裝備經濟壽命的一般規律研究

吳詩輝，　劉曉東，　郭亞坤，　楊閩湘

(1. 空軍工程大學 裝備管理與安全工程學院， 陜西 西安 710051；　2. 95876部隊)

裝備經濟壽命的一般規律研究

吳詩輝1，劉曉東1，郭亞坤2，楊閩湘1

(1. 空軍工程大學 裝備管理與安全工程學院， 陜西 西安 710051；2. 95876部隊)

摘要為研究裝備經濟壽命的變化規律，需要對裝備經濟壽命進行解析求解。經典的經濟壽命模型未給出解析解，而是采取列表試算法，難以對經濟壽命的影響因素進行分析。通過引入Lambert W函數，將裝備經濟壽命表示成影響因素的顯式方程；在此基礎上，分析了各影響因素對經濟壽命的影響規律，歸納出提高經濟壽命的方法。同時，為實現經濟效益最大化，提出了最佳使用維修費增長率的概念，并給出了解析公式計算最佳使用維修費增長率的取值區間。算例驗證表明，分析結論正確。

關鍵詞經濟壽命；Lambert W函數；解析解；影響規律

裝備經濟壽命是從經濟角度看裝備最合理的使用期限。對于軍事裝備，與生產設備不同，談不上經營的經濟效益，用年費用法求其經濟壽命更加適宜。因此，在研究經濟上合理的使用期限(即經濟壽命)時，就是找出裝備年平均費用最低的年份，一般利用經典經濟壽命計算模型，采取列表法試算[1]75。

文獻[2]分別研究了原型裝備更新和出現新裝備條件下的更新決策方法，引入價值損耗描述技術進步對裝備更新決策的影響，給出了經濟壽命的計算公式，但沒有考慮資金的時間價值。文獻[3]考慮了資金的時間價值、裝備的殘值，應用年均費用法，建立了裝備經濟壽命的數學模型。為了增強模型的適用性，許多學者對經典經濟壽命計算模型進行了改進。文獻[4]認為在較長時期內，年利率和物價上漲指數受各種因素的影響，是一個以某個數值為基準上下浮動的不確定值，因此用模糊數表示貼現率對經濟壽命進行了研究。文獻[5]利用灰色理論，根據已發生的使用維護費、殘值對未來的費用作出預測，在此基礎上進行了裝備經濟壽命分析。

從現有文獻看，目前大多數學者仍以經典經濟壽命模型為基礎展開研究，即采取列表法試算經濟壽命[4-7]，但是試算法相比解析法，難以發現影響經濟壽命的內在規律。本文利用Lambert W函數推導了裝備經濟壽命的精確解析解，在此基礎上，研究了裝備經濟壽命的變化規律，對其影響因素進行了分析，提出了最佳費用增長率的概念，并給出了提高裝備經濟壽命的建議，為裝備更新決策提供了一種新的思路。

1裝備經濟壽命的數學模型

現金流量圖如圖2所示。

可算得購置費年分攤為

式中，K0表示購置費；L表示裝備殘值；i表示年利率；n表示年份；A表示資金的等額年值;P表示資金的現值;F表示資金的終值。

圖1　年均成本與裝備使用時間的關系

圖2　現金流量圖

使用維修費年分攤為

式中，C(j)表示第j年的使用維修費。

總費用的年分攤為

(1)

CT最小時，得到的n即為裝備的經濟壽命。

假設不考慮殘值，每年使用維修費增長幅度均為ΔC,即C(j)=C(1)+(j-1)ΔC,經濟壽命的數學模型為

(2)

2模型的解析解

公式(2)可轉化為

其中的求和項

(3)

該式括號內是一個數列的求和項，令a=1/(1+i)，利用錯位相減法進行求和計算。公式(3)方括號內可表示為

兩端同乘以a，

aSn=a2+2a3+3a4+…+(n-1)an

故

從而有

(4)

故由式(3)、式(4)，可得

從而

令

有

ΔCni(1+i)nln(1+i)+ΔC(1+i)nln(1+i)-

令上式左端分子等于0，并約去i(1+i)n,得：

-K0iln(1+i)-ΔC+

化簡，

注意到，等式左側為Lambert W函數形式，則上式可改寫為

從而，可解得經濟壽命的精確解

(5)

圖3　Lambert W函數在(-e-1,0)區間上的部分

Lambert W函數在(-e-1,0)區間上的特性：

3裝備經濟壽命的一般規律分析

3.1影響因素分析

從式(2)可看出，經濟壽命主要取決于K0,i,C(1),ΔC 4個因素。觀察公式(5)，找出經濟壽命與4個因素之間的影響關系。

2) n*不隨第一年的使用維修費C(1)的變化而變化。

3) n*可轉化為

從定性角度可解釋為，隨著使用維修費增幅ΔC的增大，補償購置費年分攤下降趨勢所需的時間縮短，即經濟壽命縮短。

3.2設計最佳的費用增長率

根據3.1節的分析，經濟壽命隨使用維修費的增幅單調遞減，這意味著，要提高經濟壽命，需要壓縮使用維修費的增幅。然而，經濟壽命并不是越大就越好，當經濟壽命小于自然壽命時，如果裝備使用不到自然壽命末期而按經濟壽命更新，則裝備自然壽命的潛力沒有得到充分地利用；經濟壽命大于自然壽命時，會對使用維修費的增幅大幅壓縮，造成使用維修費無法滿足裝備使用需求。因此，最佳狀態是合理設計使用維修費的增幅，使經濟壽命和自然壽命相等。

