任寶平, 張 龑, 范利花, 張 毅, 李 偉

(1.航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計研究院，陜西 西安 710089；2.航空工業(yè)北京長城航空測控技術(shù)研究所，北京 101111)

隨著飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，電傳飛控系統(tǒng)已經(jīng)成為了現(xiàn)代新研制飛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。電傳飛控系統(tǒng)地面試驗驗證也是飛機(jī)研制過程中必須要完成的工作。飛控系統(tǒng)地面試驗方案論證涉及到10個要素,鐵鳥試驗內(nèi)容多、種類多、周期長[1]。方案論證過程中需要對方案中影響面大且用戶和上級特別關(guān)注的重要技術(shù)問題等進(jìn)行研究和評估，對多種可選方案進(jìn)行利弊分析并選擇最合理的方案?？茖W(xué)合理規(guī)劃試驗對于提高試驗質(zhì)量、節(jié)約試驗成本和縮短研制周期具有非常重要的作用。需求分析不深入、頂層設(shè)計不到位往往導(dǎo)致后續(xù)的返工量很大以及資源和時間的浪費[2]。完成全面滿足高試驗安全、高試驗質(zhì)量、低試驗成本和短試驗周期等要求的飛控系統(tǒng)地面試驗方案設(shè)計是一件難度大且高度復(fù)雜的工作。

國外作戰(zhàn)飛機(jī)的地面試驗和建模與仿真試驗在飛機(jī)的整個研制過程中占的比例越來越重,而整機(jī)飛行試驗的次數(shù)隨之越來越少[3]。美國空軍ARMOLD工程發(fā)展中心提出綜合試驗與評價(Integrated Test and Evaluation,IT&E)方法,用于解決作戰(zhàn)飛機(jī)試驗過程中飛行試驗、地面試驗和建模與仿真試驗之間的規(guī)劃管理與協(xié)調(diào)[4]。其作用是實現(xiàn)試驗信息綜合利用,加速武器裝備研制周期,降低研制風(fēng)險和費用,提高裝備試驗效率和效益[5]。文獻(xiàn)[6]介紹了試驗與評價技術(shù)在美軍武器裝備中的重要作用。文獻(xiàn)[7]介紹了一體化試驗評估方法在美國飛行器試驗評估中的應(yīng)用,有效地達(dá)到了提高試驗效率、縮短試驗周期、減少試驗成本和風(fēng)險的有益效果。

國內(nèi)在地面綜合試驗與評價研究方面起步比較晚，文獻(xiàn)[8]介紹了飛行器地面試驗評價方法,研究中采用了蛛網(wǎng)評價法、灰色關(guān)聯(lián)評價法和基準(zhǔn)評價法，并在飛行器地面點火試驗方案評價中得到了應(yīng)用。文獻(xiàn)[9]介紹了“蛛網(wǎng)圖”法、灰色關(guān)聯(lián)分析方法和基準(zhǔn)評價法在飛機(jī)總體設(shè)計中的評價應(yīng)用。文獻(xiàn)[10]介紹了多目標(biāo)決策法、“蛛網(wǎng)圖”法和綜合評估法在作戰(zhàn)飛機(jī)總體設(shè)計中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[11]介紹了相關(guān)性矩陣評價法在火控計算機(jī)測試平臺設(shè)計中的應(yīng)用。在電傳飛控系統(tǒng)地面試驗評價技術(shù)研究方面,國內(nèi)目前還處于空白。

本文重點研究了密切值評價法、相關(guān)性矩陣法和專家打分法在電傳飛控系統(tǒng)地面試驗評價中的具體應(yīng)用。從試驗內(nèi)容、試驗方法、試驗過程和試驗數(shù)據(jù)處理等方面開發(fā)了試驗知識庫模型，建立了地面試驗評價指標(biāo)體系，研制了地面試驗測試與綜合驗證平臺，利用3種評價方法對某型飛機(jī)電傳飛控系統(tǒng)地面試驗方案進(jìn)行了評估，根據(jù)評估結(jié)果優(yōu)化了試驗方案，解決了長期以來電傳飛控系統(tǒng)地面試驗方案設(shè)計工作缺乏有效的規(guī)范約束和評價指導(dǎo)、試驗資源與試驗需求不匹配等問題。

