无人机系统按费用设计体系顶层框架研究

乔楠 吴静敏 梁春华 曾昊

摘要无人机系统作为高精尖、高性能信息化武器装备之一，被频繁应用在现代战争中，并发挥着越来越重要的作用。世界各国竞相研制与采购无人机，我国无人机系统经过近十几年的发展，也取得了长足的进步。然而，大量先进技术的采用使得无人机系统的各种费用大幅度增长。如何利用有限的财力资源获取效能最高的系统，已成为无人机系统论证、研制、采购以及使用部门普遍关注的问题。按费用设计技术是在国外已经被证明可以有效解决以上问题的关键技术，在国内尚缺乏系统、完整的方法体系，也未形成便捷有效的实施手段，亟待有序开展深入研究。本文对国内无人机系统按费用设计体系进行了顶层设计，提出了按費用设计的三个阶段、三个层级、四个角色和九个步骤，供无人机系统及相关武器装备系统的工程和管理人员使用参考。

关键词 无人机设计；按费用设计；费用控制

DOI： 10.19840/j.cnki.FA.2020.06.004

高效费比是无人机系统得以应用发展的重要特点。2009年美国环球战略网《战斗机飞行员日渐退出》一文中曾说道：“F-35将是美国最后一种有人驾驶战斗机，无人机将主导未来的空战”。2010年，美国国防部《四年防务评估报告》也提出：“无人作战平台是今后发展的主要方向”。正是由于无人机系统与有人机相比，在性能方面更具发展提高的潜力，在全寿命周期费用方面也更具独特优势，才得以逐渐发展成为军事强国武器装备发展的热点。然而有数据表明：随着结构复杂度提高、技术集成度加强、研制费用逐渐升高，某些无人机系统采购价格已经逼近过去某些轰炸机价格，使用保障费用能高于有人机的两倍。无人机系统需提高效费比的问题已经得到了美、英、法等发达国家的高度重视。美国国防部称，无人机系统的费用必须控制，否则采购速度将放慢。美国国防部最高官员还表示，美国军方对无人机的青睐已经使在役无人机数量超过700架，其中有12种近400架飞机参加了全球反恐战争。21世纪以后，在役无人机数量将有四倍以上的增长。但是，如果找不出抑制无人机费用急速增长的途径，以及无法实现无人机与有人机共享数据网络的通信技术，那么，就很难看到无人机与有人机并肩作战的场景。如果一架无人机与有人机费用接近的话，他们宁可采购后者。国内无人机系统研制发展也面临着同样的问题。大量先进技术的采用使得无人机系统的各种费用大幅度增长。对无人机系统全寿命周期费用论证不充分、使用控制不合理、不科学，已成为制约无人机系统发展的一个重要问题。国内无人机系统研制项目急需一种可以有效提高效费比的技术手段。

一、按费用设计技术是可以提高无人机系统效费比的重要技术

按费用设计（Design To Cost，DTC）是美国自20世纪70年代开始采用的管理办法[1]，当时被称为革命性的。依据美国国防部文件DoD5000.28，按费用设计指在系统发展过程中要确立严格的费用目标，并通过在使用能力、性能、费用以及进度间进行权衡的方式，对系统的费用（采购、运行和支援）予以控制，使之达到既定目标。费用作为一项关键的设计参数，与技术、性能和进度同等重要，在系统发展过程中要连续不断地予以审核。为了得到合理的全寿命周期费用的设计，应当在可靠的模型和经验的基础上确定合理的费用目标，使设计人员发挥能动作用，使设计结果达到预期的费用目标。在完成系统初步设计冻结技术状态时，如最终证明达到费用目标，将对承包商予以奖励，达不到时将降低承包商的利润。要修改载入合同的费用指标，必须经批准合同的最高当局同意。研制过程中，承包商设计的费用问题也一直处于军方项目办公室的监控之中，与性能一样，都要按期报告并多次评审。费用管理者要及时向工程师和经理们反馈费用信息，以便及时采取行动调整技术方案。当发现费用超过预设的门限值时，则须将整个工作重新评审，重新对系统技术方案、研制周期与费用进行权衡取舍[2]。

