飛行員著艦的多層次模糊綜合評(píng)價(jià)方法

許衛(wèi)寶

海軍裝備部艦船辦公室，北京100071

0 引 言

艦載機(jī)著艦是世界上最危險(xiǎn)也是最困難的任務(wù)之一，著艦時(shí)艦載機(jī)要跟蹤航空母艦的運(yùn)動(dòng)，承受海上復(fù)雜氣流環(huán)境的干擾，準(zhǔn)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(jī)著艦時(shí)稍有不當(dāng)，就會(huì)引起著艦事故。為了確保著艦安全性，要求每一位艦載機(jī)飛行員都必須擁有嫻熟的著艦技能。飛行員著艦評(píng)估在艦載機(jī)飛行員訓(xùn)練中具有非常重要的意義，它可為飛行員著艦訓(xùn)練提供反饋，是提高飛行員著艦技能的有效途徑［1-3］。國(guó)外的飛行員著艦評(píng)估雖然已經(jīng)開(kāi)展很多年，但多數(shù)是運(yùn)用人工評(píng)價(jià)的方法，且采用的是單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)估方法，并沒(méi)有綜合各項(xiàng)指標(biāo)給出飛行員綜合技能評(píng)分［4-7］。目前，國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)針對(duì)于著艦過(guò)程的飛行員評(píng)估研究，本文將分析艦載機(jī)著艦過(guò)程的特點(diǎn)，建立著艦評(píng)估指標(biāo)體系，采用多層次模糊綜合評(píng)價(jià)的方法，對(duì)飛行員的綜合著艦技能進(jìn)行評(píng)估。

1 艦載機(jī)著艦的評(píng)估指標(biāo)

著艦的最終表現(xiàn)由著艦過(guò)程中每個(gè)時(shí)刻的飛行表現(xiàn)綜合決定。通常，艦載機(jī)距離理想著艦點(diǎn)越近，飛行狀態(tài)對(duì)最終阻攔著艦表現(xiàn)影響越大。如圖1所示，根據(jù)對(duì)最終著艦過(guò)程影響的大小，距離理想著艦點(diǎn)由遠(yuǎn)及近，將著艦過(guò)程分為如下幾個(gè)階段。

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

開(kāi)始階段：開(kāi)始階段簡(jiǎn)稱(chēng)為X 階段，它包含艦載機(jī)由轉(zhuǎn)彎進(jìn)場(chǎng)到距離理想著艦點(diǎn)1 524 m 的范圍。在這一階段艦載機(jī)若偏離理想狀態(tài)，后續(xù)還有足夠的時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，因此這一階段對(duì)最終阻攔著艦的影響并不是很大。

中間階段：中間階段簡(jiǎn)稱(chēng)為IM 階段，包含距離理想著艦點(diǎn)1 219～1 524 m 的范圍。中間階段是艦載機(jī)進(jìn)入下滑道飛行的穩(wěn)定階段。因中間階段是開(kāi)始階段的延續(xù)，所以對(duì)最終阻攔著艦的影響較小。

接近階段：簡(jiǎn)稱(chēng)為IC 階段，包含距離理想著艦點(diǎn)609～1 219 m 的范圍。與前兩個(gè)階段相比，接近階段較長(zhǎng)，是飛行狀態(tài)小幅度調(diào)整的階段。接近階段是最終阻攔著艦表現(xiàn)的主要影響階段，因?yàn)榕炤d機(jī)在后續(xù)階段中幾乎沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，其調(diào)整效果直接決定了艦載機(jī)的落點(diǎn)精度。所以與前兩個(gè)階段相比，接近階段對(duì)最終阻攔著艦的影響較大。

