基于知识工程的固体动力杀伤器总体设计方法

龙永松，刘玉祥，王 伟，黄 波，周福祥，陈忠祥

(江南机电设计研究所， 贵阳 550009)

知识工程(knowledge engineering，KW)[1]作为一门新兴学科，得到了国外军事强国的广泛关注和重点研究[2-9]。美国佐治亚理工学院专门成立了工程信息系统实验室，并与美国国家标准与技术研究所合作，为产品造型和设计建模提供了基于知识的设计支持系统。与此同时，该实验室与美国国家航空航天局(NASA)喷气推进实验室、洛克希德·马丁公司合作开展“可组合对象的知识表示-启用高级协作工程环境”项目，试图推动知识工程的快速发展和广泛应用。此外，NASA还成立了知识管理团队，开发了以人为中心的信息管理平台，便于人们学习和利用知识。

固体动力杀伤器(以下简称杀伤器)工作在临近空间内(高度范围20～100 km)，是高层防空反导系统的重要组成部分。这类武器通常采用固体姿轨控直接力/气动力复合控制、低速比拦截、直接碰撞动能杀伤等技术，具有高速、大机动、宽适应能力等优点，可以实现对高空高超声速机动目标的有效拦截。不过，杀伤器的高性能要求也带来了诸多设计难题，比如飞行空域跨度大，气动外形设计困难；制导精度要求高，控制系统复杂；机动能力要求高，固体动力姿轨控发动机难度大等。以上问题，传统方法很难获得满足解决途径，难以获得最优的杀伤器总体方案。

为此，本研究将知识工程技术引入杀伤器总体设计，首先分析杀伤器设计知识结构，然后基于知识工程给出解决思路，最后建立杀伤器设计平台并给出了结论。

1 杀伤器设计知识结构

杀伤器设计包括总体、气动、结构、制导控制、固体动力姿轨控发动机、电气系统等。根据各专业的关键程度和技术难度，本研究选择气动设计、制导控制设计和姿轨控动力系统设计作为研究对象，描述知识工程在杀伤器设计过程中的应用。

1) 气动知识结构

杀伤器气动特性数据包括轴向力系数、法向力系数、侧向力系数、压力中心系数、滚动力矩系数和喷流干扰特性数据(力放大因子和力矩放大因子等)。它们都可以表示为杀伤器气动外形参数、马赫数、攻角、滚转角、雷诺数、喷流形式或喷流状态的函数，数学表达式为：

C=f(Ma,α,φ,Re,pj)

(1)

式中：Ma代表飞行马赫数；α表示攻角；φ表示滚转角；Re为雷诺数，表征工作高度对杀伤器气动特性的影响；Pj表示喷流形式或状态。

由式(1)可知，杀伤器气动特征数据与其气动外形结构、来流参数和工作状态等参数存在一一对应关系，也即是说：气动设计知识是输入/输出规律型知识。

2) 制导控制知识结构

杀伤器制导控制系统设计，是以杀伤器为研究对象，依靠人工经验处理多种复杂设计信息，通过不断调参、重复迭代、反复定点和六自由度仿真计算，才能获得满足性能要求的制导控制参数。以“定点调参”为例，为了满足相应设计指标，需要反复调整设计参数，重复进行仿真计算，直至获得最优输出参数。以上过程，从知识工程角度看，包括了判断规则、算法及计算公式等。

制导控制系统的知识通常以程序模块形式存在，图1给出了典型的比例-积分-微分(Proportion integral differential，PID)前馈和变结构控制程序模块框图。实际应用时，可根据杀伤器拦截作战场景的不同，对各类模块进行灵活配置，形成不同的制导控制回路。也即是说，制导控制系统设计知识是组件型知识。

