總體一體化海量方案優(yōu)選設(shè)計方法研究

趙 民，馬夢穎，楊 毅，許元男，高偉凱

（中國運載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

0 引 言

目前中國導(dǎo)彈總體設(shè)計經(jīng)過長期發(fā)展，已經(jīng)從經(jīng)驗設(shè)計發(fā)展到多學(xué)科設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計，正在向一體化精細化設(shè)計階段發(fā)展。傳統(tǒng)設(shè)計理念和技術(shù)方法框架下，導(dǎo)彈總體方案論證和優(yōu)化設(shè)計存在方案論證不充分、一體化程度不強、自動化效率較低等問題，主要原因包括：a）研制周期和計算資源約束強，時間和資源所限，在技術(shù)狀態(tài)組合覆蓋性和仿真精細程度方面難以實現(xiàn)全設(shè)計空間覆蓋；b）自動化方案生成管理與數(shù)據(jù)分析評估方法不完善，缺少總體方案批量生成與管理方法、多目標(biāo)多維度綜合性能評估方法等；c）支持方案快速迭代演進的設(shè)計流程規(guī)范不健全，尚未建立支持總體一體化精細化設(shè)計的方法流程。

隨著學(xué)科模型精細化水平提升、計算機計算能力增強、先進設(shè)計理念的融合，復(fù)雜系統(tǒng)的總體設(shè)計方法將迎來變革性發(fā)展。面向未來導(dǎo)彈一體化精細化設(shè)計發(fā)展趨勢，基于數(shù)字化、一體化、模塊化、可演進的設(shè)計理念，提出總體一體化海量方案優(yōu)選設(shè)計（Mass-Concept Based Optimum Seeking，MBOS）方法，為總體設(shè)計理念變革和總體設(shè)計能力提升探索新途徑。

1 總體設(shè)計方法發(fā)展歷程

中國的導(dǎo)彈研制始于20世紀(jì)50年代，在錢學(xué)森帶領(lǐng)下逐步壯大發(fā)展形成完整的導(dǎo)彈研制體系。根據(jù)研制方法和支撐技術(shù)不同，可將中國的導(dǎo)彈總體設(shè)計發(fā)展劃分為4個階段：跟仿研仿階段、正向設(shè)計階段、多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計階段和精細化設(shè)計階段。各階段的特點和支撐技術(shù)如下：

a）跟仿研仿階段（20世紀(jì)50年代）。

1956年中國的導(dǎo)彈研制正式進入啟動階段，由于基礎(chǔ)人才的缺乏和技術(shù)儲備的不足，導(dǎo)彈研制過程主要以跟仿研仿為主。這一階段的設(shè)計方法為反設(shè)計，通過對國外已有型號導(dǎo)彈的拆裝、測繪形導(dǎo)彈總體方案并完成跟仿研仿。

b）正向設(shè)計階段（20世紀(jì)60年代～70年代）。

這一階段由于積累了豐富的導(dǎo)彈仿制經(jīng)驗，總體設(shè)計方案在基準(zhǔn)方案基礎(chǔ)上不斷迭代更新，設(shè)計方法更加規(guī)范化和系統(tǒng)化。這一階段采用的總體設(shè)計方法包括原準(zhǔn)彈法、統(tǒng)計設(shè)計法、參數(shù)分析法等。

c）多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計階段（20世紀(jì)80年代至今）。

從20世紀(jì)80年代開始,由于多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）設(shè)計概念充分考慮多學(xué)科之間協(xié)同影響帶來的綜合提升效應(yīng)[1]，迅速在航天領(lǐng)域?qū)椩O(shè)計中得到的廣泛研究和快速發(fā)展，并逐漸與工業(yè)部門融合形成了導(dǎo)彈多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計總體設(shè)計方法[2]。這些關(guān)鍵技術(shù)的不斷成熟為MDO的應(yīng)用推廣提供了強有力支撐，從而確保了MDO技術(shù)在工程型號研制過程中逐步得到應(yīng)用實踐,成為導(dǎo)彈設(shè)計與研制過程中的設(shè)計助力[3,4]。

d）基于精細模型一體化設(shè)計階段（2010年至今）。

2007年，基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）概念的提出進一步強調(diào)了系統(tǒng)工程技術(shù)與計算機技術(shù)和數(shù)字技術(shù)融合的必要性。基于精細化模型的設(shè)計方法能夠更為準(zhǔn)確的表征復(fù)雜產(chǎn)品性能特征，從而更有效的發(fā)掘設(shè)計潛力和發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題，逐漸成為復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計研制的必備環(huán)節(jié)[5]。

