無(wú)人機(jī)系統(tǒng)快速原型綜合評(píng)價(jià)方法綜述

無(wú)人機(jī)在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛，作用越來(lái)越大，發(fā)展速度也會(huì)越來(lái)越快。無(wú)人機(jī)正朝著長(zhǎng)航時(shí)、智能化、隱身性、多樣化等方向發(fā)展，隨著不同任務(wù)形勢(shì)的需要，能夠快速設(shè)計(jì)出適合特定任務(wù)的低成本無(wú)人機(jī)是未來(lái)飛行器研發(fā)的主要趨勢(shì)。

先進(jìn)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)需要從能量、物理、功能、控制等四方面進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，采用有效的綜合效能評(píng)估方法，期望能有助于節(jié)省飛機(jī)采購(gòu)成本、生命周期成本，降低起飛總重量、減小飛機(jī)體積，使得飛機(jī)在體積重量不變的條件下航程能有所增加。飛機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部負(fù)載進(jìn)行能量的效能評(píng)估，主要包括機(jī)械能、電能損失，阻力及熱的傳遞損失，以及不同時(shí)序和任務(wù)條件下導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)化時(shí)的損失。對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的各類功能系統(tǒng)的共同點(diǎn)與不同點(diǎn)進(jìn)行特征表述，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合工程實(shí)際，選取合適的評(píng)價(jià)因子，得出可行的算法模型，建立完善的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

在對(duì)飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行指標(biāo)評(píng)估時(shí)，首先應(yīng)該建立起系統(tǒng)的評(píng)估指標(biāo)體系，將分析所得到輸入輸出數(shù)據(jù)與相應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)相對(duì)應(yīng)，完成數(shù)據(jù)到影響的轉(zhuǎn)化。此外，由于評(píng)估用戶的評(píng)估目標(biāo)不同，因而評(píng)估不是一個(gè)簡(jiǎn)單的單目標(biāo)決策問(wèn)題，而是個(gè)多目標(biāo)決策問(wèn)題，因此評(píng)估工作不能只針對(duì)產(chǎn)品的某一方面進(jìn)行，而應(yīng)該從場(chǎng)景、安全、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的角度全方位地進(jìn)行飛機(jī)系統(tǒng)的評(píng)估，建立一個(gè)完整的評(píng)估指標(biāo)體系對(duì)正確評(píng)估和開(kāi)展產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作都具有重要的意義。

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)快速原型綜合評(píng)價(jià)技術(shù)方案

綜合評(píng)價(jià)總體技術(shù)方案擬建立在分層評(píng)估的基礎(chǔ)之上，飛機(jī)系統(tǒng)的效能影響參量既包括功率、重量、體積等系統(tǒng)性能參數(shù)，又包括可靠性、維修性、安全性、保障性、測(cè)試性等非功能要素，還包括經(jīng)濟(jì)性、壽命周期費(fèi)用等系統(tǒng)工程元素。對(duì)系統(tǒng)效能有影響的參量很多，但每種影響參量對(duì)系統(tǒng)效能的影響因子并不相同，必須對(duì)這些影響參量進(jìn)行歸一，轉(zhuǎn)換為對(duì)系統(tǒng)層的影響，根據(jù)單個(gè)參量變化對(duì)總體效能的影響進(jìn)行評(píng)估，才能對(duì)不同快速原型方案的總體效能進(jìn)行對(duì)比分析。

適合于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的層級(jí)效能評(píng)估方案如圖1所示，通過(guò)開(kāi)展飛機(jī)系統(tǒng)綜合權(quán)衡策略配置與分析，建立飛機(jī)系統(tǒng)綜合效能評(píng)估多級(jí)遞階層次結(jié)構(gòu)，結(jié)合運(yùn)用各類先進(jìn)理念及計(jì)算方法，找到創(chuàng)新突破口，以此開(kāi)展飛機(jī)系統(tǒng)效能提升研究，提出飛機(jī)系統(tǒng)效能評(píng)估準(zhǔn)則、評(píng)估參數(shù)獲取方法、評(píng)估算法；引導(dǎo)建立飛機(jī)系統(tǒng)綜合效能評(píng)估模型和評(píng)估環(huán)境；形成通用的評(píng)估規(guī)范和要求。