按费用设计技术应用后取得了显著的经济效益，该技术陆续在英国、法国等其他航空发达国家得到应用和推广。Jack V.Michaels的《Design To Cost》、Klaus Ehrlenspicl等的《Cost-Efficient Design》等专业书籍陆续出版。美国本土则将按费用设计纳入采办管理制度，要求各军兵种武器装备系统按费用设计。军地双方研究机构就按费用设计的原则、实施方法展开了深入研究。2002年发表在美国航空航天学会（American Institute of Aeronautics and Astronautics，AIAA）第一届无人机技术论坛的一篇文章“A Design Approach For Low Cost，‘ExpendableUAV System”即披露了美国在无人机系统按费用设计方面所取得的部分研究成果。有资料表明：美国军用飞机中A-10是首先“按费用设计”的，取得了很好的效果。F-16战斗机由于采用了按费用设计技术，从方案设计阶段就把费用作为与性能同等重要的因素，通过仔细比较各种候选设计方案，最终选择了一个尺寸小、重量轻、结构简单和技术风险小的低费用方案。据分析，若F-16战斗机的设计不采用此方法，就要多花费42亿美元的全寿命周期费用。F-16战斗机的设计既符合了要求的性能，又保证了较低的费用，与其他战斗机相比研制费用和全寿命周期费用都比较低，在国际同类型战斗机中处于领先地位。由此看来，按费用设计技术是一种可以在无人机系统研制阶段使用，通过早期费用分析、控制手段的介入，有效控制全寿命周期费用、提升效费比的重要技术手段之一。

二、我国在无人机系统研制中应用按费用设计技术仍存在困难

国内早在20世纪80年代就引入了按费用设计技术，并一直就其中涉及的核心技术内容进行多方位探索。例如，原总装备部驻重庆地区军事代表室研究了定费用设计在装备研制生产中的应用；国防科技大学航天与材料工程学院研究了大型固体火箭发动机按费用优化设计技术；空军工程大学研究了军用飞机效能评估、费用估算、效—费综合评价的方法；航空工业综合所翻译了一套介绍美国军方按费用设计的制度规范；中国航空工业发展研究中心研究了美国武器装备按费用设计、费用作为独立变量、经济可承受性设计等技术发展，提出了飞机DTLCC程序，率先在某型号研制中尝试实施经济性评审技术；北京航空航天大学研究了军用飞机全寿命费用—效能分析与决策问题；天津大学建筑工程学院研究了船艇费用-效能分析方法等。当前与无人机系统按费用设计技术密切相关的部分成果见表1。

通过梳理前期国内在无人机系统按费用设计技术方面取得的成果，可以看到国内已经开展了不少研究，也取得了卓有成效的成绩。但国内在观念上实现从片面的重视性能到重视效能的转变，从重视采购费用到重视全寿命周期费用的转变还有距离；在了解按费用设计要素、步骤、流程、应用方法的基础上实现按费用设计，为无人机系统研制、采购决策提供足够的、有价值的支撑还有距离；最重要的是缺少顶层设计，以及系统完整的方法体系和便捷有效的实施手段，因而在无人机系统研制中应用按费用设计技术仍存在困难，亟待更深入地开展研究工作。

三、无人机系统按费用设计体系顶层框架设计

为了在工程实践中更深入、有效地支持国内无人机系统按费用设计，我们在研究国内现有成果的基础上，对实际工程需求进行了调研，提出了按费用设计体系顶层框架。该框架由“三个阶段、三个层级、四个角色和九个步骤”构成，如图1所示。依照该框架可以吸收现有成果、发展新的方法模型，在国内无人机系统研制中逐层、逐步实现按费用设计技术的应用。

（一）按费用设计的三个阶段

按费用设计主要围绕无人机系统的设计开展相应的工作，重点包括概念设计、初步设计、详细设计三个阶段。

概念设计阶段，按费用设计要为制定最经济的早期规划和设计决策提供指导。军方论证单位开展立项论证时，应开展费用-效能分析。按费用设计对每个备选方案的技术要求及其对系统总体性能的影响进行分析评价，并对各备选方案的寿命周期费用影响作出评估，明确方案的主要费用和影响因素。在立项综合论证报告评审时，除了作战需求、战技指标，还应对初步总体方案的经济性、效费分析合理性等工作开展评审，明确无人机系统整机按费用设计指标。

初步设计阶段，一项重要工作是进行结构方案设计，结构方案设计阶段可初步确定各零部件所选用的材料类型、重量指标和制造方法等。有了较多的关于结构方案的信息，此阶段可对费用进行更细化的估算，从材料类型、制造技术和部件几何复杂性等方面综合分析无人机部件成本的影响情况。在研制总要求中，应提出按费用设计要求条款，并作为“研制总要求评审”的考核内容。在军方开展的技术审查中应增加对研制单位按费用设计工作检查的要求。总体设计单位要形成费用分解指标体系，将整机费用目标分解到部件、系统级，并在分承包研制合同（协议）中明确。各研制单位要制定成本控制实施方案和定费用设计准则，建立成本管理体系、成本控制责任制和项目型号经济师系统。