图1 制导控制回路结构知识框图

3) 姿轨控动力知识结构

杀伤器固体动力姿轨控系统的核心部件为推力调节装置，每个推力调节装置设计参数包括调节方式、结构尺寸、控制方式和工作参数等，图2给出了关键组件知识结构框图。

图2 姿轨控动力系统关键组件知识结构框图

完整的推力调节装置，需要通过多个组件组合构建。因此，姿轨控动力系统设计知识是案例型知识。

2 基于知识工程的解决思路

针对杀伤器气动、制导控制和姿轨控动力系统设计的知识结构，本节引入知识工程方法，综合利用规律挖掘、知识组件封装、实例推理等技术，解决杀伤器设计过程中的难题，达到支撑杀伤器快速高效设计的目的。

1) 气动映射规律挖掘

气动设计知识是输入/输出规律型知识，采用的映射规律挖掘流程如图3所示。

图3 气动特性映射规律挖掘流程框图

具体过程为：首先建立不同杀伤器气动外形参数与气动特性数据之间的映射规律知识库，然后通过知识工程方法构建规律挖掘引擎，最后对气动外形与气动特性的映射规律进行挖掘，获取外形参数与气动特性数据之间的规律。

2) 制导控制系统知识组件封装

制导控制系统设计知识是组件型知识，其原理如图4所示的知识组件驱动技术框图，完成系统知识组件封装。

制导控制系统知识组件封装过程中，通过控制回路设计过程梳理，建立了常用系统设计程序模块组件库，完成了设计知识组件的封装。据此，通过知识工程方法构建相应的过程执行引擎，实现了制导控制设计知识组件的自动执行。

3) 推力调节装置实例推理

姿轨控动力系统设计知识是案例型知识，本节针对推力调节装置，采用实例推理技术进行知识工程构建，具体框图见图5所示。

具体流程为：建立固体姿轨控发动机推力调节装置实例库，研究实例提取相似匹配算法，探索基于规则方法对设计实例进行修正；在此基础上，构建实例推送引擎，实现知识的推送。

图4 控制系统设计知识组件驱动技术框图

图5 姿轨控推力调节装置实例推理技术框图

3 基于知识工程的杀伤器设计平台

在前节基础上，构建杀伤器气动外形、制导控制系统、推力调节装置等设计流程模板，完成了集成基于知识工程的杀伤器设计平台设计，平台系统结构如图6所示。

上述设计平台包括了知识资源、核心引擎、业务逻辑和用户界面4个层次，每个层次的主要功能如下：

1) 知识资源层

知识资源层是杀伤器设计过程中所涉及的知识、数据的存储层，提供对知识、数据的访问和安全管理的功能。根据杀伤器的设计需求，该层包括了气动特性、侧向喷流干扰特性、控制方案、制导方案等知识库，以及参数调整和推力调节装置设计等数据库。

图6 设计平台结构

2) 核心引擎层

杀伤器设计系统正常执行，需要一系列的驱动机制，这些驱动机制之间相互协调配合来实现具体的功能需求。在本设计平台内，驱动机制主要以驱动引擎的形式表现，包括知识挖掘、过程组件化驱动、知识存储和实例推理四类引擎，全面放置在核心引擎层内。

3) 业务逻辑层

业务逻辑层是为具体业务开发的功能模块，也是为了实现系统目标而制定的具体功能组成。该层主要包括基于气动特性知识库的气动特性建模、基于过程组件化驱动的制导控制系统设计、基于实例推理的姿轨控推力调节装置设计等工具。

4) 用户界面层

用户界面层是位各类设计提供的人机交互界面。在本研究中，主要涉及总体设计、气动设计、制导设计和发动机设计人员。

经验证，上述设计平台可以用于杀伤器总体设计，并且可以获得了高质量的杀伤器总体设计方案。

4 结论

1) 采用基于知识工程设计方法，可以有效解决先验知识的继承、集成、重用、创新和管理等难题，为新设计奠定良好基础；

2) 基于知识工程的杀伤器设计平台，不仅可以获得优化总体设计方案，还可以大幅提高设计效率；

3) 基于知识工程设计平台，可以推广到其他武器装备总体设计中，提升我国武器装备总体设计能力。