飛機頂層設計

飛機設計是一項複雜的大系統工程，涉及到多學科交叉和多技術領域。飛機設計工作一般分為概念設計(Conceptual design)、初步設計、詳細設計三個階段，前兩個階段又稱為總體設計。飛行器頂層/詳細設計技術是現代各國發展先進航空太空飛行器系統所採用的綜合技術的重要內容，同時是未來飛行器設計和研究的發展趨勢。頂層是比概念設計更高的層次，是在設計的最初階段針對設計早期信息量較少的情況對所需設計的航空太空飛行器系統從較高的層次和大系統的角度進行研究。頂層設計是複雜系統(如航空太空飛行器系統)設計的最初規劃階段。它運用系統工程的原理和方法，在給定的任務目標和約束條件下，構想系統方案和確定系統技術要求，並以可承受的費用滿足進度要求。總的來說，飛行器頂層設計就是在設計早期信息較少的情況下，從用戶要求/需求出發，從頂層和大系統化的角度考慮和研究相關問題，在設計的早期對飛行器設計的可行性研究和設計中的關鍵性內容進行研究和權衡，頂層設計是超越於概念設計階段的最初階段。

基本介紹

• 中文名：飛機頂層設計
• 外文名：The plane top-level design
• 設計情況：設計早期信息較少的情況
• 所屬階段：超越於概念設計階段的最初階段
• 定義：複雜系統設計的最初規劃階段
• 原理和方法：運用系統工程的原理和方法

簡介

飛機設計是一項複雜的大系統工程，涉及到多學科交叉和多技術領域。飛機設計工作一般分為概念設計(Conceptual design)、初步設計、詳細設計三個階段，前兩個階段又稱為總體設計。飛行器頂層/詳細設計技術是現代各國發展先進航空太空飛行器系統所採用的綜合技術的重要內容，同時是未來飛行器設計和研究的發展趨勢。頂層是比概念設計更高的層次，是在設計的最初階段針對設計早期信息量較少的情況對所需設計的航空太空飛行器系統從較高的層次和大系統的角度進行研究。頂層設計是複雜系統(如航空太空飛行器系統)設計的最初規劃階段。它運用系統工程的原理和方法，在給定的任務目標和約束條件下，構想系統方案和確定系統技術要求，並以可承受的費用滿足進度要求。總的來說，飛行器頂層設計就是在設計早期信息較少的情況下，從用戶要求/需求出發，從頂層和大系統化的角度考慮和研究相關問題，在設計的早期對飛行器設計的可行性研究和設計中的關鍵性內容進行研究和權衡，頂層設計是超越於概念設計階段的最初階段。頂層設計的主要內容包括:在設計初期確定航空太空飛行器系統的需求;根據需求確定出系統的使用技術性能要求或戰術技術性能要求;系統的可行性論證;系統設計指標分配;費用/效能權衡以及可靠性、維修性、生存力的綜合權衡;系統和子系統關鍵技術選擇以及總體設計方案評價和優選等。飛機頂層設計往往具有不確定性，既有概念性知識、量化的圖表，又有確認的公理和因時因地的經驗。從設計的全過程來看，它屬於概念設計階段，具有概念設計的特點。

方案優選方法

基於灰色關聯度理論的飛機頂層設計

灰色系統理論中，灰色關聯度是事物之間、因素之間關聯程度和數量的表現.通過計算關聯繫數和關聯度，可從整體上或動態上定量分析事物之間的關聯程度和影響程度.本文在灰色理論和方法的基礎上，針對飛機概念設計中的方案優選問題，首次將灰色理論和方法套用到飛機設計中對方案進行優選.提出了飛機頂層設計方案優選的層次結構和評價指標體系以及灰色層次評價模型.所提出的灰色決策模型充分考慮了決策指標的權重，關聯度由關聯繫數乘以權重實現，有機的將各層次以及各評價指標聯繫在一起，最后綜合得出評價方案與理想方案的關聯度.根據各方案與理想方案關聯度大小確定方案的優劣次序。

評價指標的選取是方案優選的前提，對設計方案優選既要考慮技術指標，又要考慮經濟指標，要選取能夠反映設計飛機技術特性和經濟性的關鍵指標.通過對影響飛機設計方案優選的指標加以系統分析和分類組合，形成單層次或多層次結構.對應決策或評價稱為單(多)層次決策或評價.單層次決策結構圖一目了然;多層次結構相對較複雜，構造其結構圖時，要求同一層次的元素作為準則，對下一層次的某些元素起支配作用，同時它本身又受上一層次元素的支配。

