基于支持向量机的飞机总体设计智能论证

Vol.33,No .10 October ,2008
火力与指挥控制
Fire Control and Command Control
第 33 卷 第 10 期 2008 年 10 月
文章编号: 1002 20640 ( 2008 ) 10 20045 204
基于支持向量机的飞机总体设计智能论证3
李媛媛, 张 安, 史志富
( 西北工业大学电子信息学院, 陕西 西安 710072 )
摘 要: 飞机总体设计方案评估论证是飞机研制发展过程中的重要环节。针对现代作战飞机新的发展情况, 提出了飞机 总体设计评估准则。为解决飞机总体设计的多指标综合评估和方案优化问题, 采用支持向量机法对方案进行了回归预测。建 立飞机总体评估准则属性指标体系, 并通过试验验证了支持向量机法在飞机总体设计评估论证方面具有很好的可实施性, 研 究结果可为飞机总体设计智能论证提供一种新的思路。 关键词: 总体设计, 支持向量机, 智能论证, 指标体系 中图分类号: V 221 文献标识码: A
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非线性情况是从线性可分情况发展而来的。 其 主要思想是: 通过事先选择的非线性映射将输入向 量x 映射到高维特征空间Z 。 在这个特征空间中构造 最优分类超平面。 根据泛函理论, 一个内积函数 K ( x i , x j ) 满足 Mercer 条件, 则在特征空间的两个向量的内积满足 ( Z i , Z j ) = K ( x i , y j ) 。因此, 在分类面中采用适 当的内积函数, 在高维特征空间就可以实现非线性 变换后的分类回归, 而计算复杂度却并没有增加, 因 此, 二次规划优化形式可转化为:
Comprehensive Intelligent Evaluation Research of Aircraft Conceptual Preliminary Design based on SVM
LI Yuan 2yuan , ZHANG An , SHI Zhi 2fu
(Northwestern
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火力与指挥控制
2008 年 第 10 期
方案评审指标体系时, 必须吸收作战飞机不断发展 的新思想、新技术, 研究各指标间的相关性, 努力做 到既全面而又不重复, 同时要保证评价指标在方案评审 阶段是可以达到的 。 只有以此为基础制定的评审方案及 开展的顶层设计优化等研究才有可能符合实际, 做到既 科学 、 合理 、 可信, 又可在实践中操作 。 传统的作战飞机总体设计方案仅仅是在飞机性 能、 空气动力、 重量和推力之间作权衡, 后来发展 到对飞机结构、 航空电子系统、 飞行控制系统、 可 靠性、 维修性和隐身性等进行综合。 本文在进行飞机总体智能论证时, 综合前人及 现今的研究经验, 建立属性指标体系如下: ①任务能力: 是整个评估准则属性体系中最重 要的一点, 分为空对空作战能力和空对地作战能力。 ②可支付性: 主要包括研究、 发展、 试验和评 审, 生产、 使用和维护, 以及退役和处置。 随着现 代飞机的技术水平和复杂程度的提高, 可支付性成 为飞机设计方案论证中的一个关键因素。 ③可靠性: 指飞机在规定的条件下和时间内完 成规定功能的能力, 是对飞机是否可靠的度量。 通 过平均故障间隔时间来度量。 ④保障性: 指飞机系统的设计特性和计划的保 障资源能满足平时战备及激战时需要的能力, 通过 飞机的平均维修间隔时间和平均不能工作时间相比 较来计算。 ⑤维修性: 指飞机在规定的条件和时间内, 按 规定的程序和方法进行维修时保持和恢复到规定状 态的能力。 一般采用平均维修时间作为度量标准。 ⑥测试性: 指飞机能及时、 准确地确定其状态 并隔离其内部故障的能力, 用测试系统的故障检测 率、 故障隔离率和虚警率来度量。 ⑦安全性: 指飞机在飞行期间连续地保持保证 飞行任务而无飞行事故的那些系统和设备处于能工 作状态的一种特性。 用采购的飞机数和因发动机引 起的飞机损失数之差和采购的飞机数之比来衡量。 ⑧生存性: 指飞机避免和 ( 或) 经受人为敌对 环境的能力。 ⑨适应性: 指飞机在作战、 训练、 储存、 运输 等过程中, 对自然环境、 诱发环境和特殊环境的适 应能力。 根据具体情况选取飞机上某关键系统或设 备的环境适应能力、 最大试验速度或 和最大使用过 载作为适应性度量。 在以上基础上, 为了适应新时代飞机技术发展, 更好地对飞机设计方案进行全面评估, 本文添加了 三个指标来完善飞机总体设计评估准则:
3
n n
回归支持向量机估计函数为:
n
f
(x ) =
∑
i=1
3 (- Α i+ Α i )( x i, y i) &Ν)
3
i=1 i=1
(( Ξ3 x i ) + b) - y i ≤Ε + Ν i
( 3)
约束条件:
y i3 (( Ξ3 x i ) + b) ≤Ε + Ν i 3 i, Ν i ≥0 Ν

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李媛媛, 等: 基于支持向量机的飞机总体设计智能论证
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于线性回归, 考虑用线性回归函数: f ( x ) = Ξ3 x + b 训练样本集D ={ ( x i , y i ) i =1,2,
x i ∈R , y i ∈R
n
约束条件:
( 1)
n
