CN110633508B - 基于多目标优化模型的民航客机客舱布局确定通用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向多种机型，能够满足舒适性、经济性、安全性等人机工效需求的民航客机客舱布局方案确定通用系统和方法。该系统和方法可实现各类机型客舱布局方案快速生成，具有通用性、灵活性、自动化等特点，可为民航客机客舱布置选型策略和民航客机客舱快速仿真设计提供技术支撑。

Description

基于多目标优化模型的民航客机客舱布局确定通用方法

技术领域

本发明涉及一种基于多目标优化模型的民航客机客舱布局确定通用方法。

背景技术

民航客机客舱布局选型设计，既是设计部门的重要工作，也是市场营销和战略竞争的一个重要方面，是决定民机运营及维护成本高低的关键要素之一，同时也与适航安全密切相关。飞机客舱布局及设备选型是一项涉及技术性、经济性、安全性等多项因素的复杂工作，决策过程中应充分考虑市场定位、战略发展需求、航线网络布局、旅客服务定位及市场竞争环境等经济性要求，并紧密结合适航性等安全要求，尽可能使所选用的产品设备及其布局方案能够为乘员提供舒适的飞行体验，为航空公司带来良好的竞争优势和市场收益。

目前舱室布局优化设计问题多集中在卫星、船舶、汽车和飞机驾驶舱等领域，关于民机客舱布局的研究较为有限，在已有的客舱布局研究中，又多是对客舱设施设备布局展开研究，较少有从整体布局的角度出发，紧密结合舒适、经济、安全等人机工效学要求展开客舱布局研究。此外，很多客舱优化布局研究多是侧重优化算法研究，关于优化布局模型的研究则较少，特别是很多布局模型只针对特定机型、特定市场定位，极少有适用多种机型、多种市场定位的通用化布局模型研究，难以满足当前越来越个性化、多样化、通用灵活的市场需求。

基于上述情况，设计出一套民航客机客舱布局方案确定通用系统，构建适合多种机型(支线客机、窄体客机和宽体客机)，适用多方用户(研制部门、运营部门、适航部门)需求，满足舒适性、经济性和安全性等人机工效要求的通用选型系统，使得客舱选型成本降低，从而提高民机客舱设计效率和水平，增强市场竞争力。

发明内容

本发明的目的，旨在提供一种面向多种机型，能够满足舒适性、经济性、安全性等人机工效需求的民航客机客舱布局方案确定通用系统。该系统可实现各类机型客舱布局方案快速生成，具有通用性、灵活性、自动化等特点，可为民航客机客舱布置选型策略和民航客机客舱快速仿真设计提供技术支撑。

根据本发明的一个方面，提供了民航客机客舱布局方案确定通用系统，其包括：

初始条件输入模块，用于为客舱布局确定系统提供初始要求，包括机型类型、市场定位、客舱分级等市场条件与要求，并据此对设计常量进行赋值；

多目标优化计算模块，用于为客舱布局选型系统执行自动优化求解计算，并给出一组最优布局方案；

三维可视化模块，用于将优化求解结果转化为三维可视化数字模型，为最优布局方案提供可视化呈现与对比分析。

根据本发明的一个进一步的实施例，初始条件输入模块包括两个子模块：市场条件输入子模块和设计常量输入子模块。其中，市场条件输入子模块用于设置机型类型和市场定位相关的参数；设计常量输入子模块用于输入与多目标优化计算相关的设计常量赋值。

根据本发明的另一个进一步的实施例，多目标优化计算模块包括设计变量定义子模块、约束条件子模块和目标函数子模块。其中，设计变量定义子模块用于定义多目标优化计算相关的设计变量；约束条件子模块用于设定多目标优化计算相关的约束条件，包括边界约束、舒适性约束、经济性约束和安全性约束；目标函数子模块用于设定多目标优化计算相关的目标函数，包括舒适性目标、经济性目标和安全性目标。

说明：“目标函数”同“设计变量”“约束条件”一样，是最优化数学理论中的常见固定术语，在优化理论中，所有优化求解过程都是在满足约束条件的所有可行解中寻找使目标函数值最大(或最小)的有限个最优解，因此“目标函数”可以理解为以函数形式表达的“寻优方向”。

相比于现有民航客机客舱布局选型的方案，本发明的优点和/或有益效果在于通用性强，具体包括：

(1)通过在初始条件输入模块中设定机型类型和市场定位，设置市场条件并输入客舱布局相关常量，实现了机型因素和市场因素对客舱布局影响关系的量化表征，并允许用户根据不同机型和市场需求进行量化输入，提升了民航客机客舱布局设计的灵活性；

(2)通过在多目标优化计算模块中设定客舱布局相关变量、约束条件和目标函数，对涵盖不同机型、不同市场定位需求的民航客机客舱布局共性要素、共性约束和共性目标实现了量化表征，揭示了不同机型、不同市场定位的民航客机客舱布局设计的通用内在要求，提升了客舱布局设计方法的适应性；

(3)构建了民航客机客舱布局多目标优化通用算法，以安全、舒适、经济等人机工效要求作为优化目标，从而统筹兼顾了适航部门、运营部门、设计部门对民航客机客舱布局的要求，提升了客舱布局方案的实际可行性。

综上，本发明实现了一套系统即可满足多种机型、多种市场定位需求的客舱布局方案确定功能，通过分析和提炼不同机型、不同市场需求的共性约束、共性目标，构建了客舱布局多目标优化算法，从而可以快速、灵活地生成适应不同机型、不同市场需求的客舱布局最优选型方案，并确保最优方案满足安全、舒适、经济要求，具备实际可行性，进而降低民航客机客舱布局设计时间成本，减少人力物力财力消耗，并可为民机客舱快速仿真设计提供技术支撑，提高民机客舱设计效率和水平。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于多目标优化模型的民航客机客舱布局确定通用系统，其特征在于包括：