1 電傳飛控系統(tǒng)地面試驗知識庫建模

電傳飛控系統(tǒng)地面試驗知識庫模型是評價工作的基礎(chǔ)。知識庫模型的準(zhǔn)確性和模型樣本的豐富性會直接影響評價結(jié)果的客觀性和有效性。

通過飛控系統(tǒng)地面試驗的描述過程，完成將用戶需求和試驗?zāi)繕?biāo)轉(zhuǎn)化為對各種試驗資源的需求，提出明確的試驗資源約束和要求，包括時間約束、信息要求、人員要求等。試驗過程描述可以用統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language，UML)表示的類圖完成，作為頂層試驗過程描述。試驗資源的具體需求則需要進(jìn)一步對頂層的試驗過程描述進(jìn)行分解,按照試驗資源分類的原則分別生成對應(yīng)的子試驗任務(wù)描述。

UML可以支持兩種建模機(jī)制:系統(tǒng)的靜態(tài)建模和系統(tǒng)的動態(tài)建模[12]。在地面試驗對象模型中，采用例圖、類圖、對象圖定義地面試驗對象及其之間的靜態(tài)關(guān)系；采用構(gòu)件圖和配置圖反映地面試驗的體系結(jié)構(gòu)和通信機(jī)制；采用順序圖、協(xié)作圖、狀態(tài)圖和活動圖描述地面試驗對象的狀態(tài)及其之間的交互關(guān)系。

圖1為用戶的用例，從用戶使用的角度描述系統(tǒng)構(gòu)架的基本外部行為特性。

圖1 用戶的用例圖

在地面試驗UML關(guān)系模型分析中，以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫作為底層數(shù)據(jù)支撐，對地面試驗信息進(jìn)行建模管理，采用可視化的軟件界面實現(xiàn)用戶信息、飛機(jī)型號檔案、飛機(jī)功能信息、飛機(jī)故障模式信息、試驗設(shè)備和地面試驗數(shù)據(jù)等地面試驗信息的管理，同時支持地面試驗數(shù)據(jù)按照關(guān)鍵字進(jìn)行查詢，并支持對地面試驗的試驗總時長、試驗成本、試驗類型占比、試驗重要度占比、試驗設(shè)備等信息的統(tǒng)計分析，為地面試驗的驗證評價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

用戶信息管理：用于驗證用戶的合法身份。

飛機(jī)型號檔案管理：主要對飛機(jī)型號及飛控系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行管理，包括飛機(jī)編號、飛機(jī)名稱、飛機(jī)類型和飛控系統(tǒng)架構(gòu)等屬性信息。

飛機(jī)功能信息管理：主要對被試飛機(jī)系統(tǒng)的功能編號、功能名稱和功能描述等屬性進(jìn)行管理。

飛機(jī)故障模式信息管理：主要對被試飛機(jī)系統(tǒng)的故障模式名稱、故障模式描述和故障模式等級等屬性進(jìn)行管理。

試驗設(shè)備管理：主要是對試驗相關(guān)設(shè)備的型號、類型、生廠商和成本等屬性進(jìn)行管理。

地面試驗數(shù)據(jù)管理：根據(jù)地面試驗元素分解層級，建立各試驗元素的邏輯關(guān)系譜，采用可視化的顯示界面建立地面試驗?zāi)Ｐ?。在進(jìn)行地面試驗?zāi)稠楆P(guān)鍵指標(biāo)試驗驗證時，由于考慮因素較多，在空間和時間上進(jìn)行逐級分解，分成次級、次次級目標(biāo),完成地面試驗層次化建模，使地面試驗?zāi)Ｐ透逦鷾?zhǔn)確。根據(jù)多層次抽象模型理論，將地面試驗元素進(jìn)行逐級分解，試驗?zāi)Ｐ蛯哟位纸鈭D如圖2所示。

圖2 地面試驗?zāi)Ｐ蛯哟位纸鈭D

2 電傳飛控系統(tǒng)地面試驗評價指標(biāo)體系實現(xiàn)

