航天系統全壽命費用是指航天系統在預計的有效壽命內,在設計 、研製、生產、使用、維護 、後勤保障和退役等各個方面, 已經或將要承擔的直接和間接的 、經常性的、一次性的及其它有關的各種費用總和。這些費用主要包括採購費用 、使用保障費用和退役處置費用等。它是衡量航天系統總費用和經性濟的綜合指標。是航天系統從論證、研製、試驗、生產、採購、使用、維修、後 勤支援等 一系列費用的總和。
航天裝備體系由不同的航天裝備構成, 每一種裝備在體系中的地位和作用是不斷變化的 。在某一時期, 構成體系的主戰裝備可能隨時間的變化而被淘汰。航天裝備有它固有的全壽命周期,在全壽命期的各個階段所需的經費是變化的, 對體系效能的貢獻也是變化的。
研究航天系統全壽命費用主要研究裝備的全壽命周期內的費用及壽命周期各個階段的費用占有關係 、投資比例等因素 。從而使決策者在裝備發展的早期 ,就可以預測裝備發展中的費用問題 ,並提前解決及決策 。
基本介紹
- 中文名：航天系統全壽命費用
- 外文名：Space System Life Cycle Cost
- 又稱：航天裝備全壽命費用
全壽命階段劃分,構成要素,分配關係,訂貨費與研製費的比例關係,維修保障費,估算方法,降低費用方法,
全壽命階段劃分
航天裝備的全壽命期可以分為若干階段, 一般包括研製樣機、生產、服役、退役及報廢 4 個階段。在服役過程中, 隨著時間的增加,主要部件的老化 ,其性能會逐漸衰弱 ,這時可根據性能的改變而再細分為若干更小的階段。
對於同一批號的各個航天裝備而言, 設計定型產品首次投產後, 只有生產、服役、退役 3 個階段。但是在生產和服役之間 ,服役和退役之間可能都會出現一下重疊交叉 。
對於新型號裝備而言 ,在生產階段之前 ,還需要進行方案論證 、樣機試製等。全壽命期的階段劃分問題 ,不同的文獻有不同的提法,但大致可以分為 6 個階段 :方案探索、方案演示驗證、工程研製、生產與部署 、服役與保障、退役及報廢 。前 3個階段是研究和試製 ,第四、第五個階段是採購與使用維護。對於一件裝備而言, 生產與服役是截然分開的 ,但對於一類裝備而言,它可能是逐步生產並裝備部隊的,因而第四、第五階段之間可能有重疊交叉 。在每個階段都有一些明確的工作要完成,而每一個階段的端點, 都有階段審定點 ,有相應的管理部門按照規章制度進行檢查, 產生檔案,以便衡量這種裝備是否能繼續“生存”下去。
構成要素
系統全壽命期的不同階段 , 費用的構成是不同的。按照工作分解結構的思想和方法 ,將航天系統全壽命期各階段費用要素大致歸納如下 :
（1）裝備研製費用構成要素
裝備研製費用是指研製裝備的軟體和硬體所包括的各種費用 ,包含立項綜合論證、研製總要求論證 、工程研製 、定型等階段的費用 ,一般由成本、收益和獎金 3 部分構成。其中 , 成本包括直接用於研製航天裝備系統的費用, 以及對於項目研製過程中發生的科研管理 、不可預見費等間接性費用。直接費用包括論證與系統總體設計費 、任務分系統研製費、保障分系統研製費 、系統試驗和評定費 、資料 、場地費等 。間接費用可按照研製項目直接成本的一定比例計算 ,就大型裝備研製項目而言 ,間接費用與直接費用的比例約為 3∶7。科研管理費一般不超過直接費用的 15 %。不可預見費 ,應根據科研項目的大小 、研製周期的長短和技術難易程度等具體情況確定比例 。收益一般按成本乘以 5%計算 。獎金由雙方簽訂契約時具體約定 ,但並不是所有研製項目都有 。
（2）裝備採購費用構成要素