初始条件输入模块，用于设置初始条件，包括机型、市场定位、设计常量等，

多目标优化计算模块，用于执行自动计算求解，包括设计变量、约束条件、目标函数及最优可行解，

三维可视化模块，用于将最优可行解自动转化为三维可视化模型，提供可视化最优选型方案，

其中：

所述初始条件输入模块包括市场条件输入子模块和设计常量输入子模块，其中：

市场条件输入子模块用于选择机型类型、选择市场类型、输入市场要求设置参数，市场要求设置参数包含客舱分级、总客座数、应急出口布置数量、厨房布置数量、盥洗室布置数量，

设计常量输入子模块用于输入包括客舱尺寸、人体尺寸、座椅尺寸、经济性参数、截面布置的常量数据，

所述多目标优化计算模块包括：设计变量输入子模块、约束条件子模块、目标函数子模块，其中：

设计变量输入子模块用于定义客舱布局优化模型的相关变量，包括定义各类设计变量的变量名称、变量符号、变量上下限、变量步长及变量单位，设计变量包括舱段长度、座椅排距、座椅排数、座椅椅盆长度、椅背长度、座椅宽度、平局客座率、平均票价，

约束条件子模块用于设定舱段长度变化范围、座椅排距与人体尺寸适配关系以及设定舱段长度与座椅排距的耦合关系，包括设定边界约束条件的边界约束条件设定部分、设定舒适性约束条件的舒适性约束条件设定部分、设定经济性约束条件的经济性约束条件设定部分和设定安全性约束条件的安全性约束条件设定部分，

边界约束条件包括舱段总和约束条件、活动区长度约束条件和舱段座椅布置约束条件，

舒适性约束条件包括座椅排距约束条件和舱段长度与座椅排距适配关系约束条件，

经济性约束条件对客舱横向布置策略和纵向布置策略进行约束，其中客舱横向布置策略对各级客舱每排座椅数进行选择，客舱纵向布置策略对客舱分级布置方案进行选择，

纵向布置选型策略用于在进行客舱布局选型时，当目标机型、市场定位等市场输入条件发生变化时，灵活调整客舱横纵向布置，

安全性约束条件包括横向安全约束条件和纵向安全约束条件，

目标函数子模块用于设定客舱布局优化求解方向，以确定客舱布局方案，即在满足客舱布局设计要求的前提下求解得到最优可行方案，目标函数子模块目标函数子模块包括设定舒适性目标函数的舒适性目标函数设定部分、设定经济性目标函数的经济性目标函数设定部分和设定安全性目标函数的安全性目标函数设定部分，

其中：

舒适性目标函数的内容是舒适性系数，其优化方向是最大化，

经济性目标函数的内容为单次航班收入，安全性目标的内容为客舱总逃生距离，即为各级客舱所有乘客逃生距离的总和，乘客逃生距离为乘客座位沿航向至其最近出口的距离，客舱总逃生距离的优化方向为最小化，

三维可视化模块用于通过调用三维模型软件，将多目标优化计算模块获得的最优可行解转化为三维数字模型，从而对各最优布局方案进行比较和进一步的分析评价。

根据本发明的一个进一步的方面，提供了一种基于多目标优化模型的民航客机客舱布局确定通用方法，其特征在于包括：

初始条件输入步骤，用于设置初始条件，包括机型、市场定位、设计常量等，

多目标优化计算步骤，用于执行自动计算求解，包括设计变量、约束条件、目标函数及最优可行解，

三维可视化步骤，用于将最优可行解自动转化为三维可视化模型，提供可视化最优选型方案，

其中：

所述初始条件输入步骤包括市场条件输入子步骤和设计常量输入子步骤，其中：

市场条件输入子步骤用于选择机型类型、选择市场类型、输入市场要求设置参数，市场要求设置参数包含客舱分级、总客座数、应急出口布置数量、厨房布置数量、盥洗室布置数量，

设计常量输入子步骤用于输入包括客舱尺寸、人体尺寸、座椅尺寸、经济性参数、截面布置的常量数据，

所述多目标优化计算步骤包括：设计变量输入子步骤、约束条件子步骤、目标函数子步骤，其中：

设计变量输入子步骤用于定义客舱布局优化模型的相关变量，包括定义各类设计变量的变量名称、变量符号、变量上下限、变量步长及变量单位，设计变量包括舱段长度、座椅排距、座椅排数、座椅椅盆长度、椅背长度、座椅宽度、平局客座率、平均票价，

约束条件子步骤用于设定舱段长度变化范围、座椅排距与人体尺寸适配关系以及设定舱段长度与座椅排距的耦合关系，包括设定边界约束条件的边界约束条件设定部分、设定舒适性约束条件的舒适性约束条件设定部分、设定经济性约束条件的经济性约束条件设定部分和设定安全性约束条件的安全性约束条件设定部分，

边界约束条件包括舱段总和约束条件、活动区长度约束条件和舱段座椅布置约束条件，

舒适性约束条件包括座椅排距约束条件和舱段长度与座椅排距适配关系约束条件，

经济性约束条件对客舱横向布置策略和纵向布置策略进行约束，其中客舱横向布置策略对各级客舱每排座椅数进行选择，客舱纵向布置策略对客舱分级布置方案进行选择，

纵向布置选型策略用于在进行客舱布局选型时，当目标机型、市场定位等市场输入条件发生变化时，灵活调整客舱横纵向布置，

安全性约束条件包括横向安全约束条件和纵向安全约束条件，

目标函数子步骤用于设定客舱布局优化求解方向，以确定客舱布局方案，即在满足客舱布局设计要求的前提下求解得到最优可行方案，目标函数子步骤目标函数子步骤包括设定舒适性目标函数的舒适性目标函数设定部分、设定经济性目标函数的经济性目标函数设定部分和设定安全性目标函数的安全性目标函数设定部分，

