未來(lái)單兵電源技術(shù)的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(DEA)法選擇

　　士兵是軍隊(duì)的最小組成單位，也是部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力輸出的最基本的單元。在未來(lái)高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)中，盡管各種高技術(shù)武器平臺(tái)、先進(jìn)的軍用技術(shù)裝備異軍突起，但是單兵仍然在戰(zhàn)爭(zhēng)中起著至關(guān)重要的作用。作為一切裝備的必須，電源裝備的各種性能對(duì)單兵系統(tǒng)整體性能的發(fā)揮有著決定性的影響。 

　　目前可能用于單兵的能源技術(shù)很多，但是并不是每一種技術(shù)都能完全滿足我們部隊(duì)的需求，它們的實(shí)用性以及經(jīng)濟(jì)性等等都會(huì)直接對(duì)我們的裝備發(fā)展計(jì)劃造成影響，盲目的追求先進(jìn)技術(shù)和超前效應(yīng)有時(shí)會(huì)適得其反。所以，必須對(duì)可能的能源技術(shù)進(jìn)行分析選擇。

　　1 數(shù)據(jù)包絡(luò)法簡(jiǎn)介

　　數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(Data EnvelopmentAnalysis)簡(jiǎn)稱DEA，是運(yùn)籌學(xué)、管理科學(xué)和數(shù)理經(jīng)濟(jì)學(xué)交叉研究的一個(gè)新的領(lǐng)域。它是由Charnes和Cooper等人于1978年開始創(chuàng)建的。DEA是使用數(shù)學(xué)規(guī)劃模型評(píng)價(jià)具有多個(gè)輸入和多個(gè)輸出的單位(稱為決策單元，簡(jiǎn)記為DMU)間的相對(duì)有效性(稱為DEA有效)。

　　由于DEA確定的各指標(biāo)的權(quán)重不是優(yōu)先意義下的權(quán)重，而是從最利于決策單元的角度以各決策單元輸入輸出的權(quán)重為變量進(jìn)行評(píng)價(jià)。DEA方法不必確定輸入-輸出的顯式表達(dá)關(guān)系，就可以得出每個(gè)決策單元綜合效率的數(shù)量指標(biāo)，據(jù)此確定有效的決策單元，并對(duì)有效的決策單元進(jìn)行原因分析，從而進(jìn)一步調(diào)整決策單元投入規(guī)模的正方向和程。DEA法對(duì)分散的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析處理，從全局整體角度利用數(shù)據(jù)，從而避免了分析指標(biāo)處理的片面性。

　　數(shù)據(jù)包絡(luò)分析是一個(gè)帶有反饋性質(zhì)的封閉過(guò)程，其分析過(guò)程如圖1所示。

　　2 單兵電源技術(shù)選擇DEA模型的建立

　　DEA的第一個(gè)模型是1978年由Charnes等人給出的。假設(shè)有j個(gè)決策單元(DecisionMakingUnits，簡(jiǎn)記DMU)。每個(gè)DMU都有m種輸入和s種輸出，其輸入和輸出向量為xk=(x1k，x2k，…，xmk)T，yk=(y1k，y2k，…，ysk)T。xik=DMU-k對(duì)第i種輸入輸入量，yrk=DMU-j對(duì)第r種輸出的產(chǎn)出量(k=1，2，…，j；i=1，2，…，m；r=1，2，…，s)。為了方便，記DMU-k0對(duì)應(yīng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)分別為x0=xj0，y0=yj0，1≤k0≤j。評(píng)價(jià)DMU-k0的相對(duì)有效性的DEA模型(C2R)為：

　　其中V=(v1，v2，…，vm)T，u=(u1，u2，…，us)T分別為m種輸入和s種輸出的權(quán)系數(shù)，利用1962年Charnes和Cooper對(duì)于分式規(guī)劃的Charnes-Cooper變換

　　可將分式形式的模型(C2R)化為等價(jià)的線性規(guī)劃

　　h的輸出值既為能源技術(shù)的相對(duì)有效性系數(shù)。

　　3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

　　由于技術(shù)研究的投入具有不可逆性，不正確的選取合適的技術(shù)，會(huì)造成巨大的浪費(fèi)。隨意選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)既要體現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化性、通用可比性、實(shí)用性、可測(cè)性等原則，又要反映單兵電源技術(shù)評(píng)價(jià)的特點(diǎn)。

　　3.1 輸入指標(biāo)

