總體一體化海量方案優選設計方法研究

趙 民，馬夢穎，楊 毅，許元男，高偉凱

（中國運載火箭技術研究院，北京，100076）

0 引 言

目前中國導彈總體設計經過長期發展，已經從經驗設計發展到多學科設計、優化設計，正在向一體化精細化設計階段發展。傳統設計理念和技術方法框架下，導彈總體方案論證和優化設計存在方案論證不充分、一體化程度不強、自動化效率較低等問題，主要原因包括：a）研制周期和計算資源約束強，時間和資源所限，在技術狀態組合覆蓋性和仿真精細程度方面難以實現全設計空間覆蓋；b）自動化方案生成管理與數據分析評估方法不完善，缺少總體方案批量生成與管理方法、多目標多維度綜合性能評估方法等；c）支持方案快速迭代演進的設計流程規范不健全，尚未建立支持總體一體化精細化設計的方法流程。

隨著學科模型精細化水平提升、計算機計算能力增強、先進設計理念的融合，復雜系統的總體設計方法將迎來變革性發展。面向未來導彈一體化精細化設計發展趨勢，基于數字化、一體化、模塊化、可演進的設計理念，提出總體一體化海量方案優選設計（Mass-Concept Based Optimum Seeking，MBOS）方法，為總體設計理念變革和總體設計能力提升探索新途徑。

1 總體設計方法發展歷程

中國的導彈研制始于20世紀50年代，在錢學森帶領下逐步壯大發展形成完整的導彈研制體系。根據研制方法和支撐技術不同，可將中國的導彈總體設計發展劃分為4個階段：跟仿研仿階段、正向設計階段、多學科優化設計階段和精細化設計階段。各階段的特點和支撐技術如下：

a）跟仿研仿階段（20世紀50年代）。

1956年中國的導彈研制正式進入啟動階段，由于基礎人才的缺乏和技術儲備的不足，導彈研制過程主要以跟仿研仿為主。這一階段的設計方法為反設計，通過對國外已有型號導彈的拆裝、測繪形導彈總體方案并完成跟仿研仿。

b）正向設計階段（20世紀60年代～70年代）。

這一階段由于積累了豐富的導彈仿制經驗，總體設計方案在基準方案基礎上不斷迭代更新，設計方法更加規范化和系統化。這一階段采用的總體設計方法包括原準彈法、統計設計法、參數分析法等。

c）多學科優化設計階段（20世紀80年代至今）。

從20世紀80年代開始,由于多學科設計優化（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）設計概念充分考慮多學科之間協同影響帶來的綜合提升效應[1]，迅速在航天領域導彈設計中得到的廣泛研究和快速發展，并逐漸與工業部門融合形成了導彈多學科優化設計總體設計方法[2]。這些關鍵技術的不斷成熟為MDO的應用推廣提供了強有力支撐，從而確保了MDO技術在工程型號研制過程中逐步得到應用實踐,成為導彈設計與研制過程中的設計助力[3,4]。

d）基于精細模型一體化設計階段（2010年至今）。

2007年，基于模型的系統工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）概念的提出進一步強調了系統工程技術與計算機技術和數字技術融合的必要性。基于精細化模型的設計方法能夠更為準確的表征復雜產品性能特征，從而更有效的發掘設計潛力和發現設計問題，逐漸成為復雜產品設計研制的必備環節[5]。

總體設計方法正向一體化精細化發展，與一體化設計、數字孿生（Digital Twins）、模塊化設計、協同設計環境等技術充分結合，為復雜系統設計提供了更為精準、可靠、高效的方法途徑[6]。其中，一體化設計技術強調學科細粒度交互特性以及多學科復雜耦合下問題的建模和求解；數字孿生技術通過對工業產品全生命周期過程中從物理特性到行為特征的全屬性數字空間虛擬表征，是一種融合模型、數據、算法、傳感器等技術，更全面、細粒度、高精度表征產品特征的建模手段；模塊化設計將復雜系統按照結構和功能特點分成具有特定功能的互換性強、接口標準的分系統，通過分系統的靈活組合實現面向多種應用場景的最佳系統方案配置；協同設計環境在MDO集成環境基礎上引入多人協同設計機制，更適合與現代化的團隊合作設計模式。上述關鍵技術從強耦合特性、精細化表征、細粒度建模、組件化配置、分布式協同等層面支撐現代總體設計方法在復雜系統工程的工程應用。

