基于云霧化的艦載直升機(jī)艦面起降風(fēng)場(chǎng)環(huán)境安全性評(píng)估*

（海軍工程大學(xué)作戰(zhàn)運(yùn)籌與規(guī)劃系 武漢 430033）

1 引言

艦載直升機(jī)廣泛應(yīng)用于各類驅(qū)護(hù)艦上，用于海上搜救、垂直補(bǔ)給、反潛、海上兵力物資投送等任務(wù)［1～3］，具有其他裝備無(wú)法替代的關(guān)鍵作用，尤其是現(xiàn)今075型兩棲攻擊艦下水，艦載直升機(jī)的重要性更為突出。然而，艦面停機(jī)平臺(tái)受艦艇結(jié)構(gòu)、上方建筑物等影響，在艦面形成了較為特殊的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境［4］，由于艦載直升機(jī)低速低空飛行的特性［5］，給直升機(jī)起降造成了一定的難度，給艦載直升機(jī)安全使用增加了風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究評(píng)估艦載直升機(jī)的艦面起降風(fēng)場(chǎng)環(huán)境安全性，建立相應(yīng)的艦面起降風(fēng)場(chǎng)環(huán)境安全性指標(biāo)體系顯得尤為重要。

針對(duì)于艦面起降風(fēng)場(chǎng)環(huán)境安全性指標(biāo)體系而言，為反映出各指標(biāo)對(duì)起降安全的重要性，通常以指標(biāo)權(quán)重大小來(lái)判斷某一指標(biāo)在整個(gè)指標(biāo)體系中的重要性，從而找出對(duì)安全性影響較大的指標(biāo)加以關(guān)注，改進(jìn)并設(shè)計(jì)相應(yīng)的輔助著艦裝置以最大程度的避免艦面風(fēng)場(chǎng)環(huán)境對(duì)直升機(jī)著艦的影響。

目前，確定評(píng)估指標(biāo)權(quán)重的方法有很多，根據(jù)原始數(shù)據(jù)的來(lái)源可劃分為主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法和組合賦權(quán)法［6～8］。在多數(shù)情況下，不同的賦權(quán)方法獲取的指標(biāo)權(quán)重往往不同，當(dāng)前的大多數(shù)指標(biāo)權(quán)重確定方法，都缺少檢驗(yàn)得到的權(quán)重是否合理的過(guò)程，這也使得艦面起降風(fēng)場(chǎng)環(huán)境安全性評(píng)估結(jié)論不夠合理、科學(xué)。因此，如何融合不同賦權(quán)方法所獲取的指標(biāo)權(quán)重是合理評(píng)估安全性關(guān)鍵指標(biāo)的基礎(chǔ)。

在云模型理論［9］基礎(chǔ)上，結(jié)合云霧化［10］性質(zhì)本身具有檢驗(yàn)權(quán)重是否合理的特點(diǎn)，以霧化的臨界條件對(duì)多種賦權(quán)方法所獲取的不同評(píng)估指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行融合，可彌補(bǔ)單種賦權(quán)方法不具有檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果是否合理的不足。

綜上，本文以艦載直升機(jī)艦面起降風(fēng)場(chǎng)環(huán)境為對(duì)象，對(duì)風(fēng)場(chǎng)環(huán)境對(duì)艦載直升機(jī)起降相關(guān)影響因素進(jìn)行分析，建立相應(yīng)的安全性指標(biāo)體系，通過(guò)云霧化方法對(duì)不同賦權(quán)方法進(jìn)行融合，得出更為科學(xué)合理的指標(biāo)權(quán)重，同時(shí)對(duì)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，以指標(biāo)權(quán)重大小來(lái)判斷對(duì)安全性影響較大的指標(biāo)，構(gòu)建出艦載直升機(jī)艦面起降風(fēng)場(chǎng)環(huán)境安全性評(píng)估模型。

2 艦面起降風(fēng)場(chǎng)環(huán)境安全性指標(biāo)體系構(gòu)建

直升機(jī)起飛過(guò)程從停機(jī)平臺(tái)開始升起至艦艇甲板上方一定高度后懸停，而后逐漸移出艦艇舷邊，在懸停位置轉(zhuǎn)向一定角度后，加速爬升或前飛，最后進(jìn)入定常平飛，起飛過(guò)程結(jié)束。降落過(guò)程從定常平飛開始，減速進(jìn)入一定的降高速度和前飛減加速度并保持，而后逐漸將降速至零，從艦艇舷邊進(jìn)入停機(jī)平臺(tái)上方懸停。

艦載直升機(jī)起降時(shí)，在艦面風(fēng)場(chǎng)的作用下，一般會(huì)經(jīng)過(guò)變向區(qū)、尾跡區(qū)、渦流區(qū)三處不同類型空氣流場(chǎng)。參考艦船空氣流場(chǎng)相關(guān)研究［11～12］，可以得出影響艦載直升機(jī)艦面起降安全性的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境指標(biāo)有低壓渦流、側(cè)風(fēng)切變、逆風(fēng)切變、下沖氣流、上沖氣流等。這些指標(biāo)的變化會(huì)造成艦載直升機(jī)“前沖”、“上鼓”、“后頂”等情況的發(fā)生，對(duì)直升機(jī)安全起降和艦艇的安全航行有較大的影響。經(jīng)分析，建立二級(jí)艦面起降風(fēng)場(chǎng)環(huán)境安全性指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 艦面起降風(fēng)場(chǎng)環(huán)境安全性指標(biāo)體系

