趙曰強(qiáng),安實(shí),麥強(qiáng),于道林,張耀東
(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001;2.中國(guó)航天科工防御技術(shù)研究院,北京 100854;3.北京電子工程總體研究所,北京 100854)
研究防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)費(fèi)用時(shí),導(dǎo)彈的生產(chǎn)費(fèi)用單價(jià)最受關(guān)注。這是因?yàn)樵谖淦飨到y(tǒng)中導(dǎo)彈的技術(shù)性能指標(biāo)可比性強(qiáng),而地面系統(tǒng)由于使用要求不同,配置繁簡(jiǎn)差別顯著,費(fèi)用的統(tǒng)計(jì)測(cè)算離散很大;從整個(gè)壽命周期費(fèi)用來(lái)看,生產(chǎn)費(fèi)用最穩(wěn)定,研制階段由于受到技術(shù)基礎(chǔ)、研制周期、試驗(yàn)鑒定次數(shù)的影響費(fèi)用離散很大;另外,現(xiàn)實(shí)中很多防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的研制生產(chǎn),一般將導(dǎo)彈和雷達(dá)制導(dǎo)等地面系統(tǒng)由不同的承包商分開(kāi)承擔(dān),導(dǎo)彈相對(duì)獨(dú)立性強(qiáng)。綜上所述,從導(dǎo)彈的生產(chǎn)費(fèi)用單價(jià)入手易于得到可靠的費(fèi)用模型。
費(fèi)用變量是指影響導(dǎo)彈費(fèi)用的敏感量[1]。防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)性能指標(biāo)較多,各指標(biāo)對(duì)費(fèi)用都有一定的影響,相互間還存在著復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性[2]。下面對(duì)主要技術(shù)性能參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析與選擇。
首先分析導(dǎo)彈殺傷空域?qū)M(fèi)用的影響。一般來(lái)說(shuō)在有效載荷(一般指戰(zhàn)斗部)給定的情況下,射程增大往往造成發(fā)射質(zhì)量增大,進(jìn)而引起費(fèi)用的增加。另外,在射程一定的情況下,提高推進(jìn)劑的性能雖然可以降低導(dǎo)彈發(fā)射質(zhì)量,但推進(jìn)劑的費(fèi)用必定隨著增大。提高制導(dǎo)精度可以降低有效載荷,進(jìn)而大幅降低發(fā)射質(zhì)量,但制導(dǎo)系統(tǒng)的成本會(huì)大幅度提升,這在一定程度上會(huì)抵消導(dǎo)彈發(fā)射質(zhì)量降低帶來(lái)的好處。可以看出,在一定制導(dǎo)體制下,射程是影響費(fèi)用的主要因素。
然后分析導(dǎo)彈質(zhì)量對(duì)費(fèi)用的影響。發(fā)射質(zhì)量決定了導(dǎo)彈的大小,從而也決定了所需的動(dòng)力消耗。發(fā)射質(zhì)量越大,費(fèi)用越大;戰(zhàn)斗部質(zhì)量決定了導(dǎo)彈的殺傷威力,在炸藥類型相同的情況下,威力增大,戰(zhàn)斗部質(zhì)量增大,對(duì)制導(dǎo)精度的要求降低。可以看出,戰(zhàn)斗部質(zhì)量的變化將從導(dǎo)彈質(zhì)量和制導(dǎo)精度2個(gè)方面影響導(dǎo)彈的費(fèi)用,其對(duì)經(jīng)費(fèi)的影響不是單一的增減關(guān)系。
此外分析導(dǎo)彈飛行速度對(duì)費(fèi)用的影響。導(dǎo)彈飛行速度增大,可縮短射擊周期,提高火力密度,增大有效發(fā)射區(qū)和殺傷區(qū)。同時(shí),導(dǎo)彈飛行速度的提高對(duì)導(dǎo)彈控制能力、結(jié)構(gòu)、防熱水平等都提出了更高的要求,進(jìn)而導(dǎo)致導(dǎo)彈費(fèi)用的增加。
