衛(wèi) 寧

（中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094）

基于智能建模的復(fù)雜系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)效分析

衛(wèi) 寧

（中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094）

在復(fù)雜系統(tǒng)工程中，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)效情況進(jìn)行分析需要有一個(gè)高效而準(zhǔn)確的方法來對(duì)所選擇的方案進(jìn)行費(fèi)用/性能建模和分析，以最低的全壽命周期費(fèi)用實(shí)現(xiàn)最好的系統(tǒng)使用性能.通過分析工具軟件對(duì)保障關(guān)系、運(yùn)輸時(shí)間、運(yùn)輸費(fèi)用、維修活動(dòng)、保障資源等進(jìn)行智能建模的方法很好地解決了這方面的問題，使得分析結(jié)果更加合理、有效.使用智能的復(fù)雜系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)效分析建模工具效果最明顯的是在確定費(fèi)用要求的條件下優(yōu)化方案，使得同等費(fèi)用條件下系統(tǒng)可用度最大，有效解決了復(fù)雜系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)效情況難以準(zhǔn)確分析的問題.

智能建模；復(fù)雜系統(tǒng)；全壽命周期；費(fèi)效；分析

在復(fù)雜系統(tǒng)使用中，滿足任務(wù)需求的使用效能常常伴隨著高昂的維修和保障費(fèi)用，這種情況主要是由于在復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案之間缺乏優(yōu)化權(quán)衡，不能在費(fèi)用和性能之間做出決策[1].為了防止上述情形發(fā)生，必須把復(fù)雜系統(tǒng)的使用效能與費(fèi)用方案的相互影響作為決策過程的一部分來研究，進(jìn)而加以改進(jìn)[2].這就需要有一個(gè)高效而準(zhǔn)確的方法來對(duì)所選擇的方案進(jìn)行費(fèi)用/性能建模和分析，以最低的全壽命周期費(fèi)用/保障費(fèi)用實(shí)現(xiàn)最好的系統(tǒng)使用性能.因此，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)效分析智能建模方法進(jìn)行研究，是目前復(fù)雜系統(tǒng)工程的一個(gè)研究熱點(diǎn)[3].

1 復(fù)雜系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)效分析的特點(diǎn)

目前由于復(fù)雜系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)效分析工作在復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中缺乏實(shí)踐，被分析對(duì)象（即復(fù)雜系統(tǒng)）的自動(dòng)化信息化程度增加，維修保障組織規(guī)模和數(shù)量的日漸龐大，這些都給全壽命周期費(fèi)效分析工作帶來了很大的困難[4]，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）復(fù)雜系統(tǒng)的復(fù)雜程度增加；

2）復(fù)雜系統(tǒng)的任務(wù)剖面更加復(fù)雜；

3）工程實(shí)際中對(duì)聯(lián)合使用模式的要求導(dǎo)致模型更加復(fù)雜；

4） 進(jìn)度緊張；

5） 費(fèi)用的限制；

6）保障資源無法科學(xué)確定；

7）某些保障策略無法規(guī)劃；

8）產(chǎn)品全壽命周期費(fèi)用的優(yōu)化需求；

9）缺乏經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù).

要解決復(fù)雜系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)效分析工作面臨的上述問題，需要將復(fù)雜系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)效情況與復(fù)雜系統(tǒng)方案作為一個(gè)整體進(jìn)行分析，需要建立詳細(xì)的費(fèi)用/性能模型并進(jìn)行優(yōu)化權(quán)衡，以最低的壽命周期費(fèi)用/保障費(fèi)用實(shí)現(xiàn)最好的系統(tǒng)使用性能[5].隨著復(fù)雜系統(tǒng)復(fù)雜度的增加和維修保障組織規(guī)模的日漸龐大，費(fèi)用/性能模型的建模難度也隨之增加，加上在制定方案的過程中需要考慮的各種因素往往具有很強(qiáng)的隨機(jī)性[6]，需要智能的分析軟件進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)的全壽命周期費(fèi)效分析.

此外，構(gòu)建費(fèi)用/性能模型需要多種數(shù)據(jù)，既包括復(fù)雜系統(tǒng)及“五性”相關(guān)數(shù)據(jù)，還包括保障組織的相關(guān)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來源于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)和使用各個(gè)環(huán)節(jié)[7]，分布在不同的信息系統(tǒng)和軟件工具中，因此，借助智能的全壽命周期費(fèi)效分析軟件，進(jìn)行便捷的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)的預(yù)處理分析，才能完成對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)效情況的全面分析.

綜上所述，傳統(tǒng)的解析方法難以勝任上述復(fù)雜系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)效分析的需求，隨著計(jì)算機(jī)建模和仿真技術(shù)的發(fā)展，采用智能建模的方法對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)效情況進(jìn)行分析已經(jīng)成為一種必需的技術(shù)手段和途徑.因此，使用智能的復(fù)雜系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)效分析建模工具，結(jié)合復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)際使用情況開展復(fù)雜系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)效分析工作，是針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)效情況難以準(zhǔn)確分析問題的有效解決方法.