詳细设计阶段，已经可以获得全套生产图样和设计技术文件，即可获得零件的各种特征参数，如零件重量、加工精度、去材率、表面粗糙度、材料等，因此，此阶段可对费用进行更精细化的估算，从零件模型特征参数方面针对无人机零件费用的影响情况进行详细分析。在详细设计阶段，要将费用目标进一步细分到零件级，作为每个零件项的目标费用设计指标进行控制。研制单位要制定并落实成本控制实施方案，开展过程成本监控，跟踪成本变化。详细设计阶段的费用分析结果更为准确，要对概念设计和初步设计阶段的费用估算结果进行修正。同时，如果在研制过程中装备的性能或费用发生了重大变化，则要进行新的效费分析。

（二）按费用设计的三个层级

随着无人机系统研制工作的不断深入，设计信息量的逐步增加和细化，无人机系统按费用设计目标逐渐扩展到三个层级。

第一层级：整机目标费用。指无人机系统整体所设定的目标费用。该层级目标费用的确定可参考类似机型、历史参考数据，还可根据飞机构型、重量、速度、材料、发动机/系统选型等总体信息进行粗略的费用估算。无人机系统概念设计阶段需要确立整机目标费用。

第二层级：部段/系统目标费用。指将无人机机体结构制造成本依托飞机工程BOM和工艺制造装配程序分解至部段，将机载成品按系统类别分解到各系统。在具备细化到部段/系统级的重量、材料、工艺等信息时，可根据相应的成本估算方法和工程经验，将目标费用分解到部段/系统级。无人机系统初步设计阶段，将目标费用分解到第二层级。

第三层级：零件/成品目标费用。指将无人机机体结构制造成本依托BOM和工艺制造装配程序分解至零件，将机载成品按系统类别分解到总设计师系统划分的成品。随着飞机的设计、制造特征更加明晰，成本的控制力度可更强，当具备装配单元和工作包的详细信息时，便可根据适当的费用估算方法和工程经验，将目标费用分解到零件/成品级。无人机系统详细设计阶段，可将目标费用分解到第三层级。

在每个层级上，当目标费用分解完成以后都要使用一定的方法和工具开展设计过程中的费用控制，以费用预计、分析为主的费用评估，以及效费权衡、设计改进等主要工作，如图2所示。

（三）按费用设计的四个角色

按费用设计是有组织的集体设计活动，必须建立一套完整的组织体系，将各方面的力量组织起来，协调各个角色间的纵横关系，才能完成按费用设计活动。可以这么说，强有力的领导、周密的组织和管理是保证按费用设计活动计划的顺利实施、取得成效的前提条件。

按费用设计组织的基本职能是管理职能和实施职能。管理职能多由较高层次承担，而实施职能则由较低的层次承担，这样的组织分建形式有利于发挥不同层次的作用，提高各级组织的工作效率。为有效推行按费用设计，需结合无人机系统研制项目管理机制，建立由军方机关级、项目级、研制单位级和技术支持单位组成的多层次按费用设计组织机构，明确职责分工，如图3所示。

1.军方按费用设计领导机构

高层领导的支持和参与，对推行按费用设计是非常重要的。在无人机系统研制项目中推行按费用设计，军方作为采购方和用户，也应该建立按费用设计领导机构，充分发挥对按费用设计的主导作用。

军方按费用设计领导机构可由军方型号管理办公室主任或军方指定的型号具体负责人担任组长，计划、技术、经费管理人员参加，主要职责有：（1）制定项目按费用设计实施规划和工作计划；（2）组织编制项目按费用设计规定、实施指南、实施方案等法规文件；（3）协调、监督和决策有关按费用设计工作事宜；（4）组织开展阶段评审、检查评估和技术培训等工作；（5）安排合同奖励条款。

