电传飞控系统地面试验评价技术研究

任宝平, 张 龑, 范利花, 张 毅, 李 伟

(1.航空工业第一飞机设计研究院，陕西 西安 710089；2.航空工业北京长城航空测控技术研究所，北京 101111)

随着飞机飞行控制系统技术的发展，电传飞控系统已经成为了现代新研制飞机的标准配置。电传飞控系统地面试验验证也是飞机研制过程中必须要完成的工作。飞控系统地面试验方案论证涉及到10个要素,铁鸟试验内容多、种类多、周期长[1]。方案论证过程中需要对方案中影响面大且用户和上级特别关注的重要技术问题等进行研究和评估，对多种可选方案进行利弊分析并选择最合理的方案。科学合理规划试验对于提高试验质量、节约试验成本和缩短研制周期具有非常重要的作用。需求分析不深入、顶层设计不到位往往导致后续的返工量很大以及资源和时间的浪费[2]。完成全面满足高试验安全、高试验质量、低试验成本和短试验周期等要求的飞控系统地面试验方案设计是一件难度大且高度复杂的工作。

国外作战飞机的地面试验和建模与仿真试验在飞机的整个研制过程中占的比例越来越重,而整机飞行试验的次数随之越来越少[3]。美国空军ARMOLD工程发展中心提出综合试验与评价(Integrated Test and Evaluation,IT&E)方法,用于解决作战飞机试验过程中飞行试验、地面试验和建模与仿真试验之间的规划管理与协调[4]。其作用是实现试验信息综合利用,加速武器装备研制周期,降低研制风险和费用,提高装备试验效率和效益[5]。文献[6]介绍了试验与评价技术在美军武器装备中的重要作用。文献[7]介绍了一体化试验评估方法在美国飞行器试验评估中的应用,有效地达到了提高试验效率、缩短试验周期、减少试验成本和风险的有益效果。

国内在地面综合试验与评价研究方面起步比较晚，文献[8]介绍了飞行器地面试验评价方法,研究中采用了蛛网评价法、灰色关联评价法和基准评价法，并在飞行器地面点火试验方案评价中得到了应用。文献[9]介绍了“蛛网图”法、灰色关联分析方法和基准评价法在飞机总体设计中的评价应用。文献[10]介绍了多目标决策法、“蛛网图”法和综合评估法在作战飞机总体设计中的应用。文献[11]介绍了相关性矩阵评价法在火控计算机测试平台设计中的应用。在电传飞控系统地面试验评价技术研究方面,国内目前还处于空白。

本文重点研究了密切值评价法、相关性矩阵法和专家打分法在电传飞控系统地面试验评价中的具体应用。从试验内容、试验方法、试验过程和试验数据处理等方面开发了试验知识库模型，建立了地面试验评价指标体系，研制了地面试验测试与综合验证平台，利用3种评价方法对某型飞机电传飞控系统地面试验方案进行了评估，根据评估结果优化了试验方案，解决了长期以来电传飞控系统地面试验方案设计工作缺乏有效的规范约束和评价指导、试验资源与试验需求不匹配等问题。

1 电传飞控系统地面试验知识库建模

电传飞控系统地面试验知识库模型是评价工作的基础。知识库模型的准确性和模型样本的丰富性会直接影响评价结果的客观性和有效性。

通过飞控系统地面试验的描述过程，完成将用户需求和试验目标转化为对各种试验资源的需求，提出明确的试验资源约束和要求，包括时间约束、信息要求、人员要求等。试验过程描述可以用统一建模语言(Unified Modeling Language，UML)表示的类图完成，作为顶层试验过程描述。试验资源的具体需求则需要进一步对顶层的试验过程描述进行分解,按照试验资源分类的原则分别生成对应的子试验任务描述。

UML可以支持两种建模机制:系统的静态建模和系统的动态建模[12]。在地面试验对象模型中，采用例图、类图、对象图定义地面试验对象及其之间的静态关系；采用构件图和配置图反映地面试验的体系结构和通信机制；采用顺序图、协作图、状态图和活动图描述地面试验对象的状态及其之间的交互关系。

图1为用户的用例，从用户使用的角度描述系统构架的基本外部行为特性。

图1 用户的用例图

在地面试验UML关系模型分析中，以关系型数据库作为底层数据支撑，对地面试验信息进行建模管理，采用可视化的软件界面实现用户信息、飞机型号档案、飞机功能信息、飞机故障模式信息、试验设备和地面试验数据等地面试验信息的管理，同时支持地面试验数据按照关键字进行查询，并支持对地面试验的试验总时长、试验成本、试验类型占比、试验重要度占比、试验设备等信息的统计分析，为地面试验的验证评价提供基础数据支撑。

