飞机机电系统效能评估方法体系研究

段照斌，杜海龙，孟彦君

(中国民航大学电子信息与自动化学院，天津 300300)

0 引言

由于近年来科研工作者对飞机多电技术的广泛研究，产生了多种不同能源配置构型的多电飞机机电系统，对飞机能源进行了优化，使飞机逐渐向全电化发展[1]。为了更好地分析现有飞机机电系统的能量性能水平和评判长时间运行的机电系统的工作状态，有必要通过科学方法对飞机机电系统综合能力进行全面、可靠、有效的评估。

目前有关飞机机电系统的研究工作主要集中在系统的虚拟建模仿真技术[2-3]，子系统对应功能特性[4]和其性能评估方法研究[5]等领域。以上成果均对后来学者研究飞机机电系统有很大的帮助作用，但仍有一些不足之处。首先以上研究多集中在机电系统的某一子系统开展工作，未从整个机电系统性能出发进行研究；其次，上述研究没有充分考虑到评估的稳定性，没有建立一个完整的系统评估体系，且指标体系的建立没有统一的标准。

基于上述研究，本文建立了一套系统的多电飞机机电系统综合效能评估方法体系，综合考虑了效能评估活动中的各个环节，提出指标体系构建模型、定性和定量指标量化模型、基于扩展贝叶斯的数据融合模型，以缩减评估活动中存在的风险，能够较好地使效能评估结果趋向于稳定，经过实例和验证证明了该体系的可靠性。

1 多电飞机机电系统效能评估方法体系

由于指标体系建立的复杂性、评估指标数据源的单一性、指标参数的不可信性、权重赋值的主观性、评估方法的不适用性等，使得传统的效能评估活动存在很大的风险和不确定性，导致评估结果不可靠，影响评估主体对系统的状态判断和正确决策。为了减少效能评估过程中存在的风险性对系统效能真实性的影响，关键在于针对评估活动中的各流程节点实施监测分析和风险缩减，并及时反馈使评估结果趋向于稳定性和可靠性。因此，在传统效能评估活动的基础上，改进相应的环节，得到如图1所示的系统效能评估方法体系的模型图。

图1 飞机机电系统效能评估方法体系模型图

1.1 效能评估指标体系构建模式

目前，在民机机电系统的效能评估中，还未确定一套规范的效能评估指标体系，在一定程度上影响了民机机电系统效能评估结果的稳定性和准确性。因此，本研究拟设计一套服务于机电系统效能指标体系构建模式，基于模式快速拟定效能评估指标体系，是后续综合效能分析的技术基础。

结合飞机机电系统中目标任务的特点和系统级的结构功能分析，并借鉴目前国内外效能评估指标的选取方向，对飞机机电系统的效能组成结构进行分析，提炼出满足评估需求的各抽象评估要素：固有属性、飞行能力、飞行品质、飞行适应性。固有属性是指从物理参数的角度如飞机重量等描述系统的特点；飞行能力是指机电系统在一定的飞行条件下所表现出来的实际系统能力；飞行品质是指机电系统在一定的飞行任务下完成规定目标任务的结果；飞行适应性是可信性、维护性、保障性、环境适应性等非飞行能力因素的综合反映。

根据各效能组织结构与飞行效能之间的逻辑关系，得到效能评估指标体系的四种构建模式。

模式1：基于固有属性+飞行品质

第1类模式通过飞机系统固有属性分析飞行效能。这类模式重点研究固有属性和飞行品质之间的关系。指标体系常采用专家咨询法、德尔菲法[6]等进行构建，具有良好的层次性，但评估结果依赖于专家经验，主观性强。

模式2：基于飞行能力+飞行品质

第2类模式通过飞机系统飞行能力分析飞行效能。一般仿真实验法建立的指标体系采用这种模式，评估指标易于理解，客观性强，但是指标不够全面，只能获取特定需求下的飞行效果指标。

模式3：基于飞行能力+飞行适应性

第3类模式的指标结合了飞行能力因素和飞行适应性因素，代表评估方法是ADC效能分析法[7]，其中飞行适应性代表系统可用性A和可信性D，飞行能力代表固有能力C。这类指标模式全面性好，以单项效能理念支持综合效能分析。