2.项目按费用设计管理机构

项目按费用设计管理机构可由项目管理办公室负责组织建立，项目计划、技术、财务、质量人员和相关承研单位的项目负责人参加。

项目按费用设计管理机构的主要职责有：（1）组织相关承研单位开展按费用设计工作；（2）协助军方按费用设计领导机构组织检查、评审相关承研单位的项目按费用设计实施方案；（3）汇总各承研单位的按费用设计实施情况，针对存在的问题提出解决方案或办法，报送至军方按费用设计领导机构；（4）协助军方按费用设计领导机构协调有关项目按费用设计工作事项。

3.研制单位按费用设计机构

研制单位按费用设计机构由产品或子任务的承研单位组织建立，包括按费用设计委员会和工作小组。（1）按费用设计委员会。委员会以产品或子任务的总工程师和总会计师为首，由计划、技术、财务、质量部门的负责人共同组成，下设专职的按费用设计办公室。委员会的主要职责有：负责组织制定产品或子任务的按费用设计实施方案、工作制度、工作计划；负责协调有关产品或子任务的按费用设计事项；负责产品或子任务按费用设计的资源保障、检查评估。（2）按费用设计小组。在企业按费用设计委员会领导下，按部门、车间、班组，成立不脱产的按费用设计小组，由各职能科室负责对各按费用设计小组对口业务指导。小组的主要职责有：根据按费用设计工作计划开展具体的按费用设计研究工作，包括目标选择、设计控制、权衡研究等；配合按费用设计委员会开展按费用设计效果评估。

4.技术支持机构

建立技术支持机构，为无人机系统项目推行按费用设计提供技术支持。技术支持机构的主要职责有：（1）协助军方按费用设计领导机构和项目按费用设计管理机构制定按费用设计规定、实施规划、工作计划、实施指南、实施方案等文件；（2）开展按费用设计理论方法研究，解决推行按费用设计中存在的技术问题；（3）对项目按费用设计情况进行分析、评估；（4）协助军方按费用设计领导机构和项目按费用设计管理机构组织有关评审、检查和技术培训等工作；（5）对承研单位的按费用设计工作进行技术指导。

（四）按费用设计的九个步骤

按费用设计工作包括前期准备工作，确定目标费用，进行目标费用分解，开展按费用设计，目标费用的预计与分析，初始设计改进，阶段性设计改进，制定改进措施，记录按费用设计优化提升过程与效果等九个基本工作步骤。这九个步骤相互作用，互为前提与因果，将按费用设计整体的工作程序关联起来。每个步骤包含具体的工作事项，有明确的输入输出、工作内容、工作目标。这些具体的工作事项与工作人员组织结构与机制相结合，使按费用设计工作具有更强的可操作性，能够保证按费用设计的有效实施。

如图4所示，为按费用设计工作流程框架，从全局的角度对按费用设计工作程序机制进行了描述，全面反映按费用设计工作在各阶段需要进行的工作活动以及相关的输入输出，是按费用设计工作程序的整体体现。

1.准备工作

按费用设计的前期准备工作主要包括制定按费用设计要求、制定按费用设计工作准则、准备按费用设计工具等三个方面的内容，为按费用设计的深入展开提供前提和基础。

2.确定目標费用

目标费用为按费用设计工作的核心指标，按费用设计工作就是围绕目标费用进行的一系列估算、评审、优化设计等工作。目标费用的确定需要结合型号研制的需求背景、研制单位实际情况、制造单位实际情况以及行业行情等进行具体的分析，并在研制过程中根据实际情况不断改进优化。确定目标费用主要包括分析型号能力指标需求、分析型号目标费用需求、设计型号备选方案、以目标费用为约束初步优化方案、编写型号目标费用初步分析报告等具体工作内容。

3.目标费用分解

在目标费用确定以后，需要进行目标费用的分解，将目标费用的设计任务分解到不同的团队中去。目标费用的分解是一项复杂的工作，需求结合研制单位当前的设计组织架构，型号的产品结构，在相似型号历史数据积累以及相关技术方法研究的基础上，进行科学的目标费用分解。因此目标费用分解包括采集财经相关技术经济数据，测算型号生产费用，按单位、任务、时间、费用进行目标费用分解，编写型号目标费用分解报告等具体工作内容。

4.费用优化设计

目标费用的分解，使得按费用设计任务根据研制单位的具体情况分配到了具体的组织和团队，因此，设计团队就能够在型号工作中，实现以目标费用为约束的设计，从而实现按费用设计工作的落实。按费用设计工作主要包括以目标费用为约束的结构设计优化、工艺设计优化、工装设计优化、试验设计优化、内部管理设计优化以及外部供应设计优化等内容。

