飛行器地面試驗評價方法研究

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(1.中國人民解放軍空軍航 空維修技術(shù)學院，長沙 410124;2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041; 3.中國人民解放軍 空軍研究院，北京 100076)

0 引言

飛行器地面試驗[1]是一項在地面模擬真實飛行環(huán)境下，對飛行器、發(fā)動機及機載設(shè)備等進行探索、驗證和研究的系統(tǒng)工程。試驗覆蓋裝備全生命周期，是發(fā)現(xiàn)和解決飛行器及部件在設(shè)計、生產(chǎn)、制造中的問題，是促使新機各項指標更科學、更先進的不可缺少的環(huán)節(jié)。

國軍標中地面試驗規(guī)范給出了基本試驗參數(shù)和試驗方法，在制定試驗大綱和實際試驗中往往遇到多種試驗方案選擇、不同試驗環(huán)境搭建、不同試驗數(shù)據(jù)處理方法等問題，多個環(huán)節(jié)的耦合又造成試驗誤差放大。另外，飛行器地面試驗評價決定著試驗結(jié)果的效能是否合理，衡量地面試驗是否達到預(yù)期試驗?zāi)康?，如技術(shù)指標和功能要求的符合度、極限邊界條件下的性能指標等。當試驗效果較差時，需要分析試驗評價結(jié)果，進而從試驗過程、試驗方法、試驗手段或數(shù)據(jù)處理等方面進行試驗修正，進一步提高試驗效能。

為解決這一問題，文中提出了一種基于試驗建模的地面試驗適用度評價方法，將試驗需求、試驗環(huán)境、試驗過程、試驗方法、試驗手段、試驗數(shù)據(jù)處理整理在統(tǒng)一的試驗?zāi)Ｐ椭校ㄟ^適用度評價選出最優(yōu)化的試驗方案。

1 基于UML方法的試驗建模技術(shù)

對試驗環(huán)節(jié)和試驗行為的試驗建模，目的是為了計算多維度的中間適用度度量指標，進而通過適用度計算算法得到綜合適用度指標。首先采用基于統(tǒng)一建模語言(unified modeling language, UML)的建模方法對6個試驗環(huán)節(jié)進行建模。UML融合了早期各種建模語言的優(yōu)點，在面向?qū)ο蠓治龊驮O(shè)計方面完全能夠?qū)崿F(xiàn)可視化建模過程。

基于UML方法的飛行器地面試驗?zāi)Ｐ桶ǎ涸囼炐枨笈c目標、試驗任務(wù)、試驗過程、試驗資源、試驗場和試驗結(jié)果。模型中除了對所屬試驗環(huán)節(jié)的特征屬性進行描述外，還包括輸入輸出接口、數(shù)據(jù)需求和約束條件。試驗?zāi)Ｐ椭g可以通過繼承、包含和數(shù)據(jù)驅(qū)動等關(guān)系進行關(guān)聯(lián)。模型之間的關(guān)聯(lián)用來表達試驗環(huán)節(jié)之間的行為，本文中共提出了6個試驗行為，包括：需求生成任務(wù)、任務(wù)規(guī)劃過程，過程配置資源、資源發(fā)布試驗場、試驗場記錄試驗結(jié)果、結(jié)果對比需求。這些行為通過模型的接口和關(guān)聯(lián)關(guān)系連接，通過適用度計算算法，可計算出行為對應(yīng)的中間適用度，如生成適用度、規(guī)劃適用度、配置適用度等。

試驗建模工具[2]選擇美國Rational公司的面向?qū)ο蟮目梢暬９ぞ逺ationalRose，它包括了UML、OOSE以及OMT，因而可以方便建立基于UML描述的系統(tǒng)模型，能夠提供清晰的UML表達方法和完善的工具，是一套能滿足所有建模環(huán)境(Web開發(fā)，數(shù)據(jù)建模，VisualStudio和C++)需求能力和靈活性的完整解決方案。

建模機制按照UML規(guī)范定義的邏輯層次進行，主要包括靜態(tài)模型和動態(tài)模型。靜態(tài)建模是建模語言的基礎(chǔ)，主要包括類圖、對象圖、構(gòu)件圖以及相應(yīng)的部署圖等。動態(tài)建模是主要由交互圖(包括時序圖和協(xié)作圖)、狀態(tài)圖、活動圖來進行描述。UML的建模機制如圖1所示。