圖1 導彈總體設計方法發展歷程 Fig.1 History of the Development of the Missile System Design Methodology

典型一體化設計方法應用包括美國下一代戰略導彈哨兵（其前身為美國GBSD陸基戰略威懾導彈）設計過程，在其研發階段，哨兵通過數字化設計手段，形成了60億種不同的設計方案，并從中選擇出最優方案，實現了美國戰略導彈海量方案優選設計。

2 海量方案優選設計方法

2.1 方法步驟

海量方案優選設計的核心思想是圍繞設計對象提出一系列方案構想組成海量方案空間，對每個方案構想逐一進行優化設計，獲得方案空間內的優化解集。在優化解集中，根據不同的評價規則進行評估和優選，獲得滿足需求程度最高的設計方案。主要流程如圖2所示，包括海量方案生成、設計、評估3個步驟。

圖2 海量方案優選設計方法步驟 Fig.2 The Design Process of MBOS

a）海量方案生成：針對總體設計對象，以精細化模型進行方案構想描述和量化，辨識對總體關注性能影響較大的總體參數和分系統主要設計參數，以關鍵參數作為設計變量，設置取值范圍，將所有可能的設計狀態進行組合，考慮方案變異度，生成組合方案空間。考慮方案可行性，生成可行方案空間。

b）海量方案設計：在可行方案空間里，按單個方案性能最優及必要約束完成優化設計并存儲每個方案的設計參數和性能數據。包括總體方案及各系統的模型狀態、設計參量、總體與各系統性能、成本代價等，構成優化方案的解空間。

c）海量方案評估：在海量方案的解空間內進行數據篩選與挖掘分析。根據設計需求和目標構建評估指標體系和篩選規則，在海量數據中篩選出符合條件的方案或方案集合，對設計方案與性能參數進行可視化和分析。

2.2 特點優勢

多學科優化設計方法和海量方案優選設計方法都是基于精細模型的總體一體化設計方法，都能夠解決總體方案尋優問題。如表1所示，相比多學科優化設計，海量方案優選設計在理念、流程、算法依賴性、可擴展性等方面具有特點和優勢，可進一步拓展，用于方案演進設計。

表1 優化設計與優選設計對比 Tab.1 Comparison of Optimized Design and Preferred Design

續表1

3 總體一體化海量方案優選設計應用

以固體導彈發動機內彈道方案設計為例，研究海量方案優選設計方法的應用及效果。在傳統設計流程中，導彈總體設計與固體發動機設計串行進行，發動機系統根據總體提出的指標要求進行發動機性能最優的內彈道選型與優化，難以獲得以總體性能最優為目標的發動機內彈道方案。海量方案優選設計提供了將總體飛行彈道設計與發動機內彈道設計進行一體化設計的方法，支持總體性能挖潛與提升。

3.1 海量方案生成

總體動力一體化海量方案優選設計首先需要建立海量發動機方案庫，海量發動機設計方法通過給定總質量、直徑、總沖等設計約束，通過調整發動機關鍵設計參數，組合形成多種內彈道形式的海量發動機方案，涵蓋發動機全部設計空間，為總體提供完整全面的發動機模型庫，滿足不同外彈道、不同投擲能力的需求。

固體發動機方案生成將按燃燒室、噴管、殼體等部段，從裝藥設計、推進劑配方等維度進行設計。通過各維度設計參數組合，形成海量發動機方案，及發動機質量、尺寸、性能及成本等指標參數。發動機模型組成與輸入輸出參數如圖3所示。

圖3 發動機模型組成 Fig.3 Motor Module Segments Division

在給定各級發動機推進劑類型與裝藥量范圍的條件下生成發動機內彈道海量方案，內彈道曲線簇見 圖4。

圖4 海量發動機內彈道設計曲線 Fig.4 Massive Motor Internal Ballistic Design Curve

導彈總體設計根據外形、直徑、級數、發動機、彈道等模型驅動，生成不同狀態的總體方案，構成組合方案空間，組合方案在內彈道形式方面具有顯著差異性，可以覆蓋全部設計空間。根據可行性評估判據，對組合方案空間中不滿足工程可行性方案進行篩選，生成可行方案空間，其中可行方案數量達到百萬量級。

