劉嘉, 向錦武, 司守奎

(1.海軍航空工程學(xué)院 接改裝訓(xùn)練大隊(duì), 山東 煙臺(tái) 264001;2.北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100191;3.海軍航空工程學(xué)院 基礎(chǔ)部, 山東 煙臺(tái) 264001)

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艦載機(jī)飛行員駕駛技術(shù)與飛行安全研究

劉嘉1, 向錦武2, 司守奎3

(1.海軍航空工程學(xué)院 接改裝訓(xùn)練大隊(duì), 山東 煙臺(tái) 264001;2.北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100191;3.海軍航空工程學(xué)院 基礎(chǔ)部, 山東 煙臺(tái) 264001)

針對(duì)無法將駕駛技術(shù)和飛行安全建立有效定量關(guān)聯(lián)的現(xiàn)狀,基于自適應(yīng)飛機(jī)駕駛員最優(yōu)控制模型,應(yīng)用飛行員著艦多層次模糊綜合評(píng)價(jià)方法,通過設(shè)定不同的飛行員模型參數(shù),參照著艦技能評(píng)價(jià)體系,建立了飛行員著艦技能樣本庫。通過多元非線性回歸方法,建立了飛行員技能的多元非線性回歸模型,并通過剩余標(biāo)準(zhǔn)差和樣本比對(duì)法證明了這一模型的準(zhǔn)確性?？梢酝ㄟ^測定上述飛行員參數(shù),運(yùn)用該飛行技能回歸模型,為飛行員選拔提供參考。

艦載機(jī); 飛行員模型; 駕駛技術(shù); 飛行安全; 非線性回歸

0 引言

飛行員的飛行技術(shù)和飛行安全密切相關(guān)。但目前的飛行安全評(píng)估中,僅對(duì)飛行員駕駛技術(shù)進(jìn)行了定性描述[1]。文獻(xiàn)[2-3]研究發(fā)現(xiàn),目前仍缺乏對(duì)飛行員駕駛技術(shù)進(jìn)行描述的有效方法,由此造成了無法將駕駛技術(shù)和飛行安全建立有效定量聯(lián)系的現(xiàn)狀,因此開展艦載機(jī)飛行員駕駛技術(shù)與飛行安全研究有著重要意義。

針對(duì)這一問題,本文基于自適應(yīng)飛機(jī)駕駛員最優(yōu)控制模型[4],應(yīng)用飛行員著艦多層次模糊綜合評(píng)價(jià)方法[5],通過設(shè)定不同的飛行員模型參數(shù),獲取模擬著艦飛行駕駛評(píng)分,運(yùn)用多元非線性回歸[6]建立了飛行員技能表達(dá)模型,由此通過飛行員參數(shù)間接表征不同的飛行技術(shù)水平。最后通過著艦仿真,將飛行員技術(shù)水平和飛行安全建立了聯(lián)系,這一研究可以為多因素耦合條件下的飛行安全仿真奠定基礎(chǔ),并為艦載機(jī)飛行訓(xùn)練和飛行員選拔提供借鑒。

1 艦載機(jī)飛行員飛行技術(shù)評(píng)價(jià)方法

對(duì)于飛行員的基本駕駛技術(shù)而言,目前開展飛行技術(shù)評(píng)價(jià)的方法主要是主觀評(píng)價(jià)法[7]。文獻(xiàn)[8-9]分別對(duì)飛行員駕駛動(dòng)作和航線飛行技術(shù)進(jìn)行了研究。對(duì)于任務(wù)飛行,如空中對(duì)抗、對(duì)地打擊任務(wù)需要采用面向任務(wù)的主觀評(píng)價(jià)法[10]。文獻(xiàn)[5]面向著艦任務(wù),提出了飛行員著艦的多層次飛行技術(shù)模糊評(píng)價(jià)方法。該方法將著艦下滑分為開始階段、中間階段、接近階段、決斷階段、著艦階段,分別采用關(guān)鍵時(shí)刻指標(biāo)和過程指標(biāo)對(duì)飛行員駕駛行為進(jìn)行評(píng)價(jià)。最后通過指標(biāo)的綜合加權(quán)評(píng)定對(duì)飛行員技術(shù)進(jìn)行評(píng)判。具體評(píng)價(jià)體系和指標(biāo)權(quán)重如圖1所示。其中著艦時(shí)刻指標(biāo)和決斷點(diǎn)表現(xiàn)是關(guān)鍵時(shí)刻指標(biāo),進(jìn)近調(diào)整是過程指標(biāo)。

對(duì)于關(guān)鍵時(shí)刻指標(biāo)采用模糊隸屬度函數(shù)進(jìn)行描述,可以反映專家評(píng)價(jià)的模糊特性。在評(píng)價(jià)中采用了三角隸屬度函數(shù)和正態(tài)隸屬度函數(shù),評(píng)價(jià)關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 指標(biāo)參數(shù)及隸屬度函數(shù)

