基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)飛風(fēng)險(xiǎn)決策技術(shù)研究

李 暉，王 雅，蘇曉東，朱齊丹

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，黑龍江省 哈爾濱 150028；2.哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院，黑龍江省 哈爾濱 150001)

1 引言

由于復(fù)飛問題的重要性，決策形勢的嚴(yán)峻性，從艦機(jī)適配安全性角度考慮，復(fù)飛決策技術(shù)相比于引導(dǎo)著艦技術(shù)重要性毫不遜色，深入分析艦載機(jī)復(fù)飛機(jī)動過程，精確建立復(fù)飛運(yùn)動模型以及合理制定復(fù)飛決策是有著理論與實(shí)際意義的[1-3]。

目前可見的復(fù)飛決策研究多是在明確艦載機(jī)初始飛行狀態(tài)的基礎(chǔ)上，依據(jù)復(fù)飛航跡曲線簇建立復(fù)飛風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，作為劃分有無撞艦風(fēng)險(xiǎn)的定性判別依據(jù)，不能定量地，實(shí)時(shí)地針對任意初始復(fù)飛狀態(tài)進(jìn)行決策，對著艦指揮官(Landing Signal Officer，LSO)判斷艦載機(jī)當(dāng)前復(fù)飛風(fēng)險(xiǎn)和未來風(fēng)險(xiǎn)變化趨勢的事實(shí)刻畫較為粗糙。

為彌補(bǔ)定性復(fù)飛決策技術(shù)的局限性，本文在分析復(fù)飛機(jī)動過程，建立高度損失較小的軍用推力與升降舵綜合控制復(fù)飛運(yùn)動模型的基礎(chǔ)上，針對傳統(tǒng)復(fù)飛決策方法定量性的不足，提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)飛風(fēng)險(xiǎn)決策方法，實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前飛行狀態(tài)下的艦載機(jī)復(fù)飛風(fēng)險(xiǎn)，比較不同輸入變量的對復(fù)飛剩余距離的影響，通過實(shí)例分析證明方法的準(zhǔn)確性。

2 復(fù)飛運(yùn)動模型

傳統(tǒng)的艦載機(jī)軍用推力復(fù)飛運(yùn)動模型建立的基礎(chǔ)是美國海軍航空發(fā)展中心Robert B.Johnstone教授于1968年提出的經(jīng)典安全復(fù)飛準(zhǔn)則，從艦尾凈高、駕駛員指令反應(yīng)延遲和復(fù)飛操縱手段三個(gè)角度對復(fù)飛安全提出要求[4,,5]，模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軍用推力復(fù)飛系統(tǒng)

(1)

軍用推力復(fù)飛技術(shù)應(yīng)用廣泛，但由于單一油門操縱的推力限制，復(fù)飛過程中速度增大的同時(shí)迎角減小，較大的高度損失不僅增加了復(fù)飛風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也給駕駛員造成心理壓力，這對于保證艦載機(jī)著艦安全是非常不利的。

現(xiàn)代高機(jī)動性能飛機(jī)在控制能力提升的條件下，以降低復(fù)飛高度損失為出發(fā)點(diǎn)，在原軍用推力操控的基礎(chǔ)上，增加升降舵控制，組成軍用推力與升降舵綜合控制系統(tǒng)：結(jié)合駕駛員油門操控和縱向駕駛桿控制，推力增加的同時(shí)維持合適迎角，以此來減少高度損失[7-12]。

近年來廣泛應(yīng)用的是利用模糊控制保持迎角恒定的升降舵操縱方式[13]，建立的軍用推力與升降舵綜合控制復(fù)飛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軍用推力與升降舵綜合控制復(fù)飛系統(tǒng)

如圖3所示為兩種復(fù)飛操作方式得到的包線對比圖。綜合操控復(fù)飛模型風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域顯著減小，較單一軍用推力操控區(qū)域縮小約3倍，多通道協(xié)同作用的操控方法可以在允許的條件下減少不必要的復(fù)飛，不僅提高了風(fēng)險(xiǎn)評估的準(zhǔn)確性，而且降低了駕駛員飛行壓力，這種雙通道綜合控制模型符合實(shí)際復(fù)飛操作情況，可以作為后續(xù)復(fù)飛決策技術(shù)的研究對象。

圖3 不同操縱方式復(fù)飛包線

3 復(fù)飛狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析

艦載機(jī)復(fù)飛過程中，駕駛員面臨的最主要風(fēng)險(xiǎn)——“復(fù)飛撞艦風(fēng)險(xiǎn)”，是指在復(fù)飛過程的近艦階段艦載機(jī)尾鉤或其它部位撞擊航母甲板尾端的危險(xiǎn)情況。由于進(jìn)艦速度較快，駕駛員來不及做出反應(yīng)，僅在艦尾附近對復(fù)飛風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估是不實(shí)用的，如果能夠在進(jìn)艦全過程中實(shí)時(shí)評估復(fù)飛風(fēng)險(xiǎn)，那么就可以依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)量值決策復(fù)飛，但由于艦載機(jī)飛行狀況的復(fù)雜性和未來狀態(tài)的不確定性，風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)難度很大，如圖4所示為艦載機(jī)撞艦過程示意圖[14-16]。