用户信息管理：用于验证用户的合法身份。

飞机型号档案管理：主要对飞机型号及飞控系统架构进行管理，包括飞机编号、飞机名称、飞机类型和飞控系统架构等属性信息。

飞机功能信息管理：主要对被试飞机系统的功能编号、功能名称和功能描述等属性进行管理。

飞机故障模式信息管理：主要对被试飞机系统的故障模式名称、故障模式描述和故障模式等级等属性进行管理。

试验设备管理：主要是对试验相关设备的型号、类型、生厂商和成本等属性进行管理。

地面试验数据管理：根据地面试验元素分解层级，建立各试验元素的逻辑关系谱，采用可视化的显示界面建立地面试验模型。在进行地面试验某项关键指标试验验证时，由于考虑因素较多，在空间和时间上进行逐级分解，分成次级、次次级目标,完成地面试验层次化建模，使地面试验模型更清晰准确。根据多层次抽象模型理论，将地面试验元素进行逐级分解，试验模型层次化分解图如图2所示。

图2 地面试验模型层次化分解图

2 电传飞控系统地面试验评价指标体系实现

电传飞控系统地面试验评价指标体系是否合理、完善，直接影响最终评价结果的准确性。评价指标体系应以飞控系统地面试验的评价需求为牵引，既能反映飞控系统地面试验的功能要求，又能反映适用度评价指标与优化指标之间复杂的耦合关联关系。

按照地面试验评价指标体系的递阶层次结构和建立原则，评价指标体系包括三级：第一级次为地面试验评价总指标；第二级次包括总体指标、试验内容、试验方法、试验过程、试验数据处理和试验测试设备等；第三级次包括构成各第二层次指标的分指标，如图3所示的地面试验指标从类型上分为评价指标和优化指标两类。

图3 地面试验评价指标体系结构图

① 评价指标：试验内容的重要度、量程范围及精度等；试验方法的匹配度、成本等；试验过程的步骤合理性、试验复杂度等；试验数据处理的数据数量、算法匹配度等。

② 优化指标：试验方法的固定响应时间、成本等；试验过程的试验时间等；试验数据的处理时间等。

为方便计算，采用一致化方法对各指标进行处理，把含有“极大型”指标、“极小型”指标、“居中型”指标和“区间型”指标4种不同类型的指标转化为同一类型的指标。

地面试验评价指标存在各自的量纲和量级，为了排除由于各项指标的量纲不同影响最终评估，对评价指标作无量纲化处理。

飞控系统地面试验评价方法是对试验内容、试验过程、试验方法和试验数据处理等的适用度评价方法。采用密切值评价法、相关性矩阵分析法、专家打分法等对地面试验进行适用度评价。

2.1 密切值评价法

密切值评价法能在全面考虑地面试验指标类型和指标类型总体分布的情况下，得出较准确的决策结果。密切值模型将不同单位的多因素待评指标归一化，计算出其最优点和最劣点,将二者作为参考点，然后计算各组待评指标与参考点的距离，由距离衡量评价的结果。

文献[13]中给出密切值法具体步骤和公式，主要处理步骤如下：① 确定决策评价矩阵；② 指标规范化处理；③ 确定规范化后的评价指标最优与最劣决策方案；④ 计算待评指标与最优和最劣决策方案之间的距离；⑤ 计算密切值；⑥ 决策评价排序。

电传飞控系统地面试验指标类型如表1所示，分为成本型指标和效益型指标。

表1 地面试验评价指标类型表

假设有m个决策评价样本，每个样本有n个评价指标，则决策评价矩阵为

(1)

考虑实际情况，一般电传飞控系统地面试验选用3套评价方案，即m=3，评价样本按照表1中的二级指标计算，即n=20。

对效益型指标和成本型指标分别采用式(2)和式(3)进行统一化。

aij=xij/max(xij)

(2)

aij=min(xij)/xij

(3)

式中：a为评价指标的归一值；x为评价指标；i=(1,2，…，m)；j=(1,2，…，n)。

(4)

根据式(5)确定最劣决策方案：

(5)

根据式(6)确定待评指标与最优决策方案样本之间的距离：

(6)

根据式(7)确定待评指标与最优决策方案样本之间的距离：

(7)

此时密切值采用式(8)计算：

(8)

密切值Ci越大，评价结果越劣；Ci越小，评价结果越优。根据密切值评价法开发相应的计算软件，实现评价方法的自动化,密切值评价算法的软件运行结果如图4所示。

图4 密切值评价算法的软件运行结果图

2.2 相关性矩阵评价法

通过建立试验测试项与相关项(功能项、性能项、故障模式项、环境项、试验设备项)的相关性矩阵模型，对整个地面试验的覆盖内容进行评价分析，完成此项试验则在矩阵表中对应为1，未完成此项试验则在矩阵表中对应为0。以试验测试和功能项相关性为例，建立试验测试与功能的相关性矩阵模型，如表2所示。