決斷階段：簡(jiǎn)稱(chēng)為AR 階段，包含距離理想著艦點(diǎn)183～609 m 的范圍。決斷階段是復(fù)飛決策階段，這個(gè)階段已經(jīng)距離理想著艦點(diǎn)很近，此時(shí)若出現(xiàn)較大的飛行狀態(tài)偏差已沒(méi)有足夠的時(shí)間完成調(diào)整過(guò)程，因此，當(dāng)決斷階段的飛行偏差過(guò)大時(shí)，飛行員只能拉桿使艦載機(jī)復(fù)飛，否則艦載機(jī)將以較大的落點(diǎn)偏差著艦而不能鉤掛阻攔索，進(jìn)而沖出短距離降落跑道，發(fā)生事故。決斷階段的飛行表現(xiàn)關(guān)乎完成阻攔著艦安全性，是阻攔著艦過(guò)程的關(guān)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(diǎn)183 m 至理想著艦點(diǎn)的范圍。在著艦階段，艦載機(jī)尾鉤將著艦，艦載機(jī)能否掛上阻攔索就發(fā)生在這個(gè)階段，著艦階段的飛行表現(xiàn)直接體現(xiàn)了阻攔著艦的最終表現(xiàn)，因此與前幾個(gè)階段相比，著艦階段對(duì)阻攔著艦的影響最大。

根據(jù)不同著艦階段對(duì)阻攔著艦的影響，確定各階段的評(píng)估指標(biāo)如下：

1）開(kāi)始階段、中間階段和接近階段的評(píng)估指標(biāo)。

開(kāi)始階段、中間階段和接近階段都是下滑道調(diào)整過(guò)程，它們對(duì)著艦表現(xiàn)具有相同種類(lèi)的影響，只不過(guò)是影響大小不同而已。它們的評(píng)估指標(biāo)是：下滑道偏差、速度偏差、航跡角偏差、下沉速度、對(duì)中偏差及橫向速度偏差。

2）決斷階段的評(píng)估指標(biāo)。

決斷點(diǎn)一般定位在距離理想著艦點(diǎn)183 m 的位置，飛行員和著艦信號(hào)官主要根據(jù)艦載機(jī)在決斷點(diǎn)的表現(xiàn)判斷艦載機(jī)是否滿(mǎn)足安全著艦的條件，是否需要復(fù)飛。艦載機(jī)在決斷階段的表現(xiàn)可以通過(guò)決斷點(diǎn)的艦載機(jī)狀態(tài)來(lái)評(píng)估，具體評(píng)估指標(biāo)如下：決斷點(diǎn)凈高、決斷點(diǎn)下沉速度、決斷點(diǎn)滾轉(zhuǎn)角及決斷點(diǎn)俯仰角。

3）著艦階段的評(píng)估指標(biāo)。

一般在著艦階段艦載機(jī)飛行員不再做任何調(diào)整，這一階段飛行狀態(tài)的表現(xiàn)僅由艦載機(jī)著艦時(shí)刻的狀態(tài)表現(xiàn)決定，因此著艦階段的評(píng)估指標(biāo)即艦載機(jī)尾鉤著艦時(shí)刻的評(píng)估指標(biāo)，它們是尾鉤著艦時(shí)刻的橫向落點(diǎn)偏差、尾鉤著艦時(shí)刻的縱向落點(diǎn)偏差、尾鉤著艦時(shí)刻的艦載機(jī)下沉速度及尾鉤著艦時(shí)刻的艦載機(jī)滾轉(zhuǎn)角。

2 艦載機(jī)著艦的評(píng)估方法

2.1 著艦評(píng)估指標(biāo)體系的建立和權(quán)重系數(shù)的確定

利用專(zhuān)家打分的形式確定評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。具體方法為：將專(zhuān)家分為3 類(lèi)，即特級(jí)專(zhuān)家、一級(jí)專(zhuān)家和二級(jí)專(zhuān)家；然后，對(duì)專(zhuān)家進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，調(diào)查問(wèn)卷要求專(zhuān)家根據(jù)評(píng)估指標(biāo)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(jí)專(zhuān)家評(píng)分權(quán)重0.9 分，一級(jí)專(zhuān)家評(píng)分權(quán)重0.8 分，二級(jí)專(zhuān)家評(píng)分權(quán)重0.7 分的比重對(duì)所有專(zhuān)家的評(píng)分進(jìn)行加權(quán)平均，最終得到每個(gè)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)［8］。這里，選取了6 名專(zhuān)家（其中特級(jí)專(zhuān)家1 名、一級(jí)專(zhuān)家2 名、二級(jí)專(zhuān)家3名）進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，確定各評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)如圖2 所示。