綜合評(píng)價(jià)的重點(diǎn)應(yīng)在方案選型之初，因?yàn)殡S著型號(hào)階段的開(kāi)展，越往后系統(tǒng)可修改的程度越低、修改產(chǎn)生的消耗越大，所以從方案選型、功能設(shè)計(jì)、性能設(shè)計(jì)三個(gè)階段來(lái)看，一個(gè)方案的好壞對(duì)系統(tǒng)的影響程度最高。功能設(shè)計(jì)階段的效能評(píng)估應(yīng)該著重于功能邏輯考核，對(duì)系統(tǒng)綜合效能進(jìn)行計(jì)算評(píng)估得出結(jié)果作為設(shè)計(jì)驗(yàn)證參考，開(kāi)展系統(tǒng)優(yōu)化迭代工作。性能設(shè)計(jì)階段由于各類成品性能已基本掌握，這時(shí)可以將五性指標(biāo)結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行一一對(duì)比，系統(tǒng)性能通過(guò)各類集成驗(yàn)證手段一一驗(yàn)證，然后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行符合性評(píng)估，繼續(xù)深入開(kāi)展系統(tǒng)優(yōu)化迭代工作。某無(wú)人機(jī)系統(tǒng)綜合評(píng)估方案如圖2所示。

飛機(jī)系統(tǒng)研制各階段效能評(píng)估規(guī)范研究

以下分別對(duì)方案階段、初設(shè)階段、詳設(shè)階段的無(wú)人機(jī)飛機(jī)系統(tǒng)效能評(píng)估展開(kāi)描述。

飛機(jī)系統(tǒng)方案階段效能評(píng)估研究

此階段主要的任務(wù)一般是確認(rèn)可選方案，對(duì)多個(gè)有可能的方案或主要關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行初步計(jì)算工作，此時(shí)飛機(jī)系統(tǒng)圍繞任務(wù)約束、以能量及熱的主線開(kāi)展協(xié)同設(shè)計(jì)，此階段集成驗(yàn)證的架構(gòu)主要集中在全數(shù)字虛擬聯(lián)合仿真，主要包括系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)思路，將飛機(jī)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)如動(dòng)力、環(huán)控、燃油、液壓、供電等系統(tǒng)銜接起來(lái)。結(jié)合集成驗(yàn)證的手段，對(duì)各類設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合效能評(píng)估，將能量利用率（能耗、代償損失）、重量、體積、技術(shù)成熟度、經(jīng)費(fèi)匡算、研制周期預(yù)計(jì)以及其它需要的指標(biāo)進(jìn)行集總綜合評(píng)估。

（1）確立系統(tǒng)方案階段評(píng)估目標(biāo)

系統(tǒng)方案的評(píng)估目標(biāo)：綜合各類指標(biāo)，參考評(píng)估準(zhǔn)則，確定預(yù)期最可能實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)方案。

機(jī)電系統(tǒng)的層級(jí)評(píng)估目標(biāo)：

（a）符合各類功能性能指標(biāo)的要求，覆蓋指標(biāo)范圍；

（b）開(kāi)展代償損失計(jì)算（包括重量和能耗預(yù)估）；

（c）開(kāi)展任務(wù)適應(yīng)性評(píng)價(jià)；

（d）開(kāi)展環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)；

（e）開(kāi)展五性及經(jīng)濟(jì)性預(yù)計(jì)和評(píng)價(jià)

（2）確立系統(tǒng)方案階段評(píng)估準(zhǔn)則

對(duì)照飛機(jī)系統(tǒng)層級(jí)評(píng)估目標(biāo)，采用不同方法確立評(píng)估準(zhǔn)則。

（a）方案計(jì)算、或仿真，確定是否符合功能要求，是否覆蓋指標(biāo)范圍

（b）燃油代償損失計(jì)算：重量、引氣、軸功率等；

（c）任務(wù)適應(yīng)性評(píng)分；

（d）環(huán)境適應(yīng)性相似推導(dǎo)，評(píng)分；

（e）五性預(yù)計(jì)、經(jīng)濟(jì)性計(jì)算；

（3）確立系統(tǒng)方案階段評(píng)估指標(biāo)

