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硕士学位论文 专业学位研究生 题目 某飞机寿命周期费用估算与分析研究 作者 吴宏亮 领 域 工业工程 指 导 教 师 梁工谦梁工谦梁工谦梁工谦 申请学位日期 2008 年 6 月 10699 F407 5 公开 02612G459 摘要摘要摘要摘要 现代飞机随着性能的提高 不仅研制经费 采购成本成倍增加 使用成本也以 惊人的速度增长 费用已成为飞机最重要的参数之一 在飞机的寿命周期中 经 费管理贯穿于始终 研究如何快速 准确地估算出飞机型号的费用 进行飞机寿 命周期费用分析 有着重要的现实意义 本文结合某飞机寿命周期费用分析的具体案例 研究和探索飞机寿命周期费用 分析的方法 提炼总结飞机费用估算的基本思路和方法 提出影响费用的各种因 素 研究飞机寿命周期费用之间的相互关系 本文的主要工作包括 1 分析介绍飞机研制经费估算的基本方法 整理建立了飞机研制工作分解结 构 为今后研制经费估算奠定了基础 2 介绍国外的计算方法 估算某飞机的采购成本和使用成本 研究分析影响 飞机价格和使用成本的因素 3 分析某飞机寿命周期费用各组成部分的比例和相互关系 提出不同的单机 成本概念 初步分析其经济承受性 提出费用管理控制的建议 关键词 飞机 工作分解结构 费用估算 寿命周期费用分析 单机成本 1 ABSTRACT Nowadays the capabilities of aircrafts are being improved continuously Connected with it not only the RDTE Research Development Test and Evaluation cost and the acquisition cost are being increased in multiple but the operation cost are also being raised with a tremendous rate Consequently the costs of aircrafts have become one of the most crucial parameters of aircrafts evaluating Due to the cost management is performed throughout the aircraft lifecycle to study how to estimate the cost of a certain aircraft rapidly and accurately has become more significant In this thesis associated with the example of estimating the LCC Life Cycle Cost of a certain aircraft the methods of aircraft LCCA Life Cycle Cost Analysis are studied the factors which affect the cost are supplied and the essential ideas and methods of LCC estimating are summarized The main points of the work are stated as follows 1 The fundamental methods of LCC estimating are introduced and analyzed The WBS Work Breakdown Structure of aircraft is established Basing on these the result of estimating for the RDTE cost of aircraft will become more exactly 2 The foreign models which are made use of estimating LCC and are prevailing in the western countries are introduced Then the acquisition and operation cost of a certain aircraft are estimated by that ways And the factors which affect the price and operation cost are analyzed 3 The proportions and the correlations of each part of a certain aircraft s LCC are analyzed As a result the concepts of unit cost are offered in different and its economic endurance is analyzed elementarily as well as many suggestions of