無人機系統快速原型綜合評價方法綜述

無人機在未來戰場上的應用將越來越廣泛，作用越來越大，發展速度也會越來越快。無人機正朝著長航時、智能化、隱身性、多樣化等方向發展，隨著不同任務形勢的需要，能夠快速設計出適合特定任務的低成本無人機是未來飛行器研發的主要趨勢。

先進無人機系統需要從能量、物理、功能、控制等四方面進行綜合設計，采用有效的綜合效能評估方法，期望能有助于節省飛機采購成本、生命周期成本，降低起飛總重量、減小飛機體積，使得飛機在體積重量不變的條件下航程能有所增加。飛機系統內部負載進行能量的效能評估，主要包括機械能、電能損失，阻力及熱的傳遞損失，以及不同時序和任務條件下導致能量轉化時的損失。對飛機系統內的各類功能系統的共同點與不同點進行特征表述，建立評價指標體系，結合工程實際，選取合適的評價因子，得出可行的算法模型，建立完善的評價指標體系。

在對飛機機電系統進行指標評估時，首先應該建立起系統的評估指標體系，將分析所得到輸入輸出數據與相應的評估指標相對應，完成數據到影響的轉化。此外，由于評估用戶的評估目標不同，因而評估不是一個簡單的單目標決策問題，而是個多目標決策問題，因此評估工作不能只針對產品的某一方面進行，而應該從場景、安全、經濟、技術的角度全方位地進行飛機系統的評估，建立一個完整的評估指標體系對正確評估和開展產品設計工作都具有重要的意義。

無人機系統快速原型綜合評價技術方案

綜合評價總體技術方案擬建立在分層評估的基礎之上，飛機系統的效能影響參量既包括功率、重量、體積等系統性能參數，又包括可靠性、維修性、安全性、保障性、測試性等非功能要素，還包括經濟性、壽命周期費用等系統工程元素。對系統效能有影響的參量很多，但每種影響參量對系統效能的影響因子并不相同，必須對這些影響參量進行歸一，轉換為對系統層的影響，根據單個參量變化對總體效能的影響進行評估，才能對不同快速原型方案的總體效能進行對比分析。

適合于無人機系統的層級效能評估方案如圖1所示，通過開展飛機系統綜合權衡策略配置與分析，建立飛機系統綜合效能評估多級遞階層次結構，結合運用各類先進理念及計算方法，找到創新突破口，以此開展飛機系統效能提升研究，提出飛機系統效能評估準則、評估參數獲取方法、評估算法；引導建立飛機系統綜合效能評估模型和評估環境；形成通用的評估規范和要求。

綜合評價的重點應在方案選型之初，因為隨著型號階段的開展，越往后系統可修改的程度越低、修改產生的消耗越大，所以從方案選型、功能設計、性能設計三個階段來看，一個方案的好壞對系統的影響程度最高。功能設計階段的效能評估應該著重于功能邏輯考核，對系統綜合效能進行計算評估得出結果作為設計驗證參考，開展系統優化迭代工作。性能設計階段由于各類成品性能已基本掌握，這時可以將五性指標結合試驗結果進行一一對比，系統性能通過各類集成驗證手段一一驗證，然后對整個系統進行符合性評估，繼續深入開展系統優化迭代工作。某無人機系統綜合評估方案如圖2所示。

飛機系統研制各階段效能評估規范研究

以下分別對方案階段、初設階段、詳設階段的無人機飛機系統效能評估展開描述。

飛機系統方案階段效能評估研究

此階段主要的任務一般是確認可選方案，對多個有可能的方案或主要關鍵技術進行初步計算工作，此時飛機系統圍繞任務約束、以能量及熱的主線開展協同設計，此階段集成驗證的架構主要集中在全數字虛擬聯合仿真，主要包括系統綜合設計思路，將飛機系統中各子系統如動力、環控、燃油、液壓、供電等系統銜接起來。結合集成驗證的手段，對各類設計方案進行綜合效能評估，將能量利用率（能耗、代償損失）、重量、體積、技術成熟度、經費匡算、研制周期預計以及其它需要的指標進行集總綜合評估。

