進(jìn)近雷達(dá)管制沖突調(diào)配專家系統(tǒng)研究

劉 然，郭肖鵬

（1.中國民航大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300300；2.天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空航天與汽車學(xué)院，天津 300350）

空中交通管制的實施是為了加速并保持空中交通流量以及防止航空器與航空器的相撞[1]?？罩薪煌ü苤品?wù)包括區(qū)域管制服務(wù)、進(jìn)近管制服務(wù)和機(jī)場管制服務(wù)。進(jìn)近管制區(qū)是連接區(qū)域管制區(qū)和塔臺管制區(qū)之間的空域，該區(qū)域內(nèi)管制的特點(diǎn)是飛行密度高、潛在沖突多、調(diào)配難度大[2]。繁忙的進(jìn)近管制區(qū)管制員工作量繁重，常常超出其能力范圍，該區(qū)域是飛行事故和事故征候的多發(fā)地帶。

專家系統(tǒng)是人工智能和數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，能夠高效、準(zhǔn)確、迅速地工作[3]。雷達(dá)管制調(diào)配方法是解決終端區(qū)內(nèi)飛行沖突的重要手段，構(gòu)建以雷達(dá)管制方法為知識的知識庫，并通過知識推理獲得調(diào)配決策方案，實現(xiàn)自動化的決策支持，為實際空中交通管制工作提供參考和幫助，可有效地輔助指揮方案的實施，降低管制員的工作負(fù)荷。本文的研究重點(diǎn)是設(shè)計并開發(fā)一套進(jìn)近雷達(dá)管制沖突調(diào)配專家系統(tǒng)，提高管制工作的自動化程度。

1 進(jìn)近雷達(dá)管制概述

進(jìn)近雷達(dá)管制是指空中交通管制員利用雷達(dá)系統(tǒng)對航空器實施雷達(dá)監(jiān)視、進(jìn)行雷達(dá)引導(dǎo)、提供雷達(dá)間隔和提供雷達(dá)情報服務(wù)及告警服務(wù)的一種方法[4]。進(jìn)近雷達(dá)管制調(diào)配飛行沖突的主要方法是調(diào)整飛行狀態(tài)和雷達(dá)引導(dǎo)。調(diào)整飛行狀態(tài)的主要方式是調(diào)整航空器速度；雷達(dá)引導(dǎo)方法是管制員指揮航空器機(jī)動飛行以避讓沖突。

通常，進(jìn)近航線為機(jī)場起落航線中的以下部分：三邊（downwind leg）、三轉(zhuǎn)彎、四邊（base leg）、四轉(zhuǎn)彎、五邊（final），如圖1所示。進(jìn)近航線是機(jī)場起落航線的一部分，根據(jù)飛行管制職責(zé)，當(dāng)有多架航空器在航線及其附近區(qū)域飛行時，管制員應(yīng)通過調(diào)整航空器之間的間隔，消除航線上的飛行沖突，保證航班流的正常著陸次序和飛行安全。

圖1 進(jìn)近航線定義Fig.1 Definition of final approach

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

當(dāng)進(jìn)近管制區(qū)內(nèi)發(fā)生飛行沖突時，需要管制員基于沖突態(tài)勢和管制規(guī)則，使用有效的管制方法對發(fā)生飛行沖突的航空器進(jìn)行調(diào)配，保證運(yùn)行安全。在繁忙的進(jìn)近管制區(qū)中使用專家系統(tǒng)，可以輔助管制員快速、準(zhǔn)確地選擇調(diào)配方法，引導(dǎo)航空器解脫沖突，同時可以減少管制能力偏差等人為因素對飛行安全的影響。一個完整的進(jìn)近雷達(dá)管制沖突調(diào)配專家系統(tǒng)的組成與一般專家系統(tǒng)的組成是一致的，知識庫、綜合數(shù)據(jù)庫、推理機(jī)是系統(tǒng)的3個基本功能模塊，系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of system

2.2 數(shù)據(jù)庫內(nèi)容

綜合數(shù)據(jù)庫模塊為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，用于存儲系統(tǒng)運(yùn)行所需的全部數(shù)據(jù)。綜合數(shù)據(jù)庫中實時子數(shù)據(jù)庫主要存儲實時的航班信息等動態(tài)數(shù)據(jù)；基礎(chǔ)子數(shù)據(jù)庫主要存儲航空器機(jī)型性能數(shù)據(jù)以及機(jī)場空域信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.3 系統(tǒng)設(shè)定條件

