效能期望驱动的军事装备可拓概念设计方法及应用

冉景禄，赵振奎，吕小强，万锦雄

(77200 部队，昆明 655000)

效能是军事装备(系统)在规定的条件下达到规定使用目标的能力。概念设计是从需求分析到生成概念产品的一系列有组织、有目标的设计活动，表现为由粗到精、由模糊到清晰的不断进化过程，它是所有设计阶段中最关键、最复杂、最活跃、最具决定性和创造性的环节［1］。据文献［2］的研究，成本只占5%的概念设计决定着将近85%的产品成本。自Pahl G 和Beitz W 首次提出概念设计以来，概念设计理论和方法已经取得了长足发展。文献［3 -7］研究了面向功能的概念设计方法及不同求解策略，文献［8 -10］中尝试将效能因素考虑到装备概念设计中去，文献［11 -13］成功地将可拓学理论应用到机械产品概念设计，这些研究成果都是概念设计理论的丰富和完善。然而，运用这些方法进行军事装备概念设计时，往往就会出现开发的装备满足不了效能期望的问题。究其原因，笔者认为有2 点:一是设计目标和检验标准不一致，在进行军事装备概念设计时，设计目标是实现既定功能，但最终的检验标准却是期望的效能;二是求解效率和质量不高，由于不能很好地进行相关知识的表达和不能很好处理各种因素之间的复杂矛盾和强烈耦合关系，从而导致求解效率和质量不高。效能期望驱动的军事装备可拓概念设计方法就是从以上2 点原因入手，采用面向对象的思想，整个设计过程由效能期望驱动，并利用可拓学在概念设计的求解优势，形成适应军事装备概念设计特殊要求的方法，其目的是克服传统设计方法的不足，提高军事装备的设计效率和成功率，缩短研发周期。

1 效能期望驱动的可拓概念设计

1.1 基本原理

效能期望驱动的基本原理是按照效能期望-功能-结构(effectiveness expectation-function-structure，E2FS)的结构进行循环映射，直到求出每一个效能期望元的结构解，然后对结构解进行可拓收敛运算，最终形成满足效能期望的设计方案解。E2FS 框架如图1 所示。

在E2FS 框架图中，效能期望指标体系的求解思路是:首先列出目标系统的T 种任务剖面，然后将相似的任务结合在一起形成目标任务集，满足目标任务集的能力就构成系统的一个子效能期望，向下将子效能期望细分到不能再划分的单元就得到效能期望元，子效能向上聚类就得到上一级效能期望指标，通过这样推导就可以得出树状的效能期望指标体系。该求解思路的示意图如图2 所示。

功能层是将效能期望元进行逐一映射得到相应树状功能体系，它表示的是为达成效能期望所要具备的功能集合。结构是满足效能期望且满足功能要求的结构解。在E2FS 框架中，效能元、功能元、结构元是其按照树状结构不能再划分的单元。特征库、原理库、机制库、知识库构成求解过程的决策支持单元。特征库是相关特征的集合。原理库是相关原理的集合。机制库是效能映射机制和结构映射机制的集合。知识库是4 个库中最为重要的单元，它的来源主要包括本专业、其他相关专业、知识工程师(专家)等。该框架基本思路为:首先利用目标任务剖面推理得到的效能期望指标体系，然后将效能期望元映射为特定功能元或功能元组合，再者将功能元通过映射机制映射为相应的结构元，通过循环映射，直到每个效能期望元都映射为相应的结构解，到此就完成可拓发散求解。最后按照自底向上的方法(Bottom-Up)，运用可拓方法对结构元进行可拓收敛运算，并最终形成结构方案。

图1 E2FS 求解框架

图2 效能期望元求解思路示意图

1.2 可拓求解策略

可拓学是系统科学、思维科学和数学交叉的横断学科，主要探讨发散思维和开拓创新的规律和方法［14］。据文献［11 -13］的研究，该理论在机械产品概念设计求解方面具有较强优越性。引入可拓理论就是要对概念设计中的效能、功能、结构进行形式化描述，表达概念设计中的深层次知识，利用基元的可拓性及其变换来实现创新设计的思维过程。

按照文献［14］的定义:设事物名称为N，特征为c，c 的量值为v，则有序三元组R =(N，c，v)作为描述事物的基元。所以如果事物有i 个特征，基元则表示为

基元具有可拓性(发散性、共轭性、相关性、蕴含性和可扩性)，它从事物向外、向内、平行、变通和组合分解的角度提供事物拓展的多种可能性，成为进行创造性思维和提出解决矛盾问题方案的依据。基元变换法则有置换、分解、增删和扩缩。基元运算法则有:积、逆、或和与。更为详细的介绍可参考文献［14］。

可拓学对定性和定量事物的表述方法、变换和运算具有极大的优点，使得它可将求解程式化。其求解过程采用的是可拓学先发散后收敛菱形思维方式，这一思维方式恰当反映了人们的创造性思维过程。其发散过程可描述为:R┫{R1，R2，…，RN}，“┫”表示为发散。收敛过程可描述为:{R1，R2，…，RN}┣{R1，R2，…，RM}，“┣”表示为收敛，其中N ＞M。因此，基于E2FS 求解框架的可拓求解模型是一个多级菱形且存在菱形嵌套的思维模式，其结构可由图3 描述。

