杨洋，方峻，徐诚

（南京理工大学机械工程学院，南京210094）

以费效综合特性为变量的单兵系统评价方法

杨洋，方峻，徐诚

（南京理工大学机械工程学院，南京210094）

单兵系统是一种新型的数字化武器装备，对其评价技术进行研究，具有重要的意义。从费效比概念在实际应用中的问题出发，讨论了单兵系统的费效综合特性的基本理论、方法和技术框架，为单兵系统的评估提供一种新方法。针对目前单兵系统效能评价的现状，提出了一种非线性指标聚合的单兵系统效能评估模型，并给出了相应的指标体系模型、指标聚合方法。最后以某型号单兵系统的数据为例，证明该方法的有效性。

单兵系统，费效综合特性，效费比，效能，寿命周期费用

0 引言

单兵综合作战系统（简称单兵系统）是一种新型的数字化武器系统，是未来陆军武器装备体系的重要组成部分，它以士兵为作战平台，集火力、火控、防护、通信、指挥与控制等功能为一体［1］。我军的单兵系统的研制工作正在积极而有效地展开，但长期以来对单兵系统还没有有效的评价机制［2］，尤其是在装备论证阶段，需要综合考虑系统效能和寿命周期费用。

单兵系统的效能和寿命周期费用都是单兵系统的固有属性，在对单兵系统的评价过程中，需要将费用作为与性能同样重要的设计因素进行考虑和权衡。由于单兵系统包含多个子系统，功能模块比较多，采用传统的费效比概念对单兵系统进行评价过于简单，并且不能直接用于方案的优化和优选，只能用于剔除一些优劣差异十分明显的方案［3-4］。本文结合单兵系统的特点提出了以费效综合特性为变量的单兵系统评价方法，将士兵系统效能和寿命周期费用两个综合特性的参数进行二次综合而形成的一种新的特性，通过它可以对方案进行优劣比较，对各方案的费用和效能进行优化权衡。

1 单兵系统费效综合特性的提出

单兵系统的各项性能对效能都有贡献，同时单兵系统的寿命周期费用是由系统性能驱动，因此，它们都是系统效能的函数。单兵系统的效能和寿命周期费用都是单兵系统的固有属性，将效能和寿命周期费用科学地加以综合形成单兵系统的顶层特性，该参数反应了单位寿命周期费用所蕴含的效能。在评估过程中，由于每个方案的评价都是相对的，而且是无量纲的，这就导致系统的优劣必须通过对比才能体现出来。因此，在计算费效综合特性时，引入了基准型号作为比较，突出了系统对国防资源的相对利用率，同时解决了简单的效费比的单位不对称的问题。费效综合特性采用下式进行计算：

式中：ρ为费效综合指数；E0为系统基准型号效能；C0为系统基准型号寿命周期内费用；ΔE为效能增量；ΔC为费用增量；ρ（E）为规格化的效能增量；ρ（C）为规格化的寿命周期内费用增量。

2 以费效综合特性为变量的单兵系统效能建模方法

对于单兵系统，在立项阶段，采用以效费综合特性为变量的方法建立单兵系统模型，是为了建立武器系统的关键性能指标、寿命周期费用和系统效能之间的关系，以进行权衡优化。基于效费综合特性为变量的单兵系统效能建模方法主要分为4个部分：①选择合理的基准模型，计算基准单兵系统效能和寿命周期费用。基准模型最好是已有成功的单兵综合作战系统，比如美国的陆地勇士单兵综合作战系统；②建立待评估单兵系统的效能模型。系统效能模型主要是用系统关键性能指标参数描述系统效能；③寿命周期内费用预测与分析。费用预测模型将性能看作是费用的函数，通过分解结构将系统的总费用进行分解，然后采用参数估算法得到系统费用；④确定费效综合特性指数，并进行费用、效能的权衡分析，提出改进方案。

2.1 建立单兵系统效能模型

单兵系统效能度量是受下一层度量参数-性能度量参数的影响，而性能度量参数又会受再下一层度量参数-指标度量参数的影响，所以参数体系可大体分为3个层次。

根据未来数字化战场的作战需求，现代士兵在作战环境中将面临着更大的挑战，面临的地域更开阔，以及在黑夜等能见度低的条件下进行作战，要完成的任务更具有艰巨性。要完成这些任务，在建立系统性能度量参数体系时，采用火力射击能力、战场感知能力、目标发现能力、机动能力、指挥控制能力和系统非战斗能力如可靠性、维修性等来描述单兵系统的作战效能。为能够计算出单兵系统的各个性能指标，必须进一步细化各个性能指标，将各个性能指标进一步分解成为可测量或可估计量，以便于各级指标的综合计算。单兵系统的性能指标及进一步细化如图1所示。

图1 单兵系统效能评估指标体系

对于系统效能，采用模糊综合分析法对系统综合效能进行计算，具体计算过程在此不再赘述，只对目前所采用的指标聚合方法进行改进。目前所用的指标聚合方法过分简化了体系各层次之间的聚合关系，突出反映出下层指标对上层指标的贡献程度，不能反映出劣指标对目标层的负面影响，见文献［5-6］。但是在聚合的过程中，将下层指标相乘和相加混淆，没有科学依据。本文提出的评估指标的非线性聚合方法，通过引入指标惩罚函数，为进一步解决评价的客观性和综合性做一些工作。

