无人机系统快速原型综合评价方法综述

无人机在未来战场上的应用将越来越广泛，作用越来越大，发展速度也会越来越快。无人机正朝着长航时、智能化、隐身性、多样化等方向发展，随着不同任务形势的需要，能够快速设计出适合特定任务的低成本无人机是未来飞行器研发的主要趋势。

先进无人机系统需要从能量、物理、功能、控制等四方面进行综合设计，采用有效的综合效能评估方法，期望能有助于节省飞机采购成本、生命周期成本，降低起飞总重量、减小飞机体积，使得飞机在体积重量不变的条件下航程能有所增加。飞机系统内部负载进行能量的效能评估，主要包括机械能、电能损失，阻力及热的传递损失，以及不同时序和任务条件下导致能量转化时的损失。对飞机系统内的各类功能系统的共同点与不同点进行特征表述，建立评价指标体系，结合工程实际，选取合适的评价因子，得出可行的算法模型，建立完善的评价指标体系。

在对飞机机电系统进行指标评估时，首先应该建立起系统的评估指标体系，将分析所得到输入输出数据与相应的评估指标相对应，完成数据到影响的转化。此外，由于评估用户的评估目标不同，因而评估不是一个简单的单目标决策问题，而是个多目标决策问题，因此评估工作不能只针对产品的某一方面进行，而应该从场景、安全、经济、技术的角度全方位地进行飞机系统的评估，建立一个完整的评估指标体系对正确评估和开展产品设计工作都具有重要的意义。

无人机系统快速原型综合评价技术方案

综合评价总体技术方案拟建立在分层评估的基础之上，飞机系统的效能影响参量既包括功率、重量、体积等系统性能参数，又包括可靠性、维修性、安全性、保障性、测试性等非功能要素，还包括经济性、寿命周期费用等系统工程元素。对系统效能有影响的参量很多，但每种影响参量对系统效能的影响因子并不相同，必须对这些影响参量进行归一，转换为对系统层的影响，根据单个参量变化对总体效能的影响进行评估，才能对不同快速原型方案的总体效能进行对比分析。

适合于无人机系统的层级效能评估方案如图1所示，通过开展飞机系统综合权衡策略配置与分析，建立飞机系统综合效能评估多级递阶层次结构，结合运用各类先进理念及计算方法，找到创新突破口，以此开展飞机系统效能提升研究，提出飞机系统效能评估准则、评估参数获取方法、评估算法；引导建立飞机系统综合效能评估模型和评估环境；形成通用的评估规范和要求。

综合评价的重点应在方案选型之初，因为随着型号阶段的开展，越往后系统可修改的程度越低、修改产生的消耗越大，所以从方案选型、功能设计、性能设计三个阶段来看，一个方案的好坏对系统的影响程度最高。功能设计阶段的效能评估应该着重于功能逻辑考核，对系统综合效能进行计算评估得出结果作为设计验证参考，开展系统优化迭代工作。性能设计阶段由于各类成品性能已基本掌握，这时可以将五性指标结合试验结果进行一一对比，系统性能通过各类集成验证手段一一验证，然后对整个系统进行符合性评估，继续深入开展系统优化迭代工作。某无人机系统综合评估方案如图2所示。

飞机系统研制各阶段效能评估规范研究

以下分别对方案阶段、初设阶段、详设阶段的无人机飞机系统效能评估展开描述。

飞机系统方案阶段效能评估研究

此阶段主要的任务一般是确认可选方案，对多个有可能的方案或主要关键技术进行初步计算工作，此时飞机系统围绕任务约束、以能量及热的主线开展协同设计，此阶段集成验证的架构主要集中在全数字虚拟联合仿真，主要包括系统综合设计思路，将飞机系统中各子系统如动力、环控、燃油、液压、供电等系统衔接起来。结合集成验证的手段，对各类设计方案进行综合效能评估，将能量利用率（能耗、代偿损失）、重量、体积、技术成熟度、经费匡算、研制周期预计以及其它需要的指标进行集总综合评估。