因此，由公式(5)，令

其中，N表示自然壽命。

可解得

(6)

也可表示為

(7)

(8)

3.3裝備經濟壽命的一般規律

綜上分析，通過嚴格的數學推導和證明，可歸納總結出裝備經濟壽命的一般性規律：

1) 對于公式(2)描述的經濟壽命模型，必然存在一個經濟壽命的實數解。這是由于一般情況下，K0>0,ΔC>0,i>0成立，結合公式(5)和LambertW函數特性可得出此結論，這在第2節中進行了證明。

2) 裝備的經濟壽命與購置費K0、年利率i、使用維修費年增幅ΔC等因素相關，而與第一年的使用維修費C(1)無關。其中，經濟壽命隨購置費K0的增大而增大，隨年利率i的增大而增大，隨使用維修費增幅ΔC的增大而縮短。特別是，當ΔC=0,即各年使用維修費始終保持不變時，此時經濟壽命趨于無窮大。

3) 要提高裝備的經濟壽命，可以通過提高購置費K0，增大年利率i，降低使用維修費增幅ΔC等方法實現，但是考慮到提高購置費和增大年利率的方法不切實際，因此，提高裝備的經濟壽命應該通過降低使用維修費增幅來實現。一般可以通過2種途徑來降低使用維修費增幅，提高經濟壽命：一是在設計階段，使裝備具有較高的可靠性，從而降低故障率，使各年的使用維修費保持慢速增長；二是在使用階段，通過采用表面工程等新技術，可以減緩使用維修費用增長的幅度，達到延長經濟壽命和自然壽命的目的。

4) 最佳的經濟壽命并不意味著經濟壽命越長越好，只要裝備的經濟壽命與自然壽命相當，則裝備的自然壽命就能夠得到充分發揮，此時裝備具有最佳的經濟效益。為此，在控制使用維修費增幅ΔC時不必使其接近于0(實際上也是很難做到的)，而是存在一個最佳的增幅：如果購置費與使用維修費年增幅的比例保持在最佳比例(由公式(7)算得)，或將使用維修費年增長率控制在最佳增幅(由公式(8)算得)，則可實現裝備經濟效益的最大化。

4實例計算

例某型飛機購置費為500萬元，第1年的使用維修費50萬元，以后每年遞增5萬元，殘值為0元，年利率為10%，自然壽命為25a，對經濟壽命進行分析。

對4個因素分別進行單因素敏感性分析，假設購置費K0取值范圍為(300～700)萬元，年利率i取值范圍為0.01～0.2，使用維修費C(1)取值范圍為(30～70)萬元，維修費增幅ΔC取值范圍為(1～20)萬元，觀察經濟壽命的變化情況，如圖4所示?？梢?，圖中經濟壽命的變化趨勢與3.1節分析的結論相同。

圖4　4種影響因素取不同值時經濟壽命的變化情況

對于該問題，根據公式(8)還可以計算出最佳費用年增幅為(3.157 ～3.328)萬元，此時經濟壽命剛好等于25a。

5結 束 語

本文利用LambertW函數，推導了裝備經濟壽命的解析計算公式，在此基礎上，對經濟壽命的影響因素及其變化規律進行了分析。由于經濟壽命的最佳取值等于自然壽命，提出經濟壽命最佳使用維修費增長率的概念。最后，根據影響規律分析，提出了提高經濟壽命的建議。但文中結論是在假設年增幅相同的情形下得出的，對于年增幅不同的情形，如果假設3～5a為一個周期，該周期內的年增幅取平均值，而每個周期之間增幅保持恒定，則也可近似滿足文中的假設條件，因此，本文的研究具有一般性。但是，對于部分裝備的使用維修費隨著使用時間增加，不滿足單調遞增規律的情形，則還有待進一步研究。

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(編輯：李江濤)

Research on General Rules of Economic Life for Weapons and Equipments

WU Shihui1，LIU Xiaodong1，GUO Yakun2，YANG Minxiang1

(1. Equipment Management and Safety Engineering College, Air Force Engineering University, Xi’an Shaanxi 710051, China;2. 95876 Troops, China)

AbstractIn order to study the rules of change of equipment economic life, it is necessary to find an analytical solution. Classical economic life models just adopt tabulation trial method instead of analytical solution, so it is impossible to analyze the influencing factors of the economic life. By introducing Lambert W function, the paper expresses the equipment economic life as an explicit equation; based on above work, the paper analyzes the influencing rules of each influencing factor on the economic life and accordingly concludes a way to improve economic life. At the same time, for maximize the economic benefit, the paper brings out a concept of the repair cost growth rate under the best utilization and gives an analytical equation to find out the value range of repair cost growth rate under the best utilization. The verification result of the example shows that the analysis conclusion herein is correct.

Keywordseconomic life; Lambert W function; analytical solution; influencing rules

收稿日期2015-05-11

作者簡介吳詩輝(1982—)，男，講師，博士，主要研究方向為裝備經濟。wu_s_h@163.com

中圖分類號F224.9

文章編號2095-3828(2016)03-0063-06

文獻標志碼A

DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.03.013