飛機(jī)系統(tǒng)初設(shè)階段效能評(píng)估研究

初步設(shè)計(jì)階段主要任務(wù)是進(jìn)行系統(tǒng)功能檢查確認(rèn)，結(jié)合控制系統(tǒng)C型件開(kāi)展控制架構(gòu)接口和邏輯功能定義檢查確認(rèn).此階段集成驗(yàn)證的架構(gòu)主要包括數(shù)字虛擬聯(lián)合仿真以及半物理集成驗(yàn)證，針對(duì)系統(tǒng)各功能模塊要求，以能量供應(yīng)、傳遞、輸出以及熱負(fù)載、傳輸、冷源匹配等為主線，將飛機(jī)系統(tǒng)各子系統(tǒng)銜接起來(lái)，按功能要求加入控制邏輯設(shè)計(jì)、故障診斷和和重構(gòu)邏輯設(shè)計(jì)，確定控制架構(gòu)硬件指標(biāo)，開(kāi)展集成驗(yàn)證，迭代系統(tǒng)設(shè)計(jì)，隨著系統(tǒng)各類參數(shù)的逐步明確，再將能量利用率（能耗、代償損失）、重量、體積、環(huán)境適應(yīng)性、任務(wù)適應(yīng)性等綜合指標(biāo)進(jìn)行集成驗(yàn)證、集總分析，通過(guò)效能評(píng)估得出迭代優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的建議。

（1）確立系統(tǒng)初設(shè)階段評(píng)估目標(biāo)

系統(tǒng)初設(shè)階段的評(píng)估目標(biāo)：在已選出的系統(tǒng)方案基礎(chǔ)上，通過(guò)各類功能評(píng)價(jià)指標(biāo)，開(kāi)展功能邏輯檢查。機(jī)電系統(tǒng)此層級(jí)評(píng)估目標(biāo)：

（a）符合各類功能指標(biāo)的邏輯評(píng)估檢查，故障及重構(gòu)邏輯評(píng)估；

（b）能量利用率、熱損計(jì)算；

（c）進(jìn)一步開(kāi)展五性優(yōu)化工作；

（d）經(jīng)濟(jì)性細(xì)化分析。

（2）確立系統(tǒng)初設(shè)階段評(píng)估準(zhǔn)則

對(duì)照系統(tǒng)層級(jí)評(píng)估目標(biāo)，采用不同方法確立評(píng)估準(zhǔn)則。

（a）功能邏輯評(píng)估檢查、故障與重構(gòu)邏輯檢查（半物理或仿真）；

（b）各系統(tǒng)能量利用率與熱管理仿真計(jì)算：

（c）五性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則檢查；

（d）經(jīng)濟(jì)性計(jì)算檢查。

（3）確立系統(tǒng)詳設(shè)階段評(píng)估指標(biāo)

飛機(jī)系統(tǒng)詳設(shè)階段效能評(píng)估研究

詳設(shè)階段主要任務(wù)是彌補(bǔ)實(shí)際物理試驗(yàn)系統(tǒng)性的不足，此階段集成驗(yàn)證的架構(gòu)主要包括數(shù)字虛擬聯(lián)合仿真以及半物理集成驗(yàn)證。針對(duì)系統(tǒng)各功能模塊要求，以能量供應(yīng)、傳遞、輸出以及熱負(fù)載、傳輸、冷源匹配等為主線，將飛機(jī)各子系統(tǒng)銜接起來(lái)開(kāi)展集成驗(yàn)證，迭代系統(tǒng)設(shè)計(jì)，隨著系統(tǒng)各類參數(shù)的全面明確，通過(guò)效能評(píng)估得出優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的建議。此時(shí)最大評(píng)估依據(jù)來(lái)源于各類實(shí)物試驗(yàn)和半實(shí)物試驗(yàn)，虛擬集成驗(yàn)證以及效能評(píng)估只提供輔助支撐。

（1）確立系統(tǒng)詳設(shè)階段評(píng)估目標(biāo)

系統(tǒng)詳設(shè)階段的評(píng)估目標(biāo)：在已開(kāi)展控制律設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案基礎(chǔ)上，通過(guò)各類性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，開(kāi)展集成驗(yàn)證確認(rèn)工作。該層級(jí)評(píng)估目標(biāo)：

（a）功能、性能符合度檢查；

（b）能量與熱綜合控制驗(yàn)證確認(rèn)；

（c）故障模式健康度檢查確認(rèn)；

（d）五性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)符合確認(rèn)。

（2）確立系統(tǒng)詳設(shè)階段評(píng)估準(zhǔn)則

對(duì)照系統(tǒng)層級(jí)評(píng)估目標(biāo)，采用不同方法確立評(píng)估準(zhǔn)則

（a）系統(tǒng)性能綜合評(píng)估（物理、半物理、仿真）；

（b）飛機(jī)系統(tǒng)各類特性評(píng)估：

（c）健康管理評(píng)估；

（d）五性、經(jīng)濟(jì)性復(fù)核確認(rèn)。

（e）確立系統(tǒng)詳設(shè)階段評(píng)估指標(biāo)

