飛行員著艦的多層次模糊綜合評價方法

許衛寶

海軍裝備部艦船辦公室，北京100071

0 引 言

艦載機著艦是世界上最危險也是最困難的任務之一，著艦時艦載機要跟蹤航空母艦的運動，承受海上復雜氣流環境的干擾，準確降落在狹小的航空母艦甲板上完成阻攔著艦。飛行員在操控艦載機著艦時稍有不當，就會引起著艦事故。為了確保著艦安全性，要求每一位艦載機飛行員都必須擁有嫻熟的著艦技能。飛行員著艦評估在艦載機飛行員訓練中具有非常重要的意義，它可為飛行員著艦訓練提供反饋，是提高飛行員著艦技能的有效途徑［1-3］。國外的飛行員著艦評估雖然已經開展很多年，但多數是運用人工評價的方法，且采用的是單項指標評估方法，并沒有綜合各項指標給出飛行員綜合技能評分［4-7］。目前，國內還未見針對于著艦過程的飛行員評估研究，本文將分析艦載機著艦過程的特點，建立著艦評估指標體系，采用多層次模糊綜合評價的方法，對飛行員的綜合著艦技能進行評估。

1 艦載機著艦的評估指標

著艦的最終表現由著艦過程中每個時刻的飛行表現綜合決定。通常，艦載機距離理想著艦點越近，飛行狀態對最終阻攔著艦表現影響越大。如圖1所示，根據對最終著艦過程影響的大小，距離理想著艦點由遠及近，將著艦過程分為如下幾個階段。

圖1 著艦階段劃分Fig.1 Phase division of carrier landing

開始階段：開始階段簡稱為X 階段，它包含艦載機由轉彎進場到距離理想著艦點1 524 m 的范圍。在這一階段艦載機若偏離理想狀態，后續還有足夠的時間進行調整，因此這一階段對最終阻攔著艦的影響并不是很大。

中間階段：中間階段簡稱為IM 階段，包含距離理想著艦點1 219～1 524 m 的范圍。中間階段是艦載機進入下滑道飛行的穩定階段。因中間階段是開始階段的延續，所以對最終阻攔著艦的影響較小。

接近階段：簡稱為IC 階段，包含距離理想著艦點609～1 219 m 的范圍。與前兩個階段相比，接近階段較長，是飛行狀態小幅度調整的階段。接近階段是最終阻攔著艦表現的主要影響階段，因為艦載機在后續階段中幾乎沒有足夠的時間進行調整，其調整效果直接決定了艦載機的落點精度。所以與前兩個階段相比，接近階段對最終阻攔著艦的影響較大。

決斷階段：簡稱為AR 階段，包含距離理想著艦點183～609 m 的范圍。決斷階段是復飛決策階段，這個階段已經距離理想著艦點很近，此時若出現較大的飛行狀態偏差已沒有足夠的時間完成調整過程，因此，當決斷階段的飛行偏差過大時，飛行員只能拉桿使艦載機復飛，否則艦載機將以較大的落點偏差著艦而不能鉤掛阻攔索，進而沖出短距離降落跑道，發生事故。決斷階段的飛行表現關乎完成阻攔著艦安全性，是阻攔著艦過程的關鍵階段。

著艦階段：著艦階段是阻攔著艦的最后階段，包含距離理想著艦點183 m 至理想著艦點的范圍。在著艦階段，艦載機尾鉤將著艦，艦載機能否掛上阻攔索就發生在這個階段，著艦階段的飛行表現直接體現了阻攔著艦的最終表現，因此與前幾個階段相比，著艦階段對阻攔著艦的影響最大。

根據不同著艦階段對阻攔著艦的影響，確定各階段的評估指標如下：

1）開始階段、中間階段和接近階段的評估指標。

開始階段、中間階段和接近階段都是下滑道調整過程，它們對著艦表現具有相同種類的影響，只不過是影響大小不同而已。它們的評估指標是：下滑道偏差、速度偏差、航跡角偏差、下沉速度、對中偏差及橫向速度偏差。

2）決斷階段的評估指標。

決斷點一般定位在距離理想著艦點183 m 的位置，飛行員和著艦信號官主要根據艦載機在決斷點的表現判斷艦載機是否滿足安全著艦的條件，是否需要復飛。艦載機在決斷階段的表現可以通過決斷點的艦載機狀態來評估，具體評估指標如下：決斷點凈高、決斷點下沉速度、決斷點滾轉角及決斷點俯仰角。

3）著艦階段的評估指標。

一般在著艦階段艦載機飛行員不再做任何調整，這一階段飛行狀態的表現僅由艦載機著艦時刻的狀態表現決定，因此著艦階段的評估指標即艦載機尾鉤著艦時刻的評估指標，它們是尾鉤著艦時刻的橫向落點偏差、尾鉤著艦時刻的縱向落點偏差、尾鉤著艦時刻的艦載機下沉速度及尾鉤著艦時刻的艦載機滾轉角。

2 艦載機著艦的評估方法

2.1 著艦評估指標體系的建立和權重系數的確定

利用專家打分的形式確定評估指標的權重系數。具體方法為：將專家分為3 類，即特級專家、一級專家和二級專家；然后，對專家進行問卷調查，調查問卷要求專家根據評估指標的重要程度分別給出1～9 分，最重要的得9 分，最不重要的得1 分；最后，按特級專家評分權重0.9 分，一級專家評分權重0.8 分，二級專家評分權重0.7 分的比重對所有專家的評分進行加權平均，最終得到每個評估指標的權重系數［8］。這里，選取了6 名專家（其中特級專家1 名、一級專家2 名、二級專家3名）進行問卷調查，確定各評估指標的權重系數如圖2 所示。

