王莉，戴澤華，楊善水，毛玲，嚴(yán)仰光

南京航空航天大學(xué) 多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016

隨著能源危機(jī)的加劇和環(huán)保意識(shí)的覺(jué)醒，航空業(yè)的持續(xù)增長(zhǎng)對(duì)環(huán)境的影響越來(lái)越受到重視，電氣化飛機(jī)在這樣的環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生。飛機(jī)電氣化的發(fā)展可以分為2個(gè)階段：第1階段以多電/全電技術(shù)的發(fā)展為標(biāo)志，第2階段以電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展為標(biāo)志。

為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的多電/全電化，歐盟和美國(guó)開(kāi)展了一系列研究。法國(guó)G2E實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)聯(lián)合武裝部隊(duì)大學(xué)、英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)等歐盟機(jī)構(gòu)研究主要涉及飛機(jī)能源優(yōu)化、發(fā)配電、電環(huán)控和電作動(dòng)等技術(shù)領(lǐng)域，側(cè)重電力系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)研究[1-2]，在應(yīng)用上相對(duì)保守，A380僅采用了固態(tài)配電和電備份液壓作動(dòng)技術(shù)。加州大學(xué)伯克利分校、NASA等美國(guó)機(jī)構(gòu)的研究主要涉及發(fā)配電、電能管理、電防冰、電力作動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)等多個(gè)領(lǐng)域，側(cè)重于多電發(fā)動(dòng)機(jī)、電力系統(tǒng)和綜合熱管理[3]等領(lǐng)域，在應(yīng)用方面超前于歐洲，B787采用了大容量起動(dòng)/發(fā)電、電環(huán)控、電除冰、電作動(dòng)和固態(tài)配電等技術(shù)。國(guó)內(nèi)的科研院所和高校也對(duì)起動(dòng)/發(fā)電[4]、靜止變流器[5]、固態(tài)配電[6]、電作動(dòng)[7-8]、系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)[9]、綜合熱管理[10]等技術(shù)開(kāi)展了大量研究[11]，取得了很多研究成果。

繼多電/全電飛機(jī)的發(fā)展后，為進(jìn)一步提升飛機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率，NASA[12-20]、克蘭菲爾德大學(xué)[21-23]等科研機(jī)構(gòu)以及空客集團(tuán)[24]等企業(yè)對(duì)電推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了大量研究[25-27]。目前，純電動(dòng)推進(jìn)已在RX-1E、E-fan等[27]輕小型飛機(jī)中實(shí)現(xiàn)。但是受各項(xiàng)技術(shù)的制約，大型客機(jī)還難以使用純電動(dòng)電推進(jìn)技術(shù)，因此油電混合動(dòng)力推進(jìn)是純電動(dòng)推進(jìn)的過(guò)渡階段。NASA采用并聯(lián)混合電推進(jìn)的設(shè)計(jì)概念和分布式布局結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了一種48座的概念支線客機(jī)“飛馬”[28]。

電氣化技術(shù)的發(fā)展使得飛機(jī)的機(jī)電系統(tǒng)與動(dòng)力系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中逐步融合。飛機(jī)電力系統(tǒng)集成了飛機(jī)所有機(jī)載設(shè)備的能量需求，逐漸向綜合化的方向發(fā)展，這對(duì)飛機(jī)電力系統(tǒng)設(shè)備和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了新要求。

與此同時(shí)，隨著科技與信息化水平的不斷進(jìn)步，人工智能(AI)在工業(yè)界獲得了廣泛關(guān)注，基于知識(shí)工程(KBE)技術(shù)[29]以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[30]在智能制造領(lǐng)域得到了研究，各國(guó)開(kāi)始將智能化的概念應(yīng)用到飛機(jī)中。B787在客艙中率先使用了電致變色技術(shù)的智能舷窗[31]。NASA和波音公司開(kāi)展的SUGAR項(xiàng)目對(duì)智能化部件、智能化能源管理以及控制技術(shù)進(jìn)行了研究。智能材料[32]和結(jié)構(gòu)研究的時(shí)間更早，但主要集中在軍機(jī)領(lǐng)域?？偠灾?，智能技術(shù)在飛機(jī)部件級(jí)已獲得一定程度的研究和應(yīng)用，但在系統(tǒng)級(jí)的研究仍處于起步階段。

本文討論電氣化飛機(jī)電力系統(tǒng)組成和相關(guān)研究進(jìn)展，分析電氣化飛機(jī)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上將AI技術(shù)引入電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，提出了先進(jìn)飛機(jī)電力系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)平臺(tái)的構(gòu)想和規(guī)劃，為飛機(jī)電力系統(tǒng)的研究和發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 電氣化飛機(jī)電力系統(tǒng)的組成及研究現(xiàn)狀

電氣化技術(shù)推動(dòng)了多電化設(shè)備的發(fā)展以及機(jī)電系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)的融合，從而產(chǎn)生了全新的飛機(jī)電力系統(tǒng)，本部分從電氣化的機(jī)載設(shè)備以及由此而產(chǎn)生的先進(jìn)電源系統(tǒng)和配電系統(tǒng)3個(gè)方面闡述電氣化飛機(jī)電力系統(tǒng)組成。

1.1 電氣化機(jī)載設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

飛機(jī)機(jī)載設(shè)備的電氣化體現(xiàn)在多電/全電負(fù)載和電推進(jìn)系統(tǒng)。

多電/全電負(fù)載使用電能逐步取代飛機(jī)液壓、氣壓等其他形式的二次能源，從而簡(jiǎn)化飛機(jī)能源結(jié)構(gòu)，提升能源利用率和可靠性，降低燃油消耗，主要包括電傳飛控系統(tǒng)、電環(huán)控系統(tǒng)、電除冰系統(tǒng)、電燃油泵系統(tǒng)、電剎車(chē)系統(tǒng)、電推進(jìn)系統(tǒng)。