電傳飛控系統(tǒng)地面試驗評價指標(biāo)體系是否合理、完善，直接影響最終評價結(jié)果的準(zhǔn)確性。評價指標(biāo)體系應(yīng)以飛控系統(tǒng)地面試驗的評價需求為牽引，既能反映飛控系統(tǒng)地面試驗的功能要求，又能反映適用度評價指標(biāo)與優(yōu)化指標(biāo)之間復(fù)雜的耦合關(guān)聯(lián)關(guān)系。

按照地面試驗評價指標(biāo)體系的遞階層次結(jié)構(gòu)和建立原則，評價指標(biāo)體系包括三級：第一級次為地面試驗評價總指標(biāo)；第二級次包括總體指標(biāo)、試驗內(nèi)容、試驗方法、試驗過程、試驗數(shù)據(jù)處理和試驗測試設(shè)備等；第三級次包括構(gòu)成各第二層次指標(biāo)的分指標(biāo)，如圖3所示的地面試驗指標(biāo)從類型上分為評價指標(biāo)和優(yōu)化指標(biāo)兩類。

圖3 地面試驗評價指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)圖

① 評價指標(biāo)：試驗內(nèi)容的重要度、量程范圍及精度等；試驗方法的匹配度、成本等；試驗過程的步驟合理性、試驗復(fù)雜度等；試驗數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)數(shù)量、算法匹配度等。

② 優(yōu)化指標(biāo)：試驗方法的固定響應(yīng)時間、成本等；試驗過程的試驗時間等；試驗數(shù)據(jù)的處理時間等。

為方便計算，采用一致化方法對各指標(biāo)進(jìn)行處理，把含有“極大型”指標(biāo)、“極小型”指標(biāo)、“居中型”指標(biāo)和“區(qū)間型”指標(biāo)4種不同類型的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為同一類型的指標(biāo)。

地面試驗評價指標(biāo)存在各自的量綱和量級，為了排除由于各項指標(biāo)的量綱不同影響最終評估，對評價指標(biāo)作無量綱化處理。

飛控系統(tǒng)地面試驗評價方法是對試驗內(nèi)容、試驗過程、試驗方法和試驗數(shù)據(jù)處理等的適用度評價方法。采用密切值評價法、相關(guān)性矩陣分析法、專家打分法等對地面試驗進(jìn)行適用度評價。

2.1 密切值評價法

密切值評價法能在全面考慮地面試驗指標(biāo)類型和指標(biāo)類型總體分布的情況下，得出較準(zhǔn)確的決策結(jié)果。密切值模型將不同單位的多因素待評指標(biāo)歸一化，計算出其最優(yōu)點和最劣點,將二者作為參考點，然后計算各組待評指標(biāo)與參考點的距離，由距離衡量評價的結(jié)果。

文獻(xiàn)[13]中給出密切值法具體步驟和公式，主要處理步驟如下：① 確定決策評價矩陣；② 指標(biāo)規(guī)范化處理；③ 確定規(guī)范化后的評價指標(biāo)最優(yōu)與最劣決策方案；④ 計算待評指標(biāo)與最優(yōu)和最劣決策方案之間的距離；⑤ 計算密切值；⑥ 決策評價排序。

電傳飛控系統(tǒng)地面試驗指標(biāo)類型如表1所示，分為成本型指標(biāo)和效益型指標(biāo)。

表1 地面試驗評價指標(biāo)類型表

假設(shè)有m個決策評價樣本，每個樣本有n個評價指標(biāo)，則決策評價矩陣為

(1)

考慮實際情況，一般電傳飛控系統(tǒng)地面試驗選用3套評價方案，即m=3，評價樣本按照表1中的二級指標(biāo)計算，即n=20。

對效益型指標(biāo)和成本型指標(biāo)分別采用式(2)和式(3)進(jìn)行統(tǒng)一化。

aij=xij/max(xij)

(2)

aij=min(xij)/xij

(3)

式中：a為評價指標(biāo)的歸一值；x為評價指標(biāo)；i=(1,2，…，m)；j=(1,2，…，n)。

(4)

根據(jù)式(5)確定最劣決策方案：

(5)

根據(jù)式(6)確定待評指標(biāo)與最優(yōu)決策方案樣本之間的距離：

(6)