圖2 指標權重值系數Fig.2 Weight coefficients of assessment indicators

2.2 單指標評估

在單指標評價中，評價指標分為關鍵時刻指標和過程指標兩類，對于不同的指標，采用不同的評價方法。

1）關鍵時刻指標。

所謂關鍵時刻指標，是指該類指標只取決于某關鍵時刻的指標狀態值。關鍵時刻指標的評估只需采用一般的隸屬度函數對其進行評估，在圖2 中，關鍵時刻指標有：二級層次里著艦表現中的最大俯仰角、下沉速度、著艦速度和最大滾轉角，決斷點表現中的決斷點凈高、決斷點下沉速度、決斷點滾轉角和決斷點俯仰角；三級層次里落點情況中的縱向落點偏差和橫向落點偏差。對于關鍵時刻指標，采用一般的隸屬度函數對其評價需要選擇合適的隸屬度函數和參數。對于參考值為明確量值的指標，選擇三角隸屬度函數，對于參考值為一個區域范圍的，選擇正態隸屬度函數。其中，三角隸屬度函數表示為

正態隸屬度函數表示為

具體的隸屬度函數選擇及相關指標的標準值如表1 所示。

表1 隸屬度函數類型及參數Tab.1 Subordinate functions types and parameters

2）過程指標。

所謂過程指標，是指該類指標值由一個過程內各個時刻的指標狀態決定，過程數據是一個時間序列，以序列相對標準值的偏離度作為評價依據對測量值做出評價，其中標準值根據經驗確定。在圖2 中，四級層次中的所有指標均是過程指標。其評估公式為

2.3 綜合評估

通過關鍵時刻指標和過程指標的評價，可以得到需要評價的指標在某組數據情況下的得分，接下來，便進行綜合評估。

通過權重值系數的計算，可以得到每一層次指標的權重值系數，分別用wi，wij，wijq和wijqp代表第1、第2、第3 和第4 層指標的權重系數，其中下腳標 i(i=1，2，3)， j(j=1，2，3，4，5)，q(q=1，2，3，4)，p(p=1，2，3，4)分別代表各層指標的層級關系，如圖3 所示。相應地，用具有相同腳標的fi，fij，fijq和fijqp代表第1、第2、第3 和第4 層指標的評估得分。

每一層次中各因素評估得分則是由其相對應的所有下一層次因素的權重值系數組成的權重值系數向量與它們的評估得分組成的評估得分列向量相乘所得，用相同的方法進行逐層計算，則最后得到的得分便是整個評估模型綜合評估后所得的得分。

圖3 一組數據評估得分Fig.3 Algorithm performance rating of a set of the data

三級層次中，各因素的得分為

二級層次中，各因素的得分為

一級層次中，各因素的得分為

整個評估模型的最終評估得分為

綜合上述評估方法，在得到一組著艦數據后，便能算出此次著艦的最終評估得分，從而對該著艦過程做出評估。

3 評估方法仿真及驗證

運用飛行員在回路的艦載機模擬系統進行著艦過程仿真，得到了10 組著艦仿真數據，將仿真數據作為評估數據源。

按照上述方法，基于MATLAB 建立飛行員著艦的多層次模糊綜合評價體系。利用評價體系，對10 組數據分別進行評分，可以得到10 組數據的綜合評分，圖3 給出了其中一組仿真數據的評分。同時，專家對此10 組數據也進行評分，得到10 組專家的評估結果如表2 所示。

表2 10 組數據的綜合評分及專家評估結果對比Tab.2 Comparison of algorithm performance rating with expert rating of ten sets of the data

將10 組評估數據與10 組專家評估結果進行對比，并使用THEIL 不等系數法對兩份數據進行分析。THEIL 不等系數是一種量度兩個序列一致性的指標，當THEIL 不等系數接近0 時，表明兩個序列完全一致，反之，當不等系數接近1 時，表明兩個序列完全不一致。對于單輸出序列，THEIL不等系數定義為［9］：

式中：Pi為10 組數據仿真結果，i=1，2，…，10；實際輸出序列Ai是專家對10 組數據的評估得分，i=1，2，…，10。將數據代入相應的THEIL 公式，計算可得u=0.038 6，因為u 十分接近于0，根據THEIL 公式，可以認為綜合評估得分與專家評估得分的一致度很高。

4 結 語

艦載機阻攔著艦與一般的著陸過程相比雖然縮短了降落滑跑的距離，但卻提高了對艦載機著艦落點的精度要求，增加了著艦過程的危險性。為了保證艦載機準確的落在阻攔區域內，安全完成阻攔著艦，要求飛行員必須擁有熟練的阻攔著艦技能，嚴格控制艦載機在著艦過程中的位置和姿態。飛行員阻攔著艦評估是為飛行員的阻攔著艦訓練提供反饋，提高飛行員阻攔著艦技能的有效途徑。本文建立了飛行員著艦評估體系，基于多層次模糊分析方法實現了飛行員的阻攔著艦評估，經驗證，該方法的評估結果與專家的評估結果基本一致，可為提高艦載機飛行員的著艦技能提供支撐。

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