從待選的諸方案中選取指標的最優值或理想值作為參考指標集的數值，參考指標集就是由這些最佳值構成最理想方案，意義是以此為基準，採用灰色關聯度作為測度去評價各方案與理想方案的關聯程度，通過對關聯度進行排序，可得到各方案的優劣次序，從而找出最佳方案.在指標體系中，效益型指標(越大越優指標)取各方案中該指標的最大值作為最佳值；成本型指標(越小越優指標)取各方案中該指標的最小值作為最佳值;如據某一準則取其中某一值為最好的指標，則取該值為最佳值。

模糊質量功能配置方法

質量功能配置法（QFD）是面向市場的產品設計與開發的一種計畫過程，基本思想是產品開發過程中所有活動都由用戶的需求、偏好和期望所驅動。近年來，QFD方法研究的新動向是用來解決武器系統設計中的關鍵性決策問題。這時，該方法被看成是一個矩陣化的決策工具和一個以專家經驗為基礎的能得到最終優先順序的工具。然而，QFD理論與方法不能有效地處理QFD過程中的各種模糊信息，具有一定的局限性。模糊理論在處理模糊信息方面顯示了強大的生命力，能夠對本質上定性、主觀和模糊信息進行定量化描述。

在常規QFD方法的基礎上，引入模糊理論，採用模糊質量功能配置(Fuzzy quality function deploy-went, FQFD)方法處理飛機頂層概念設計中的模糊信息，建立了飛機頂層設計的遞階層次結構和FQFD中競爭性因子的多級模糊評判模型，並將建立的模糊質量功能配置方法套用于飛機頂層設計中的技術優先序確定和關鍵技術識別問題。

飛機設計中用戶(軍方)在表達需求和期望的時候，更多的是採用語言描述如“費用低”、“技術先進”、“作戰效能高”和“性能好”等模糊概念。針對常規QFD理論不能有效地處理這些主觀、定性和模糊信息的不足，將模糊理論和常規QFD方法相結合提出用FQFD方法來解決。

FQFD理論是指將模糊理論和常規QFD方法相結合，基於常規QFD理論的質量屋框架，利用模糊理論彌補常規QFD理論和方法不能有效地處理系統設計中主觀、定性和模糊信息的不足所形成的理論。與傳統QFD理論相似，模糊質量功能配置理論方法的核心手段和基礎仍為質量屋，二者形式一樣。在FQFD中，傳統QFD最初層次的輸入變數(用戶要求)被看成是一個語言變數，並建立各個語言變數的模糊語言術語集和對應的模糊數分布。例如對於用戶要求重要度這一語言變數，用戶可以使用諸如 “很重要”、“不重要”之類的語言真值來表達他們對某一需求的關心程度，並以模糊數分布的形式給出其隸屬函式。在獲得最初的用戶要求重要性信息後，套用模糊擴展原理將傳統的QFD理論與方法擴展到模糊領域中，運用有關模糊數四則運算和模糊決策對上述模糊信息進行處理。在QFD執行過程中，多層次遞階質量屋中下一級質量屋的項目指標集是上一級質量屋的方法集，因此下一級質量屋中項目指標集的權重均採用上一級質量屋方法集的競爭性評價因子。模糊質量功能配置理論的主要內容有:建立多層次遞階質量屋結構、用戶要求權重的評估、質量屋中技術方法集竟爭性因子的多級模糊評價。

大型運輸機飛行控制系統頂層設計

大飛機工程(大型運輸機和大型客機的總稱)已經列入國家中長期發展重大專項，並於2007年3月18日宣布啟動。來自全國20多個單位的專家雲集西安閏良第一飛機設計研究院，開始大飛機方案的設計工作。大飛機將採用電傳飛行控制系統已經是不爭的共識，而電傳飛控系統是飛行安全關鍵系統，也是大飛機設計的關鍵技術領域之一，其頂層設計方案不僅關係飛控系統設計的成敗，更關係著整個飛機研製的成敗，因此，本文強調了飛控系統頂層設計時需要重視的凡個問題，這也是當前論證、制訂方案的基本出發點和指導思想。限於篇幅，標題和內容都側重於大型運輸機，至於大型客機，這些內容同樣適用，只需增加適航方面的內容並更加強調安全可靠性。

飛控與飛機總體方案的一體化設計

採用電傳控制的飛機往往伴隨著套用主動控制技術，這就使得飛控與飛機總體設計的界面更加緊密，以至於不將兩者進行一體化設計(即隨控布局)就無法充分發揮控制系統的潛能並影響飛機總體性能的綜合最佳化，而傳統的設計方法(即先確定氣動布局和總體方案，之後再設計系統包括飛控系統)已經不能很好地適用於大運這種新型飛機的研製。