分層評(píng)估計(jì)算方法

前面描述了按研制階段的效能評(píng)估目標(biāo)與準(zhǔn)則。參考工程實(shí)踐，具體的評(píng)估指標(biāo)可按表1分解。

首先進(jìn)行按照系統(tǒng)方案的主架構(gòu)，仿真計(jì)算各類負(fù)載的瞬時(shí)能耗以及累積能耗，散熱所需要的制冷量計(jì)算。耗能少的方案相對(duì)較優(yōu)。

其次，能耗代表的軸功率進(jìn)行燃油代償損失分析，系統(tǒng)預(yù)計(jì)重量以及可能出現(xiàn)的引氣代償預(yù)計(jì)，均折算為燃油代償損失。整體損失較少的相對(duì)較優(yōu)。

根據(jù)成熟的產(chǎn)品類比系統(tǒng)重的關(guān)鍵產(chǎn)品，預(yù)估或計(jì)算五性符合度，最后要進(jìn)行全壽命周期成本計(jì)算即經(jīng)濟(jì)性預(yù)測(cè)，節(jié)省經(jīng)費(fèi)的相對(duì)較優(yōu)。

以下介紹燃油代償損失、經(jīng)濟(jì)性預(yù)計(jì)以及層次分析綜合評(píng)價(jià)的一些常用方法。

燃油代償損失計(jì)算

當(dāng)飛行器系統(tǒng)安裝后，為了運(yùn)輸、傳動(dòng)附件，克服氣動(dòng)阻力與完成其他要求，都需要消耗能量，最后一并歸結(jié)到飛行器上唯一能源-燃油的消耗上。這些消耗換算為飛行器起飛總質(zhì)量增加的項(xiàng)目，主要包含下列幾部分：系統(tǒng)固定裝置質(zhì)量及運(yùn)輸其所引起的燃油代償損失；從發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)引氣所引起的燃油代償損失；從發(fā)動(dòng)機(jī)軸輸出功率所引起的燃油代償損失；為克服附加的氣動(dòng)阻力所引起的燃油代償損失。

上述各因素都導(dǎo)致了飛行器起飛總質(zhì)量增加，采用起飛總質(zhì)量法估算不同系統(tǒng)方案，對(duì)飛行器增加的代償值來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的優(yōu)劣。

（1）系統(tǒng)重量M所引起的燃油代償損失Mf.S

經(jīng)濟(jì)性預(yù)計(jì)評(píng)估

飛機(jī)項(xiàng)目全壽命周期指一種型號(hào)飛機(jī)項(xiàng)目從需求調(diào)查、項(xiàng)目可行性論證、方案論證、工程研制、生產(chǎn)制造、使用和產(chǎn)品支援以及到壽命后的報(bào)廢處置整個(gè)從項(xiàng)目產(chǎn)生到終結(jié)的全過(guò)程。

在一個(gè)飛機(jī)項(xiàng)目全壽命內(nèi)各階段發(fā)生的費(fèi)用總和，稱為飛機(jī)項(xiàng)目的全壽命費(fèi)用。

為了進(jìn)行初步費(fèi)用估算，一個(gè)飛機(jī)項(xiàng)目的全壽命費(fèi)用可分解成以下四部分：

（1）論證、研制、試驗(yàn)和鑒定費(fèi)用CRDTE（階段1-階段4發(fā)生的費(fèi)用之和）；

效能-費(fèi)用分析有多種方法，比較廣泛使用的單參數(shù)分析法和概率分析法，對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的分析都具有較大的局限性。機(jī)電系統(tǒng)不可能用一個(gè)參數(shù)表示它的效能，因而效能分析方法不可能很簡(jiǎn)單，單一參數(shù)的選擇不同，效能-費(fèi)用分析的結(jié)果可能是相互矛盾的。概率分析法的局限性表現(xiàn)在單環(huán)節(jié)問(wèn)題的分析中。因?yàn)閱苇h(huán)節(jié)問(wèn)題用概率無(wú)法進(jìn)行分析比較，只能用物理參數(shù)表示。