圖1 UML建模機制

試驗?zāi)Ｐ凸舶?2個模型，包括6個靜態(tài)模型和6個動態(tài)模型，其中靜態(tài)模型描述6個試驗環(huán)節(jié)，包括試驗需求、試驗任務(wù)、試驗過程、試驗資源、試驗場和試驗結(jié)果，動態(tài)模型對應(yīng)6個試驗行為，包括生成、規(guī)劃、配置、發(fā)布、記錄和對比，如圖2所示。

圖2 試驗環(huán)境與行為模型建模

針對上述6個試驗環(huán)節(jié)進行行為建模，模型包括元對象模型和對象模型。元對象模型是指進行概念描述建模的模型圖, 模型中包含該試驗環(huán)節(jié)通用特征的描述，如類型、參數(shù)、狀態(tài)、接口、數(shù)據(jù)需求和約束條件等。試驗對象模型主要根據(jù)試驗環(huán)節(jié)所關(guān)聯(lián)的元對象模型進行繼承、派生和擴展。對象模型可以是一類元對象模型單獨繼承/擴展產(chǎn)生, 也可以是一個已定義好的對象模型繼承而來, 也可以是由多個對象模型派生出來, 提供單個對象模型無法支持的功能[3]。

6個試驗環(huán)節(jié)模型間通過行為連接，分別為需求生成任務(wù)、任務(wù)規(guī)劃過程、過程配置資源、資源發(fā)布試驗場、試驗場記錄試驗結(jié)果、試驗結(jié)果對比需求。通過中間適用度評價算法對行為過程進行仿真并得出中間適用度，通過評價最終得到綜合適用度。綜合適用度在一定程度上反映了針對試驗需求和試驗?zāi)繕说脑囼炐軉栴}。

2 基于試驗建模的飛行器地面試驗評價體系實現(xiàn)

地面試驗適用度評價體系分為兩個過程：試驗建模和適用度評價。評價體系提出了適用度的試驗評價效能指標，并給出了度量和計算方法，最后按照不同評價方法對適用度進行評價，得到綜合適用度值。如圖3所示。

圖3 地面試驗適用度評價體系

通過對試驗需求、試驗任務(wù)等6個試驗環(huán)節(jié)進行調(diào)研，將所有試驗相關(guān)元素和過程進行開放式結(jié)構(gòu)建模，如試驗需求模型、試驗任務(wù)模型、試驗資源模型等。每個模型之間通過行為進行關(guān)聯(lián)。行為過程即仿真過程，如試驗需求生成試驗任務(wù)，試驗任務(wù)規(guī)劃試驗過程等。仿真結(jié)果就是評價體系中的中間適用度，適用度度量采用評分制，如試驗過程配置試驗資源的配置適用度可分為1～10分，資源占用最少而且試驗過程完全覆蓋的為10分，其次為9分，依次類推。這樣仿真結(jié)果便是一組多維度的中間適用度值。通過評價體系中的評價方法計算獲取最后的綜合適用度值。中間適用度評價方法可采用蛛網(wǎng)評價法、灰度關(guān)聯(lián)評價法、基準評價法等。

3 基于中間適用度的適用度評價方法

運用已建立的地面試驗適用度評價體系研究本文開展的驗證試驗及進行地面試驗建模和適用度評價。結(jié)合驗證方案試驗結(jié)果進行比較和驗證，給出適合飛行器地面試驗的最優(yōu)方案選擇和試驗策略。

通過“蛛網(wǎng)圖”評價、灰色關(guān)聯(lián)度分析和基準評價3種評價方法對飛行器在設(shè)計研制試驗、生產(chǎn)和交聯(lián)靜態(tài)試驗、地面試驗整個過程進行適用度評價。不同評價方法將對應(yīng)不同的適應(yīng)度評價值，結(jié)合試驗驗證方案對試驗過程、試驗方法、試驗手段、試驗數(shù)據(jù)進行適用度評價方法最優(yōu)化研究，并形成評價方法選擇標準。