電傳飛控系統(tǒng)[33]使用電備份液壓作動(dòng)器、電動(dòng)靜液作動(dòng)器或機(jī)電作動(dòng)器操縱和控制飛行器，消除了液壓管路，解決了散熱、燃油效率低的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的可靠性、維修性、效率、生存力、容錯(cuò)力，已在F-18、B787等機(jī)型獲得應(yīng)用。

電環(huán)控系統(tǒng)[34]使用電能和沖壓空氣代替發(fā)動(dòng)機(jī)引氣，實(shí)現(xiàn)機(jī)艙增壓、通風(fēng)和溫度控制以及設(shè)備冷卻。系統(tǒng)工作不會(huì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)熱動(dòng)力循環(huán)，減少了飛機(jī)性能代償損失，節(jié)省了飛機(jī)燃油消耗。該技術(shù)已在B787中得到首次應(yīng)用。

電除冰系統(tǒng)代替機(jī)械、液體或氣體除冰，使用電能加熱部件的待防護(hù)表面，使其不結(jié)冰[35]。考慮到電除冰對(duì)結(jié)構(gòu)、控制和能源載荷帶來(lái)的影響，國(guó)外已采用在易結(jié)冰部位涂覆低表面能疏水涂層的途徑實(shí)現(xiàn)被動(dòng)防冰[32]。

電燃油泵系統(tǒng)使用電動(dòng)燃油泵代替固定排量的齒輪泵，可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的需要提供發(fā)動(dòng)機(jī)所需的燃油，無(wú)需考慮燃油流回及其冷卻問(wèn)題，既減輕了系統(tǒng)的重量，又降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。美國(guó)已在發(fā)動(dòng)機(jī)上驗(yàn)證了這項(xiàng)技術(shù)[36]。

電剎車(chē)系統(tǒng)通過(guò)電機(jī)、杠桿構(gòu)成的機(jī)電結(jié)構(gòu)取代原有的液壓剎車(chē)系統(tǒng)，消除了液壓剎車(chē)存在的燃燒危險(xiǎn)和泄漏污染，在安全、性能、保障性、維修性、重量和費(fèi)用方面都占優(yōu)勢(shì)。美國(guó)于20世紀(jì)90年代研制了第三代電剎車(chē)系統(tǒng)[8]。

電推進(jìn)系統(tǒng)通過(guò)電動(dòng)機(jī)直接將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使得原本的發(fā)動(dòng)機(jī)工作不再受飛行狀態(tài)影響，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，降低燃油消耗和污染排放，從而緩解飛機(jī)對(duì)環(huán)境的影響以及對(duì)石油資源的依賴。

機(jī)載設(shè)備的電氣化為飛機(jī)電力系統(tǒng)帶來(lái)了巨大的改變，主要體現(xiàn)在：

1) 設(shè)備的電氣化對(duì)電力系統(tǒng)的供電可靠性提出了更高的需求。系統(tǒng)需要保證關(guān)鍵的飛行設(shè)備在任意工作狀態(tài)下的不間斷供電。

2) 設(shè)備的電氣化提高了飛機(jī)電力系統(tǒng)的供電功率。在所有的非推進(jìn)系統(tǒng)中，電環(huán)控系統(tǒng)和防除冰系統(tǒng)的能耗最大，因此設(shè)備的多電/全電化要求大大提高了飛機(jī)供電系統(tǒng)的容量。而為保證與原先發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)耐七M(jìn)功率，電推進(jìn)系統(tǒng)需要數(shù)十千瓦至數(shù)十兆瓦不等推進(jìn)功率的電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，進(jìn)一步提升了飛機(jī)電力系統(tǒng)的供電需求。

3) 電氣化設(shè)備大部分都是電機(jī)類(lèi)負(fù)載，其大量應(yīng)用對(duì)飛機(jī)電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量和穩(wěn)定性均會(huì)產(chǎn)生影響：① 大多數(shù)大功率電機(jī)負(fù)載在低頻范圍內(nèi)具有負(fù)阻抗特性，會(huì)影響供電質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性；② 多數(shù)大功率電機(jī)都帶有一個(gè)低輸入阻抗的“容性”電磁干擾濾波器，因而在起動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)大的沖擊電流；③ 氣流等外部的不確定性因素導(dǎo)致飛控設(shè)備和推進(jìn)設(shè)備工作狀態(tài)發(fā)生改變，對(duì)電網(wǎng)造成沖擊；④ 電機(jī)負(fù)載在制動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生再生能量，將其回收利用有利于提高系統(tǒng)能量利用率，但直接回饋電網(wǎng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生很大的沖擊，影響系統(tǒng)供電質(zhì)量。

4) 電氣化技術(shù)通過(guò)電能實(shí)現(xiàn)所有機(jī)載設(shè)備的統(tǒng)一，有利于系統(tǒng)資源的綜合利用和統(tǒng)一協(xié)調(diào)分配，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)功能、性能和成本的最優(yōu)化，顯示出機(jī)電綜合的特征。

電氣化機(jī)載設(shè)備可靠性高、功率高、電能質(zhì)量高、穩(wěn)定性高和機(jī)電綜合的特征，對(duì)電源系統(tǒng)和配電系統(tǒng)提出了更高的要求。

