Методика построения структуры БПЛА

Многокритериальная оптимизация при выборе конструктивно-компоновочной схемы БПЛА

На начальном этапе проектирования технических объектов решаются задачи структурного и параметрического синтеза. По мере внедрения вычислительной техники и программного обеспечения в процесс проектирования развитие данных процедур пошло по разным направлениям. Параметрическим синтезом и параметрической оптимизацией стало заниматься большое число проектировщиков и программистов во всем мире. Объясняется это тем, что задачи параметрического проектирования хорошо поддаются формализации и для их решения разработано достаточно много методов, основанных на использовании возможностей традиционной математики. Структурное проектирование, основанное на комбинировании дискретных переменных с учетом условно-логических ограничений требует создания новых инженерных методов с возможностью использования их в системах автоматизированного проектирования (САПР).

Для решения задачи поиска новых вариантов конструктивно-компоновочной схемы беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) предлагается методика структурного синтеза, базирующаяся на использовании структурно-параметрических математических моделей БПЛА, показателей качества альтернатив признаков БПЛА и их оценок, полученных экспертным путем и последующего ускоренного анализа выбираемых вариантов конструктивно-компоновочной схемы на соответствие заданным требованиям.

Методика построения структуры БПЛА

К настоящему времени создано большое количество локальных технических решений (ТР) по составным частям БПЛА, оформленных в виде электронных библиотек и каталогов, которые можно получить в результате информационного поиска имеющихся баз данных. Сопоставляя эти локальные решения с выделенными признаками структуры проектируемого БПЛА, формируется достаточно полное морфологическое множество ТР по общей структуре БПЛА.

В связи с этим для решения задачи поиска новых вариантов структуры БПЛА предлагается методика структурного синтеза, базирующаяся на использовании структурных моделей в виде морфологических таблиц и морфологических деревьев, показателей качества вариантов признаков БПЛА и их оценок, полученных экспертным путем. Заключительным этапом методики структурного синтеза является оценка выбираемых вариантов структуры БПЛА на соответствие проектным требованиям с помощью ускоренного аналитического метода.

Сущность методики структурного синтеза (структурной оптимизации) заключается в декомпозиции проектируемого БПЛА и выделении его наиболее существенных признаков. Существенность признаков оценивается по степени их влияния на выполнение основных функций БПЛА. Для каждого признака устанавливаются альтернативные варианты, которыми могут быть как существующие ТР, так и ТР, содержащиеся в юридически действующих патентах и авторских свидетельствах. Совокупность признаков БПЛА и их альтернативных вариантов образует морфологическое множество ТР.

Структурный синтез БПЛА состоит из трех этапов: формирования множества исходной информации, выбора предоптимальных решений и выбора оптимальных решений. Этапы структурного синтеза БПЛА и соответствующие им задачи показаны на схеме, приведенной на рис. 1.1. Согласно схемы использование морфологического подхода позволяет на первом этапе построения структуры БПЛА закладывать в морфологическое множество решений большое число аналогов и прототипов. Морфологическое множество ТР разбивается на морфологические подмножества по набору выделенных признаков, из которых извлекаются варианты конструктивных элементов и признаков проектируемого БПЛА. Совокупность каждого из вариантов элементов и признаков БПЛА формирует множество структур БПЛА.

В результате комбинирования всех вариантов признаков БПЛА число возможных вариантов его структуры может достигать огромных значений, поэтому при выборе множества допустимых решений используется ряд ограничительных правил.

Рис. 1.1. Последовательность задач структурного синтеза БПЛА

Во-первых, из каталогов патентов и авторских свидетельств выбираются более поздние альтернативные варианты признаков.

Во-вторых, все альтернативные варианты признаков БПЛА проверяются на соответствие заданным требованиям или на совместимость между собой. Модель описания данной процедуры приведена в табл. 1.1 [1; 2].

В-третьих, для каждого признака вводится своя совокупность частных показателей качества. Для каждого частного показателя применительно к любому из сравниваемых альтернативных вариантов признаков устанавливается общая нормированная шкала оценок (значений, выбираемых с использованием методов экспертных оценок).

Таблица 1.1

Совместимость альтернативных вариантов признаков БПЛА

В табл. 1.1 приведены следующие обозначения: A, B, … - признаки БПЛА; (A₁, A₂ , …, A_k); (B₁, B₂ , …, B_m), … - альтернативные варианты признаков БПЛА; + - характеризует совместимую комбинацию соответствующих альтернативных вариантов признаков БПЛА.

Мерой оценок качества альтернативных вариантов признаков может служить комплексный критерий Fⁱ, где i – номер альтернативного варианта признака, представляющий собой сумму частных показателей качества альтернативного варианта с учетом их весовых коэффициентов.

Критерий Fⁱ определяется по формуле

Fⁱ=cⁱ₁Fⁱ₁+ cⁱ₂Fⁱ₂+…+ cⁱ_jFⁱ_j,+…+cⁱ_kFⁱ_k ;

где - весовой коэффициент j-го показателя качества i-го альтернативного варианта признака; - j-й показатель качества i-го альтернативного варианта признака; k - число показателей качества исследуемого признака.

Присвоение каждому показателю качества весового коэффициента осуществляется экспертом в соответствии со степенью влияния показателя на выполнение поставленной задачи, как показано в работе [3]. В том случае, когда эксперты проводят только ранжирование показателей в порядке убывания их важности, весовые коэффициенты могут быть определены, как показано в работе [4], по формуле .

Изложенные выше ограничительные правила позволяют в области допустимых решений выделить более узкую область решений, в которой будут находиться наиболее выгодные варианты структуры БПЛА. Из этой узкой области решений в первую очередь выбираются варианты структуры, которые содержат альтернативные варианты признаков с наивысшими оценками качества.

Как показано в работе [2], для описания БПЛА в качестве признаков его функциональных элементов или БПЛА в целом служат также различные параметры (размеры, масса, объем и др.).

Связи параметров с функциональными элементами вновь созданных структур БПЛА устанавливаются путем переноса их с прототипов, имеющих сходные структуры.

В результате переноса связей параметров с функциональными элементами прототипов на функциональные элементы вариантов структуры БПЛА последние приобретают свойство модифицированных существующих ТР.

Так как вновь сформированные варианты структуры БПЛА отличаются от существующих аналогов и прототипов какими-либо признаками, то и их свойства также будут отличаться.

Выбранные таким образом варианты структуры БПЛА рассчитываются и оцениваются на соответствие заданным требованиям по упрощенному аналитическому методу.

Программная реализация методики структурного синтеза БПЛА в САПР облика БПЛА основана на использовании системы управления данными об изделиях SWR-PDM российской компании Solid Works – Russia.

Литература

1. Голубев И. С. Проектирование конструкций летательных аппаратов / И. С. Голубев, А. В. Самарин – М.: Машиностроение, 1991. – 512 с.

2. Половинкин А. И. Автоматизация поискового конструирования / А. И. Половинкин– М.: Радио и связь, 1981. – 344 с.

3. Черчмен У. Введение в исследование операций / У. Черчмен, Р. Акоф – М.:Наука, 1968. – 486 с.

4. Голубев И. С. Конструкция и проектирование летательных аппаратов / И. С. Голубев, А. В. Самарин, В. И. Новосельцев – М.: Машиностроение, 1995. – 448 с.