基于模型的無人機系統(tǒng)架構(gòu)綜合評估方法

盧元杰, 劉志敏, 孫智孝, 闞 東

(沈陽飛機設(shè)計研究所, 遼寧 沈陽 110035)

0 引 言

飛機總體設(shè)計的主要任務是把不同的專業(yè)和系統(tǒng)創(chuàng)造性地綜合到一起,使飛機整體性能優(yōu)化,達到規(guī)定的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求。傳統(tǒng)飛機總體設(shè)計主要受飛行力學、空氣動力學、結(jié)構(gòu)力學等性能要求驅(qū)動和約束,所以總體方案權(quán)衡或優(yōu)化一般選取飛機的幾何特征或空間位置等參數(shù)作為設(shè)計變量,大多使用多學科設(shè)計優(yōu)化技術(shù)開展飛機總體設(shè)計與優(yōu)化。隨著信息化和智能化技術(shù)在飛機上的廣泛應用,飛機總體設(shè)計越來越表現(xiàn)出了機械化、信息化和智能化“三化融合”的技術(shù)特征,飛機越來越多的功能由機械、電子、軟件等組件來共同實現(xiàn)。目前,飛機總體設(shè)計單位在工程上逐漸發(fā)展為采用基于模型的系統(tǒng)工程(model-based systems engineering, MBSE)方法來構(gòu)建涵蓋需求、功能、邏輯和物理等設(shè)計特征的飛機系統(tǒng)架構(gòu),以模型為載體,描述和定義飛機總體技術(shù)方案。

國內(nèi)外眾多學者針對飛行器總體技術(shù)方案綜合評估開展了很多研究。Al-Ahmed等在飛機概念和初步設(shè)計中綜合了作戰(zhàn)效能。Mavris等在飛機總體方案評價準則中考慮可支付性、任務能力、可用性、生存力和安全性等5種屬性。劉曉東等提出采用任務能力、可用性或戰(zhàn)備完好性、戰(zhàn)時生存性、安全性、經(jīng)濟可承受性及研制風險等作為評審指標。黃俊等基于作戰(zhàn)能力、可靠性、維修性、保障性、安全性、生存力、適應性等性能標準和壽命周期費用,建立了作戰(zhàn)飛機總體設(shè)計的綜合評價準則,給出了評價準則的計算公式和作戰(zhàn)飛機總體設(shè)計的評估方法。朱力立等基于效費評估的思路提出了飛機綜合航電系統(tǒng)的綜合評估準則。采用MBSE方法開展復雜系統(tǒng)總體方案的描述和定義是當前工程領(lǐng)域的發(fā)展趨勢,因此從系統(tǒng)架構(gòu)的視角開展基于模型的綜合評估逐漸成為研究熱點。Selva等采用系統(tǒng)工程方法,將架構(gòu)模型作為技術(shù)決策的工具,開展了對歐洲航天局環(huán)境衛(wèi)星的架構(gòu)權(quán)衡。Kaslow等采用MBSE方法定義了CubeSat衛(wèi)星的系統(tǒng)邏輯架構(gòu)和邏輯元素。Cencetti等通過在MBSE環(huán)境中集成多學科優(yōu)化工具,權(quán)衡系統(tǒng)的備選解決方案。Bagdatli等在飛機總體設(shè)計中,建立了MBSE模型與多學科優(yōu)化模型之間的連接,聯(lián)合開展設(shè)計空間探索與權(quán)衡。為適應飛機總體方案設(shè)計與權(quán)衡方法的發(fā)展,本文提出基于模型的無人機系統(tǒng)架構(gòu)綜合評估方法。