·進(jìn)近航線上僅有2架航空器發(fā)生沖突；

·后機(jī)速度大于前機(jī)速度，即發(fā)生追趕；

·前機(jī)因距離跑道較近，應(yīng)減少機(jī)動操作，故后機(jī)為規(guī)則結(jié)果的行為執(zhí)行者；

·因進(jìn)近航線飛行高度較低，設(shè)定航空器對飛行高度相同，即不做高度調(diào)整。

3 知識庫設(shè)計

3.1 知識庫內(nèi)容

知識庫用于存儲進(jìn)近雷達(dá)管制調(diào)配方法相關(guān)知識，包括《中國民用航空空中交通管理規(guī)則》等規(guī)章標(biāo)準(zhǔn)以及實際工作中的經(jīng)驗方法。建立知識庫過程中最重要的是與經(jīng)驗豐富的管制員進(jìn)行溝通，他們豐富的實踐經(jīng)驗是重要的知識，可以對知識庫中的內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充、提出建議，管制員不僅是專家，也是用戶。

3.2 知識表示與儲存

系統(tǒng)采用產(chǎn)生式規(guī)則表示法表示調(diào)配方法知識。一條產(chǎn)生式規(guī)則是一條“IF（某情形存在）THEN（某規(guī)則可?。钡恼Z句投影，其一般形式為R*：IF RLS THEN RRS。當(dāng)RLS為真時，RRS為可使用的規(guī)則。R*為產(chǎn)生式規(guī)則在規(guī)則庫中的序號，RLS可以是任何子句的邏輯組合，但RRS只是一個結(jié)論或操作，或是多個結(jié)論或操作的組合[5]。

本文設(shè)計知識庫中有如下8條規(guī)則：

R1：IF A機(jī)三邊上 AND B機(jī)三邊上 AND B機(jī)C類 AND VB＜240 km/h THEN B機(jī)盤旋

R2：IF A機(jī)三邊上 AND B機(jī)三邊上 AND B機(jī)C類 AND VB＞240 km/h THEN B機(jī)折線飛

R3：IF A機(jī)三邊上 AND B機(jī)三邊上 AND B機(jī)D類 AND VB＜310 km/h THEN B機(jī)折線飛

R4：IF A機(jī)三邊上 AND B機(jī)三邊上 AND B機(jī) D類 AND VB＞310 km/h THEN B機(jī)減速 40 km/h

R5：IF A機(jī)五邊AND B機(jī)三邊上 THEN B機(jī)延長三邊

R6：IF A機(jī)五邊上 AND B機(jī)五邊上 AND VB＜240 km/h THEN B機(jī)盤旋；

R7：IF A機(jī)五邊上 AND B機(jī)五邊上 AND VB＞240 km/h THEN B機(jī)折現(xiàn)飛；

R8：IF A機(jī)五邊上AND B機(jī)轉(zhuǎn)入五邊 THEN B機(jī)長五邊。

圖是由頂點(diǎn)集合和頂點(diǎn)間的二元關(guān)系集合組成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通常可以用G=（V，E）來表示。其中有限非空集合V表示頂點(diǎn)集合，E表示邊的集合[6]。

本文采用與或圖來表示知識庫的結(jié)構(gòu)并對其進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3 知識庫的與或圖表示Fig.3 And/or graph of rule base

4 推理機(jī)的開發(fā)

針對管制調(diào)配方法知識的不完備特點(diǎn)，本文采用圖論中路徑問題的解決方法實現(xiàn)推理機(jī)推理過程。

4.1 圖論路徑問題理論

定義1 有向圖G＝（V，E）中，若存在頂點(diǎn)序列Vi0，Vi1，Vi2，…，Vin-1，Vin，使得相關(guān)聯(lián)的有向邊＜Vi0，Vi1＞，＜Vi1，Vi2＞，…，＜Vin-1，Vin＞都在 E（G）中，則稱頂點(diǎn)Vi0到Vin存在一條路徑。

定義2 設(shè)有向圖G=（V，E），表示各頂點(diǎn)之間關(guān)系的矩陣鄰接A（G）=ai，j［］n×n是一個n×n的二維數(shù)組，其中：

