運輸類飛機試飛空中應(yīng)急離機試驗及仿真

曹煜國　王鵬　周偉

摘? 要：介紹了運輸類飛機空中應(yīng)急離機的改裝和離機通用程序，提出了一種基于元胞自動機和智能體仿真空中應(yīng)急離機問題的方法，并給出系統(tǒng)設(shè)計總體思路。按照人-機-環(huán)境思路設(shè)計了體系結(jié)構(gòu)，給出仿真系統(tǒng)整體流程圖，最后開發(fā)了面向?qū)ο蟮目罩袘?yīng)急離機仿真系統(tǒng)，通過對比試驗類飛機應(yīng)急離機試驗和仿真結(jié)果驗證了空中應(yīng)急離機系統(tǒng)的合理性和實用性。

關(guān)鍵詞：試飛試驗;應(yīng)急離機;系統(tǒng)建模

中圖分類號：V217? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）07-0063-03

Abstract： This paper introduces the modification and general program of air emergency departure of transport aircraft， puts forward a method to simulate the problem of air emergency departure based on cellular automata and agent， and gives the general idea of system design. The architecture is designed according to the man-machine-environment idea， and the overall flow chart of the simulation system is given. Finally， an object-oriented air emergency departure simulation system is developed. The rationality and practicability of the air emergency departure system are verified by comparing the emergency departure test and simulation results of experimental aircraft.

Keywords： flight test; emergency departure; system modeling

1 概述

運輸類飛機主要包括軍用運輸機、民航飛機以及其他一些特種飛機（如預(yù)警機、電子偵察機、反潛機、干擾機等）。運輸類飛機試飛試驗是飛機在真實飛行條件下進行科學(xué)研究和飛機鑒定、定型的過程。飛機試飛科目復(fù)雜，試飛架次較多，其中包線擴展，顫振、失速、起落架、排煙、發(fā)動機空中啟動等試飛科目中有很多風(fēng)險科目，空中應(yīng)急離機系統(tǒng)是飛行試驗或執(zhí)行任務(wù)過程中保證機組和機上工程師迅速離機的應(yīng)急救生系統(tǒng)。

目前對于空中應(yīng)急離機研究主要有計算機仿真、實景應(yīng)急離機、原機應(yīng)急離機三種手段。通過計算機對艙內(nèi)布置、環(huán)境等進行建模，對應(yīng)急離機過程進行仿真。實景離機試驗是人為制造的空中離機環(huán)境下研究應(yīng)急離機及其各種因素的影響規(guī)律;在進行大量計算機仿真和實景離機試驗的基礎(chǔ)上，優(yōu)化原機應(yīng)急離機布局，通過原機應(yīng)急演練熟悉并固化離機流程，提高逃生效率。

2 空中應(yīng)急離機系統(tǒng)改裝

在運輸類飛機試驗之前需要對飛機進行應(yīng)急離機改裝，改裝內(nèi)容包括應(yīng)急卸壓裝置、應(yīng)急離機門改裝、應(yīng)急離機通道、輔助設(shè)施、應(yīng)急照明、聲光告警裝置、機內(nèi)通話裝置、跳傘鋼索、救生物品柜、應(yīng)急供電等。具體工作內(nèi)容如下：

（1）應(yīng)急卸壓改裝主要考慮飛機承載能力和人體耐受極限兩方面因素，卸壓口蓋開啟裝置包括運動式開啟和拋放式開啟。

（2）離機通道改裝主要包括離機扶手加裝、艙內(nèi)棱角、尖銳物圓滑處理、銀光條鋪設(shè);扶手加裝高度為1.0m～1.2m，直徑約Φ=35mm，扶手距離在500mm～700mm之間。

（3）聲光告警系統(tǒng)包括離機控制板（包括跳傘控制、離機完畢信號）、三色應(yīng)急燈、聲音警報信號、離機反饋按鈕。三色燈由紅、黃、綠組成，代表停止跳傘、準(zhǔn)備跳傘、跳傘三種狀態(tài)，指示燈亮度在660cd/m2～1300cd/m2，指示燈的安裝必須無遮擋，保證機上人員能夠明顯看到指示信號，且撤離時指示燈不會對機上人員趙成阻擋和其他負(fù)面影響;在副駕駛離機時需要按下“離機完畢反饋”按鈕，正駕駛最后離機。