總體設(shè)計方法正向一體化精細化發(fā)展，與一體化設(shè)計、數(shù)字孿生（Digital Twins）、模塊化設(shè)計、協(xié)同設(shè)計環(huán)境等技術(shù)充分結(jié)合，為復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計提供了更為精準(zhǔn)、可靠、高效的方法途徑[6]。其中，一體化設(shè)計技術(shù)強調(diào)學(xué)科細粒度交互特性以及多學(xué)科復(fù)雜耦合下問題的建模和求解；數(shù)字孿生技術(shù)通過對工業(yè)產(chǎn)品全生命周期過程中從物理特性到行為特征的全屬性數(shù)字空間虛擬表征，是一種融合模型、數(shù)據(jù)、算法、傳感器等技術(shù)，更全面、細粒度、高精度表征產(chǎn)品特征的建模手段；模塊化設(shè)計將復(fù)雜系統(tǒng)按照結(jié)構(gòu)和功能特點分成具有特定功能的互換性強、接口標(biāo)準(zhǔn)的分系統(tǒng)，通過分系統(tǒng)的靈活組合實現(xiàn)面向多種應(yīng)用場景的最佳系統(tǒng)方案配置；協(xié)同設(shè)計環(huán)境在MDO集成環(huán)境基礎(chǔ)上引入多人協(xié)同設(shè)計機制，更適合與現(xiàn)代化的團隊合作設(shè)計模式。上述關(guān)鍵技術(shù)從強耦合特性、精細化表征、細粒度建模、組件化配置、分布式協(xié)同等層面支撐現(xiàn)代總體設(shè)計方法在復(fù)雜系統(tǒng)工程的工程應(yīng)用。

圖1 導(dǎo)彈總體設(shè)計方法發(fā)展歷程 Fig.1 History of the Development of the Missile System Design Methodology

典型一體化設(shè)計方法應(yīng)用包括美國下一代戰(zhàn)略導(dǎo)彈哨兵（其前身為美國GBSD陸基戰(zhàn)略威懾導(dǎo)彈）設(shè)計過程，在其研發(fā)階段，哨兵通過數(shù)字化設(shè)計手段，形成了60億種不同的設(shè)計方案，并從中選擇出最優(yōu)方案，實現(xiàn)了美國戰(zhàn)略導(dǎo)彈海量方案優(yōu)選設(shè)計。

2 海量方案優(yōu)選設(shè)計方法

2.1 方法步驟

海量方案優(yōu)選設(shè)計的核心思想是圍繞設(shè)計對象提出一系列方案構(gòu)想組成海量方案空間，對每個方案構(gòu)想逐一進行優(yōu)化設(shè)計，獲得方案空間內(nèi)的優(yōu)化解集。在優(yōu)化解集中，根據(jù)不同的評價規(guī)則進行評估和優(yōu)選，獲得滿足需求程度最高的設(shè)計方案。主要流程如圖2所示，包括海量方案生成、設(shè)計、評估3個步驟。