模式4：基于系统能力+飞行能力+保障能力

第4类模式从技术人员、飞行人员、决策人员视角联合出发，结合系统级、任务级和效果级层面以飞行效能为主导综合分析系统能力、飞行能力、保障能力与飞行效能之间的影响关系。模式分析过程如图2所示，并可得到由系统能力、飞行能力、保障能力所决定的具有三维层次特征的效能空间模型体系。由图2可知，系统维、飞行维、保障维相互影响相互关联，综合影响飞行效果。

图2 基于三维视角的飞机机电系统效能空间

该类模式的指标体系强调效能结构的全面性和逻辑性，同时具有专家经验和仿真实验相互补的特点，并通过多目标的综合比较降低了指标体系拟定过程中的重复性和盲目性。

1.2 效能评估指标数据的处理

对复杂系统进行效能评估时，面临着许多不确定因素对指标采集数据的可靠性影响较大，为了弥补这些不确定因素对评估结果准确性的影响，需要充分保证指标数据的完整性和可信性，这就需要增加评估数据源和对指标进行可信度的量化模型，可以得到更为合理、可信的评估结果。

1.2.1 定量指标的量化模型

定量指标数据主要来源于完整的仿真活动，通过仿真手段采集到的数据可以表征指标信息的知识程度，而信任程度来源于对仿真数据的可信度。仿真数据可信度是对通过仿真模型获得的指标数据进行的一种可靠性评价，本研究通过灰色关联理论[8-9]分析仿真数据的可信度，主要算法见式(1)、式(2)。

Δj(k)=|x0(k)-xj(k)|,k=1,2,…,m;j=1,2,…,l

(1)

(2)

式中，ε=0.5，m代表指标个数；l代表数据组数；Δj(k)为指标参考序列x0(k)与比较序列xj(k)的绝对差值；γj(k)表示第j组数据中指标k的可信度。

1.2.2 定性指标的量化模型

定性指标的知识度和可信度可由评估主体在信念图[10]上统一进行分析赋值。联系机电系统效能评估参数的具体含义，横坐标表示专家对指标数据反映系统特性的度量即知识度，纵坐标表示专家对指标信息具备的知识表达的认可程度即可信度。

为了在专家采用信念图量化定性指标时提供一个合理的评判标准，将量化标尺法[11]与信念图进行结合，使信念图的横纵坐标分别划分为相应的模糊等级。如图3所示为基于量化标尺的指标评判信念图。

图3 基于量化标尺的指标评判信念图

此外本研究联合层次分析法[12]和熵权法[13]的组合形式来分析评估指标的权重，以提高评估效能的正确度。

1.3 多数据源融合评估方法

评估指标数据的量化实现了定性、定量等异构指标的统一表达，为了对其进行有效融合以提高评估结果的稳健性，需要选取合适的方法和制定统一的流程来融合异构数据，如图4所示为系统综合效能评估的流程框图。

图4 综合效能评估的流程框图

数据融合过程采用扩展贝叶斯理论，对评估指标的知识节点信息和可信程度数据进行融合，获得代表指标满意程度的量，算法如下:

(3)

(4)

(5)

式中，E为系统中所有指标融合后的效能值；ωi为指标的权重；m为评估指标个数。

2 实验设计及结果分析

2.1 飞机飞行过程分析

以某型3H架构多电飞机机电系统仿真运行系统为研究对象，并规定飞机航线为北京到上海，考虑到不同飞行阶段目标分系统和任务需求的不同，需要对飞机机电系统进行分阶段效能分析，利用图5所示的仿真剖面图可以对飞行阶段进行划分，划分结果见表1所示。

图5 飞机飞行仿真剖面图

表1 各飞行阶段划分表

2.2 确定飞机机电系统效能评估指标体系

根据上述效能评估指标体系的构建模式分析，选择模式4从系统级、飞行级和保障级三方面出发，对机电系统综合效能进行分析。

一方面对参与该项任务的主要系统设备包括供配电系统、液压系统、空调系统、气源系统等分系统视为“黑箱”模块进行研究，分析各系统运行参数；另一方面结合目标需求对整个飞行航线进行分段，研究飞机每个飞行阶段所达到的飞行能力；最后从飞行效果出发，借助飞机系统的环境适应性和飞行品质等保障特性进行指标的合理分配，来考察机电系统的各阶段飞行效能情况，如图6所示为构建的多电飞机机电系统综合效能评估指标体系。