導(dǎo)彈殺傷概率直接取決于導(dǎo)彈的制導(dǎo)精度、引戰(zhàn)配合和殺傷威力。其中,制導(dǎo)精度對(duì)導(dǎo)彈殺傷概率的影響至關(guān)重要。
導(dǎo)彈的可靠性和維修性相關(guān)費(fèi)用可以按導(dǎo)彈武器系統(tǒng)總費(fèi)用的一定比例來(lái)概算[3]。
通過(guò)以上分析,結(jié)合對(duì)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)費(fèi)用敏感的幾個(gè)主要參數(shù)(殺傷空域、導(dǎo)彈質(zhì)量、飛行速度、戰(zhàn)斗部質(zhì)量、制導(dǎo)精度、目標(biāo)通道等),選取以下參數(shù)作為研究影響導(dǎo)彈單價(jià)的自變量:最大射程、發(fā)射質(zhì)量、最大飛行速度、戰(zhàn)斗部質(zhì)量以及制導(dǎo)誤差。
在較早的模型中,自變量多選用發(fā)射質(zhì)量、發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥、戰(zhàn)斗部質(zhì)量、最大射程等組合[4-5]。這是由于20世紀(jì)80年代以前的防空導(dǎo)彈多是第1代、第2代的產(chǎn)品,技術(shù)水平接近,例如:均采用指令制導(dǎo)、脈沖多普勒雷達(dá)。后來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了相控陣?yán)走_(dá),防空導(dǎo)彈可以打擊多目標(biāo)。于是出現(xiàn)了以最大射程和多目標(biāo)數(shù)作為自變量的組合。但是現(xiàn)今的導(dǎo)彈制導(dǎo)控制技術(shù)得到了大幅度的提升,TVM制導(dǎo)、主動(dòng)雷達(dá)末制導(dǎo)、光學(xué)制導(dǎo)和使用直接力控制使得制導(dǎo)精度越來(lái)越高,甚至具備了直接碰撞的能力。所以傳統(tǒng)的變量參數(shù)(如戰(zhàn)斗部質(zhì)量mz)已經(jīng)難以包含影響導(dǎo)彈費(fèi)用的全部主要因素;因此,本文引入了新的變量制導(dǎo)誤差ρ。另外,多目標(biāo)能力在全系統(tǒng)費(fèi)用的估算中將是關(guān)鍵因素之一,系統(tǒng)費(fèi)用建模時(shí)要予以關(guān)注[6]。
關(guān)于防空導(dǎo)彈的生產(chǎn)費(fèi)用單價(jià)和性能參數(shù),數(shù)據(jù)來(lái)源較多,數(shù)據(jù)的可信度較高,因此可采用參數(shù)法。具體而言,首先從已經(jīng)選出的有代表性的性能參數(shù)中確定對(duì)導(dǎo)彈費(fèi)用敏感的自變量,例如:最大射程R,發(fā)射質(zhì)量m,導(dǎo)彈最大飛行速度vm以及導(dǎo)彈制導(dǎo)誤差ρ。然后,收集整理類似其他項(xiàng)目的歷史數(shù)據(jù)。最后利用統(tǒng)計(jì)回歸分析技術(shù)建立起費(fèi)用與自變量間的關(guān)系。
假定導(dǎo)彈生產(chǎn)費(fèi)用單價(jià)y(Cmp)與各參數(shù)x1~4(R,m,vm,ρ)之間具有如下的線性函數(shù)關(guān)系:
y=b0+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4+e,
(1)
式中:e為服從獨(dú)立正態(tài)的隨機(jī)變量。
運(yùn)用多元線性回歸分析來(lái)確定式(1)中的待定參數(shù)b0,b1,b2,b3,b4。
可見(jiàn)對(duì)x1~4(R,m,vm,ρ)的n組不同取值(R1,m0,vm1,ρ1),(R2,m2,vm2,ρ2),…,(Rn,mn,vmn,ρn);有對(duì)應(yīng)的y(Cmp)的值Cmp1,Cmp2,…,Cmpn。
(2)
式中:X為自變量矩陣;Y為因變量;B為回歸系數(shù);E為隨機(jī)誤差,由式(1)得
Y=XB+BE,
(3)
(4)
變換得
(5)
假定(X′X)的逆矩陣(X′X)-1存在,則得到式(5)回歸問(wèn)題的最小二乘解為