圖2 指標(biāo)權(quán)重值系數(shù)Fig.2 Weight coefficients of assessment indicators

2.2 單指標(biāo)評(píng)估

在單指標(biāo)評(píng)價(jià)中，評(píng)價(jià)指標(biāo)分為關(guān)鍵時(shí)刻指標(biāo)和過(guò)程指標(biāo)兩類(lèi)，對(duì)于不同的指標(biāo)，采用不同的評(píng)價(jià)方法。

1）關(guān)鍵時(shí)刻指標(biāo)。

所謂關(guān)鍵時(shí)刻指標(biāo)，是指該類(lèi)指標(biāo)只取決于某關(guān)鍵時(shí)刻的指標(biāo)狀態(tài)值。關(guān)鍵時(shí)刻指標(biāo)的評(píng)估只需采用一般的隸屬度函數(shù)對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，在圖2 中，關(guān)鍵時(shí)刻指標(biāo)有：二級(jí)層次里著艦表現(xiàn)中的最大俯仰角、下沉速度、著艦速度和最大滾轉(zhuǎn)角，決斷點(diǎn)表現(xiàn)中的決斷點(diǎn)凈高、決斷點(diǎn)下沉速度、決斷點(diǎn)滾轉(zhuǎn)角和決斷點(diǎn)俯仰角；三級(jí)層次里落點(diǎn)情況中的縱向落點(diǎn)偏差和橫向落點(diǎn)偏差。對(duì)于關(guān)鍵時(shí)刻指標(biāo)，采用一般的隸屬度函數(shù)對(duì)其評(píng)價(jià)需要選擇合適的隸屬度函數(shù)和參數(shù)。對(duì)于參考值為明確量值的指標(biāo)，選擇三角隸屬度函數(shù)，對(duì)于參考值為一個(gè)區(qū)域范圍的，選擇正態(tài)隸屬度函數(shù)。其中，三角隸屬度函數(shù)表示為

正態(tài)隸屬度函數(shù)表示為

具體的隸屬度函數(shù)選擇及相關(guān)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值如表1 所示。

表1 隸屬度函數(shù)類(lèi)型及參數(shù)Tab.1 Subordinate functions types and parameters

2）過(guò)程指標(biāo)。

所謂過(guò)程指標(biāo)，是指該類(lèi)指標(biāo)值由一個(gè)過(guò)程內(nèi)各個(gè)時(shí)刻的指標(biāo)狀態(tài)決定，過(guò)程數(shù)據(jù)是一個(gè)時(shí)間序列，以序列相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值的偏離度作為評(píng)價(jià)依據(jù)對(duì)測(cè)量值做出評(píng)價(jià)，其中標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。在圖2 中，四級(jí)層次中的所有指標(biāo)均是過(guò)程指標(biāo)。其評(píng)估公式為

2.3 綜合評(píng)估

通過(guò)關(guān)鍵時(shí)刻指標(biāo)和過(guò)程指標(biāo)的評(píng)價(jià)，可以得到需要評(píng)價(jià)的指標(biāo)在某組數(shù)據(jù)情況下的得分，接下來(lái)，便進(jìn)行綜合評(píng)估。

通過(guò)權(quán)重值系數(shù)的計(jì)算，可以得到每一層次指標(biāo)的權(quán)重值系數(shù)，分別用wi，wij，wijq和wijqp代表第1、第2、第3 和第4 層指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，其中下腳標(biāo) 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(biāo)的層級(jí)關(guān)系，如圖3 所示。相應(yīng)地，用具有相同腳標(biāo)的fi，fij，fijq和fijqp代表第1、第2、第3 和第4 層指標(biāo)的評(píng)估得分。

