运输类飞机试飞空中应急离机试验及仿真

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　　摘  要：介绍了运输类飞机空中应急离机的改装和离机通用程序，提出了一种基于元胞自动机和智能体仿真空中应急离机问题的方法，并给出系统设计总体思路。按照人-机-环境思路设计了体系结构，给出仿真系统整体流程图，最后开发了面向对象的空中应急离机仿真系统，通过对比试验类飞机应急离机试验和仿真结果验证了空中应急离机系统的合理性和实用性。
　　关键词：试飞试验;应急离机;系统建模
　　中图分类号：V217         文献标志码：A         文章编号：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
　　運输类飞机主要包括军用运输机、民航飞机以及其他一些特种飞机（如预警机、电子侦察机、反潜机、干扰机等）。运输类飞机试飞试验是飞机在真实飞行条件下进行科学研究和飞机鉴定、定型的过程。飞机试飞科目复杂，试飞架次较多，其中包线扩展，颤振、失速、起落架、排烟、发动机空中启动等试飞科目中有很多风险科目，空中应急离机系统是飞行试验或执行任务过程中保证机组和机上工程师迅速离机的应急救生系统。
　　目前对于空中应急离机研究主要有计算机仿真、实景应急离机、原机应急离机三种手段。通过计算机对舱内布置、环境等进行建模，对应急离机过程进行仿真。实景离机试验是人为制造的空中离机环境下研究应急离机及其各种因素的影响规律;在进行大量计算机仿真和实景离机试验的基础上，优化原机应急离机布局，通过原机应急演练熟悉并固化离机流程，提高逃生效率。
　　2 空中应急离机系统改装
　　在运输类飞机试验之前需要对飞机进行应急离机改装，改装内容包括应急卸压装置、应急离机门改装、应急离机通道、辅助设施、应急照明、声光告警装置、机内通话装置、跳伞钢索、救生物品柜、应急供电等。具体工作内容如下：
　　（1）应急卸压改装主要考虑飞机承载能力和人体耐受极限两方面因素，卸压口盖开启装置包括运动式开启和抛放式开启。
　　（2）离机通道改装主要包括离机扶手加装、舱内棱角、尖锐物圆滑处理、银光条铺设;扶手加装高度为1.0m～1.2m，直径约Φ=35mm，扶手距离在500mm～700mm之间。
　　（3）声光告警系统包括离机控制板（包括跳伞控制、离机完毕信号）、三色应急灯、声音警报信号、离机反馈按钮。三色灯由红、黄、绿组成，代表停止跳伞、准备跳伞、跳伞三种状态，指示灯亮度在660cd/m2～1300cd/m2，指示灯的安装必须无遮挡，保证机上人员能够明显看到指示信号，且撤离时指示灯不会对机上人员赵成阻挡和其他负面影响;在副驾驶离机时需要按下“离机完毕反馈”按钮，正驾驶最后离机。
　　（4）机内通话装置为满足机组和机上工程师进行通话，机上工程师需要随时听到机组的通知和口令，但机上工程师耳麦需要集成送话器以免持续的后舱噪音和其他不必要杂音干扰机组。
　　（5）离机钢索位置设置在应急离机门旁，合适高度方便挂锁。
　　（6）救生物品柜包括机组救生物品柜和空勤人员救生物品柜，分别放置在驾驶舱和客舱。
　　（7）救生装备包括防护型头盔、应急供氧面罩和氧瓶、救生伞、应急包等设备，救生装备放置在救生物品柜内。
　　（8）供电系统改装包括机上供电和蓄电池应急供电，
　　能保证飞机在发动机空中停车、着火等险情下，蓄电池仍然能够为声光告警装置、应急过道灯、机内通话等设备供电。
　　空中离机流程：
　　飞机试飞中出现意外紧急情况（例如火情、燃油大量泄漏、飞机无法控制等）时，机上参试人员根据机长指示按以下对应程序进行准备离机工作。离机顺序通常为：试飞工程师或战勤人员首先按顺序离机，然后是通讯员、机械师和副驾驶离机，机长最后离机。表1为空中机组撤离通用程序。
　　3 空中应急离机仿真系统建立
　　3.1 空中应急离机模型选择
　　目前研究紧急情况下人员疏散的模型，文中建立的模型必须考虑舱内每个乘员角色、个体特征，心理特征等，每个乘员都是一个不同特性的个体，互相之间都存在差别，离机过程必须所有个体的同步运动，会收到舱内外环境和周围个体的影响。因此选用能体现行为特征的微观运动模型，将每个网格个体看成是一个“智能体”，文中用到的模型种类有两种。 　　一类是元胞自动计模型，这类模型将舱内空间离散为很小的网格，用网格的占据和空缺来模拟舱内设备位置和人员撤离过程，每个单元网格状态在同时发生变化，且每个网格下一秒状态由它本身和周围相邻的网格状态共同决定，最先使用在公交车辆应用研究中，用于研究交通数据的建模。但存在计算量大、适用范围小的缺点，例如airEXODUS模型、SIMUEX模型等。