圖2 海量方案優(yōu)選設(shè)計方法步驟 Fig.2 The Design Process of MBOS

a）海量方案生成：針對總體設(shè)計對象，以精細化模型進行方案構(gòu)想描述和量化，辨識對總體關(guān)注性能影響較大的總體參數(shù)和分系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)，以關(guān)鍵參數(shù)作為設(shè)計變量，設(shè)置取值范圍，將所有可能的設(shè)計狀態(tài)進行組合，考慮方案變異度，生成組合方案空間。考慮方案可行性，生成可行方案空間。

b）海量方案設(shè)計：在可行方案空間里，按單個方案性能最優(yōu)及必要約束完成優(yōu)化設(shè)計并存儲每個方案的設(shè)計參數(shù)和性能數(shù)據(jù)。包括總體方案及各系統(tǒng)的模型狀態(tài)、設(shè)計參量、總體與各系統(tǒng)性能、成本代價等，構(gòu)成優(yōu)化方案的解空間。

c）海量方案評估：在海量方案的解空間內(nèi)進行數(shù)據(jù)篩選與挖掘分析。根據(jù)設(shè)計需求和目標(biāo)構(gòu)建評估指標(biāo)體系和篩選規(guī)則，在海量數(shù)據(jù)中篩選出符合條件的方案或方案集合，對設(shè)計方案與性能參數(shù)進行可視化和分析。

2.2 特點優(yōu)勢

多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計方法和海量方案優(yōu)選設(shè)計方法都是基于精細模型的總體一體化設(shè)計方法，都能夠解決總體方案尋優(yōu)問題。如表1所示，相比多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計，海量方案優(yōu)選設(shè)計在理念、流程、算法依賴性、可擴展性等方面具有特點和優(yōu)勢，可進一步拓展，用于方案演進設(shè)計。

表1 優(yōu)化設(shè)計與優(yōu)選設(shè)計對比 Tab.1 Comparison of Optimized Design and Preferred Design

續(xù)表1

3 總體一體化海量方案優(yōu)選設(shè)計應(yīng)用

以固體導(dǎo)彈發(fā)動機內(nèi)彈道方案設(shè)計為例，研究海量方案優(yōu)選設(shè)計方法的應(yīng)用及效果。在傳統(tǒng)設(shè)計流程中，導(dǎo)彈總體設(shè)計與固體發(fā)動機設(shè)計串行進行，發(fā)動機系統(tǒng)根據(jù)總體提出的指標(biāo)要求進行發(fā)動機性能最優(yōu)的內(nèi)彈道選型與優(yōu)化，難以獲得以總體性能最優(yōu)為目標(biāo)的發(fā)動機內(nèi)彈道方案。海量方案優(yōu)選設(shè)計提供了將總體飛行彈道設(shè)計與發(fā)動機內(nèi)彈道設(shè)計進行一體化設(shè)計的方法，支持總體性能挖潛與提升。

3.1 海量方案生成

總體動力一體化海量方案優(yōu)選設(shè)計首先需要建立海量發(fā)動機方案庫，海量發(fā)動機設(shè)計方法通過給定總質(zhì)量、直徑、總沖等設(shè)計約束，通過調(diào)整發(fā)動機關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，組合形成多種內(nèi)彈道形式的海量發(fā)動機方案，涵蓋發(fā)動機全部設(shè)計空間，為總體提供完整全面的發(fā)動機模型庫，滿足不同外彈道、不同投擲能力的需求。

固體發(fā)動機方案生成將按燃燒室、噴管、殼體等部段，從裝藥設(shè)計、推進劑配方等維度進行設(shè)計。通過各維度設(shè)計參數(shù)組合，形成海量發(fā)動機方案，及發(fā)動機質(zhì)量、尺寸、性能及成本等指標(biāo)參數(shù)。發(fā)動機模型組成與輸入輸出參數(shù)如圖3所示。

圖3 發(fā)動機模型組成 Fig.3 Motor Module Segments Division

在給定各級發(fā)動機推進劑類型與裝藥量范圍的條件下生成發(fā)動機內(nèi)彈道海量方案，內(nèi)彈道曲線簇見 圖4。

圖4 海量發(fā)動機內(nèi)彈道設(shè)計曲線 Fig.4 Massive Motor Internal Ballistic Design Curve

導(dǎo)彈總體設(shè)計根據(jù)外形、直徑、級數(shù)、發(fā)動機、彈道等模型驅(qū)動，生成不同狀態(tài)的總體方案，構(gòu)成組合方案空間，組合方案在內(nèi)彈道形式方面具有顯著差異性，可以覆蓋全部設(shè)計空間。根據(jù)可行性評估判據(jù)，對組合方案空間中不滿足工程可行性方案進行篩選，生成可行方案空間，其中可行方案數(shù)量達到百萬量級。