3 基于云霧化的指標(biāo)權(quán)重優(yōu)化

圖2 云圖的霧化過(guò)程

根據(jù)云霧化性質(zhì)和正態(tài)函數(shù)的3δ原則，當(dāng)時(shí)，99.7%的云滴在最小邊界期望曲線和最大邊界期望曲線之間，此時(shí)云圖的泛正態(tài)狀態(tài)較好。當(dāng)時(shí)，云圖明顯霧化。因此將作為正態(tài)云模型的霧化分界點(diǎn)。

設(shè)w1，w2…，wn分別為不同的賦權(quán)方法獲取的指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，可根據(jù)正態(tài)逆向云發(fā)生器求出該指標(biāo)權(quán)重集的數(shù)字特征。即有：

通過(guò)式（1）～（3）可求得相應(yīng)的云的數(shù)字特征，根據(jù)正態(tài)正向云發(fā)生器生成權(quán)重云。不同賦權(quán)方法生成的權(quán)重云沖突越大，云滴離散度越大，整體呈現(xiàn)霧狀。因此在融合不同賦權(quán)方法生成的權(quán)重時(shí)，可通過(guò)設(shè)法消除權(quán)重云霧化現(xiàn)象得到。

選擇n種不同的賦權(quán)方法確定的指標(biāo)權(quán)重系數(shù)代入式（1）～（3），通過(guò)計(jì)算不同因素的云的數(shù)字特征En和He，若不滿足，則重新選擇指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，直到滿足，此時(shí)的權(quán)重云不存在霧化現(xiàn)象。則可認(rèn)為各種方法所得權(quán)重已經(jīng)統(tǒng)一，則最終的權(quán)重可按式計(jì)算出來(lái)。即有：

根據(jù)云霧化性質(zhì)可知，這種融合方法本身具有檢驗(yàn)集成所求得的綜合權(quán)重是否合理的特點(diǎn)，彌補(bǔ)了其他權(quán)重融合方法不具備檢驗(yàn)結(jié)果是否合理的不足。

最終得到的指標(biāo)融合權(quán)重w*表示艦面起降風(fēng)場(chǎng)環(huán)境安全性指標(biāo)體系各指標(biāo)的重要程度，即對(duì)艦載直升機(jī)起降安全的影響大小，其指標(biāo)權(quán)重越大表示其對(duì)直升機(jī)起降威脅越大，在起降過(guò)程中越應(yīng)重視。

4 算例

針對(duì)于該安全性指標(biāo)體系，分別用德爾菲法、集值迭代法、相對(duì)比較法、層次分析法和連環(huán)比率法計(jì)算出評(píng)估指標(biāo)權(quán)重系數(shù)如表1所示。

表1 五種賦權(quán)方法權(quán)重系數(shù)

而后以云霧化性質(zhì)對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)融合。根據(jù)式（1）～（3）對(duì)不同指標(biāo)四種以上不同賦權(quán)方法獲取權(quán)重系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出相應(yīng)的云模型數(shù)字特征。

限于篇幅，僅對(duì)指標(biāo)——低壓渦流進(jìn)行權(quán)重融合演示，如表2所示。

表2 低壓渦流指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的云數(shù)字特征

同理，對(duì)其余指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行融合，即可得出融合后指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，歸一化處理后得出w*=(0.3836，0.1099，0.1259，0.2448，0.1358)。

對(duì)所得權(quán)重系數(shù)進(jìn)行分析，權(quán)重大小表示各指標(biāo)在艦面起降風(fēng)場(chǎng)環(huán)境安全性指標(biāo)體系中的重要程度。可以看出，低壓渦流、下沖氣流兩者權(quán)重均超過(guò)0.2，在艦載直升機(jī)起降過(guò)程中，其氣流變化應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。同時(shí)，與相關(guān)CFD數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果［13～14］相對(duì)比，上述評(píng)估分析結(jié)果與之相吻合，驗(yàn)證了該方法的可行性。

5 結(jié)語(yǔ)

為保證艦載直升機(jī)安全起降，結(jié)合海上艦面風(fēng)場(chǎng)環(huán)境變化對(duì)直升機(jī)起降的影響，以艦載直升機(jī)艦面起降風(fēng)場(chǎng)環(huán)境為研究對(duì)象，對(duì)風(fēng)場(chǎng)環(huán)境對(duì)艦載直升機(jī)起降相關(guān)影響因素進(jìn)行分析，建立相應(yīng)的安全性指標(biāo)體系，選取低壓渦流、側(cè)風(fēng)切變、下沖氣流、上沖氣流、逆風(fēng)切變等作為安全性指標(biāo)，通過(guò)云霧化方法對(duì)不同指標(biāo)賦權(quán)方法進(jìn)行融合，得出了更為科學(xué)合理的指標(biāo)權(quán)重，以指標(biāo)權(quán)重大小來(lái)判斷對(duì)安全性影響較大的指標(biāo)，最后利用算例對(duì)本文所提出的方法進(jìn)行了正確性驗(yàn)證。算例表明，權(quán)重越大的指標(biāo)對(duì)直升機(jī)起降安全性影響越大，在起降過(guò)程中需重點(diǎn)關(guān)注，同時(shí)改進(jìn)并設(shè)計(jì)相應(yīng)的輔助著艦裝置以避免其對(duì)直升機(jī)著艦的影響，著重檢查，全過(guò)程監(jiān)測(cè)。