costs management are brought out Keywords aircraft WBS work breakdown structure cost estimating LCCA Life Cycle Cost Analysis unit cost 2 目录 摘要 0 ABSTRACT 1 1 绪论 4 1 1 问题的提出 4 1 2 研究现状 4 1 3 本文的主要内容 5 2 飞机寿命周期费用概述 7 2 1 飞机寿命周期费用 7 2 2 寿命周期费用分析 9 2 3 寿命周期费用的特点与规律 10 2 4 寿命周期费用控制方法 12 2 5 主要估算方法 13 3 飞机机体研制费估算 17 3 1 参数法估算 17 3 2 工程法估算 29 3 3 某飞机研制经费分析 35 4 采购成本估算 37 4 1 采购成本估算模型 37 4 2 某飞机采购成本估算 41 4 3 影响价格的因素 41 5 使用成本估算 43 5 1 估算模型 43 5 2 某飞机使用成本估算 48 5 3 影响使用成本的因素 49 6 某飞机寿命周期费用分析 50 6 1 某飞机寿命周期费用 50 6 2 单机成本 51 6 3 某飞机经济承受性分析 52 6 4 某飞机寿命周期费用管理与控制 54 3 7 结论与展望 56 7 1 结论 56 7 2 研究展望 57 致谢 58 参考文献 59 附录 61 4 1 绪论 众所周知 费用与性能和进度一样 是决定飞机研制与生产成败的一个主要 因素 成功的飞机项目应该给项目的各利益相关者都带来效益 本文围绕某飞机 实例 研究飞机寿命周期费用估算与分析 1 1 问题的提出 现代飞机研制是一项复杂的大系统工程 是现代高技术的集中体现 其研制 周期长 不确定因素多 技术 费用风险大 特别是随着飞机性能的提高 新技 术的采用和受物价上涨等因素的影响 飞机的研制费 单机价格大幅上涨 再加 上大比例的使用保障费用 出现了 买不起 用不起 甚至 研制不起 的现象 费用问题已经成为制约飞机研制生产和使用的关键因素之一 注重飞机的经济可承受性 以寿命周期费用的观点研究投入的经济性已成为 各方面的共识 国外航空发展史上 从飞机作为一种使用工具进行研制或生产以 来 就事先对飞机的研制与生产费用进行估计 1964 年美国发布了 3200 9 号指令 要求空 海 陆军所有的武器系统研制 都必须进行综合权衡研究 以找出武器 系统的总费用 研制进度 作战性能之间的最佳平衡点 我国十分重视装备的经济性 1987 年国务院 中央军委就发布施行了 国防 科研试制费拨款管理暂行办法 为了减少投资风险 提高型号决策的科学性 要 求在飞机研制中不断进行性能 进度 经费三座标论证和管理 费用分析是费用控制的前提 也是进行不同方案对比的依据 费用估算是费 用分析的主要内容 在飞机研制的不同阶段 特别在缺乏详细的设计和制造信息 的论证阶段 都要求经济论证人员能快速 相对准确地估算出型号的费用 成本 并进行经济性分析 供决策者抉择 费用估算和分析 需要详细的历史资料和先 进 可靠的预测工具作为基础 1 2 研究现状 寿命周期费用 LCC Life Cycle Cost 是指在预期的装备寿命周期内 为了装备 的论证 研制 生产 使用 维护和保障所需的直接 间接 重复性 一次性和 其他费用之和 1 研究寿命周期费用的每一构成要素在总费用中所占的比例 分析影响寿命周 期费用的各种因素 并运用一定方法和手段对寿命周期费用作出估算 是寿命周 5 期费用分析的基础 寿命周期费用分析的基础是飞机研制阶段中的一项重要内容 能对飞机的经济性进行预测 为飞机的寿命周期费用控制提供指南 自 20 世纪 60 年代起国外就开始对军用飞机寿命周期费用进行研究 取得了 大量的研究成果和实际效益 目前已处于成熟阶段并仍在不断的发展完善之中 国外对军机的全寿命费用的研究 从最初的按重量费用估算法或从类似系统的经 验推断法等简单方法 发展到采用处理变量间相关关系的回归分析法 已取得了 不少成果 美国兰德公司 RAND 1967 年就提出第一种模型 DAPCA Development And Procurement Cost of Aircraft 随后在 1971 年建立 DAPCA 1976 年又建立 DAPCA 2 3 八十年代末期以来 国内陆续有一些飞机寿命周期费用研究的文章发表 航 空工业部科学技术情报研究所研究人员 开始翻译美国有关飞机费用估算的文献 并基于文献进行了探索性的研究 有关刊物上陆续发表了相关的研究论文 4 11 这 是我国飞机寿命周期费用估算研究工作的开始 进入 90 年代以来 飞机研制和生 产费用的估算模型研究有了一定的发展 原航空工业总公司组织 原 603 所牵头 完成 飞机设计手册 22 分册 技术经济 的编写 12 空军工程学院张恒喜教授等 开展了飞机寿命周期费用的研究 13 14 从总体上看 我国对于飞机寿命周期费用的研究起步较晚 虽也有不少的研 究成果 但离全面的工程化尚有一定的距离 同时 我国飞机型号研制与生产记 录下来的费用数据不仅残缺不全 而且其内涵也不够精确 再加上各种飞机技术 水平和复杂程度不等及其他许多因素 过去的数据要作为今后飞机型号研制费用 的依据 显然是不够准确的 费用估算要进行大量的数据处理 是一件耗资 费 