3.2 海量方案設計

對可行方案空間內的每個方案進行優化設計與性能預示。基于質量特性模型、氣動模型、彈道模型、控制模型、發動機模型，考慮飛行距離最遠與力熱環境約束，進行彈道優化設計，獲得可行方案對應的優化方案，將可行方案空間映射到優化方案空間。存儲優化方案空間中的全息數據，包括總體設計參數與總體性能參數。

方案生成與優化設計過程可以實時獲得各方案的關鍵指標，并實時顯示計算進度與各方案關鍵參數。對于總體動力一體化海量方案優選設計，其實際流程如表2所示：

表2 總體動力一體化設計流程 Tab.2 System-motorIntegration Design Process

在方案生成過程中，為提升計算速度，采用節點并行的計算方式，實現計算任務自動和手動分配，實現海量分布式數據的快速自動處理與評估。根據普通臺式計算機的計算速度，6天內可實現百萬量級總體方案的生成與計算。

3.3 海量方案評估

對優化方案空間中的方案性能進行評估，利用專家評估系統以不同規則篩選滿意方案；利用大數據分析技術，可研究總體設計參數與性能參數的映射關系，獲得新規律和新認識，在獲得優選方案的同時獲得借鑒方案，為方案創新和技術創新提供參考。

a）專家評估系統。利用專家打分評估系統進行方案性能綜合評估。對總體性能和所關注系統的性能建立評分方法和組合權重，對海量總體方案進行打分排序。評估規則可以根據總體需求和關注問題按需定制、靈活調整，在每一個學科指標體系下均可添加一個或多個核心參數作為該學科評估指標，通過組合指標計算出總指標的評估分值，得到評估結果。如以射程最大+起飛質量最小+載荷最低3個指標組合作為篩選規則，通過專家打分給出不同指標權重，并通過打分排序篩選出多個滿足指標需求的方案。相對于以射程單一評價指標的評價方案，最優方案雖然射程略微下降，但是起飛質量、飛行載荷大幅降低，方案更加合理可行，多指標組合評估更全面、更客觀，整體參考價值更大。

如圖5所示，以優選方案400與非優選方案401對比，兩方案在載荷、彈道樣式、級間比、裝藥量等方面均無太大差異。但由于兩方案一級發動機內彈道曲線不同，造成射程差距在35%以上。

圖5 采用不同內彈道曲線的總體方案性能對比 Fig.5 Scheme Performance Comparison Using Different Internal Ballistic

在獲得總體優選方案的同時，海量方案優選結果也直接指導了分系統方案選型。傳統方法難以快、精、全的得到該優選方案，一體化設計理念的工程應用優勢得到了驗證。

b）海量數據挖掘分析。海量數據可呈現設計空間全局，方便地建立任意參數間的關聯關系，實現定性與定量結合的新規律發現與認識挖掘。通過一體化設計平臺，直觀獲取分系統參數設計對于總體性能的影響規律，發掘以往分立設計難以獲得的設計思路，建立基于海量數據挖掘而產生的全面、準確的總體設計框架與思路。

圖6分別建立了同一載荷與彈道樣式下，飛行時間、最大速度關于射程的分布規律，以及起飛質量、最大速度關于最高高度的影響分布規律。其中射程與飛行時間、最大速度呈現明顯正相關特性；而最高高度與起飛質量、最大速度則呈現不同程度的負相關特性。

圖6 多參數擬合統計 Fig.6 Multi-parameter Fitting Statistical

4 結束語

面向總體設計能力提升、導彈總體性能提高的目標，總體一體化海量方案優選設計方法，能夠將海量方案和海量數據作為設計資源充分挖掘，將總體設計空間轉變為數據空間，成為揭示新規律、研究新機理的信息空間和智慧空間，拓展導彈總體設計創新空間。

a）總體一體化海量方案優選設計方法踐行先進設計理念，突破傳統研發模式局限，符合未來技術發展趨勢，有望形成具備快速迭代優化、方案全局最優、持續更新演進等特征的總體設計平臺。

