效能期望驅動的軍事裝備可拓概念設計方法及應用

冉景祿，趙振奎，呂小強，萬錦雄

(77200 部隊，昆明 655000)

效能是軍事裝備(系統)在規定的條件下達到規定使用目標的能力。概念設計是從需求分析到生成概念產品的一系列有組織、有目標的設計活動，表現為由粗到精、由模糊到清晰的不斷進化過程，它是所有設計階段中最關鍵、最復雜、最活躍、最具決定性和創造性的環節［1］。據文獻［2］的研究，成本只占5%的概念設計決定著將近85%的產品成本。自Pahl G 和Beitz W 首次提出概念設計以來，概念設計理論和方法已經取得了長足發展。文獻［3 -7］研究了面向功能的概念設計方法及不同求解策略，文獻［8 -10］中嘗試將效能因素考慮到裝備概念設計中去，文獻［11 -13］成功地將可拓學理論應用到機械產品概念設計，這些研究成果都是概念設計理論的豐富和完善。然而，運用這些方法進行軍事裝備概念設計時，往往就會出現開發的裝備滿足不了效能期望的問題。究其原因，筆者認為有2 點:一是設計目標和檢驗標準不一致，在進行軍事裝備概念設計時，設計目標是實現既定功能，但最終的檢驗標準卻是期望的效能;二是求解效率和質量不高，由于不能很好地進行相關知識的表達和不能很好處理各種因素之間的復雜矛盾和強烈耦合關系，從而導致求解效率和質量不高。效能期望驅動的軍事裝備可拓概念設計方法就是從以上2 點原因入手，采用面向對象的思想，整個設計過程由效能期望驅動，并利用可拓學在概念設計的求解優勢，形成適應軍事裝備概念設計特殊要求的方法，其目的是克服傳統設計方法的不足，提高軍事裝備的設計效率和成功率，縮短研發周期。

1 效能期望驅動的可拓概念設計

1.1 基本原理

效能期望驅動的基本原理是按照效能期望-功能-結構(effectiveness expectation-function-structure，E2FS)的結構進行循環映射，直到求出每一個效能期望元的結構解，然后對結構解進行可拓收斂運算，最終形成滿足效能期望的設計方案解。E2FS 框架如圖1 所示。

在E2FS 框架圖中，效能期望指標體系的求解思路是:首先列出目標系統的T 種任務剖面，然后將相似的任務結合在一起形成目標任務集，滿足目標任務集的能力就構成系統的一個子效能期望，向下將子效能期望細分到不能再劃分的單元就得到效能期望元，子效能向上聚類就得到上一級效能期望指標，通過這樣推導就可以得出樹狀的效能期望指標體系。該求解思路的示意圖如圖2 所示。

功能層是將效能期望元進行逐一映射得到相應樹狀功能體系，它表示的是為達成效能期望所要具備的功能集合。結構是滿足效能期望且滿足功能要求的結構解。在E2FS 框架中，效能元、功能元、結構元是其按照樹狀結構不能再劃分的單元。特征庫、原理庫、機制庫、知識庫構成求解過程的決策支持單元。特征庫是相關特征的集合。原理庫是相關原理的集合。機制庫是效能映射機制和結構映射機制的集合。知識庫是4 個庫中最為重要的單元，它的來源主要包括本專業、其他相關專業、知識工程師(專家)等。該框架基本思路為:首先利用目標任務剖面推理得到的效能期望指標體系，然后將效能期望元映射為特定功能元或功能元組合，再者將功能元通過映射機制映射為相應的結構元，通過循環映射，直到每個效能期望元都映射為相應的結構解，到此就完成可拓發散求解。最后按照自底向上的方法(Bottom-Up)，運用可拓方法對結構元進行可拓收斂運算，并最終形成結構方案。

圖1 E2FS 求解框架

圖2 效能期望元求解思路示意圖

1.2 可拓求解策略

可拓學是系統科學、思維科學和數學交叉的橫斷學科，主要探討發散思維和開拓創新的規律和方法［14］。據文獻［11 -13］的研究，該理論在機械產品概念設計求解方面具有較強優越性。引入可拓理論就是要對概念設計中的效能、功能、結構進行形式化描述，表達概念設計中的深層次知識，利用基元的可拓性及其變換來實現創新設計的思維過程。

按照文獻［14］的定義:設事物名稱為N，特征為c，c 的量值為v，則有序三元組R =(N，c，v)作為描述事物的基元。所以如果事物有i 個特征，基元則表示為

基元具有可拓性(發散性、共軛性、相關性、蘊含性和可擴性)，它從事物向外、向內、平行、變通和組合分解的角度提供事物拓展的多種可能性，成為進行創造性思維和提出解決矛盾問題方案的依據。基元變換法則有置換、分解、增刪和擴縮?；\算法則有:積、逆、或和與。更為詳細的介紹可參考文獻［14］。

可拓學對定性和定量事物的表述方法、變換和運算具有極大的優點，使得它可將求解程式化。其求解過程采用的是可拓學先發散后收斂菱形思維方式，這一思維方式恰當反映了人們的創造性思維過程。其發散過程可描述為:R┫{R1，R2，…，RN}，“┫”表示為發散。收斂過程可描述為:{R1，R2，…，RN}┣{R1，R2，…，RM}，“┣”表示為收斂，其中N ＞M。因此，基于E2FS 求解框架的可拓求解模型是一個多級菱形且存在菱形嵌套的思維模式，其結構可由圖3 描述。

