電氣化飛機電力系統智能化設計研究綜述

王莉，戴澤華，楊善水，毛玲，嚴仰光

南京航空航天大學 多電飛機電氣系統工業和信息化部重點實驗室，南京 210016

隨著能源危機的加劇和環保意識的覺醒，航空業的持續增長對環境的影響越來越受到重視，電氣化飛機在這樣的環境下應運而生。飛機電氣化的發展可以分為2個階段：第1階段以多電/全電技術的發展為標志，第2階段以電推進技術的發展為標志。

為實現飛機的多電/全電化，歐盟和美國開展了一系列研究。法國G2E實驗室、德國聯合武裝部隊大學、英國克蘭菲爾德大學等歐盟機構研究主要涉及飛機能源優化、發配電、電環控和電作動等技術領域，側重電力系統的系統級研究[1-2]，在應用上相對保守，A380僅采用了固態配電和電備份液壓作動技術。加州大學伯克利分校、NASA等美國機構的研究主要涉及發配電、電能管理、電防冰、電力作動和發動機等多個領域，側重于多電發動機、電力系統和綜合熱管理[3]等領域，在應用方面超前于歐洲，B787采用了大容量起動/發電、電環控、電除冰、電作動和固態配電等技術。國內的科研院所和高校也對起動/發電[4]、靜止變流器[5]、固態配電[6]、電作動[7-8]、系統實時仿真試驗[9]、綜合熱管理[10]等技術開展了大量研究[11]，取得了很多研究成果。

繼多電/全電飛機的發展后，為進一步提升飛機能量轉換效率，NASA[12-20]、克蘭菲爾德大學[21-23]等科研機構以及空客集團[24]等企業對電推進技術進行了大量研究[25-27]。目前，純電動推進已在RX-1E、E-fan等[27]輕小型飛機中實現。但是受各項技術的制約，大型客機還難以使用純電動電推進技術，因此油電混合動力推進是純電動推進的過渡階段。NASA采用并聯混合電推進的設計概念和分布式布局結構，開發了一種48座的概念支線客機“飛馬”[28]。

電氣化技術的發展使得飛機的機電系統與動力系統在電力系統中逐步融合。飛機電力系統集成了飛機所有機載設備的能量需求，逐漸向綜合化的方向發展，這對飛機電力系統設備和系統的設計提出了新要求。

與此同時，隨著科技與信息化水平的不斷進步，人工智能(AI)在工業界獲得了廣泛關注，基于知識工程(KBE)技術[29]以及虛擬現實技術[30]在智能制造領域得到了研究，各國開始將智能化的概念應用到飛機中。B787在客艙中率先使用了電致變色技術的智能舷窗[31]。NASA和波音公司開展的SUGAR項目對智能化部件、智能化能源管理以及控制技術進行了研究。智能材料[32]和結構研究的時間更早，但主要集中在軍機領域。總而言之，智能技術在飛機部件級已獲得一定程度的研究和應用，但在系統級的研究仍處于起步階段。

本文討論電氣化飛機電力系統組成和相關研究進展，分析電氣化飛機電力系統設計的關鍵技術，在此基礎上將AI技術引入電力系統設計中，提出了先進飛機電力系統智能化設計平臺的構想和規劃，為飛機電力系統的研究和發展奠定基礎。

1 電氣化飛機電力系統的組成及研究現狀

電氣化技術推動了多電化設備的發展以及機電系統和動力系統的融合，從而產生了全新的飛機電力系統，本部分從電氣化的機載設備以及由此而產生的先進電源系統和配電系統3個方面闡述電氣化飛機電力系統組成。

1.1 電氣化機載設備的發展現狀

飛機機載設備的電氣化體現在多電/全電負載和電推進系統。

多電/全電負載使用電能逐步取代飛機液壓、氣壓等其他形式的二次能源，從而簡化飛機能源結構，提升能源利用率和可靠性，降低燃油消耗，主要包括電傳飛控系統、電環控系統、電除冰系統、電燃油泵系統、電剎車系統、電推進系統。

