效能期望驅(qū)動(dòng)的軍事裝備可拓概念設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用

冉景祿，趙振奎，呂小強(qiáng)，萬錦雄

(77200 部隊(duì)，昆明 655000)

效能是軍事裝備(系統(tǒng))在規(guī)定的條件下達(dá)到規(guī)定使用目標(biāo)的能力。概念設(shè)計(jì)是從需求分析到生成概念產(chǎn)品的一系列有組織、有目標(biāo)的設(shè)計(jì)活動(dòng)，表現(xiàn)為由粗到精、由模糊到清晰的不斷進(jìn)化過程，它是所有設(shè)計(jì)階段中最關(guān)鍵、最復(fù)雜、最活躍、最具決定性和創(chuàng)造性的環(huán)節(jié)［1］。據(jù)文獻(xiàn)［2］的研究，成本只占5%的概念設(shè)計(jì)決定著將近85%的產(chǎn)品成本。自Pahl G 和Beitz W 首次提出概念設(shè)計(jì)以來，概念設(shè)計(jì)理論和方法已經(jīng)取得了長足發(fā)展。文獻(xiàn)［3 -7］研究了面向功能的概念設(shè)計(jì)方法及不同求解策略，文獻(xiàn)［8 -10］中嘗試將效能因素考慮到裝備概念設(shè)計(jì)中去，文獻(xiàn)［11 -13］成功地將可拓學(xué)理論應(yīng)用到機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)，這些研究成果都是概念設(shè)計(jì)理論的豐富和完善。然而，運(yùn)用這些方法進(jìn)行軍事裝備概念設(shè)計(jì)時(shí)，往往就會(huì)出現(xiàn)開發(fā)的裝備滿足不了效能期望的問題。究其原因，筆者認(rèn)為有2 點(diǎn):一是設(shè)計(jì)目標(biāo)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不一致，在進(jìn)行軍事裝備概念設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)既定功能，但最終的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)卻是期望的效能;二是求解效率和質(zhì)量不高，由于不能很好地進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的表達(dá)和不能很好處理各種因素之間的復(fù)雜矛盾和強(qiáng)烈耦合關(guān)系，從而導(dǎo)致求解效率和質(zhì)量不高。效能期望驅(qū)動(dòng)的軍事裝備可拓概念設(shè)計(jì)方法就是從以上2 點(diǎn)原因入手，采用面向?qū)ο蟮乃枷?，整個(gè)設(shè)計(jì)過程由效能期望驅(qū)動(dòng)，并利用可拓學(xué)在概念設(shè)計(jì)的求解優(yōu)勢，形成適應(yīng)軍事裝備概念設(shè)計(jì)特殊要求的方法，其目的是克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不足，提高軍事裝備的設(shè)計(jì)效率和成功率，縮短研發(fā)周期。

1 效能期望驅(qū)動(dòng)的可拓概念設(shè)計(jì)

1.1 基本原理

效能期望驅(qū)動(dòng)的基本原理是按照效能期望-功能-結(jié)構(gòu)(effectiveness expectation-function-structure，E2FS)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行循環(huán)映射，直到求出每一個(gè)效能期望元的結(jié)構(gòu)解，然后對(duì)結(jié)構(gòu)解進(jìn)行可拓收斂運(yùn)算，最終形成滿足效能期望的設(shè)計(jì)方案解。E2FS 框架如圖1 所示。

在E2FS 框架圖中，效能期望指標(biāo)體系的求解思路是:首先列出目標(biāo)系統(tǒng)的T 種任務(wù)剖面，然后將相似的任務(wù)結(jié)合在一起形成目標(biāo)任務(wù)集，滿足目標(biāo)任務(wù)集的能力就構(gòu)成系統(tǒng)的一個(gè)子效能期望，向下將子效能期望細(xì)分到不能再劃分的單元就得到效能期望元，子效能向上聚類就得到上一級(jí)效能期望指標(biāo)，通過這樣推導(dǎo)就可以得出樹狀的效能期望指標(biāo)體系。該求解思路的示意圖如圖2 所示。