时 费力的事 我们由于历史上经济体制及管理体制的原因 飞机项目费用估算 分析面临的困难更大 1 3 本文的主要内容 结合本人实际工作 本文主要进行了某飞机寿命周期费用的估算与分析 根 据从上节的研究成果中提炼总结出的飞机费用分析的基本思路和方法 本文主要 整理研究飞机研制工作分解结构 分析找出影响采购成本和使用成本的因素 研 究某飞机寿命周期费用的每一构成要素在总费用中所占的比例及其相互关系 进 行经济承受性分析 提出费用管理控制的建议 本文的思路和框架如下 6 图 1 1 思路和框架 飞机 LCC 基本理论 研制经费估算 参数法 RAND 模型 成本估算模型等 工程法 WBS CBS 采购成本估算 成本估算模型 国内模型 单机价格 使用成本估算 成本估算模型 每飞行小时费用 研制经费修正分析 影响价格因素 影响使用成本因素 某飞机 LCC 分析 单机成本 经济承受性 LCC 控制 结论 7 2 飞机寿命周期费用概述 本章介绍了飞机寿命周期费用的定义和其特点 概念性的介绍了费用估算和 控制的几种方法 2 1 飞机寿命周期费用 2 1 1 飞机项目寿命周期 飞机项目的寿命周期是指一种型号项目从需求调查 项目可行性论证 方案 论证 工程研制 生产制造 使用和产品支援以及到寿命后的报废处置整个从项 目产生到终结的全过程 12 飞机项目按任务性质分阶段实施 分阶段管理 以现代化管理的系统工程方 法全过程统筹 以保证决策的正确和风险最低 一般划分为 7 个阶段 阶段 1 可行性论证阶段 这一阶段的主要任务是战术指标 总体方案论证及研制经费 保障条件 研 制周期的预测 以采购方为主进行使用要求和战术技术要求的论证 以承制方为 主进行技术经济可行性论证 完成任务要求评审 确定战术技术指标要求 阶段 2 方案阶段 研制方案论证 验证 采购方进一步完善战术技术要求的论证 承制方的任 务是在方案优选的基础上确定总体研制方案并制定与总体研制方案有关的文件 完成飞机总体研制方案报告 形成研制总要求和研制任务书 阶段 3 工程研制阶段 设计 试制与鉴定试验 承制方进行技术设计 并在采购方参与下完成样机 审查工作 通过技术设计评审后 冻结系统技术状态 阶段 4 设计定型阶段 设计定型试验与设计定型 该阶段完成详细设计 试制和试验 试飞和设计 定型 由航定委按 军工产品定型工作条例 的规定组织并主持型号的设计定型 审查 完成新机设计定型鉴定 阶段 5 生产阶段 包括试生产和批量生产 根据生产用设计文件和图样试生产 并完成生产定型 根据已经批准的飞机 8 性能 采购方对生产数量和进度的要求及需要改进的内容 承制方与采购方签订 飞机生产合同 按合同内容拨款和组织生产与验收 飞机生产阶段可分小批量生 产和生产定型 成批生产 阶段 6 使用和保障 采购方陆续购买的飞机投入使用 承制方提供产品支援服务 综合后勤保障 同时收集产品的各种信息 信息反馈 阶段 7 处置 当飞机使用达到技术寿命或经济寿命时 标志飞机已到达使用寿命 这时应 终止使用 对飞机进行处置 拆卸或存贮等 处置即指产品到寿命后的拆卸 贮 存 回收利用等处理 2 1 2 寿命周期费用 寿命周期费用 LCC 的概念最初是由美国国防部于 20 世纪 60 年代初提出 的 开展寿命周期费用研究的主要目的是揭示寿命周期费用发生 发展的规律 并采取有效的方法对其进行控制 自 1960 年起 美国国防部就委托其后勤管理研究所进行寿命周期费用研究 美军经过多年的努力 到目前为止 已经建立起了一系列比较完整的规范并在大 量装备发展的实际中得到应用 取得了显著军事与经济效益 美国国防部对寿命周期费用的定义为 系统的寿命周期费用 是政府为了设 置和获得系统以及系统一生所消耗的总费用 其中包括开发 设置 使用 后勤 支援和报废等费用 美国预算局对寿命周期费用的定义是 寿命周期费用是大型系统在预定有 效期内发生的直接 间接 重复性 一次性及其它有关的费用 它是设计 开发 制造 使用 维修 支援等过程中发生的费用 和预算中所列入的必须发生的费 用等的总费用 GJB1346 92 装备费用 效能分析 中指出 寿命周期费用是指在预期的装 备寿命周期内 为了装备的论证 研制 生产 使用 维护和保障所需的直接 间接 重复性 一次性和其他费用之和 不论费用来至何种渠道 一切有关费用 均应包括在内 一个飞机项目的寿命周期费用可分解成 4 部分 1 论证 研制 试验和鉴定费用 CRDTE 阶段 1 阶段 4 发生的费用之和 也 称为非重复性费用 NRC Non Recurring Cost 通常与最终生产多少架飞机无关 9 民机则需在生产阶段分摊回收 2 采购成本 CACQ 也称为重复性费用 RC Recurring Cost 该费用包括了制 造成本 CMAN和飞机制造商的利润 CPR0 阶段 5 发生的费用 即 CACQ CMAN CPRO 3 使用成本 COPS 该费用包括了用户在使用期间发生的费用 4 处置费用 CDISP 该费用发生在飞机退役的报废处置过程中 所占经费比例 很小 一般忽略不计 5 这样 飞机的寿命周期费用 LCC 为 LCC CRDTE CACQ COPS CDISP 2 2 寿命周期费用分析 2 2 1 寿命周期费用分析定义 美国布兰查德教授对 LCC 分析的定义 寿命周期费用分析 是一种系统的 分析方法 