1.2 電源系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

為滿足電氣化的發(fā)展要求，飛機(jī)電源系統(tǒng)必須具備以下特征：① 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高；② 能 源能量密度高，能支持長(zhǎng)航程的飛行；③ 電源系統(tǒng)容量大，可以滿足大功率負(fù)載的供電需求；④ 能源轉(zhuǎn)化利用率高，系統(tǒng)損耗小，可以提供足夠的供電時(shí)長(zhǎng)；⑤ 電源系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，并且控制簡(jiǎn)單，從而保證系統(tǒng)的供電質(zhì)量和穩(wěn)定性；⑥ 電源系統(tǒng)具有多個(gè)余度，能在故障情況下保證系統(tǒng)的供電能力，具有高的供電可靠性；⑦ 為實(shí)現(xiàn)能源互補(bǔ)、提高電能質(zhì)量，基于儲(chǔ)能的電源系統(tǒng)得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。

目前，飛機(jī)電源系統(tǒng)按功能可分為主電源、輔助電源、應(yīng)急電源和地面電源;按種類(lèi)可分為旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)、化學(xué)電池和太陽(yáng)能電池等。其中，發(fā)電機(jī)為目前大型客機(jī)電源的主要形式。而這種旋轉(zhuǎn)發(fā)電系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪聲大、污染嚴(yán)重，不符合綠色航空的發(fā)展需求。此外，在電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展下，發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)力系統(tǒng)中的作用逐漸弱化。因此，研究人員一方面改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，將開(kāi)放式循環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉忾]式循環(huán)系統(tǒng)，以求提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率；另一方面，非旋轉(zhuǎn)部件發(fā)電技術(shù)開(kāi)始受到關(guān)注，燃料電池因其高能量密度、高效率、清潔、模塊化、控制簡(jiǎn)單而成為研究熱點(diǎn)，基于混合儲(chǔ)能的燃料電池系統(tǒng)已獲得廣泛研究[36-40]；但現(xiàn)有技術(shù)下的燃料電池還存在壽命短、成本高等問(wèn)題，目前未能在大型飛機(jī)中獲得實(shí)際應(yīng)用。

1.3 配電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

為滿足電氣化的發(fā)展要求，飛機(jī)配電系統(tǒng)必須具備以下特征：① 可靠性高，保證系統(tǒng)的冗余容錯(cuò)供電；② 重量輕，提高飛機(jī)航程；③ 損耗小，提高配電系統(tǒng)供電效率。

目前，飛機(jī)配電系統(tǒng)通過(guò)一次配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)技術(shù)和二次配電系統(tǒng)的固態(tài)配電技術(shù)滿足負(fù)載可靠供電的需求。但隨著用電功率的提高，配電系統(tǒng)的研究重點(diǎn)就不再局限于可靠性，而是實(shí)現(xiàn)可靠性、重量和損耗三者的權(quán)衡。目前的研究主要從以下3方面著手：① 采用新的技術(shù)手段提高配電設(shè)備可靠性或降低設(shè)備重量和損耗，例如分布式智能固態(tài)配電技術(shù)[41]、新型供電體制、超導(dǎo)技術(shù)[20]和新型材料工藝[42]；② 在保證部件可靠性的基礎(chǔ)上，對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，定量分析電網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)可靠性、重量和損耗的影響，在三者之間進(jìn)行權(quán)衡，從而優(yōu)選最佳的配電系統(tǒng)方案；③ 采 用先進(jìn)的能量管理策略和控制手段，實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)工作狀態(tài)，從而提高系統(tǒng)效率。

2 電氣化飛機(jī)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

電氣化技術(shù)的發(fā)展凸顯了電力系統(tǒng)在整個(gè)飛機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的重要作用，并對(duì)其性能提出了更高的要求，因此國(guó)內(nèi)外對(duì)電氣化飛機(jī)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)開(kāi)展了大量研究，主要包括：① 供電體制設(shè)計(jì)技術(shù)；② 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)；③ 機(jī)電綜合技術(shù)；④ 能量管理與控制技術(shù)；⑤ 魯棒設(shè)計(jì)與控制技術(shù)；⑥ 系統(tǒng)驗(yàn)證技術(shù)。

2.1 供電體制設(shè)計(jì)技術(shù)

隨著飛機(jī)電力系統(tǒng)功率逐漸提高，原有供電體制將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)重量和損耗大大增加，因此研究人員對(duì)電氣化飛機(jī)的供電體制開(kāi)展了一系列的研究。文獻(xiàn)[43-45]基于帕邢定律研究線纜間的氣隙與安全電壓等級(jí)的關(guān)系。文獻(xiàn)[46-48]綜合對(duì)比了交、直流不同供電體制對(duì)配電系統(tǒng)重量的影響。NASA對(duì)超導(dǎo)電推進(jìn)飛機(jī)的供電體制進(jìn)行了較全面的研究[14-17,20]，文獻(xiàn)通過(guò)建模方法分析系統(tǒng)關(guān)鍵部件的重量、效率和電壓的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展系統(tǒng)供電體制的研究，最終提出了適應(yīng)22.4 MVA的超導(dǎo)電推進(jìn)飛機(jī)的±2～±10 kV DC的供電體制。

研究表明，電氣化飛機(jī)的供電體制應(yīng)在對(duì)現(xiàn)有供電體制的基礎(chǔ)上開(kāi)展研究和設(shè)計(jì)，以方便利用現(xiàn)有系統(tǒng)配套實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重量、損耗的降低和可靠性的提高，同時(shí)也能降低成本；此外，不同的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)得到不同等級(jí)的最優(yōu)電壓[20]，兩者的作用關(guān)系還有待于進(jìn)一步研究，從而實(shí)現(xiàn)綜合性能優(yōu)化。

2.2 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

為保證系統(tǒng)安全、可靠供電，飛機(jī)通常配備冗余容錯(cuò)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。但相較于傳統(tǒng)飛機(jī)電網(wǎng)，電氣化飛機(jī)電網(wǎng)容量的大幅提升，這不僅要求系統(tǒng)可靠性高，而且給其重量、損耗帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

