基于知识工程的飞机燃油箱专家建模系统

张 伟 王 楠

（新乡航空工业（集团）有限公司， 河南 新乡 453000）

0 引言

知识工程是一种基于人工智能的原理及方法，利用合理的方法及活动获取、表达和推理专家知识，将专家逻辑和语言转化为机器逻辑和语言。将专家知识与人工智能信息化进行结合，最终通过专家信息问询、问题识别以及问题处理等步骤系统解决复杂工程问题。知识工程通常包括知识获取、知识验证、知识表示、推论、解释和理由5 个活动。该文以飞机燃油系统为例，通过运用KBE 方法、UML 知识表示语言以及MATLAB 编程语言建立飞机燃油箱专家建模系统，将专家知识与信息化智能工具结合，基于不同的飞机燃油箱结架构定义实现快速建立燃油箱物理模型以及热模型的目标，以缩短早期概念设计的周期。

1 知识获取和知识表示

知识获取是将解决问题的专业知识从专家或文档化的知识源积累、转移和转化为用于构建或扩展知识库的计算机程序[1]。飞机机翼通常由不同的隔舱组成，每个隔舱由飞机的肋、桁以及蒙皮组成。燃油箱通常看作机翼的一个功能模块，对应由飞机的肋、桁以及蒙皮组成。肋、桁以及蒙皮成为构成机翼和燃油箱的结构模块，翼型为机翼和燃油箱的几何属性，通过影响肋的几何特性影响机翼和油箱的具体结构。

在获取初步知识架构后，需要对专家知识进行进一步开发和表示，知识表示语言（该文使用UML）运用不同的推理符号和描述逻辑（DLS）[2]进行表示。在图1 中，与飞机机翼（Civil Fix wing Aircraft）类对应的属性有隔舱（Segment）、油箱（Fuel Tank）。

UML 用组合（用符号*表示）来表示具有多重限制的形式部分-整体关系，用数字和*来表示组合关系，数字n表示该整体由n个部件组成，n*表示整体由至少n个部件组成。图1 表示固定翼机翼（Civil Fix wing Aircraft）通常由隔舱（Segment）组成，每个隔舱通常由翼型（Airfoil）、桁（Spar）以及肋（Rib）组成，隔舱、翼型、桁以及肋的数量至少为1、2、0 和0 个。同时，每种类/对象完整的特征属性均在属性框中进行定义。图1 表示固定翼机翼（Civil Fix wing Aircraft）由不少于0个燃油箱（Fuel Tank）组成（全电飞机为0），每个燃油箱（Fuel Tank）由至少1 类热部件（Thermal component）组成，燃油箱（Fuel Tank）的热属性包括空气（Air）、燃油（Fuel）以及气隙（Ullage）热部件的属性（包括表面属性（Surface）及流体属性（Fluid））。

2 算法实现与编程

基于UML 的知识表示提供了清晰的知识架构，定义了各元素属性及逻辑关系，为算法需求识别提供了条件。由图1 可知，在属性翼型（Airfoil）、桁（Spar）以及肋（Rib）中，翼型为衍生属性，是机翼及油箱建模的核心共用模块，需要对算法进行特别研究。机翼翼型通常分为对称翼型、半对称翼型、克拉克Y 翼型、内凹翼型以及S 翼型等，燃油箱建模专家系统需要分别对不同翼型进行算法研究。因篇幅有限，半对称翼型等其他翼型通常可以通过对称翼型衍生获取，该文仅体现对称翼型的部分算法。

图1 飞机机翼结构类模型及热模型

2.1 对称翼型的算法

对称翼翼型的上表面和下表面都可以使用任意顺序的伯恩斯坦多项式来描述1 组分量形状函数[3]，用伯恩斯坦多项式表示翼型的方法具有以下独特、非常强大的特性：1） 这种翼型算法可获取连续光滑翼型。2） 机翼各处的翼型都可以从翼型模型中提取。3） 机翼中每个翼型都可以从其他翼型衍生而来。

机翼后缘上表面厚度比如公式（1）所示。

式中：uTE为机翼后缘上表面距离弦线的厚度；c为弦长；z为距离翼型面中轴线的z向高度。

机翼后缘下表面厚度比如公式（2）所示。

随着社会的不断发展，网络技术已经成为大众生活中无法缺少的技术之一。网络技术不仅为大众的生活提供了便利，也走进了校园，成为教师主要的教学手段。在小学语文教学的过程中，运用网络资源开展教学，能够有效地拓展学生的知识面，提升学生的文学素养，促进学生核心素养的发展。

式中：lTE为机翼后缘下表面距离弦线的厚度。

机翼上表面几何特性可以由公式（3）～公式（7）得出。

式中：x为距离机翼前缘的纵向距离；Su为机翼上表面函数；Aui为机翼上表面特性因子；ΔzET为后缘距离弦线的厚度；Ψ为弦位；ζ为翼弦比；ζT为翼弦比斜率。

机翼下表面几何特性同理[4]，基于公式（1）～公式（7）可以实现对称翼型的几何模型线编程建模。

2.2 燃油箱热模型的基本算法

在飞行过程中，飞机油箱的热量来源主要有空间热辐射、机翼对流换热、机翼摩擦热量以及机翼蒙皮导热器等。油箱单元中的热力边界如公式（8）所示。

式中：ρ为密度；Cp为油箱单元定压比热容；V为油箱单元体积；Tj为油箱单元瞬时温度；t为热力学温度；Qrad，j为辐率（太阳、大地以及飞机）；Qconv，j为对流换热率（惰化气体、环境空气）；Qgen，j为摩擦生热率（机翼上下表面）；Qcond，j为导热率（机翼前后缘）[5]。