（1）確立系統方案階段評估目標

系統方案的評估目標：綜合各類指標，參考評估準則，確定預期最可能實現的系統方案。

機電系統的層級評估目標：

（a）符合各類功能性能指標的要求，覆蓋指標范圍；

（b）開展代償損失計算（包括重量和能耗預估）；

（c）開展任務適應性評價；

（d）開展環境適應性評價；

（e）開展五性及經濟性預計和評價

（2）確立系統方案階段評估準則

對照飛機系統層級評估目標，采用不同方法確立評估準則。

（a）方案計算、或仿真，確定是否符合功能要求，是否覆蓋指標范圍

（b）燃油代償損失計算：重量、引氣、軸功率等；

（c）任務適應性評分；

（d）環境適應性相似推導，評分；

（e）五性預計、經濟性計算；

（3）確立系統方案階段評估指標

飛機系統初設階段效能評估研究

初步設計階段主要任務是進行系統功能檢查確認，結合控制系統C型件開展控制架構接口和邏輯功能定義檢查確認.此階段集成驗證的架構主要包括數字虛擬聯合仿真以及半物理集成驗證，針對系統各功能模塊要求，以能量供應、傳遞、輸出以及熱負載、傳輸、冷源匹配等為主線，將飛機系統各子系統銜接起來，按功能要求加入控制邏輯設計、故障診斷和和重構邏輯設計，確定控制架構硬件指標，開展集成驗證，迭代系統設計，隨著系統各類參數的逐步明確，再將能量利用率（能耗、代償損失）、重量、體積、環境適應性、任務適應性等綜合指標進行集成驗證、集總分析，通過效能評估得出迭代優化系統設計的建議。

（1）確立系統初設階段評估目標

系統初設階段的評估目標：在已選出的系統方案基礎上，通過各類功能評價指標，開展功能邏輯檢查。機電系統此層級評估目標：

（a）符合各類功能指標的邏輯評估檢查，故障及重構邏輯評估；

（b）能量利用率、熱損計算；

（c）進一步開展五性優化工作；

（d）經濟性細化分析。

（2）確立系統初設階段評估準則

對照系統層級評估目標，采用不同方法確立評估準則。

（a）功能邏輯評估檢查、故障與重構邏輯檢查（半物理或仿真）；

（b）各系統能量利用率與熱管理仿真計算：

（c）五性設計準則檢查；

（d）經濟性計算檢查。

（3）確立系統詳設階段評估指標

飛機系統詳設階段效能評估研究

詳設階段主要任務是彌補實際物理試驗系統性的不足，此階段集成驗證的架構主要包括數字虛擬聯合仿真以及半物理集成驗證。針對系統各功能模塊要求，以能量供應、傳遞、輸出以及熱負載、傳輸、冷源匹配等為主線，將飛機各子系統銜接起來開展集成驗證，迭代系統設計，隨著系統各類參數的全面明確，通過效能評估得出優化系統設計細節的建議。此時最大評估依據來源于各類實物試驗和半實物試驗，虛擬集成驗證以及效能評估只提供輔助支撐。

（1）確立系統詳設階段評估目標

系統詳設階段的評估目標：在已開展控制律設計的系統方案基礎上，通過各類性能評價指標，開展集成驗證確認工作。該層級評估目標：

（a）功能、性能符合度檢查；

（b）能量與熱綜合控制驗證確認；

（c）故障模式健康度檢查確認；

（d）五性、經濟性指標符合確認。

（2）確立系統詳設階段評估準則

對照系統層級評估目標，采用不同方法確立評估準則

（a）系統性能綜合評估（物理、半物理、仿真）；

（b）飛機系統各類特性評估：

（c）健康管理評估；

（d）五性、經濟性復核確認。

（e）確立系統詳設階段評估指標

分層評估計算方法

前面描述了按研制階段的效能評估目標與準則。參考工程實踐，具體的評估指標可按表1分解。

首先進行按照系統方案的主架構，仿真計算各類負載的瞬時能耗以及累積能耗，散熱所需要的制冷量計算。耗能少的方案相對較優。

其次，能耗代表的軸功率進行燃油代償損失分析，系統預計重量以及可能出現的引氣代償預計，均折算為燃油代償損失。整體損失較少的相對較優。

根據成熟的產品類比系統重的關鍵產品，預估或計算五性符合度，最后要進行全壽命周期成本計算即經濟性預測，節省經費的相對較優。

以下介紹燃油代償損失、經濟性預計以及層次分析綜合評價的一些常用方法。

燃油代償損失計算

當飛行器系統安裝后，為了運輸、傳動附件，克服氣動阻力與完成其他要求，都需要消耗能量，最后一并歸結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量增加的項目，主要包含下列幾部分：系統固定裝置質量及運輸其所引起的燃油代償損失；從發動機壓氣機引氣所引起的燃油代償損失；從發動機軸輸出功率所引起的燃油代償損失；為克服附加的氣動阻力所引起的燃油代償損失。

