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(1.中國人民解放軍空軍航 空維修技術(shù)學(xué)院，長沙 410124;2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041; 3.中國人民解放軍 空軍研究院，北京 100076)

0 引言

飛行器地面試驗[1]是一項在地面模擬真實飛行環(huán)境下，對飛行器、發(fā)動機(jī)及機(jī)載設(shè)備等進(jìn)行探索、驗證和研究的系統(tǒng)工程。試驗覆蓋裝備全生命周期，是發(fā)現(xiàn)和解決飛行器及部件在設(shè)計、生產(chǎn)、制造中的問題，是促使新機(jī)各項指標(biāo)更科學(xué)、更先進(jìn)的不可缺少的環(huán)節(jié)。

國軍標(biāo)中地面試驗規(guī)范給出了基本試驗參數(shù)和試驗方法，在制定試驗大綱和實際試驗中往往遇到多種試驗方案選擇、不同試驗環(huán)境搭建、不同試驗數(shù)據(jù)處理方法等問題，多個環(huán)節(jié)的耦合又造成試驗誤差放大。另外，飛行器地面試驗評價決定著試驗結(jié)果的效能是否合理，衡量地面試驗是否達(dá)到預(yù)期試驗?zāi)康模缂夹g(shù)指標(biāo)和功能要求的符合度、極限邊界條件下的性能指標(biāo)等。當(dāng)試驗效果較差時，需要分析試驗評價結(jié)果，進(jìn)而從試驗過程、試驗方法、試驗手段或數(shù)據(jù)處理等方面進(jìn)行試驗修正，進(jìn)一步提高試驗效能。

為解決這一問題，文中提出了一種基于試驗建模的地面試驗適用度評價方法，將試驗需求、試驗環(huán)境、試驗過程、試驗方法、試驗手段、試驗數(shù)據(jù)處理整理在統(tǒng)一的試驗?zāi)Ｐ椭?，通過適用度評價選出最優(yōu)化的試驗方案。

1 基于UML方法的試驗建模技術(shù)

對試驗環(huán)節(jié)和試驗行為的試驗建模，目的是為了計算多維度的中間適用度度量指標(biāo)，進(jìn)而通過適用度計算算法得到綜合適用度指標(biāo)。首先采用基于統(tǒng)一建模語言(unified modeling language, UML)的建模方法對6個試驗環(huán)節(jié)進(jìn)行建模。UML融合了早期各種建模語言的優(yōu)點，在面向?qū)ο蠓治龊驮O(shè)計方面完全能夠?qū)崿F(xiàn)可視化建模過程。

基于UML方法的飛行器地面試驗?zāi)Ｐ桶ǎ涸囼炐枨笈c目標(biāo)、試驗任務(wù)、試驗過程、試驗資源、試驗場和試驗結(jié)果。模型中除了對所屬試驗環(huán)節(jié)的特征屬性進(jìn)行描述外，還包括輸入輸出接口、數(shù)據(jù)需求和約束條件。試驗?zāi)Ｐ椭g可以通過繼承、包含和數(shù)據(jù)驅(qū)動等關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)。模型之間的關(guān)聯(lián)用來表達(dá)試驗環(huán)節(jié)之間的行為，本文中共提出了6個試驗行為，包括：需求生成任務(wù)、任務(wù)規(guī)劃過程，過程配置資源、資源發(fā)布試驗場、試驗場記錄試驗結(jié)果、結(jié)果對比需求。這些行為通過模型的接口和關(guān)聯(lián)關(guān)系連接，通過適用度計算算法，可計算出行為對應(yīng)的中間適用度，如生成適用度、規(guī)劃適用度、配置適用度等。

試驗建模工具[2]選擇美國Rational公司的面向?qū)ο蟮目梢暬９ぞ逺ationalRose，它包括了UML、OOSE以及OMT，因而可以方便建立基于UML描述的系統(tǒng)模型，能夠提供清晰的UML表達(dá)方法和完善的工具，是一套能滿足所有建模環(huán)境(Web開發(fā)，數(shù)據(jù)建模，VisualStudio和C++)需求能力和靈活性的完整解決方案。

建模機(jī)制按照UML規(guī)范定義的邏輯層次進(jìn)行，主要包括靜態(tài)模型和動態(tài)模型。靜態(tài)建模是建模語言的基礎(chǔ)，主要包括類圖、對象圖、構(gòu)件圖以及相應(yīng)的部署圖等。動態(tài)建模是主要由交互圖(包括時序圖和協(xié)作圖)、狀態(tài)圖、活動圖來進(jìn)行描述。UML的建模機(jī)制如圖1所示。

