基于遺傳算法的直升機索降效率研究

徐合良，黃欽兒

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

隨著直升機技術的發展，直升機的應用范圍也在逐漸擴大，直升機索降可以有效地實現在固定翼甚至直升機不便于降落的區域海軍陸戰隊登陸作戰或是特種部隊的機動作戰等。目前直升機索降主要采用“兩點”索降方法，這種方法索降的效率較低，直升機懸停時間長，縮短了直升機的作戰半徑，無法滿足日趨緊張的環境下的使用要求。同時，采用“兩點”索降方法，直升機重心普遍靠前，危及直升機安全，并且未設置機組人員的溝通交流機制，不利于直升機的任務執行。因此，亟需一種更加高效、安全的索降方法來提高直升機的作戰能力。

近年來，國內外對直升機索降方法的研究較少，并未找到相關的資料。

針對某型直升機一架次分批索降的人員較多，導致優化設計的變量多、計算優化過程復雜及結果準確性低等問題，本文采用了在優化平臺軟件ISIGHT[1]的基礎上結合遺傳算法[2]，再通過C++編程實現設計變量輸入與計算結果輸出自動讀寫的方法，對直升機索降進行優化設計。最后將優化計算的索降順序、時間與某型機地面模擬得出的順序、時間進行對比分析。

1 總體布置及人員設置

參考目前在國內陸海空三軍大量服役的某型直升機的總體布局，確定了分別在直升機滑動艙門電動絞車支架(代號：A)、主減速器外吊掛接頭(代號：B)、尾艙門上接頭左右兩側(左側代號：C，右側代號：D)安裝索降裝置，制定了“四點”索降方案，具體如圖1所示。

圖1 幾何模型

艙內布置主要情況是航向左右兩側壁板安裝兩排座椅，索降人員依次入座，最多可載運18名索降隊員，具體情況如圖2所示。圖中注明每個座位的序號，用于遺傳算法中的計算。

“四點”索降方案設置1名領航員與2名投放員，領航員負責與飛行員進行溝通交流，傳達飛行員指令；投放員負責投放索降吊具，執行已制定的索降順序并回收索降吊具，保證索降過程通暢安全。圖中1號位置為領航員，4號與20號位置分別為1#投放員、2#投放員。

直升機操作需要遵守一定的設計要求，保證索降安全，這也是優化設計的前提條件，具體如下：

1) 首先拆除直升機的外吊掛口蓋以及尾艙門，并做好起飛前的安全工作；

2) 直升機巡航至指定地點懸停，領航員與飛行員溝通完畢，開始索降準備工作；

3) 由1#投放員打開上地板口蓋，掛上主減下方的索降吊具，3號位置隊員掛上滑動艙門索降吊具，21號位置掛上尾艙門航向右側和左側的索降吊具；

4) 準備工作就緒，領航員與機組人員溝通，四個索降點開始索降。

圖2 艙內布置圖

2 設計變量編碼方式

根據直升機艙內布局特點以及機上每個座位的離機驗證時間，本文采用了是否離機和離機時間聯合編碼的方法[3]。對于每個索降隊員來說，用兩個整數狀態變量來描述：E變量和F變量。其中E變量表示是否離機，F變量表示離機時間。E的取值范圍是(0，1)，當為0時說明未離機。機上每個座位的索降隊員離機驗證時間(從解開安全帶到離機整個過程所耗時間)如表1所示。

表1 對應座位離機時間

T的取值為座位號加索降點代號，如2號索降隊員從A口索降則T取值為2A。

3 優化數學模型和優化步驟

直升機分批次索降過程以耗時最小為優化目標，在優化過程中以全機重量重心滿足設計要求為準則,本文采用某型機典型的縱向重心包線范圍6.2～6.6m，重心計算公式如下：

X全機=

本文優化過程中，每批次索降隊員下降后均進行了重心計算，并判斷是否符合包線要求，如不滿足要求則可結束計算。由此可以建立直升機索降單目標優化設計的數學模型：

Min:T(E,F)

