[发明专利]一种民用运输类飞机飞行试验效费多目标优化方法

权利要求书

1.一种民用运输类飞机飞行试验效费多目标优化方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)计算试飞总时间T_{试飞总时间}；

试飞总时间表示试验机完成所有试飞科目所需的试验时间，计算公式为：

式中：x_i代表第i个试飞科目的预估试验时间，n表示共有n个试飞科目；

(2)计算试飞总架次N_{试飞总架次}；

试飞总架次表示试验机完成所有试飞科目所需的飞行架次数，试飞总架次由试飞总时间T_{试飞总时间}和单架次试验时间t_{单架次试验时间}确定；计算公式为：

式中：单架次试验时间t_{单架次试验时间}代表试验机每架次试验时间的均值；

(3)计算试飞总周期T_{试飞总周期}，试飞总周期表示试验机完成所有试飞科目所需的周期，计算方法如下：

a.计算最后一架试验机投入试飞前已经进行的试飞周期T₁，计算公式为：

式中：N_{试验机数量}为参与试飞的试验机数量，t_j代表第j架试验机与第j+1架试验机的出厂间隔，单位为天，j＝1,2,...,N_{试验机数量}-1；

b.计算最后一架试验机投入试飞前已经完成的试飞架次数N₁，计算公式为：

式中：N_{月平均试验架次}为试验机每月平均进行的试验架次数；

c.计算最后一架试验机投入试飞前剩余的试飞架次数N₂，计算公式为：

N₂＝N_{试飞总架次}-N₁

式中：N_{试飞总架次}为试飞总架次；

d.计算所有试验机投入试飞后完成剩余试飞架次所需的试飞周期T₂，计算公式为：

e.将T₁与T₂求和得到试飞总周期，计算公式为：T_{试飞总周期}＝T₁+T₂；

(4)计算试飞总成本C_{试飞总成本}；

试飞总成本表示完成试飞任务所需花费的直接成本，包括试验机的航油费用、起降费、导航费、进近指挥费、维修费用、试验机生产制造成本、试飞人员工资、机场停场费；计算方法如下：

a.航油费用C_Fuel为试飞任务中试验机所消耗的航油费用，计算公式为：

C_Fuel＝N_engine*FCR*T_{试飞总时间}*C_fuelprice

式中：N_engine为发动机数量，FCR为发动机耗油率，T_{试飞总时间}为试飞总时间，C_fuelprice为航油价格；

b.起降费C_起降费为试验机在机场进行起降所需支付的费用，计算公式为：

C_起降费＝N_{试飞总架次}×[5150+33×(T^*-200)]

式中：T^*为型号飞机的最大起飞重量；

c.进近指挥费C_{进近指挥费}为试验机进近所需支付的费用，计算公式为：

C_{进近指挥费}＝N_{试飞总架次}×T^*×5.6

d.导航费C_导航费为试验机所需支付的导航费用，计算公式为：

C_导航费＝N_{试飞总架次}×D×0.56

式中：D为试验机每架次飞行距离的平均值；

e.维修费用C_维修费用为试验机日常维修、维护的花费，计算公式为：

C_维修费用＝T_{试飞总时间}×c

式中：c为每飞行小时维修费用；

f.试验机制造成本C_{试验机制造成本}是所有试验机的生产制造成本之和，计算公式为：

式中：为第i架试验机的制造成本；

g.试飞人员工资C_{试飞人员工资}是直接参与试飞的部分人员工资，由试飞员工资、试飞工程师工资、地勤工资组成；计算公式为：

式中：C_pc为试飞员一年的工资，C_ftc为试飞工程师一年的工资，C_gc为地勤一年的工资，N_p为一架试验机所需的试飞员数量，N_fc为一架试验机所需的试飞工程师数量，N_g为一架试验机所需的地勤数量；

h.机场停场费C_{机场停场费}是试验机停放使用机场所需支付的费用，计算公式为：

式中：t_j为第j架试验机与第1架试验机投入试飞间隔，单位为天，C_日停场费为单架飞机每天花费的停场费；计算公式为：

C_日停场费＝0.15×[5150+33×(T^*-200)]；

i.将试验机的航油费用C_Fuel、起降费C_起降费、导航费C_导航费、进近指挥费C_{进近指挥费}、维修费用C_维修费用、试验机制造成本C_{试验机制造成本}、试飞人员工资C_{试飞人员工资}、机场停场费C_{机场停场费}求和得到试飞总成本C_{试飞总成本}，计算公式为：