電傳飛控系統[33]使用電備份液壓作動器、電動靜液作動器或機電作動器操縱和控制飛行器，消除了液壓管路，解決了散熱、燃油效率低的問題，提高了系統的可靠性、維修性、效率、生存力、容錯力，已在F-18、B787等機型獲得應用。

電環控系統[34]使用電能和沖壓空氣代替發動機引氣，實現機艙增壓、通風和溫度控制以及設備冷卻。系統工作不會直接影響發動機熱動力循環，減少了飛機性能代償損失，節省了飛機燃油消耗。該技術已在B787中得到首次應用。

電除冰系統代替機械、液體或氣體除冰，使用電能加熱部件的待防護表面，使其不結冰[35]。考慮到電除冰對結構、控制和能源載荷帶來的影響，國外已采用在易結冰部位涂覆低表面能疏水涂層的途徑實現被動防冰[32]。

電燃油泵系統使用電動燃油泵代替固定排量的齒輪泵，可根據發動機的需要提供發動機所需的燃油，無需考慮燃油流回及其冷卻問題，既減輕了系統的重量，又降低了系統的復雜性。美國已在發動機上驗證了這項技術[36]。

電剎車系統通過電機、杠桿構成的機電結構取代原有的液壓剎車系統，消除了液壓剎車存在的燃燒危險和泄漏污染，在安全、性能、保障性、維修性、重量和費用方面都占優勢。美國于20世紀90年代研制了第三代電剎車系統[8]。

電推進系統通過電動機直接將電能轉化為機械能，使得原本的發動機工作不再受飛行狀態影響，提高發動機的工作效率，降低燃油消耗和污染排放，從而緩解飛機對環境的影響以及對石油資源的依賴。

機載設備的電氣化為飛機電力系統帶來了巨大的改變，主要體現在：

1) 設備的電氣化對電力系統的供電可靠性提出了更高的需求。系統需要保證關鍵的飛行設備在任意工作狀態下的不間斷供電。

2) 設備的電氣化提高了飛機電力系統的供電功率。在所有的非推進系統中，電環控系統和防除冰系統的能耗最大，因此設備的多電/全電化要求大大提高了飛機供電系統的容量。而為保證與原先發動機相當的推進功率，電推進系統需要數十千瓦至數十兆瓦不等推進功率的電動機作為動力源，進一步提升了飛機電力系統的供電需求。

3) 電氣化設備大部分都是電機類負載，其大量應用對飛機電力系統的供電質量和穩定性均會產生影響：① 大多數大功率電機負載在低頻范圍內具有負阻抗特性，會影響供電質量和系統穩定性；② 多數大功率電機都帶有一個低輸入阻抗的“容性”電磁干擾濾波器，因而在起動過程中會出現大的沖擊電流；③ 氣流等外部的不確定性因素導致飛控設備和推進設備工作狀態發生改變，對電網造成沖擊；④ 電機負載在制動過程中會產生再生能量，將其回收利用有利于提高系統能量利用率，但直接回饋電網會對電網產生很大的沖擊，影響系統供電質量。

4) 電氣化技術通過電能實現所有機載設備的統一，有利于系統資源的綜合利用和統一協調分配，實現飛機機電系統功能、性能和成本的最優化，顯示出機電綜合的特征。

電氣化機載設備可靠性高、功率高、電能質量高、穩定性高和機電綜合的特征，對電源系統和配電系統提出了更高的要求。

1.2 電源系統的發展現狀

為滿足電氣化的發展要求，飛機電源系統必須具備以下特征：① 系統結構簡單，可靠性高；② 能 源能量密度高，能支持長航程的飛行；③ 電源系統容量大，可以滿足大功率負載的供電需求；④ 能源轉化利用率高，系統損耗小，可以提供足夠的供電時長；⑤ 電源系統具有很好的穩態和動態性能，并且控制簡單，從而保證系統的供電質量和穩定性；⑥ 電源系統具有多個余度，能在故障情況下保證系統的供電能力，具有高的供電可靠性；⑦ 為實現能源互補、提高電能質量，基于儲能的電源系統得到廣泛關注和應用。

