A Dynamic Programming Approach to Retirement and Replacement Planning of Combat aircraft

Abstract

The transition of a military weapon system is a long-time process to balance between sustaining military power and adopting new technologies. Because there are a lot of considerations, such as budget constraint, limited manufacturing and operating capacities in military and so on. Especially for combat aircraft, a unit price is not only extremely higher than other military weapons price, but also its manufacturing and maintaining capacities which can perceptible at a time are limited. Those considerations make it hard to replace old aircraft with new one immediately. Thus old combat aircraft should be gradually retired and replaced with new ones in order to sustain required military power level during transition period. It is important to sustain required military power level in military weapon transition problem. Because if the military power level does not sufficient, national crucial risks are occurred by difficulties in performing operations will be increase. This paper formulates a dynamic programming model for planning this retirement and replacement process. The objective of the planning is to minimize the loss of military power and total transition cost in consist of operation costs of old ones and new ones, procurement cost of new ones while meeting budget constraints, disposing cost of old ones and penalty cost which occurred by maintaining insufficient military power level compared with required military level. A practical assumption on convex cost of the power loss gives a non-trivial solution to this problem. Practically many technological and political issues make the procurement budget of new weapons highly uncertain. It makes difficult to make decisions about the aircraft transition problems. We also extend the basic model to investigate impact of uncertainty on the procurement budget of new aircraft. The results in this paper give some intuitions to replace combat aircraft by provide optimal policy and sensitive analysis. It can be used as a reasonable decision making tool for optimal replacement and purchasing planning of military weapons.

국가 내 무기체계 교체는 전투력 유지 및 전력구조, 운영 및 유지 능력 등과 같은 다양한 요소가 고려되어야 한다. 기존 작전에서 요구하는 전투력 수준을 유지함과 동시에 새로운 기술을 채택하고 운영해야 하는 복잡한 프로세스이기 때문이다. 특히 전투기의 경우, 대당 가격이 비싸고 제조 및 운영관리 능력이 제한되어 있을 뿐만 아니라 작전수행에 요구되는 전력 수준을 채우지 못했을 경우에 발생하는 불이익이 크기 때문에 교체가 한번에 이루어지지 않고 일정한 기간을 두고 점진적으로 진행되게 된다. 따라서 교체 기간 동안 요구되는 전력수준을 유지함과 동시에 비용을 최소화 할 수 있는 신중한 교체계획 수립 및 분석이 필요하다. 본 논문은 노후 전투기와 신규 전투기의 교체에 대한 문제를 동적 계획법을 활용하여 작전운영을 위해 필요한 일정 수준의 전투력을 유지함과 동시에 교체에 소요되는 비용을 최소화할 수 있도록 각 시점에서의 최적 운영 전투기 수를 결정하는 방법을 제시한다. 또한 정치적, 경제적인 이유로 인해 전투기 획득을 위한 예산이 불확실한 경우 optimal policy가 어떻게 달라지는 살펴봄으로써 예산이 불확실성이 교체 계획에 미치는 영향에 대해 알아보고자 한다. 이 논문의 결과는 추후 정책결정자가 무기체계 교체 계획을 수립할 때 각 시점마다 몇 대의 전투기를 도태시키고 획득할 것인지를 제시함으로써 의사결정을 돕는 논리적인 도구로 활용할 수 있다.