基于代理模型的导弹总体方案设计方法研究

基于代理模型的导弹总体方案设计方法研究

魏东东 ,肖华 ,龙永松

江南机电设计研究所  贵州贵阳  550027

摘要：针对导弹总体方案设计过程中涉及的专业多、专业设计数据多、专业耦合度高、迭代次数多、专业间数据交互多、导弹设计周期要求短等问题。开展了基于代理模型的导弹总体方案设计方法研究，通过导弹总体方案设计流程、各专业设计流程、数据和知识进行梳理，构建导弹总体设计方案主模型和各专业设计代理模型，形成导弹总体设计方案模型，实现多专业间的耦合与智能辅助设计，提高了导弹总体方案设计效率。

关键词：代理模型  主模型  导弹  总体方案

1前言

新一代防空反导导弹总体设计通常需要开展大量的仿真和试验，但实际工作中通常面临地面试验成本高、周期长、效率低等问题，因此，“小数据”是新一代防空反导导弹总体设计中面临的普遍问题；另一方面，防空反导导弹装备通常系统复杂、多学科耦强、设计变量多，使得传统设计方法在“小数据”条件下设计结果精确分析难、设计过程反复迭代协调、周期长、设计成本高，也制约了防空反导导弹总体性能的进一步提升，迫切需要能够解决“小数据”困境和高维设计变量耦合的智能设计方法。

本文开展了小数据下基于代理模型的导弹总体方案设计方法研究，通过引入机器学习算法，融合先验知识解决小数据困境、利用强化学习解决多学科耦合多维变量协调的问题，提升导弹方案总体设计能力。

2导弹总体设计流程

在防空反导导弹总体方案设计过程中，涉及导弹总体、气动外形、动力系统、制导控制系统、理论弹道、弹体结构、引战系统等多个专业，导弹总体方案设计过程中各专业间协同设计耦合性强，各专业间数据交换频繁、数据量较大。如下图1所示，通过该设计流程最终可形成防空反导导弹总体方案。

图1导弹总体设计流程

3基于代理模型的导弹总体方案设计

基于代理模型的导弹总体方案设计方法流程见图2，主要包含构建导弹总体方案设计过程中的主模型参数、构建导弹总体方案设计过程中的主模型、构建导弹总体方案设计过程中各专业主模型中涉及的工程知识和工程数据、构建导弹总体方案设计过程中主模型的代理模型、构建导弹总体设计方案模型，进行人在回路设计决策空间探索等过程。

图2基于代理模型的导弹总体方案设计流程

3.1导弹总体方案主模型参数

某拦截弹总体方案设计过程中涉及导弹总体、气动外形、动力系统、制导控制系统、理论弹道、弹体结构、引战系统共7个专业，对各专业的设计流程和设计输入输出参数进行梳理，对各专业的设计参数进行称、符号、描述、维度、单位、初始值、最小值、最大值的定义。

3.2导弹总体方案主模型

通过对导弹总体方案设计流程的梳理，构建导弹总体方案设计主模型，如下图3所示，总体方案设计涉及导弹总体、动力系统、气动外形、理论弹道、制导控制、弹体结构、引战系统共7个专业，根据专业间逻辑关系和数据传递关系，构建了导弹总体方案主模型，明确了各专业间约束信息和各专业的优化目标。

图3导弹总体方案主模型

3.3工程知识和工程数据

3.3.1工程知识

在导弹总体方案设计过程中涉及的导弹总体、动力系统、气动外形、理论弹道、制导控制、弹体结构、引战系统7个专业的四类知识进行构建，包含属性型知识、单调型知识、形状型知识和公式型知识，如气动外形设计过程中相关参数的四类知识如下。

零升阻力属性型知识，表2为零升阻力系数知识矩阵，其中，零升阻力系数与马赫数、高度、雷诺数存在相关性，且为强相关性，表中√表示相关参数间有相关性，×表示无相关性。

表1零升阻力系数与飞行参数的相关性

零升阻力单调型知识，零升阻力系数某导弹在、时，零升阻力系数与海拔高度正相关。

零升阻力形状型知识，某导弹零升阻力系数与海拔高度存在强相关性，经过分析，获取了不同马赫数下零升阻力系数对海拔高度的线性斜率。

3.3.2工程数据

根据导弹总体、动力系统、气动外形、理论弹道、制导控制、弹体结构、引战系统7个专业的设计流程，得到各专业设计输入和设计输出数据，根据专业模型计算得到各个专业多组设计输入和设计输出数据，作为代理模型构建的依据。

3.4专业设计代理模型

根据主模型设计输入和设计输出参数、工程知识和工程数据，利用多目标优化方法（NSGA-II）和增强拓扑进化神经网络（NEAT）将工程知识融入到神经网络训练过程中，构建了各专业的代理模型。代理模型构建的主要过程与常用的进化算法相同。要实现这一过程，必须解决五个主要步骤：（1）进化神经网络的表示，即遗传编码；（2）初始化第一代种群；（3）为进化算法配置交叉、变异和选择操作；（4）评价训练过程中的代理模型（本项目中的神经网络），即定义适应度函数；以及（5）从进化结果中选择最终的代理模型。

图4基于NSGA-Ⅱ的进化拓扑神经网络构建流程图

3.5导弹总体设计方案模型

拦截概率是精确制导武器总体性能的集中体现，是得到总体、动力系统、气动外形、理论弹道、制导控制、弹体结构、引战系统等分系统设计变量综合协调所追求的目标。根据步骤4得到的各专业的设计代理模型，采用基于贝叶斯网络构建从各分系统到拦截概率的代理模型。假设A,B,C,D代表不同的分系统，E代表拦截概率。联合概率分布：

通过贝叶斯网络可以将拦截概率分解为各个分系统计算出的概率的乘积来表征。

图5贝叶斯网络

3.6人在回路设计决策空间探索

在计算最终性能拦截概率的过程中，不同专业的设计变量具有层层嵌套的特点，根据步骤5构建的层层嵌套的代理模型，人在回路进行设计参数的调整，对设计决策空间进行探索，获取最优的拦截概率和导弹总体性能。

4结论

本文通过对防空反导导弹总体方案设计流程、各专业设计流程、数据和知识进行梳理，构建导弹总体设计方案主模型和各专业设计代理模型，形成导弹总体设计方案模型，实现多专业间的耦合与智能辅助设计，提高了导弹总体方案设计效率。

5参考文献

[1]刘新建.导弹总体设计导论[M].国防工业出版社.2017年

[2]王焱,罗智平.基于AVEVA平台的协同设计模式的应用[J].化工设计.2018,28(4):14~16.