其中：ωni表示第n层的第i项指标的权重；Cni表示第n层的第i项指标的评价意见；H（Cni）为基于指标评估值的惩罚函数，如式（5）所示。

引入的指标惩罚函数对于指标的聚合类似于“木桶效应”，即非常差的指标相当于木桶中的短板。当系统中有很差的指标值时，系统效能会被非常差的指标值限制，为了体现该限制因素，引入了惩罚函数。

2.2 建立系统寿命周期费用模型

寿命周期费用是在预期的装备寿命周期内，为装备的论证、研制、生产、使用、维修和保障所需的直接、间接、重复性、一次性和其他费用之和［6］。在完成效能评估后，根据战技指标综合确定装备的寿命周期费用。针对单兵系统的模块化特点，可以将系统分解为各个子系统和组成部分。将单兵系统的寿命周期费用分解为通货膨胀率，各个组成部分以及总体设计费。对于各个子系统和组成部分，再次逐步分解为研制费、生产费和维护费。根据实际情况拟制出符合分析需要的具体的寿命周期费用分解结构如图2所示。

图2 寿命周期费用分解

2.3 建立效费综合特性模型

以士兵系统效费特性为目标层，系统效能和寿命周期费用为2级指标，将单兵系统的效能与费用高度统一起来，采用式（3），将单兵系统效能和寿命周期费用综合起来。通过费效综合指数、规格化的效能增量和规格化的寿命周期内费用增量具体分析待评估方案与基准方案的优劣。具体讨论如下：

（1）当ρ>1时，若ρ（E）>0，ρ（C）>0此时单兵系统的效能提高，同时寿命周期费用也增加，这是通过增加寿命周期费用提高单兵系统的效能。该种情况虽然费用增加了，但是国防资源利用率提高了，是单兵系统升级换代时的主要途径；若ρ（E）>0，ρ（C）<0时，此时士兵系统效费综合特性提高，士兵系统效能提高，同时寿命周期内费用降低，这是士兵系统升级换代时的最优途径；若ρ（E）<0，ρ（C）<0时，此时单兵系统效费综合特性增加，士兵系统效能降低，同时寿命周期内费用降低，此时应对方案进行慎重考虑，必须谨慎考虑效能的可接受范围。

（2）当ρ=1时，方案与基准方案相当，此时需要谨慎选择。

（3）当ρ<1时，方案劣于基准型号，此时所有方案不是最优方案，应对方案进行优化，谨慎选择。

对于ρ=1和ρ<1两种情况，需要决策者综合考虑费用与效能之间的权衡关系，根据具体情况，如装备规模、效能提高的急迫性等多方面考虑。

3 实例分析

某型号士兵系统B是在型号A的基础上开发的下一代士兵系统，型号B与型号A主要配置与功能相同，选取A为基准型号，B为待评估型号。在立项阶段，以武器系统效费特性为目标层，建立了武器系统的效能、关键性能指标和费用之间的关系如图1和图2所示。

通过对准则层影响因素进行两两比较可以得到准则层相对于目标层的判断矩阵，并由前述的方法求得层次单排序向量、最大特征值以及一致性指标和一致性比例，计算过程和结果如表1、表2所示。

表1 单兵系统计算结果

表2 效能和寿命周期费用计算值

计算费效综合系数

计算结果表明，型号B与基础型号A相比，通过型号改进后，单兵系统效能提高，但效费指数却小于1。主要原因是，虽然效能提高32.2%，但寿命周期费用却增加了44.7%，该方案不是最优方案，需对方案进行优化。方案优化后的结果如表2所示，系统能力为75，系统周期寿命降低到47万元。此时型号B的优化方案的效费综合特性为：

士兵系统改型研制以后效费综合系数有了很大提高。

4 结束语

本文针对单兵系统的特点，提出以费效综合特性为变量的评价机制，建立了单兵系统的效能评估体系和寿命周期费用计算分解模型。该方法有效地实现单兵系统论证研究、型号选择过程中的效能费用优化权衡，在满足作战总要求的情况下通过调整权衡，适当调整费用与性能的指标，为立项论证阶段的决策提供分析工具。该评价方法也适用于其他武器装备系统的评价。

［1］董跃农.轻武器装备第四次浪潮：士兵系统［M］.北京：国防工业出版社，2006.

［2］王曙光，王瑞林.单兵综合作战系统综合性能评价的灰色方法［J］.装备指挥技术学院学报，2006，17（1）：18-22.

［3］张恒喜，郭基联，李鸣.军用飞机效费综合特性研究［J］.航空学报，2005，26（3）：308-313.

［4］谭云涛，郭波.以费用为独立变量的武器装备型号论证方法研究［J］.兵工学报，2007，28（6）：761-764.

［5］罗鹏程，傅攀峰，周经伦.武器装备体系作战能力评估框架［J］.系统工程与电子技术，2005，27（1）：72-75.

［6］国防科学技术工业委员会.GJB1364装备费用效能分析［S］.北京：国防科学技术工业委员会，1992.

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

YANG Yang，FANG 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

杨洋（1988-），男，安徽蚌埠人，博士研究生。研究方向：复杂系统建模，武器系统作战效能评估。