圖1 UML建模機(jī)制

試驗?zāi)Ｐ凸舶?2個模型，包括6個靜態(tài)模型和6個動態(tài)模型，其中靜態(tài)模型描述6個試驗環(huán)節(jié)，包括試驗需求、試驗任務(wù)、試驗過程、試驗資源、試驗場和試驗結(jié)果，動態(tài)模型對應(yīng)6個試驗行為，包括生成、規(guī)劃、配置、發(fā)布、記錄和對比，如圖2所示。

圖2 試驗環(huán)境與行為模型建模

針對上述6個試驗環(huán)節(jié)進(jìn)行行為建模，模型包括元對象模型和對象模型。元對象模型是指進(jìn)行概念描述建模的模型圖, 模型中包含該試驗環(huán)節(jié)通用特征的描述，如類型、參數(shù)、狀態(tài)、接口、數(shù)據(jù)需求和約束條件等。試驗對象模型主要根據(jù)試驗環(huán)節(jié)所關(guān)聯(lián)的元對象模型進(jìn)行繼承、派生和擴(kuò)展。對象模型可以是一類元對象模型單獨繼承/擴(kuò)展產(chǎn)生, 也可以是一個已定義好的對象模型繼承而來, 也可以是由多個對象模型派生出來, 提供單個對象模型無法支持的功能[3]。

6個試驗環(huán)節(jié)模型間通過行為連接，分別為需求生成任務(wù)、任務(wù)規(guī)劃過程、過程配置資源、資源發(fā)布試驗場、試驗場記錄試驗結(jié)果、試驗結(jié)果對比需求。通過中間適用度評價算法對行為過程進(jìn)行仿真并得出中間適用度，通過評價最終得到綜合適用度。綜合適用度在一定程度上反映了針對試驗需求和試驗?zāi)繕?biāo)的試驗效能問題。

2 基于試驗建模的飛行器地面試驗評價體系實現(xiàn)

地面試驗適用度評價體系分為兩個過程：試驗建模和適用度評價。評價體系提出了適用度的試驗評價效能指標(biāo)，并給出了度量和計算方法，最后按照不同評價方法對適用度進(jìn)行評價，得到綜合適用度值。如圖3所示。

圖3 地面試驗適用度評價體系

通過對試驗需求、試驗任務(wù)等6個試驗環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)研，將所有試驗相關(guān)元素和過程進(jìn)行開放式結(jié)構(gòu)建模，如試驗需求模型、試驗任務(wù)模型、試驗資源模型等。每個模型之間通過行為進(jìn)行關(guān)聯(lián)。行為過程即仿真過程，如試驗需求生成試驗任務(wù)，試驗任務(wù)規(guī)劃試驗過程等。仿真結(jié)果就是評價體系中的中間適用度，適用度度量采用評分制，如試驗過程配置試驗資源的配置適用度可分為1～10分，資源占用最少而且試驗過程完全覆蓋的為10分，其次為9分，依次類推。這樣仿真結(jié)果便是一組多維度的中間適用度值。通過評價體系中的評價方法計算獲取最后的綜合適用度值。中間適用度評價方法可采用蛛網(wǎng)評價法、灰度關(guān)聯(lián)評價法、基準(zhǔn)評價法等。

3 基于中間適用度的適用度評價方法

運(yùn)用已建立的地面試驗適用度評價體系研究本文開展的驗證試驗及進(jìn)行地面試驗建模和適用度評價。結(jié)合驗證方案試驗結(jié)果進(jìn)行比較和驗證，給出適合飛行器地面試驗的最優(yōu)方案選擇和試驗策略。

通過“蛛網(wǎng)圖”評價、灰色關(guān)聯(lián)度分析和基準(zhǔn)評價3種評價方法對飛行器在設(shè)計研制試驗、生產(chǎn)和交聯(lián)靜態(tài)試驗、地面試驗整個過程進(jìn)行適用度評價。不同評價方法將對應(yīng)不同的適應(yīng)度評價值，結(jié)合試驗驗證方案對試驗過程、試驗方法、試驗手段、試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行適用度評價方法最優(yōu)化研究，并形成評價方法選擇標(biāo)準(zhǔn)。

