舰船动力系统方案评估指标体系研究

张 鹏，徐 鹏

(1.中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064;2.海军驻大连船舶重工集团有限公司军事代表室，辽宁 大连116011)

0 引 言

作为舰船的重要组成部分，动力系统的性能影响并制约着舰船战技术性能的发挥，并直接决定舰船能否完成其使命任务。舰船动力系统在方案论证阶段的主要工作是多方案评估优选，其实质是多准则决策，建立科学合理的评估指标体系，是进行多准则决策的前提。目前，舰船动力系统方案评估一般采用人工方法进行，多属定性分析和经验决策，制约了论证能力的提升。因此，建立舰船动力系统方案评估指标体系，推动舰船动力系统方案评估从定性向定量转化，具有重要的现实意义。

1 构建评估指标体系的原则和方法

建立一套具有实用价值的指标体系，需要遵循一定的原则。根据实践经验的总结，指标体系的构建一般要遵循系统性原则、可比性原则、科学性原则、实用性原则、层次性原则和简易性原则等［1］。

指标分解一般按照舰船工程的原理对顶层目标进行逐层分解，最后形成一个具有递阶层次结构的指标体系。在该递阶层次结构中，最高层是总目标层，给出舰船动力系统方案评估的总体目标;中间层是准则层，给出对舰船动力系统方案进行综合评估的准则;底层是指标层，即进行舰船动力系统方案评估的具体指标。应该看到，下层指标比上层指标更加明确、具体，它是进行上层目标评估的手段，而最底层目标就形成了可直接进行评估的指标。

本文将根据上述原则和方法提出一套适用于舰船动力系统方案评估的指标体系。

2 评估指标体系的层次结构

舰船动力系统的研制目标是以最低的风险和费用获得效能最高的动力系统，因此，按照评估指标体系构建的一般方法和原则，舰船动力系统方案评估指标体系采用以下3 层结构:

第1 层为目标层:以最低的风险和费用获得效能最高的动力系统。

第2 层为准则层:分别包括效能、寿命周期费用和风险。

效能和费用是系统分析或决策者所关心的2个核心要素。效能是效果好坏和价值大小的表征准则，费用是资源投入和代价大小的表征准则。由于需要开展综合评估的舰船装备大多是新研制的装备，投入预定的经费，达到预想的效能，都存在一定的不确定性，因此综合评估准则还应综合考虑风险因素，并将风险作为评估准则。美、英海军用于舰艇装备概念探索和概念开发的综合评估模型都以效能、费用和风险三项作为综合评估准则。

第3 层为指标层:是效能、寿命周期费用和风险准则的分解。

3 评估指标体系的构建

3.1 效能的分解

效能评估是衡量军事装备质量的重要方法，也是军事装备论证的必要环节。在军事装备的型号论证中，按照研究范围可将效能分为单项效能、系统效能和作战效能。单项效能不能完整地反映动力系统的特点，不宜作为动力系统的方案评估指标，在方案论证阶段对动力系统进行作战效能评估的可操作性较差。因此，作战效能也不宜作为动力系统的方案评估指标;系统效能是对装备系统效能的综合评价，是型号论证时主要考虑的效能参数，因此，动力系统方案评估应采用系统效能指标，并按照定义对系统效能作进一步分解。

美国工业界武器装备系统效能咨询委员会定义:“系统效能是预期一个系统能满足一组特定任务要求程度的度量，是系统的可用性、可信性和能力的函数”［2］。根据系统效能的定义，系统效能可以分解为可用性、可信性和能力。

为方便起见，在实际分析中往往用一个综合性指标来表征可用性和可信性，文献［3］称其为可使用性。在可使用性指标中，国内外大量的实践经验表明，对装备效能影响最大的是可靠性、维修性和保障性。在方案论证阶段，能够获取的系统信息较少，保障性的量化难度很大，因此不宜作为装备效能的评估指标。

综合以上分析，本文将舰船动力系统方案评估指标体系中的系统效能分解为任务能力和可使用性。任务能力应该根据作战使用性能的要求作进一步的分解，而可使用性可以根据可靠性和维修性的要求作进一步的分解。