2 復(fù)雜系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)效分析智能建模工具

針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)全壽命周期的費(fèi)效分析評(píng)估工具，其復(fù)雜系統(tǒng)模型和費(fèi)用模型完全由用戶確定，最終為用戶提供評(píng)估結(jié)果和優(yōu)化方案建議.軟件運(yùn)用智能建模的方法，將費(fèi)用與復(fù)雜系統(tǒng)的任務(wù)進(jìn)行結(jié)合，針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的使用特性，對(duì)其總體方案進(jìn)行評(píng)估，仿真評(píng)估效果非常理想.

該軟件是進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)用分析和費(fèi)效比評(píng)估的智能化工具，軟件內(nèi)嵌了標(biāo)準(zhǔn)的費(fèi)用分解模型，也支持用戶自定義費(fèi)用分解模型，能夠記憶并幫助用戶進(jìn)行費(fèi)用分解.該軟件可用于復(fù)雜系統(tǒng)系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)用模型的建立和費(fèi)用分析，在費(fèi)用分析的同時(shí)考慮產(chǎn)品的壽命時(shí)間、使用特性等，可以針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)和各級(jí)保障組織進(jìn)行智能建模，其費(fèi)用敏感性分析結(jié)果可以用于費(fèi)用模型的調(diào)整和費(fèi)效比評(píng)估，對(duì)整個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)方案的評(píng)估至關(guān)重要.

例如：多家公司具備某復(fù)雜系統(tǒng)的研制能力，其中兩家公司決定在維修、檢查規(guī)劃與保障規(guī)劃上開展緊密的合作.針對(duì)這種情況，利用全壽命周期費(fèi)用分析工具進(jìn)行壽命周期費(fèi)用和整體方案評(píng)估：

1）使用該軟件對(duì)這兩家公司采用聯(lián)合保障組織能產(chǎn)生多大的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行評(píng)估；

2）使用該軟件對(duì)多家競(jìng)標(biāo)公司的全壽命周期費(fèi)用進(jìn)行分析和評(píng)估；

3）使用該軟件計(jì)算初始保障資源，包括對(duì)該復(fù)雜系統(tǒng)的保障資源分類和分配方案進(jìn)行評(píng)估.

圖1 智能建模后生成的費(fèi)效曲線圖Fig.1 Cost effectiveness curve after intelligent modeling

該軟件的智能算法能夠計(jì)算初始保障資源規(guī)劃.該軟件計(jì)算的核心結(jié)果是費(fèi)效曲線，如圖1所示.縱坐標(biāo)為復(fù)雜系統(tǒng)的效能指標(biāo)，橫坐標(biāo)為壽命保障費(fèi)用.費(fèi)效曲線上的每一個(gè)點(diǎn)均對(duì)應(yīng)一種智能建模得到的保障資源模型.選定曲線上的任一點(diǎn)，可得到在同等費(fèi)用條件下能達(dá)到的最大使用可用度，并生成對(duì)應(yīng)的方案的評(píng)估結(jié)果.

通過該軟件工具可以計(jì)算出許多針對(duì)系統(tǒng)的費(fèi)用指標(biāo)，如圖2所示.主要包括LSC（壽命保障費(fèi)用）、CI（總投資）、CN（總年費(fèi)用現(xiàn)值）、EBO（期望備件后訂貨數(shù)）、WT（平均等待時(shí)間）、ROS（備件短缺風(fēng)險(xiǎn)）、MDT（平均停機(jī)時(shí)間）、A（使用可用度）、NOR（不可用系統(tǒng)數(shù)量）等，這些指標(biāo)可與系統(tǒng)已建模型進(jìn)行智能化互動(dòng).

圖2 與模型進(jìn)行智能化互動(dòng)的費(fèi)用指標(biāo)Fig.2 Intelligent interaction with the model of the cost index

3 復(fù)雜系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)效分析智能建模方法

利用該軟件工具進(jìn)行智能建模是以填表方式進(jìn)行的，軟件中共有50多張輸入表單.這些表單綜合描述了復(fù)雜系統(tǒng)及其各項(xiàng)費(fèi)用.這里的各項(xiàng)費(fèi)用涵蓋了保障組織、維修活動(dòng)等方方面面數(shù)據(jù)，以滿足智能建模的需要.進(jìn)行智能建模時(shí)表單的數(shù)量可以靈活調(diào)整，既可依據(jù)初始化的表單建模，也可根據(jù)實(shí)際情況增減，能夠記憶并幫助用戶進(jìn)行裁剪.該軟件工具的輸出包括費(fèi)效曲線和40余種報(bào)告.壽命保障費(fèi)用的智能化模型構(gòu)成如圖3所示.

利用該軟件工具進(jìn)行智能建模時(shí)需要對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的執(zhí)行任務(wù)情況進(jìn)行描述，通過復(fù)雜系統(tǒng)的利用率因子來描述其任務(wù)情況.