其中：

舒适性目标函数的内容是舒适性系数，其优化方向是最大化，

经济性目标函数的内容为单次航班收入，安全性目标的内容为客舱总逃生距离，即为各级客舱所有乘客逃生距离的总和，乘客逃生距离为乘客座位沿航向至其最近出口的距离，客舱总逃生距离的优化方向为最小化，

三维可视化步骤用于通过调用三维模型软件，将多目标优化计算步骤获得的最优可行解转化为三维数字模型，从而对各最优布局方案进行比较和进一步的分析评价。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例的基于多目标优化模型的民航客机客舱布局确定通用系统的总体结构图。

图2为根据本发明的一个实施例的民航客机客舱布局确定通用系统的登录首页界面的示图。

图3A为根据本发明的一个实施例的初始条件输入模块的市场条件输入子模块。

图3B为根据本发明的一个实施例的初始条件输入模块的设计常量输入子模块。

图4为根据本发明的一个实施例的民航客机客舱布局多目标优化通用算法的组成结构示意图。

图5A为根据本发明的一个实施例的多目标优化计算模块的设计变量输入子模块。

图5B为根据本发明的一个实施例的多目标优化计算模块的约束条件子模块。

图5C为根据本发明的一个实施例的多目标优化计算模块的目标函数子模块。

图6为根据本发明的一个实施例的商务舱座椅三种布置方式示意图。

图7为根据本发明的一个实施例的多目标优化计算模块的最优布局方案输出界面。

图8为根据本发明的一个实施例的三维可视化模块。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明的一个实施例的基于多目标优化模型的民航客机客舱布局确定通用系统包含初始条件输入模块、多目标优化计算模块和三维可视化模块。初始条件输入模块为客舱布局选型系统提供初始条件，包括机型、市场定位、设计常量等。多目标优化计算模块为客舱布局选型系统执行自动计算求解，包括设计变量、约束条件、目标函数及最优可行解等。三维可视化模块将最优可行解自动转化为三维可视化模型，为客舱布局选型系统提供可视化最优选型方案。

如图2所示，根据本发明的一个实施例，民航客机客舱布局确定通用系统登录首页包含上述初始条件输入模块、多目标优化计算模块和三维可视化模块，进行客舱布局选型时，依次登入各模块并进行相关必要设置，即可自动完成客舱布局方案生成并予以三维可视化呈现。

如图3A至图3B所示，在登录民航客机客舱布局确定通用系统后，首先登入初始条件输入模块进行初始条件设置，该设置包括市场条件输入子模块和设计常量输入子模块。在市场条件输入子模块中(图3A)，需依次选择机型类型(支线客机、单通道窄体干线客机、双通道宽体干线客机)和市场类型(大众型市场、兼顾型市场、高端型市场，其中大众型市场侧重于客流量即要求总客座数尽可能大，客舱一般最多分为商务舱和经济舱两级，高端型市场侧重于强化舒适性，客舱可能会分为头等舱、商务舱、高级经济舱以及经济舱，并会要求经济舱以外的其它各级客舱座椅排距尽可能大，兼顾型市场则居于二者之间)，并输入市场要求设置参数，该设置参数包含客舱分级、总客座数(座级)、应急出口布置数量、厨房布置数量、盥洗室布置数量。在设计常量输入子模块中(图3B)，需对客舱尺寸、人体尺寸、座椅尺寸、经济性参数、截面布置等五类常量数据进行输入，常量汇总详见表1。对初始条件模块完成设置后，即可完成客舱布局快速优化选型计算的准备工作，可以进入多目标优化计算模块。

表1客舱布局优化模型常量表

注：

i)共计20个常量；

ii)椅背调节角

以垂直方向为起始，椅背90°竖直时

椅背180°平放时

iii)出于简化需要，视L_p，a＝L_p，1，L_p，b＝L_p，4，L_p，c＝L_p，3，L_p，d＝L_p，2。

iv)经济舱座椅单个扶手宽度可置为2.5in左右，商务舱座椅单个扶手宽度可在经济舱基础上加倍。

v)座椅扶手宽度W_ar按头等舱、商务舱、高端经济舱、经济舱依次记为W_ara、W_arb、W_arc、W_ard，其它常量按客舱分级命名时可以此类推；

vi)记A舱为头等舱，B舱为商务舱，C舱为高端经济舱，D舱为经济舱，E舱为活动区(厨房或盥洗室单元及其近邻出口、过道构成的空间)。

如图4所示，根据本发明的一个实施例的民航客机客舱布局多目标优化通用算法包括设计参数、约束条件和目标函数三部分。算法各组成部分分别通过多目标优化计算模块的设计变量输入子模块、约束条件子模块和目标函数子模块(见图5A至图5C)进行设定。

如图5A所示的，是根据本发明的一个实施例的多目标优化计算模块的设计变量输入子模块，其中，定义客舱布局优化模型的相关变量，包括在定义各类设计变量时，定义变量名称、变量符号、变量上下限、变量步长及变量单位。设计变量包括舱段长度、座椅排距、座椅排数、座椅椅盆长度、椅背长度、座椅宽度、平局客座率、平均票价等，详见表2。由初始条件输入模块的市场条件输入子模块(见图4)可知，所需定义的设计变量未必全部包含下表中的所有变量，依据客舱分级情况(一级、二级、三级或四级)而定。