目前，飛機電源系統按功能可分為主電源、輔助電源、應急電源和地面電源;按種類可分為旋轉發電機、化學電池和太陽能電池等。其中，發電機為目前大型客機電源的主要形式。而這種旋轉發電系統由發動機帶動，機械結構復雜、噪聲大、污染嚴重，不符合綠色航空的發展需求。此外，在電推進技術的發展下，發動機在動力系統中的作用逐漸弱化。因此，研究人員一方面改進發動機系統，將開放式循環系統轉變為封閉式循環系統，以求提高發動機效率；另一方面，非旋轉部件發電技術開始受到關注，燃料電池因其高能量密度、高效率、清潔、模塊化、控制簡單而成為研究熱點，基于混合儲能的燃料電池系統已獲得廣泛研究[36-40]；但現有技術下的燃料電池還存在壽命短、成本高等問題，目前未能在大型飛機中獲得實際應用。

1.3 配電系統的發展現狀

為滿足電氣化的發展要求，飛機配電系統必須具備以下特征：① 可靠性高，保證系統的冗余容錯供電；② 重量輕，提高飛機航程；③ 損耗小，提高配電系統供電效率。

目前，飛機配電系統通過一次配電系統的網絡重構技術和二次配電系統的固態配電技術滿足負載可靠供電的需求。但隨著用電功率的提高，配電系統的研究重點就不再局限于可靠性，而是實現可靠性、重量和損耗三者的權衡。目前的研究主要從以下3方面著手：① 采用新的技術手段提高配電設備可靠性或降低設備重量和損耗，例如分布式智能固態配電技術[41]、新型供電體制、超導技術[20]和新型材料工藝[42]；② 在保證部件可靠性的基礎上，對電網結構進行改進，定量分析電網結構對可靠性、重量和損耗的影響，在三者之間進行權衡，從而優選最佳的配電系統方案；③ 采 用先進的能量管理策略和控制手段，實時調整系統工作狀態，從而提高系統效率。

2 電氣化飛機電力系統設計的關鍵技術研究現狀

電氣化技術的發展凸顯了電力系統在整個飛機運行過程中的重要作用，并對其性能提出了更高的要求，因此國內外對電氣化飛機電力系統設計技術開展了大量研究，主要包括：① 供電體制設計技術；② 電網結構設計技術；③ 機電綜合技術；④ 能量管理與控制技術；⑤ 魯棒設計與控制技術；⑥ 系統驗證技術。

2.1 供電體制設計技術

隨著飛機電力系統功率逐漸提高，原有供電體制將會導致系統重量和損耗大大增加，因此研究人員對電氣化飛機的供電體制開展了一系列的研究。文獻[43-45]基于帕邢定律研究線纜間的氣隙與安全電壓等級的關系。文獻[46-48]綜合對比了交、直流不同供電體制對配電系統重量的影響。NASA對超導電推進飛機的供電體制進行了較全面的研究[14-17,20]，文獻通過建模方法分析系統關鍵部件的重量、效率和電壓的關系，在此基礎上開展系統供電體制的研究，最終提出了適應22.4 MVA的超導電推進飛機的±2～±10 kV DC的供電體制。

研究表明，電氣化飛機的供電體制應在對現有供電體制的基礎上開展研究和設計，以方便利用現有系統配套實現系統重量、損耗的降低和可靠性的提高，同時也能降低成本；此外，不同的電網結構方案設計得到不同等級的最優電壓[20]，兩者的作用關系還有待于進一步研究，從而實現綜合性能優化。

2.2 電網結構設計技術

為保證系統安全、可靠供電，飛機通常配備冗余容錯的電網結構。但相較于傳統飛機電網，電氣化飛機電網容量的大幅提升，這不僅要求系統可靠性高，而且給其重量、損耗帶來了挑戰。