3.1.1 任务能力的分解

在进行任务能力的分解时，是将动力系统纳入全舰系统工程范畴，综合考虑动力系统战技术性能对总体的影响程度，在实际论证工作中，这些影响因素往往会成为动力系统方案决策的主导因素。

本文在参考简氏年鉴(Jane＇s Fighting Ships)的基础上，通过综合分析，将任务能力分解为以下几种:

1)航速适应性

提供舰船在执行各种任务时所需的动力和航速，这是动力系统的首要使命任务。考虑到现代战争特点对舰船航速指标提出的新要求［4］，此处将航速适应性作为航速的评估指标。

航速适应性表征的是动力系统方案对全航速范围工况的适应性，其实质是航速的变化范围，一般需要再分解成若干个分指标。舰船航速包括最高航速、全速、续航航速、低速和倒车航速。经分析可知，全速与最高航速的相关性较大，全速越大，最高航速也就越大。为了消除同一层指标的相关性，同时考虑到航速适应性的实质，本文将最高航速作为评估指标。对于巡航航速来说，所有动力系统方案的巡航航速都应该相同，这是因为舰船研制总要求对巡航航速有明确规定，因此，根据可比性原则，巡航航速不宜作为评估指标。

综合以上分析，航速适应性可分解为最高航速、低速和倒车航速。

2)机动性

舰船机动性是一个综合性指标，通常包括①舰船完成备战备航所需的时间;②由最低航速到全速的加速时间和距离;③由全速到停航的滑行时间和距离;④由全速前进到全速倒航的时间;⑤回转1周的时间和回转半径等指标。

在以上5个指标当中，指标③和指标④有较明显的包含关系，根据可比性原则，指标③不宜作为机动性的评估指标。指标⑤也不宜作为机动性的评估指标，原因在于:一是舰船的回转性能并不完全取决于动力系统，它还与操纵系统有关;二是在方案论证阶段难以准确确定回转时间和回转半径，如果采用经验公式［5］进行估算，那么在其他条件不变的情况下，回转直径只取决于舰船在回转前的直线航行速度，而航速指标应在航速适应性中进行论证评估。

通过以上分析，同时考虑到动力系统的性能对舰船机动性的影响，机动性可分解为主机启动时间、最低航速到全速的时间和全速前进到全速倒航的时间。

3)生命力

动力系统生命力是指其能抵御战斗破损和故障破损，并在破损情况下最大限度地维持主机工作，从而保证舰船战斗活动的能力。对于军船而言，动力系统的生命力主要是指其抵御战斗破损的能力［6］。

在方案论证阶段，可以依据机舱布置好坏的准则［6］对动力系统生命力进行分析评估。从机舱布置好坏准则的重要程度来看，一次命中破损后，动力系统功率完全损失的可能性要小这一准则的重要性较之其他准则要大，因此，本文将生命力分解为一次命中功率完全损失的概率。需要特别说明的是，如果各方案一次命中功率完全损失的概率都一样，此时就应该采用一次命中功率部分损失的概率作为动力系统生命力的评估指标。

4)隐身性

动力系统的隐身性包括声隐身和红外隐身。

声隐身是指由机械设备振动引起的水下辐射噪声，降低水下辐射噪声，对于提高舰船生命力十分重要。随着舰船向高速化发展，特别是对安静性和隐蔽性要求的提高，使得各国海军对舰船水下辐射噪声研究的重视程度也在不断提高。

红外隐身是指动力装置的红外辐射强度，主要为排气系统的红外辐射。对舰船红外特性进行控制的目的是降低舰船不同区域的温度差，从而降低来袭兵器的识别能力。

红外辐射指标一般采用红外强度来表示，红外强度与主机排气温度的四次方成正比。在方案论证阶段，可以采用排气温度来表征红外辐射指标［7］，但在具体量化时应该取排气温度的四次方。