(5)将试飞总周期T_{试飞总周期}和试飞总成本C_总成本作为民用运输类飞机飞行试验效费多目标优化的目标函数，建立模型如下：

式中：f₁(X)为试飞总周期函数，由步骤(3)确定，即f₁(X)＝T_{试飞总周期}＝T₁+T₂；f₂(X)为试飞成本函数，由步骤(4)确定，即：

X为决策向量，

(6)建立民用运输类飞机飞行试验效费多目标优化的约束条件，方法如下：

a.试飞总周期约束，0f₁(X)T_max总周期，其中T_max总周期为最大可接受试飞总周期；

b.试验机数量约束，1≤N_{试验机数量}≤N_max，且N_{试验机数量}＝1,2,...,N_max，其中N_max为最大试验机数量；

c.试飞成本约束，即0f₂(X)C_max,其中C_max为最大可承受成本；

d.试验机出厂间隔约束，受限于试验机的生产能力，各试验机的出厂间隔为t_j≥t_min,j＝1,...,N_{试验机数量}-1，出厂间隔的单位为天，其中t_j代表第j架试验机与第j+1架试验机的出厂间隔，t_min为试验机最小出厂间隔；

e.月平均试验架次约束，N_{月平均试验架次min}≤N_{月平均试验架次}≤N_{月平均试验架次max}，其中N_{月平均试验架次min}为最小月平均试验架次，N_{月平均试验架次max}为最大月平均试验架次；

f.单架次试验时间约束，t_{t_min}≤t_{单架次试验时间}≤t_{t_max}，其中t_{t_min}为最小单架次试验时间，t_{t_max}为最大单架次试验时间；

(7)采用NSGA-II算法结合步骤(5)构建的目标函数和步骤(6)确定的约束条件，对民用运输类飞机飞行试验效费多目标优化问题进行求解，方法如下：

a.设定种群规模大小为N，算法迭代次数为M；

b.随机产生规模为N的初始种群P_t，产生子代种群Q_t，并将初始种群P_t和子代种群Q_t合并，形成大小为2N的种群R_t；

c.将种群R_t进行快速非支配排序，并计算每个非支配层的非支配序i_rank和个体的拥挤度，根据非支配序i_rank和个体的拥挤度i_d从种群R_t选取合适的个体组成新的父代种群P_t+1；

d.通过遗传算法的染色体编码、选择算子、交叉算子、变异算子产生新的子代种群Q_t+1，将P_t+1与Q_t+1合并形成新的种群R_t；其中染色体编码、选择算子、交叉算子、变异算子的方法如下：

1)染色体表示一个解，编码方式为浮点数编码，染色体的等位基因为决策向量里所包含的元素，即染色体与决策向量X等价，如下所示：

2)染色体选择算子采用赛轮制选择算子，随机选出两个个体，种群中的每个个体i都拥有两个属性：非支配排序决定的非支配序i_rank和拥挤度i_d；如果两个个体i和j进行比较，满足以下任一条件，则个体i获胜；

①如果个体i所处非支配层优于个体j所处的非支配层，即i_rankj_rank；

②如果个体i所处的非支配层和个体j所处的非支配层有相同的等级，且个体i比个体j有一个更大的拥挤距离，即i_rank＝j_rank，且i_dj_d；

3)染色体变异方法采用多项式变异，方法如下：

式中：为变异之后的个体，X₁为变异之前的个体，η为分布指数；

4)染色体交叉方式采用模拟二进制交叉，方法如下：

式中：X₁和X₂分别为任意两染色体，η为分布指数；

e.重复步骤c和d的操作，直到算法的迭代次数达到M，得到Pareto最优解。