根據(jù)式(7)確定待評指標(biāo)與最優(yōu)決策方案樣本之間的距離：

(7)

此時密切值采用式(8)計算：

(8)

密切值Ci越大，評價結(jié)果越劣；Ci越小，評價結(jié)果越優(yōu)。根據(jù)密切值評價法開發(fā)相應(yīng)的計算軟件，實現(xiàn)評價方法的自動化,密切值評價算法的軟件運行結(jié)果如圖4所示。

圖4 密切值評價算法的軟件運行結(jié)果圖

2.2 相關(guān)性矩陣評價法

通過建立試驗測試項與相關(guān)項(功能項、性能項、故障模式項、環(huán)境項、試驗設(shè)備項)的相關(guān)性矩陣模型，對整個地面試驗的覆蓋內(nèi)容進(jìn)行評價分析，完成此項試驗則在矩陣表中對應(yīng)為1，未完成此項試驗則在矩陣表中對應(yīng)為0。以試驗測試和功能項相關(guān)性為例，建立試驗測試與功能的相關(guān)性矩陣模型，如表2所示。

表2 試驗測試與功能相關(guān)性矩陣表

相關(guān)性矩陣的分析算法如下：

功能檢測率=1-全為0的行數(shù)/總行數(shù)=1-1/6=5/6 =83.3%。

表2中全為0的行代表此功能項未檢測。此功能項若為重要項，則認(rèn)為試驗方案規(guī)劃有遺漏，必須重新考慮增加試驗內(nèi)容完成此功能項測試。

表2中某幾列數(shù)值如果完全相同，則代表這幾列對應(yīng)的試驗測試項重復(fù)，例如試驗測試項2和測試項6，需考慮試驗是否可以合并，以減少重復(fù)測試，節(jié)約試驗時間。

表2中若某列所覆蓋的功能項較多，則考慮在試驗順序規(guī)劃中優(yōu)先進(jìn)行試驗，如測試項3。

相關(guān)性矩陣評價法通過建立試驗測試項與功能、性能、故障模式、測試設(shè)備及環(huán)境條件的相關(guān)性模型，分析得出功能/性能/故障模式等覆蓋率，未覆蓋的功能/性能/故障模式，以及相同功能/性能/故障模式等測試項，根據(jù)分析結(jié)論指導(dǎo)地面試驗方案完成補(bǔ)充、合并等優(yōu)化設(shè)計。

實際應(yīng)用中通過軟件實現(xiàn)相關(guān)性矩陣評價法，圖5為相關(guān)性矩陣評價算法的軟件運行結(jié)果圖，是某飛控系統(tǒng)地面試驗方案評估過程中應(yīng)用相關(guān)性矩陣法的一個實例，評估發(fā)現(xiàn)功能覆蓋率為20.8%，有多項功能未覆蓋，必須重新制定試驗方案。根據(jù)評估結(jié)果開展試驗方案優(yōu)化，并最終滿足試驗需求。

圖5 相關(guān)性矩陣評價算法的軟件運行結(jié)果圖

2.3 專家打分法

專家打分法是通過征詢地面試驗有關(guān)專家的意見,并對專家意見進(jìn)行統(tǒng)計、處理、分析和歸納，客觀地綜合專家經(jīng)驗與主觀判斷，對試驗過程的完備性、試驗方法的合理性、試驗手段的先進(jìn)性和數(shù)據(jù)處理的有效性等做出評價，綜合給出地面試驗適用度的評估。具體步驟如下。

① 確定權(quán)重系數(shù)。根據(jù)各指標(biāo)對地面試驗的相對重要性，分別確定權(quán)數(shù)，且權(quán)數(shù)之和為1。

② 劃分等級。將每個指標(biāo)劃分多個等級，并為各等級賦予定量數(shù)值，對應(yīng)一個分值，用于判斷地面試驗方案中的每個項目所占等級。

③ 計算地面試驗方案總分。將每項指標(biāo)權(quán)數(shù)與對應(yīng)的等級分值分別相乘，求出每項指標(biāo)得分。各項指標(biāo)得分之和為地面試驗方案的總分。