(a) 综合效能评估指标体系

(b) 系统能力评估指标体系

(c) 保障能力评估指标体系

(d) 飞行能力评估指标体系图6 机电系统综合效能评估指标体系

2.3 飞机机电系统综合效能分析

根据如图4所示的综合效能评估流程框图，分别对图6列出的定量指标和定性指标展开分析。

多次仿真试验采集指标体系中的定量观测数据和燃油系统功率数据，并带入到灰色关联分析模型中，其中取和飞行效能紧密相关的燃油系统功率数据为参考数列，其他定量数据为比较数列，分析各指标数据与燃油功率消耗之间的关联程度。由于各指标值的意义和量纲各异，因此首先需要对指标进行无量纲化处理，转化为可以进行指标聚合的评分值，处理方法在文献[14]中详细介绍。最终可获得所有定量指标参数值和其可信度统一表示的二维数据点。

对于指标体系中的定性指标，本文邀请5位领域专家以信念图的方式评定指标知识度与可信度。

将所有指标评估数据和数据可信度带入到扩展贝叶斯融合算法，即式(3)、式(4)中，可以得到各评估指标的融合效能值，此外通过组合赋权法可分别得出定量和定性两类指标的权重值。飞机起飞阶段各指标的融合效能值和权重如表2所示。同样也可得到航路爬升阶段、阶梯巡航阶段、减速下降阶段和进近着陆阶段的各单项指标效能。

表2 飞机起飞阶段各单项指标效能

将各飞行阶段的指标融合效能值和权重带入式(5)中，可得到规定任务下各飞行阶段的三维效能表达，最后通过层次分析法明确系统能力、飞行能力、保障能力的权重为(0.439 4,0.310 8,0.195 8)，得到各飞行阶段的综合效能，如表3所示。

表3 各飞行阶段综合效能

从表3可知，飞机各飞行阶段的系统能力值、飞行能力值、保障能力值以及综合效能值均大于0.85，处于优秀的效能水平。其中相比其他飞行阶段效能，起飞阶段效能离理想效能距离较远，原因在于起飞阶段系统能力值略低，应及时关注收回起落架任务中的相关系统，对其构型参数进行检查，辅助领域专家进行决策。

飞机机电系统能够正常工作，飞机能够正常飞行，均依靠燃油在发动机内燃烧产生的能量来推动飞机运转。因此为验证该效能评估方法体系的准确性和可靠性，取本次飞行试验中的飞机燃油消耗速率进行验证，如图7所示。起飞阶段的燃油消耗速率始终维持在≤0.5的稳定消耗水平，不支持飞行姿态频繁转换的起飞任务段，因此相比其他飞行阶段效能值较低，该结果与综合效能实验一致，因此本文提出的综合效能评估方法体系得以验证。

(a) 地面起飞阶段 (b) 航路爬升阶段

(c) 阶梯巡航阶段 (d) 减速下降阶段

(e) 进近着陆阶段图7 各飞行阶段燃油消耗速率

3 结束语

本文从提高大型复杂系统效能结果稳定性出发，对多电飞机机电系统效能评估活动的各个环节展开研究，确定了一套包含效能评估指标构建模式、多数据源获取、权重确定、效能融合方法在内的效能评估方法体系。在指标体系建立上结合前人经验总结了3种经典的指标体系构建模式，并从系统级、飞行任务级、保障级出发提出了第4种构建模式；在数据源获取、权重确定、效能评估方法上分别引入了可信度模型、组合赋权模型、扩展贝叶斯模型，以提高评估结果的可信性和稳定性。仿真实验表明，该效能评估方法体系稳定可靠，有效地解决了目前大型复杂系统中普遍存在的评估活动高风险以及没有一套系统的效能评估方法的问题。

DOI:10.1007/s11276-019-02097-1.