基于知識(shí)工程的固體動(dòng)力殺傷器總體設(shè)計(jì)方法

龍永松，劉玉祥，王 偉，黃 波，周福祥，陳忠祥

(江南機(jī)電設(shè)計(jì)研究所， 貴陽(yáng) 550009)

知識(shí)工程(knowledge engineering，KW)[1]作為一門新興學(xué)科，得到了國(guó)外軍事強(qiáng)國(guó)的廣泛關(guān)注和重點(diǎn)研究[2-9]。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院專門成立了工程信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，并與美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所合作，為產(chǎn)品造型和設(shè)計(jì)建模提供了基于知識(shí)的設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)。與此同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)室與美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、洛克希德·馬丁公司合作開(kāi)展“可組合對(duì)象的知識(shí)表示-啟用高級(jí)協(xié)作工程環(huán)境”項(xiàng)目，試圖推動(dòng)知識(shí)工程的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。此外，NASA還成立了知識(shí)管理團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)了以人為中心的信息管理平臺(tái)，便于人們學(xué)習(xí)和利用知識(shí)。

固體動(dòng)力殺傷器(以下簡(jiǎn)稱殺傷器)工作在臨近空間內(nèi)(高度范圍20～100 km)，是高層防空反導(dǎo)系統(tǒng)的重要組成部分。這類武器通常采用固體姿軌控直接力/氣動(dòng)力復(fù)合控制、低速比攔截、直接碰撞動(dòng)能殺傷等技術(shù)，具有高速、大機(jī)動(dòng)、寬適應(yīng)能力等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高空高超聲速機(jī)動(dòng)目標(biāo)的有效攔截。不過(guò)，殺傷器的高性能要求也帶來(lái)了諸多設(shè)計(jì)難題，比如飛行空域跨度大，氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)困難；制導(dǎo)精度要求高，控制系統(tǒng)復(fù)雜；機(jī)動(dòng)能力要求高，固體動(dòng)力姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)難度大等。以上問(wèn)題，傳統(tǒng)方法很難獲得滿足解決途徑，難以獲得最優(yōu)的殺傷器總體方案。

為此，本研究將知識(shí)工程技術(shù)引入殺傷器總體設(shè)計(jì)，首先分析殺傷器設(shè)計(jì)知識(shí)結(jié)構(gòu)，然后基于知識(shí)工程給出解決思路，最后建立殺傷器設(shè)計(jì)平臺(tái)并給出了結(jié)論。

1 殺傷器設(shè)計(jì)知識(shí)結(jié)構(gòu)

殺傷器設(shè)計(jì)包括總體、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、制導(dǎo)控制、固體動(dòng)力姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)、電氣系統(tǒng)等。根據(jù)各專業(yè)的關(guān)鍵程度和技術(shù)難度，本研究選擇氣動(dòng)設(shè)計(jì)、制導(dǎo)控制設(shè)計(jì)和姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為研究對(duì)象，描述知識(shí)工程在殺傷器設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用。

1) 氣動(dòng)知識(shí)結(jié)構(gòu)

殺傷器氣動(dòng)特性數(shù)據(jù)包括軸向力系數(shù)、法向力系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)、壓力中心系數(shù)、滾動(dòng)力矩系數(shù)和噴流干擾特性數(shù)據(jù)(力放大因子和力矩放大因子等)。它們都可以表示為殺傷器氣動(dòng)外形參數(shù)、馬赫數(shù)、攻角、滾轉(zhuǎn)角、雷諾數(shù)、噴流形式或噴流狀態(tài)的函數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

C=f(Ma,α,φ,Re,pj)

(1)

式中：Ma代表飛行馬赫數(shù)；α表示攻角；φ表示滾轉(zhuǎn)角；Re為雷諾數(shù)，表征工作高度對(duì)殺傷器氣動(dòng)特性的影響；Pj表示噴流形式或狀態(tài)。

由式(1)可知，殺傷器氣動(dòng)特征數(shù)據(jù)與其氣動(dòng)外形結(jié)構(gòu)、來(lái)流參數(shù)和工作狀態(tài)等參數(shù)存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，也即是說(shuō)：氣動(dòng)設(shè)計(jì)知識(shí)是輸入/輸出規(guī)律型知識(shí)。