裝備採購費用是指裝備定型後進行生產的各項費用之和,包括:材料、元器件費用;生產設備及設施費用;動力、燃料費用;勞動力(工資及貼補)費用 ;外協費用 ;生產管理費用 ;試驗與鑑定費用;測試 、篩選費用 ;質量控制與檢驗費用;固定資產折舊費用 ;初始培訓費用 ;數據 、資料費用;初始備件費用;包裝及運輸費用;質量成本費用;生產開發費用(含管理 、工程 、設備費用)等 。
（3）裝備維修保障費用構成要素
航天裝備的維修保障費用是指該裝備使用階段在維修保障活動中所有費用之和, 由維修人員費用 、維修器材費用 、維修設備費用、運輸與搬運費用 、維修人員訓練費用、維修設施費用、維修技術資料費用以及維修活動中的其它費用等組成。
（4）裝備退役費用構成要素
裝備退役費是指裝備退役處理所需的各項費用,一般包括:拆除費用、處理費用 、回收利用費用(值可正、可負)、人員和保障設備費用 、運輸和搬運費用等 。
分配關係
航天裝備全壽命期各階段的費用 ,構成一定的比例關係,如 :美軍裝備採辦過程中, 裝備科研、購置和維修費的比例一般為 1∶3∶6。在型號研製階段 ,由於距離後續費用開支時間跨度大,因而可利用這一比例關係進行費用估算。
訂貨費與研製費的比例關係
其中：R 為生產定型批生產每件產品的價格 ;W為設計定型前研製總經費 ;a 為常數, 不同類型產品取值不同 , 一般取值範圍是 , 簡單產品為40～ 45,一般產品為 27～ 32,複雜產品為 8～ 12。
維修保障費
航天裝備維修保障費用在各個階段的分布,隨該裝備類型 、性能 、質量要求 、使用壽命期和維護方案的不同而不同。使用壽命期越長 ,使用保障費越高 。據國外統計, 使用壽命期為 15 ～ 20 年的典型武器系統, 其使用保障費約占全壽命費用的 50%～ 85%。20 世紀 90 年代以後的重要裝備,國外預計其使用壽命期將達 25 ～ 30 年 ,其使用保障費占全壽命費用的比例將更高。
估算方法
全壽命費用估算方法通常有專家預測法、工程估算法 、參數估算法及類比法,還有一種將遺傳算法和神經網路綜合使用的方法, 我們稱其為混合算法 。在進行費用估算時 ,可以同時使用幾種不同的方法 ,也可以在一種方法中部分地使用另一種估算方法。
（1）專家預測法
專家預測法 , 是一種目前國內航天裝備發展領域普遍採用的方法 。其基本思路是根據裝備發展需求分析 ,綜合考慮各領域專家對裝備發展的意見和建議 , 通過專家的定性 、定量分析, 得出裝備全壽命及各階段的費用值。該方法一般適用於具有較高技術創新的項目 ,在沒有充足的歷史數據或參考數據時 ,可以採用該方法。該方法適用於裝備發展初期, 適合於裝備全壽命期的各個階段。該方法也存在明顯的不足, 如預測精度帶有很強的主觀性和隨機不確定性等等 。
（2）工程估算法
該方法是按費用分解結構(cost breakdownstructure)從基本費用單元算起, 自下而上逐項將整個裝備系統在壽命周期內的所有費用單元累加得出全壽命費用估計值。用該方法估算時 ,當較低層次的費用單元尚無實際值時, 可以使用參數估算法、類比法或混合算法的估計值進行計算。
全壽命費用的通用數學表達式為：
式中：Cr 為全壽命費用 ;n 為計算費用的單元數;Ci 為第i 項費用單元的費用 。
該方法計算精度比較高, 一般適用於方案論證後期,特別是工程研製階段以後 :適用於詳細地估算裝備及各有關分系統的購置費;適用於估算各種保障設施的修建費用和保障設備的研製或購置費用 。但該方法要求詳細了解系統結構 、生產過程 、工作標準和編製程序等 ,是一種既冗長又麻煩的方法。
