基于熵權法和斜率相似度的飛機動作質量評價方法?

顏廷龍 李 瑛 王鳳芹

（海軍航空大學岸防兵學院 煙臺 264001）

1 引言

飛行動作質量評價是提升飛行員訓練質量的關鍵手段之一?？茖W的評價飛行員飛行質量的好壞，對提高飛行員的飛行駕駛水平，有著重要意義［1］。在目前的海軍航空兵飛行訓練管理中，飛行動作質量主要采取飛行教員主觀評價的方式，由教員觀察飛行過程后對飛行員的動作進行打分。主觀評價依賴于飛行教員的經驗判斷，尚無較好的自動評價算法，本文對這一問題展開研究。

飛行動作是指飛行人員按照飛行訓練大綱要求操縱飛機所作的機動飛行［2］。雖然飛行訓練大綱在理論上規定了每種動作的動作要領，但一方面大綱規定很難用以量化的評判飛行動作質量［3］，另一方面，飛行動作會根據實際的客觀飛行情況進行一些變化，飛行教員僅通過觀察飛機姿態的變化具有一定的偶然性［4］。所以如何將飛行大綱的規定量化，并排除主觀因素的影響，是需要解決的問題。目前國內對飛行動作評價已有一些研究，在文獻［5］中王奔馳等提出了一種AHP-TOPSIS綜合集成的評價方法。分別采用AHP法和TOPSIS法確定主觀權重值、進行評價指標值的規范化和排序計算。劉莉雯等在文獻［6］中對真實的飛行參數數據建立綜合評估模型，同時考察多次航班的多個飛行參數，給出綜合的飛行品質評估結論，為飛行評估、訓練提供理論基礎和科學的評判方法。錢鑫等在文獻［7］中提出了一種軍用飛機飛行員操縱品質評估數學模型，克服了傳統定性評估難以保證客觀、公正的缺點。

飛行數據是一種多元時間序列數據［8］，本文根據各個變量的時間序列的相似度度量評價飛行動作，并結合領域專家的經驗，選取恰當的評價指標，應用基于斜率的時間序列相似度衡量多個飛行參數的得分值，應用熵權法確定各指標的權重，最終建立基本飛行動作質量評價模型。

2 飛行動作的相似度度量

評價飛行動作質量，必須制定恰當的飛行動作評價標準。通常評判飛行員動作的好壞，通常由飛行教員根據標準飛行動作與實際飛行情況之間的偏差程度來判斷飛行員的飛行質量，所以本文根據飛行動作數據段中每個評價指標的與標準動作樣本集中對應評價指標的時間序列相似程度作為飛行動作的評價標準。

由文獻［9］可知，常用的序列相似度度量方法有普通范數距離，動態時間彎曲距離和模式距離等。其中模式距離具有更貼近序列本身的結構和物理定義的優點，但是其描述比較粗糙，得出的結論比較模糊，不便于直接使用［10］。本文選用改進的模式距離作為評價數據段與標準樣本集的相似程度的度量方法。根據文模式距離的定義，飛行數據序列可表示為（模式，時刻）對的形式：

式中 mi∈M，i=1，2，…，n，M={-1，0，1}表示序列的狀態變化，包括上升，保持，下降。 t1，t2，…，tn為模式結束時間，n為模式的數量。

由于原有模式距離只能表示序列是否發生變化，而無法表達序列變化的大小，本文提出使用飛行數據時間序列相鄰兩節點之間的斜率代替原有的模式距離中三元的模式，首先飛行數據時間序列可分段線性表示為

式中xi-1，xi表示飛行數據序列中分段直線的初值和終值，t1，t2，…，tn為直線段結束時間，n-1為直線段數量。

第i段直線段的斜率為

設S′是待評價的待評價的某參數飛行數據段，S″是該參數的標準樣本集。S′和S″的表達式為

則S′和S″的斜率距離為

考慮到斜率的方向問題，引入自適應參數γ，其中：

引入自適應參數γ后待評價的某參數飛行數據段與標準樣本集的距離為

式中，tn是飛行數據段總長度，此時第i個數據段第j個參數的得分為

3 飛行動作質量評價模型的構建

3.1 評價指標的選取

進行基本飛行動作質量評價，需要選取適當的評價指標。飛行數據中包含多種參數，評價指標的選取要遵循易量化和系統性的原則［11］。本文針對五個基本飛行動作，根據領域內相關專家的經驗，得出以下飛行動作評價指標體系，如表1所示。