1 無人機系統(tǒng)架構(gòu)建模

無人機系統(tǒng)架構(gòu)以系統(tǒng)需求為輸入,主要包括:功能架構(gòu)、邏輯架構(gòu)和物理架構(gòu)。功能架構(gòu)和邏輯架構(gòu)采用系統(tǒng)建模語言(systems modeling language, SysML)定義,通過用例圖、活動圖、順序圖和狀態(tài)機圖描述系統(tǒng)連續(xù)和并發(fā)的行為。功能架構(gòu)主要關(guān)注系統(tǒng)需求的完整性覆蓋以及與外部施動者的交互,表現(xiàn)為系統(tǒng)黑盒建模。邏輯架構(gòu)主要關(guān)注系統(tǒng)元素組成及其內(nèi)部的交互關(guān)系,是對功能架構(gòu)的聚類,表現(xiàn)為系統(tǒng)白盒建模。

物理架構(gòu)建模通常涉及外形尺寸、空間位置、機電液等物理特性,是功能和邏輯架構(gòu)在物理世界的映射。一般可采用CATIA、Modelica、Matlab/Simulink、AMESim等語言或工具建模。

2 系統(tǒng)架構(gòu)綜合評估流程

在傳統(tǒng)飛機研制中,設(shè)計與評估工作一般串行開展,只有當設(shè)計工作完成之后才能進行評估,方案迭代周期長。而采用MBSE方法開展飛機研制后,可以建立基于模型的設(shè)計與評估一體化流程,以系統(tǒng)架構(gòu)模型仿真數(shù)據(jù)直接作為綜合評估模型的輸入,在保證模型準確性的前提下,評估結(jié)果更接近系統(tǒng)真實水平。

基于模型的系統(tǒng)架構(gòu)綜合評估具體思路如下:通過對具體任務(如探測)的詳細分析,抽象出其中的任務對象(如飛機和探測目標)和環(huán)境;然后對各對象的屬性、操作及其交互關(guān)系進行具體的描述,進行功能、邏輯和物理架構(gòu)設(shè)計,從而建立起系統(tǒng)架構(gòu)仿真模型。在完善的評估指標體系支撐下,向仿真試驗提出試驗規(guī)范,生成試驗用例,并綜合運用仿真試驗分析結(jié)果和專家經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行多層次的綜合評估分析。將綜合評估結(jié)果反饋給飛機總體方案設(shè)計環(huán)節(jié),為方案設(shè)計提供決策建議和迭代優(yōu)化依據(jù)?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)架構(gòu)綜合評估流程如圖1所示。

圖1 基于模型的系統(tǒng)架構(gòu)綜合評估流程Fig.1 Model-based integrated evaluation process of system architecture

3 評估指標體系構(gòu)建原則

3.1 全面性原則

隨著商業(yè)或軍事需求的持續(xù)牽引以及新技術(shù)的不斷推動,飛機架構(gòu)越來越復雜。因此,必須進行全面考慮,從而在目標、變量和約束間進行權(quán)衡,實現(xiàn)方案的最優(yōu)。評估指標體系要能反映具體飛機的運行概念特點和綜合運用狀況,以保證綜合評估的全面性和可信度。因此在建立評估指標體系時遵循如下全面性原則:

(1) 針對飛機需求,進行面向任務的完整描述;

(2) 列入對架構(gòu)方案具有高敏感度的評估指標,從而能依據(jù)指標權(quán)衡方案;

(3) 在滿足評估要求和給出決策所需信息的前提下,應盡量降低各指標間的耦合度,并突出主要指標;

(4) 指標應具備明確的物理意義;

(5) 指標可利用數(shù)學或仿真模型求解。

3.2 層次性原則

無人機在功能和產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)方面均具有層次性,可以按產(chǎn)品分解為飛機級、系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級、子系統(tǒng)級、設(shè)備級等。根據(jù)MBSE方法構(gòu)建三級指標體系,充分反映系統(tǒng)在各項任務中的綜合能力,保證系統(tǒng)在預期環(huán)境中達到任務使命。三級指標定義如下：