（4）機內(nèi)通話裝置為滿足機組和機上工程師進行通話，機上工程師需要隨時聽到機組的通知和口令，但機上工程師耳麥需要集成送話器以免持續(xù)的后艙噪音和其他不必要雜音干擾機組。

（5）離機鋼索位置設(shè)置在應(yīng)急離機門旁，合適高度方便掛鎖。

（6）救生物品柜包括機組救生物品柜和空勤人員救生物品柜，分別放置在駕駛艙和客艙。

（7）救生裝備包括防護型頭盔、應(yīng)急供氧面罩和氧瓶、救生傘、應(yīng)急包等設(shè)備，救生裝備放置在救生物品柜內(nèi)。

（8）供電系統(tǒng)改裝包括機上供電和蓄電池應(yīng)急供電，

能保證飛機在發(fā)動機空中停車、著火等險情下，蓄電池仍然能夠為聲光告警裝置、應(yīng)急過道燈、機內(nèi)通話等設(shè)備供電。

空中離機流程：

飛機試飛中出現(xiàn)意外緊急情況（例如火情、燃油大量泄漏、飛機無法控制等）時，機上參試人員根據(jù)機長指示按以下對應(yīng)程序進行準(zhǔn)備離機工作。離機順序通常為：試飛工程師或戰(zhàn)勤人員首先按順序離機，然后是通訊員、機械師和副駕駛離機，機長最后離機。表1為空中機組撤離通用程序。

3 空中應(yīng)急離機仿真系統(tǒng)建立

3.1 空中應(yīng)急離機模型選擇

目前研究緊急情況下人員疏散的模型，文中建立的模型必須考慮艙內(nèi)每個乘員角色、個體特征，心理特征等，每個乘員都是一個不同特性的個體，互相之間都存在差別，離機過程必須所有個體的同步運動，會收到艙內(nèi)外環(huán)境和周圍個體的影響。因此選用能體現(xiàn)行為特征的微觀運動模型，將每個網(wǎng)格個體看成是一個“智能體”，文中用到的模型種類有兩種。

一類是元胞自動計模型，這類模型將艙內(nèi)空間離散為很小的網(wǎng)格，用網(wǎng)格的占據(jù)和空缺來模擬艙內(nèi)設(shè)備位置和人員撤離過程，每個單元網(wǎng)格狀態(tài)在同時發(fā)生變化，且每個網(wǎng)格下一秒狀態(tài)由它本身和周圍相鄰的網(wǎng)格狀態(tài)共同決定，最先使用在公交車輛應(yīng)用研究中，用于研究交通數(shù)據(jù)的建模。但存在計算量大、適用范圍小的缺點，例如airEXODUS模型、SIMUEX模型等。

一類是引入智能體的模型，用“智能體”代表單一機組人員、戰(zhàn)勤人員或試飛工程師，通過大量代表機上成員的智能體置于艙內(nèi)離散仿真空間中，來研究他們總體的行為，并引入智能體周圍信息掌握程度和心理變化等參數(shù)，模擬過程中通過迭代方式得出下一個時刻每個智能體的位置。例如Helbing模型和“網(wǎng)格模型”就是很好的例子。

空中應(yīng)急離機模型建立采用元胞自動機模型虛擬艙內(nèi)空間離散為直徑0.5m的正方形網(wǎng)格，將機組人員、戰(zhàn)勤人員或試飛工程師均看成為一個個多智能體，利用兩種模型相結(jié)合的方法對空中應(yīng)急離機過程進行仿真，為了準(zhǔn)確描述某個智能體真實情況，將智能體ai表示為ai=（ηi，li，vi，si，βi）。

其中：ηi代表智能體屬性，li表示智能體的艙內(nèi)位置，vi代表智能體行進速度、si為描述智能體對艙內(nèi)空間信息掌握情況，βi代表理性參數(shù)。

人員最大移動速度收到本身性別和年齡的限制，離機過程中某一時刻運動速度還受到飛行姿態(tài)、前方位置以外障礙物、照明條件、恐慌等級，艙內(nèi)損壞程度等影響，采用加權(quán)法計算對撤離速度產(chǎn)生的總影響，其中人員i運動速度計算公式如下：