如圖4所示，建立飛行器地面試驗的中間適用度評價體系，將試驗?zāi)Ｐ蜕傻闹虚g適用度Q1～Q6，通過不同的適用度評價方法獲取綜合適用度值，最終選取綜合適用度值較高的試驗方案進(jìn)行驗證。

圖4 適用度評價方法示意圖

3.1 蛛網(wǎng)評價法

蛛網(wǎng)圖(spider chart)評價法[4]，又稱為戴布拉圖或雷達(dá)圖評價法，是一種圖形綜合評價方法，將評價對象的評價指標(biāo)狀況通過二維平面圖形展示。該評價方法的中心思想是：根據(jù)需要確定被測評對象的主要評價指標(biāo)，優(yōu)化選擇方法與選擇相應(yīng)的數(shù)值，對主要評價指標(biāo)進(jìn)行數(shù)值處理，通過專家評分法、對比分析法等，獲取具有選擇可比性的無量綱指標(biāo)值。利用上述方法建立飛行器地面試驗評價的蛛網(wǎng)圖，共包括6個軸線，分別對應(yīng)地面試驗建模過程中的6個中間適用度指標(biāo)，將中間適用度值在蛛網(wǎng)圖對應(yīng)位置進(jìn)行描點，然后連線構(gòu)成一個六邊形，所得六邊形的面積對應(yīng)試驗方案的綜合適用度，面積最大者試驗方案最優(yōu)，如圖5所示。

圖5 蛛網(wǎng)圖評價法示意圖

蛛網(wǎng)圖評價[5]適合多個試驗方案的綜合評估，能較好地體現(xiàn)系統(tǒng)評價的真實性，在實際應(yīng)用中，通過具體問題進(jìn)行具體分析，采用比較合理的方式和科學(xué)的方法來確定影響因素的分?jǐn)?shù)相對值。蛛網(wǎng)圖具有簡單、直觀的特點，多為特征評價方法，在同一圖形上可呈現(xiàn)出多方面的特征，比較性強(qiáng)。但是，相對交互性較差，不能通過改變設(shè)計質(zhì)量來修改方案，一般先應(yīng)對評價指標(biāo)進(jìn)行充分分析，且生成的評價報告只能作決策參考。

3.2 灰色關(guān)聯(lián)評價法

灰色關(guān)聯(lián)度法是在信息不完整或不確定時，用來衡量兩因素間相似或相異程度的方法，若兩個因素相關(guān)程度較高，兩者之間的關(guān)聯(lián)度就高，反之就低。因此，灰色關(guān)聯(lián)度法的核心內(nèi)容是關(guān)聯(lián)度的建立[6]。

通過灰色關(guān)聯(lián)方法[8]對試驗方案進(jìn)行評價的基本模型是：繼承已有試驗的適用度，并定為參考序列，按照灰色系統(tǒng)理論計算綜合適用度(灰色關(guān)聯(lián)度)，綜合適用度排序高的為最優(yōu)試驗。評價算法如下:

令歷史試驗的中間適用度作為參考序列x0，xi(i= 1,……, 6) 為比較序列。數(shù)據(jù)列的長度為m(參照試驗分析模型個數(shù)m=6)，x0(k)、xi(k)分別為序列x0與xi中第k個數(shù), 令Δi0(k)=|xi(k)-x0(k)|，則x0(k)與xi(k)的關(guān)聯(lián)系數(shù)為：

(1)

式(1)中，ε∈[0,1]為分辨系數(shù)。

根據(jù)關(guān)聯(lián)系數(shù)，求得綜合適用度。

(2)

對綜合適用度γ(χi，χ0)(i=1,2,……n)進(jìn)行大小排序，適用度越大，說明其對應(yīng)的數(shù)據(jù)序列越接近參考序列，所對應(yīng)的試驗方案為優(yōu)。

灰色關(guān)聯(lián)度法應(yīng)用范圍較廣，特別適合于指標(biāo)值數(shù)量較少、而且離散的場合，是一種很好的分析系統(tǒng)中多因素關(guān)聯(lián)程度的評價方法。

3.3 基準(zhǔn)評價法

評價時一般先選定一個基準(zhǔn)試驗[5]，如歷史試驗的平均水平。通過試驗建模，仿真求得中間適用度，作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。將待評價中間適用度指標(biāo)和權(quán)重評價因子代入評價算法，求得綜合適用度。

(3)