　　一类是引入智能体的模型，用“智能体”代表单一机组人员、战勤人员或试飞工程师，通过大量代表机上成员的智能体置于舱内离散仿真空间中，来研究他们总体的行为，并引入智能体周围信息掌握程度和心理变化等参数，模拟过程中通过迭代方式得出下一个时刻每个智能体的位置。例如Helbing模型和“网格模型”就是很好的例子。
　　空中應急离机模型建立采用元胞自动机模型虚拟舱内空间离散为直径0.5m的正方形网格，将机组人员、战勤人员或试飞工程师均看成为一个个多智能体，利用两种模型相结合的方法对空中应急离机过程进行仿真，为了准确描述某个智能体真实情况，将智能体ai表示为ai=（ηi，li，vi，si，βi）。
　　其中：ηi代表智能体属性，li表示智能体的舱内位置，vi代表智能体行进速度、si为描述智能体对舱内空间信息掌握情况，βi代表理性参数。
　　人员最大移动速度收到本身性别和年龄的限制，离机过程中某一时刻运动速度还受到飞行姿态、前方位置以外障碍物、照明条件、恐慌等级，舱内损坏程度等影响，采用加权法计算对撤离速度产生的总影响，其中人员i运动速度计算公式如下：
　　
　　
　　式中：MAX（. ， .）为取两值中最大值;vimax为人员i最大运动速度;λi为人员i飞行姿态影响因子，恐慌水平影响因子，以外障碍物影响因子，客舱照明条件影响因子，舱内损坏程度影响因子等;μi为人员i是否存在不利飞行姿态、恐慌水平、有可越障碍、客舱照明水平，舱内损坏程度等。
　　3.2 系统功能实现
　　为了更好解决空中应急离机仿真问题，准确地为应急离机提供高效的离机方案，引入元胞自动机模型和智能体模型理念设计空中应急离机模型，设计并开发空中离机仿真系统。采用C++设计语言，基于MFC进行开发，图1为应急离机整体流程图，图2为仿真系统软件界面。
　　4 软件功能介绍和验证
　　软件界面主要包括舱内人员特性设置，飞行特性设置，环境特性设置，仿真平面区域，报告输出等功能。
　　4.1 人员的特性设置
　　人的特性模块主要指个体特性，包括基本信息、生理特性和心理特性。基本信息包括名字、工号、身份（包括机长、副驾驶、其他机组和试飞工程师）等。生理特性指人的性别、年龄、体重、肥胖程度、最大前向行走速度、穿戴救生伞时间、佩戴应急氧时间，视野等。心理特性包括反应时间、应急离机出口迟疑时间、恐慌水平、耐心、环境熟知程度等。出口迟疑时间指在出口处，由于特定环境的影响，如飞机气流波动、飞行高度较高等造成机组和试飞工程师在离机前出现迟疑。
　　4.2 飞机特性设置
　　飞机的特性设置包括飞机参数和离机场景的物理环境设置，飞机参数包括飞行高度、速度、俯仰角、应急卸压状态等参数;离机场景包括空中应急出口数量、类型（尾舱门、向下离机通道、爆炸应急门等）以及开启时间，座椅数量、位置，任务操纵台数量和位置，卫生间，过道宽度等。
　　4.3 环境参数设置
　　环境参数设置包括座舱环境温度、舱压、亮度、噪声、火、毒气、浓烟等。环境亮度、浓烟等将影响离机过程和速度。离机过程中如果有机组成员进行指挥，撤离时间将会缩短，而如果周围噪声过大，将会影响到指挥的效果。
　　在某型民用飞机在试飞中舱内布局为例，因执行科目时需要试飞工程师配合完成，机上人员包括3名试飞员和6名试飞工程师。在飞行前对离机流程进行仿真，共完成100次空中应急离机仿真计算，输出总离机时间平均值T为24.8s，最小值Tmin为23s，最大值Tmax为26.5s;仿真后进行地面离机演练，为模拟真实的飞行情况，机组与试飞工程师们在飞机上进行空中应急离机地面演练，演练人员从机长发出“准备离机”命令开始，机上人员按照离机程序进行应急离机，经25.3s机上人员完成离机，仿真结果与地面演练结果一致，结果可信。
　　5 结束语
　　本文在传统基于元胞自动机应急离机撤离算法的基础上，针对运输类飞机试飞时空中应急撤离应用对象，设计了机上应急离机仿真系统。按照人-机-环境系统的思想构建了仿真系统的体系结构。仿真实例验证结果表明设计的空中应急离机仿真系统具有一定的实用性。该仿真系统建模可有效指导应急离机改装设计人员进行空中应急离机系统的安全性设计，并可对系统的布置方案进行离机性能评估，进而优化离机系统布置和离机程序改进。
　　参考文献：
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