飛行沖突解脫兩機優(yōu)先級專家系統(tǒng)的設(shè)計分析論文
1 引言
隨著中國民航發(fā)展的持續(xù)繁榮，繁忙機場日吞吐量日益趨于飽和水平。目前，為應(yīng)對航班擁堵，民航局出臺“不限起飛”的舉措——針對八大繁忙機場的航班，規(guī)定除天氣和軍方活動外，上述機場航班將不再受對方機場管制影響而推遲起飛。這樣，在保證地面航班準點起飛的同時，增加了空中航空器的潛在飛行沖突，造成了管制員的管制負荷加重。
專家系統(tǒng)作為人工智能( artificialintelligence，AI)領(lǐng)域的核心分支之一，其技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國外的空中交通管制(ATC)中。早在20世紀80年代中期，美國聯(lián)邦航空局(FAA)即開始對人工智能技術(shù)在ATC中應(yīng)用的可行性進行研究，美國麻省理工學(xué)院的Lincoln實驗室及MITRE公司參與了技術(shù)研發(fā);在1991年，美國航空航天局NASA建立了基于民航空中交通管制的ATCEXPERT SYSTEM專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠迅速、準確、高效和不知疲倦地進行工作。而我國在這方面的研究及應(yīng)用甚少。
2 兩機優(yōu)先級專家系統(tǒng)構(gòu)建
2.1 兩機優(yōu)先級知識庫內(nèi)容
本節(jié)將以自學(xué)習(xí)判定樹為構(gòu)架理論基礎(chǔ)，依照一線管制員在航空器優(yōu)先級調(diào)配上的啟發(fā)式管制知識經(jīng)驗與技巧，表示出處于雷達監(jiān)視下的、終端區(qū)某一沖突航路或相鄰航路上，兩架航空器調(diào)配選擇過程。
沖突解脫專家系統(tǒng)的推理分析過程中，選擇應(yīng)該對哪架航空器進行飛行態(tài)勢調(diào)整，哪架航空器保持飛行態(tài)勢，因為從實際的角度，應(yīng)該盡量縮小抑或避免航空器延誤區(qū)域面積。同時按照航空器性能、飛行員可操縱性要求，選擇調(diào)配的航空器，這是十分重要的。需給這些航班擬訂一個優(yōu)先級，然后按照優(yōu)先級進行調(diào)配。具有優(yōu)先權(quán)的航空器指保持當(dāng)前飛行態(tài)勢，無需做機動動作調(diào)整的航空器。
影響兩機調(diào)配優(yōu)先級的因素有：
(1)飛行意圖
飛行意圖分為巡航、爬升、下降。管制員調(diào)配優(yōu)先級按以下順序進行：巡航>爬升>下降。在兩架航空器出現(xiàn)沖突時，一機為巡航狀態(tài)，由于為過境飛行且一般情況飛行速度較快，相對于本就要爬升或下降的航空器來說，如果進行高度、航向或速度的調(diào)整，沖突消失后，需要引導(dǎo)歸航，人為增加了管制員的管制工作量。即存在最高優(yōu)先級。同理，考慮調(diào)配難度及飛機性能要求，爬升為第二優(yōu)先級。優(yōu)先調(diào)配下降進場航空器。
(2)目的地機場繁忙時刻
繁忙機場上的`一架飛機延誤會造成一系列連鎖反應(yīng)，而在非主干航路和非繁忙機場調(diào)節(jié)的余度很大，所以前者應(yīng)比后者在這方面優(yōu)先級要高。據(jù)相關(guān)資料顯示，國內(nèi)八大機場的繁忙時刻一般在08:00—22:00，調(diào)配時，應(yīng)避免在上述時刻范圍內(nèi)。
(3)航班類型
國際航班優(yōu)先級一般都較高。國際航班在調(diào)配時，語言上的理解偏差是事故多發(fā)主要原因，同時由于其多為長航線，從而，更傾向于調(diào)配國內(nèi)航班。一架航空器往往在一天內(nèi)執(zhí)行多次航班，初始時刻延誤將導(dǎo)致后續(xù)航班任務(wù)的延誤。一般航班的優(yōu)先等級依下述規(guī)則排定，且各條規(guī)則的優(yōu)先等級依次序進一步減小：國際航班優(yōu)先于國內(nèi)航班;續(xù)航航班優(yōu)先于不續(xù)航航班。
(4)機型成本率
假設(shè)兩架航空器起飛時間相同的情況下，地面等待成本高和耗油率高的機型比地面等待成本低和耗油率低的機型具有更高優(yōu)先級。
所謂機型的成本率是根據(jù)該機型的性能來制定的，它涉及到兩項重要機型性能：機型的最大業(yè)載和機型空中飛行平均耗油率。前者是估計該機型作單位時間的地面等待所產(chǎn)生的費用(即地面等待成本)的重要因素。后者是估計該機型做單位時間的空中飛行所產(chǎn)生的費用(即空中飛行成本)的重要因素。另外，將航空公司信譽、機組人員工作負荷、飛機日常維護成本等次要因素(影響到地面等待成本和空中飛行成本)折算到單位業(yè)載成本和航油價格中。
設(shè)機型最大業(yè)載為w(kg)、耗油率為N(kg/h)，每位乘客地面等待一小時損失值為H，航油價格為P，則機型成本率C可用以下公式計算：
C= W H /100+PN ??