如圖4所示，建立飛行器地面試驗的中間適用度評價體系，將試驗?zāi)Ｐ蜕傻闹虚g適用度Q1～Q6，通過不同的適用度評價方法獲取綜合適用度值，最終選取綜合適用度值較高的試驗方案進行驗證。

圖4 適用度評價方法示意圖

3.1 蛛網(wǎng)評價法

蛛網(wǎng)圖(spider chart)評價法[4]，又稱為戴布拉圖或雷達圖評價法，是一種圖形綜合評價方法，將評價對象的評價指標狀況通過二維平面圖形展示。該評價方法的中心思想是：根據(jù)需要確定被測評對象的主要評價指標，優(yōu)化選擇方法與選擇相應(yīng)的數(shù)值，對主要評價指標進行數(shù)值處理，通過專家評分法、對比分析法等，獲取具有選擇可比性的無量綱指標值。利用上述方法建立飛行器地面試驗評價的蛛網(wǎng)圖，共包括6個軸線，分別對應(yīng)地面試驗建模過程中的6個中間適用度指標，將中間適用度值在蛛網(wǎng)圖對應(yīng)位置進行描點，然后連線構(gòu)成一個六邊形，所得六邊形的面積對應(yīng)試驗方案的綜合適用度，面積最大者試驗方案最優(yōu)，如圖5所示。

圖5 蛛網(wǎng)圖評價法示意圖

蛛網(wǎng)圖評價[5]適合多個試驗方案的綜合評估，能較好地體現(xiàn)系統(tǒng)評價的真實性，在實際應(yīng)用中，通過具體問題進行具體分析，采用比較合理的方式和科學的方法來確定影響因素的分數(shù)相對值。蛛網(wǎng)圖具有簡單、直觀的特點，多為特征評價方法，在同一圖形上可呈現(xiàn)出多方面的特征，比較性強。但是，相對交互性較差，不能通過改變設(shè)計質(zhì)量來修改方案，一般先應(yīng)對評價指標進行充分分析，且生成的評價報告只能作決策參考。

3.2 灰色關(guān)聯(lián)評價法

灰色關(guān)聯(lián)度法是在信息不完整或不確定時，用來衡量兩因素間相似或相異程度的方法，若兩個因素相關(guān)程度較高，兩者之間的關(guān)聯(lián)度就高，反之就低。因此，灰色關(guān)聯(lián)度法的核心內(nèi)容是關(guān)聯(lián)度的建立[6]。

通過灰色關(guān)聯(lián)方法[8]對試驗方案進行評價的基本模型是：繼承已有試驗的適用度，并定為參考序列，按照灰色系統(tǒng)理論計算綜合適用度(灰色關(guān)聯(lián)度)，綜合適用度排序高的為最優(yōu)試驗。評價算法如下:

令歷史試驗的中間適用度作為參考序列x0，xi(i= 1,……, 6) 為比較序列。數(shù)據(jù)列的長度為m(參照試驗分析模型個數(shù)m=6)，x0(k)、xi(k)分別為序列x0與xi中第k個數(shù), 令Δi0(k)=|xi(k)-x0(k)|，則x0(k)與xi(k)的關(guān)聯(lián)系數(shù)為：

(1)

式(1)中，ε∈[0,1]為分辨系數(shù)。

根據(jù)關(guān)聯(lián)系數(shù)，求得綜合適用度。

(2)

對綜合適用度γ(χi，χ0)(i=1,2,……n)進行大小排序，適用度越大，說明其對應(yīng)的數(shù)據(jù)序列越接近參考序列，所對應(yīng)的試驗方案為優(yōu)。

灰色關(guān)聯(lián)度法應(yīng)用范圍較廣，特別適合于指標值數(shù)量較少、而且離散的場合，是一種很好的分析系統(tǒng)中多因素關(guān)聯(lián)程度的評價方法。

3.3 基準評價法

評價時一般先選定一個基準試驗[5]，如歷史試驗的平均水平。通過試驗建模，仿真求得中間適用度，作為基準數(shù)據(jù)。將待評價中間適用度指標和權(quán)重評價因子代入評價算法，求得綜合適用度。

(3)

