第1章 概述
　　火炮是一种口径不小于20mm，利用发射药为能源发射弹丸等战斗部的身管射击武器，广泛装备于陆、海、空各军兵种。火炮经过几百年的发展，其系统组成、技术原理、功能性能、目标任务等已经发生了巨大的变化，现代火炮已不是传统的“炮身+架体”的纯机械装备，而是集机械、控制、光电和信息技术于一体的复杂武器系统，在初速、射程、精度、反应能力、可靠性、智能化程度等各方面的性能都得到了显著的提升，不仅可以发射普通的无控弹药，而且能发射低成本的制导弹药和智能弹药。本章针对现代火炮系统组成和技术特征日趋复杂化的发展需求，重点阐述火炮系统与火炮武器系统的基本内涵，在此基础上对火炮系统分析与优化的主要研究内容进行概述。
　　1.1火炮系统与火炮武器系统
　　火炮系统（gunsystem）是现代火炮的火力分系统、火控分系统、运载分系统等的统称，也是广义的“火炮”；狭义的“火炮”一般是指火炮发射系统，即火力系统的核心部分[1]。
　　火力分系统包括发射系统和弹药。发射系统包括火炮发射系统、其他辅助武器等。火炮发射系统一般包含炮身、炮闩、反后坐装置、操瞄装置、架体等部件或子系统。弹药是火炮最终完成战术使命，达到杀伤、破坏等战术目的的功能单元。弹药只有被火炮发射至预定的区域才能够实现其毁伤作用，因此火炮与弹药两者相互依存、共同作用来完成火炮武器的战术使命。为了将炮弹迅速、准确地发射到更远的区域，不仅需要突破火炮进一步提高射程、精度和射速的关键技术，还要同时系统考虑射程、精度、射速与机动性、可靠性之间的综合平衡。火炮作战范围的提升又导致各种新型弹种的出现，如低成本制导弹药、电磁干扰弹、电子侦察弹、炮射无人机等，一方面要攻克这些新型弹药自身的核心理论与关键技术，另一方面需要解决火炮发射这些弹药的适配性技术，只有统筹解决了火炮与弹药的系统性问题，才能使火炮的作战能力得到真正意义上的提升。
　　火控分系统是指控制分系统，俗称大火控，它是一种使被控武器发挥最大效益的装置，包括火控子系统、指控子系统、导航子系统、情报通信子系统等[2]。火控子系统随炮种不同而不同，一般包括射击诸元求取、瞄准控制和射击控制系统等，其主要功能是控制火炮发射弹丸，击中所选择的目标。火控子系统的核心任务是准确、实时地计算出射击诸元，并将其赋予火炮以将弹丸准确送抵目标区域，其目的在于提高火炮瞄准、射击的快速性和准确性，增加对恶劣战场环境的适应性，以提升火力机动性和充分发挥武器对目标的毁伤能力。火控分系统对弹丸的控制主要是通过对火炮身管的控制来实现的，即赋予弹丸以初速和方向，而火控分系统赋予弹丸的飞行时间、飞行距离、转向角等均是预测值，所以必然存在预测误差和控制误差，为满足射击精度要求，需严格控制火控分系统的误差。
　　运载分系统对自行火炮而言指履带式底盘或轮式底盘，对车载火炮或牵引火炮而言则指其车体、车轮等运动部分。运载分系统对提升火炮机动作战能力和射击稳定性具有重要意义。
　　火炮武器系统的范畴通常比火炮系统的范畴宽泛。一般认为，火炮武器系统是指由火炮系统、指挥与侦察系统、维修维护系统以及其他辅助系统组成的技术密集的综合武器系统。例如，一个营套的某155mm自行榴弹炮武器系统包括155mm自行榴弹炮、指挥车、侦察车、雷达车、抢救车、维修车、弹药输送车等，如图1.1所示。
　　1.2火炮系统分析与优化的主要研究内容
　　火炮的演变过程表明，科学技术的进步是火炮发展的基础，战争的需求是火炮发展的动力，解决威力和机动性之间的矛盾是火炮发展的主线[3]。威力是一个与弹、炮、药三要素密切相关的多目标函数，通常包括弹丸对目标的毁伤效能、射程、射击精度、火力密度；机动性是运载机动能力和火力机动能力的总称。例如，为了提高火炮的威力，要求火炮口径更大，弹丸炮口动能更高，更完善、更复杂的火控系统，更多的弹药，这就要求火炮战斗全重和外形尺寸加大，机动性能力下降。火炮的威力、机动性、反应能力、生存能力等主要性能之间，不但有互相矛盾的一面，也有互相统一、互相促进的一面。例如，火炮威力强大，能够更快、更准、更狠地消灭敌人，就是保护了自己；机动性好就可以更好地发挥火力的威力和更好地避免被敌人命中。因此，需要从火炮系统整体出发，利用系统观念和系统思想，通过科学的分析研究，对火炮整体和各分系统进行综合分析与评价，或寻求满足火炮系统战术技术要求和总体性能最佳的方案，解决火炮主要性能之间的综合平衡，保证实现战术技术性能。
