大型飞机的系统最优化设计问题研究

项昌毅

随着近年来对工业体系的持续投入，我国科学技术获得了长足发展，目前已经建立了众多世界瞩目的超级工程，比如：三峡水电站以及国产大型飞机等等。所谓大型飞机一般是指起飞总重超过100 t的运输类飞机，一直被誉为“工业化领域的皇冠”，一方面其包含电子、机械、新材料以及冶金等诸多行业；另一方面其是数百万零部件的大集成，随着系统复杂度的提高，相应零部件大量增加，系统稳定性却因此而降低。

目前为了提高系统稳定性，大型飞机最常用方法是为重要分系统增加备份。因此，如何最优化飞机系统备份是一个重要又緊迫的课题。在系统最优化设计领域，许多学者作了广泛而深入的研究[1-4]，这些研究给出了不同方法，并获得了系统最优方案。然而，这些方法计算并不简便，尤其在工程领域的应用受到一定限制。因此，该文提出一种基于可重构度最大化的系统优化设计，该方法计算简单，并能根据约束条件获得理想结果，最后将该方法用于大型飞机进行仿真计算，验证了所提方法的有效性。

1 可重构性指标计算

重构指系统从一种构形向另一种构形的转换，是系统生存和发展的基本手段之一。可重构性指一定条件下系统完成重构的能力[5]。

从工程实际出发，当系统某部件发生故障后，优先采用硬件备份切换方式来重构系统，当系统中仅有一个独立功能部件发生故障时，定义为一重故障。同理，重故障定义为系统同时有个独立部件发生故障。当系统发生重故障时，如果有冗余部件完全替换故障部件并使系统工作正常，则认为该重故障是可重构的。

为了量化故障与可重构性之间的关系，该文提出可重构度的概念，作为衡量一个系统可重构性水平的指标。当系统发生重故障时，称该可重构性指标为重可重构度。

定义1：当系统发生重故障时，系统的重可重构度定义为：

由于分系统3给出了最大的敏感因子，所以，对从1增加到2。的迭代结果由表2给出。

由表2可知，时，得到的最优解是（2，2，3，3）。相应的系统可重构度为0.9556。顺便提及，当取其他值时，所得到的最优分配方案不变，但是计算过程中顺序不同。

4 结语

该文针对大型飞机的最优化设计问题，提出了一种基于最大可重构度的优化计算方法，通过比较不同分系统之间的敏感因子，在敏感因子最大的分系统增加冗余，进而实现了系统可重构度最大化。最终仿真计算验证了所提方法的有效性。该方法不仅考虑了冗余增加对于系统可重构性的影响，同时将资源消耗列入了考虑范围，对于工程领域处理串联系统最优化设计的问题具有一定的应用价值。

参考文献

[1] Yang H，Jiang B，Staroswiecki M.Fault recoverability analysis of switched systems[J]. International Journal of Systems Science， 2012，43（3）：535-542.

[2] 袁亚湘.最优化理论与方法[M].北京：科学出版社，1997.

[3] 郭仁生.机械工程设计分析和MATLAB应用[M].北京：机械工业出版社，2014.

[5] 马立，谢炜，刘波，等.柔性铰链微定位平台的设计[J].光学精密工程，2014（2）：338-345.

[5] 李培根，张洁.敏捷化智能制造系统的重构与控制[M].北京：机械工业出版社，2003.