十一连载：预警机总体构型设计（六）
今天的心情还是很放松的，
明天还是不用上班，
好好珍惜！
不多说了，
还是和小编一起读综述吧。
今日荐文的作者为中国电子科学研究院专家陈竹梅，陕西飞机工业公司欧阳绍修。本篇连载自论文《预警机总体构型设计综述》，发表于《中国电子科学研究院学报》第11卷第4期。下面和小编一起开始学习吧~
4.基于多目标优化的总体构型设计研究与展望
4.1基于多目标优化的总体构型设计研究需求
现役预警机或特种机一般采用基于已有平台进行加改装设计，通常在已知的平台资源限制下，尽量满足飞机的气动特性和飞行性能，并同步考虑任务系统的适装性设计、载机改装以及包括任务支持系统在内的适应性设计。通常情况下，如果为了重点考虑任务系统的电性能，就不得不牺牲一部分载机气动性能；或者为了重点保证载机气动性能，就不得不损失任务系统一部分电性能，因此如何进行预警机总体构型设计所需要的多个设计目标的优化、均衡，是当前总体构型设计亟待解决的总体设计技术问题。
国内在进行这个设计活动时，往往参照欧美或他国现有预警机装备总体构型基础，进行借鉴或者依赖局部的研制经验数据，常常是采用基于经验分析、或经验分析与综合分析相结合的方式，提出有可能的几个备选方案，然后采用上述设计方法或技术评审的方法，对几个方案进行优化、权衡和决策，选择相对较优的一个方案。但问题是，所参照的预警机总体构型是否最优呢？目前尚无成熟技术手段可以评估。
图 21 直接参照现有总体构型思路
采用上述的这种设计方法，最多可以保证最终方案是几个备选方案的优化结果，但并不能保证最终方案是全局或者局部优化的结果。这种方法限制了任务系统发挥最大的能力，同时也对原先载机平台性能的造成了不必要的影响，甚至导致研制难度加大或风险增加，研制周期和成本控制也成为经常性出现的问题。
目前在预警机或特种机的总体构型设计方面，尤其所涉及到“机、电、磁、气动”多个专业学科领域的交叉，在理论研究上尚未开展系统的学科研究，所以当前的总体构型设计的优化和决策，依然缺乏一个全面、系统、均衡的理论寻优求解过程。
因此，基于创新设计理论启发，是否可以研究寻找一种可以准确定量的、科学的总体构型设计与评估方法？以解决上述问题。可以尝试研究“基于多目标优化的总体构型设计方法”，综合考虑任务系统功能性能、载机气动特性和飞行性能、任务载荷适应性及任务支持系统等多个设计目标的协调性、匹配性，以期达到预警机装备系统级的功能性能最优。
4.2基于多目标优化的总体构型设计思路
本文所提出基于多目标优化（Multi-objective Optimization）的设计思路，是经过理解预警机总体构型设计的概念和内涵，所引发的技术研究所关键问题：如何确定预警机构型设计的优化对象，并通过优化方案设计和优化决策评价，实现预警机作战功能性能要求和飞行平台相关指标要求的最佳匹配。需要综合考虑各种设计要求，但如何提取复杂系统的指标体系、指标优化要求及综合决策，是一个十分复杂的过程，其设计结果直接决定了系统总体方案的顶层指标体系及其综合效能。
因此，我们可以进一步理解为，总体构型设计（假设所有设计集合A类）包含了载机平台的气动构型（假设设计集合B类）、任务系统功能性能（假设设计集合C类），以及由此带来的载机改装、任务载荷适应性以及任务支持系统等（假设设计集合D类）所表现的多个设计领域的综合与优化。
比如在飞机飞行性能设计领域中，设计集合B包含了载机各类设计集合（i=1,2，…，n），例如气动特性、载机飞行性能设计、载机安全性设计、……，以及相关项设计。其中每一个类设计集合设计也可以是对其下多个设计进行综合与优化的过程，即（j=1,2，…，m）。
同理，任务系统设计领域是一个解决复杂电子系统设计的过程，包括了任务系统各类设计集合（i=1,2，…，），例如装备作战使用的信息系统设计、复杂电性能设计、满足功能性能设计、电磁性能设计，……，以及相关项设计。其中每一个类设计集合设计也可以是对其下多个设计进行综合与优化的过程，即（j=1,2，…，）。
以此类推，为了解决好任务系统装载到载机平台上带来的相应适应性设计、匹配改装设计和任务支持系统等资源保障设计，同样可以建立这样一个设计集合（i=1,2，…，），例如，供电设计、改装结构、冷却系统设计、液压系统设计，……，等等，每一个类设计集合设计也可以是对其下多个设计进行综合与优化的过程，即（j=1,2，…，）。
图 22 基于多目标优化的设计思路
如上所述，可以应用最优化理论对总体构型的各项设计指标进行分解和优化设计，从这个角度上来说，总体构型设计实际上就是一个寻求最优设计的优化过程。按照给定的设计要求，研究上述三个大设计方面进行目标函数求最小，寻找与之相关的约束或限制，例如设定约束函数、等，可以求解上述多个设计目标的优化，实现构型设计相关多个技术指标的取优。