表2客舱布局优化模型变量表

注：

i)总计36个设计变量，所有设计变量均非负；

ii)椅盆长度表示座椅椅盆沿纵向(航向)尺寸即座深；座椅宽度表示座椅两侧扶手之间水平距离即椅背宽度；椅背可调节；

iii)舱段长度单位为米(m)，座椅排距、椅盆长度、椅背长度、座椅宽度的单位均为英寸{in)；平均客座率单位取％，平均票价单位取人民币元；

如图5B所示的，是根据本发明的一个实施例的多目标优化计算模块的约束条件子模块，其中，客舱布局优化模型的约束条件包括边界约束条件、舒适性约束条件、经济性约束条件和安全性约束条件。

边界约束条件包括舱段总和约束、活动区长度约束和舱段座椅布置约束。舱段总和约束要求各舱段及活动区长度总和应恰等于客舱总长度(式1)；活动区长度约束对各活动区长度的上下限作出了限制(式2～5)，要求活动区空间既能满足基本使用需求、又能尽量节省空间；舱段座椅布置约束对舱段座椅布置(座椅排距和座椅排数)做出了约束(式6～9)，要求座椅布置既能满足舱段空间长度限制、又能充分利用舱段空间长度。

L_a+L_b+L_c+L_d+L_e1+L_e2+L_e3+L_e4＝L (1)

L₀+L_p，1≤L_e1≤max{L_a，L_b，L_c，L_d} (2)

L₀+L_p，2≤L_e2≤L_d (3)

0≤L_e3≤max{L_c，L_d} (4)

0≤l_e4≤max{L_b，L_c} (5)

m·X_a≤L_a＜(m+1)·X_a (6)

n·X_b≤L_b＜(n+1)·X_b (7)

p·X_c≤L_c＜(p+1)·X_c (8)

q·X_d≤L_d＜(q+1)·X_d (9)

舒适性约束条件包括座椅排距约束和舱段长度与座椅排距适配关系约束两类，客舱分级和座椅布置方式不同，相关约束也有所区别。头等舱、高端商务舱和经济舱的座椅布置通常为传统式布置，各排座椅对齐向前布置，因此座椅排距约束和舱段长度与座椅排距适配关系约束也基本一致；商务舱座椅布置则有三种布置方式，包括传统式布置、蛇形交错式布置和鱼骨交叉式布置(详见图6)，布置方式不同，座椅排距约束和舱段长度与座椅排距适配关系也需做出相应修正。此外各级客舱座椅排距应与其客舱等级相适配。舒适性约束汇总详见表3。

表3舒适性约束

经济性约束条件由初始条件输入模块的市场条件输入子模块设置参数确定，并对客舱横向布置策略和纵向布置策略进行约束。客舱横向布置策略对各级客舱每排座椅数进行选择，客舱纵向布置策略对客舱分级布置方案进行选择。经济性约束条件是客舱横纵向布置选型策略，进行客舱布局选型时，当目标机型、市场定位等市场输入条件发生变化时，可以灵活调整客舱横纵向布置选型策略。经济性约束即选型策略汇总详见表4。

表4经济性约束

注：横向布置中，上为头等舱或商务舱布置，下为高端经济舱或经济舱布置

安全性约束条件包括横向安全约束和纵向安全约束。横向安全约束要求客舱过道宽度不低于《中国民用飞机适航规章-第25部-运输类飞机适航标准》(CCAR-25-R4)的最低要求(式10～14)。纵向安全约束要求对舱段长度与座椅排距适配关系进行约束时，需考虑应急舱门布置数量和应急舱门处座椅排距特殊要求，对舱段长度与座椅排距适配关系约束进行修正(式15～16)

N·L_p，a＝W-a·W_a，其中W_a＝l₀sinθ+l_w，acosθ (10)

N·L_p，b＝W-b·W_b，其中W_b＝l₀sinθ+l_w，bcosθ (11)

N·L_p，c＝W-c·W_c，其中W_c＝l₀sinθ+l_w，ccosθ (12)

N·L_p，d＝W-d·W_d，其中W_d＝l₀sinθ+l_w，dcosθ (13)

(记客舱过道数量为N，N＝1或2)

{L_p，a，L_p，b，L_p，c，L_p，d}≥L_p，min＝15in (14)

布置一对应急舱门时，有：

(l_ba+L_p，min+2·l_ch，d)+(q-2)·X_d≤L_d＜(q+1)·X_d (15)

布置两对应急舱门时，有：

(l_ba+2·L_p，min+3·l_ch，d)+(q-3)·X_d≤L_d＜(q+1)·X_d (16)

如图5C所示的，是根据本发明的一个实施例的多目标优化计算模块的目标函数子模块，其中，客舱布局优化模型的各类目标函数包括舒适性目标、经济性目标和安全性目标。

舒适性目标的内容是舒适性系数，优化方向是最大化。就舒适性而言，头等舱和商务舱的卧姿空间应越大越好，即要求座椅排距/人体身长越大越好；高端经济舱和经济舱则要求坐姿空间越大越好，即要求腿部空间长度/人体足长越大越好。将上述比值定义为各级舱段座椅的舒适性系数，则各舒适性系数详见式17。客舱整体舒适性系数由各级客舱舒适性系数按座位数比例进行加权求和，详见式18。对于客舱整体舒适性系数，要求其优化方向为最大化。

(其中l_rm，c＝X_c-l_ch，c，l_rm，d＝X_d-l_ch，d)