供電可靠性要求飛機電網含有多個電源，實現多余度供電。電源數量增加帶來的重量提升無可避免，設法降低每個電源的重量成為研究的一個思路。美國INVENT計劃提出動態需求設計的方法，即根據整個飛行包線的平均功率進行系統設計，并使用大功率密度的儲能設備提供峰值功率[49]。文獻[50]提出了一種互聯構架的電網構架，通過并聯供電降低單個電源重量，但其損耗高于正常系統，也降低了系統的供電余度。

系統的可靠供電還可以通過構建環形網絡結構，利用故障重構技術實現。這就導致電網結構的復雜化。飛機電網結構的傳統構建方法——枚舉法往往無法全面考慮所有情況，從而導致設計結果無法達到最優[18-20]。因此，基于模型的尋優設計方法[51]開始用于飛機電網結構設計。

INVENT計劃的設計思想和建模尋優的電網規劃方法具有明顯優勢。但按動態需求設計的方法必然會提高能量管理和控制的難度，也會降低系統的魯棒性，在設計過程中需要對此進行權衡考慮；而對于建模尋優的電網規劃方法而言，目前的方法建立在已知系統所有網絡節點的信息，并不能對節點的個數(如供電冗余度)和類型(如供電體制)進行設計，因此還需要進行更深入的研究，開發更具有開放性的設計方法。

2.3 機電綜合技術

傳統飛機機載設備相對分散、獨立的控制和管理模式使得硬件利用率低、連線錯綜復雜，無法滿足電氣化發展對可靠性、重量和損耗的需求。因此，各機電子系統除要滿足自身的功能外，還要從飛機整體出發，綜合考慮機、電、液、熱等多方面，基于優化的思想，權衡系統性能參數，實現機電系統功能、能量、控制和物理4個方面的綜合設計，形成一個綜合化系統，根據飛機不同狀態自動調整系統，實現飛機系統功能、性能和成本最優化[52]。

目前，國外的先進機型已經開始采用機電綜合控制系統，使每個機電子系統完成資源的協調分配、故障后系統重構、飛機綜合健康管理等任務[53]。與國外的先進水平相比，中國還存在較大差距，需要開展更深入的研究工作[54]。

2.4 能量管理和控制技術

目前，飛機電力系統的能量管理和控制基本都采用基于負載重要度和優先級管理的負載端管理方法，而電源系統和電網只在電源或者供電通道故障時進行切換備份，正常情況下幾乎不作任何管理。而隨著電氣化技術的發展，機載設備和系統的起動、關閉等暫態行為更加劇烈，僅僅針對系統穩態的控制已無法滿足能量管理的需求。因此，研究人員逐漸將更多目光轉移到對系統動態過程的優化控制的研究中。

美國匹茲堡大學[55]、加州理工大學[56]、加州大學伯克利分校[57-58]以及英國克蘭菲爾德大學[59-60]等多個研究機構均對多電飛機電力系統的能量綜合管理和控制技術開展了研究。其中，文獻[57-58]借鑒工業領域用于過程控制的模型預測控制技術提出的能量優化分配和綜合管理方法，符合機電綜合的發展需求，并且故障預測與健康管理的思想相契合，是飛機電力系統能量管理和控制未來發展的趨勢。

近年來跟蹤國外先進研究，中國也開展了一些飛機電能動態管理方法的研究，例如南京航空航天大學分別采用動態優化和“削峰填谷”的思想對電網[61-62]和負載[63]進行能量管理，西北工業大學從飛機總體出發考慮各子系統在不同飛行階段內能量的優化分配[64]。