　　單兵電源技術(shù)紛繁復(fù)雜，并且在不斷的發(fā)展之中。為了能夠盡可能的反映當(dāng)前以及不遠(yuǎn)的未來(lái)的單兵電源的技術(shù)面貌，在此僅從一個(gè)宏觀的視角來(lái)考慮單兵電源技術(shù)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題作為單兵電源技術(shù)的輸入指標(biāo)。通過(guò)對(duì)相關(guān)研究部門及應(yīng)用部門的調(diào)研，將如下指標(biāo)作為單兵電源選擇的輸入指標(biāo)：

　　(1)能量密度(x1)。是指單位體積或者質(zhì)量下能夠提供的能量。

　　(2)功率(x2)。指能源技術(shù)在合理的體積或者質(zhì)量下所能夠提供的功率。

　　(3)體積(x3)。指單兵電源所要占用的空間。單兵裝備的體積直接會(huì)影響到士兵的機(jī)動(dòng)能力，對(duì)士兵的隱蔽性也會(huì)有很大的影響。

　　(4)外形(x4)。指單兵電源的形狀，也包括質(zhì)量的分布。單兵電源的外形會(huì)影響到單兵攜帶時(shí)的舒適度，合理的外形和質(zhì)量分布可以有效的減輕士兵的疲勞感。

　　(5)外部信號(hào)(x5)。主要是指單兵電源的聲、震、熱等外部特征。外部信號(hào)的大小直接關(guān)系到隱蔽性，對(duì)士兵的生存性能有很大的影響。

　　(6)耐毀性(x6)。指單兵電源適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境以及抵御外界沖擊的能力。單兵電源所面臨的環(huán)境是極其復(fù)雜的，在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下受到攻擊也不是不可能的。良好的耐毀性能夠保證單兵電源在受到外界沖擊之后還能夠有效的工作。

　　(7)操作程序(x7)。指單兵電源的安裝、拆卸以及保養(yǎng)維修等程序。單兵電源的操作程序不應(yīng)該很復(fù)雜，否則會(huì)對(duì)單兵電源的推廣使用帶來(lái)困難。

　　(8)安全性(x8)。是指單兵電源在使用或者運(yùn)輸時(shí)的安全性能。許多電源材料是含有很多的不穩(wěn)定金屬的，在使用活運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)有爆炸的可能，也有一些發(fā)電設(shè)備的排放物或者揮發(fā)物是有毒的，這些都會(huì)對(duì)人員的安全造成一定的威脅。

　　(9)成本(x9)。主要指單兵電源的研發(fā)成本和材料成本。單兵電源終將會(huì)大量的裝配給部隊(duì)，成本是必須考慮的因素。

　　3.2 輸出指標(biāo)

　　根據(jù)單兵裝備應(yīng)用的特點(diǎn)，將單兵電源使用后帶來(lái)的影響作為輸出。單兵電源的使用所帶來(lái)的影響主要有兩個(gè)方面：對(duì)士兵的影響和對(duì)系統(tǒng)的影響。對(duì)人的影響包括士兵機(jī)動(dòng)能力y1士兵生存能力y2。對(duì)系統(tǒng)的影響包括系統(tǒng)生存能力y3，系統(tǒng)適應(yīng)能力y4。

　　3.3 指標(biāo)的度量

　　對(duì)指標(biāo)的度量采取線性插值法和專家打分法結(jié)合的方法。對(duì)于一些能夠得到直觀數(shù)字的性能指標(biāo)，采取線性插值法，例如能量密度、功率等，對(duì)于一些不能直接用數(shù)字表達(dá)的指標(biāo)，采取專家打分法，將指標(biāo)數(shù)字化。

　　4 實(shí)例計(jì)算分析

　　目前單兵裝備還在不斷的發(fā)展之中，功能不斷的增強(qiáng)，能耗也會(huì)隨之發(fā)生變化。所以，為了確保單兵電源的發(fā)展應(yīng)用滿足單兵系統(tǒng)的使用要求，必須針對(duì)不同時(shí)期不同能源技術(shù)的特征，對(duì)可用的能源技術(shù)進(jìn)行選擇，找出相應(yīng)時(shí)期最適合單兵系統(tǒng)使用的能源技術(shù)。考慮到裝備研發(fā)到應(yīng)用的周期，以及各種能源技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，本文將按照近期(3～5年)、中期(5～10年)和遠(yuǎn)期(10～15年)三個(gè)時(shí)間段對(duì)各種能源技術(shù)的性能進(jìn)行分析。

