基于知識工程的固體動力殺傷器總體設計方法

龍永松，劉玉祥，王 偉，黃 波，周福祥，陳忠祥

(江南機電設計研究所， 貴陽 550009)

知識工程(knowledge engineering，KW)[1]作為一門新興學科，得到了國外軍事強國的廣泛關注和重點研究[2-9]。美國佐治亞理工學院專門成立了工程信息系統實驗室，并與美國國家標準與技術研究所合作，為產品造型和設計建模提供了基于知識的設計支持系統。與此同時，該實驗室與美國國家航空航天局(NASA)噴氣推進實驗室、洛克希德·馬丁公司合作開展“可組合對象的知識表示-啟用高級協作工程環境”項目，試圖推動知識工程的快速發展和廣泛應用。此外，NASA還成立了知識管理團隊，開發了以人為中心的信息管理平臺，便于人們學習和利用知識。

固體動力殺傷器(以下簡稱殺傷器)工作在臨近空間內(高度范圍20～100 km)，是高層防空反導系統的重要組成部分。這類武器通常采用固體姿軌控直接力/氣動力復合控制、低速比攔截、直接碰撞動能殺傷等技術，具有高速、大機動、寬適應能力等優點，可以實現對高空高超聲速機動目標的有效攔截。不過，殺傷器的高性能要求也帶來了諸多設計難題，比如飛行空域跨度大，氣動外形設計困難；制導精度要求高，控制系統復雜；機動能力要求高，固體動力姿軌控發動機難度大等。以上問題，傳統方法很難獲得滿足解決途徑，難以獲得最優的殺傷器總體方案。

為此，本研究將知識工程技術引入殺傷器總體設計，首先分析殺傷器設計知識結構，然后基于知識工程給出解決思路，最后建立殺傷器設計平臺并給出了結論。

1 殺傷器設計知識結構

殺傷器設計包括總體、氣動、結構、制導控制、固體動力姿軌控發動機、電氣系統等。根據各專業的關鍵程度和技術難度，本研究選擇氣動設計、制導控制設計和姿軌控動力系統設計作為研究對象，描述知識工程在殺傷器設計過程中的應用。

1) 氣動知識結構

殺傷器氣動特性數據包括軸向力系數、法向力系數、側向力系數、壓力中心系數、滾動力矩系數和噴流干擾特性數據(力放大因子和力矩放大因子等)。它們都可以表示為殺傷器氣動外形參數、馬赫數、攻角、滾轉角、雷諾數、噴流形式或噴流狀態的函數，數學表達式為：

C=f(Ma,α,φ,Re,pj)

(1)

式中：Ma代表飛行馬赫數；α表示攻角；φ表示滾轉角；Re為雷諾數，表征工作高度對殺傷器氣動特性的影響；Pj表示噴流形式或狀態。

由式(1)可知，殺傷器氣動特征數據與其氣動外形結構、來流參數和工作狀態等參數存在一一對應關系，也即是說：氣動設計知識是輸入/輸出規律型知識。

2) 制導控制知識結構

殺傷器制導控制系統設計，是以殺傷器為研究對象，依靠人工經驗處理多種復雜設計信息，通過不斷調參、重復迭代、反復定點和六自由度仿真計算，才能獲得滿足性能要求的制導控制參數。以“定點調參”為例，為了滿足相應設計指標，需要反復調整設計參數，重復進行仿真計算，直至獲得最優輸出參數。以上過程，從知識工程角度看，包括了判斷規則、算法及計算公式等。

制導控制系統的知識通常以程序模塊形式存在，圖1給出了典型的比例-積分-微分(Proportion integral differential，PID)前饋和變結構控制程序模塊框圖。實際應用時，可根據殺傷器攔截作戰場景的不同，對各類模塊進行靈活配置，形成不同的制導控制回路。也即是說，制導控制系統設計知識是組件型知識。