供電可靠性要求飛機(jī)電網(wǎng)含有多個(gè)電源，實(shí)現(xiàn)多余度供電。電源數(shù)量增加帶來(lái)的重量提升無(wú)可避免，設(shè)法降低每個(gè)電源的重量成為研究的一個(gè)思路。美國(guó)INVENT計(jì)劃提出動(dòng)態(tài)需求設(shè)計(jì)的方法，即根據(jù)整個(gè)飛行包線的平均功率進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并使用大功率密度的儲(chǔ)能設(shè)備提供峰值功率[49]。文獻(xiàn)[50]提出了一種互聯(lián)構(gòu)架的電網(wǎng)構(gòu)架，通過(guò)并聯(lián)供電降低單個(gè)電源重量，但其損耗高于正常系統(tǒng)，也降低了系統(tǒng)的供電余度。

系統(tǒng)的可靠供電還可以通過(guò)構(gòu)建環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用故障重構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。這就導(dǎo)致電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化。飛機(jī)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)構(gòu)建方法——枚舉法往往無(wú)法全面考慮所有情況，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果無(wú)法達(dá)到最優(yōu)[18-20]。因此，基于模型的尋優(yōu)設(shè)計(jì)方法[51]開(kāi)始用于飛機(jī)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

INVENT計(jì)劃的設(shè)計(jì)思想和建模尋優(yōu)的電網(wǎng)規(guī)劃方法具有明顯優(yōu)勢(shì)。但按動(dòng)態(tài)需求設(shè)計(jì)的方法必然會(huì)提高能量管理和控制的難度，也會(huì)降低系統(tǒng)的魯棒性，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)此進(jìn)行權(quán)衡考慮；而對(duì)于建模尋優(yōu)的電網(wǎng)規(guī)劃方法而言，目前的方法建立在已知系統(tǒng)所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息，并不能對(duì)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)(如供電冗余度)和類(lèi)型(如供電體制)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此還需要進(jìn)行更深入的研究，開(kāi)發(fā)更具有開(kāi)放性的設(shè)計(jì)方法。

2.3 機(jī)電綜合技術(shù)

傳統(tǒng)飛機(jī)機(jī)載設(shè)備相對(duì)分散、獨(dú)立的控制和管理模式使得硬件利用率低、連線錯(cuò)綜復(fù)雜，無(wú)法滿足電氣化發(fā)展對(duì)可靠性、重量和損耗的需求。因此，各機(jī)電子系統(tǒng)除要滿足自身的功能外，還要從飛機(jī)整體出發(fā)，綜合考慮機(jī)、電、液、熱等多方面，基于優(yōu)化的思想，權(quán)衡系統(tǒng)性能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)功能、能量、控制和物理4個(gè)方面的綜合設(shè)計(jì)，形成一個(gè)綜合化系統(tǒng)，根據(jù)飛機(jī)不同狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)系統(tǒng)功能、性能和成本最優(yōu)化[52]。

目前，國(guó)外的先進(jìn)機(jī)型已經(jīng)開(kāi)始采用機(jī)電綜合控制系統(tǒng)，使每個(gè)機(jī)電子系統(tǒng)完成資源的協(xié)調(diào)分配、故障后系統(tǒng)重構(gòu)、飛機(jī)綜合健康管理等任務(wù)[53]。與國(guó)外的先進(jìn)水平相比，中國(guó)還存在較大差距，需要開(kāi)展更深入的研究工作[54]。

2.4 能量管理和控制技術(shù)

目前，飛機(jī)電力系統(tǒng)的能量管理和控制基本都采用基于負(fù)載重要度和優(yōu)先級(jí)管理的負(fù)載端管理方法，而電源系統(tǒng)和電網(wǎng)只在電源或者供電通道故障時(shí)進(jìn)行切換備份，正常情況下幾乎不作任何管理。而隨著電氣化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載設(shè)備和系統(tǒng)的起動(dòng)、關(guān)閉等暫態(tài)行為更加劇烈，僅僅針對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的控制已無(wú)法滿足能量管理的需求。因此，研究人員逐漸將更多目光轉(zhuǎn)移到對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的優(yōu)化控制的研究中。

美國(guó)匹茲堡大學(xué)[55]、加州理工大學(xué)[56]、加州大學(xué)伯克利分校[57-58]以及英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)[59-60]等多個(gè)研究機(jī)構(gòu)均對(duì)多電飛機(jī)電力系統(tǒng)的能量綜合管理和控制技術(shù)開(kāi)展了研究。其中，文獻(xiàn)[57-58]借鑒工業(yè)領(lǐng)域用于過(guò)程控制的模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)提出的能量?jī)?yōu)化分配和綜合管理方法，符合機(jī)電綜合的發(fā)展需求，并且故障預(yù)測(cè)與健康管理的思想相契合，是飛機(jī)電力系統(tǒng)能量管理和控制未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

近年來(lái)跟蹤國(guó)外先進(jìn)研究，中國(guó)也開(kāi)展了一些飛機(jī)電能動(dòng)態(tài)管理方法的研究，例如南京航空航天大學(xué)分別采用動(dòng)態(tài)優(yōu)化和“削峰填谷”的思想對(duì)電網(wǎng)[61-62]和負(fù)載[63]進(jìn)行能量管理，西北工業(yè)大學(xué)從飛機(jī)總體出發(fā)考慮各子系統(tǒng)在不同飛行階段內(nèi)能量的優(yōu)化分配[64]。

2.5 魯棒設(shè)計(jì)與控制技術(shù)