其中:A為權(quán)重評價因子，由下面層次分析法求得。

根據(jù)評價指標體系構(gòu)造判斷矩陣，依據(jù)指標體系中各層指標的關(guān)系, 利用比率標度方法, 對同一準則下同層次各個指標進行兩兩比較和量化，構(gòu)造判斷矩陣[5]。求出判讀矩陣的最大特征根，并進行一致性檢驗。

(4)

(5)

基準評價法通過將各試驗方案與基準試驗方案進行對比，使得實驗方案中的各項指標度量規(guī)范化和無量綱化，從而解決了指標量綱不一致的缺陷，可作為一個定量評價標準進行系統(tǒng)的綜合評價。

4 評估方法應(yīng)用

點火試驗是飛行器地面試驗的關(guān)鍵部分，通過地面試驗對點火器的工作狀態(tài)、時序控制等進行測量評估，以便為飛行器正式飛行試驗提供可靠的數(shù)據(jù)[7]。本評估方法在某飛行器地面點火試驗中對試驗需求、試驗任務(wù)等6個試驗環(huán)節(jié)進行調(diào)研，將所有試驗相關(guān)元素和過程進行開放式結(jié)構(gòu)建模，每個模型之間通過行為進行關(guān)聯(lián)，生成仿真過程，通過中間適用度評價算法，得到一組多維度的中間適用度值(1～10)，然后采用蛛網(wǎng)評價法、灰度關(guān)聯(lián)評價法、基準評價法等進行綜合評價得到綜合適用度值，依據(jù)適用度值，選取效能高的方案進行試驗，取得了良好的驗證效果。

4.1 飛行器地面點火試驗建模

以某飛行器地面點火試驗方案需求為例進行試驗建模研究，根據(jù)UML建模規(guī)范，首先明確點火試驗方案中，點火系統(tǒng)的邊界即系統(tǒng)參與者：點火發(fā)控設(shè)備、系統(tǒng)操作人員、指控系統(tǒng)、點火器、控制軟件、定時器等。其中點火器可選擇點火電路或模擬負載兩種試驗方案，使用RationalRose軟件建立試驗方案的動態(tài)模型，對參與者進行用例分析，生成的用例圖如圖6所示，描述系統(tǒng)中各參與者所對應(yīng)的不同功能。

圖6 用RationalRose軟件生成的用例圖

用例圖在UML建模語言中起支配作用，描述系統(tǒng)外部可見的行為，確定了一種強制力量，并驅(qū)動和約束后續(xù)功能的開發(fā)。用例視圖生成后，進入與用例圖對應(yīng)的行為視圖生成階段，該行為模型是對一個具有明確業(yè)務(wù)功能的描述，因此其模型元素主要包括以下內(nèi)容：時序圖、活動圖等，采用RationalRose工具進行描繪，可以清晰、高效地完成對某飛行器地面點火試驗任務(wù)的需求分析，同理為試驗任務(wù)、試驗過程、試驗設(shè)備等6個試驗環(huán)節(jié)分別建模，進行行為關(guān)聯(lián)，生成兩種點火試驗方案的試驗建模仿真過程。

4.2 點火試驗中間適用度評價應(yīng)用

基于上述兩種某飛行器地面點火試驗方案的試驗?zāi)Ｐ停谠囼灧桨副容^選擇過程中，首先根據(jù)模型建立中間適用度評價體系，如圖7所示。不同試驗階段的適用度值需綜合各階段對應(yīng)的主要評價指標獲取。評價指標覆蓋了試驗方案的多方面因素，而且能夠根據(jù)指標的度量值反映用戶需求，并由此來反映各適用度指標對整個試驗方案的綜合影響程度。例如綜合某點火試驗方案的試驗任務(wù)復(fù)雜程度和試驗任務(wù)滿足試驗需求的程度，可得到方案對應(yīng)的生成適用度Q1的對應(yīng)度量值。

圖7 某飛行器地面點火試驗中間適用度評價效能圖

根據(jù)上述中間適用度評價體系，各適用度指標的度量需綜合對應(yīng)的評價指標來獲取，對于兩種試驗方案不同階段的適用度Q1～Q6，根據(jù)評價體系中的適用度評價主要指標，可以得到兩組多維度的中間適用度值(1～10)，分別采用蛛網(wǎng)圖法、灰度關(guān)聯(lián)法、基準評價法進行方案的適用度評價計算，獲取綜合適用度，對比兩種方案的綜合適用度值，優(yōu)先選取適用度高的方案進行試驗驗證。