Table 1 Evaluation index and the membership function

對(duì)于過程指標(biāo),反映了對(duì)飛行員著艦過程的評(píng)價(jià),采用下式計(jì)算過程評(píng)價(jià)指標(biāo):

(1)

式中:N為過程離散點(diǎn)數(shù)量;xi為當(dāng)前時(shí)刻飛行參數(shù)值;xsi為飛行參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值。最后根據(jù)飛行員著艦全程駕機(jī)表現(xiàn),分級(jí)計(jì)算各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo),匯總后可以進(jìn)行著艦駕駛技術(shù)評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[5]通過對(duì)比專家打分,已經(jīng)證明了這一評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確性。此處不再驗(yàn)證。

2 艦載機(jī)飛行員飛行技術(shù)模型

構(gòu)建飛行員飛行技術(shù)模型的思路是,采用飛行員數(shù)學(xué)模型模擬著艦,設(shè)定不同模型參數(shù)得到飛行技術(shù)樣本,而后采用多元非線性回歸構(gòu)建飛行技術(shù)模型。

2.1 飛行技術(shù)水平多元非線性回歸模型

本文采用自適應(yīng)飛機(jī)駕駛員最優(yōu)控制模型,模擬飛行員操縱行為。文獻(xiàn)[4]已經(jīng)表明這一模型可以一定程度上反映飛行員在著艦時(shí)的行為特點(diǎn),本文通過設(shè)定不同的模型參數(shù),產(chǎn)生不同的著艦操縱行為,以期在外在表現(xiàn)形式上表征飛行員的不同技術(shù)水平。

在飛行員模型中,可以調(diào)整的參數(shù)包括:飛行員神經(jīng)動(dòng)力延遲時(shí)間tn;操縱噪聲信噪比ρu;觀察噪聲信噪比ρy。設(shè)定不同模型參數(shù)進(jìn)行人機(jī)環(huán)著艦仿真,可以得到3個(gè)參數(shù)單獨(dú)變化時(shí)的技能評(píng)分。首先考慮飛行員參數(shù)tn,ρu,ρy之間獨(dú)立,因此它們之間為線性關(guān)系,由此,可首先單獨(dú)針對(duì)各參數(shù)開展非線性擬合,而后再開展多元非線性回歸。經(jīng)過多種函數(shù)類試驗(yàn),并考慮便于使用,使用多項(xiàng)式對(duì)tn,ρu,ρy進(jìn)行非線性擬合,如圖2所示。進(jìn)行非線性回歸得到的模型參數(shù)如表2所示。

由此確定了各參數(shù)的擬合形式。進(jìn)而可以在多元非線性回歸中,設(shè)定模型形式如下:

(2)

計(jì)算結(jié)果為0～1,表征評(píng)分0～100分。

圖2 不同參數(shù)影響下的非線性回歸Fig.2 Nonlinear regression under the influence of different parameters

Table 2 Parameters of evaluation model

參 數(shù)數(shù) 值p1，p2，p3，p4-05979-08139 12510-06522p5，p6，p7，p8-08535-02724-00130-201×10-4p9，p10，p11，p12-10997-02388-00116-181×10-4

2.2 飛行技術(shù)水平回歸模型驗(yàn)證

由文獻(xiàn)[6]計(jì)算回歸模型剩余標(biāo)準(zhǔn)差為0.035 8,結(jié)果表明,剩余標(biāo)準(zhǔn)差在可接受范圍內(nèi),說明模型基本正確。同時(shí)通過新的仿真樣本進(jìn)行驗(yàn)證。在原始樣本中,并沒有tn=0.2 s時(shí),ρu,ρy在[-30 dB,-5 dB]之間的全部數(shù)據(jù),此處,采用回歸模型進(jìn)行數(shù)值求解,ρy=20 dB,tn=0.2 s時(shí),與飛行仿真結(jié)果對(duì)比如圖3所示。

圖3 通過仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸模型驗(yàn)證Fig.3 Evaluation model validation by simulation comparison

圖中，ES為飛行仿真數(shù)據(jù),ER為回歸模型數(shù)據(jù),二者基本吻合,由此，在兩方面證明了回歸模型的準(zhǔn)確性。

飛行技術(shù)的回歸模型是以tn,ρu,ρy為自變量,飛行技術(shù)評(píng)分為因變量的超幾何體,因此,很難用常規(guī)圖形進(jìn)行描述,下面通過不同tn下的等高線,對(duì)飛行技能模型的部分特點(diǎn)進(jìn)行說明。圖4為評(píng)分變化趨勢(shì)。由圖可知,反應(yīng)時(shí)間對(duì)飛行技能有重要影響,隨反應(yīng)時(shí)間的增加,對(duì)飛行員的評(píng)價(jià)逐漸變差,當(dāng)tn大于0.25 s時(shí),飛行員很難達(dá)到60分以上。