用于选择和确定装备等有限资源的最佳费用 并为此而对各种方案作 出必要的评价 具体地说 是用于对装备的设计定型 生产计划 后勤保障方 针等方面可供选择的方案进行评价 以寿命周期费用的效果大小为标准 逐步进 行分析 使提出的方案或问题获得费用效果最佳解答的一种方法 在这个定义中 对 LCC 分析作了全面阐述 理解定义应该把握如下几点 13 LCC 分析方法是一种系统分析方法 必须用系统的观点来看待和应用它 LCC 分析的主要内容是针对可供选择的各种方案进行评价 评价方案的标准是寿命周期费用效果的大小 LCC 分析的目的是要得到费用效果最佳的解答 日本寿命周期费用委员会关于 LCC 分析所下的定义为 为了使用所用的系 统 装备 具有经济的寿命周期费用 在系统 装备 的开发研制阶段将寿命周 期费用作为设计参数 并对系统 装备 认证工作进行彻底分析比较时作出决策 的一种方法 研究寿命周期费用的每一构成要素在总费用中所占的比例 分析影响寿命周 期费用的各种因素 并运用一定方法和手段对寿命周期费用作出估算 是寿命周 期费用分析的基础 寿命周期费用分析的主要目的是进行寿命周期费用统筹 为 决策提供依据 10 2 2 2 寿命周期费用分析程序 通用化的寿命周期费用分析程序是闭环系统 其过程是反复进行的 能对寿 命周期费用起控制和调节作用 分析程序略述如下 13 1 任务分析 这是进行 LCC 分析的第一步 即首先要把 LCC 分析的任务 要求弄清楚 以 便界定 LCC 分析工作的范围 2 收集数据 由于所需数据范围很广 既有费用数据 又有性能 可靠性 维修性 保障 性等方面的数据 这是一项艰难的工作 它可占到 LCC 分析工作量的 90 左右 3 建立假设 建立有效的假设对 LCC 分析是很重要的 因为假设对于使抽象的 LCC 问题更 接近于现实是很有用的 假设应由相应领域的专家作出 典型的假设包括 采购量 研制架数 熟练曲线指数 使用要求 维修保障 计划 系统寿命 通货膨胀率等 4 LCC 估算 进行 LCC 估算时 首先要根据当前所处的阶段 正确选择 LCC 估算模型 然 后估算 5 进行综合权衡分析 2 3 寿命周期费用的特点与规律 在进行寿命费用分析之前 有必要先对飞机寿命周期费用的特点和规律有足 够认识 只有这样 才能在费用分析中抓住工作重点 对寿命周期费用进行有效 的分析与预测 飞机寿命周期费用主要特点和规律有 13 1 帕莱托曲线 研究发现飞机寿命周期各阶段活动 对寿命周期费用影响是不一样的 帕莱 托曲线很好地反映了这种规律 说明了寿命周期内的决策活动对寿命周期费用的 影响 方案探索阶段考虑若干备选的方案或方法 这个阶段对决定系统未来的费用 至关重要 一般可决定寿命周期费用的 70 论证和验证阶段是关键阶段 它将 检查系统设计满足任务要求的能力 通过分析或样机设计来对方案探索阶段中挑 选出来的方案进行描述以验证系统的设计的能力 可用性和可信性 确定出进一 步研制的最佳方案 本阶段费用开支仅占系统寿命周期费用的 3 左右 但这一阶 11 段的决策却在很大程度上决定后续阶段的费用 至此 系统 85 寿命周期费用已 经确定 到全面研制阶段结束时 决策活动已决定了 95 的寿命周期费用 生产 与部署阶段结束时 99 的寿命周期费用已经确定 图 2 1 帕莱托曲线 由于设计阶段对系统全寿命周期费用的极端重要性 F A 22 战斗机从 1986 年 开始设计时 在方案论证中 40 的工作量用于保障性的权衡分析 航空电子系统 实现综合化和模块化 可靠性大大提高 实现两级维修 大大减少地面保障设备 其 F 119 发动机比 F 15 的 F 100 发动机的零件减少 40 所需工具减少 60 这 些措施取得了明显成效 与 F 15 相比 F 22 可靠性可望提高一倍 维修工时减少 70 飞机出动率提高一倍 2 使用保障费用是主要构成成分 从飞机寿命周期费用分析可知 在飞机寿命周期费用中 使用保障费用是其 主要构成成分 根据这一特点 飞机寿命周期费用分析必须重点加强对使用保障 费用的分析 3 飞机寿命周期费用随性能提高大幅上涨 随着飞机性能的提高 飞机寿命周期费用大幅上涨 随着航空武器装备作战 效能的大幅提高 不仅研制费 生产成本成倍增长 使用保障费也以惊人的速度 增长 仅以美制战斗机的研制费为例 F 4A 为 2 46 亿 而 F 15A 为 18 261 亿 F A 22 为 227 亿 1995 年美元值 分别增长 7 42 倍和 92 28 倍 F 4A F 15A F 22 它们的寿命周期费用比更达到 1 3 77 6 74 我国装备随着飞机性能的提高 价格大幅增加 由此 减缓了飞机更新换代 12 的速度 制约了最佳装备规模的形成 另外 飞机的使用保障费也居高不下 根 据统计分析 部分飞机使用保障费用占到寿命周期费用的 50 70 每飞行小时 费用比原有飞机高 5 6 倍 2 4 寿命周期费用控制方法 2 4 1 定费用设计 美国防部于 1975 年 5 月 23 日发布的指令 DoDD5000 28 明确规定 空 海 陆军的所有主要武器系统的新型号 都必须贯彻定费用设计的要求 该指令中强 调了定费用设计的目标 平均出厂价 全寿命费用 LCC 等 其目的是把费用作为 如技术要求和进度要求同等重要的设计参数来确定 因而 要把费用与飞机性能 研制进度等综合平衡 