傳統(tǒng)方法按照峰值功率設(shè)計(jì)飛機(jī)電力系統(tǒng)，因此所有不確定性干擾都是在系統(tǒng)容忍范圍內(nèi)。但在電氣化飛機(jī)中，一方面大量大功率電力電子和電機(jī)類(lèi)設(shè)備的使用增大了飛機(jī)電力系統(tǒng)的不確定性；另一方面，設(shè)計(jì)人員按照飛行包線的平均功率和熱載荷設(shè)計(jì)系統(tǒng)，有限的容量使得很多不確定性因素對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的擾動(dòng)難以自愈。而魯棒性是指閉環(huán)系統(tǒng)在攝動(dòng)下能保持穩(wěn)定和一定的性能，兼顧了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。因此，電力系統(tǒng)的魯棒設(shè)計(jì)和控制技術(shù)是飛機(jī)電力系統(tǒng)電氣化的一個(gè)重要研究方向。

目前國(guó)內(nèi)外已有大量文獻(xiàn)針對(duì)飛機(jī)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題開(kāi)展了研究[65-72]，而魯棒性的研究剛剛起步。文獻(xiàn)[1-2]基于H∞控制理論，以重量、損耗和動(dòng)態(tài)性能為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)飛機(jī)電力系統(tǒng)構(gòu)架的集成和控制開(kāi)展了研究。文獻(xiàn)[73-74]基于結(jié)構(gòu)奇異值理論，開(kāi)展多電飛機(jī)電力系統(tǒng)的魯棒性研究，結(jié)合敏感度分析方法，獲得影響系統(tǒng)魯棒的關(guān)鍵因素，從而指導(dǎo)構(gòu)架和控制參數(shù)的設(shè)計(jì)。但這幾篇文獻(xiàn)沒(méi)有結(jié)合飛機(jī)的不同運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行研究，研究對(duì)象也比較簡(jiǎn)單。

與此同時(shí)，魯棒理論在智能電網(wǎng)中已得到大規(guī)模研究和應(yīng)用，如魯棒狀態(tài)估計(jì)[75-76]、魯棒穩(wěn)定器[77-78]、魯棒控制[79-80]、魯棒設(shè)計(jì)[81]等。隨著對(duì)魯棒思想的進(jìn)一步深入理解，相關(guān)理論很快會(huì)在航空電力系統(tǒng)中得到更深入的應(yīng)用。

2.6 系統(tǒng)驗(yàn)證技術(shù)

基于仿真試驗(yàn)的驗(yàn)證技術(shù)投入小、快速靈活、資源可重復(fù)利用的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于飛機(jī)電力系統(tǒng)的驗(yàn)證工作中。

國(guó)內(nèi)外已針對(duì)飛機(jī)不同子系統(tǒng)的驗(yàn)證開(kāi)展了大量研究。為實(shí)現(xiàn)仿真速度和精度的權(quán)衡，國(guó)外將部件模型分為結(jié)構(gòu)級(jí)、功能級(jí)、行為級(jí)和器件級(jí)4個(gè)層次[82]，用以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不同性能的驗(yàn)證。南京航空航天大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等單位都研制了飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)[53-54,83]和供配電系統(tǒng)[84-87]的仿真驗(yàn)證軟件。

隨著飛機(jī)電力系統(tǒng)的綜合化發(fā)展，虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)開(kāi)始受到關(guān)注。虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)將實(shí)際的多系統(tǒng)、多學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行統(tǒng)一建模和協(xié)同集成仿真試驗(yàn)，是系統(tǒng)驗(yàn)證技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)外已提出了多種分布式協(xié)同仿真接口方法，如FMI(Functional Mockup Interface)[88]、VPNET(Virtual test bed and PNET)[89]和TISC[90]等。其中的部分技術(shù)在國(guó)際航空界獲得了一定的應(yīng)用[91]。而國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展并不成熟，還有待于進(jìn)一步研究。

3 電氣化飛機(jī)電力系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)

隨著電氣化技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)各個(gè)子系統(tǒng)間相互關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)，促使電力系統(tǒng)向綜合化、智能化的方向發(fā)展。而為實(shí)現(xiàn)行業(yè)的智能轉(zhuǎn)型，中國(guó)多個(gè)規(guī)劃文件均指出，建立產(chǎn)品數(shù)字化和智能化設(shè)計(jì)制造平臺(tái)，開(kāi)發(fā)面向產(chǎn)品全生命周期的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的智能化創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法及技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助工程分析與工藝設(shè)計(jì)技術(shù)。毫無(wú)疑問(wèn)，智能化的發(fā)展趨勢(shì)必將對(duì)航空領(lǐng)域產(chǎn)生巨大和深遠(yuǎn)的影響，智能設(shè)計(jì)作為航空智能化的主要手段[92]，對(duì)提高航空系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和降低對(duì)環(huán)境的影響具有重大作用。

因此，將傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)流程與新技術(shù)條件下的設(shè)計(jì)分析、優(yōu)化、仿真試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)有機(jī)結(jié)合，從系統(tǒng)總體角度出發(fā)，將綜合化、智能化的思想融入到電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)中，進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，形成基于全生命周期的、數(shù)字化的先進(jìn)飛機(jī)電力系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)/評(píng)估體系，必然成為未來(lái)的發(fā)展主流方向。

3.1 設(shè)計(jì)平臺(tái)/方法研究現(xiàn)狀

目前，以CATIA軟件為核心的LCA(LifeCycle Applications)三維在線設(shè)計(jì)平臺(tái)和以Windchill為核心的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外航空工業(yè)設(shè)計(jì)、制造部門(mén)獲得推廣[93]，設(shè)計(jì)人員在飛機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)廣泛采用二維電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件與CATIA相結(jié)合的數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)圖紙、圖樣的設(shè)計(jì)[94]，數(shù)字化設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。飛機(jī)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵從系統(tǒng)工程的V型開(kāi)發(fā)流程和自頂向下的設(shè)計(jì)思想，利用數(shù)字化軟件工具開(kāi)展設(shè)計(jì)。但整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程相互獨(dú)立，不能進(jìn)行系統(tǒng)間的綜合設(shè)計(jì)、驗(yàn)證；整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)單向串行結(jié)構(gòu)，存在了大量迭代設(shè)計(jì)，導(dǎo)致研制效率低、周期長(zhǎng)、成本高[95]。