(6)
建模用到的樣本數(shù)據(jù)真實(shí)有效性是取得良好統(tǒng)計(jì)結(jié)果的關(guān)鍵,參照文獻(xiàn)[7-11]等,查找分析幾個(gè)國(guó)內(nèi)外最新防空導(dǎo)彈型號(hào)的性能參數(shù)和費(fèi)用數(shù)據(jù),并參照美國(guó)國(guó)防部公布的陸軍緊縮指數(shù),對(duì)于不同時(shí)間價(jià)格水平進(jìn)行比較,整理列于表1中。
由表1中導(dǎo)彈主要性能技術(shù)參數(shù)作為自變量x1~4(R,m,vm,ρ),導(dǎo)彈生產(chǎn)費(fèi)用單價(jià)y(Cmp)作為因變量,進(jìn)行多元線性回歸分析,運(yùn)用Matlab運(yùn)算得:
表1 幾種防空導(dǎo)彈費(fèi)用數(shù)據(jù)
注:Cmp為折算的2010年數(shù)據(jù),單位人民幣萬(wàn)元
Y= (45.0,49.5,55.6,930.0,157.5,190.0,229.3,
192.5,264.0,316.0,250.0,430.0,690.0,885.0,
856.0,865.0,1 035.0,1 620.0,1 500.0)T.
(7)
將式(7)代入式(2),得
(8)
代入式(1),則得回歸費(fèi)用模型:
y= 61.940 2+6.362 1x1-0.126 8x2+
52.780 6x3-13.426 3x4.
(9)
首先利用表1樣本值和計(jì)算值對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證,由式(9)得出計(jì)算值和歷史數(shù)據(jù)值進(jìn)行比較可以看出,小型導(dǎo)彈的費(fèi)用估算偏差較大,最大到了279.02%,該模型已經(jīng)不能適用;該模型對(duì)大中型導(dǎo)彈的適用性略好。
這里,解決模型對(duì)小型導(dǎo)彈和中大型導(dǎo)彈擬合結(jié)果偏離的問(wèn)題,美國(guó)陸軍導(dǎo)彈系統(tǒng)全壽命費(fèi)用模型中對(duì)于研制費(fèi)用提供了3個(gè)CER解析式,其中第一個(gè)只能適用于便攜導(dǎo)彈的費(fèi)用估計(jì)[12-13]。這也得到一些提示,可以對(duì)小型和大中型導(dǎo)彈的費(fèi)用估計(jì)進(jìn)行分段處理。通過(guò)對(duì)導(dǎo)彈數(shù)據(jù)的分析,選用導(dǎo)彈發(fā)射質(zhì)量30 kg作為分段點(diǎn)。
先來(lái)看發(fā)射質(zhì)量大于30 kg的導(dǎo)彈費(fèi)用的估計(jì)。將表1中序號(hào)5~19導(dǎo)彈發(fā)射質(zhì)量大于30 kg的導(dǎo)彈主要性能技術(shù)參數(shù)作為自變量,進(jìn)行多元線性回歸,則得大中型導(dǎo)彈的回歸費(fèi)用模型:
y= 192.866 9+5.483 0x1+0.369 2x2+
61.753 7x3-27.243 9x4,m>30 kg.
(10)
同樣先利用樣本值和計(jì)算值對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證,由式(10)得出計(jì)算值,和樣本值對(duì)比看出,對(duì)于大中型導(dǎo)彈通過(guò)多元線性回歸得到的導(dǎo)彈生產(chǎn)單價(jià)的費(fèi)用估算模型并由此而得到的計(jì)算值和歷史數(shù)據(jù)(樣本值)吻合的較好,有一半的數(shù)據(jù)偏差在5%以內(nèi),最大的偏差僅為21%。
我們進(jìn)一步對(duì)模型的多元回歸進(jìn)行方差分析,分析結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 多元線性回歸的方差分析Table 2 Variance analysis of multivariatelinear regression
相關(guān)系數(shù)值為
R2=3 167 900/3 261 700=0.971 3.