1)采用蛛網(wǎng)圖法進行試驗方案對比評價，將兩種點火試驗方案的中間適用度進行對比綜合評價。由于試驗生成、試驗規(guī)劃、試驗配置、試驗發(fā)布、試驗實施與記錄、試驗對比驗證與試驗方案的性能成正相關(guān)性，因此構(gòu)建的蛛網(wǎng)圖面積越大，表明對應(yīng)的試驗方案性能越高，方案的可行性越好。

如圖8所示，將兩種試驗方案的6個中間適用度值在蛛網(wǎng)圖上進行描點并連線，形成兩個星型圖像，該圖像反映了兩種方案各評價指標的狀態(tài)?？梢詮膱D中比較直觀得出試驗方案2的蛛網(wǎng)圖面積大于試驗方案1的蛛網(wǎng)圖面積，即方案2的綜合適用度值大于方案1的綜合適用度值。依據(jù)適用度值與試驗方案的正相關(guān)性，可優(yōu)先選取效能高的試驗方案2進行地面點火試驗。

圖8 某飛行器地面點火試驗方案蛛網(wǎng)圖對比

2)采用灰度關(guān)聯(lián)法，對兩種點火試驗方案的中間適用度進行綜合評價，選取歷史試驗的一個中間適用度作為參考序列，并對比參考序列進行灰度關(guān)聯(lián)度計算，分別求出兩種試驗方案相對參考序列的中間適用度關(guān)聯(lián)系數(shù)γi(j)(i=1,2，j=1,2,…6)，如表1所示。

表1 試驗方案灰度關(guān)聯(lián)系數(shù)

根據(jù)灰度關(guān)聯(lián)系數(shù)求兩種方案的灰度關(guān)聯(lián)度，即綜合適用度：

Γ01=0.8 483

(6)

Γ02=0.9 228

(7)

比較得Γ01>Γ02,說明方案2的比較序列更接近參考序列，方案2與參考方案的關(guān)聯(lián)度更高，可優(yōu)先選取方案2進行地面試驗。

3)采用基準評價法，依據(jù)試驗方案指標體系中各指標的關(guān)系,對同一準則下各個指標進行兩兩比較和量化，并根據(jù)一致性條件，求得判斷矩陣P，按照和法將P每一列數(shù)值進行歸一化處理，得出各評價指標的權(quán)重系數(shù)如下：

(8)

根據(jù)權(quán)重系數(shù)，求得各方案的綜合適用度：

*Mi=8.0 864

(9)

(10)

比較兩個方案的綜合適用度，得出最終綜合評估結(jié)果Q2>Q1,因此兩種試驗方案的優(yōu)先排序依次為：方案2、方案1，并以此作為試驗方案選擇的參考依據(jù)。

綜上，通過蛛網(wǎng)圖法、灰度關(guān)聯(lián)法、基準評價法3種評價方法，對兩種點火試驗方案進行綜合評價，均得出方案2優(yōu)于方案1的綜合評價結(jié)果。根據(jù)評價結(jié)果優(yōu)先選擇方案2進行地面點火試驗，取得了良好的試驗驗證效果，同時也為飛行器的正式飛行點火試驗提供了可靠的試驗數(shù)據(jù)依據(jù)。

5 結(jié)論

針對飛行器地面試驗建模仿真手段和評價體系有待完善、亟需提高試驗效能等需求，建立了飛行器地面試驗適用度評價規(guī)范，對飛行器地面試驗的不同環(huán)節(jié)要素進行建模并進行綜合評價，突破了基于試驗建模與適用度評價的飛行器地面試驗評價方法，能夠顯著提升飛行器機載系統(tǒng)試驗測試能力。對于面向裝備全壽命周期的系統(tǒng)測試與綜合驗證的功能，在后續(xù)工作中進行更深入的理論應(yīng)用研究，并提供充分的試驗數(shù)據(jù)依據(jù)。

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