其中:A為權(quán)重評價因子，由下面層次分析法求得。

根據(jù)評價指標(biāo)體系構(gòu)造判斷矩陣，依據(jù)指標(biāo)體系中各層指標(biāo)的關(guān)系, 利用比率標(biāo)度方法, 對同一準(zhǔn)則下同層次各個指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較和量化，構(gòu)造判斷矩陣[5]。求出判讀矩陣的最大特征根，并進(jìn)行一致性檢驗。

(4)

(5)

基準(zhǔn)評價法通過將各試驗方案與基準(zhǔn)試驗方案進(jìn)行對比，使得實驗方案中的各項指標(biāo)度量規(guī)范化和無量綱化，從而解決了指標(biāo)量綱不一致的缺陷，可作為一個定量評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)的綜合評價。

4 評估方法應(yīng)用

點火試驗是飛行器地面試驗的關(guān)鍵部分，通過地面試驗對點火器的工作狀態(tài)、時序控制等進(jìn)行測量評估，以便為飛行器正式飛行試驗提供可靠的數(shù)據(jù)[7]。本評估方法在某飛行器地面點火試驗中對試驗需求、試驗任務(wù)等6個試驗環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)研，將所有試驗相關(guān)元素和過程進(jìn)行開放式結(jié)構(gòu)建模，每個模型之間通過行為進(jìn)行關(guān)聯(lián)，生成仿真過程，通過中間適用度評價算法，得到一組多維度的中間適用度值(1～10)，然后采用蛛網(wǎng)評價法、灰度關(guān)聯(lián)評價法、基準(zhǔn)評價法等進(jìn)行綜合評價得到綜合適用度值，依據(jù)適用度值，選取效能高的方案進(jìn)行試驗，取得了良好的驗證效果。

4.1 飛行器地面點火試驗建模

以某飛行器地面點火試驗方案需求為例進(jìn)行試驗建模研究，根據(jù)UML建模規(guī)范，首先明確點火試驗方案中，點火系統(tǒng)的邊界即系統(tǒng)參與者：點火發(fā)控設(shè)備、系統(tǒng)操作人員、指控系統(tǒng)、點火器、控制軟件、定時器等。其中點火器可選擇點火電路或模擬負(fù)載兩種試驗方案，使用RationalRose軟件建立試驗方案的動態(tài)模型，對參與者進(jìn)行用例分析，生成的用例圖如圖6所示，描述系統(tǒng)中各參與者所對應(yīng)的不同功能。

圖6 用RationalRose軟件生成的用例圖

用例圖在UML建模語言中起支配作用，描述系統(tǒng)外部可見的行為，確定了一種強(qiáng)制力量，并驅(qū)動和約束后續(xù)功能的開發(fā)。用例視圖生成后，進(jìn)入與用例圖對應(yīng)的行為視圖生成階段，該行為模型是對一個具有明確業(yè)務(wù)功能的描述，因此其模型元素主要包括以下內(nèi)容：時序圖、活動圖等，采用RationalRose工具進(jìn)行描繪，可以清晰、高效地完成對某飛行器地面點火試驗任務(wù)的需求分析，同理為試驗任務(wù)、試驗過程、試驗設(shè)備等6個試驗環(huán)節(jié)分別建模，進(jìn)行行為關(guān)聯(lián)，生成兩種點火試驗方案的試驗建模仿真過程。

4.2 點火試驗中間適用度評價應(yīng)用

基于上述兩種某飛行器地面點火試驗方案的試驗?zāi)Ｐ停谠囼灧桨副容^選擇過程中，首先根據(jù)模型建立中間適用度評價體系，如圖7所示。不同試驗階段的適用度值需綜合各階段對應(yīng)的主要評價指標(biāo)獲取。評價指標(biāo)覆蓋了試驗方案的多方面因素，而且能夠根據(jù)指標(biāo)的度量值反映用戶需求，并由此來反映各適用度指標(biāo)對整個試驗方案的綜合影響程度。例如綜合某點火試驗方案的試驗任務(wù)復(fù)雜程度和試驗任務(wù)滿足試驗需求的程度，可得到方案對應(yīng)的生成適用度Q1的對應(yīng)度量值。

圖7 某飛行器地面點火試驗中間適用度評價效能圖

根據(jù)上述中間適用度評價體系，各適用度指標(biāo)的度量需綜合對應(yīng)的評價指標(biāo)來獲取，對于兩種試驗方案不同階段的適用度Q1～Q6，根據(jù)評價體系中的適用度評價主要指標(biāo)，可以得到兩組多維度的中間適用度值(1～10)，分別采用蛛網(wǎng)圖法、灰度關(guān)聯(lián)法、基準(zhǔn)評價法進(jìn)行方案的適用度評價計算，獲取綜合適用度，對比兩種方案的綜合適用度值，優(yōu)先選取適用度高的方案進(jìn)行試驗驗證。