2.5 魯棒設計與控制技術

傳統方法按照峰值功率設計飛機電力系統，因此所有不確定性干擾都是在系統容忍范圍內。但在電氣化飛機中，一方面大量大功率電力電子和電機類設備的使用增大了飛機電力系統的不確定性；另一方面，設計人員按照飛行包線的平均功率和熱載荷設計系統，有限的容量使得很多不確定性因素對電網帶來的擾動難以自愈。而魯棒性是指閉環系統在攝動下能保持穩定和一定的性能，兼顧了系統的穩定性和性能。因此，電力系統的魯棒設計和控制技術是飛機電力系統電氣化的一個重要研究方向。

目前國內外已有大量文獻針對飛機電力系統穩定性問題開展了研究[65-72]，而魯棒性的研究剛剛起步。文獻[1-2]基于H∞控制理論，以重量、損耗和動態性能為優化目標，對飛機電力系統構架的集成和控制開展了研究。文獻[73-74]基于結構奇異值理論，開展多電飛機電力系統的魯棒性研究，結合敏感度分析方法，獲得影響系統魯棒的關鍵因素，從而指導構架和控制參數的設計。但這幾篇文獻沒有結合飛機的不同運行場景進行研究，研究對象也比較簡單。

與此同時，魯棒理論在智能電網中已得到大規模研究和應用，如魯棒狀態估計[75-76]、魯棒穩定器[77-78]、魯棒控制[79-80]、魯棒設計[81]等。隨著對魯棒思想的進一步深入理解，相關理論很快會在航空電力系統中得到更深入的應用。

2.6 系統驗證技術

基于仿真試驗的驗證技術投入小、快速靈活、資源可重復利用的優點，因此被廣泛用于飛機電力系統的驗證工作中。

國內外已針對飛機不同子系統的驗證開展了大量研究。為實現仿真速度和精度的權衡，國外將部件模型分為結構級、功能級、行為級和器件級4個層次[82]，用以實現系統不同性能的驗證。南京航空航天大學、北京航空航天大學、西北工業大學等單位都研制了飛機機電系統[53-54,83]和供配電系統[84-87]的仿真驗證軟件。

隨著飛機電力系統的綜合化發展，虛擬集成試驗技術開始受到關注。虛擬集成試驗技術利用計算機仿真技術將實際的多系統、多學科領域進行統一建模和協同集成仿真試驗，是系統驗證技術的發展趨勢。目前，國內外已提出了多種分布式協同仿真接口方法，如FMI(Functional Mockup Interface)[88]、VPNET(Virtual test bed and PNET)[89]和TISC[90]等。其中的部分技術在國際航空界獲得了一定的應用[91]。而國內相關技術的發展并不成熟，還有待于進一步研究。

3 電氣化飛機電力系統智能化設計

隨著電氣化技術和智能技術的發展，飛機各個子系統間相互關聯性更強，促使電力系統向綜合化、智能化的方向發展。而為實現行業的智能轉型，中國多個規劃文件均指出，建立產品數字化和智能化設計制造平臺，開發面向產品全生命周期的網絡環境下的智能化創新設計方法及技術、計算機輔助工程分析與工藝設計技術。毫無疑問，智能化的發展趨勢必將對航空領域產生巨大和深遠的影響，智能設計作為航空智能化的主要手段[92]，對提高航空系統的經濟效益和降低對環境的影響具有重大作用。

因此，將傳統的設計、試驗流程與新技術條件下的設計分析、優化、仿真試驗驗證技術有機結合，從系統總體角度出發，將綜合化、智能化的思想融入到電力系統的設計和試驗中，進行統籌規劃，形成基于全生命周期的、數字化的先進飛機電力系統智能設計/評估體系，必然成為未來的發展主流方向。

3.1 設計平臺/方法研究現狀

目前，以CATIA軟件為核心的LCA(LifeCycle Applications)三維在線設計平臺和以Windchill為核心的協同設計平臺已經在國內外航空工業設計、制造部門獲得推廣[93]，設計人員在飛機電氣系統設計時廣泛采用二維電氣系統設計軟件與CATIA相結合的數字化設計平臺進行系統圖紙、圖樣的設計[94]，數字化設計已經實現。飛機電力系統的設計遵從系統工程的V型開發流程和自頂向下的設計思想，利用數字化軟件工具開展設計。但整個設計過程相互獨立，不能進行系統間的綜合設計、驗證；整個設計過程是一個單向串行結構，存在了大量迭代設計，導致研制效率低、周期長、成本高[95]。