圖1 制導控制回路結構知識框圖

3) 姿軌控動力知識結構

殺傷器固體動力姿軌控系統的核心部件為推力調節裝置，每個推力調節裝置設計參數包括調節方式、結構尺寸、控制方式和工作參數等，圖2給出了關鍵組件知識結構框圖。

圖2 姿軌控動力系統關鍵組件知識結構框圖

完整的推力調節裝置，需要通過多個組件組合構建。因此，姿軌控動力系統設計知識是案例型知識。

2 基于知識工程的解決思路

針對殺傷器氣動、制導控制和姿軌控動力系統設計的知識結構，本節引入知識工程方法，綜合利用規律挖掘、知識組件封裝、實例推理等技術，解決殺傷器設計過程中的難題，達到支撐殺傷器快速高效設計的目的。

1) 氣動映射規律挖掘

氣動設計知識是輸入/輸出規律型知識，采用的映射規律挖掘流程如圖3所示。

圖3 氣動特性映射規律挖掘流程框圖

具體過程為：首先建立不同殺傷器氣動外形參數與氣動特性數據之間的映射規律知識庫，然后通過知識工程方法構建規律挖掘引擎，最后對氣動外形與氣動特性的映射規律進行挖掘，獲取外形參數與氣動特性數據之間的規律。

2) 制導控制系統知識組件封裝

制導控制系統設計知識是組件型知識，其原理如圖4所示的知識組件驅動技術框圖，完成系統知識組件封裝。

制導控制系統知識組件封裝過程中，通過控制回路設計過程梳理，建立了常用系統設計程序模塊組件庫，完成了設計知識組件的封裝。據此，通過知識工程方法構建相應的過程執行引擎，實現了制導控制設計知識組件的自動執行。

3) 推力調節裝置實例推理

姿軌控動力系統設計知識是案例型知識，本節針對推力調節裝置，采用實例推理技術進行知識工程構建，具體框圖見圖5所示。

具體流程為：建立固體姿軌控發動機推力調節裝置實例庫，研究實例提取相似匹配算法，探索基于規則方法對設計實例進行修正；在此基礎上，構建實例推送引擎，實現知識的推送。

圖4 控制系統設計知識組件驅動技術框圖

圖5 姿軌控推力調節裝置實例推理技術框圖

3 基于知識工程的殺傷器設計平臺

在前節基礎上，構建殺傷器氣動外形、制導控制系統、推力調節裝置等設計流程模板，完成了集成基于知識工程的殺傷器設計平臺設計，平臺系統結構如圖6所示。

上述設計平臺包括了知識資源、核心引擎、業務邏輯和用戶界面4個層次，每個層次的主要功能如下：

1) 知識資源層

知識資源層是殺傷器設計過程中所涉及的知識、數據的存儲層，提供對知識、數據的訪問和安全管理的功能。根據殺傷器的設計需求，該層包括了氣動特性、側向噴流干擾特性、控制方案、制導方案等知識庫，以及參數調整和推力調節裝置設計等數據庫。

圖6 設計平臺結構

2) 核心引擎層

殺傷器設計系統正常執行，需要一系列的驅動機制，這些驅動機制之間相互協調配合來實現具體的功能需求。在本設計平臺內，驅動機制主要以驅動引擎的形式表現，包括知識挖掘、過程組件化驅動、知識存儲和實例推理四類引擎，全面放置在核心引擎層內。

3) 業務邏輯層

業務邏輯層是為具體業務開發的功能模塊，也是為了實現系統目標而制定的具體功能組成。該層主要包括基于氣動特性知識庫的氣動特性建模、基于過程組件化驅動的制導控制系統設計、基于實例推理的姿軌控推力調節裝置設計等工具。

4) 用戶界面層

用戶界面層是位各類設計提供的人機交互界面。在本研究中，主要涉及總體設計、氣動設計、制導設計和發動機設計人員。

經驗證，上述設計平臺可以用于殺傷器總體設計，并且可以獲得了高質量的殺傷器總體設計方案。

4 結論

1) 采用基于知識工程設計方法，可以有效解決先驗知識的繼承、集成、重用、創新和管理等難題，為新設計奠定良好基礎；

2) 基于知識工程的殺傷器設計平臺，不僅可以獲得優化總體設計方案，還可以大幅提高設計效率；

3) 基于知識工程設計平臺，可以推廣到其他武器裝備總體設計中，提升我國武器裝備總體設計能力。