定费用设计是把飞机效费比高或降低全寿命费用作为设计目标而进行的飞机 设计 它将飞机成本看作是与飞机性能 尺寸 重量 可靠性 维护性一样的设 计参数 就是说 使飞机的性能和费用都要达到既定的指标 因此 定费用设计 是把经济指标 研制费 飞机单价 使用成本等 作为重要的设计参数的一种设计原 则和设计思想 12 2 4 2 费用作为独立变量 美军在 1996 年提出 费用作为独立变量 以下简称 CAIV Cost As An Independent Variable 的思想 并将其作为 21 世纪武器装备的采办战略 CAIV 自 提出以来经过多次修改 目前的定义为 用于采办和使用各种经济上可承受的国 防系统的方法 包括设定积极的 可以实现的费用目标 以及为实现这些目标而 开展的管理工作 如在性能与进度之间进行权衡 CAIV 的提法中最重要的组成 部分是 独立变量 它反映了 CAIV 最重要的两个需求 一是将费用作为输入而 不是输出 二是强化费用和性能之间的权衡 美军在装备费用控制方面下了很大功夫 但目前仍是一项 艰巨 的任务 F 22 费用控制不好 一方面是估算不准确 另一方面是需求不断变化 进度拖延 等原因造成的 在 F A 18E F F 35 的研制过程中 采用了 CAIV 的思想 把经济 性承受性放在首位 起到了较好的效果 当前研制飞机 在技术创新的同时 必须适应市场经济和装备发展的需要 借鉴美军 CAIV 思想 在费用管理方面进行创新 一是要将费用作为指标论证提 出 使其成为设计的输入和依据 二是在研制阶段开展寿命周期费用设计与分析 传统管理程序与采用 CAIV 的管理程序的对比如下 13 图 2 2 CAIV 与传统管理程序对比 2 5 主要估算方法 最常用的飞机费用估算方法有三类 类比法 参数估算法和工程估算法 12 2 5 1 类比估算法 类比法是建立在与过去类似的工程项目进行比较 并根据经验加上修正而得 出费用估计 如果新项目的功能 结构和性能与某个项目相类似 则可利用类似 项目的费用数据 并考虑到新 旧两个项目在配置上和时间上的差异给予相应的 修正 得到新项目所需的费用 类比方法有两种 一种是将正在研制的系统直接与具有同样特征的类似系统 进行比较 并估算其费用 例如用已知的某民用飞机的研制费用来估算要研制的 同座级 性能的民用飞机的研制费用 考虑到两个项目的难度系数 包括设计 制造工艺 材料选择 相对的经济基准等综合因素 对新项目的研制费予以估算 另一种是将正在研制的系统与具有相同费用特征的不同系统进行比较 并估算其 费用 类比法的应用 应考虑以下条件或环境 新 旧两个项目的研制时间要充分考虑所处的不同经济环境 新 旧两个项目与技术 性能方面的类似程度 可由专家组给予充分评估 14 给出新 旧两个项目的可比因子 旧项目所发生费用的历史背景 主要是要考虑 一些特殊情况 如是否合作研制 研制周期要求等 旧项目发生费用的历史数据的收集与分析 还应该考虑技术进步的影响 总之应对两个项目都要有较深层次的了解 类 比法除非用于旧机改进改型项目估算较为准确外 一般应用在项目的研制初期 是一种粗略的辅助性方法 2 5 2 参数估算法 参数估算法是利用汇集起来的用于具有类似用途的飞机的大量现有费用数 据 只采用少量的特征参数 如重量 速度等 回归出的一组费用 特征量关系式 参数估算法是较为方便的一种描述飞机经济特性的方法 其优点是计算直观 方便 工作量小 能按决策要求 迅速提交项目的经济参数 其缺点是准确度不 如工程估算法高 一般能达到实际的 70 左右 一个飞机项目从开始概念设计到 最后的退役 经过研制阶段 制造阶段 交付使用阶段等 对其在每一个阶段所发 生的经济活动都要按类别记录 经过多个项目的积累 才能回归出参数模型 在美国有好几种参数模型可用于费用分析 空军 海军 陆军 NASA 飞机 公司都有自己的模型进行费用估算 使用最广泛的是兰德模型 很难有一个参数模型适于所有型号 座级 的飞机 军机和民机各有适于其应用 的参数模型 军机按用途分为战斗机 攻击机和轰炸机等 民机按座级 航程分 为中 远程运输机和支线运输机等 按历史成本数据回归出的参数模型是基于某 类 飞机的 应用时 首先弄清型号的归类 然后再选用适当的参数模型进行 估算 参数模型法估算费用 是按费用的分类分别估算 一般地 并不直接给出得 到费用的参数模型 而是给出诸如设计工程小时数 工装制造工时数 生产单架 飞机的平均工时数等 然后将其乘以相应的小时费用率得到估算的费用 该估算 的费用并不是现项目将要发生的费用 因为参数模型是基于某年的经济条件 为 了得到较为客观的反映现时的费用 应该利用物价上涨指数 Escalation Factor 换算 成现时的费用 参数估算法主要应用于项目的初期阶段 在多种方案比较时 能及时地为选 型提供决策依据 2 5 3 工程估算法 工程估算法是三类方法中较为接近实际的一种方法 利用工作分解结构 WBS 自下而上地进行费用估算 利用工程估算法必须先建立该项目的工作分解结构 15 逐步计算出单元费用数据 逐级向上归集 最终估算出整个项目的总费用 该方 法的特点是估算准确度高 易于对项目进行分工操作 但缺点是工作量大 需要 积累大量各种费用的数据库支持 需要各工作岗位上有经验的人员配合共同商定 而且周期长 工程估算法是一种较为细致精确的估算方法 