2) 制導(dǎo)控制知識(shí)結(jié)構(gòu)

殺傷器制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是以殺傷器為研究對(duì)象，依靠人工經(jīng)驗(yàn)處理多種復(fù)雜設(shè)計(jì)信息，通過(guò)不斷調(diào)參、重復(fù)迭代、反復(fù)定點(diǎn)和六自由度仿真計(jì)算，才能獲得滿足性能要求的制導(dǎo)控制參數(shù)。以“定點(diǎn)調(diào)參”為例，為了滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，需要反復(fù)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，重復(fù)進(jìn)行仿真計(jì)算，直至獲得最優(yōu)輸出參數(shù)。以上過(guò)程，從知識(shí)工程角度看，包括了判斷規(guī)則、算法及計(jì)算公式等。

制導(dǎo)控制系統(tǒng)的知識(shí)通常以程序模塊形式存在，圖1給出了典型的比例-積分-微分(Proportion integral differential，PID)前饋和變結(jié)構(gòu)控制程序模塊框圖。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)殺傷器攔截作戰(zhàn)場(chǎng)景的不同，對(duì)各類模塊進(jìn)行靈活配置，形成不同的制導(dǎo)控制回路。也即是說(shuō)，制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識(shí)是組件型知識(shí)。

圖1 制導(dǎo)控制回路結(jié)構(gòu)知識(shí)框圖

3) 姿軌控動(dòng)力知識(shí)結(jié)構(gòu)

殺傷器固體動(dòng)力姿軌控系統(tǒng)的核心部件為推力調(diào)節(jié)裝置，每個(gè)推力調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)參數(shù)包括調(diào)節(jié)方式、結(jié)構(gòu)尺寸、控制方式和工作參數(shù)等，圖2給出了關(guān)鍵組件知識(shí)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵組件知識(shí)結(jié)構(gòu)框圖

完整的推力調(diào)節(jié)裝置，需要通過(guò)多個(gè)組件組合構(gòu)建。因此，姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識(shí)是案例型知識(shí)。

2 基于知識(shí)工程的解決思路

針對(duì)殺傷器氣動(dòng)、制導(dǎo)控制和姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的知識(shí)結(jié)構(gòu)，本節(jié)引入知識(shí)工程方法，綜合利用規(guī)律挖掘、知識(shí)組件封裝、實(shí)例推理等技術(shù)，解決殺傷器設(shè)計(jì)過(guò)程中的難題，達(dá)到支撐殺傷器快速高效設(shè)計(jì)的目的。

1) 氣動(dòng)映射規(guī)律挖掘

氣動(dòng)設(shè)計(jì)知識(shí)是輸入/輸出規(guī)律型知識(shí)，采用的映射規(guī)律挖掘流程如圖3所示。

圖3 氣動(dòng)特性映射規(guī)律挖掘流程框圖

具體過(guò)程為：首先建立不同殺傷器氣動(dòng)外形參數(shù)與氣動(dòng)特性數(shù)據(jù)之間的映射規(guī)律知識(shí)庫(kù)，然后通過(guò)知識(shí)工程方法構(gòu)建規(guī)律挖掘引擎，最后對(duì)氣動(dòng)外形與氣動(dòng)特性的映射規(guī)律進(jìn)行挖掘，獲取外形參數(shù)與氣動(dòng)特性數(shù)據(jù)之間的規(guī)律。

2) 制導(dǎo)控制系統(tǒng)知識(shí)組件封裝

制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識(shí)是組件型知識(shí)，其原理如圖4所示的知識(shí)組件驅(qū)動(dòng)技術(shù)框圖，完成系統(tǒng)知識(shí)組件封裝。

制導(dǎo)控制系統(tǒng)知識(shí)組件封裝過(guò)程中，通過(guò)控制回路設(shè)計(jì)過(guò)程梳理，建立了常用系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序模塊組件庫(kù)，完成了設(shè)計(jì)知識(shí)組件的封裝。據(jù)此，通過(guò)知識(shí)工程方法構(gòu)建相應(yīng)的過(guò)程執(zhí)行引擎，實(shí)現(xiàn)了制導(dǎo)控制設(shè)計(jì)知識(shí)組件的自動(dòng)執(zhí)行。