1.3 方案评价

概念设计方案的评价和决策是概念设计过程中的关键环节。目前常见的评价方法有层次分析法、模糊评价法、价值工程法、综合评价法［15-17］。针对概念设计方案评价既存在定性指标，又有定量指标，且信息存在模糊性和灰色性的特点，是一个典型的多准则决策问题。本文采用基于模糊理论评价法，该方法综合了模糊集理论、层次分析法，并充分尊重领域专家的意见，为评价提供科学依据。方法的步骤:第1步，对评价的对象进行层次分析，形成评价指标体系;第2步，利用模糊理论建立评价模型;第3 步，得出指标体系中相应的值，并代入评价模型进行运算，按照评估值的大小优选出最佳方案。具体模型如下:

设有n 个满足各种条件约束的方案p，模糊综合评判决策集为:P={p1，p2，…，pn}，设U 为评判目标，则U={u1，u2，…，um}构成模糊综合评判的目标集。评价集V={v1，v2，…，vq}，一般用“差，一般，合格，良好，优秀”等描述。目标i 的权重以Wi表示，则全重向量为W = (w1，w2，w3，…，wn)，它利用AHP 法获得。评价矩阵

根据模糊数学合成原理，将模糊权重向量W 与模糊评判矩阵R 相乘，得出模糊评判向量B。

2 效能期望驱动的某步枪可拓概念设计

2.1 某步枪的E2FS 映射过程

首先，设定总体效能期望。本文设计的步枪总效能期望不低于现役的某步枪效能的3 倍。

其次，根据步枪各任务剖面，得出每一个目标任务节点的效能期望指标，然后进行向上聚类和向下分解，形成效能期望指标体系。继而进行效能期望-功能的映射，如:供弹量效能元的期望值为‘优’，然后将这效能期望映射为存储子弹功能元。之后进行功能-结构的映射，如将存储子弹功能映射为弹匣结构。按照这种思路，完成每一个效能元到结构元之间的映射，其E2FS 映射过程示意图如图4 所示。

图3 可拓求解模型

图4 某步枪的E2FS 映射过程示意图

2.2 基于E2FS 框架的可拓求解

利用可拓方法对步枪的效能期望元、功能元、结构元本身及它们之间的映射过程进行形式化描述，确保映射过程思路清晰。最后将结构元进行逆向收敛求解，形成满足效能期望的方案解。由于步枪的效能元和功能元较多，而且映射过程和可拓发散过程比较复杂，鉴于叙述需要，本文仅以供弹具设计为例进行说明，其他部件设计参照此步骤进行。

根据步枪各任务剖面，得出供弹具的效能期望:

供弹具的效能期望到功能，功能到结构的映射过程为:

按照菱形发散思维方式，在本体库的支持下，在各种约束条件(效能约束、功能约束、结构约束)的作用下，供弹具的结构映射结果为:

运用可拓基元置换、分解、增删和扩缩变换法则及积、逆、或和与运算规则，利用各种约束条件对R1、R2、R3、R4、R5、R6进行收敛运算，得到弹匣的结构解为:

到此，完成了供弹具效能元的可拓发散求解和可拓收敛运算，得出了弹匣的结构解。按照EFS 框架的求解流程，求出各个效能元的结构元解，再利用结构树自底向上，进一步运用可拓运算法则进行收敛运算，最终得到结构组成方案。由于该求解过程的可拓知识表达比较繁琐，加之篇幅的限制，本文就直接给出运用此方法得出的方案，如表1 所示。

2.3 方案评价

按照枪械效能评估指标体系建立的一般原则，建立某型步枪效能评价指标体系，如图5 所示。

图5 某型步枪效能评价指标体系

设评价集V={差，一般，合格，良好，优秀}={1，3，5，7，9}，评价指标集U ={效能满足度，可靠性，可制造，成本花费，可装配性，可维护性，人机工程，环境适应性}。利用AHP方法得出评价指标体系中各指标的权重，权重向量为W =(0.21，0.06，0.05，0.09，0.1，0.13，0.06，0.09，0.09，0.06，0.06)，其中评价矩阵C 由专家打分取平均值得到，并经过归一化处理后得到矩阵:

评判向量B =W ◦C = (0.229 0.459 0.312 )，据此得出方案排序为:方案2，方案3，方案1。显然方案2 为最满意方案。

表1 某步枪可拓求解方案

3 结束语

效能是检验军事装备设计成功与否的唯一判断标准，所以开发出来的军事装备效能能否满足期望的效能是设计人员最为关心的问题。而概念设计在所有的设计阶段是最具决定性，在该阶段犯下的错误往往是在后续设计中不可弥补的，传统以功能驱动的设计方法就容易在这阶段犯下难以弥补的错误。效能期望驱动的军事装备可拓概念设计方法的核心思想就是以效能期望为目标，目的是减小设计风险，提高设计的效率和成功率。从对某型步枪的概念设计来看，优选出来的设计方案显然满足效能期望，这是因为该步榴合一的设计方案已经被证实其效能是普通步枪的数倍。比如:据美军报道，XM29 步榴合一步枪的作战效能就比M16 步枪高4 ～5 倍，从而证明了该方法的可行性和有效性。另外，由于以效能为驱动的概念设计从方法上解决了概念设计目标和效能检验目标不一致的问题，进而可以大幅度提高设计效率和成功率。总之，效能期望驱动的可拓概念设计方法是针对军事装备概念设计的特殊要求而提出的，该方法可以提高军事装备概念设计的成功率和求解效率。

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