給出一個圖的鄰接矩陣就等于給出了圖的全部信息，可以通過鄰接矩陣算出圖G中任一點(diǎn)與其他點(diǎn)之間是否有路可通[7]，若有路經(jīng)過哪些節(jié)點(diǎn)到達(dá)（即2節(jié)點(diǎn)的路徑）。將知識庫的與或圖構(gòu)造成鄰接矩陣A，如圖4所示。

圖4 知識庫與或圖的鄰接矩陣AFig.4 Adjacency matrix A of And/Or graph of rule base

4.2 推理算法

將圖的鄰接矩陣性質(zhì)運(yùn)用于推理機(jī)的推理搜索中，將知識庫的圖模型轉(zhuǎn)化成鄰接矩陣，并結(jié)合反向推理方式進(jìn)行推理，實現(xiàn)對知識的推理過程，推理算法為

步驟1 判斷給定知識對應(yīng)與或圖的哪些節(jié)點(diǎn)。

步驟2 求終點(diǎn)（即推理結(jié)果）：通過判斷知識庫有向圖的鄰接矩陣行的值來判斷圖的終點(diǎn)。當(dāng)某一行的值全為0時，該行所對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)即為終點(diǎn)。

步驟 3 求路徑組，即求 A（G）2，A（G）3，搜索分析 aij（n）=1 的意義，n=2，3。 由于 aij（n）=Σaik（n-1）akj，當(dāng)且僅當(dāng) aik（n-1），akj同時不為 0，即得到給定知識節(jié)點(diǎn) Vi與終點(diǎn)Vjn步可到達(dá)的全部路徑信息。

步驟4 對路徑進(jìn)行分析：

如果某條路徑所有的節(jié)點(diǎn)均為給定節(jié)點(diǎn)，說明給定的知識充分，推理鏈完整，該路徑終點(diǎn)即為推理結(jié)果。如果存在多條這樣的路徑，對這些路徑進(jìn)行比較，終點(diǎn)出現(xiàn)率最高的即為推理結(jié)果。

5 運(yùn)行仿真

應(yīng)用可視化編程工具并結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)開發(fā)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫，建立良好的人機(jī)交互界面，編寫計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)推理算法。推理機(jī)推理計算過程為

（1）根據(jù)圖5中航空器信息，判斷給定知識對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)為 V4，V5，V7，V11；

（2）通過對矩陣的判斷，得出第 12、13、14、15、16 行全為 0 元素，所以 V12，V13，V14，V15，V16為終點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)代表的知識為推理結(jié)果；

（3）通過計算分析 A、A2、A3的矩陣元素（aij）、（aij）2和（aij）3，得到 V4，V5，V7，V11與所有終點(diǎn)之間的路徑有：

（4）分析路徑

上述路徑組 L1、L2、L3、L4、L5均出現(xiàn)未給出節(jié)點(diǎn)V6、V8、V9、V10。 所以，只對 L6、L7路徑進(jìn)行比較，即得出V16，節(jié)點(diǎn)代表的知識減速40 km/h為規(guī)則結(jié)論，推理完成。系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖5所示。

6 結(jié)語

應(yīng)用專家系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，構(gòu)建了進(jìn)近雷達(dá)管制沖突調(diào)配專家系統(tǒng)。系統(tǒng)具有準(zhǔn)確、快速、方便的特點(diǎn)，避免了由人為因素所導(dǎo)致的決策結(jié)果不定性，縮短了管制員的決策周期，實現(xiàn)了決策方案的自動化生成，具有重要的實際參考價值。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行界面Fig.5 Interface of system

[1] 董襄寧，趙征，張洪梅.空中交通管理基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2005：131-133.

[2] 趙嶷飛，劉然，王紅勇.基于航線對象的五邊進(jìn)近調(diào)配程序模型研究[J].中國民航大學(xué)學(xué)報，2013，31（3）：1-5.

[3] 楊慧，丁建立.人工智能及其在民航中的應(yīng)用[M].北京：中國民航出版社，2005：14-15.

[4] 楊昌其，王慶春，鄒國良.進(jìn)近雷達(dá)管制方法淺析[J].空中交通管理，2003（5）：11-14.

[5] 鄧超，郭茂祖，王亞東.一種基于產(chǎn)生式規(guī)則的不確定推理模板模型的研究[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2003，39（30）：57-61.

[6] 孫惠泉.圖論及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2004：3-9.

[7] 楊林楠，彭琳.路徑問題在專家系統(tǒng)推理機(jī)中的提出和解決[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2007，43（3）：214-217. ■