1)采用蛛網(wǎng)圖法進(jìn)行試驗方案對比評價，將兩種點火試驗方案的中間適用度進(jìn)行對比綜合評價。由于試驗生成、試驗規(guī)劃、試驗配置、試驗發(fā)布、試驗實施與記錄、試驗對比驗證與試驗方案的性能成正相關(guān)性，因此構(gòu)建的蛛網(wǎng)圖面積越大，表明對應(yīng)的試驗方案性能越高，方案的可行性越好。

如圖8所示，將兩種試驗方案的6個中間適用度值在蛛網(wǎng)圖上進(jìn)行描點并連線，形成兩個星型圖像，該圖像反映了兩種方案各評價指標(biāo)的狀態(tài)?？梢詮膱D中比較直觀得出試驗方案2的蛛網(wǎng)圖面積大于試驗方案1的蛛網(wǎng)圖面積，即方案2的綜合適用度值大于方案1的綜合適用度值。依據(jù)適用度值與試驗方案的正相關(guān)性，可優(yōu)先選取效能高的試驗方案2進(jìn)行地面點火試驗。

圖8 某飛行器地面點火試驗方案蛛網(wǎng)圖對比

2)采用灰度關(guān)聯(lián)法，對兩種點火試驗方案的中間適用度進(jìn)行綜合評價，選取歷史試驗的一個中間適用度作為參考序列，并對比參考序列進(jìn)行灰度關(guān)聯(lián)度計算，分別求出兩種試驗方案相對參考序列的中間適用度關(guān)聯(lián)系數(shù)γi(j)(i=1,2，j=1,2,…6)，如表1所示。

表1 試驗方案灰度關(guān)聯(lián)系數(shù)

根據(jù)灰度關(guān)聯(lián)系數(shù)求兩種方案的灰度關(guān)聯(lián)度，即綜合適用度：

Γ01=0.8 483

(6)

Γ02=0.9 228

(7)

比較得Γ01>Γ02,說明方案2的比較序列更接近參考序列，方案2與參考方案的關(guān)聯(lián)度更高，可優(yōu)先選取方案2進(jìn)行地面試驗。

3)采用基準(zhǔn)評價法，依據(jù)試驗方案指標(biāo)體系中各指標(biāo)的關(guān)系,對同一準(zhǔn)則下各個指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較和量化，并根據(jù)一致性條件，求得判斷矩陣P，按照和法將P每一列數(shù)值進(jìn)行歸一化處理，得出各評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)如下：

(8)

根據(jù)權(quán)重系數(shù)，求得各方案的綜合適用度：

*Mi=8.0 864

(9)

(10)

比較兩個方案的綜合適用度，得出最終綜合評估結(jié)果Q2>Q1,因此兩種試驗方案的優(yōu)先排序依次為：方案2、方案1，并以此作為試驗方案選擇的參考依據(jù)。

綜上，通過蛛網(wǎng)圖法、灰度關(guān)聯(lián)法、基準(zhǔn)評價法3種評價方法，對兩種點火試驗方案進(jìn)行綜合評價，均得出方案2優(yōu)于方案1的綜合評價結(jié)果。根據(jù)評價結(jié)果優(yōu)先選擇方案2進(jìn)行地面點火試驗，取得了良好的試驗驗證效果，同時也為飛行器的正式飛行點火試驗提供了可靠的試驗數(shù)據(jù)依據(jù)。

5 結(jié)論

針對飛行器地面試驗建模仿真手段和評價體系有待完善、亟需提高試驗效能等需求，建立了飛行器地面試驗適用度評價規(guī)范，對飛行器地面試驗的不同環(huán)節(jié)要素進(jìn)行建模并進(jìn)行綜合評價，突破了基于試驗建模與適用度評價的飛行器地面試驗評價方法，能夠顯著提升飛行器機(jī)載系統(tǒng)試驗測試能力。對于面向裝備全壽命周期的系統(tǒng)測試與綜合驗證的功能，在后續(xù)工作中進(jìn)行更深入的理論應(yīng)用研究，并提供充分的試驗數(shù)據(jù)依據(jù)。

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