　　1.2.1火炮系统设计与综合分析
　　火炮武器系统的特点是系统组成和技术特征复杂，各分系统联系紧密且相互影响和制约，长期的火炮研制和作战使用实践表明，进行有效的火炮系统设计和综合分析，是关乎火炮研制成败和提高火炮武器系统作战效能的关键问题和难点之一。火炮系统设计，广义上是指用系统的观点和优化的方法，综合相关学科的成果，进行与火炮总体有关因素的综合考虑，包括立项论证、战术技术要求论证、总体方案论证、功能分解、技术设计、生产、试验、管理等；狭义上是指涉及火炮总体性能方面的设计，包括火炮系统组成设计、战术技术指标分解与设计参数确定、原理设计、总体布局设计，以及人机工程、可靠性、安全性、检测、通用化、标准化、系列化等方面的设计。
　　综合分析是运用系统概念对火炮系统设计方案进行分析和评价，为火炮系统设计确定科学的逻辑程序，也为技术管理提供协调控制的节点。火炮综合分析的主要研究内容包括火炮射击稳定性、结构刚强度、射击密集度、可靠性等关键性能的建模仿真与分析，以及火炮系统效能分析等。
　　1.2.2火炮多学科设计优化
　　多学科设计优化（multidisciplinary design optimization，MDO），是借鉴并行协同设计学及集成制造技术的思想而提出的，它将单个学科（领域）的分析与优化同整个系统中互为耦合的其他学科的分析与优化结合起来，将并行工程的基本思想贯穿到整个设计阶段[4]。其主要设计思想是在复杂产品设计的整个过程中，利用分布式计算机网络技术来集成各个学科（子系统）的知识以及分析和求解根据，应用有效的优化设计策略，组织和管理整个优化设计过程。其目的是通过充分利用各个学科（子系统）之间相互作用所产生的协同效应，获得系统的整体最优解，并通过实现并行设计，来缩短设计周期，从而使研制出的产品更具有竞争力。实际上，多学科设计优化就是一种通过充分探索和利用工程系统中相互作用的协同机制，来设计复杂产品及其子系统的方法论。
　　火炮多学科设计优化可以表述为：从系统工程的观点出发，紧密结合目标特性分析，以获得*大综合发射性能为目的，研究火炮系统之间的协调匹配问题和优化设计技术，为火炮系统设计参数的制定提供先进的设计方法。多学科设计优化的研究内容随着各种多学科设计优化技术的逐渐深入而不断得到扩展和充实，已形成比较完善的理论体系。多学科设计优化所涵盖的研究内容广泛而深入，近年来，相关研究机构重点关注的研究内容主要包括：复杂系统的分解与协调、多学科设计优化方法、复杂系统建模、灵敏度分析、近似建模、优化算法、集成设计系统等。
　　1.2.3火炮系统不确定性分析与优化
　　火炮发射过程实际上是一个受多种不确定性因素影响的不确定性过程。在由机、电、液集成的复杂机械系统现代化火炮中，无可避免地存在着由载荷特性、材料性质、几何尺寸、边界条件、初始条件、测量偏差、环境因素等带来的误差或不确定性。这些不确定性将不可避免地影响*终火炮武器的综合性能，尽管在大多数状况下它们的数值很小，但耦合在一起可能导致火炮的某些系统响应与性能指标产生较大改变；而以确定性模型作为优化基础所获得的优化结果，在实际使用中很可能成为违反约束的不可行解。