5.目标费用的预计与分析

在按费用设计的过程中，需要不断进行目标费用的预计与分析。尤其是在关键节点，进行费用的预计分析，与按费用设计中设定的目标费用进行对比分析，明确设定的目标费用不合理的地方，找出按费用设计过程的薄弱环节，在下一步的工作中，对前期按费用设计工作进行优化，提出按费用设计改进建议。主要工作内容包括型号能力数据库的建设与维护，型号经济性数据库建设及维护，按单位、任务、时间、费用项目预计型号目标费用，分析型号按费用设计阶段性状况，阶段性按费用设计评审等。

6.初始设计改进

初始设计改进是指在前期目标费用确定过程中，以按费用设计的设计要求和原则为基础，发现总体设计方案中的问题，及时进行型号总体设计方案的改进。

7.阶段性设计改进

阶段性设计改进是贯穿按费用设计整个工作流程的一项工作。在按费用设计的每一个阶段，尤其是关键节点，如论证阶段、方案阶段、研制阶段、定型阶段的转阶段评审，结构设计、工艺设计、工装设计、试验设计等设计关键点，都需要根据按费用设计的预计与分析结果，结合按费用设计要求，进行阶段性设计改进，包括改进型号设计方案以及改进按费用设计方案等。

8.制定改进措施

改进措施的制定是针对按费用设计过程中存在的问题，在设计改进之外进行的另一项重要的工作。制定改进措施包括设计改进措施与管理改进措施，一方面，是设计改进的具体落实，另一方面，是针对按费用设计过程中的问题，在管理层面进行的改进举措。

9.记录按费用设计提升过程及效果

按费用设计过程中发现的问题，为此而进行的设计改进、管理改进，以及改进后产生的效果，都应记录下来，做好知识管理，为以后的按费用设计工作提供借鉴。

四、无人机系统按费用设计体系顶层框架的应用发展途径

依据无人机系统按费用设计顶层框架，后续可以深入开展三个阶段的工作，以保证通过更精细化的研究，为无人机系统研制提供更为系统完整的方法体系和便捷有效的实施手段。

第一阶段：细化完成顶层设计。以问题为导向，在系统工程视角的指引下，设计无人机系统按费用设计体系，包括分析无人机系统按费用设计的对象与范围；划分无人机系统设计阶段，提出各阶段设计要求、设计流程；归纳无人机系统按费用设计共性关键技术，梳理其涉及的共性知识；提出无人机系统按费用设计组织管理体系要素，制定按费用设计管理制度的构成要素。本阶段目的是实现无人机系统按费用设计工作界面清晰、工作责任明确、基本工作程序可参考。

第二阶段：研究形成方法体系。面向概念设计、初步设计、详细设计三个阶段，围绕提出费用目标、分解费用目标、将费用约束信息传递给不同设计责任主体，不同设计责任主体依据设计方案反馈信息，进而完成费用估算、效能评估、效-费权衡优化的按费用设计过程，研究整机级、部件级、零件级按费用设计方法。本阶段目的是基本形成支持无人机系统按费用设计工作的方法体系。

第三阶段：开发验证实施工具。集成方法、模型、数据等，构建无人机系统按费用设计支持软件和综合数据库，并型号中验证使用。通过实践研究，形成无人机系统按费用设计准则和方法应用指南。本阶段目的是实现国内无人机系统按费用设计从理论到基本可操作的转化，达到无人机系统研制过程中技术与经济的紧密结合。

五、结束语

型号项目70%-80%的费用是由研制阶段决定的，为了保证无人机系统具备良好的效费比，必须尽早开展关于效能、费用指标的分析与权衡。按费用设计技术是在国外已经被证明有效提高效费比的技术，能够按照科学、有效的方法和手段指导无人机系统评估效能、费用，以效费比为目标，不断优化设计方案[3]。无人机系统按费用设计体系顶层框架的提出，有助于国内更为系统完整地开展按费用设计技术研究。相信将来，在按费用设计技术的支持下，國内无人机系统定能在提高效费比方面获得有效助力！AFA

参考文献

[1]赵国铭，刘祥静.美国定费用设计方法的应用研究[J].企业与管理，2012（11）：92-96.

[2]秦旭.定费用设计在装备研制生产中的应用[J].军事经济研究，2010（3）：46-48.

[3]谭云涛，郭波.基于CAIV的武器装备费效分析与指标决策方法研究[J].系统工程理论与实践，2007（11）：48-53.

（审稿：王远伟编辑：赵晴）