在飞行过程中，飞机外蒙皮气流由于相对运动速度快，因此会在蒙皮表面形成附面层，气动热使飞机蒙皮温度升高。机翼表面附面层温度如公式（9）所示。

根据能量守恒方程建立附面层与飞机蒙皮的对流换热，如公式（10）所示。

式中：CH为大气-蒙皮换热系数；Tw为蒙皮温度。

在外界对飞机蒙皮温升造成影响的同时，飞机蒙皮同样对大气有向外的热辐射损失。根据斯特潘-波尔兹曼定律建立热辐射方程式，如公式（11）所示。

式中：ε为辐射传热系数，取 0.5 W；TH为对流层中任一高度下的大气温度。

基于油箱热力环境的不同，可以将油箱热力单元分为空网格（全部为空气）、气隙网格及满油网格。由于油箱浸油部分的表面与油箱内的燃油是直接接触的，可以认为油箱浸油表面与燃油进行对流换热。因此，油箱蒙皮浸油表面向燃油加载的热量如公式（12）所示。

式中：Tjin为油箱蒙皮浸油温度；Tfuel为燃油温度；CT为燃油对流换热系数，CT=125 W/（m2·K）；Rw为飞机蒙皮热阻。

对非浸油部分来说，传热主要包括热辐射和空气导热2个部分：1） 非浸油部分蒙皮向燃油辐射量Q1。2）空气和燃油表面对流换热Q2。2 个部分的热量和即为蒙皮非浸油面加载给燃油的热量。其热量平衡方程如公式（13）所示。

式中：Qcond，2为油箱蒙皮非浸油表面向燃油所加的热量；Tfei为油箱蒙皮非浸油部分的温度；Caf为空气-燃油的对流换热系数，Caf=14.65 W/（m2·K）；εnp为辐射传热系数。

通过公式（8）～公式（13）可以建立飞机燃油箱热模型。

2.3 MATLAB 结构化编程

基于MATLAB 编程语言，按照图1 的知识表示架构及逻辑运用结构体数组分别对翼型（Airfoil）、桁（Spar）、肋（Rib）、燃油箱以及热模型等各元素进行建模，编程逻辑分配与图1 知识描述一致。在MATLAB 结构体数组中，结构体数组隔舱（Segment）的数组中包括隔舱数量（NO.）、翼展（Span）、反角（Dihedral）、后掠角（LeSweep）、桁（Spar）、翼型（Airfoil）以及Rib（肋）；结构体桁（Spar）中包括桁数量（NO.）、展弦比（Chord_Ratio）；结构体翼型（Airfoil）中包括弦长（Chord）、厚度比（TC_Ratio）；结构体Rib（肋）中包括肋数量（NO.）、跨度比（Span_Ratio）。通过建立结构体和结构体中的数组元素与知识表示中的对象及对象属性一一对应的关系，实现了知识架构到软件算法的逻辑映射。

3 燃油箱快速建模

为了验证专家系统的准确性，分别对 A320-L-1011、A340-300、B737-800 和 B787-8 飞机进行几何模型测试。其中，A320-L1011 油箱的几何模型测试结果如图2（a）所示，油箱瞬态温度测试模型如图2（b）所示。机翼的几何参数能够实现98%以上的匹配度，同时该专家建模系统可适用于特殊机翼（折叠机翼、三角机翼等）及油箱建模。同时，基于A320-L-1011 的飞行数据，结合不同飞行包线下的边界参数，对燃油箱初始温度T0为20 ℃时燃油箱内温度-飞行时间变化关系进行热模型分析，结果如图2（b）所示。与结构模型不同，考虑热分析环境与真实飞行环境存在一定的差异性，油箱温度变化只能模拟理想飞行工况，不具备与真实油箱温度数据进行比较的条件，只能模拟假定理想工况，主要用于支撑燃油防爆系统的系统安全性分析。

图2 基于专家系统的机翼油箱模型

4 结语

该文基于知识工程方法和UML 知识表示语言对飞机机翼结构和燃油箱热模型的架构进行知识获取和知识描述，并对飞机机翼结构及燃油箱热模型设计算法进行研究，通过MATLAB 编程语言建立了架构化的燃油箱专家建模系统，实现模块化的可复用燃油箱专家建模系统。系统用户只需要在用户软件使用界面简单输入定制化参数，即可快速建立机翼结构、机翼油箱和燃油箱热模型。该专家建模系统中的燃油箱几何建模模块适用于所有对称翼型机翼（包括特殊结构机翼，例如折叠机翼），准确度可达98%。燃油箱热模型对比几何模型有更多的边界条件及影响因子，由于该文获取的飞行数据获取有限，因此需要结合实际的飞行数据对热模型进行进一步迭代修正，以获取更准确的修正因子和热模型。