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

　　士兵是軍隊的最小組成單位，也是部隊戰(zhàn)斗力輸出的最基本的單元。在未來高技術(shù)戰(zhàn)爭中，盡管各種高技術(shù)武器平臺、先進的軍用技術(shù)裝備異軍突起，但是單兵仍然在戰(zhàn)爭中起著至關(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的需求，它們的實用性以及經(jīng)濟性等等都會直接對我們的裝備發(fā)展計劃造成影響，盲目的追求先進技術(shù)和超前效應(yīng)有時會適得其反。所以，必須對可能的能源技術(shù)進行分析選擇。

　　1 數(shù)據(jù)包絡(luò)法簡介

　　數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(Data EnvelopmentAnalysis)簡稱DEA，是運籌學、管理科學和數(shù)理經(jīng)濟學交叉研究的一個新的領(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)學規(guī)劃模型評價具有多個輸入和多個輸出的單位(稱為決策單元，簡記為DMU)間的相對有效性(稱為DEA有效)。

　　由于DEA確定的各指標的權(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)重為變量進行評價。DEA方法不必確定輸入-輸出的顯式表達關(guān)系，就可以得出每個決策單元綜合效率的數(shù)量指標，據(jù)此確定有效的決策單元，并對有效的決策單元進行原因分析，從而進一步調(diào)整決策單元投入規(guī)模的正方向和程。DEA法對分散的評價指標進行綜合分析處理，從全局整體角度利用數(shù)據(jù)，從而避免了分析指標處理的片面性。

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

　　2 單兵電源技術(shù)選擇DEA模型的建立

　　DEA的第一個模型是1978年由Charnes等人給出的。假設(shè)有j個決策單元(DecisionMakingUnits，簡記DMU)。每個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對第i種輸入輸入量，yrk=DMU-j對第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對應(yīng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)分別為x0=xj0，y0=yj0，1≤k0≤j。評價DMU-k0的相對有效性的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)化為等價的線性規(guī)劃

　　h的輸出值既為能源技術(shù)的相對有效性系數(shù)。

　　3 評價指標的選取

　　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)，會造成巨大的浪費。隨意選取的評價指標既要體現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化性、通用可比性、實用性、可測性等原則，又要反映單兵電源技術(shù)評價的特點。

　　3.1 輸入指標

　　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前以及不遠的未來的單兵電源的技術(shù)面貌，在此僅從一個宏觀的視角來考慮單兵電源技術(shù)研究的熱點問題作為單兵電源技術(shù)的輸入指標。通過對相關(guān)研究部門及應(yīng)用部門的調(diào)研，將如下指標作為單兵電源選擇的輸入指標：

　　(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影響到士兵的機動能力，對士兵的隱蔽性也會有很大的影響。

　　(4)外形(x4)。指單兵電源的形狀，也包括質(zhì)量的分布。單兵電源的外形會影響到單兵攜帶時的舒適度，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(x5)。主要是指單兵電源的聲、震、熱等外部特征。外部信號的大小直接關(guān)系到隱蔽性，對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，否則會對單兵電源的推廣使用帶來困難。

　　(8)安全性(x8)。是指單兵電源在使用或者運輸時的安全性能。許多電源材料是含有很多的不穩(wěn)定金屬的，在使用活運輸?shù)倪^程中會有爆炸的可能，也有一些發(fā)電設(shè)備的排放物或者揮發(fā)物是有毒的，這些都會對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。單兵電源終將會大量的裝配給部隊，成本是必須考慮的因素。

　　3.2 輸出指標

　　根據(jù)單兵裝備應(yīng)用的特點，將單兵電源使用后帶來的影響作為輸出。單兵電源的使用所帶來的影響主要有兩個方面：對士兵的影響和對系統(tǒng)的影響。對人的影響包括士兵機動能力y1士兵生存能力y2。對系統(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 指標的度量

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

　　4 實例計算分析

　　目前單兵裝備還在不斷的發(fā)展之中，功能不斷的增強，能耗也會隨之發(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，必須針對不同時期不同能源技術(shù)的特征，對可用的能源技術(shù)進行選擇，找出相應(yīng)時期最適合單兵系統(tǒng)使用的能源技術(shù)?？紤]到裝備研發(fā)到應(yīng)用的周期，以及各種能源技術(shù)發(fā)展狀況，本文將按照近期(3～5年)、中期(5～10年)和遠期(10～15年)三個時間段對各種能源技術(shù)的性能進行分析。

　　本文以一次電池DMU1，二次電池DMU2，燃料電池DMU3，，超微型然燒機DMU4微型燃氣輪機DMU5，電化學電容器DMU6，人力發(fā)電DMU7，太陽能發(fā)電DMU8，核能同位素DMU9溈分析對象。每種技術(shù)在不同時期的輸入指標如表格1、2、3所示。

　　不同時期的輸出指標情況見表格4。

　　本文采用模型(2)，利用MATLAB軟件對各技術(shù)相對有效性進行計算，計算結(jié)果如表5所示。

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

　　(1)近期。一次電池相對有效性最高，說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)用也僅限于部隊靜止期間的應(yīng)用以及邊防和海島執(zhí)勤站點。電化學電容由于容量太小，單獨作為單兵電源也是不實際的。其他如超微型燃燒機、微型燃氣輪機、核能發(fā)電技術(shù)的便攜式版本在近期尚無法成型，不做考慮。

　　(2)中期。各種技術(shù)都會有相當大的進步，可選的能源技術(shù)大大增多。超微型燃燒機和微型燃氣輪機技術(shù)不斷成熟，將會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)，但是相對有效性相對于微型燃氣輪機和超微型燃燒機稍差。燃料電池技術(shù)將會基本解決體積問題，相對有效性會有較大提高，但是相對于電池仍然沒有優(yōu)勢。電化學電容器、人力發(fā)電、太陽能發(fā)電單獨作為單兵電源應(yīng)用的可能微乎其微。

　　(3)遠期。通過技術(shù)的進步，在遠期，燃料電池和超微型然燒機以及微型燃氣輪機性能都會有很大的提高，對于單兵應(yīng)用的有效性有了很大提高，將會成為單兵電源的首選。核能電池也會進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，單獨作為單兵電源的有效性相對于燃料電池稍差。一次電池和二次電池的相對有效性會出于技術(shù)選擇的第五、六位，極有可能會被其他能源技術(shù)取代。電化學電容器、人力發(fā)電、太陽能電池作為單獨的單兵電源使用可能仍然相對較小。

　　縱觀所考慮的三個時期，可以發(fā)現(xiàn)，電池的作為單兵電源的地位將會被逐漸取代，這與電池性能發(fā)展減緩的事實是相符合的；燃料電池，微型然燒機、微型燃氣輪機將會隨著技術(shù)的進步逐漸成為單兵電源的最佳選擇；核能電池的問世也會使單兵系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的時間得到大幅擴展；受其技術(shù)特點的影響，太陽能發(fā)電始終很難單獨最為單兵電源使用。

　　5 結(jié)論

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