3.2 海量方案設(shè)計

對可行方案空間內(nèi)的每個方案進行優(yōu)化設(shè)計與性能預(yù)示。基于質(zhì)量特性模型、氣動模型、彈道模型、控制模型、發(fā)動機模型，考慮飛行距離最遠與力熱環(huán)境約束，進行彈道優(yōu)化設(shè)計，獲得可行方案對應(yīng)的優(yōu)化方案，將可行方案空間映射到優(yōu)化方案空間。存儲優(yōu)化方案空間中的全息數(shù)據(jù)，包括總體設(shè)計參數(shù)與總體性能參數(shù)。

方案生成與優(yōu)化設(shè)計過程可以實時獲得各方案的關(guān)鍵指標(biāo)，并實時顯示計算進度與各方案關(guān)鍵參數(shù)。對于總體動力一體化海量方案優(yōu)選設(shè)計，其實際流程如表2所示：

表2 總體動力一體化設(shè)計流程 Tab.2 System-motorIntegration Design Process

在方案生成過程中，為提升計算速度，采用節(jié)點并行的計算方式，實現(xiàn)計算任務(wù)自動和手動分配，實現(xiàn)海量分布式數(shù)據(jù)的快速自動處理與評估。根據(jù)普通臺式計算機的計算速度，6天內(nèi)可實現(xiàn)百萬量級總體方案的生成與計算。

3.3 海量方案評估

對優(yōu)化方案空間中的方案性能進行評估，利用專家評估系統(tǒng)以不同規(guī)則篩選滿意方案；利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可研究總體設(shè)計參數(shù)與性能參數(shù)的映射關(guān)系，獲得新規(guī)律和新認(rèn)識，在獲得優(yōu)選方案的同時獲得借鑒方案，為方案創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新提供參考。

a）專家評估系統(tǒng)。利用專家打分評估系統(tǒng)進行方案性能綜合評估。對總體性能和所關(guān)注系統(tǒng)的性能建立評分方法和組合權(quán)重，對海量總體方案進行打分排序。評估規(guī)則可以根據(jù)總體需求和關(guān)注問題按需定制、靈活調(diào)整，在每一個學(xué)科指標(biāo)體系下均可添加一個或多個核心參數(shù)作為該學(xué)科評估指標(biāo)，通過組合指標(biāo)計算出總指標(biāo)的評估分值，得到評估結(jié)果。如以射程最大+起飛質(zhì)量最小+載荷最低3個指標(biāo)組合作為篩選規(guī)則，通過專家打分給出不同指標(biāo)權(quán)重，并通過打分排序篩選出多個滿足指標(biāo)需求的方案。相對于以射程單一評價指標(biāo)的評價方案，最優(yōu)方案雖然射程略微下降，但是起飛質(zhì)量、飛行載荷大幅降低，方案更加合理可行，多指標(biāo)組合評估更全面、更客觀，整體參考價值更大。

如圖5所示，以優(yōu)選方案400與非優(yōu)選方案401對比，兩方案在載荷、彈道樣式、級間比、裝藥量等方面均無太大差異。但由于兩方案一級發(fā)動機內(nèi)彈道曲線不同，造成射程差距在35%以上。

圖5 采用不同內(nèi)彈道曲線的總體方案性能對比 Fig.5 Scheme Performance Comparison Using Different Internal Ballistic

在獲得總體優(yōu)選方案的同時，海量方案優(yōu)選結(jié)果也直接指導(dǎo)了分系統(tǒng)方案選型。傳統(tǒng)方法難以快、精、全的得到該優(yōu)選方案，一體化設(shè)計理念的工程應(yīng)用優(yōu)勢得到了驗證。

b）海量數(shù)據(jù)挖掘分析。海量數(shù)據(jù)可呈現(xiàn)設(shè)計空間全局，方便地建立任意參數(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)定性與定量結(jié)合的新規(guī)律發(fā)現(xiàn)與認(rèn)識挖掘。通過一體化設(shè)計平臺，直觀獲取分系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計對于總體性能的影響規(guī)律，發(fā)掘以往分立設(shè)計難以獲得的設(shè)計思路，建立基于海量數(shù)據(jù)挖掘而產(chǎn)生的全面、準(zhǔn)確的總體設(shè)計框架與思路。