功能層是將效能期望元進(jìn)行逐一映射得到相應(yīng)樹狀功能體系，它表示的是為達(dá)成效能期望所要具備的功能集合。結(jié)構(gòu)是滿足效能期望且滿足功能要求的結(jié)構(gòu)解。在E2FS 框架中，效能元、功能元、結(jié)構(gòu)元是其按照樹狀結(jié)構(gòu)不能再劃分的單元。特征庫、原理庫、機(jī)制庫、知識(shí)庫構(gòu)成求解過程的決策支持單元。特征庫是相關(guān)特征的集合。原理庫是相關(guān)原理的集合。機(jī)制庫是效能映射機(jī)制和結(jié)構(gòu)映射機(jī)制的集合。知識(shí)庫是4 個(gè)庫中最為重要的單元，它的來源主要包括本專業(yè)、其他相關(guān)專業(yè)、知識(shí)工程師(專家)等。該框架基本思路為:首先利用目標(biāo)任務(wù)剖面推理得到的效能期望指標(biāo)體系，然后將效能期望元映射為特定功能元或功能元組合，再者將功能元通過映射機(jī)制映射為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)元，通過循環(huán)映射，直到每個(gè)效能期望元都映射為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)解，到此就完成可拓發(fā)散求解。最后按照自底向上的方法(Bottom-Up)，運(yùn)用可拓方法對(duì)結(jié)構(gòu)元進(jìn)行可拓收斂運(yùn)算，并最終形成結(jié)構(gòu)方案。

圖1 E2FS 求解框架

圖2 效能期望元求解思路示意圖

1.2 可拓求解策略

可拓學(xué)是系統(tǒng)科學(xué)、思維科學(xué)和數(shù)學(xué)交叉的橫斷學(xué)科，主要探討發(fā)散思維和開拓創(chuàng)新的規(guī)律和方法［14］。據(jù)文獻(xiàn)［11 -13］的研究，該理論在機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)求解方面具有較強(qiáng)優(yōu)越性。引入可拓理論就是要對(duì)概念設(shè)計(jì)中的效能、功能、結(jié)構(gòu)進(jìn)行形式化描述，表達(dá)概念設(shè)計(jì)中的深層次知識(shí)，利用基元的可拓性及其變換來實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思維過程。

按照文獻(xiàn)［14］的定義:設(shè)事物名稱為N，特征為c，c 的量值為v，則有序三元組R =(N，c，v)作為描述事物的基元。所以如果事物有i 個(gè)特征，基元?jiǎng)t表示為

基元具有可拓性(發(fā)散性、共軛性、相關(guān)性、蘊(yùn)含性和可擴(kuò)性)，它從事物向外、向內(nèi)、平行、變通和組合分解的角度提供事物拓展的多種可能性，成為進(jìn)行創(chuàng)造性思維和提出解決矛盾問題方案的依據(jù)。基元變換法則有置換、分解、增刪和擴(kuò)縮?；\(yùn)算法則有:積、逆、或和與。更為詳細(xì)的介紹可參考文獻(xiàn)［14］。

可拓學(xué)對(duì)定性和定量事物的表述方法、變換和運(yùn)算具有極大的優(yōu)點(diǎn)，使得它可將求解程式化。其求解過程采用的是可拓學(xué)先發(fā)散后收斂菱形思維方式，這一思維方式恰當(dāng)反映了人們的創(chuàng)造性思維過程。其發(fā)散過程可描述為:R┫{R1，R2，…，RN}，“┫”表示為發(fā)散。收斂過程可描述為:{R1，R2，…，RN}┣{R1，R2，…，RM}，“┣”表示為收斂，其中N ＞M。因此，基于E2FS 求解框架的可拓求解模型是一個(gè)多級(jí)菱形且存在菱形嵌套的思維模式，其結(jié)構(gòu)可由圖3 描述。

1.3 方案評(píng)價(jià)