　　不确定性因素的存在，是产生火炮发射性能指标差异的根本原因。受不确定性因素的影响，每一发射弹的膛内载荷、火炮振动特性以及弹丸的飞行轨迹与姿态都存在差异，这些差异汇聚到落点坐标，最终影响到火炮武器系统的一项重要战术技术指标—射击密集度。在火炮武器系统研制过程中，经常有射击密集度达不到指标要求的情况发生，这主要是因为对不确定性因素对火炮发射性能的影响规律没有清晰的认知，也缺乏有效的分析手段。目前，对火炮系统的数值分析与优化研究，往往忽略了火炮系统的不确定性。对一个不确定性问题按照确定性问题处理，不可能揭示其过程本质。因此，必须从不确定性的角度出发研究火炮发射动力学系统中各个阶段上的射击现象，提出具有普遍适用性的不确定性数值分析方法，解决火炮发射动力学系统动态响应的不确定性数值计算问题，才能揭示其过程本质并掌握其变化规律。不确定性优化是不确定性数值分析的延伸，在不确定性分析方法的基础上，建立火炮系统的不确定性优化模型，并提出相应的不确定性优化算法，能够实现火炮系统的不确定性优化[5]。
　　1.2.4火炮关键参数误差方案的优选方法
　　火炮的设计过程是一个多方案、多参数、多目标、多因素的评价与决策过程。在整个设计过程中，设计人员往往会面临很多种不同的方案，如火炮总体设计方案、火力系统设计方案、信息系统与控制方案、结构设计方案、电气设计方案等，不同方案的优劣以及如何选择*佳的方案是设计人员特别是决策者要经常面对的问题。方案的选择是否科学、是否符合实际要求直接决定了系统性能的优劣，因此，在火炮系统研制中，不同方案的综合评价、决策与优选在火炮全寿命系统设计过程中是较为重要的设计环节。
　　为了能够将复杂的评价决策问题用科学的计算方法进行量化，方便设计者和决策者进行方案的优选，首先必须建立能够衡量方案优劣的评价标准，即建立以火炮射击精度、射击稳定性、经济性等为主要指标的方案综合评价优选指标体系，该指标体系应能够尽可能全面地反映影响火炮主要战术、技术指标的各种因素。针对方案决策，主要研究重点在于在可行域中选择令决策者满意的方案的过程，主要方法论包括指标隶属度确定、模糊综合评价优选法、基于模糊神经网络综合评价法等[6]。
　　第2章系统工程的基本原理
　　20世纪60年代系统工程的出现，使系统科学中的系统分析技术在各领域中得到广泛的应用。在国内，系统工程*早由我国著名科学家、导弹之父钱学森提出，为我国武器装备的发展提供了有力支持。本章主要介绍系统工程的基本原理，包括系统工程的概念、系统工程方法论以及系统分析。
　　2.1系统工程的概念
　　2.1.1系统工程的定义
　　系统工程是一门正处于发展阶段的新兴学科，其应用领域十分广阔。由于其他学科的相互渗透、相互影响，不同专业领域的人对它的理解不尽相同[7]。
　　钱学森院士认为：系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法。简言之，系统工程就是组织管理系统的技术。
　　美国著名学者切斯纳指出：系统工程认为虽然每个系统都是由许多不同的特殊功能部分所组成的，而这些功能部分之间又存在着相互关系，但是每一个系统都是完整的整体，每个系统都要求有一个或若干个目标。系统工程则是按照各个目标进行权衡，全面求得*优解（或满意解）的方法，并使各组成部分能够*大限度地互相适应。
　　日本工业标准界定：系统工程是为了更好地实现系统目标，而对系统的构成要素、组织结构、物质流动、能量流动、信息流动和控制机制等进行分析和设计的技术。
　　日本学者三浦武雄指出：系统工程与其他工程学的不同之处在于它是跨越许多学科的科学，而且是填补这些学科边界空白的边缘科学。他认为系统工程的研究目的是研究系统，而系统不仅涉及工程学的领域，还涉及社会、经济和政治等领域。为了圆满解决这些交叉领域的问题，除了需要某些纵向的专门技术以外，还要有一种技术从横向把它们组织起来。这种横向技术就是系统工程，也就是研究系统所需的思想、技术、方法和理论等体系化的总称。
　　系统工程是从总体出发，合理开发、运行和革新一个大规模复杂系统所需思想、理论、方法论、方法与技术的总称，属于一门综合性的工程技术。它是按照问题导向的原则，根据总体协调的需要，把自然科学、社会科学、数学、管理学、工程技术等领域的相关思想、理论、方法等有机地综合起来，应用定量分析和定性分析相结合的