效能測量(measures of effectiveness, MOE)指標是對運行使用成功的度量,旨在關(guān)注任務使命達到的程度,獨立于特定解決方案。

性能測量(measures of performance, MOP)指標是在特定的運行環(huán)境下,用于體現(xiàn)系統(tǒng)運行相關(guān)物理或功能屬性的度量指標,與系統(tǒng)要求相關(guān)。MOP層應派生自MOE或其他需求,一般為明確量化的功能屬性。例如速度、載荷、距離、頻率等。

技術(shù)性能測量(technical performance measures, TPM)指標是系統(tǒng)元素的特征屬性度量,是系統(tǒng)設(shè)計成功的關(guān)鍵參數(shù),用以確定系統(tǒng)或系統(tǒng)元素滿足技術(shù)需求和目標的程度,與系統(tǒng)實現(xiàn)相關(guān)。

在無人機研制中,MOE、MOP、TPM三級指標的來源、類型、獲取方式以及相互關(guān)系示意如圖2所示。

圖2 無人機MOE-MOP-TPM指標關(guān)系Fig.2 MOE-MOP-TPM measures relationship of unmanned aerial vehicle

4 無人機系統(tǒng)架構(gòu)評估指標體系

歸納總結(jié)目前國內(nèi)外無人機的任務特點,根據(jù)評估指標體系全面性和層次性構(gòu)建原則,建立適用無人機系統(tǒng)架構(gòu)綜合評估的三級指標體系,其一、二級指標分層示意圖如圖3所示。影響無人機性能的7個主要因素構(gòu)成了指標體系中的一級指標,包括探測能力、生存能力、打擊能力、機動能力、測控能力、任務重規(guī)劃能力、保障能力等,本文將選取其中幾個典型指標較為詳細地介紹。

圖3 無人機系統(tǒng)架構(gòu)綜合評估指標體系示意圖Fig.3 Schematic diagram of integrated evaluation measures of unmanned aerial vehicle system architecture

上述指標體系中的輸入有兩類。第一類如傳感器的探測距離、探測頻率等可以由系統(tǒng)方案中的設(shè)計參數(shù)直接給出或基于方案設(shè)計參數(shù)通過解析模型計算得到。第二類如目標識別概率、命中精度、虛警率等,往往與系統(tǒng)完成具體任務的過程、目標和環(huán)境特性等相關(guān),既不能直接由設(shè)計參數(shù)給出,也無法由解析方法給出精確的求解。對于第二類指標,通過仿真獲取其數(shù)值是一種有效的手段,即通過在給定輸入條件下運行模型來進行模擬仿真試驗,得到的結(jié)果數(shù)據(jù)直接經(jīng)過統(tǒng)計處理后給出指標值。

4.1 探測能力

無人機的探測能力包括主動和被動探測。對一般無人機而言,機載光電瞄準能力和無源探測能力是兩個主要的二級指標。

機載光電瞄準能力主要來源于可見光、紅外和激光等探測設(shè)備,可由各種探測設(shè)備的探測距離和目標識別等能力計算得出。無源探測能力可分解為探測距離、定位精度、定位收斂時間、俯仰角覆蓋范圍、方位角覆蓋范圍、目標處理容量等6個三級指標。如圖4所示。

圖4 探測能力指標分層示意圖Fig.4 Schematic diagram of detection capability measures

探測能力指標中,各類有源、無源傳感器的探測識別距離、探測頻率、探測覆蓋空間范圍、目標處理容量等指標可由方案設(shè)計參數(shù)直接給出或由若干設(shè)計參數(shù)構(gòu)成的解析模型計算得到;而諸如目標識別時間、目標識別概率、定位精度、定位收斂時間等指標除了與傳感器本身的性能有關(guān),還和探測目標對象以及傳感器與目標的相對態(tài)勢緊密相關(guān),因此不容易通過設(shè)計參數(shù)直接得到。