④ 決策。取試驗方案得分最高項為最優(yōu)地面試驗方案。

在電傳飛控系統(tǒng)地面試驗評價過程中，把評價的內(nèi)容分為了6個部分，每個部分的權(quán)重分別是：飛控系統(tǒng)地面試驗內(nèi)容權(quán)重0.2、飛控系統(tǒng)地面試驗方法權(quán)重0.2、飛控系統(tǒng)地面試驗過程權(quán)重0.2、飛控系統(tǒng)地面試驗測試設(shè)備權(quán)重0.1、飛控系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)處理方法權(quán)重0.2和飛控系統(tǒng)地面試驗時間及成本權(quán)重(0.1)。每一步分為3個等級，每個等級的分?jǐn)?shù)為：好(90～100分)、一般(75～90分)、差(40～75分)。根據(jù)權(quán)重和得分的成績累加可以得到總分，總分最高者即為最優(yōu)方案。

3 地面試驗評價技術(shù)應(yīng)用分析

電傳飛控系統(tǒng)地面試驗評價技術(shù)可以用來指導(dǎo)和評判新型號電傳飛控系統(tǒng)綜合試驗規(guī)劃及試驗環(huán)境的建設(shè)，對試驗規(guī)劃的完整性、實效性提供評估并給出建議。用于試驗評估的3種方法在實際應(yīng)用中可以綜合應(yīng)用，也可以單獨應(yīng)用，每一種方法又具有各自的特點。

密切值評價法是一種定量的評估方法，在使用過程中需要技術(shù)人員具有豐富的經(jīng)驗積累。決策評價矩陣R中的每一個參數(shù)都需要在開始評估前被賦值，賦值的合理性直接影響評估結(jié)果。本項目在研究之初先建立了電傳飛控系統(tǒng)地面試驗知識庫，在知識庫中存儲了多套電傳飛控系統(tǒng)試驗方案，因此在使用密切值評估法時，可以根據(jù)知識庫存儲的數(shù)據(jù)給決策評價矩陣R的變量賦值。

相關(guān)性矩陣評價法側(cè)重評估試驗方案的完整性和試驗規(guī)劃的效率，通過此方法可以發(fā)現(xiàn)試驗規(guī)劃中漏掉的試驗項目，也可以輔助判斷試驗實施過程中可以合并實施的試驗項目，減少試驗周期，提高效率。但是對于采用了新技術(shù)之后的電傳飛控系統(tǒng)地面試驗項目的評估會有一定的不準(zhǔn)確性。

專家打分評估法是一種定性評估方法，根據(jù)專家的水平，結(jié)合統(tǒng)計方法的應(yīng)用，可以比較客觀地定性評價一套試驗方案的好壞。但是此方法對于專家的依賴程度比較高。

3種方法結(jié)合使用可以在電傳飛控系統(tǒng)地面試驗評價工作中收到最好的效果，而且根據(jù)產(chǎn)生的新試驗方案可以不斷地完善電傳飛控系統(tǒng)地面試驗知識庫中的樣本，樣本越多，評價的準(zhǔn)確性就越高。經(jīng)過多型號的迭代之后，隨著樣本增加可以逐步取消專家打分評估法，僅使用密切值評價法和相關(guān)性矩陣評價法就可以完成評估工作。

4 結(jié)束語

針對電傳飛控系統(tǒng)地面試驗評價技術(shù)開展了研究，建立了基于已有型號數(shù)據(jù)的電傳飛控系統(tǒng)地面試驗知識庫模型，創(chuàng)建了地面試驗評價指標(biāo)體系，綜合應(yīng)用3種評價方法開展試驗方案評價，研制了飛控系統(tǒng)地面試驗綜合驗證評價平臺，實現(xiàn)了人機(jī)交互友好的自動化評價。該平臺在某型飛機(jī)電傳飛控系統(tǒng)鐵鳥試驗方案設(shè)計過程中得到了應(yīng)用，應(yīng)用過程中對試驗方案提出了優(yōu)化建議。在應(yīng)用過程中也暴露出由于知識模型庫中的樣本較少導(dǎo)致評價結(jié)果的準(zhǔn)確度不夠高的問題，因此，補(bǔ)充知識模型庫樣本是未來工作的重點。