為解決該問題，國外開始嘗試將智能優化的思想融入到飛機電力系統的設計中。

歐盟建立飛機電力系統部件多層次模型庫[96]，開發電力系統構架設計優化工具，以部件間的控制為內環，以部件的集成構架為外環，進行新型電力系統架構開發過程中的可靠性、重量和電氣性能綜合評估和優化[1-2]，還可以進行敏感度分析[97]、穩定性評估[98]、基于模型的故障檢測和驗證[99-102]研究。美國加州UTC聯合科技研究中心和伯克利分校提出，借助基于平臺的組合方法[103]分別對系統拓撲[51]和控制[57-58]進行優化設計，自動優化生成優化的飛機電力系統方案。波音和弗吉尼亞理工大學共同合作開發了飛機電氣系統穩定性分析軟件[104]。

KBE技術[95]也在國外航空領域得到了一定的應用。通用電氣公司將AI技術和計算流體動力學相結合設計飛機氣動機構，使用人類專家先驗思路消除客戶在迭代開發工作中干預，系統表現出優異的計劃前檢查能力[105]。NASA、美國弗吉尼亞大學和噴氣推進實驗室聯合開發的智能綜合設計環境將高性能計算、高容量通信網絡、虛擬產品開發、KBE、計算智能、人機交互和產品信息管理等前沿技術融合在一起，使分布在不同地區的科學家和工程師共同利用知識對系統進行開發設計[106]。

在后續研究中，還需要進一步整合各子系統的設計、驗證功能，引入智能優化的思想，形成綜合化、智能化的數字設計和驗證平臺，以設計后決策代替設計前決策，從而避免迭代設計，提高設計效率，降低設計周期、成本和技術風險。

3.2 設計問題的特點

結合第2節分析，飛機電力系統優化設計問題具有高維多目標、高維設計空間、多約束、多學科以及多層次嵌套等特點。

1) 高維多目標

飛機電力系統的設計是一個復雜的工程問題，包含可靠性、維修性、重量、成本和電能質量等多個設計目標，因此屬于高維多目標設計問題，必然導致計算復雜度增加。

2) 高維設計空間

飛機電力系統的設計參數包含網絡拓撲、各部件容量和能量分配的相關參數等，構成了高維的設計空間，往往會導致維數災難[107]。

3) 多約束

飛機電力系統必須遵循一定規則，如：電源節點不能直接與負載節點連接，負載的供電可靠度，系統整體的可靠度等。因此其設計必然受到設計參數、狀態參數和目標參數等多個約束的影響，加劇了求解過程的復雜性。

4) 多學科[108]

電氣化飛機電力系統設計優化問題涉及動力、電、機械、液、氣、熱等多個學科和子系統，各學科、子系統和設計問題之間相互作用和影響，導致系統參數互相耦合，需要權衡設計。

5) 多層次嵌套

飛機電力系統設計問題是一個兩層嵌套決策問題：上層通過系統的改造影響能量分配路徑的選擇，屬于靜態設計問題；而下層則依據設計者的投資決策去選擇效用最大的路徑，屬于動態設計問題。此外，系統的靜態設計又是一個多層嵌套決策問題：頂層通過對改變子系統間的拓撲結構改善系統性能；底層通過部件/器件工藝技術的選擇提升系統性能。