大運的研製總要求和現有條件之間的矛盾仍很突出，特別需要飛控系統發揮作用。例如:發動機選擇方面的制約、短距起降、高安全可靠性、有效載荷大、長航時、空投大批物資/人員或空投特大部件時飛機的自動穩定等等，結合飛控系統來解決這些矛盾將事半功倍。這些需求導致我們需要採用放寬靜穩定性、機翼載荷減緩、飛行邊界保護、大系統的信息融合與健康管理、多操縱面的綜合控制與重構等先進的控制技術，而這些控制技術不能孤立地運用，必須在飛機總體方案設計時，結合用戶需求統籌考慮氣動布局、發動機推力、飛機結構、可靠性要求、技術風險、研製周期、經濟性等因素，綜合平衡，得到合理可行的方案，使飛機整體性能最佳化。

一體化設計包含著設計要素之間或者說是技術的成熟性與先進性之間的平衡，大運設計的指導思想之一即是採用成熟的先進技術，因此，加強關鍵技術的預研和攻關極其重要，畢竟這是基礎，上面提到的構想需要視技術的成熟度分步實施。

把“四性”設計放在突出位置

“四性”即可靠性、維修性、測試性和保障性是大運性能的重要體現，是用戶非常關注的問題。我們在四性設計上同國外先進水平的差距很大，以往我們研製型號過程中，不同程度地存在著對四性設計重要性認識的不足，或者說只重視安全性而輕視其它方面，導致飛機試飛及交付使用過程中，陸續暴露出設計缺陷，這種缺陷儘管不都是影響飛行安全的缺陷，但至少影響了飛機的使用和維護。

強化四性設計理念要從頂層方案設計之始，並貫徹始終。四性設計的好壞，不能靠所謂的修修補補來解決，而要依賴持之以恆的技術決策、完善的設計方案、持續改進的詳細設計來保證。

技術的發展特別是計算機和匯流排技術、電傳控制技術、容錯技術等方面的長足進步為我們提升大運四性水平奠定了技術基礎，我們應該也必須充分利於這些有利條件，通過完善的余度設計來提高飛控系統的容錯能力，通過完善的故障診斷策略來保證飛控系統容錯性能的需求，通過高度的系統綜合來提高飛機的整體性能及四性性能，通過必要的主動容錯設計使飛控系統具有一定的自修復能力。

為獲得良好的四性性能，有時在其它方面不得不付出代價，但這是值得的。ARJ 21飛控系統中的5個(雙通道)P-ACE具備了互換性，但它們接插在不同電纜上的功能是不同的，這是典型的四性設計實例，寧可讓某些電子部件的功能閒置，也要保證四性指標。

設計指標最優分配

在飛機頂層設計過程中，如何合理的分配重量、可靠度和造價等設計指標是眾多決策者和設計者非常關心的問題。設計指標分配的好壞不僅對設計周期長短有影響，還與設計成功與否直接相關。飛機頂層設計中的設計指標分配問題是一個大規模問題，其特點是變數多，設計分析過程複雜。目前，設計指標最優分配的方法主要有直接法和分解協調法兩種。直接法難於處理大規模設計指標最優分配問題，而且不能體現各子系統相對獨立的特點。而分解協調法將直接法的單級最佳化結構轉換成了主系統與子系統的多層最佳化嵌套結構，該方法結構較複雜，缺乏普適性，沒有實現主系統最佳化與子系統最佳化的真正分離。

西北工業大學張科施等借鑑協同最佳化的思想，發展了一種新的設計指標最優分配方法。該方法是為求解飛機頂層設計中的設計指標最優分配問題而提出的，是一種較通用的最優分配框架。

處理大規模設計指標最優分配問題，目前常採用分解協調法。理論上它可以根據分配關係將最優分配問題分解為若干層的嵌套最佳化式結構，如圖所示是兩層的分解協調法的分配結構。從圖中可以看出，主系統最佳化每疊代一次都需要調用子系統最佳化提供的梯度信息，並未實現主系統與子系統的真正分離。層數越多，這種嵌套調用的結構越複雜，收斂性能越差。且經過研究發現，該分配結構中，除底層子系統外，其它層的最佳化對步長選取敏感，魯棒性不好。且針對不同的分配問題需作較大的程式修改。因此，設計者希望能發展出一種普適性更強的、具有較通用分配框架的、更適合處理飛機頂層設計中大規模設計指標分配問題的最優分配方法。

分解協調法的分配結構