可以建立包含無人機、目標和環(huán)境等模型的仿真系統(tǒng),開展大規(guī)模的蒙特卡羅仿真或是通過試驗設(shè)計設(shè)置一定條件的多樣本仿真,由此獲得大量探測仿真結(jié)果數(shù)據(jù);然后基于合適的數(shù)理統(tǒng)計方法或解析求解模型,得到上述指標的有效值。以定位精度指標為例,其基于仿真數(shù)據(jù)的求解過程如下:

(3) 計算定位精度,即求誤差序列標準差。

(1)

(2)

式中：為定位目標與傳感器之間的直線距離,通過仿真數(shù)據(jù)計算得到。

4.2 生存能力

無人機的生存能力與其隱身能力、雷達告警能力密切相關(guān)。其中隱身性能是無人機的重要指標,又可以分為雷達、紅外、射頻3個方面。具體性能可根據(jù)無人機的自身參數(shù)計算得到,如雷達隱身性能可由各個角度的雷達散射截面積得出。

雷達告警能力反映了對敵方雷達威脅信號的告警性能,可分解為告警頻率覆蓋范圍、告警測頻精度、告警距離、告警虛警率、告警響應時間等5個三級指標。

生存能力的指標分層示意圖如圖5所示。

圖5 生存能力指標分層示意圖Fig.5 Schematic diagram of survivability measures

和探測能力類似,生存能力同樣有部分指標可以由方案設(shè)計參數(shù)直接給出,如告警頻率覆蓋范圍、告警距離等;有部分指標可以基于方案設(shè)計參數(shù)的解析模型計算得到,如機載設(shè)備射頻強度、尾噴口輻射強度、尾焰輻射強度、雷達散射截面積等;另外還有部分指標則需要通過仿真數(shù)據(jù)計算得到,如告警虛警率、截獲距離、截獲因子等。

以尾噴口輻射強度為例,其解析求解過程如下。

尾噴口輻射強度:

(3)

=cos

(4)

式中:為尾噴口的全輻射強度;為尾噴口的全輻射亮度;為尾噴口的溫度;為發(fā)動機尾噴口的發(fā)射率;為噴口截面法線與觀測方向的夾角;為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù);為噴口面積。

以告警虛警率為例,其基于仿真數(shù)據(jù)求解過程如下:

(5)

式中:是由仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到的告警虛警率;為仿真次數(shù);是在第次仿真中,機載傳感器對目標虛警與否(虛警為1,否則為0)的仿真結(jié)果。

4.3 打擊能力

無人機的打擊能力可以進一步分為作戰(zhàn)半徑、武器攻擊能力和飛行管理能力等3個二級指標。

其中作戰(zhàn)半徑可根據(jù)其巡航速度、巡航時間計算得出。武器攻擊能力根據(jù)武器的不同種類有所不同,可分解為武器掛載類型、武器掛載數(shù)量、武器射程、武器有效毀傷半徑、武器命中精度、單枚武器投放時間等6個三級指標。飛行管理能力則分為飛控能力和導航能力2個三級指標。如圖6所示。

圖6 打擊能力指標分層示意圖Fig.6 Schematic diagram of attacking capability measures

打擊能力的大部分指標都可由方案設(shè)計參數(shù)直接給出或基于方案設(shè)計參數(shù)進行解析求解得到,如巡航時間、武器掛載類型等。武器命中精度則可通過開展大樣本的蒙特卡羅仿真,獲得大量的武器仿真落點數(shù)據(jù),得到武器命中精度的指標值。

4.4 機動能力

機動能力是對無人機機動特性的描述,一般包括爬升率、最大過載、最大瞬時轉(zhuǎn)彎角速度、最大平飛速度等4個二級指標,如圖7所示。

圖7 機動能力指標分層示意圖Fig.7 Schematic diagram of maneuverability measures

4.5 測控能力

測控能力主要衡量地面站對無人機的遙測和遙控能力,可分解為遙測鏈路傳輸速率、遙控鏈路傳輸速率、地空通信距離、地空通信延時等4個二級指標,如圖8所示。

圖8 測控能力指標分層示意圖Fig.8 Schematic diagram of telemetry and telecontrol capability measures