1.3 方案評價

概念設計方案的評價和決策是概念設計過程中的關鍵環節。目前常見的評價方法有層次分析法、模糊評價法、價值工程法、綜合評價法［15-17］。針對概念設計方案評價既存在定性指標，又有定量指標，且信息存在模糊性和灰色性的特點，是一個典型的多準則決策問題。本文采用基于模糊理論評價法，該方法綜合了模糊集理論、層次分析法，并充分尊重領域專家的意見，為評價提供科學依據。方法的步驟:第1步，對評價的對象進行層次分析，形成評價指標體系;第2步，利用模糊理論建立評價模型;第3 步，得出指標體系中相應的值，并代入評價模型進行運算，按照評估值的大小優選出最佳方案。具體模型如下:

設有n 個滿足各種條件約束的方案p，模糊綜合評判決策集為:P={p1，p2，…，pn}，設U 為評判目標，則U={u1，u2，…，um}構成模糊綜合評判的目標集。評價集V={v1，v2，…，vq}，一般用“差，一般，合格，良好，優秀”等描述。目標i 的權重以Wi表示，則全重向量為W = (w1，w2，w3，…，wn)，它利用AHP 法獲得。評價矩陣

根據模糊數學合成原理，將模糊權重向量W 與模糊評判矩陣R 相乘，得出模糊評判向量B。

2 效能期望驅動的某步槍可拓概念設計

2.1 某步槍的E2FS 映射過程

首先，設定總體效能期望。本文設計的步槍總效能期望不低于現役的某步槍效能的3 倍。

其次，根據步槍各任務剖面，得出每一個目標任務節點的效能期望指標，然后進行向上聚類和向下分解，形成效能期望指標體系。繼而進行效能期望-功能的映射，如:供彈量效能元的期望值為‘優’，然后將這效能期望映射為存儲子彈功能元。之后進行功能-結構的映射，如將存儲子彈功能映射為彈匣結構。按照這種思路，完成每一個效能元到結構元之間的映射，其E2FS 映射過程示意圖如圖4 所示。

圖3 可拓求解模型

圖4 某步槍的E2FS 映射過程示意圖

2.2 基于E2FS 框架的可拓求解

利用可拓方法對步槍的效能期望元、功能元、結構元本身及它們之間的映射過程進行形式化描述，確保映射過程思路清晰。最后將結構元進行逆向收斂求解，形成滿足效能期望的方案解。由于步槍的效能元和功能元較多，而且映射過程和可拓發散過程比較復雜，鑒于敘述需要，本文僅以供彈具設計為例進行說明，其他部件設計參照此步驟進行。

根據步槍各任務剖面，得出供彈具的效能期望:

供彈具的效能期望到功能，功能到結構的映射過程為:

按照菱形發散思維方式，在本體庫的支持下，在各種約束條件(效能約束、功能約束、結構約束)的作用下，供彈具的結構映射結果為:

運用可拓基元置換、分解、增刪和擴縮變換法則及積、逆、或和與運算規則，利用各種約束條件對R1、R2、R3、R4、R5、R6進行收斂運算，得到彈匣的結構解為:

到此，完成了供彈具效能元的可拓發散求解和可拓收斂運算，得出了彈匣的結構解。按照EFS 框架的求解流程，求出各個效能元的結構元解，再利用結構樹自底向上，進一步運用可拓運算法則進行收斂運算，最終得到結構組成方案。由于該求解過程的可拓知識表達比較繁瑣，加之篇幅的限制，本文就直接給出運用此方法得出的方案，如表1 所示。

2.3 方案評價

按照槍械效能評估指標體系建立的一般原則，建立某型步槍效能評價指標體系，如圖5 所示。

圖5 某型步槍效能評價指標體系

設評價集V={差，一般，合格，良好，優秀}={1，3，5，7，9}，評價指標集U ={效能滿足度，可靠性，可制造，成本花費，可裝配性，可維護性，人機工程，環境適應性}。利用AHP方法得出評價指標體系中各指標的權重，權重向量為W =(0.21，0.06，0.05，0.09，0.1，0.13，0.06，0.09，0.09，0.06，0.06)，其中評價矩陣C 由專家打分取平均值得到，并經過歸一化處理后得到矩陣:

評判向量B =W ?C = (0.229 0.459 0.312 )，據此得出方案排序為:方案2，方案3，方案1。顯然方案2 為最滿意方案。

表1 某步槍可拓求解方案

3 結束語

效能是檢驗軍事裝備設計成功與否的唯一判斷標準，所以開發出來的軍事裝備效能能否滿足期望的效能是設計人員最為關心的問題。而概念設計在所有的設計階段是最具決定性，在該階段犯下的錯誤往往是在后續設計中不可彌補的，傳統以功能驅動的設計方法就容易在這階段犯下難以彌補的錯誤。效能期望驅動的軍事裝備可拓概念設計方法的核心思想就是以效能期望為目標，目的是減小設計風險，提高設計的效率和成功率。從對某型步槍的概念設計來看，優選出來的設計方案顯然滿足效能期望，這是因為該步榴合一的設計方案已經被證實其效能是普通步槍的數倍。比如:據美軍報道，XM29 步榴合一步槍的作戰效能就比M16 步槍高4 ～5 倍，從而證明了該方法的可行性和有效性。另外，由于以效能為驅動的概念設計從方法上解決了概念設計目標和效能檢驗目標不一致的問題，進而可以大幅度提高設計效率和成功率。總之，效能期望驅動的可拓概念設計方法是針對軍事裝備概念設計的特殊要求而提出的，該方法可以提高軍事裝備概念設計的成功率和求解效率。

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