從國際軍民領域的先進設計理念來看，目前美、日等國均采用一體化海量方案設計思路，通過現有成熟技術整合擇優，實現整體能力提升，中國亟需開展相關研究；從中國導彈武器的固有研發模式來看，當前存在各專業分立設計、專業耦合型不強的問題，該技術基于各專業學科模型，可以統籌多學科精細化一體化研究成果，具有突破傳統設計經驗、多學科緊密耦合的設計優勢；從面向未來演進的技術發展趨勢來看，各專業學科模型不斷深入研究精細設計、數字化平臺工具大規模使用、計算能力不斷升級、并行計算持續刷新方案設計速度，數據挖掘技術興起、大數據處理分析能力日趨成熟，發展海量方案尋優設計的軟硬件能力均已具備；從新質概念圖像的總體設計工具來看，新裝備、好裝備的需求愈發強烈，論證迭代節奏不斷加快；裝備需求邊界越來越模糊，構建武器概念圖像難度加大；原有設計工具各自為戰、線性設計、反復迭代優化的設計方法已難以適應快節奏、顛覆性創新的新要求，需要海量方案通用化模塊化設計平臺，為總體專業提升論證與設計的效率和方案供給能力。

b）在現有技術框架的基礎上，需要不懈構建精細模型、深入探究耦合機理、不斷豐富模型庫、持續完善規則庫、提升并行計算能力，支撐新質戰略/常規導彈武器的論證與設計，為形成先進的總體設計方法提供技術基礎。

現有海量方案優選設計已經實現發動機內彈道方案優選，為進一步擴展應用到總體各系統的一體化設計，需建立完整的學科精細化模型，適用于不同類型的優選問題，支持覆蓋性更全面的總體方案空間；完善總體性能指標優選規則，確保優選結果充分匹配總體需求，實現方案空間內全局最優；不斷提升計算能力，優化計算過程，發展并行計算，實現萬、億級方案快速持續生成，支撐多型武器并行開發與演進升級，為導彈總體設計提供標準化通用化設計工具。

c）按照新的設計理念與方法，傳統的總體與動力專業的分工界面可能將不再清晰，存在多種規則下指標組合與權重分配、如何科學客觀表達用戶需求等問題，需要總體與動力專業加強聯動、打破傳統分立設計理念；設計方與用戶持續溝通明確需求、建立專家系統持續迭代升級。

一方面，新理念將加強總體與分系統間的聯系，專業分工界限不再明確，各專業緊密耦合協同設計成為應有之義，打破傳統專業分工，建立“大總體”設計理念，以總體能力最優為統一目標開展協同創新設計，借助海量方案優選結果決定各系統方案，分系統單位聚焦方案實現過程，提升設計流程專業程度與溝通迭代效率；另一方面，新理念將同時加強用戶與科研院所的聯系，用戶不再通過指標形式提出設計要求，而是根據實際需求，通過建立科學決策下的多指標評價機制，自行擇優選擇符合需求的方案，未來將實現設計方提供海量方案庫，用戶根據需要自由選擇方案的設計—采購模式。

d）前瞻運用智能、大數據、云計算等前沿新興技術賦能，強化總體動力一體化海量方案尋優設計數據生成、挖掘與信息利用能力，進一步提升導彈武器總體設計效能。

一體化海量方案數字化設計借力新型網絡與智能技術，利用云計算、分布式并行計算等技術，充分利用全國設計資源，利用新型舉國體制協同加速導彈總體開發設計速度；突破以往總體導彈設計過程中，存在參考方案有限，依賴傳統設計經驗、難以從少量數據中獲得普遍客觀設計規律的局限，通過海量方案生成與統計，通過大數據處理，海量數據挖掘，實現數據建模，用計算的方式去建模、理解、解決具體問題，為總體設計提供新思維。

深入挖掘海量方案中蘊含的信息價值，了解其中的信息、知識、規律甚至智慧，最終轉化為實際的設計過程與方法；利用人工智能、機器學習等技術，加速方案設計與決策速度，提升總體設計自動化程度，深入發掘總體設計設計空間與性能潛力。