（1）确立系统方案阶段评估目标

系统方案的评估目标：综合各类指标，参考评估准则，确定预期最可能实现的系统方案。

机电系统的层级评估目标：

（a）符合各类功能性能指标的要求，覆盖指标范围；

（b）开展代偿损失计算（包括重量和能耗预估）；

（c）开展任务适应性评价；

（d）开展环境适应性评价；

（e）开展五性及经济性预计和评价

（2）确立系统方案阶段评估准则

对照飞机系统层级评估目标，采用不同方法确立评估准则。

（a）方案计算、或仿真，确定是否符合功能要求，是否覆盖指标范围

（b）燃油代偿损失计算：重量、引气、轴功率等；

（c）任务适应性评分；

（d）环境适应性相似推导，评分；

（e）五性预计、经济性计算；

（3）确立系统方案阶段评估指标

飞机系统初设阶段效能评估研究

初步设计阶段主要任务是进行系统功能检查确认，结合控制系统C型件开展控制架构接口和逻辑功能定义检查确认.此阶段集成验证的架构主要包括数字虚拟联合仿真以及半物理集成验证，针对系统各功能模块要求，以能量供应、传递、输出以及热负载、传输、冷源匹配等为主线，将飞机系统各子系统衔接起来，按功能要求加入控制逻辑设计、故障诊断和和重构逻辑设计，确定控制架构硬件指标，开展集成验证，迭代系统设计，随着系统各类参数的逐步明确，再将能量利用率（能耗、代偿损失）、重量、体积、环境适应性、任务适应性等综合指标进行集成验证、集总分析，通过效能评估得出迭代优化系统设计的建议。

（1）确立系统初设阶段评估目标

系统初设阶段的评估目标：在已选出的系统方案基础上，通过各类功能评价指标，开展功能逻辑检查。机电系统此层级评估目标：

（a）符合各类功能指标的逻辑评估检查，故障及重构逻辑评估；

（b）能量利用率、热损计算；

（c）进一步开展五性优化工作；

（d）经济性细化分析。

（2）确立系统初设阶段评估准则

对照系统层级评估目标，采用不同方法确立评估准则。

（a）功能逻辑评估检查、故障与重构逻辑检查（半物理或仿真）；

（b）各系统能量利用率与热管理仿真计算：

（c）五性设计准则检查；

（d）经济性计算检查。

（3）确立系统详设阶段评估指标

飞机系统详设阶段效能评估研究

详设阶段主要任务是弥补实际物理试验系统性的不足，此阶段集成验证的架构主要包括数字虚拟联合仿真以及半物理集成验证。针对系统各功能模块要求，以能量供应、传递、输出以及热负载、传输、冷源匹配等为主线，将飞机各子系统衔接起来开展集成验证，迭代系统设计，随着系统各类参数的全面明确，通过效能评估得出优化系统设计细节的建议。此时最大评估依据来源于各类实物试验和半实物试验，虚拟集成验证以及效能评估只提供辅助支撑。

（1）确立系统详设阶段评估目标

系统详设阶段的评估目标：在已开展控制律设计的系统方案基础上，通过各类性能评价指标，开展集成验证确认工作。该层级评估目标：

（a）功能、性能符合度检查；

（b）能量与热综合控制验证确认；

（c）故障模式健康度检查确认；

（d）五性、经济性指标符合确认。

（2）确立系统详设阶段评估准则

对照系统层级评估目标，采用不同方法确立评估准则

（a）系统性能综合评估（物理、半物理、仿真）；

（b）飞机系统各类特性评估：

（c）健康管理评估；

（d）五性、经济性复核确认。

（e）确立系统详设阶段评估指标

分层评估计算方法

前面描述了按研制阶段的效能评估目标与准则。参考工程实践，具体的评估指标可按表1分解。

首先进行按照系统方案的主架构，仿真计算各类负载的瞬时能耗以及累积能耗，散热所需要的制冷量计算。耗能少的方案相对较优。

其次，能耗代表的轴功率进行燃油代偿损失分析，系统预计重量以及可能出现的引气代偿预计，均折算为燃油代偿损失。整体损失较少的相对较优。

根据成熟的产品类比系统重的关键产品，预估或计算五性符合度，最后要进行全寿命周期成本计算即经济性预测，节省经费的相对较优。

以下介绍燃油代偿损失、经济性预计以及层次分析综合评价的一些常用方法。

燃油代偿损失计算

当飞行器系统安装后，为了运输、传动附件，克服气动阻力与完成其他要求，都需要消耗能量，最后一并归结到飞行器上唯一能源-燃油的消耗上。这些消耗换算为飞行器起飞总质量增加的项目，主要包含下列几部分：系统固定装置质量及运输其所引起的燃油代偿损失；从发动机压气机引气所引起的燃油代偿损失；从发动机轴输出功率所引起的燃油代偿损失；为克服附加的气动阻力所引起的燃油代偿损失。