当然，对于这个优化求解的过程来说，由于其相关性的复杂特征，涉及到目标函数提取的合理性、准确性等也相对复杂，包括：
a) 如何对总体构型的几何进行建模表征与参数化定义；
b) 如何对气动学科、电子技术学科、电磁学科、结构外形重量等力学学科进行基于多物理场的模型建立与积分参数定义；
c) 如何针对空气阻力增益、电磁增益参数、波瓣特性、结构重心和惯量等几个重要指标进行多目标函数的研究与提取等等。
当前来看，急需开展基于多目标优化的总体构型设计技术研究，尤其应当把研究复杂系统的目标函数提取视为本研究最为关键的步骤。
4.3基于多场协同耦合（MFC）与多学科仿真优化（MDO）的技术路线
基于上述设计思想，开展“基于多目标优化的总体构型设计方法”的研究，旨在将总体构型设计本身作为研究对象，将总体构型设计作为一个复杂系统来进行分析与指标优化。
由于涉及到的“机、电、磁、气动”等多个专业学科领域，因此，需要研究复杂系统在其所处多个复杂场及其耦合的情况下，其指标体系及其特征表征、耦合模型的建模、仿真与优化等技术。技术上，拟采用基于多场协同耦合（MFC）以及多学科仿真优化（MDO）的技路线术，研究得到预警机这一类空基信息系统装备的总体构型设计和评估方法，对飞机平台气动特性、任务系统功能性能、任务系统整体结构与重量特性、载机改装以及任务支持系统等四大方面建立耦合、相关性以及优化权衡关系。
研究如何寻找一种可以综合表达各个设计目标和要素，得出各个设计目标的最优结果，使系统指标尽最大均衡和优化。通过建模与仿真技术研究，获得优化后的整体构型设计方案，为系统总体方案提供依据。通过基于多目标优化的设计方法研究，拟为预警机或特种机总体构型设计提供以下切实可行的技术手段或科学的、定量的方法：
a) 将众多技术指标和要求进行比较、优化、取舍和决策，建立多目标优化的目标函数；
b) 适用于“机、电、磁、气动”的复杂多场耦合流程与方法；
c) 覆盖多个学科领域的复杂多场耦合模型建模方法；
d) 设计优化流程和可量化的优化评判标准，以及相关技术参考。
因此，基于多目标优化的总体构型设计方法实际上就是需要充分利用多场协同和多学科优化的方法，在飞机平台气动特性、任务系统功能性能等相关性方面做出优化和权衡。鉴于电子技术学科和电磁学科的模型建立、仿真分析的计算量都非常大，相对来说，在气动、机械结构等学科的模型建立、仿真分析的计算量较小。
因此可以考虑主体方法中采用气动结构分析先行，给出多目标寻优方案候选次优解集，在候选次优解集中进一步交给电子技术学科和电磁学科，完成进一步的电磁方案优化。其中候选次优解集的获取都会满足气动结构学科的主要设计需求目标（包括气动操稳特性、飞行品质特性升阻比特性、重量特性等）以保证最终选出的电磁特性方案不会与气动结构学科的设计方案要求产生冲突。
基于多目标优化的总体构型设计所采用的多场协同、多学科优化的主体技术路线如图所示。
图 23建议的多场协同多学科优化技术路线
如图所示，技术路线起始于多目标函数F(CFD，S)，此多目标函数中包含有飞行品质、飞行操稳数据、飞行器升阻比数据、飞行器改装后结构重量参数的参数，作为优化器的输入参数。优化器会根据多目标函数的输出值确定参数化几何输入参数的迭代方向，更新参数化几何数据输入参数X。剖析多目标函数模块F（CFD，S）。此模块起始于参数化几何输入参数X。CAD参数化几何外形G(X)，G表示几何，X表示驱动几何数据发生变动的参数化控制变量，在生成几何G后，通过脚本化方式获得几何的三角形面元表达文件STL文件，以M(G)表示，进而通过自动化方式提升网格数据质量获得网格文件M`(G)，在M`(G)进一步做计算流体力学分析获得解算结果CFD(M)。
在闭合了气动学科、结构重量学科的优化链条后，随着迭代过程的推进，会生成一个只考虑了气动和结构重量学科的优化候选解集{Xi}。在这一解集中，进一步开展考虑电磁特性的几何构型分析，提炼电磁学科优化目标函数，进而获得电磁最优解。
根据对优化问题的寻优空间的不明确和敏感度未知的情况下，为了避免盲目优化，需要将不同学科求解器按照求解精度和效率进行分层，完成多学科分析器高精度和低精度、长求解时间和快速求解的上下搭配，最初分析时采用低精度快速分析方法获得对于寻优空间的初步认识，而后再使用高精度的方法细致寻优。以便于可以对寻优空间做出初步判断。
（敬请期待）
本文发表于《中国电子科学研究院学报》第11卷第4期，版权归学报所有，阅读全文请联系我们。
欢迎各位专家、学者赐稿！投稿链接
部分图片来自于网络
电话：010-68893411
邮箱：dkyxuebao@vip.126.com