圖6分別建立了同一載荷與彈道樣式下，飛行時間、最大速度關(guān)于射程的分布規(guī)律，以及起飛質(zhì)量、最大速度關(guān)于最高高度的影響分布規(guī)律。其中射程與飛行時間、最大速度呈現(xiàn)明顯正相關(guān)特性；而最高高度與起飛質(zhì)量、最大速度則呈現(xiàn)不同程度的負相關(guān)特性。

圖6 多參數(shù)擬合統(tǒng)計 Fig.6 Multi-parameter Fitting Statistical

4 結(jié)束語

面向總體設(shè)計能力提升、導(dǎo)彈總體性能提高的目標(biāo)，總體一體化海量方案優(yōu)選設(shè)計方法，能夠?qū)⒑Ａ糠桨负秃Ａ繑?shù)據(jù)作為設(shè)計資源充分挖掘，將總體設(shè)計空間轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)空間，成為揭示新規(guī)律、研究新機理的信息空間和智慧空間，拓展導(dǎo)彈總體設(shè)計創(chuàng)新空間。

a）總體一體化海量方案優(yōu)選設(shè)計方法踐行先進設(shè)計理念，突破傳統(tǒng)研發(fā)模式局限，符合未來技術(shù)發(fā)展趨勢，有望形成具備快速迭代優(yōu)化、方案全局最優(yōu)、持續(xù)更新演進等特征的總體設(shè)計平臺。

從國際軍民領(lǐng)域的先進設(shè)計理念來看，目前美、日等國均采用一體化海量方案設(shè)計思路，通過現(xiàn)有成熟技術(shù)整合擇優(yōu)，實現(xiàn)整體能力提升，中國亟需開展相關(guān)研究；從中國導(dǎo)彈武器的固有研發(fā)模式來看，當(dāng)前存在各專業(yè)分立設(shè)計、專業(yè)耦合型不強的問題，該技術(shù)基于各專業(yè)學(xué)科模型，可以統(tǒng)籌多學(xué)科精細化一體化研究成果，具有突破傳統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗、多學(xué)科緊密耦合的設(shè)計優(yōu)勢；從面向未來演進的技術(shù)發(fā)展趨勢來看，各專業(yè)學(xué)科模型不斷深入研究精細設(shè)計、數(shù)字化平臺工具大規(guī)模使用、計算能力不斷升級、并行計算持續(xù)刷新方案設(shè)計速度，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)興起、大數(shù)據(jù)處理分析能力日趨成熟，發(fā)展海量方案尋優(yōu)設(shè)計的軟硬件能力均已具備；從新質(zhì)概念圖像的總體設(shè)計工具來看，新裝備、好裝備的需求愈發(fā)強烈，論證迭代節(jié)奏不斷加快；裝備需求邊界越來越模糊，構(gòu)建武器概念圖像難度加大；原有設(shè)計工具各自為戰(zhàn)、線性設(shè)計、反復(fù)迭代優(yōu)化的設(shè)計方法已難以適應(yīng)快節(jié)奏、顛覆性創(chuàng)新的新要求，需要海量方案通用化模塊化設(shè)計平臺，為總體專業(yè)提升論證與設(shè)計的效率和方案供給能力。

b）在現(xiàn)有技術(shù)框架的基礎(chǔ)上，需要不懈構(gòu)建精細模型、深入探究耦合機理、不斷豐富模型庫、持續(xù)完善規(guī)則庫、提升并行計算能力，支撐新質(zhì)戰(zhàn)略/常規(guī)導(dǎo)彈武器的論證與設(shè)計，為形成先進的總體設(shè)計方法提供技術(shù)基礎(chǔ)。