設計人員需要借助數字化、智能化的設計手段才能解決上述問題，降低系統的設計難度。

3.3 智能化設計理論、功能和特點

3.3.1 智能化設計理論框架體系

先進飛機電力系統智能化設計的理論框架體系如圖1所示。飛機電力系統智能化設計包括所有與飛機電力系統有關的決策問題，是決策者按照先進的科學程序，運用現代智能化技術，對未來飛機技術發展的方向、目標以及解決設計問題的原則、方法所做的選擇和決定。不同于傳統的經驗型設計方法，智能化設計屬于科學型設計：智能化設計運用現代科學方法(如物理學、運籌學等)，通過建立數學模型，對所要決策的設計問題進行精確的定量描述；同時，智能化設計運用現代科學技術，特別是人工智能、優化方法和電子計算機，求解假設問題的模型，以獲得最優(或近似最優)的決策結果。

圖1 先進飛機電力系統智能設計理論框架體系Fig.1 Theory framework of intelligent design for advanced aircraft power system

3.3.2 智能化設計平臺功能

根據上述理論框架，本文構建的飛機電力系統智能化設計平臺功能如圖2所示。

1) 數學模型庫。數學模型以多種形式描述研究對象，反映了系統的主要組成和各部分的相互作用，是智能化設計的核心。用于電力系統智能化設計的決策模型是以材料、結構、工藝和市場等方面的技術參數為知識和約束條件，以機械、電力、控制等物理連接關系為紐帶，構建的多個設計目標的標準化的數學模型。

2) 模型近似。飛機電力系統結構龐大，為降低計算成本，平臺通過數學模型的方法將目標函數和約束近似擬合，從而降低模型復雜度。目前，常用的方法有多項式響應面法、徑向基神經網絡方法、Kringing方法[109]和增強的徑向基函數法等。

圖2 飛機電力系統智能化設計平臺功能Fig.2 Function of intelligent design platform for aircraft power system

3) 多學科設計優化(Multi-disciplinary Design Optimization, MDO)。針對系統參數耦合的特征，MDO[110]通過建立合理的優化體系、選擇適當的策略來減少優化時的計算負擔，從結構上解決設計優化問題所面臨的多學科難題。目前方法主要有多學科可行方法、單學科可行方法、同時分析優化方法、并行子空間優化方法、協同優化方法等。

4) 系統靈敏度分析。為識別系統參數間復雜的耦合關系，設計人員通過靈敏度分析等手段觀察參數的變化而表現出來的敏感程度，了解系統輸出參數隨輸入參數的變化情況，從而為設計問題的分解和決策提供依據。比較常用的是全局和局部靈敏度方法。

5) 系統分解。系統分解根據對飛機電力系統參數耦合關系的識別結果，將系統分為多個子系統，從而實現多個子系統的并行或串行處理和優化，以此來提高優化效率，減少計算時間。

6) 優化算法。優化算法是飛機電力系統優化設計的核心部分，也是智能化設計的基礎手段。可歸納為有嚴格數學定義的經典優化算法(梯度法、內點法等)和進化算法(模擬退火、神經網絡、遺傳算法和演化算法等)。

7) 系統驗證。智能化設計離不開對其設計方案的驗證，基于虛擬現實的仿真驗證技術可以提高設計和驗證效率，節省設計過程的成本和周期。

3.3.3 智能化設計特點

電力系統智能化設計具體特點如下：

1) 智能化設計融合CAE技術和AI技術，將工程設計以及分析等活動有機整合，形成知識的系統構架，通過知識驅動和最佳實踐的積累，提出設計問題的最優解決方案。

2) 智能化設計具有模塊化的特點，能充分利用現有的設計模塊，對各子系統進行既獨立又交叉的優化設計，有效地組織和管理整個設計過程，具有很強的靈活性。

3) 智能化設計具有并行性的特點，在設計的初始階段就考慮系統從概念設計到報廢處理的全生命期的各個方面，并能通過網絡將分散在不同地區的設計部門組織起來進行分布式設計。

4) 智能化設計需要集成通信、數據庫以及優化設計過程和定性解計算的可視化環境，應當具備易于使用、魯棒等特點。

總之，飛機電力系統智能化設計具有基于知識和智能、模塊化、并行性和設計環境友好4個特征，可以避免盲目性和設計返工造成的人力、物力的浪費，提高設計質量，降低設計風險，縮短產品的設計周期。