每一層次中各因素評(píng)估得分則是由其相對(duì)應(yīng)的所有下一層次因素的權(quán)重值系數(shù)組成的權(quán)重值系數(shù)向量與它們的評(píng)估得分組成的評(píng)估得分列向量相乘所得，用相同的方法進(jìn)行逐層計(jì)算，則最后得到的得分便是整個(gè)評(píng)估模型綜合評(píng)估后所得的得分。

圖3 一組數(shù)據(jù)評(píng)估得分Fig.3 Algorithm performance rating of a set of the data

三級(jí)層次中，各因素的得分為

二級(jí)層次中，各因素的得分為

一級(jí)層次中，各因素的得分為

整個(gè)評(píng)估模型的最終評(píng)估得分為

綜合上述評(píng)估方法，在得到一組著艦數(shù)據(jù)后，便能算出此次著艦的最終評(píng)估得分，從而對(duì)該著艦過(guò)程做出評(píng)估。

3 評(píng)估方法仿真及驗(yàn)證

運(yùn)用飛行員在回路的艦載機(jī)模擬系統(tǒng)進(jìn)行著艦過(guò)程仿真，得到了10 組著艦仿真數(shù)據(jù)，將仿真數(shù)據(jù)作為評(píng)估數(shù)據(jù)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(píng)價(jià)體系。利用評(píng)價(jià)體系，對(duì)10 組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行評(píng)分，可以得到10 組數(shù)據(jù)的綜合評(píng)分，圖3 給出了其中一組仿真數(shù)據(jù)的評(píng)分。同時(shí)，專(zhuān)家對(duì)此10 組數(shù)據(jù)也進(jìn)行評(píng)分，得到10 組專(zhuān)家的評(píng)估結(jié)果如表2 所示。

表2 10 組數(shù)據(jù)的綜合評(píng)分及專(zhuān)家評(píng)估結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of algorithm performance rating with expert rating of ten sets of the data

將10 組評(píng)估數(shù)據(jù)與10 組專(zhuān)家評(píng)估結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并使用THEIL 不等系數(shù)法對(duì)兩份數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。THEIL 不等系數(shù)是一種量度兩個(gè)序列一致性的指標(biāo)，當(dāng)THEIL 不等系數(shù)接近0 時(shí)，表明兩個(gè)序列完全一致，反之，當(dāng)不等系數(shù)接近1 時(shí)，表明兩個(gè)序列完全不一致。對(duì)于單輸出序列，THEIL不等系數(shù)定義為［9］：

式中：Pi為10 組數(shù)據(jù)仿真結(jié)果，i=1，2，…，10；實(shí)際輸出序列Ai是專(zhuān)家對(duì)10 組數(shù)據(jù)的評(píng)估得分，i=1，2，…，10。將數(shù)據(jù)代入相應(yīng)的THEIL 公式，計(jì)算可得u=0.038 6，因?yàn)閡 十分接近于0，根據(jù)THEIL 公式，可以認(rèn)為綜合評(píng)估得分與專(zhuān)家評(píng)估得分的一致度很高。

4 結(jié) 語(yǔ)

艦載機(jī)阻攔著艦與一般的著陸過(guò)程相比雖然縮短了降落滑跑的距離，但卻提高了對(duì)艦載機(jī)著艦落點(diǎn)的精度要求，增加了著艦過(guò)程的危險(xiǎn)性。為了保證艦載機(jī)準(zhǔn)確的落在阻攔區(qū)域內(nèi)，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(yán)格控制艦載機(jī)在著艦過(guò)程中的位置和姿態(tài)。飛行員阻攔著艦評(píng)估是為飛行員的阻攔著艦訓(xùn)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(píng)估體系，基于多層次模糊分析方法實(shí)現(xiàn)了飛行員的阻攔著艦評(píng)估，經(jīng)驗(yàn)證，該方法的評(píng)估結(jié)果與專(zhuān)家的評(píng)估結(jié)果基本一致，可為提高艦載機(jī)飛行員的著艦技能提供支撐。

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