現(xiàn)有海量方案優(yōu)選設(shè)計已經(jīng)實現(xiàn)發(fā)動機內(nèi)彈道方案優(yōu)選，為進一步擴展應(yīng)用到總體各系統(tǒng)的一體化設(shè)計，需建立完整的學(xué)科精細化模型，適用于不同類型的優(yōu)選問題，支持覆蓋性更全面的總體方案空間；完善總體性能指標(biāo)優(yōu)選規(guī)則，確保優(yōu)選結(jié)果充分匹配總體需求，實現(xiàn)方案空間內(nèi)全局最優(yōu)；不斷提升計算能力，優(yōu)化計算過程，發(fā)展并行計算，實現(xiàn)萬、億級方案快速持續(xù)生成，支撐多型武器并行開發(fā)與演進升級，為導(dǎo)彈總體設(shè)計提供標(biāo)準(zhǔn)化通用化設(shè)計工具。

c）按照新的設(shè)計理念與方法，傳統(tǒng)的總體與動力專業(yè)的分工界面可能將不再清晰，存在多種規(guī)則下指標(biāo)組合與權(quán)重分配、如何科學(xué)客觀表達用戶需求等問題，需要總體與動力專業(yè)加強聯(lián)動、打破傳統(tǒng)分立設(shè)計理念；設(shè)計方與用戶持續(xù)溝通明確需求、建立專家系統(tǒng)持續(xù)迭代升級。

一方面，新理念將加強總體與分系統(tǒng)間的聯(lián)系，專業(yè)分工界限不再明確，各專業(yè)緊密耦合協(xié)同設(shè)計成為應(yīng)有之義，打破傳統(tǒng)專業(yè)分工，建立“大總體”設(shè)計理念，以總體能力最優(yōu)為統(tǒng)一目標(biāo)開展協(xié)同創(chuàng)新設(shè)計，借助海量方案優(yōu)選結(jié)果決定各系統(tǒng)方案，分系統(tǒng)單位聚焦方案實現(xiàn)過程，提升設(shè)計流程專業(yè)程度與溝通迭代效率；另一方面，新理念將同時加強用戶與科研院所的聯(lián)系，用戶不再通過指標(biāo)形式提出設(shè)計要求，而是根據(jù)實際需求，通過建立科學(xué)決策下的多指標(biāo)評價機制，自行擇優(yōu)選擇符合需求的方案，未來將實現(xiàn)設(shè)計方提供海量方案庫，用戶根據(jù)需要自由選擇方案的設(shè)計—采購模式。

d）前瞻運用智能、大數(shù)據(jù)、云計算等前沿新興技術(shù)賦能，強化總體動力一體化海量方案尋優(yōu)設(shè)計數(shù)據(jù)生成、挖掘與信息利用能力，進一步提升導(dǎo)彈武器總體設(shè)計效能。

一體化海量方案數(shù)字化設(shè)計借力新型網(wǎng)絡(luò)與智能技術(shù)，利用云計算、分布式并行計算等技術(shù)，充分利用全國設(shè)計資源，利用新型舉國體制協(xié)同加速導(dǎo)彈總體開發(fā)設(shè)計速度；突破以往總體導(dǎo)彈設(shè)計過程中，存在參考方案有限，依賴傳統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗、難以從少量數(shù)據(jù)中獲得普遍客觀設(shè)計規(guī)律的局限，通過海量方案生成與統(tǒng)計，通過大數(shù)據(jù)處理，海量數(shù)據(jù)挖掘，實現(xiàn)數(shù)據(jù)建模，用計算的方式去建模、理解、解決具體問題，為總體設(shè)計提供新思維。

深入挖掘海量方案中蘊含的信息價值，了解其中的信息、知識、規(guī)律甚至智慧，最終轉(zhuǎn)化為實際的設(shè)計過程與方法；利用人工智能、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)，加速方案設(shè)計與決策速度，提升總體設(shè)計自動化程度，深入發(fā)掘總體設(shè)計設(shè)計空間與性能潛力。