C＝(a·m·C_a+b·n·C_b+c·p·C_c+d·q·C_d)/(a·m+b·n+c·p+d·q)

(18)

经济性目标的内容为单次航班收入，以此衡量航班盈利性，单次航班收入包含各级客舱航班收入，其计算公式详见式19。对于单次航班收入，要求其优化方向为最大化。

M＝a·m·u_a·P_a+b·n·u_b·P_b+c·p·u_c·P_c+d·q·u_d·P_d (19)

其中，a、b、c、d分别为A、B、C、D各级座舱每排座椅的数量，m、n、p、q分别为各级座舱座椅排数，u_a～u_d分别为各级座舱的平均客座率，P_a～P_d分别为各级座舱的平均票价。

安全性目标的内容为总逃生距离，即为各级客舱所有乘客逃生距离总和，逃生距离为乘客座位沿航向至其最近出口的距离。若某级客舱仅有一对出口，则各派座位逃生距离由近至远等距递增，该级客舱逃生距离为递增数列求和；若某级客舱有两对出口，则可按出口位置将该级客舱分为两部分分别计算逃生距离然后求和得到该级客舱逃生距离。对于客舱总逃生距离，要求其优化方向为最小化。

以某型宽体客机为例，其头等舱有一对专用出口，则其逃生距离可见式20；商务舱有一对出口，该对出口同高端经济舱前段共用，因此商务舱和高端经济舱前段的逃生距离计算可见式21；同理，高端经济舱后段与经济舱前段共用一对出口，相应逃生距离计算可见式22；经济舱后段有一对专用出口，其逃生距离可见式23。该型宽体客机客舱总逃生距离为各舱段逃生距离之和，见式24。窄体客机、支线客机的应急逃生距离可按类似方式计算。

上述各式中，[x]表示不超过x的最大整数，a、b、c、d分别为A、B、C、D级座舱的每排座椅数。

如图7所示的，是根据本发明的一个实施例的多目标优化计算模块的最优布局方案输出界面，其中，经多目标优化求解后可得一组最优可行解，该组最优可行解即为一组客舱布局最优方案。各最优布局方案按编号依次分别在界面呈现，布局方案内容包括各级客舱座椅排距、座椅排数、舱段长度及活动区长度等内容。

如图8所示的，是根据本发明的一个实施例的民航客机客舱布局确定通用系统的三维可视化模块的结果输出显示，该模块提供了客舱布局最优布局方案三维快速建模与呈现功能，以便于对各方案进行对比分析。三维可视化模块通过调用三维模型软件(如Catia等)，将多目标优化计算模块求得的最优可行解转化为三维数字模型，从而对各最优布局方案进行比较和进一步的分析评价。

Claims (9)

1.基于多目标优化模型的民航客机客舱布局确定通用系统，其特征在于包括：

初始条件输入模块，用于设置初始条件，包括机型、市场定位、设计常量，

多目标优化计算模块，用于执行自动计算求解，包括设计变量、约束条件、目标函数及最优可行解，

三维可视化模块，用于将最优可行解自动转化为三维可视化模型，提供可视化最优选型方案，

其中：

所述初始条件输入模块包括市场条件输入子模块和设计常量输入子模块，其中：

市场条件输入子模块用于选择机型类型、选择市场类型、输入市场要求设置参数，市场要求设置参数包含客舱分级、总客座数、应急出口布置数量、厨房布置数量、盥洗室布置数量，

设计常量输入子模块用于输入包括客舱尺寸、人体尺寸、座椅尺寸、经济性参数、截面布置的常量数据，

所述多目标优化计算模块包括：设计变量输入子模块、约束条件子模块、目标函数子模块，其中：

设计变量输入子模块用于定义客舱布局优化模型的相关变量，包括定义各类设计变量的变量名称、变量符号、变量上下限、变量步长及变量单位，设计变量包括舱段长度、座椅排距、座椅排数、座椅椅盆长度、椅背长度、座椅宽度、平局客座率、平均票价，

约束条件子模块用于设定舱段长度变化范围、座椅排距与人体尺寸适配关系以及设定舱段长度与座椅排距的耦合关系，包括设定边界约束条件的边界约束条件设定部分、设定舒适性约束条件的舒适性约束条件设定部分、设定经济性约束条件的经济性约束条件设定部分和设定安全性约束条件的安全性约束条件设定部分，

边界约束条件包括舱段总和约束条件、活动区长度约束条件和舱段座椅布置约束条件，

舒适性约束条件包括座椅排距约束条件和舱段长度与座椅排距适配关系约束条件，

经济性约束条件对客舱横向布置策略和纵向布置策略进行约束，其中客舱横向布置策略对各级客舱每排座椅数进行选择，客舱纵向布置策略对客舱分级布置方案进行选择，

纵向布置选型策略用于在进行客舱布局选型时，当目标机型、市场定位市场输入条件发生变化时，灵活调整客舱横纵向布置，

安全性约束条件包括横向安全约束条件和纵向安全约束条件，

目标函数子模块用于设定客舱布局优化求解方向，以确定客舱布局方案，即在满足客舱布局设计要求的前提下求解得到最优可行方案，目标函数子模块包括设定舒适性目标函数的舒适性目标函数设定部分、设定经济性目标函数的经济性目标函数设定部分和设定安全性目标函数的安全性目标函数设定部分，

其中：

舒适性目标函数的内容是舒适性系数，其优化方向是最大化，

经济性目标函数的内容为单次航班收入，安全性目标的内容为客舱总逃生距离，即为各级客舱所有乘客逃生距离的总和，乘客逃生距离为乘客座位沿航向至其最近出口的距离，客舱总逃生距离的优化方向为最小化，