在应用中有一定的约束条件 应用时必须具备 工程项目已发展到一定的阶段 工程项目的工作分解结构已分级到一定的层次 具有相关专业的经验丰富的工作人员组成的工作小组 具备了从以前项目发展中积累的有可比性的费用数据 工程估算法模型的关 键是建立适于该工程项目的工作分解结构 在一定的工作分解结构层次上 利用 以前积累的数据库和相关专业人员的经验 按统一的标准和费用因子来估算工作 单元成本 费用因子和其成本标准是根据有可比性项目的统计数据经过调整后确 定下来的 一旦费用因子和标准确定 则可根据工作单元的工作量估算工作单元 费用 逐级统计 得到总费用 2 5 4 估算方法的选择 对于一个工程项目 对其估算时要考虑以下几方面 工程项目所处的发展阶段 产品的结构或性能指标 同类项目或产品的费用数据 对工程项目和产品的了解深度 选定的经济基准 一般在研制初期常用参数费用估算法和类比估算法 随着工程系统的进展 有关硬件和软件数据越来越多 就可用工程费用估算法估算费用 类比估算法一 般用来校验其它方法估算的结果 估算方法选择如下表 16 表 2 1 飞机费用估算方法选择 项目 论证阶段 方案阶段 工程研制阶 段 设计定型阶 段 生产阶段 参数法 P P S NA NA 类比法 S S S NA NA 工程法 NA S P P P 注 a P 表示该阶段采用的主要方法 b S 表示该阶段采用的次要方法 c NA 表示通常不采用的方法 17 3 飞机机体研制费估算 本章分析介绍了参数估算法的兰德模型 成本估算模型和部分国内模型 整理 建立了飞机研制的工作分解结构 成本章节和费用分解结构 应用这些方法对某飞机 的机体研制费用进行估算并修正 3 1 参数法估算 费用估算问题在美国很早以来就受到了重视 著名的有兰德公司的 DAPCA 系 列模型 格鲁门公司的 MLCCM 模型 寿命周期费用模型 沃森诺亚奇联合公司 的 FR 103 USN 模型 计划研究公司的 PRC 系列模型等 都在实践中得到了成功 应用 我国在建立自己的飞机费用估算的参数模型上 也做了不少工作 表 3 1 列出国外的几种常见的参数模型 12 表 3 1 费用参数模型 序号 研究者 年 份 模型名称 作用及说明 1 PLAN 1965 PRC547 1 一种用于费效比研究的技术 RESERCH 2 适用于对研制和生产阶段的费用 进行估算 COMPANY 1967 PRC547 A 2 RAND 公司 1967 DAPCA 1 适用于各种类型的费用 1971 DAPCA 2 既可估算研制费又可估算生产费 用 1976 DAPCA 3 DAPCA 区分战斗机 轰炸机 和运输机 1987 DAPCA 3 J 沃森 诺亚奇联 合公司 1973 FR 103 USN 1 受海军作战部长委托 审查飞机 的研制和生产费用 2 包括 35 种各类型美国空海军飞机 选用四种说明性变量 18 序号 研究者 年 份 模型名称 作用及说明 4 格 鲁门宇 航公 司 1976 MLCCM 模 型 1 可分别估算机体 发动机或电子 设备的研制生产或使用保障费用 1980 寿命费用模 式 并可区别飞机类型 2 包括 16 种飞机 采用了 5 个说明 性变量 5 LARGE 1977 LARGE模 型 1 适用于战斗机的费用 2 一种采用 77 种战斗机 另一种采 用 31 种各类型飞机 6 美 国空军 技术 学院小查尔斯 1982 LSSR 1 对 MLCCM 的发展 等 56 82 模型 2 其样本包括战斗机 攻击机 货 运机各六种 采用 5 个说明性变量和 两个人工变量 7 IDA 1984 IDA 模型 1 基于 26 种各类型的飞机 四个说 明性变量 2 可评价研制费用和生产费用 3 采用对数线性回归技术 8 美JOSEPH W STAHH 等人 1985 战术性格斗 飞机费用估 1 包括美苏军机几十种 分固定翼 和旋翼 估算关系模 2 估算 RDT Wampr 飞机的 AMPR 重量 飞机的 AMPR 重量也由下式估计 Wampr invlog 0 1936 0 8645 logWTO 式中 WTO起飞重量 c 试制和试验费用 Cdstr 这一费用通常包括风洞试验 系统试验 例如 铁鸟试验等 结构试验 强度 24 疲劳和材料试验 推进系统试验 发展支持试验等工作 上面提到的这些工作的所用费用之和称之为 Cdstr 可按下式估算 Cdstr 0 008325 Wampt 0 873 Vmax 1 89 Nrdte 0 346 CEF Fdiff 式中 CEF 物价上涨指数 d 飞行试验机的成本 Cftar 飞行试验飞机的成本可按下式计算 Cftar C e a r Cmanr Cnatr Ctoolr Cqcr 式中 C e a r 从供应商购买的发动机和航空电子设备的费用 Cmanr 制造人工费用 Cnatr 制造材料费用 Ctoolr 工装费用 Cqcr 质量控制费用 e 飞行试验费用 Cftor 飞行试验费用包括设计验证试飞 适航验证试飞 局部试飞以及与飞行试验 有关的模拟费用 以上项目总费用按下式估算 Cftor 0 001244 Wampt 1 160 Vman 1 571 Nndte Nst 1 281 CEF Fdiff Fdiff Fobs 式中 Fobs 取决于降低可见性程度的因子 f 