概念設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)和決策是概念設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前常見的評(píng)價(jià)方法有層次分析法、模糊評(píng)價(jià)法、價(jià)值工程法、綜合評(píng)價(jià)法［15-17］。針對(duì)概念設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)既存在定性指標(biāo)，又有定量指標(biāo)，且信息存在模糊性和灰色性的特點(diǎn)，是一個(gè)典型的多準(zhǔn)則決策問題。本文采用基于模糊理論評(píng)價(jià)法，該方法綜合了模糊集理論、層次分析法，并充分尊重領(lǐng)域?qū)＜业囊庖?，為評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。方法的步驟:第1步，對(duì)評(píng)價(jià)的對(duì)象進(jìn)行層次分析，形成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;第2步，利用模糊理論建立評(píng)價(jià)模型;第3 步，得出指標(biāo)體系中相應(yīng)的值，并代入評(píng)價(jià)模型進(jìn)行運(yùn)算，按照評(píng)估值的大小優(yōu)選出最佳方案。具體模型如下:

設(shè)有n 個(gè)滿足各種條件約束的方案p，模糊綜合評(píng)判決策集為:P={p1，p2，…，pn}，設(shè)U 為評(píng)判目標(biāo)，則U={u1，u2，…，um}構(gòu)成模糊綜合評(píng)判的目標(biāo)集。評(píng)價(jià)集V={v1，v2，…，vq}，一般用“差，一般，合格，良好，優(yōu)秀”等描述。目標(biāo)i 的權(quán)重以Wi表示，則全重向量為W = (w1，w2，w3，…，wn)，它利用AHP 法獲得。評(píng)價(jià)矩陣

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)合成原理，將模糊權(quán)重向量W 與模糊評(píng)判矩陣R 相乘，得出模糊評(píng)判向量B。

2 效能期望驅(qū)動(dòng)的某步槍可拓概念設(shè)計(jì)

2.1 某步槍的E2FS 映射過程

首先，設(shè)定總體效能期望。本文設(shè)計(jì)的步槍總效能期望不低于現(xiàn)役的某步槍效能的3 倍。

其次，根據(jù)步槍各任務(wù)剖面，得出每一個(gè)目標(biāo)任務(wù)節(jié)點(diǎn)的效能期望指標(biāo)，然后進(jìn)行向上聚類和向下分解，形成效能期望指標(biāo)體系。繼而進(jìn)行效能期望-功能的映射，如:供彈量效能元的期望值為‘優(yōu)’，然后將這效能期望映射為存儲(chǔ)子彈功能元。之后進(jìn)行功能-結(jié)構(gòu)的映射，如將存儲(chǔ)子彈功能映射為彈匣結(jié)構(gòu)。按照這種思路，完成每一個(gè)效能元到結(jié)構(gòu)元之間的映射，其E2FS 映射過程示意圖如圖4 所示。

圖3 可拓求解模型

圖4 某步槍的E2FS 映射過程示意圖

2.2 基于E2FS 框架的可拓求解

利用可拓方法對(duì)步槍的效能期望元、功能元、結(jié)構(gòu)元本身及它們之間的映射過程進(jìn)行形式化描述，確保映射過程思路清晰。最后將結(jié)構(gòu)元進(jìn)行逆向收斂求解，形成滿足效能期望的方案解。由于步槍的效能元和功能元較多，而且映射過程和可拓發(fā)散過程比較復(fù)雜，鑒于敘述需要，本文僅以供彈具設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說明，其他部件設(shè)計(jì)參照此步驟進(jìn)行。

根據(jù)步槍各任務(wù)剖面，得出供彈具的效能期望:

供彈具的效能期望到功能，功能到結(jié)構(gòu)的映射過程為:

按照菱形發(fā)散思維方式，在本體庫的支持下，在各種約束條件(效能約束、功能約束、結(jié)構(gòu)約束)的作用下，供彈具的結(jié)構(gòu)映射結(jié)果為:

運(yùn)用可拓基元置換、分解、增刪和擴(kuò)縮變換法則及積、逆、或和與運(yùn)算規(guī)則，利用各種約束條件對(duì)R1、R2、R3、R4、R5、R6進(jìn)行收斂運(yùn)算，得到彈匣的結(jié)構(gòu)解為:

到此，完成了供彈具效能元的可拓發(fā)散求解和可拓收斂運(yùn)算，得出了彈匣的結(jié)構(gòu)解。按照EFS 框架的求解流程，求出各個(gè)效能元的結(jié)構(gòu)元解，再利用結(jié)構(gòu)樹自底向上，進(jìn)一步運(yùn)用可拓運(yùn)算法則進(jìn)行收斂運(yùn)算，最終得到結(jié)構(gòu)組成方案。由于該求解過程的可拓知識(shí)表達(dá)比較繁瑣，加之篇幅的限制，本文就直接給出運(yùn)用此方法得出的方案，如表1 所示。

2.3 方案評(píng)價(jià)

按照槍械效能評(píng)估指標(biāo)體系建立的一般原則，建立某型步槍效能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖5 所示。

圖5 某型步槍效能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

設(shè)評(píng)價(jià)集V={差，一般，合格，良好，優(yōu)秀}={1，3，5，7，9}，評(píng)價(jià)指標(biāo)集U ={效能滿足度，可靠性，可制造，成本花費(fèi)，可裝配性，可維護(hù)性，人機(jī)工程，環(huán)境適應(yīng)性}。利用AHP方法得出評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各指標(biāo)的權(quán)重，權(quán)重向量為W =(0.21，0.06，0.05，0.09，0.1，0.13，0.06，0.09，0.09，0.06，0.06)，其中評(píng)價(jià)矩陣C 由專家打分取平均值得到，并經(jīng)過歸一化處理后得到矩陣:

評(píng)判向量B =W ?C = (0.229 0.459 0.312 )，據(jù)此得出方案排序?yàn)?方案2，方案3，方案1。顯然方案2 為最滿意方案。

表1 某步槍可拓求解方案

3 結(jié)束語

效能是檢驗(yàn)軍事裝備設(shè)計(jì)成功與否的唯一判斷標(biāo)準(zhǔn)，所以開發(fā)出來的軍事裝備效能能否滿足期望的效能是設(shè)計(jì)人員最為關(guān)心的問題。而概念設(shè)計(jì)在所有的設(shè)計(jì)階段是最具決定性，在該階段犯下的錯(cuò)誤往往是在后續(xù)設(shè)計(jì)中不可彌補(bǔ)的，傳統(tǒng)以功能驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法就容易在這階段犯下難以彌補(bǔ)的錯(cuò)誤。效能期望驅(qū)動(dòng)的軍事裝備可拓概念設(shè)計(jì)方法的核心思想就是以效能期望為目標(biāo)，目的是減小設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，提高設(shè)計(jì)的效率和成功率。從對(duì)某型步槍的概念設(shè)計(jì)來看，優(yōu)選出來的設(shè)計(jì)方案顯然滿足效能期望，這是因?yàn)樵摬搅窈弦坏脑O(shè)計(jì)方案已經(jīng)被證實(shí)其效能是普通步槍的數(shù)倍。比如:據(jù)美軍報(bào)道，XM29 步榴合一步槍的作戰(zhàn)效能就比M16 步槍高4 ～5 倍，從而證明了該方法的可行性和有效性。另外，由于以效能為驅(qū)動(dòng)的概念設(shè)計(jì)從方法上解決了概念設(shè)計(jì)目標(biāo)和效能檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)不一致的問題，進(jìn)而可以大幅度提高設(shè)計(jì)效率和成功率?？傊?，效能期望驅(qū)動(dòng)的可拓概念設(shè)計(jì)方法是針對(duì)軍事裝備概念設(shè)計(jì)的特殊要求而提出的，該方法可以提高軍事裝備概念設(shè)計(jì)的成功率和求解效率。

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