综合以上分析，隐身性可分解为水下辐射噪声和排气温度。

5)适用性

动力系统的适用性是指动力设备重量和尺寸的适用性。在水面舰船中，主动力装置设备和燃油的重量约占舰船排水量的20%～40%，机舱所占的容积约为水线附近全部舱室容积的30%～50%，因此，主动力装置的重量和尺寸与舰船的排水量和主尺度有着密切的联系，且对电子设备和武器装备的数量和布置有明显的影响，应当在可能的前提下尽量减少主动力装置的重量和尺寸。为了更确切地评价动力设备的适用性，本文采用相对重量和容积饱和度这2个特征参数来描述适用性。

①相对重量

式中:GD为动力设备和燃油的总重量;D为排水量。显然，K1越小越好。其中，燃油的重量根据续航力要求计算得到，因此，续航力指标体现在燃油重量中。

②容积饱和度

式中:VD为动力系统的体积;V为机舱的容积。显然，fv越大，说明机舱内越拥挤，要在机舱内进行修理、损害管制等活动就越困难。

综合以上分析，适用性可分解为相对重量和容积饱和度。

3.1.2 可使用性的分解

在方案论证阶段，可使用性的研究重点是可靠性和维修性。动力系统的可靠性，是指在规定的寿命期限内能可靠工作，不发生导致丧失工作可能性的事故的能力(不包括能短时期内迅速排除的小故障)。根据GJB1906，动力系统的可靠性主要通过平均故障间隔时间MTBF、致命性故障时间间隔MTBCT、任务可靠度Rm和使用寿命Lse 来表征;就动力系统的维修性而言，一般采用平均修复时间MTTR和平均维修间隔时间MTBM 来表征［8］，考虑到指标之间的相关性以及方案论证阶段的自身特点，可采用平均故障间隔时间、使用寿命和平均修复时间来表征动力系统的可靠性和维修性［9］。

综合以上分析，可使用性可分解为使用寿命、平均故障间隔时间和平均修复时间。

3.2 寿命周期费用的分解

按照寿命周期费用的一般概念，寿命周期费用可划分为研究与研制费用、初始投资费用、使用与保障费用三大类，其中，研究与研制费用包括新型装备系统的全部技术研究、型号设计、样机和原型机制造、各种试验和鉴定的所有费用;初始投资费是为作战部队装备一个装备系统所花的全部费用，包括主要装备和专用装备的采购费、设施建筑费、人员训练费和首批备件的采购费;使用与保障费用也称维持费用，是一个系统在装备部队之后的使用过程中所需的全部费用，包括燃料费、人员费和维护修理费用等。

从装备采办和使用方的角度来看，上述费用可进一步归并为采办费用和使用保障费用。采办费用包括研制费和装备采购费;而使用保障费用可进一步分解为燃油费、人员费和维修保养费。

3.3 风险的分解

在舰船动力系统的研制过程中，主要存在着技术风险、费用风险和进度风险。技术风险是指项目在预定的资源约束条件下，达不到要求的战技术指标的可能性及差额幅度，或者说研制计划的某个部分出现事先意想不到的结果，从而对整个系统效能产生有关影响的概率。费用风险是指工程项目费用突破预算的可能性及超支幅度。进度风险是指工程项目不能按期完成的可能性及超期幅度。

图1 舰船动力系统方案评估指标体系Fig.1 Index for program evaluation of warship power system

在方案论证阶段，进度安排和费用安排尚不明确，评估进度风险和费用风险的难度很大，因此，在方案论证阶段只对技术风险进行评估。

综合以上分析，本文构建的舰船动力系统方案评估指标体系如图1所示。

4 结 语

本文针对舰船动力系统研制的特点，首先确立费用低、风险小、效能高的动力系统研制目标，确定以“效能―费用―风险”为准则层的指标体系结构，然后依据系统效能的定义和运用舰船工程原理对准则层指标进行逐层分解，最终建立舰船动力系统方案评估指标体系。该指标体系考虑现代战争特点对舰船动力系统的要求，体现动力系统方案评估在方案论证阶段的特点，为实现动力系统方案的定量评估奠定了基础。

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