為解決該問(wèn)題，國(guó)外開(kāi)始嘗試將智能優(yōu)化的思想融入到飛機(jī)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。

歐盟建立飛機(jī)電力系統(tǒng)部件多層次模型庫(kù)[96]，開(kāi)發(fā)電力系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)優(yōu)化工具，以部件間的控制為內(nèi)環(huán)，以部件的集成構(gòu)架為外環(huán)，進(jìn)行新型電力系統(tǒng)架構(gòu)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的可靠性、重量和電氣性能綜合評(píng)估和優(yōu)化[1-2]，還可以進(jìn)行敏感度分析[97]、穩(wěn)定性評(píng)估[98]、基于模型的故障檢測(cè)和驗(yàn)證[99-102]研究。美國(guó)加州UTC聯(lián)合科技研究中心和伯克利分校提出，借助基于平臺(tái)的組合方法[103]分別對(duì)系統(tǒng)拓?fù)鋄51]和控制[57-58]進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，自動(dòng)優(yōu)化生成優(yōu)化的飛機(jī)電力系統(tǒng)方案。波音和弗吉尼亞理工大學(xué)共同合作開(kāi)發(fā)了飛機(jī)電氣系統(tǒng)穩(wěn)定性分析軟件[104]。

KBE技術(shù)[95]也在國(guó)外航空領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用。通用電氣公司將AI技術(shù)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)相結(jié)合設(shè)計(jì)飛機(jī)氣動(dòng)機(jī)構(gòu)，使用人類(lèi)專(zhuān)家先驗(yàn)思路消除客戶在迭代開(kāi)發(fā)工作中干預(yù)，系統(tǒng)表現(xiàn)出優(yōu)異的計(jì)劃前檢查能力[105]。NASA、美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開(kāi)發(fā)的智能綜合設(shè)計(jì)環(huán)境將高性能計(jì)算、高容量通信網(wǎng)絡(luò)、虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、KBE、計(jì)算智能、人機(jī)交互和產(chǎn)品信息管理等前沿技術(shù)融合在一起，使分布在不同地區(qū)的科學(xué)家和工程師共同利用知識(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)[106]。

在后續(xù)研究中，還需要進(jìn)一步整合各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證功能，引入智能優(yōu)化的思想，形成綜合化、智能化的數(shù)字設(shè)計(jì)和驗(yàn)證平臺(tái)，以設(shè)計(jì)后決策代替設(shè)計(jì)前決策，從而避免迭代設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)周期、成本和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 設(shè)計(jì)問(wèn)題的特點(diǎn)

結(jié)合第2節(jié)分析，飛機(jī)電力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題具有高維多目標(biāo)、高維設(shè)計(jì)空間、多約束、多學(xué)科以及多層次嵌套等特點(diǎn)。

1) 高維多目標(biāo)

飛機(jī)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的工程問(wèn)題，包含可靠性、維修性、重量、成本和電能質(zhì)量等多個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)，因此屬于高維多目標(biāo)設(shè)計(jì)問(wèn)題，必然導(dǎo)致計(jì)算復(fù)雜度增加。

2) 高維設(shè)計(jì)空間

飛機(jī)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)包含網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、各部件容量和能量分配的相關(guān)參數(shù)等，構(gòu)成了高維的設(shè)計(jì)空間，往往會(huì)導(dǎo)致維數(shù)災(zāi)難[107]。

3) 多約束

飛機(jī)電力系統(tǒng)必須遵循一定規(guī)則，如：電源節(jié)點(diǎn)不能直接與負(fù)載節(jié)點(diǎn)連接，負(fù)載的供電可靠度，系統(tǒng)整體的可靠度等。因此其設(shè)計(jì)必然受到設(shè)計(jì)參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)和目標(biāo)參數(shù)等多個(gè)約束的影響，加劇了求解過(guò)程的復(fù)雜性。

4) 多學(xué)科[108]

電氣化飛機(jī)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題涉及動(dòng)力、電、機(jī)械、液、氣、熱等多個(gè)學(xué)科和子系統(tǒng)，各學(xué)科、子系統(tǒng)和設(shè)計(jì)問(wèn)題之間相互作用和影響，導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)互相耦合，需要權(quán)衡設(shè)計(jì)。

5) 多層次嵌套

飛機(jī)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題是一個(gè)兩層嵌套決策問(wèn)題：上層通過(guò)系統(tǒng)的改造影響能量分配路徑的選擇，屬于靜態(tài)設(shè)計(jì)問(wèn)題；而下層則依據(jù)設(shè)計(jì)者的投資決策去選擇效用最大的路徑，屬于動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)問(wèn)題。此外，系統(tǒng)的靜態(tài)設(shè)計(jì)又是一個(gè)多層嵌套決策問(wèn)題：頂層通過(guò)對(duì)改變子系統(tǒng)間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改善系統(tǒng)性能；底層通過(guò)部件/器件工藝技術(shù)的選擇提升系統(tǒng)性能。

設(shè)計(jì)人員需要借助數(shù)字化、智能化的設(shè)計(jì)手段才能解決上述問(wèn)題，降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。

3.3 智能化設(shè)計(jì)理論、功能和特點(diǎn)