三维可视化模块用于通过调用三维模型软件，将多目标优化计算模块获得的最优可行解转化为三维数字模型，从而对各最优布局方案进行比较和进一步的分析评价。

2.根据权利要求1所述的基于多目标优化模型的民航客机客舱布局确定通用系统，其中：

机型类型包括支线客机、单通道窄体干线客机、双通道宽体干线客机，

市场类型包括大众型市场、兼顾型市场、高端型市场，其中大众型市场侧重于客流量即要求总客座数尽可能大，客舱分为商务舱和经济舱两级，高端型市场侧重于强化舒适性，客舱分为头等舱、商务舱、高级经济舱以及经济舱，并要求经济舱以外的其它各级客舱座椅排距尽可能大，兼顾型市场则居于大众型市场和高端型市场之间，

设计变量输入子模块定义的相关变量包括以下客舱布局优化模型变量：

其中：

以上客舱布局优化模型变量均非负；

椅盆长度表示座椅椅盆沿纵向即航向方向的尺寸即座深；

座椅宽度表示座椅两侧扶手之间水平距离即椅背宽度；

椅背可调节；

舱段长度单位为米，座椅排距、椅盆长度、椅背长度、座椅宽度的单位均为英寸；

平均客座率单位取％，平均票价单位取人民币元；

A舱即头等舱，B舱即商务舱，C舱即高端经济舱，D舱即经济舱，E舱即活动区，

活动区包括厨房或盥洗室单元及其近邻出口、过道构成的空间。

3.根据权利要求2所述的基于多目标优化模型的民航客机客舱布局确定通用系统，其中：

舱段总和约束条件由下式(1)表征；

活动区长度约束条件由下式(2)～(5)表征；

舱段座椅布置约束条件由下式(6)～(9)表征，

L_a+L_b+L_c+L_d+L_e1+L_e2+L_e3+L_e4＝L (1)

L₀+L_p，1≤L_e1≤max{L_a，L_b，L_c，L_d} (2)

L₀+L_p，2≤L_e2≤L_d (3)

0≤L_e3≤max{L_c，L_d} (4)

0≤l_e4≤max{L_b，L_c} (5)

m·X_a≤L_a＜(m+1)·X_a (6)

n·X_b≤L_b＜(n+1)·X_b (7)

p·X_c≤L_c＜(p+1)·X_c (8)

q·X_d≤L_d＜(q+1)·X_d (9)

L₀表示厨房盥洗室典型尺寸，

L_p，1表示E1过道宽度，

L_p，2表示E2过道宽度。

4.根据权利要求3所述的基于多目标优化模型的民航客机客舱布局确定通用系统，其中：

舒适性约束条件中，客舱分级和座椅布置方式不同，相关约束也有所区别，其中：

头等舱、高端商务舱和经济舱的座椅布置为传统式布置，各排座椅对齐向前布置，因此座椅排距约束和舱段长度与座椅排距适配关系约束也一致；

商务舱座椅布置则有三种布置方式，包括传统式布置、蛇形交错式布置和鱼骨交叉式布置，布置方式不同，座椅排距约束和舱段长度与座椅排距适配关系也需做出相应修正，

舒适性约束条件包括：

其中：

l_ft表示人体统计学足长，

L_p，d＝L_p，2，表示E2过道宽度，

l_ba表示婴儿椅空间长度，

α表示商务舱座椅最低舒适满意度，

l₀表示人体统计学身长，

β表示商务舱座椅最高舒适满意度，

n表示B舱座椅排数，

θ表示座椅中轴线与航向夹角，

经济性约束条件包括：

其中：横向布置中，上为头等舱或商务舱布置，下为高端经济舱或经济舱布置，

横向安全约束条件要求客舱过道宽度不低于相关适航标准的最低要求，由下式(10)至(14)表征，

N·L_p，a＝W-a·W_a，其中W_a＝l₀sinθ+l_wacosθ (10)

N·L_p，b＝W-b·W_b，其中W_b＝l₀sinθ+l_w，bcosθ (11)

N·L_p，c＝W-c·W_c，其中W_c＝l₀sinθ+l_w，ccosθ (12)

N·L_p，d＝W-d·W_d，其中W_d＝l₀sinθ+i_w，dcosθ (13)

记客舱过道数量为N，N＝1或2，

{L_p，a，L_p，b，L_p，c，L_p，d}≥L_p，min＝15in (14)

其中：

L_p，a即L_p，1，表示E1过道宽度，

L_p，b即L_p，4，表示E4过道宽度，

L_p，c即L_p，3，表示E3过道宽度，

W表示客舱宽度，

纵向安全约束条件要求对舱段长度与座椅排距适配关系进行约束时考虑应急舱门布置数量和应急舱门处座椅排距特殊要求，对舱段长度与座椅排距适配关系约束进行修正，由下式(15)至(16)表征：

布置一对应急舱门时，有：

(l_ba+L_p，min+2·l_ch，d)+(q-2)·X_d≤L_d＜(q+1)·X_d (15)

布置两对应急舱门时，有：

(l_ba+2·L_p，min+3·l_ch，d)+(q-3)·X_d≤L_d＜(q+1)·X_d (16)

各舒适性系数由下式(17)确定：

其中：l_rm，c＝X_c-l_ch，c，l_rm，d＝X_d-l_ch，d，

客舱整体舒适性系数由各级客舱舒适性系数按座位数比例进行加权求和，由下式(18)表征：

C＝(a·m·C_a+b·n·C_b+c·p·C_c+d·q·C_d)/(a·m+b·n+c·p+d·q)