上述各因素都导致了飞行器起飞总质量增加，采用起飞总质量法估算不同系统方案，对飞行器增加的代偿值来评价系统的优劣。

（1）系统重量M所引起的燃油代偿损失Mf.S

经济性预计评估

飞机项目全寿命周期指一种型号飞机项目从需求调查、项目可行性论证、方案论证、工程研制、生产制造、使用和产品支援以及到寿命后的报废处置整个从项目产生到终结的全过程。

在一个飞机项目全寿命内各阶段发生的费用总和，称为飞机项目的全寿命费用。

为了进行初步费用估算，一个飞机项目的全寿命费用可分解成以下四部分：

（1）论证、研制、试验和鉴定费用CRDTE（阶段1-阶段4发生的费用之和）；

效能-费用分析有多种方法，比较广泛使用的单参数分析法和概率分析法，对机电系统的分析都具有较大的局限性。机电系统不可能用一个参数表示它的效能，因而效能分析方法不可能很简单，单一参数的选择不同，效能-费用分析的结果可能是相互矛盾的。概率分析法的局限性表现在单环节问题的分析中。因为单环节问题用概率无法进行分析比较，只能用物理参数表示。

飞机系统模糊层次分析综合评价法

飞机系统层级效能评价可分为5个步骤进行：

（a）对构成评价系统的目的，评价指标建立多级递阶的结构模型。

（b）对同属一级的要素以上一级的要素为准则进行比较，根据评价尺度确定其相对重要度，据此建立判断矩阵。

（c）解权重判断矩阵，得出特征根和特征向量，并检验每个矩阵的一致性。计算出最底层指标的组合权重。

（d）建立最底层评价指标的隶属函数，求出隶属度。

（e）对待评价对象进行综合分析。

确定各个评价指标的权重是模糊层次评价法中的重要步骤，其确定过程包括建立权重判断矩阵、权重的计算、相容性判断及误差分析。

（1）建立权重判断矩阵

判断矩阵是层次分析法的基本信息，也是相对重要度计算依据。

显然比值越大，则重要度越高。

（2）权重的计算

理论上讲，对以某个上级要素为准则所评价的同级要素之相对重要程度可以由计算比较矩阵A的特征值获得。但因其计算方法较复杂，而且实际上只需要获得对A粗略的估计，因此计算其精确特征值是没有必要的。实践中可以采用求和法或求根法来计算特征值的近似值。

当C.R.<0.1时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的；当C.R.≥0.1时，该对判断矩阵做适当修正。

无量纲化过程，实质上就是隶属函数的建立过程。要把多个异量纲的评价指标综合成一个总隶属度，必须选取和建立某种隶属函数，用以把按不同现实尺度刻划的指标值转化成隶属度。

总的说来，隶属函数就是要建立一个从论域到[0，1]上的映射，用来反映某对象具有某个模糊性质或属于某个模糊概念的程度。

按上式计算出的综合评价值总是介于0和1之间。T反映了方案对于理想目标（所有指标值为最佳值，T = 1）的隶属度，根据T值的大小可以进行方案排序和选优。

（b）乘积法

线性加权和法适用于各种评价指标间相互独立场合，各指标对综合水平的贡献彼此是没有什么影响的。

结论

本文所述的无人机系统快速原型综合评价方法研究是建立在当前已经非常成熟的飞机评价机制基础之上的，结合实际型号研制阶段过程对当前飞机的综合评价机制作有效补充。通过对评估方法的适用性、评估参量的准确性、评估准则的全面性等多方面开展深入研究，形成了满足飞机系统各研制阶段的评估规范和其具体指标，并针对各类评分或计算方法进行了适用度研究，为今后先进无人机系统快速原型设计开展综合效能评估进行了铺垫。