飛機(jī)系統(tǒng)模糊層次分析綜合評(píng)價(jià)法

飛機(jī)系統(tǒng)層級(jí)效能評(píng)價(jià)可分為5個(gè)步驟進(jìn)行：

（a）對(duì)構(gòu)成評(píng)價(jià)系統(tǒng)的目的，評(píng)價(jià)指標(biāo)建立多級(jí)遞階的結(jié)構(gòu)模型。

（b）對(duì)同屬一級(jí)的要素以上一級(jí)的要素為準(zhǔn)則進(jìn)行比較，根據(jù)評(píng)價(jià)尺度確定其相對(duì)重要度，據(jù)此建立判斷矩陣。

（c）解權(quán)重判斷矩陣，得出特征根和特征向量，并檢驗(yàn)每個(gè)矩陣的一致性。計(jì)算出最底層指標(biāo)的組合權(quán)重。

（d）建立最底層評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬函數(shù)，求出隸屬度。

（e）對(duì)待評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行綜合分析。

確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重是模糊層次評(píng)價(jià)法中的重要步驟，其確定過(guò)程包括建立權(quán)重判斷矩陣、權(quán)重的計(jì)算、相容性判斷及誤差分析。

（1）建立權(quán)重判斷矩陣

判斷矩陣是層次分析法的基本信息，也是相對(duì)重要度計(jì)算依據(jù)。

顯然比值越大，則重要度越高。

（2）權(quán)重的計(jì)算

理論上講，對(duì)以某個(gè)上級(jí)要素為準(zhǔn)則所評(píng)價(jià)的同級(jí)要素之相對(duì)重要程度可以由計(jì)算比較矩陣A的特征值獲得。但因其計(jì)算方法較復(fù)雜，而且實(shí)際上只需要獲得對(duì)A粗略的估計(jì)，因此計(jì)算其精確特征值是沒(méi)有必要的。實(shí)踐中可以采用求和法或求根法來(lái)計(jì)算特征值的近似值。

當(dāng)C.R.<0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的；當(dāng)C.R.≥0.1時(shí)，該對(duì)判斷矩陣做適當(dāng)修正。

無(wú)量綱化過(guò)程，實(shí)質(zhì)上就是隸屬函數(shù)的建立過(guò)程。要把多個(gè)異量綱的評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合成一個(gè)總隸屬度，必須選取和建立某種隸屬函數(shù)，用以把按不同現(xiàn)實(shí)尺度刻劃的指標(biāo)值轉(zhuǎn)化成隸屬度。

總的說(shuō)來(lái)，隸屬函數(shù)就是要建立一個(gè)從論域到[0，1]上的映射，用來(lái)反映某對(duì)象具有某個(gè)模糊性質(zhì)或?qū)儆谀硞€(gè)模糊概念的程度。

按上式計(jì)算出的綜合評(píng)價(jià)值總是介于0和1之間。T反映了方案對(duì)于理想目標(biāo)（所有指標(biāo)值為最佳值，T = 1）的隸屬度，根據(jù)T值的大小可以進(jìn)行方案排序和選優(yōu)。

（b）乘積法

線性加權(quán)和法適用于各種評(píng)價(jià)指標(biāo)間相互獨(dú)立場(chǎng)合，各指標(biāo)對(duì)綜合水平的貢獻(xiàn)彼此是沒(méi)有什么影響的。

結(jié)論

本文所述的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)快速原型綜合評(píng)價(jià)方法研究是建立在當(dāng)前已經(jīng)非常成熟的飛機(jī)評(píng)價(jià)機(jī)制基礎(chǔ)之上的，結(jié)合實(shí)際型號(hào)研制階段過(guò)程對(duì)當(dāng)前飛機(jī)的綜合評(píng)價(jià)機(jī)制作有效補(bǔ)充。通過(guò)對(duì)評(píng)估方法的適用性、評(píng)估參量的準(zhǔn)確性、評(píng)估準(zhǔn)則的全面性等多方面開(kāi)展深入研究，形成了滿足飛機(jī)系統(tǒng)各研制階段的評(píng)估規(guī)范和其具體指標(biāo)，并針對(duì)各類評(píng)分或計(jì)算方法進(jìn)行了適用度研究，為今后先進(jìn)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)快速原型設(shè)計(jì)開(kāi)展綜合效能評(píng)估進(jìn)行了鋪墊。