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(shí)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(chǎng)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(tái)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(shí)的知識(shí)庫，并通過知識(shí)推理獲得調(diào)配決策方案，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的決策支持，為實(shí)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(shí)施，降低管制員的工作負(fù)荷。本文的研究重點(diǎn)是設(shè)計(jì)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(dòng)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(duì)航空器實(shí)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(bào)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(dòng)飛行以避讓沖突。

通常，進(jìn)近航線為機(jī)場(chǎng)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(chǎng)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(shí)，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(jì)

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(shí)，需要管制員基于沖突態(tài)勢(shì)和管制規(guī)則，使用有效的管制方法對(duì)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(shí)可以減少管制能力偏差等人為因素對(duì)飛行安全的影響。一個(gè)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(shí)庫、綜合數(shù)據(jù)庫、推理機(jī)是系統(tǒng)的3個(gè)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(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行所需的全部數(shù)據(jù)。綜合數(shù)據(jù)庫中實(shí)時(shí)子數(shù)據(jù)庫主要存儲(chǔ)實(shí)時(shí)的航班信息等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；基礎(chǔ)子數(shù)據(jù)庫主要存儲(chǔ)航空器機(jī)型性能數(shù)據(jù)以及機(jī)場(chǎng)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(dòng)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(duì)飛行高度相同，即不做高度調(diào)整。

3 知識(shí)庫設(shè)計(jì)

3.1 知識(shí)庫內(nèi)容

知識(shí)庫用于存儲(chǔ)進(jìn)近雷達(dá)管制調(diào)配方法相關(guān)知識(shí)，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(shí)際工作中的經(jīng)驗(yàn)方法。建立知識(shí)庫過程中最重要的是與經(jīng)驗(yàn)豐富的管制員進(jìn)行溝通，他們豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是重要的知識(shí)，可以對(duì)知識(shí)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(shí)表示與儲(chǔ)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(shí)。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(shí)，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(hào)，RLS可以是任何子句的邏輯組合，但RRS只是一個(gè)結(jié)論或操作，或是多個(gè)結(jié)論或操作的組合[5]。

本文設(shè)計(jì)知識(shí)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?？梢杂肎=（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(shí)庫的結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3 知識(shí)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(duì)管制調(diào)配方法知識(shí)的不完備特點(diǎn)，本文采用圖論中路徑問題的解決方法實(shí)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(gè)n×n的二維數(shù)組，其中：

給出一個(gè)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(shí)庫的與或圖構(gòu)造成鄰接矩陣A，如圖4所示。

圖4 知識(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的推理過程，推理算法為

步驟1 判斷給定知識(shí)對(duì)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(shí)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(shí)，該行所對(duì)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(shí)不為 0，即得到給定知識(shí)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(duì)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(shí)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(duì)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(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)推理算法。推理機(jī)推理計(jì)算過程為

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

（2）通過對(duì)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(shí)為推理結(jié)果；

（3）通過計(jì)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(duì) L6、L7路徑進(jìn)行比較，即得出V16，節(jié)點(diǎn)代表的知識(shí)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(shí)現(xiàn)了決策方案的自動(dòng)化生成，具有重要的實(shí)際參考價(jià)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(duì)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(bào)，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(jì)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(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2007，43（3）：214-217. ■