(設(shè)每位乘客連行李平均100 kg)
可以看出機型成本率就是該機型的航班做一個小時的地面等待和一個小時的空中飛行所產(chǎn)生的費用之和。
2.2 兩機優(yōu)先級專家系統(tǒng)構(gòu)建
飛行沖突兩機優(yōu)先級所涉及的知識為結(jié)構(gòu)性知識，在知識表示方法上使用語義網(wǎng)中一種特殊表示方式—自學(xué)習(xí)判定樹，其推理機制也即蘊含在知識表示中。
(1)兩機優(yōu)先級的知識表示及推理機制
判定樹中沖突調(diào)配方案所使用代號的含義。在調(diào)配方案中的字母“A”和“B”分別代表航空器的編號;接下來的字母“X”、“P”和“J”分別代表巡航、爬升、下降;然后“Y”、“N”分別代表“是”、“否”，“&”為簡單命題中的“且”。
特別指出的是，假設(shè)A的飛行意圖為“巡航”并且B航空器的飛行意圖為“爬升”，那么調(diào)配A航空器，反之，如果，A為“爬升”并且B為“巡航”，則調(diào)配B航空器。由于寫出所有的判定樹結(jié)構(gòu)為1 152種，為簡化并避免不必要的重復(fù)。
如果A、B均為“巡航&巡航”，進一步判斷航空器A、B哪一架處于繁忙航路或者繁忙目的地機場，若為“是&是”，則進一步遍歷比較，直到結(jié)點的類型為答案結(jié)點(葉子結(jié)點)時，給出初步的判定答案。其他結(jié)點的含義如上同理。
(2)事實的知識表示
在此判定樹中的結(jié)點存儲事實。在實際的程序?qū)崿F(xiàn)時，也代表著程序運行的進度。接下來，將所有圖中的結(jié)點抽象化，采用同一種的對象—屬性—值的知識表示方法來表示結(jié)點信息。
3 兩機優(yōu)先級專家系統(tǒng)設(shè)計
自學(xué)習(xí)知識程序：在程序?qū)崿F(xiàn)上，自學(xué)習(xí)判定程序嵌入在兩機優(yōu)先級知識庫中，程序運行到優(yōu)先級評定時，推理機會將工作存儲器中的控制事實(規(guī)則)激活，來運行自學(xué)習(xí)知識程序。知識庫自動更新后將新生成的結(jié)點信息存儲入相應(yīng)的知識庫中。自學(xué)習(xí)也是該專家系統(tǒng)知識獲取的重要途徑之一。
用戶輸入輸出接口：作為專家系統(tǒng)人機交互的主要方式是用來提問，根據(jù)用戶的輸入生成事實，匹配知識庫內(nèi)規(guī)則中的模式，給出相應(yīng)的策略。值得注意的是，推理機會根據(jù)用戶的輸入正確與否來判定程序是否向下進行。
工作存儲器：用來存儲被激活的事實、規(guī)則、中間數(shù)據(jù)。
解釋器：對輸出的結(jié)果及中間過程進行一定程度的解釋。本文中暫不涉及對用戶輸入的語句的語法分割及語義的解析。
飛行沖突檢測與解脫知識庫：包含各個相應(yīng)模塊的事實集、(過程中生成)單一事實及控制事實(規(guī)則)、規(guī)則及各種自定義模板及自定義事函數(shù)等。
4 總結(jié)
沖突解脫優(yōu)先級專家系統(tǒng)可以幫助管制員對沖突的航空器進行調(diào)配，提高管制員的管制效率�？罩薪煌ü苤茖＜蚁到y(tǒng)的構(gòu)建是一個需要不斷完善的過程，這個過程需要啟發(fā)式知識經(jīng)驗與技巧、CCAR法律法規(guī)的編碼等內(nèi)容的支撐。專家系統(tǒng)是一個軟件系統(tǒng)，不可能達到人的智力水平，因此在提高專家系統(tǒng)準確性的同時，也要提高管制員的管制能力。
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