(11)
調(diào)整相關(guān)系數(shù)值為
Ra2=1-9 376.3/(3 261 700/14)=0.959 8.
(12)
可見(jiàn)有超過(guò)95%的費(fèi)用發(fā)生是由選定的4個(gè)變量(R,m,vm,ρ)決定的。
Ra2和R2數(shù)值差別不大,沒(méi)有出現(xiàn)Ra2數(shù)值遠(yuǎn)小于R2的情況,說(shuō)明參數(shù)選擇數(shù)量合理。
查F分布表可得F4,10(0.01)=5.99<84.465 5(統(tǒng)計(jì)量F的值),同時(shí)檢驗(yàn)的概率P<0.01,所以,假設(shè)H0:b1=b2=b3=b4=0不成立,回歸方程通過(guò)了顯著性檢驗(yàn),即認(rèn)為所得的線性回歸方程有意義。
現(xiàn)在將幾種發(fā)射質(zhì)量小于30 kg的導(dǎo)彈生產(chǎn)單價(jià)和主要性能技術(shù)參數(shù)整理見(jiàn)表3。
從對(duì)表2中的數(shù)據(jù)分析可以看出,小型便攜導(dǎo)彈制導(dǎo)體制相近,制導(dǎo)精度相當(dāng),導(dǎo)彈生產(chǎn)單價(jià)和作戰(zhàn)空域、速度以及戰(zhàn)斗部質(zhì)量關(guān)聯(lián)不大,而和導(dǎo)彈的發(fā)射質(zhì)量關(guān)聯(lián)顯著,通過(guò)各種參數(shù)組合為自變量的回歸及方差分析也可以說(shuō)明這一點(diǎn)。
將表3中導(dǎo)彈發(fā)射質(zhì)量作為自變量,導(dǎo)彈生產(chǎn)單價(jià)作為因變量,進(jìn)行線性回歸,得小型導(dǎo)彈的回歸費(fèi)用模型:
y=-7.489 0+5.564 7x2,m≤30 kg.
(13)
同樣先利用樣本值和計(jì)算值對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證,由式(13)得出計(jì)算值,和樣本值對(duì)比看出,由導(dǎo)彈生產(chǎn)單價(jià)的費(fèi)用估算模型得到的計(jì)算值和歷史數(shù)據(jù)(樣本值)最大偏離13%,偏差不大。
進(jìn)一步對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析,見(jiàn)表4。
對(duì)α=0.05,查F分布表可得F1,6(0.05)=5.99。
因?yàn)镕>F1,6(α),同時(shí),p=0.026 2<0.05,線性回歸方程反映了導(dǎo)彈生產(chǎn)單價(jià)和導(dǎo)彈發(fā)射質(zhì)量的相關(guān)關(guān)系。
根據(jù)上面的計(jì)算和仿真,以導(dǎo)彈發(fā)射質(zhì)量30 kg為分界線建立分段函數(shù),建立起導(dǎo)彈的生產(chǎn)費(fèi)用單價(jià)y(Cmp)的線性模型。
(14)
式中:y(Cmp)為導(dǎo)彈的生產(chǎn)費(fèi)用單價(jià),萬(wàn)元(人民幣);x1(R)為導(dǎo)彈的發(fā)射質(zhì)量,kg;x2(m)為導(dǎo)彈的最大射程,km;x3(vm)為導(dǎo)彈飛行的最高M(jìn)a;x4(ρ)為導(dǎo)彈制導(dǎo)誤差,m。
表3 幾種小型防空導(dǎo)彈費(fèi)用數(shù)據(jù)Table 3 Cost data of several small air defense missiles
注:表中Cmp為折算的2010年數(shù)據(jù),單位人民幣萬(wàn)元。
表4 小型導(dǎo)彈多元線性回歸的方差分析Table 4 Variance analysis of multivariate linearregression for small missile
上節(jié)建立起了導(dǎo)彈的生產(chǎn)費(fèi)用單價(jià)與特性參數(shù)之間的線性函數(shù)關(guān)系。采用了對(duì)小型和大中型導(dǎo)彈的費(fèi)用估計(jì)進(jìn)行分段處理,取得了理想的結(jié)果。下面進(jìn)一步開(kāi)展非線性分析,建立非線性回歸模型,來(lái)探求比較形成最佳的解決方案[14]。
基本原理是非線性回歸最小二乘擬合[15]。利用Matlab非線性曲線擬合命令nlinfit函數(shù),進(jìn)行非線性函數(shù)的系數(shù)用最小二乘法估計(jì),該函數(shù)使用高斯—牛頓算法,調(diào)用格式為
beta=nlinfit(X,y,@myfun,beta0).