3.3.1 智能化設(shè)計(jì)理論框架體系

先進(jìn)飛機(jī)電力系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)的理論框架體系如圖1所示。飛機(jī)電力系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)包括所有與飛機(jī)電力系統(tǒng)有關(guān)的決策問(wèn)題，是決策者按照先進(jìn)的科學(xué)程序，運(yùn)用現(xiàn)代智能化技術(shù)，對(duì)未來(lái)飛機(jī)技術(shù)發(fā)展的方向、目標(biāo)以及解決設(shè)計(jì)問(wèn)題的原則、方法所做的選擇和決定。不同于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)型設(shè)計(jì)方法，智能化設(shè)計(jì)屬于科學(xué)型設(shè)計(jì)：智能化設(shè)計(jì)運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)方法(如物理學(xué)、運(yùn)籌學(xué)等)，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)所要決策的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行精確的定量描述；同時(shí)，智能化設(shè)計(jì)運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，特別是人工智能、優(yōu)化方法和電子計(jì)算機(jī)，求解假設(shè)問(wèn)題的模型，以獲得最優(yōu)(或近似最優(yōu))的決策結(jié)果。

圖1 先進(jìn)飛機(jī)電力系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)理論框架體系Fig.1 Theory framework of intelligent design for advanced aircraft power system

3.3.2 智能化設(shè)計(jì)平臺(tái)功能

根據(jù)上述理論框架，本文構(gòu)建的飛機(jī)電力系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)平臺(tái)功能如圖2所示。

1) 數(shù)學(xué)模型庫(kù)。數(shù)學(xué)模型以多種形式描述研究對(duì)象，反映了系統(tǒng)的主要組成和各部分的相互作用，是智能化設(shè)計(jì)的核心。用于電力系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)的決策模型是以材料、結(jié)構(gòu)、工藝和市場(chǎng)等方面的技術(shù)參數(shù)為知識(shí)和約束條件，以機(jī)械、電力、控制等物理連接關(guān)系為紐帶，構(gòu)建的多個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)學(xué)模型。

2) 模型近似。飛機(jī)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，為降低計(jì)算成本，平臺(tái)通過(guò)數(shù)學(xué)模型的方法將目標(biāo)函數(shù)和約束近似擬合，從而降低模型復(fù)雜度。目前，常用的方法有多項(xiàng)式響應(yīng)面法、徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、Kringing方法[109]和增強(qiáng)的徑向基函數(shù)法等。

圖2 飛機(jī)電力系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)平臺(tái)功能Fig.2 Function of intelligent design platform for aircraft power system

3) 多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化(Multi-disciplinary Design Optimization, MDO)。針對(duì)系統(tǒng)參數(shù)耦合的特征，MDO[110]通過(guò)建立合理的優(yōu)化體系、選擇適當(dāng)?shù)牟呗詠?lái)減少優(yōu)化時(shí)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，從結(jié)構(gòu)上解決設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題所面臨的多學(xué)科難題。目前方法主要有多學(xué)科可行方法、單學(xué)科可行方法、同時(shí)分析優(yōu)化方法、并行子空間優(yōu)化方法、協(xié)同優(yōu)化方法等。

4) 系統(tǒng)靈敏度分析。為識(shí)別系統(tǒng)參數(shù)間復(fù)雜的耦合關(guān)系，設(shè)計(jì)人員通過(guò)靈敏度分析等手段觀察參數(shù)的變化而表現(xiàn)出來(lái)的敏感程度，了解系統(tǒng)輸出參數(shù)隨輸入?yún)?shù)的變化情況，從而為設(shè)計(jì)問(wèn)題的分解和決策提供依據(jù)。比較常用的是全局和局部靈敏度方法。

5) 系統(tǒng)分解。系統(tǒng)分解根據(jù)對(duì)飛機(jī)電力系統(tǒng)參數(shù)耦合關(guān)系的識(shí)別結(jié)果，將系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)子系統(tǒng)的并行或串行處理和優(yōu)化，以此來(lái)提高優(yōu)化效率，減少計(jì)算時(shí)間。

6) 優(yōu)化算法。優(yōu)化算法是飛機(jī)電力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心部分，也是智能化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)手段?？蓺w納為有嚴(yán)格數(shù)學(xué)定義的經(jīng)典優(yōu)化算法(梯度法、內(nèi)點(diǎn)法等)和進(jìn)化算法(模擬退火、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法和演化算法等)。

7) 系統(tǒng)驗(yàn)證。智能化設(shè)計(jì)離不開(kāi)對(duì)其設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真驗(yàn)證技術(shù)可以提高設(shè)計(jì)和驗(yàn)證效率，節(jié)省設(shè)計(jì)過(guò)程的成本和周期。

3.3.3 智能化設(shè)計(jì)特點(diǎn)

電力系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)具體特點(diǎn)如下：

1) 智能化設(shè)計(jì)融合CAE技術(shù)和AI技術(shù)，將工程設(shè)計(jì)以及分析等活動(dòng)有機(jī)整合，形成知識(shí)的系統(tǒng)構(gòu)架，通過(guò)知識(shí)驅(qū)動(dòng)和最佳實(shí)踐的積累，提出設(shè)計(jì)問(wèn)題的最優(yōu)解決方案。

2) 智能化設(shè)計(jì)具有模塊化的特點(diǎn)，能充分利用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)模塊，對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行既獨(dú)立又交叉的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效地組織和管理整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，具有很強(qiáng)的靈活性。

3) 智能化設(shè)計(jì)具有并行性的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)的初始階段就考慮系統(tǒng)從概念設(shè)計(jì)到報(bào)廢處理的全生命期的各個(gè)方面，并能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將分散在不同地區(qū)的設(shè)計(jì)部門(mén)組織起來(lái)進(jìn)行分布式設(shè)計(jì)。

4) 智能化設(shè)計(jì)需要集成通信、數(shù)據(jù)庫(kù)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程和定性解計(jì)算的可視化環(huán)境，應(yīng)當(dāng)具備易于使用、魯棒等特點(diǎn)。

