的性能提高的比例也不一樣。

分析以上計(jì)算結(jié)果可知:① 如果要投入更多經(jīng)費(fèi)給動(dòng)力系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備,以提高系統(tǒng)功率,那么當(dāng)該動(dòng)力系統(tǒng)功率達(dá)到0.85時(shí),此時(shí)投入的經(jīng)費(fèi)產(chǎn)生的效益最大,即該點(diǎn)為投入給主機(jī)、鍋爐、冷凝器和給水泵費(fèi)用的最優(yōu)結(jié)構(gòu);② 如果總經(jīng)費(fèi)有限,那么當(dāng)該系統(tǒng)的功率在0.25～0.50之間時(shí),投入的總費(fèi)用產(chǎn)生的效益就能趨于最大值,此后再投入的經(jīng)費(fèi),產(chǎn)生的效益就會(huì)下降,導(dǎo)致投入總經(jīng)費(fèi)的效益也會(huì)下降;③ 如果要設(shè)計(jì)提高該系統(tǒng)的功率,應(yīng)該考慮將費(fèi)用重點(diǎn)投給冷凝器,因?yàn)榻档屠淠鲏毫?是提高該系統(tǒng)功率的重難點(diǎn)。

4.3 模型靈敏度分析

使用文獻(xiàn)[32-33]中的方法進(jìn)行相對靈敏度分析。取鍋爐蒸發(fā)量Gb為G(t),主機(jī)功率Ne為Y(t)。先對Y0(t)、Y1(t)、X0(t)和X1(t)進(jìn)行式(46)的歸一化處理;當(dāng)X0(t)=0.022 5%時(shí),Y0(t)=60.79%,然后對Ne進(jìn)行靈敏度分析,分析結(jié)果如表7所示?？梢?計(jì)算得到各參數(shù)的靈敏度都小于0.1,說明模型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好,仿真結(jié)果值得信賴。

表7 Ne的靈敏度分析結(jié)果

5 結(jié) 論

本文研究了設(shè)備的研制費(fèi)用與設(shè)備性能之間的關(guān)系、設(shè)備的性能與動(dòng)力系統(tǒng)的性能(推進(jìn)功率)之間的關(guān)系,建立了各項(xiàng)費(fèi)用與動(dòng)力系統(tǒng)總體性能之間的關(guān)系模型,找到了費(fèi)用在動(dòng)力系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備之間分配的特殊規(guī)律,確定了功率既定情況下,動(dòng)力系統(tǒng)費(fèi)用的最小值以及在各個(gè)設(shè)備之間的最優(yōu)分配結(jié)構(gòu)。通過本文研究,在初步形成基于SD理論、面向系統(tǒng)性能最大化、在裝備組成單元層面開展經(jīng)費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的同時(shí),得到了許多有益的結(jié)論。

與其他裝備經(jīng)費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與控制技術(shù)相比,一是本文采用的SD方法,充分利用了系統(tǒng)論的優(yōu)勢,強(qiáng)調(diào)從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)入手開展分析,由于數(shù)據(jù)獲取的層次較低,因而易于化解費(fèi)用數(shù)據(jù)的獲取難題;二是相比其他的裝備經(jīng)費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究工作,本文以蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)為例所開展的面向系統(tǒng)性能最大化的費(fèi)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究,更加直接地觸及到費(fèi)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最低層,深層次地挖掘出了費(fèi)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的原始起點(diǎn),可以為更高層次的費(fèi)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)和參考。