试验和模拟设施费用 Ctsfr 在飞机研制过程中 需要建造必需的专用试验设备 将飞机控制软件和实际飞 机控制硬件结合在一起 进行许多软件验证试验 这一费用可用下式估算 Ctsfr Ftsf Crdte 式中 Ftsf 0 不需要额外设施 Ftsf 0 20 需额外设施 2 某飞机机体研制费估算 a 输入参数 AMPR 重量 Wampr 磅 最大速度 Vmax 节 RDTE 阶段飞机架数 Nrdte 每架机发动机台数 Ne 静力试验架数 Nst 项目难度因子 Fdiff 中等偏上程度先进 25 技术 CAD 能力因子 Fcad 有 CAD 经验 单台发动机成本 Cer 每架机航空电 子设备成本 Cavi 材料使用因子 Fmat 试验和模拟设施因子 Ftsf 需试验模拟设施 利润因子 Fpror 工程人工费用率 Rer 美元 小时 费用增长因子 CEF 相对 1970 年 制造人工费用率 Rmr 美元 小时 工装人工费用率 Rtr 美元 小时 DTE 阶段 每月生产率 Nrr 架 月 b 估算结果 RDTE 费用为 42 7 亿美元 3 1 3 国内模型介绍 1 国内理论模型 航空论证所建立了国内各种军民用飞机研制数据库 该数据库采用 1956 1985 年航空工业档案资料以及 28 个飞机 发动机厂所 38 个型号近万个历史数 据 在选择好费用要素和解释变量后 选用库中数据进行回归分析 初步建立了 军机研制费估算的理论模型 17 a 飞机研制工作量估计 YA4 K1 Va1 Wa2 式中 YA4 飞机生产图 A4 数 V 飞机最佳飞行高度的最大平飞速度 km h W 飞机空重 kg K1 a1 a2 回归系数 b 飞机的设计费用 C N1 YA4 式中 C 飞机的设计费 单位万元 N1 单位 A4 图纸的设计费用率 c 飞机研制材料费 C 单机 K2 Vb1 Wb22Tb3 式中 C 单机 单机研制材料费 单位万元 T 季度数 以 1961 年 1 季度为基点 1 每增 1 年增加 4 K2 b1 b2 b3 为回归系数 26 d 研制工时 T 单机 K3 Vc1 Wc2 式中 T 单机 单机研制工时 单位万工时 K3 c1 c2 回归系数 e 工装工时 T 工装工时 K4 Vd1 Wd2 式中 T 单机 飞机研制的工装工时 单位万工时 K4 d1 d2 回归系数 f 试飞费 C 试飞费 K5 N 式中 C 试飞费 试飞总费用 N 试飞起落数 K5 每次起落的试飞费 飞机研制的总费用应包括上述的设计费 材料费 工时费 工装费和试飞费 等 还包括外购外协 不可预见费和管理费等项 在建立国内军机数据库的基础 上 采用回归的方法 便可得到上述公式中的有关系数 国内军用飞机研制种类 有限 因而选取的样本点少 回归后可能不太典型 有关这些问题 有待于我们 进一步的积累资料 做进一步的研究 2 偏最小二乘回归模型 偏最小二乘回归方法是一种新型的小样本多元统计数据分析方法 它最先产 生于化学领域 在利用分光镜来预测化学样本的组成时 作为解释变量的红外区 反射光谱的波长常有几百个 往往超过化学样本的个数 所造成的多重相关性使 得人们很难利用传统的最小二乘法 基于这个应用的需要 S Wold 和 C Albano 等 人于 1983 年首次提出了偏最小二乘回归方法并首先在化工领域得到了广泛的应 用 偏最小二乘回归的一个突出特点是它将多元线性回归分析 变量的主成分分 析和变量间的典型相关分析有机地结合起来 在一个算法下 同时实现了回归建 模 数据结构简化和两组变量间的相关分析 给多元数据分析带来了极大的便利 使得它在处理样本容量小 说明性变量多 变量间存在严重多重相关性问题方面 具有普通多元回归所无法比拟的一系列优点 27 飞机作为一种极其复杂的工程系统 其研制 生产 维护的费用驱动因子也 十分复杂 偏最小二乘回归分析可以在初步筛选说明性变量的基础上 包含尽可 能多的说明性变量 通过主成分提取和典型成分相关关系分析有效消除变量间的 多重相关性 对各说明性变量的重要度进行估计以排除噪声干扰 充分利用各说 明性变量所提供的信息 和普通的多元回归模型相比 由于模型中含有更多的说 明性变量且在解释作用上作了合理分配 偏最小二乘回归模型一般具有很好的稳 定性 较小的拟合误差 预测的精度和适用范围也有较大的提高 a 国产飞机机体研制模型 表征飞机机体性能的特征参数很多 其中大多与费用有程度不同的联系 有 研究取以下 9 个特征参数进行分析 13 记 C 机体研制费用 万元 W 机体空重 kg V 最大平飞速度 km h H 实用升限 m R 作战半径 km L 起飞滑跑距离 m Vy 爬升率 m s Ng 最大过载 Wg 外挂质量 kg T 机体首翻期 h 这些参数体现了目前国产飞机最主要的性能特征 另外 研究表明 研制周 期 N 虽然不是表征性能特征的参数 却是研制费用的重要驱动因子 它在一定 程度上体现了装备的技术先进性和复杂性 也应将其纳入自变量之中 原始数据 如下表 表 3 2 飞机机机体研制原始数据 A B C D E F G H I J K N y 5 7 7 7 6 7 10 9 9 14 18 W kg 28 A B C D E F G H I J K V km CACQ CRDTE 其采购成本是研制费的5 9倍 使用成本 是采购成本的3 6倍 