總之，飛機(jī)電力系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)具有基于知識(shí)和智能、模塊化、并行性和設(shè)計(jì)環(huán)境友好4個(gè)特征，可以避免盲目性和設(shè)計(jì)返工造成的人力、物力的浪費(fèi)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。

3.4 智能化設(shè)計(jì)流程

結(jié)合3.3.2節(jié)所述設(shè)計(jì)平臺(tái)功能，本文提出覆蓋飛機(jī)全生命周期的飛機(jī)電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程如圖3所示。

在生命周期的每個(gè)階段，設(shè)計(jì)平臺(tái)在明確當(dāng)前階段任務(wù)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，調(diào)用相應(yīng)的設(shè)計(jì)及決策模型進(jìn)行系統(tǒng)集成；根據(jù)設(shè)計(jì)需求，權(quán)衡計(jì)算精度和成本，通過(guò)合適的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，獲得足量數(shù)據(jù)，使用近似技術(shù)構(gòu)建滿足設(shè)計(jì)需求的元模型；而后結(jié)合相關(guān)技術(shù)條件參數(shù)，借助敏感度分析等方法，探索輸入?yún)?shù)、輸出目標(biāo)之間的變化關(guān)系和趨勢(shì)，確定設(shè)計(jì)目標(biāo)關(guān)于設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感因素；根據(jù)分析結(jié)果，分割系統(tǒng)，對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)，確定最佳參數(shù)組合，得到設(shè)計(jì)對(duì)象關(guān)于任務(wù)目標(biāo)的Pareto最優(yōu)解；結(jié)合具體應(yīng)用和專(zhuān)家意見(jiàn)等多方面因素，對(duì)形成的多個(gè)集成方案進(jìn)行綜合決策，確定最終方案；最后，根據(jù)不同生命周期階段的需求，選用合適的手段對(duì)系統(tǒng)集成方案進(jìn)行驗(yàn)證。

圖3 先進(jìn)航空電力系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)流程Fig.3 Intelligent design process of advanced aircraft power system

3.5 關(guān)鍵技術(shù)

電力系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)包括：① 多學(xué)科建模技術(shù)；② 智能化多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)；③ 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的分布式仿真驗(yàn)證技術(shù)。

1) 多學(xué)科建模技術(shù)

開(kāi)發(fā)多學(xué)科模型是進(jìn)行電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化的首要任務(wù)，具體應(yīng)包括系統(tǒng)的體積、重量、功率和冷卻以及可靠性、可用性、維護(hù)性和成本等方面的決策模型。

目前在商業(yè)軟件中二次開(kāi)發(fā)的模型通常是系統(tǒng)或部件的物理或時(shí)頻域模型，通用性差、計(jì)算量大、耗時(shí)長(zhǎng)，難以滿足計(jì)算成本的要求，不能直接用于系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)。因此，需要在此基礎(chǔ)上，借助供應(yīng)商以及其他學(xué)科知識(shí)的支持，建立具有通用接口的決策模型，形成標(biāo)準(zhǔn)化的多學(xué)科模型庫(kù)。

2) 智能化多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)是進(jìn)行飛機(jī)電力系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)的基本工具，也是解決飛機(jī)電力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的主要手段[110-112]，具體包括近似技術(shù)、靈敏度分析、系統(tǒng)分解技術(shù)、MDO和優(yōu)化/決策算法。

智能化設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)平臺(tái)還應(yīng)具備一定的自主能力：① 能夠自主權(quán)衡模型的計(jì)算精度和成本，從而形成最佳的優(yōu)化模型；② 能夠根據(jù)敏感度分析，自動(dòng)分割重組設(shè)計(jì)問(wèn)題，減少人工干預(yù)；③ 能夠根據(jù)具體問(wèn)題的特點(diǎn)，自動(dòng)選擇算法，如開(kāi)展魯棒優(yōu)化、組合優(yōu)化等，提高設(shè)計(jì)精度和效率；④ 能夠自動(dòng)將多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)等算法與優(yōu)化算法相結(jié)合，獲取最佳的組合效果。

3) 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的分布式仿真驗(yàn)證技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證，具有分布式計(jì)算能力并且能夠直觀顯示試驗(yàn)結(jié)果的系統(tǒng)驗(yàn)證技術(shù)是飛機(jī)電力系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)必不可少的環(huán)節(jié)。

近年，相關(guān)飛機(jī)設(shè)計(jì)所都進(jìn)行了一定的仿真試驗(yàn)研究，但這些驗(yàn)證工作缺乏統(tǒng)一的流程和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，通用性差，難以實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)的移植和集成，虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)還有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

電氣化技術(shù)推動(dòng)了飛機(jī)電力系統(tǒng)綜合化和智能化的發(fā)展，對(duì)飛機(jī)電力系統(tǒng)及其管理控制系統(tǒng)性能提出了更高的要求，也給飛機(jī)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，數(shù)字化、綜合化、智能化的設(shè)計(jì)技術(shù)是未來(lái)的研究重點(diǎn)。

電氣化飛機(jī)電力系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)顯著特征是將人工智能技術(shù)融入到飛機(jī)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)/驗(yàn)證過(guò)程中，從飛機(jī)總體全生命周期的多項(xiàng)性能出發(fā)，綜合協(xié)調(diào)飛機(jī)各子系統(tǒng)資源，并進(jìn)行仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的綜合性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

為建立飛機(jī)電力系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)/評(píng)估體系，涵蓋飛機(jī)全生命周期的多學(xué)科建模技術(shù)，模塊化、自動(dòng)化的設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件技術(shù)，以及標(biāo)準(zhǔn)化的分布式可視化驗(yàn)證技術(shù)是亟待突破的核心問(wèn)題。