圖4 不同tn下的技能評(píng)分變化趨勢(shì)Fig.4 Tendency of evaluation with the increase of tn

3 飛行技術(shù)水平與著艦安全研究

由上節(jié)飛行技術(shù)多元回歸模型,可以單獨(dú)或聯(lián)合設(shè)定飛行員模型參數(shù),對(duì)飛行技術(shù)進(jìn)行分級(jí)描述。定義80分以上為優(yōu)，75～80分為良,60～75分為中,60分以下為差。設(shè)定飛行員模型參數(shù)如表3所示,得到技術(shù)水平優(yōu)、良、中、差4種飛行員模型(分別對(duì)應(yīng)level1～level4)。其中,ND為著艦點(diǎn)超出規(guī)定范圍的次數(shù),對(duì)這4種技術(shù)水平的飛行員進(jìn)行50次著艦仿真,得到著艦點(diǎn)分布如圖5所示。

算例仿真表明,技術(shù)水平優(yōu)的飛行員著艦失敗概率在2%左右;技術(shù)水平良的飛行員著艦失敗概率在10%左右;技術(shù)中和差的飛行員失敗概率顯著增加,超過50%。由此可見,飛行員的技術(shù)水平對(duì)著艦安全影響極大,也就是說飛行員反應(yīng)時(shí)間、動(dòng)作準(zhǔn)確度以及觀察感知準(zhǔn)確度,會(huì)對(duì)飛行技術(shù)和飛行安全產(chǎn)生重要影響。因此,建議在飛行員選拔過程中,要著重關(guān)注上述因素,這也與現(xiàn)行飛行員選拔指標(biāo)是一致的[11-12]。

表3 飛行技能及仿真參數(shù)

Table 3 Flying skill and parameters in simulation

tn/sρy/dBρu/dBERESlevelND01-30-30082850810±0081102-20-20077560755±00826025-14-15070140699±009331025-12-13060270680±008437

圖5 不同技術(shù)水平的飛行員著艦點(diǎn)分布圖Fig.5 Touchdown points distribution of pilots in level1 to level4

4 結(jié)束語

本文通過設(shè)定駕駛員數(shù)學(xué)模型參數(shù),參照艦載機(jī)飛行員著艦評(píng)價(jià)體系,在飛行員駕駛技能的數(shù)學(xué)表達(dá)和著艦安全之間建立了有效關(guān)聯(lián)。但本文需要在以下兩個(gè)方面作出改進(jìn):

(1)本文回歸模型僅從外在表現(xiàn)上對(duì)飛行技能進(jìn)行了體現(xiàn),這只能部分反映飛行員生理特點(diǎn),還不能說明訓(xùn)練和知識(shí)理解對(duì)飛行技術(shù)的影響,距離體現(xiàn)真實(shí)飛行員的技術(shù)水平還有一定差距。

(2)由于本文飛行技能評(píng)價(jià)是以人機(jī)閉環(huán)仿真為基礎(chǔ),因此暗含了飛機(jī)本體特性,但此處駕駛技術(shù)并未將飛機(jī)因素排除在外。

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(編輯：方春玲)

Relationship between the flying skill of carrier-based pilot and the flight safety

LIU Jia1, XIANG Jin-wu2, SI Shou-kui3

(1.Equipment Receiving and Training Centre, NAAU, Yantai 264001, China; 2.School of Aeronautic Science and Engineering, BUAA, Beijing 100191, China; 3.Department of Foundation, NAAU, Yantai 264001, China)

Till now there is no way to establish quantitative relation between pilot flying skill and the flight safety. Concerning this issue, the paper developed a kind of pilot skill model based on adaptive optimal control pilot model and the fuzzy comprehensive evaluation method in carrier landing. First, the flying skill sample pool is constructed by different parameters ordered. Then the flying skill model is established by nonlinear regression, and the flying skill model is testified both by simulation comparison and residual analysis. This paper also provides reference in pilot selection by the parameters measurements and flying skill model application.

carrier-based aircraft; pilot model; flying skill; flight safety; nonlinear regression

2016-04-19;

2016-09-01;

時(shí)間:2016-09-22 14:55

國家自然科學(xué)基金資助(51505493，91116019)；國家973計(jì)劃項(xiàng)目(2011CB707002)

劉嘉(1982-)，男，吉林吉林市人，講師，博士研究生，研究方向?yàn)轱w行器設(shè)計(jì)、飛行品質(zhì)和人機(jī)工程。

V212.1

A

1002-0853(2016)06-0006-04