3.4 智能化設計流程

結合3.3.2節所述設計平臺功能，本文提出覆蓋飛機全生命周期的飛機電力系統數字化、智能化的設計和驗證流程如圖3所示。

在生命周期的每個階段，設計平臺在明確當前階段任務目標的基礎上，調用相應的設計及決策模型進行系統集成；根據設計需求，權衡計算精度和成本，通過合適的試驗設計方法，獲得足量數據，使用近似技術構建滿足設計需求的元模型；而后結合相關技術條件參數，借助敏感度分析等方法，探索輸入參數、輸出目標之間的變化關系和趨勢，確定設計目標關于設計參數的敏感因素；根據分析結果，分割系統，對各子系統進行綜合協調，確定最佳參數組合，得到設計對象關于任務目標的Pareto最優解；結合具體應用和專家意見等多方面因素，對形成的多個集成方案進行綜合決策，確定最終方案；最后，根據不同生命周期階段的需求，選用合適的手段對系統集成方案進行驗證。

圖3 先進航空電力系統智能設計流程Fig.3 Intelligent design process of advanced aircraft power system

3.5 關鍵技術

電力系統智能化設計平臺的關鍵技術包括：① 多學科建模技術；② 智能化多學科設計優化技術；③ 基于虛擬現實的分布式仿真驗證技術。

1) 多學科建模技術

開發多學科模型是進行電力系統設計、分析、優化的首要任務，具體應包括系統的體積、重量、功率和冷卻以及可靠性、可用性、維護性和成本等方面的決策模型。

目前在商業軟件中二次開發的模型通常是系統或部件的物理或時頻域模型，通用性差、計算量大、耗時長，難以滿足計算成本的要求，不能直接用于系統的智能化設計。因此，需要在此基礎上，借助供應商以及其他學科知識的支持，建立具有通用接口的決策模型，形成標準化的多學科模型庫。

2) 智能化多學科設計優化技術

多學科設計優化技術是進行飛機電力系統智能化設計的基本工具，也是解決飛機電力系統優化設計問題的主要手段[110-112]，具體包括近似技術、靈敏度分析、系統分解技術、MDO和優化/決策算法。

智能化設計要求設計平臺還應具備一定的自主能力：① 能夠自主權衡模型的計算精度和成本，從而形成最佳的優化模型；② 能夠根據敏感度分析，自動分割重組設計問題，減少人工干預；③ 能夠根據具體問題的特點，自動選擇算法，如開展魯棒優化、組合優化等，提高設計精度和效率；④ 能夠自動將多學科優化設計等算法與優化算法相結合，獲取最佳的組合效果。

3) 基于虛擬現實的分布式仿真驗證技術

為實現對設計的驗證，具有分布式計算能力并且能夠直觀顯示試驗結果的系統驗證技術是飛機電力系統智能化設計必不可少的環節。

近年，相關飛機設計所都進行了一定的仿真試驗研究，但這些驗證工作缺乏統一的流程和標準規范，通用性差，難以實現不同系統的移植和集成，虛擬集成試驗技術還有待于進一步研究。

4 結 論

電氣化技術推動了飛機電力系統綜合化和智能化的發展，對飛機電力系統及其管理控制系統性能提出了更高的要求，也給飛機電力系統的設計帶來了新的挑戰，數字化、綜合化、智能化的設計技術是未來的研究重點。

電氣化飛機電力系統的智能化設計顯著特征是將人工智能技術融入到飛機電力系統設計/驗證過程中，從飛機總體全生命周期的多項性能出發，綜合協調飛機各子系統資源，并進行仿真試驗驗證，從而實現電力系統的綜合性能的優化設計。

為建立飛機電力系統智能化設計/評估體系，涵蓋飛機全生命周期的多學科建模技術，模塊化、自動化的設計平臺軟件技術，以及標準化的分布式可視化驗證技術是亟待突破的核心問題。