(15)
式中:y為因變量矢量;X為自變量組成的矩陣;beta0為包含系數(shù)初始值的矢量;@myfun參數(shù)為一函數(shù),具有以下的形式
yhat=myfun(beta,X),
(16)
式中:beta為系數(shù)矢量;X為自變量矩陣;@myfun為參數(shù)返回一個(gè)擬合y值的yhat矢量。
設(shè)定y(Cmp)與各參數(shù)x1~5(R,m,mz,vm,ρ)之間具有如下的函數(shù)關(guān)系:
y= beta1x1+beta2x2+beta3x3+beta4x4+beta5x5+
beta6x12+beta7x1x2+beta8x1x3+beta9x1x4+
beta10x1x5+beta11x22+beta12x2x3+beta13x2x4+
beta14x2x5+beta15x32+beta16x3x4+beta17x3x5+
beta18x42+beta19x4x5+beta20x52.
(17)
這里構(gòu)建的是含有平方項(xiàng)和交互項(xiàng)的二次函數(shù)表達(dá)式。
調(diào)用Matlab中nlinfit函數(shù)進(jìn)行估算,得到beta為系數(shù)矢量,beta(20)為極小值,且超出置信區(qū)間略去,即得到最終的多元二次非線性回歸的解析式:
y= -221.64x1-49.448x2+609.5x3+168.38x4-
144.07x5-0.1807 5x12-0.249 01x1x2+
0.816 3x1x3+72.346x1x4+3.574 5x1x5-
0.035 167x22-0.269 65x2x3+11.512x2x4+
4.598 9x2x5+10.215x32-192.42x3x4-
60.829x3x5-105.38x42+202.59x4x5,
(18)
式中:y(Cmp)為導(dǎo)彈的生產(chǎn)費(fèi)用單價(jià),萬(wàn)元(人民幣);x1(R)為導(dǎo)彈的發(fā)射質(zhì)量,kg;x2(m)為導(dǎo)彈的最大射程,km;x3(mz)為戰(zhàn)斗部的質(zhì)量,kg;x4(vm)為導(dǎo)彈飛行的最高M(jìn)a;x5(ρ)為導(dǎo)彈制導(dǎo)誤差,m。
對(duì)該模型進(jìn)行回歸檢驗(yàn),由命令函數(shù)[b,bint,r,rint,stats]=regress(y_result,x),得檢驗(yàn)回歸模型的統(tǒng)計(jì)量:
stats=(0.959 47,86.075,1.074 4e-9,12 430).
(19)
可見(jiàn),相關(guān)系數(shù)平方值R2=0.9594 7說(shuō)明回歸方程顯著模型擬合程度較高,F(xiàn)=86.075不超臨界,顯著性概率P=1.074 4e-9<0.05拒零假設(shè),模型有意義,均方根誤差RMSE=12 430。
采用式(18),利用表1中的導(dǎo)彈費(fèi)用數(shù)據(jù)擬合結(jié)果為
Y_result= (45,49.5,55.6,93,157.5,190,229.3,
192.5,264,316,250,430,690,885,
856,865,1 035,1 620,1 500).