对一个飞机项目来说 概念性及初步设计阶段对项目寿命周期费用起着决定作 51 用 对寿命周期费用的杠杆影响仅发生在概念和初步设计阶段 这些事实可描述为冰山效果 飞机项目的管理者就象一位其船正驶向冰山的船 长 在降低研制经费CRDTE方面对他有许多压力 如果他屈服于压力 事实上势必 增加了LCC 为减少项目的寿命周期费用LCC 而进行较多的RDTE工作 对用户 以及整个社会来说均是一笔可观的节约 有目的地增加研制经费CRDTE成本以降低 LCC需要勇气和才智 在飞机初步设计过程中 要做出许多个设计决策 这些决策对于飞机的全寿命 成本 LCC 具有明显的影响作用 飞机设计者们必须对这些影响有所了解 才能 保证其设计是 合算的 15 应将全寿命费用低作为基本出发点 正确划分研制 生产和使用三大阶段的费 用成本控制比例 由于研制 生产和使用费用的相关性 特别是设计研制对后两个 阶段费用以至全寿命费用的决定性影响 因而 确定设计研制阶段的费用指标具有 关键性意义 显然 这个指标不是越低越好 在某些情况下 为确保全寿命费用较 低 将设计研制费用指标适当提高可能较为适宜 当然它应当建立在科学合理 正 确估算的基础之上 研制阶段费用指标一经确定 就需严格地加以控制 层层分解 落实到每个具体的费用项目上 6 2 单机成本 确定飞机单机成本 有下列不同的定义概念 1 制造单机成本 Cmuc Cman Nm 2 购置单机成本 Cauc Cacq Nm 3 全项目单机成本 Cpuc Cacq Crtde Nm 4 寿命周期单机成本 Clcuc LCC Nm 购置单机成本对应于军机的估算价格 全项目单机成本定义对应于民机的估 算价格 飞机设计人员应记住这个事实 即只有寿命周期单机成本反映的实际单 机成本对经费投入来说是全面的 52 6 3 某飞机经济承受性分析 1 经济承受性 为有效控制装备的寿命周期费用 美军提出装备研制中必须确保装备的经济 承受性 在早期就采用寿命周期费用或全部拥有费用对方案进行优选评价 并在 研制过程中持续进行分析与评价工作 我国新颁布的国军标GJB451A 2005 装备可靠性维修性保障性术语 已引入 了经济承受性的定义 即 用户在产品的寿命周期内 能够承担产品研制 采购 使用和保障费用的能力 它是在产品设计中考虑使用和保障费用与研制和制造费 用的权衡结果 军方已经提出在满足作战使用要求的基础上充分考虑装备的经济承受性 尽 最大可能提高有限装备经费的使用效益 充当精明的买主 要求在装备建设中 主动权衡并控制装备各阶段的费用 摆脱对巨额装备寿命周期费用被动接受的局 面 实现装备建设费用由 干了再算 到 算了再干 的转变 2 国家经济发展制约分析 图6 2 十一五期间我国经济增长情况 经过改革开放以来二十多年的快速发展 我国经济取得了令世人瞩目的成就 十五期间 经济高速增长 2005年 GDP总值182321亿元 比上年增长9 9 十一五规划中 中央确定的经济增长速度为每年7 5 国务院发展研究中心 的研究表明 十二五 十三五的经济增长率约为7 按此条件 根据GDP预测 模型 到2020年 我国GDP总值将达到53万亿元人民币左右 按2020年币值 53 计算约为84万亿元 由于我国21世纪前20年是战略机遇期 装备建设与国家经济建设必须良性 互动 协调发展 3 经济承受性分析 根据国家经济发展水平 装备经费制约等方面 对某飞机的经济承受性提出 要求 对国家经济发展水平进行预测 根据历史经验 分析未来可能的装备经费 限制后 对研制经费 单机价格 每飞行小时使用成本做出初步要求 根据某飞机研制生产工作和进度 数量等边界条件 综合采用国内外类比 参数法 工程法 测算需要的研制费 可能的单机价格和每飞行小时使用成本 综合需求与可能 确定某飞机的研制经费 单机价格和使用保障费 见下表 将费用目标作为研制输入 表6 2某飞机经济承受性要求 项目 可能值 需求值 目标值 门限值 研制经费 单机价格 每飞行小时使用成本 寿命周期单机成本 3 某飞机经济承受性管理的建议 a 对某飞机费用问题进行长期跟踪滚动研究 如何控制装备的寿命周期费用是世界各国在装备建设中遇到的难题 需要军 方和工业部门共同努力才能完成 经济承受性目标需要持续不断的控制才有可能 实现 建议对研制经费的投资强度 单机价格分配 使用保障费用进行细化论证 同时 对各系统 设备可能的价格上涨 使用保障费用的增长进行预测分析 制 定成本 使用保障费用削减计划 建立起长期跟踪滚动研究机制 及时对研制方 案 制造过程对经济承受性目标实现的影响进行分析 研究制定纠正措施 确保 价格目标 每飞行小时费用指标的实现 b 建立起研制风险共担机制 某飞机项目周期长 不确定因素多 项目投资具有一定风险 建议研制中建 立起风险共担机制 预留风险基金应对各种意外情况 跟踪评估某飞机性能 费 用 进度要求的实现情况 对达到或优于要求的给予奖励 54 6 4 某飞机寿命周期费用管理与控制 1 寿命周期费用控制的重要性 a 帕莱托曲线 据统计 产品方案设计阶段的决策实际上就确定了未来全寿命费用的70 当生产开始时 全寿命期费用的95 就已经确定了 生产与部署阶段结束时 99 的寿命周期费用已经确定 b 飞机寿命周期费用随性能提高大幅上涨 随着飞机性能的提高 飞机寿命周期费用大幅上涨 随着航空武器装备作战 效能的大幅提高 不仅