式中：MAX（. ， .）為取兩值中最大值;vimax為人員i最大運動速度;λi為人員i飛行姿態(tài)影響因子，恐慌水平影響因子，以外障礙物影響因子，客艙照明條件影響因子，艙內(nèi)損壞程度影響因子等;μi為人員i是否存在不利飛行姿態(tài)、恐慌水平、有可越障礙、客艙照明水平，艙內(nèi)損壞程度等。

3.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

為了更好解決空中應(yīng)急離機仿真問題，準(zhǔn)確地為應(yīng)急離機提供高效的離機方案，引入元胞自動機模型和智能體模型理念設(shè)計空中應(yīng)急離機模型，設(shè)計并開發(fā)空中離機仿真系統(tǒng)。采用C++設(shè)計語言，基于MFC進行開發(fā)，圖1為應(yīng)急離機整體流程圖，圖2為仿真系統(tǒng)軟件界面。

4 軟件功能介紹和驗證

軟件界面主要包括艙內(nèi)人員特性設(shè)置，飛行特性設(shè)置，環(huán)境特性設(shè)置，仿真平面區(qū)域，報告輸出等功能。

4.1 人員的特性設(shè)置

人的特性模塊主要指個體特性，包括基本信息、生理特性和心理特性。基本信息包括名字、工號、身份（包括機長、副駕駛、其他機組和試飛工程師）等。生理特性指人的性別、年齡、體重、肥胖程度、最大前向行走速度、穿戴救生傘時間、佩戴應(yīng)急氧時間，視野等。心理特性包括反應(yīng)時間、應(yīng)急離機出口遲疑時間、恐慌水平、耐心、環(huán)境熟知程度等。出口遲疑時間指在出口處，由于特定環(huán)境的影響，如飛機氣流波動、飛行高度較高等造成機組和試飛工程師在離機前出現(xiàn)遲疑。

4.2 飛機特性設(shè)置

飛機的特性設(shè)置包括飛機參數(shù)和離機場景的物理環(huán)境設(shè)置，飛機參數(shù)包括飛行高度、速度、俯仰角、應(yīng)急卸壓狀態(tài)等參數(shù);離機場景包括空中應(yīng)急出口數(shù)量、類型（尾艙門、向下離機通道、爆炸應(yīng)急門等）以及開啟時間，座椅數(shù)量、位置，任務(wù)操縱臺數(shù)量和位置，衛(wèi)生間，過道寬度等。

4.3 環(huán)境參數(shù)設(shè)置

環(huán)境參數(shù)設(shè)置包括座艙環(huán)境溫度、艙壓、亮度、噪聲、火、毒氣、濃煙等。環(huán)境亮度、濃煙等將影響離機過程和速度。離機過程中如果有機組成員進行指揮，撤離時間將會縮短，而如果周圍噪聲過大，將會影響到指揮的效果。

在某型民用飛機在試飛中艙內(nèi)布局為例，因執(zhí)行科目時需要試飛工程師配合完成，機上人員包括3名試飛員和6名試飛工程師。在飛行前對離機流程進行仿真，共完成100次空中應(yīng)急離機仿真計算，輸出總離機時間平均值T為24.8s，最小值Tmin為23s，最大值Tmax為26.5s;仿真后進行地面離機演練，為模擬真實的飛行情況，機組與試飛工程師們在飛機上進行空中應(yīng)急離機地面演練，演練人員從機長發(fā)出“準(zhǔn)備離機”命令開始，機上人員按照離機程序進行應(yīng)急離機，經(jīng)25.3s機上人員完成離機，仿真結(jié)果與地面演練結(jié)果一致，結(jié)果可信。

5 結(jié)束語

本文在傳統(tǒng)基于元胞自動機應(yīng)急離機撤離算法的基礎(chǔ)上，針對運輸類飛機試飛時空中應(yīng)急撤離應(yīng)用對象，設(shè)計了機上應(yīng)急離機仿真系統(tǒng)。按照人-機-環(huán)境系統(tǒng)的思想構(gòu)建了仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。仿真實例驗證結(jié)果表明設(shè)計的空中應(yīng)急離機仿真系統(tǒng)具有一定的實用性。該仿真系統(tǒng)建?？捎行е笇?dǎo)應(yīng)急離機改裝設(shè)計人員進行空中應(yīng)急離機系統(tǒng)的安全性設(shè)計，并可對系統(tǒng)的布置方案進行離機性能評估，進而優(yōu)化離機系統(tǒng)布置和離機程序改進。

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