(18)

对于客舱整体舒适性系数，要求其优化方向为最大化，

单次航班收入包含各级客舱航班收入，由下式(19)表征：

M＝a·m·u_a·P_a+b·n·u_b·P_b+c·p·u_c·P_c+d·q·u_d·P_d (19)

其中，a、b、c、d分别为A、B、C、D各级座舱每排座椅的数量，m、n、p、q分别为各级座舱座椅排数，u_a～u_d分别为各级座舱的平均客座率，P_a～P_d分别为各级座舱的平均票价，

对于单次航班收入，要求其优化方向为最大化，

当某型客机头等舱有一对专用出口时，则其逃生距离由下式(20)表征：

当商务舱有一对出口时，该对出口同高端经济舱前段共用，即商务舱和高端经济舱前段的逃生距离由下式(21)表征：

高端经济舱后段与经济舱前段共用一对出口，相应逃生距离由下式(22)表征：

当经济舱后段有一对专用出口时，其逃生距离由下式(23)表征：

宽体客机的客舱总逃生距离为各舱段逃生距离之和，由下式(24)表征：

上述各式中，[x]表示不超过x的最大整数，a、b、c、d分别为A、B、C、D级座舱的每排座椅数。

5.基于多目标优化模型的民航客机客舱布局确定通用方法，其特征在于包括：

初始条件输入步骤，用于设置初始条件，包括机型、市场定位、设计常量，

多目标优化计算步骤，用于执行自动计算求解，包括设计变量、约束条件、目标函数及最优可行解，

三维可视化步骤，用于将最优可行解自动转化为三维可视化模型，提供可视化最优选型方案，

其中：

所述初始条件输入步骤包括市场条件输入子步骤和设计常量输入子步骤，其中：

市场条件输入子步骤用于选择机型类型、选择市场类型、输入市场要求设置参数，市场要求设置参数包含客舱分级、总客座数、应急出口布置数量、厨房布置数量、盥洗室布置数量，

设计常量输入子步骤用于输入包括客舱尺寸、人体尺寸、座椅尺寸、经济性参数、截面布置的常量数据，

所述多目标优化计算步骤包括：设计变量输入子步骤、约束条件子步骤、目标函数子步骤，其中：

设计变量输入子步骤用于定义客舱布局优化模型的相关变量，包括定义各类设计变量的变量名称、变量符号、变量上下限、变量步长及变量单位，设计变量包括舱段长度、座椅排距、座椅排数、座椅椅盆长度、椅背长度、座椅宽度、平局客座率、平均票价，

约束条件子步骤用于设定舱段长度变化范围、座椅排距与人体尺寸适配关系以及设定舱段长度与座椅排距的耦合关系，包括设定边界约束条件的边界约束条件设定部分、设定舒适性约束条件的舒适性约束条件设定部分、设定经济性约束条件的经济性约束条件设定部分和设定安全性约束条件的安全性约束条件设定部分，

边界约束条件包括舱段总和约束条件、活动区长度约束条件和舱段座椅布置约束条件，

舒适性约束条件包括座椅排距约束条件和舱段长度与座椅排距适配关系约束条件，

经济性约束条件对客舱横向布置策略和纵向布置策略进行约束，其中客舱横向布置策略对各级客舱每排座椅数进行选择，客舱纵向布置策略对客舱分级布置方案进行选择，

纵向布置选型策略用于在进行客舱布局选型时，当目标机型、市场定位市场输入条件发生变化时，灵活调整客舱横纵向布置，

安全性约束条件包括横向安全约束条件和纵向安全约束条件，

目标函数子步骤用于设定客舱布局优化求解方向，以确定客舱布局方案，即在满足客舱布局设计要求的前提下求解得到最优可行方案，目标函数子步骤包括设定舒适性目标函数的舒适性目标函数设定部分、设定经济性目标函数的经济性目标函数设定部分和设定安全性目标函数的安全性目标函数设定部分，

其中：

舒适性目标函数的内容是舒适性系数，其优化方向是最大化，

经济性目标函数的内容为单次航班收入，安全性目标的内容为客舱总逃生距离，即为各级客舱所有乘客逃生距离的总和，乘客逃生距离为乘客座位沿航向至其最近出口的距离，客舱总逃生距离的优化方向为最小化，

三维可视化步骤用于通过调用三维模型软件，将多目标优化计算步骤获得的最优可行解转化为三维数字模型，从而对各最优布局方案进行比较和进一步的分析评价。

6.根据权利要求5所述的基于多目标优化模型的民航客机客舱布局确定通用方法，其中：

机型类型包括支线客机、单通道窄体干线客机、双通道宽体干线客机，

市场类型包括大众型市场、兼顾型市场、高端型市场，其中大众型市场侧重于客流量即要求总客座数尽可能大，客舱分为商务舱和经济舱两级，高端型市场侧重于强化舒适性，客舱分为头等舱、商务舱、高级经济舱以及经济舱，并要求经济舱以外的其它各级客舱座椅排距尽可能大，兼顾型市场则居于大众型市场和高端型市场之间，

设计变量输入子步骤定义的相关变量包括以下客舱布局优化模型变量：

其中：

以上客舱布局优化模型变量均非负；

椅盆长度表示座椅椅盆沿纵向即航向方向的尺寸即座深；

座椅宽度表示座椅两侧扶手之间水平距离即椅背宽度；

椅背可调节；

舱段长度单位为米，座椅排距、椅盆长度、椅背长度、座椅宽度的单位均为英寸；

平均客座率单位取％，平均票价单位取人民币元；

A舱即头等舱，B舱即商务舱，C舱即高端经济舱，D舱即经济舱，E舱即活动区，

活动区包括厨房或盥洗室单元及其近邻出口、过道构成的空间。

7.根据权利要求6所述的基于多目标优化模型的民航客机客舱布局确定通用方法，其中：

舱段总和约束条件由下式(1)表征；

活动区长度约束条件由下式(2)～(5)表征；

舱段座椅布置约束条件由下式(6)～(9)表征，

L_a+L_b+L_c+L_d+L_e1+L_e2+L_e3+L_e4＝L (1)