圖3 壽命保障費(fèi)用的智能化模型構(gòu)成Fig.3 Intelligent model of life support cost

利用該軟件工具進(jìn)行智能建模時(shí)需要描述保障組織的類別、保障組織間的保障關(guān)系、運(yùn)輸時(shí)間、運(yùn)輸費(fèi)用等.保障組織按是否具有存儲(chǔ)設(shè)施和修復(fù)設(shè)施來劃分類別；運(yùn)輸時(shí)間描述了故障件/備件在保障組織之間傳遞所需的時(shí)間；運(yùn)輸費(fèi)用描述了向上級(jí)保障組織運(yùn)送故障件或者向下級(jí)保障組織運(yùn)送備件所需的費(fèi)用.

利用該軟件工具對(duì)維修活動(dòng)進(jìn)行智能建模時(shí)，需要描述的內(nèi)容包括維修類別、維修地點(diǎn)、維修時(shí)間、維修費(fèi)用等.維修活動(dòng)包括了預(yù)防性維修和修復(fù)性維修.維修活動(dòng)與備件需求關(guān)系密切.當(dāng)維修需求輸入保障組織時(shí)，保障組織根據(jù)其維修能力對(duì)該需求進(jìn)行處理.例如采取換件維修時(shí)，更換下來的故障件會(huì)產(chǎn)生維修需求并沿著保障組織自下向上傳播，直到所有維修需求被滿足為止.

利用該軟件工具在對(duì)備件供應(yīng)方案進(jìn)行智能建模時(shí)，需要描述的內(nèi)容包括備件的存儲(chǔ)地點(diǎn)、存儲(chǔ)數(shù)量、再訂購(gòu)地點(diǎn)以及再訂購(gòu)數(shù)量等.

保障資源是實(shí)施復(fù)雜系統(tǒng)維修的物質(zhì)基礎(chǔ)和重要保證，無論是平時(shí)訓(xùn)練還是戰(zhàn)時(shí)搶修，保障資源都占據(jù)著十分重要的地位.利用該軟件工具對(duì)保障資源進(jìn)行智能建模時(shí)，需要描述的內(nèi)容包括保障資源的部署地點(diǎn)、數(shù)量及投資費(fèi)用等.

智能建模后輸出的壽命保障費(fèi)用詳細(xì)清單包括了壽命保障費(fèi)用各組成部分的數(shù)值，包含在輸出報(bào)告中，如圖4所示.

該軟件工具還可通過智能建模進(jìn)行假設(shè)分析和敏感性分析，以確定對(duì)費(fèi)效影響最大的因素，并對(duì)各種效能參數(shù)提出優(yōu)化建議.

圖4 智能建模后輸出的壽命保障費(fèi)用詳細(xì)清單Fig.4 Intelligent modeling after the life of the cost of a detailed list of security costs

4 結(jié)語(yǔ)

在復(fù)雜系統(tǒng)工程中，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)效情況進(jìn)行分析評(píng)估是一項(xiàng)需要投入大量精力的工作[8].在以往的工程實(shí)踐中，費(fèi)用要求和可用度指標(biāo)是很難同時(shí)達(dá)到的.一方面，費(fèi)用和可用度沒有直接的聯(lián)系，確定指標(biāo)時(shí)很難將兩者結(jié)合起來[9]；另一方面，人為因素具有不確定性，確定最優(yōu)方案時(shí)容易受到個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和外來因素影響，特別是對(duì)多個(gè)備選方案進(jìn)行權(quán)衡時(shí)，憑借經(jīng)驗(yàn)很難做出正確的選擇[10].如果不能科學(xué)合理地確定方案，不僅要花費(fèi)大量費(fèi)用，還會(huì)在很大程度上影響復(fù)雜系統(tǒng)的完好性[11].通過分析評(píng)估工具軟件進(jìn)行智能建模很好地解決了這方面的問題，使得分析評(píng)估結(jié)果更加合理、有效.特別是可以在確定費(fèi)用要求的條件下優(yōu)化方案，使得同等費(fèi)用條件下系統(tǒng)可用度最大，這點(diǎn)對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)方案確定非常有用.

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Cost effectiveness analysis of complex system based on intelligent modeling

WEI Ning

（Systems Engineering Research Institute,Beijing 100094,China）

In the complex system engineering,as for the whole life cycle cost of complex system effect,an efficient and accurate method for cost/performance modeling and analysis of the selected scheme shall be adopted so that the best system performance is achieved with the lowest life-cycle cost.By using the analysis software,model the security relations,transportation time,transportation costs,maintenance and support resource to make the result more reasonable and effective.The most obvious effect of using the whole life cycle cost effect analysis of complex system based on intelligent modeling is to optimize the scheme under the setting cost requirements,so that the operational availability maximum is founded at the same cost.It effectively solves the problem that the cost-effectiveness of complex systems is difficult to be accurately analyzed.

intelligent modeling;complex system;whole life cycle;cost effectiveness;analysis

TU528

A

1007-2373（2017） 05-0115-04

D OI：10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.05.019

2017-03-09

衛(wèi)寧（1977-），女，高工，zhou_aaa@sina.com.

[責(zé)任編輯 楊 屹]