(20)
將擬合值與樣本值進(jìn)行對(duì)比見(jiàn)圖1。
圖1 二次函數(shù)模型擬合值與樣本值對(duì)比圖Fig.1 Contrast diagram of fitting value and samplevalue of quadratic function model
本模型擬合精度高,用一個(gè)解析式較一致地表達(dá)了因變量和各參數(shù)的關(guān)系,而不需要采用分段表示。相對(duì)線性回歸模型,該模型具有更高的計(jì)算復(fù)雜性,適合使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。
為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化允許特定一點(diǎn)出現(xiàn)較大偏差(可視孤立樣本予以剔除)的條件下的擬合的函數(shù)。先看下每個(gè)參數(shù)對(duì)性能的影響,確定交互項(xiàng)和單一項(xiàng),然后遍歷所有指數(shù)的可能,獲得和原始數(shù)據(jù)的最小誤差。建立生產(chǎn)費(fèi)用單價(jià)的模型:
y= -71.589+8.692x1-727.39x4- 9.710 4x10.5x30.5+749.1x20.05x40.9,
(21)
式中:y(Cmp)為導(dǎo)彈的生產(chǎn)費(fèi)用單價(jià),萬(wàn)元(人民幣);x1(R)為導(dǎo)彈的發(fā)射質(zhì)量,kg;x2(m)為導(dǎo)彈的最大射程,km;x3(mz)為戰(zhàn)斗部的質(zhì)量,kg;x4(vm)為導(dǎo)彈飛行的最高M(jìn)a。
采用上式,利用表1中的導(dǎo)彈費(fèi)用數(shù)據(jù)擬合結(jié)果為
Y_result= (61.364,49.017,49.017,73.463,
183.54,193.23,189.77,206.49,228.13,
308.03,281.18,540.08,681.78,911.92,
895 718.29,1 040.4,1 613.6,1 499.2).
(22)
將擬合值與樣本值進(jìn)行對(duì)比如圖2所示。
圖2 非線性模型擬合值與樣本值對(duì)比圖Fig.2 Contrast diagram of fitting value andsample value of nonlinear model
對(duì)該模型進(jìn)行回歸檢驗(yàn),得檢驗(yàn)回歸模型的統(tǒng)計(jì)量
stats=(0.968 53,110.25,2.032 3e-10,9 557.2).
(23)
可見(jiàn),相關(guān)系數(shù)平方值R2=0.968 5說(shuō)明方程回歸顯著,顯著性概率P=2.032 3 e-10<0.05存在非零系數(shù),說(shuō)明擬合模型有效。
該模型式(21)和原數(shù)據(jù)總的誤差為540,平均每個(gè)點(diǎn)的誤差為28.4,最大點(diǎn)的誤差為150.5。
本模型相對(duì)二次函數(shù)模型式(18)大為簡(jiǎn)化,檢驗(yàn)有效,但是從圖2可知,整體擬合較好,個(gè)別點(diǎn)有一定的偏差(17%以內(nèi))。
采用線性回歸的方法建立導(dǎo)彈生產(chǎn)費(fèi)用模型式(14),由于選取的參數(shù)典型且與費(fèi)用相關(guān)大,建立的模型相對(duì)簡(jiǎn)單且精度高,易于計(jì)算,且物理意義明確,不足之處是要根據(jù)導(dǎo)彈的總質(zhì)量大小分兩段進(jìn)行擬合。非線性回歸二次函數(shù)建模、非線性建模都取得了很好的結(jié)果,避免了線性回歸模型分段的不足;但計(jì)算略復(fù)雜,適合計(jì)算機(jī)運(yùn)算。二次函數(shù)模型式(18)精度除質(zhì)量小、近程的個(gè)別裝備,整體精度較高,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,幾乎包含了各參數(shù)的平方項(xiàng)和交互項(xiàng);非線性模型式(21)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,精度較好,能用一個(gè)式子簡(jiǎn)明準(zhǔn)確地表達(dá)了所有防空導(dǎo)彈的生產(chǎn)費(fèi)用單價(jià)。本文建模選取的費(fèi)用變量雖然相關(guān)性較高,但在應(yīng)用中還應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際,考慮其他費(fèi)用變量的作用。