…, n },
∑
i=1
3 (Α i- Α i ) =0,0
≤Α i, i ≤C , Α i=1,2,
3
…, n
Polytechnical University , Xi ’an 710072, China )
Abstract : The comprehensive evaluation of aircraft conceptual preliminary design is a significant phase in the development of aircraft 1 With the new evolution of nowadays aircraft , an integrated evaluation criterion is proposed 1 To solve the multi 2index integrated evaluation and project optimization , an arithmetic 2SVM is adopted to do the predict regression 1 The integrated evaluation criterion of aircraft is e2 stablished with the following example proves that SVM has a promising application in the comprehensive evaluation of aircraft conceptual preliminary design , and offers a new method to the evaluation 1 Key words: conceptual preliminary design , support vector machine , intelligent evaluation , index system
2 支持向量机理论概念
支 持向量机算法 SVM 是近 10 年来机器学习、 模式识别以及神经网络界最有影响力的成果之一。 它采用结构风险最小化原则代替传统的经验风险最 小化原则, 在有限样本即小样本情况下, 可以得到 比基于传统统计技术和方法更好的结果。 支持向量 机算法具有 4 个显著特点: ①利用大间隔的思想降 低分类器的VC 维, 实现结构风险最小化原则, 控制 分类器的推广能力; ②利用Mercer 核实现线性算法 的非线性化; ③稀疏性即少量样本 ( 支持向量) 的 系数不为零, 就推广性而言, 较少的支持向量数在 统计意义上对应好的推广能力, 从计算角度看, 支 持向量减少了核形式判别式的计算量; ④算法设计 成凸二次规划问题, 避免了多解性。 支持向量机既 可用于分类判别, 也可用于回归计算。 根据本文研 究内容, 在此仅介绍回归支持向量机。 支持向量机回归有线性回归和非线性回归, 对
( 6)
引入 Ε不敏感损失函数 )) = L (y , f (x , Α ) ≤Ε 0 若 y - f (x , Α ( 2) ) - Ε y - f (x , Α 其他 回归支持向量机可描述为求解下面的凸优化问 题, 即求下式的最小值:
1 ) = ( Ξ3 Ξ) + C ( E ( Ξ, Ν , Ν 2
收稿日期: 2007 206 205 修回日期: 2007 209 205 3 基金项目: 航空基础科学基金 ( 05053021 ) ; 陕西省自然科 学基金资助项目 作者简介: 李媛媛 ( 1983 2 ) , 女, 河南商丘人, 硕士研 究生, 主要研究方向: 先进控制理论与应用, 复 杂系统建模与仿真。
引 言
随着航空技术和相关科技的快速发展, 空中力 量在现代战争中的作用和地位日趋重要。 与此同时, 现代作战飞机研制投入的人力、 物力和财力都急剧 增长, 研制风险也随之加大。 因此飞机总体设计方 案的审查论证也愈发重要。 现代新军事革命使战争 形态和作战样式发生了深刻变化, 使现代飞机加速 向高科技、复杂化、综合化方向发展。寻求科学、适 用的论证理论和方法是飞机总体设计论证面临的新
β 技术风险: 是指因现代飞机设计采取了许多 κ 新技术新方法, 这些新技术新方法能否在规定的经 费、 进度条件下满足方案所要求的战术技术指标要 求的技术把握大小。 飞机是各种先进技术的融合体, 研制装机新产品会存在一定的技术风险, 它将影响 飞机的总体性能和费用及进度, 因此不能不给予重 视。 它的计算将由因新品比例导致的技术风险因子 和因新品研制风险引发的进度——费用风险因子和 它们相应的系数来完成。 λ 总线参数: 是用来衡量飞机综合航电系统性 β 能优劣的指标。 在现代战斗机的构成中, 综合航空 电子系统是其重要的组成部分, 其中, 数据总线作 为全系统的联网工具, 和飞机总体能力有着密切的 联系。 所以把总线参数也作为飞机总体论证的一个 属性指标。 它包括总线负载、 总线使用效率、 最大 延迟时间指标和它们对应的权系数。 µ 结构参数: 飞机布局设计是飞机设计中最重 β 要的环节之一, 布局的优化程度直接影响所设计飞 机的生存和发展。 随着计算机及相关技术的发展, 飞 机的综合设计也在日益强大。 本文中采用飞机的机 动性、 几何完善性、 结构完善性和续航性来度量飞 机的结构参数。 因此, 本文建立的飞机总体设计论 证准则第一层将包括以下 12 个属性指标: 任务能 力、可支付性、可靠性、保障性、维修性、测试性、 安全性、生存性、适应性、技术风险、总线参数、结 构参数。 采用支持向量机法对第一层指标进行回归 分析估计, 第二层指标则采用参数计算法计算得出。