3) 推力調(diào)節(jié)裝置實(shí)例推理

姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識(shí)是案例型知識(shí)，本節(jié)針對(duì)推力調(diào)節(jié)裝置，采用實(shí)例推理技術(shù)進(jìn)行知識(shí)工程構(gòu)建，具體框圖見(jiàn)圖5所示。

具體流程為：建立固體姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)裝置實(shí)例庫(kù)，研究實(shí)例提取相似匹配算法，探索基于規(guī)則方法對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行修正；在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建實(shí)例推送引擎，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的推送。

圖4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識(shí)組件驅(qū)動(dòng)技術(shù)框圖

圖5 姿軌控推力調(diào)節(jié)裝置實(shí)例推理技術(shù)框圖

3 基于知識(shí)工程的殺傷器設(shè)計(jì)平臺(tái)

在前節(jié)基礎(chǔ)上，構(gòu)建殺傷器氣動(dòng)外形、制導(dǎo)控制系統(tǒng)、推力調(diào)節(jié)裝置等設(shè)計(jì)流程模板，完成了集成基于知識(shí)工程的殺傷器設(shè)計(jì)平臺(tái)設(shè)計(jì)，平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

上述設(shè)計(jì)平臺(tái)包括了知識(shí)資源、核心引擎、業(yè)務(wù)邏輯和用戶界面4個(gè)層次，每個(gè)層次的主要功能如下：

1) 知識(shí)資源層

知識(shí)資源層是殺傷器設(shè)計(jì)過(guò)程中所涉及的知識(shí)、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)層，提供對(duì)知識(shí)、數(shù)據(jù)的訪問(wèn)和安全管理的功能。根據(jù)殺傷器的設(shè)計(jì)需求，該層包括了氣動(dòng)特性、側(cè)向噴流干擾特性、控制方案、制導(dǎo)方案等知識(shí)庫(kù)，以及參數(shù)調(diào)整和推力調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)等數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖6 設(shè)計(jì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

2) 核心引擎層

殺傷器設(shè)計(jì)系統(tǒng)正常執(zhí)行，需要一系列的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，這些驅(qū)動(dòng)機(jī)制之間相互協(xié)調(diào)配合來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的功能需求。在本設(shè)計(jì)平臺(tái)內(nèi)，驅(qū)動(dòng)機(jī)制主要以驅(qū)動(dòng)引擎的形式表現(xiàn)，包括知識(shí)挖掘、過(guò)程組件化驅(qū)動(dòng)、知識(shí)存儲(chǔ)和實(shí)例推理四類引擎，全面放置在核心引擎層內(nèi)。

3) 業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層是為具體業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)的功能模塊，也是為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)而制定的具體功能組成。該層主要包括基于氣動(dòng)特性知識(shí)庫(kù)的氣動(dòng)特性建模、基于過(guò)程組件化驅(qū)動(dòng)的制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于實(shí)例推理的姿軌控推力調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)等工具。

4) 用戶界面層

用戶界面層是位各類設(shè)計(jì)提供的人機(jī)交互界面。在本研究中，主要涉及總體設(shè)計(jì)、氣動(dòng)設(shè)計(jì)、制導(dǎo)設(shè)計(jì)和發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)人員。

經(jīng)驗(yàn)證，上述設(shè)計(jì)平臺(tái)可以用于殺傷器總體設(shè)計(jì)，并且可以獲得了高質(zhì)量的殺傷器總體設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)論

1) 采用基于知識(shí)工程設(shè)計(jì)方法，可以有效解決先驗(yàn)知識(shí)的繼承、集成、重用、創(chuàng)新和管理等難題，為新設(shè)計(jì)奠定良好基礎(chǔ)；

2) 基于知識(shí)工程的殺傷器設(shè)計(jì)平臺(tái)，不僅可以獲得優(yōu)化總體設(shè)計(jì)方案，還可以大幅提高設(shè)計(jì)效率；

3) 基于知識(shí)工程設(shè)計(jì)平臺(tái)，可以推廣到其他武器裝備總體設(shè)計(jì)中，提升我國(guó)武器裝備總體設(shè)計(jì)能力。