表2 试验测试与功能相关性矩阵表

相关性矩阵的分析算法如下：

功能检测率=1-全为0的行数/总行数=1-1/6=5/6 =83.3%。

表2中全为0的行代表此功能项未检测。此功能项若为重要项，则认为试验方案规划有遗漏，必须重新考虑增加试验内容完成此功能项测试。

表2中某几列数值如果完全相同，则代表这几列对应的试验测试项重复，例如试验测试项2和测试项6，需考虑试验是否可以合并，以减少重复测试，节约试验时间。

表2中若某列所覆盖的功能项较多，则考虑在试验顺序规划中优先进行试验，如测试项3。

相关性矩阵评价法通过建立试验测试项与功能、性能、故障模式、测试设备及环境条件的相关性模型，分析得出功能/性能/故障模式等覆盖率，未覆盖的功能/性能/故障模式，以及相同功能/性能/故障模式等测试项，根据分析结论指导地面试验方案完成补充、合并等优化设计。

实际应用中通过软件实现相关性矩阵评价法，图5为相关性矩阵评价算法的软件运行结果图，是某飞控系统地面试验方案评估过程中应用相关性矩阵法的一个实例，评估发现功能覆盖率为20.8%，有多项功能未覆盖，必须重新制定试验方案。根据评估结果开展试验方案优化，并最终满足试验需求。

图5 相关性矩阵评价算法的软件运行结果图

2.3 专家打分法

专家打分法是通过征询地面试验有关专家的意见,并对专家意见进行统计、处理、分析和归纳，客观地综合专家经验与主观判断，对试验过程的完备性、试验方法的合理性、试验手段的先进性和数据处理的有效性等做出评价，综合给出地面试验适用度的评估。具体步骤如下。

① 确定权重系数。根据各指标对地面试验的相对重要性，分别确定权数，且权数之和为1。

② 划分等级。将每个指标划分多个等级，并为各等级赋予定量数值，对应一个分值，用于判断地面试验方案中的每个项目所占等级。

③ 计算地面试验方案总分。将每项指标权数与对应的等级分值分别相乘，求出每项指标得分。各项指标得分之和为地面试验方案的总分。

④ 决策。取试验方案得分最高项为最优地面试验方案。

在电传飞控系统地面试验评价过程中，把评价的内容分为了6个部分，每个部分的权重分别是：飞控系统地面试验内容权重0.2、飞控系统地面试验方法权重0.2、飞控系统地面试验过程权重0.2、飞控系统地面试验测试设备权重0.1、飞控系统试验数据处理方法权重0.2和飞控系统地面试验时间及成本权重(0.1)。每一步分为3个等级，每个等级的分数为：好(90～100分)、一般(75～90分)、差(40～75分)。根据权重和得分的成绩累加可以得到总分，总分最高者即为最优方案。

3 地面试验评价技术应用分析

电传飞控系统地面试验评价技术可以用来指导和评判新型号电传飞控系统综合试验规划及试验环境的建设，对试验规划的完整性、实效性提供评估并给出建议。用于试验评估的3种方法在实际应用中可以综合应用，也可以单独应用，每一种方法又具有各自的特点。

密切值评价法是一种定量的评估方法，在使用过程中需要技术人员具有丰富的经验积累。决策评价矩阵R中的每一个参数都需要在开始评估前被赋值，赋值的合理性直接影响评估结果。本项目在研究之初先建立了电传飞控系统地面试验知识库，在知识库中存储了多套电传飞控系统试验方案，因此在使用密切值评估法时，可以根据知识库存储的数据给决策评价矩阵R的变量赋值。

相关性矩阵评价法侧重评估试验方案的完整性和试验规划的效率，通过此方法可以发现试验规划中漏掉的试验项目，也可以辅助判断试验实施过程中可以合并实施的试验项目，减少试验周期，提高效率。但是对于采用了新技术之后的电传飞控系统地面试验项目的评估会有一定的不准确性。

专家打分评估法是一种定性评估方法，根据专家的水平，结合统计方法的应用，可以比较客观地定性评价一套试验方案的好坏。但是此方法对于专家的依赖程度比较高。

3种方法结合使用可以在电传飞控系统地面试验评价工作中收到最好的效果，而且根据产生的新试验方案可以不断地完善电传飞控系统地面试验知识库中的样本，样本越多，评价的准确性就越高。经过多型号的迭代之后，随着样本增加可以逐步取消专家打分评估法，仅使用密切值评价法和相关性矩阵评价法就可以完成评估工作。

4 结束语

针对电传飞控系统地面试验评价技术开展了研究，建立了基于已有型号数据的电传飞控系统地面试验知识库模型，创建了地面试验评价指标体系，综合应用3种评价方法开展试验方案评价，研制了飞控系统地面试验综合验证评价平台，实现了人机交互友好的自动化评价。该平台在某型飞机电传飞控系统铁鸟试验方案设计过程中得到了应用，应用过程中对试验方案提出了优化建议。在应用过程中也暴露出由于知识模型库中的样本较少导致评价结果的准确度不够高的问题，因此，补充知识模型库样本是未来工作的重点。