　　本文以一次電池DMU1，二次電池DMU2，燃料電池DMU3，，超微型然燒機(jī)DMU4微型燃?xì)廨啓C(jī)DMU5，電化學(xué)電容器DMU6，人力發(fā)電DMU7，太陽(yáng)能發(fā)電DMU8，核能同位素DMU9溈分析對(duì)象。每種技術(shù)在不同時(shí)期的輸入指標(biāo)如表格1、2、3所示。

　　不同時(shí)期的輸出指標(biāo)情況見表格4。

　　本文采用模型(2)，利用MATLAB軟件對(duì)各技術(shù)相對(duì)有效性進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

　　由計(jì)算結(jié)果可以清楚的看出不同時(shí)期，單兵電源所應(yīng)采用的能源技術(shù)。

　　(1)近期。一次電池相對(duì)有效性最高，說(shuō)明在近期使用一次電池作為單兵電源最合適。二次電池由于容量有限，相對(duì)有效性次之。目前的人力發(fā)電設(shè)備質(zhì)量大，并且持續(xù)供電能力有限，相對(duì)有效性較二次電池稍差。但是人力發(fā)電是作為最低化電源保障的最佳選擇。小型燃料電池技術(shù)尚不完善，在單兵的應(yīng)用中基本不可行，太陽(yáng)能發(fā)電受其發(fā)電方式和材料易損的影響，近期在軍事中的應(yīng)用也僅限于部隊(duì)靜止期間的應(yīng)用以及邊防和海島執(zhí)勤站點(diǎn)。電化學(xué)電容由于容量太小，單獨(dú)作為單兵電源也是不實(shí)際的。其他如超微型燃燒機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、核能發(fā)電技術(shù)的便攜式版本在近期尚無(wú)法成型，不做考慮。

　　(2)中期。各種技術(shù)都會(huì)有相當(dāng)大的進(jìn)步，可選的能源技術(shù)大大增多。超微型燃燒機(jī)和微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)不斷成熟，將會(huì)成為單兵電源的首選。一次和二次電池仍在單兵電源的可選技術(shù)范圍之內(nèi)，但是相對(duì)有效性相對(duì)于微型燃?xì)廨啓C(jī)和超微型燃燒機(jī)稍差。燃料電池技術(shù)將會(huì)基本解決體積問(wèn)題，相對(duì)有效性會(huì)有較大提高，但是相對(duì)于電池仍然沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。電化學(xué)電容器、人力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電單獨(dú)作為單兵電源應(yīng)用的可能微乎其微。

　　(3)遠(yuǎn)期。通過(guò)技術(shù)的進(jìn)步，在遠(yuǎn)期，燃料電池和超微型然燒機(jī)以及微型燃?xì)廨啓C(jī)性能都會(huì)有很大的提高，對(duì)于單兵應(yīng)用的有效性有了很大提高，將會(huì)成為單兵電源的首選。核能電池也會(huì)進(jìn)入單兵電源選擇的范圍，但是核能電池所能提供的功率有限，單獨(dú)作為單兵電源的有效性相對(duì)于燃料電池稍差。一次電池和二次電池的相對(duì)有效性會(huì)出于技術(shù)選擇的第五、六位，極有可能會(huì)被其他能源技術(shù)取代。電化學(xué)電容器、人力發(fā)電、太陽(yáng)能電池作為單獨(dú)的單兵電源使用可能仍然相對(duì)較小。

　　縱觀所考慮的三個(gè)時(shí)期，可以發(fā)現(xiàn)，電池的作為單兵電源的地位將會(huì)被逐漸取代，這與電池性能發(fā)展減緩的事實(shí)是相符合的；燃料電池，微型然燒機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)將會(huì)隨著技術(shù)的進(jìn)步逐漸成為單兵電源的最佳選擇；核能電池的問(wèn)世也會(huì)使單兵系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間得到大幅擴(kuò)展；受其技術(shù)特點(diǎn)的影響，太陽(yáng)能發(fā)電始終很難單獨(dú)最為單兵電源使用。

　　5 結(jié)論

　　本文采用DEA法對(duì)不同能源技術(shù)在單兵中應(yīng)用的相對(duì)有效性進(jìn)行了計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以清楚的看到不同時(shí)期單兵電源應(yīng)該采用的能源技術(shù)，對(duì)單兵電源的發(fā)展具有積極的推進(jìn)作用。