4.6 任務重規(guī)劃能力

任務重規(guī)劃能力主要評價無人機的任務適應性和快速響應能力,可分解為重規(guī)劃響應時間、攻擊策略數(shù)量、攻擊目標數(shù)量等3個二級指標,如圖9所示。

圖9 任務重規(guī)劃能力指標分層示意圖Fig.9 Schematic diagram of task replanning capability measures

4.7 保障能力

保障能力主要通過可靠性和維修性等維度評估,其中可靠性通過平均故障間隔時間、無維修待命時間兩個三級指標來描述,維修性通過平均修復時間、平均預防性維修時間、發(fā)動機更換時間、大修時間等4個三級指標來描述,如圖10所示。

圖10 保障能力指標分層示意圖Fig.10 Schematic diagram of support capability measures

5 基于層次分析法的綜合評估方法

在得到每一層的指標評估結(jié)果后,運用綜合評估方法對評估結(jié)果進行綜合分析,進而得到整個系統(tǒng)的綜合評估結(jié)果。層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)是一種將定性和定量分析相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法,是分析多目標、多準則復雜系統(tǒng)的有力工具。

運用層次分析法開展綜合評估,可分為以下幾個步驟:

分析系統(tǒng)中諸元素之間關(guān)系,建立系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),即建立評估指標體系。

在上一層準則下,對本層個元素中的任意兩個元素和進行兩兩比較重要性并賦值,得出判斷矩陣:

(6)

計算各層元素對系統(tǒng)的合成權(quán)重,并進行排序;根據(jù)判斷矩陣,求出每一指標的相對權(quán)重,并進行一致性檢驗。本文采用幾何平均法求權(quán)重,其表達式為

(7)

最終需要得到各個元素對于總目標的相對權(quán)重,從而進行方案選擇。

6 綜合評估軟件實現(xiàn)與方案評估案例

6.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計實現(xiàn)了一個系統(tǒng)架構(gòu)多方案權(quán)衡軟件,此軟件可以基于無人機系統(tǒng)架構(gòu)模型仿真結(jié)果和設(shè)計參數(shù),開展總體技術(shù)方案的評估與分析工作,包括評估工程管理、指標體系管理、指標評估模型管理、綜合評估等。

6.2 綜合評估案例

采用本文方法對兩套無人機系統(tǒng)架構(gòu)方案進行了綜合評估。兩套方案在探測能力方面的指標數(shù)值來自于設(shè)計參數(shù)和架構(gòu)模型仿真結(jié)果,其部分指標數(shù)值如表1所示。針對某探測任務,方案1和方案2的探測能力評分分別為5304和6218,該評估結(jié)果可支撐總體技術(shù)方案的權(quán)衡與優(yōu)化。

表1 兩種方案參數(shù)Table 1 Parameters of the two solutions

7 結(jié) 論

“MOE-MOP-TPM”三級指標體系符合全面性和層次性原則,具有“向上追溯、向下分解”的特征,是一種有效的無人機系統(tǒng)架構(gòu)綜合評估指標體系構(gòu)建方法。通過建立系統(tǒng)架構(gòu)模型和綜合評估模型關(guān)聯(lián),將系統(tǒng)架構(gòu)模型仿真結(jié)果如目標識別概率、命中精度等直接作為評估指標體系的輸入,可以更準確評估當前系統(tǒng)方案的功能與性能。以模型為載體的系統(tǒng)架構(gòu)綜合評估方法,貫通了設(shè)計與評估綜合流程,滿足了無人機總體技術(shù)方案快速閉環(huán)設(shè)計與優(yōu)化目標,可對降低研制風險、縮短研制周期、提升系統(tǒng)運行效能起到積極作用。