L₀+L_p，1≤L_e1≤max{L_a，L_b，L_c，L_d} (2)

L₀+L_p，2≤L_e2≤L_d (3)

0≤L_e3≤max{L_c，L_d} (4)

0≤l_e4≤max{L_b，L_c} (5)

m·X_a≤L_a＜(m+1)·X_a (6)

n·X_b≤L_b＜(n+1)·X_b (7)

p·X_c≤L_c＜(p+1)·X_c (8)

q·X_d≤L_d＜(q+1)·X_d (9)

L₀表示厨房盥洗室典型尺寸，

L_p，1表示E1过道宽度，

L_p，2表示E2过道宽度。

8.根据权利要求7所述的基于多目标优化模型的民航客机客舱布局确定通用方法，其中：

舒适性约束条件中，客舱分级和座椅布置方式不同，相关约束也有所区别，其中：

头等舱、高端商务舱和经济舱的座椅布置通常为传统式布置，各排座椅对齐向前布置，因此座椅排距约束和舱段长度与座椅排距适配关系约束也一致；

商务舱座椅布置则有三种布置方式，包括传统式布置、蛇形交错式布置和鱼骨交叉式布置，布置方式不同，座椅排距约束和舱段长度与座椅排距适配关系也需做出相应修正，

舒适性约束条件包括：

其中：

l_ft表示人体统计学足长，

L_p，d＝L_p，2，表示E2过道宽度，

l_ba表示婴儿椅空间长度，

α表示商务舱座椅最低舒适满意度，

l₀表示人体统计学身长，

β表示商务舱座椅最高舒适满意度，

n表示B舱座椅排数，

θ表示座椅中轴线与航向夹角，

经济性约束条件包括：

其中：横向布置中，上为头等舱或商务舱布置，下为高端经济舱或经济舱布置，

横向安全约束条件要求客舱过道宽度不低于相关适航标准的最低要求，由下式(10)至(14)表征，

N·L_p，a＝W-a·W_a，其中W_a＝l₀sinθ+l_w，acosθ (10)

N·L_p，b＝W-b·W_b，其中W_b＝l₀sinθ+l_w，bcosθ (11)

N·L_p，c＝W-c·W_c，其中W_c＝l₀sinθ+l_w，ccosθ (12)

N·L_p，d＝W-d·W_d，其中W_d＝l₀sinθ+l_w，dcosθ (13)

记客舱过道数量为N，N＝1或2，

{L_p，a，L_p，b，L_p，c，L_p，d}≥L_p，min＝15in (14)

其中：

L_p，a即L_p，1，表示E1过道宽度，

L_p，b即L_p，4，表示E4过道宽度，

L_p，c即L_p，3，表示E3过道宽度，

W表示客舱宽度，

纵向安全约束条件要求对舱段长度与座椅排距适配关系进行约束时考虑应急舱门布置数量和应急舱门处座椅排距特殊要求，对舱段长度与座椅排距适配关系约束进行修正，由下式(15)至(16)表征：

布置一对应急舱门时，有：

(l_ba+L_p，min+2·l_ch，d)+(q-2)·X_d≤L_d＜(q+1)·X_d (15)

布置两对应急舱门时，有：

(l_ba+2·L_p，min+3·l_ch，d)+(q-3)·X_d≤L_d＜(q+1)·X_d (16)

各舒适性系数由下式(17)确定：

其中：l_rm，c＝X_c-l_ch，c，l_rm，d＝X_d-l_ch，d，

客舱整体舒适性系数由各级客舱舒适性系数按座位数比例进行加权求和，由下式(18)表征：

C＝(a·m·C_a+b·n·C_b+c·p·C_c+d·q·C_d)/(a·m+b·n+c·p+d·q)

(18)

对于客舱整体舒适性系数，要求其优化方向为最大化，

单次航班收入包含各级客舱航班收入，由下式(19)表征：

M＝a·m·u_a·P_a+b·n·u_b·P_b+c·p·u_c·P_c+d·q·u_d·P_d (19)

其中，a、b、c、d分别为A、B、C、D各级座舱每排座椅的数量，m、n、p、q分别为各级座舱座椅排数，u_a～u_d分别为各级座舱的平均客座率，P_a～P_d分别为各级座舱的平均票价，

对于单次航班收入，要求其优化方向为最大化，

当某型客机头等舱有一对专用出口时，则其逃生距离由下式(20)表征：

当商务舱有一对出口时，该对出口同高端经济舱前段共用，即商务舱和高端经济舱前段的逃生距离由下式(21)表征：

高端经济舱后段与经济舱前段共用一对出口，相应逃生距离由下式(22)表征：

当经济舱后段有一对专用出口时，其逃生距离由下式(23)表征：

宽体客机的客舱总逃生距离为各舱段逃生距离之和，由下式(24)表征：

上述各式中，[x]表示不超过x的最大整数，a、b、c、d分别为A、B、C、D级座舱的每排座椅数。

9.存储有计算机程序的计算机可读存储介质，该计算机程序能使处理器执行根据权利要求5-8之一所述的基于多目标优化模型的民航客机客舱布局确定通用方法。

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