圖4 軍用推力與升降舵綜合控制復(fù)飛系統(tǒng)

圖4中，t1時(shí)刻艦載機(jī)距離航母較遠(yuǎn)，但此時(shí)采取復(fù)飛機(jī)動就已經(jīng)處于“尾鉤撞艦”的高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，因?yàn)榧词寡貓D中的標(biāo)準(zhǔn)復(fù)飛航跡拉起，仍會在復(fù)飛過程的t2時(shí)刻發(fā)生撞艦事故，但僅根據(jù)t1時(shí)刻飛行狀態(tài)預(yù)測復(fù)飛風(fēng)險(xiǎn)是比較困難的，因?yàn)閠2時(shí)刻事故發(fā)生的原因，可能是t1時(shí)刻位置過低，飛行迎角過小，俯仰角波動速度較大或當(dāng)前風(fēng)速和流場引起機(jī)體下沉等，只有將所有影響因素一一列舉，并依據(jù)它們建立高維空間概率分布函數(shù)，才可能準(zhǔn)確量化t1時(shí)刻風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文欲建立的復(fù)飛風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)函數(shù)應(yīng)為作用于整個(gè)下滑過程中，關(guān)于艦載機(jī)各飛行狀態(tài)量和環(huán)境量的高維空間連續(xù)函數(shù)。所謂t1時(shí)刻“撞艦風(fēng)險(xiǎn)”，即為t2時(shí)刻實(shí)際撞艦事故發(fā)生的概率

(2)

步驟1：選取tk時(shí)刻艦載機(jī)飛行狀態(tài)(位置、姿態(tài))和環(huán)境信息作為初始狀態(tài)量，依據(jù)軍用推力與升降舵綜合控制復(fù)飛模型繪制tk時(shí)刻作為復(fù)飛起始點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)復(fù)飛航跡；

(3)

其中ΓLowRisk、ΓHighRisk和ΓTransRisk分別為“復(fù)飛低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”、“復(fù)飛高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”和“復(fù)飛過渡風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”。

4 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)飛風(fēng)險(xiǎn)評測

4.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(4)

理論研究表明具有單隱層結(jié)構(gòu)的BP系統(tǒng)可以滿足任意多維映射的需要，且對于n個(gè)輸入單元和q個(gè)輸出單元的3層網(wǎng)絡(luò)，隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)目可以如式(5)確定[14]。

(5)

式中a為0-10常數(shù)，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行試探性選擇，從計(jì)算精度和效率著手，最終確定N=7。

4.2 模型訓(xùn)練與測試

本文建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為4-7-1型的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，如圖5所示，其中隱層和輸出層分別選用雙曲正切S型激活函數(shù)和對數(shù)S型激活函數(shù)，通過離線仿真得到飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)，歸一化后分為訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)兩類，模型經(jīng)600次訓(xùn)練收斂，誤差為0.00014，精度較高。

圖5 復(fù)飛風(fēng)險(xiǎn)評測模型

表1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出

4.3 非線性變換

圖6 撞艦風(fēng)險(xiǎn)與復(fù)飛剩余距離關(guān)系曲線

(6)

(7)

綜上所述，本文建立的復(fù)飛狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)函數(shù)綜合表達(dá)形式為：

(8)

4.4 過渡復(fù)飛風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域

圖7 ΓTransRisk內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域

5 復(fù)飛風(fēng)險(xiǎn)評測仿真實(shí)例

為驗(yàn)證本文提出的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)飛風(fēng)險(xiǎn)評測方法的準(zhǔn)確性，針對不同輸入變量進(jìn)行仿真，分析其對復(fù)飛風(fēng)險(xiǎn)的影響作用。

5.1 飛行速度參量

圖8 復(fù)飛剩余距離三維曲面

圖9 撞艦風(fēng)險(xiǎn)三維曲面

5.2 干擾下沉率參量

圖10 復(fù)飛剩余距離三維曲面

圖11 撞艦風(fēng)險(xiǎn)三維曲面

6 結(jié)論

本文在對艦載機(jī)復(fù)飛機(jī)動過程分析的基礎(chǔ)上，建立了軍用推力與升降舵綜合控制復(fù)飛運(yùn)動模型，仿真結(jié)果表明多通道協(xié)同作用的操控方法降低了復(fù)飛過程中的高度損失和駕駛員心理壓力；針對傳統(tǒng)復(fù)飛決策技術(shù)量化性和實(shí)時(shí)性的不足，設(shè)計(jì)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)飛風(fēng)險(xiǎn)評測方法，通過建立狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)建模區(qū)域，實(shí)時(shí)計(jì)算艦載機(jī)著艦過程的復(fù)飛風(fēng)險(xiǎn)，仿真分析不同輸入變量對復(fù)飛風(fēng)險(xiǎn)的影響，驗(yàn)證本文提出的風(fēng)險(xiǎn)評測方法的準(zhǔn)確性，對兼顧著艦安全和復(fù)飛安全提供了基礎(chǔ)理論支持。