S.T:

其中，T表示索降過程所消耗時間，X全機表示全機縱向重心，Ei與Fi分別代表索降隊員是否離機與離機時間。

本文采用的是ISIGHT軟件自帶的NSGA-Ⅱ遺傳算法[11]，可以保證優化結果最終收斂到全局最優解。在ISIGHT中設置遺傳算法參數，如表2。

表2 ISIGHT中遺傳算法參數

圖3是直升機索降優化設計的流程圖。

圖3 直升機索降優化流程圖

4 優化結果

本文通過編寫優化平臺ISIGHT軟件的接口程序實現計算數據的讀寫、查找、計算以及比較等功能自動化，具體如下：首先將讀入的初始設計方案提交給優化平臺；其次調用重心計算公式，經過計算得到結果文件；再次在結果文件中讀取查找重心數據與時間，并判斷重心是否在包線以內；最后自動將結果數據輸出。每當計算完成一次后，將自動生成新的設計變量。根據設置的種群大小與種群代數，優化過程將會循環相應的步數，最終得到全局最優解，ISIGHT軟件優化模型圖如圖4。

圖4 ISIGHT優化模型圖

初始方案為W=(E、F)=((0、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0)((2A、3B、5C、6D)、(7A、8B、9C、10D)、(11A、12B、13C、14D)、(15A、16B、17C、18D)、(19A、21B、0C、0D)) ，針對初始索降方案，計算出索降時間是5.1min。通過ISIGHT優化后的優化結果方案是W=((1、1、1、1、1、1、1、1、1、1、1、1、1、1、1、1、1、1)((2A、13B、14C、15D)、(3A、10B、16C、17D)、(5A、11B、18C、19D)、(6A、8B、0C、21D)(7A、9B、12C、0D))。最終分5批索降，總耗時不到4.1min。

由于ISIGHT優化平臺的遺傳算法種群大小為50，種群代數是10，所以結果文件具有500個迭代值。為了更加清晰地分析數據的發展趨勢，以下將選擇100個迭代值。前200步(前4代)是對全局進行搜索，找出優異子代，一般數據會出現較大的跳變，故選擇的100個迭代值將側重于最后的4代。變化曲線如圖5所示，從圖5可以看出索降時間變化主要集中在幾個離散點的跳動。

隨著種群個體的不斷進化，索降時間的變化趨勢在逐漸減小。在90步左右的迭代步數時間開始收斂，最后的時間收斂到了4.1min。經過優化前后的比較，時間減少了1min。在優化過程中，索降過程中的重量重心數據不能顯示，但必定滿足重心包線要求，不然程序會終結。目前只能顯示最后索降完畢直升機返航狀態時的重心數據，具體的變化圖如圖6所示。從圖中可以看出，其變化趨勢與時間不同，在50步之后開始收斂，最終收斂到6.45mm。

圖5 時間迭代圖

圖6 重量重心迭代圖

某型機地面模擬的索降順序最終運用到了索降訓練飛行，具體索降順序如下表3。

從表3與最終優化的結果對比可知，兩者相差不大，唯一的不同在于實際訓練過程中將12號索降隊員放在了第六批索降，主要原因是實際索降過程中尾門索降點較理論上的耗時長，從總體上可以看出索降順序的優化計算是合理可行的，可以指導實際訓練。

表3 某型機索降訓練順序

5 總結

經過計算分析得出，此次優化的結果合理可行，符合直升機索降的實際情況。在優化過程中，得出了如下結論：

1)將ISIGHT優化平臺軟件與遺傳算法相結合的研究方法，能夠有效處理直升機索降順序的單目標優化問題，該研究方法可用于解決工程實際問題；

2) 本文得出了最終的直升機索降順序，可以為直升機索降訓練提供參考；

3) 本文中未能實時顯示索降過程中重量重心的變化，只能顯示索降完畢之后的重心狀態，下一步可以針對此問題提出優化方案。