表1 基本動作評價指標

3.2 評價指標權重系數的確定

本文建立基于熵權法的飛行動作質量評價模型，其中熵是用來描述某項指標在評價系統中的影響大小，即熵值越小，指標的重要程度越高，其在評價系統中的權重也就越大［12］。因此，本文使用熵權法，客觀地計算飛行動作質量評價模型各個指標的權重，再得到權重的基礎上，根據各項參數的評分結果，對整個飛行動作的質量進行評價。

設飛行員某次飛行的飛行數據經過算法識別和劃分之后，某一基礎動作段有m段，選取飛行數據參數有n個，Xij為第i個數據段第 j個參數的得分。為了便于后續運算，統一量綱，對數據Xij進行歸一化處理：

式中rij為歸一化后的分數，組成新的決策矩陣R=(rij)m×n。則第i個數據段第 j個參數的貢獻度為

形成貢獻度矩陣R=(rij)m×n，則在整個飛行過程中所有的某類基本動作段對參數j貢獻度為

即可求得各個指標所占的權重為

3.3 飛行動作最終評分

該次飛行這一類基本動作的評分為

重復上述步驟，可以分別得到飛行員各個基本動作類的評分，每一項基本動作的評分滿分為1，分數越高說明飛行員該項動作的質量越高。

4 飛行動作質量評價模型試驗

某次飛行任務產生的數據經過系統數據預處理、動作識別和劃分后，可得到若干的基本飛行動作數據段，運用式（8）～（12）將基本飛行動作數據段與標準模板數據進行比較，得到該段的評分結果，其中表2是該次飛行任務所有俯沖躍升類段的評分結果。由式（13）可以得到俯沖躍升類動作評價指標的權重向量為v1=[0.2146 0.1433 0.1677 0.1502 0.1945 0.1338]，再根據式（14）依次算出單一俯沖躍升段的評分，再根據式（15）依次算出該次飛行俯沖躍升段的評分為0.78。

表2 俯沖躍升類動作段評分

從海軍航空兵飛行訓練系統中選擇10組學員科目飛行數據，運行本文的評價算法，得到基本飛行動作評價得分結果如表2所示，由于教員主觀打分為百分制，所以為了便于分析，將系統評分轉化為百分制，系統評分與教員打分折線圖如圖1所示。

圖1 系統與教員打分折線圖

從圖1分析可知，系統評價結果和教員的評分基本一致，在個別組上略有偏差，主要原因是教員在評價飛行動作時，會更關注有難度的動作飛行質量，主觀分配的權重較高，而系統針對五種基本飛行動作采用相同的權重。根據表3數據，學員在平飛類上的得分均較高，造成總分也會被拉高，考慮實際業務應用，應該調整系統的各個動作的評價權重，給予難度較高、更為重要的基本動作更大的權重。綜上所述，經飛行數據檢驗可知，本文的算法可用于系統評價基本飛行動作質量。

表3 基本飛行動作評價模型評分

從圖1分析可知，系統評價結果和教員的評分基本一致，在個別組上略有偏差，主要原因是教員在評價飛行動作時，會更關注有難度的動作飛行質量，主觀分配的權重較高，而系統針對五種基本飛行動作采用相同的權重。根據表3數據，學員在平飛類上的得分均較高，造成總分也會被拉高，考慮實際業務應用，應該調整系統的各個動作的評價權重，給予難度較高、更為重要的基本動作更大的權重。綜上所述，經飛行數據檢驗可知，本文的算法可用于系統評價基本飛行動作質量。

5 結語

本文提出了基于熵權法和斜率相似度的飛行動作質量評價算法，根據專家的意見，歸納出各個基礎動作的評價指標，應用基于斜率的時間序列相似度計算多個飛行參數的得分值，應用熵權法確定各評價指標的權重，建立飛行動作質量評價模型。實驗結果表明，模型可以較好地評價飛行員的飛行動作質量。