上述各因素都導致了飛行器起飛總質量增加，采用起飛總質量法估算不同系統方案，對飛行器增加的代償值來評價系統的優劣。

（1）系統重量M所引起的燃油代償損失Mf.S

經濟性預計評估

飛機項目全壽命周期指一種型號飛機項目從需求調查、項目可行性論證、方案論證、工程研制、生產制造、使用和產品支援以及到壽命后的報廢處置整個從項目產生到終結的全過程。

在一個飛機項目全壽命內各階段發生的費用總和，稱為飛機項目的全壽命費用。

為了進行初步費用估算，一個飛機項目的全壽命費用可分解成以下四部分：

（1）論證、研制、試驗和鑒定費用CRDTE（階段1-階段4發生的費用之和）；

效能-費用分析有多種方法，比較廣泛使用的單參數分析法和概率分析法，對機電系統的分析都具有較大的局限性。機電系統不可能用一個參數表示它的效能，因而效能分析方法不可能很簡單，單一參數的選擇不同，效能-費用分析的結果可能是相互矛盾的。概率分析法的局限性表現在單環節問題的分析中。因為單環節問題用概率無法進行分析比較，只能用物理參數表示。

飛機系統模糊層次分析綜合評價法

飛機系統層級效能評價可分為5個步驟進行：

（a）對構成評價系統的目的，評價指標建立多級遞階的結構模型。

（b）對同屬一級的要素以上一級的要素為準則進行比較，根據評價尺度確定其相對重要度，據此建立判斷矩陣。

（c）解權重判斷矩陣，得出特征根和特征向量，并檢驗每個矩陣的一致性。計算出最底層指標的組合權重。

（d）建立最底層評價指標的隸屬函數，求出隸屬度。

（e）對待評價對象進行綜合分析。

確定各個評價指標的權重是模糊層次評價法中的重要步驟，其確定過程包括建立權重判斷矩陣、權重的計算、相容性判斷及誤差分析。

（1）建立權重判斷矩陣

判斷矩陣是層次分析法的基本信息，也是相對重要度計算依據。

顯然比值越大，則重要度越高。

（2）權重的計算

理論上講，對以某個上級要素為準則所評價的同級要素之相對重要程度可以由計算比較矩陣A的特征值獲得。但因其計算方法較復雜，而且實際上只需要獲得對A粗略的估計，因此計算其精確特征值是沒有必要的。實踐中可以采用求和法或求根法來計算特征值的近似值。

當C.R.<0.1時，認為判斷矩陣的一致性是可以接受的；當C.R.≥0.1時，該對判斷矩陣做適當修正。

無量綱化過程，實質上就是隸屬函數的建立過程。要把多個異量綱的評價指標綜合成一個總隸屬度，必須選取和建立某種隸屬函數，用以把按不同現實尺度刻劃的指標值轉化成隸屬度。

總的說來，隸屬函數就是要建立一個從論域到[0，1]上的映射，用來反映某對象具有某個模糊性質或屬于某個模糊概念的程度。

按上式計算出的綜合評價值總是介于0和1之間。T反映了方案對于理想目標（所有指標值為最佳值，T = 1）的隸屬度，根據T值的大小可以進行方案排序和選優。

（b）乘積法

線性加權和法適用于各種評價指標間相互獨立場合，各指標對綜合水平的貢獻彼此是沒有什么影響的。

結論

本文所述的無人機系統快速原型綜合評價方法研究是建立在當前已經非常成熟的飛機評價機制基礎之上的，結合實際型號研制階段過程對當前飛機的綜合評價機制作有效補充。通過對評估方法的適用性、評估參量的準確性、評估準則的全面性等多方面開展深入研究，形成了滿足飛機系統各研制階段的評估規范和其具體指標，并針對各類評分或計算方法進行了適用度研究，為今后先進無人機系統快速原型設計開展綜合效能評估進行了鋪墊。