（3）參數估算法
該方法是根據同類裝備的歷史數據, 選取對費用敏感的若干主要物理與性能特徵參數(如重量、體積 、射程 、探測精度等), 運用回歸分析技術建立費用與參數的數學關係式來估算全壽命費用或某主要單元費用的估計值。參數費用關係式的估算精度主要取決於同類裝備的相似性 ,及所選影響費用的特徵參數 、關係式的形式及回歸分析的統計樣本數 。它適用於論證與研製早期 ,特別是僅有系統規範還沒有詳細研製規範的時候 。該方法不宜套用於一個全新的系統和新技術含量較高的系統 。
（4）類比估算法
類比法也稱為類推法和模擬法 ,是將新研裝備與已有準確費用數據和技術資料的現有相似裝備,在技術、使用與保障方面進行比較, 分析 2 者差異對費用的影響 , 利用經驗判斷找出新裝備相對於現有相似裝備的費用修正方法, 修正相似裝備歷史的實際數據, 以補償技術、工藝、使用與保障、裝備數量及進度等的影響 ,估計出待估的新研裝備的費用估計值。進行比較分析用的現有裝備稱為基準比較系統。對於簡單裝備的基準比較系統可以是一種裝備 , 而複雜裝備的基準比較系統往往是由取自多個裝備的相似分系統的組合體。它主要適用於裝備的研製階段 ,特別是在方案論證階段 ,用於制定各項費用指標和確定各備選設計方案及保障方案費用;適用於估算裝備壽命周期費用 ;也適用於估算裝備各費用單元的費用或各有關分系統的費用 。該方法在使用時需具有必要的專門知識及專家的參與。
（5）混合算法
基於上述 3 種估算方法的局限性 ,並從隨機不確定性綜合最佳化的角度考慮, 我們提出了一種用BP 神經網路和遺傳算法(GA)相結合的方法,即混合算法。該方法主要解決了“參數法”在小樣本空間下求解精度的問題 ,同時也增加了綜合最佳化方法估算費用的精度。
套用混合算法進行航天裝備的費用分析估算時,先對航天裝備系統進行分析,確定對航天裝備系統費用有重要影響的費用因素。以這些費用因素作為輸入層的輸入 , 以期望費用作為輸出層的輸出來構造 BP 網路 ;然後以費用誤差函式 (網路能量函式 )的倒數作為 GA 的適應度函式對費用網路的初始權值分布進行最佳化, 確定出最佳化的權值分布空間;最後由 BP 在已定的空間內對費用網路作進一步最佳化, 得到期望的費用輸出結果。這種基於 GA 的遺傳進化和基於 BP 的梯度下降反向傳播訓練相結合的費用分析, 就是費用神經網路的混合訓練。
用混合算法進行武器裝備費用估算分析的典型步驟如下:
(1)對航天裝備系統進行分析 ,選取影響費用的關鍵因素指標;
(2)構建費用神經網路 , 進行費用標準化處理;
(3)計算模式誤差 E , 確定 GA 的適應度函式;
(4)用 GA 對神經網路的費用權值分布進行最佳化 ;
(5)用 BP 算法對神經網路進行學習訓練 ,直至滿足條件為止。
混合算法流程如圖 1 所示 。
降低費用方法
航天系統的有效性用效費比（效費比=航天系統效能/全壽命費用）來表示，降 低全 壽 命 費 用 可 以 提 高 效 費 比,或者說,用 同 樣的 費 用,可 以 獲 得更高的效能。
降低全壽命費用工作是一項複雜的系統工程。橫向涉及研製、生產、使用各方面，縱向涉及航天系統壽命剖面各個階段，受各種條件制約。根據以往的經驗，通過研製階段對航天系統的設計與測試，可以決定該航天系統的約90%-95%的全壽命費用。因此，降低全壽命費用應主要從研製階段採取措施。
（1）樹立全壽命費用觀點，全面論證研製、採購、使用費用。
（2）適當減少測試次數，降低研製費用。
（3）提高可靠性和維修性，降低使用費用。
