飛行沖突解脫兩機(jī)優(yōu)先級(jí)專(zhuān)家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析論文
1 引言
隨著中國(guó)民航發(fā)展的持續(xù)繁榮，繁忙機(jī)場(chǎng)日吞吐量日益趨于飽和水平。目前，為應(yīng)對(duì)航班擁堵，民航局出臺(tái)“不限起飛”的舉措——針對(duì)八大繁忙機(jī)場(chǎng)的航班，規(guī)定除天氣和軍方活動(dòng)外，上述機(jī)場(chǎng)航班將不再受對(duì)方機(jī)場(chǎng)管制影響而推遲起飛。這樣，在保證地面航班準(zhǔn)點(diǎn)起飛的同時(shí)，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(fù)荷加重。
專(zhuān)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(guó)外的空中交通管制(ATC)中。早在20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)聯(lián)邦航空局(FAA)即開(kāi)始對(duì)人工智能技術(shù)在ATC中應(yīng)用的可行性進(jìn)行研究，美國(guó)麻省理工學(xué)院的Lincoln實(shí)驗(yàn)室及MITRE公司參與了技術(shù)研發(fā);在1991年，美國(guó)航空航天局NASA建立了基于民航空中交通管制的ATCEXPERT SYSTEM專(zhuān)家系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠迅速、準(zhǔn)確、高效和不知疲倦地進(jìn)行工作。而我國(guó)在這方面的研究及應(yīng)用甚少。
2 兩機(jī)優(yōu)先級(jí)專(zhuān)家系統(tǒng)構(gòu)建
2.1 兩機(jī)優(yōu)先級(jí)知識(shí)庫(kù)內(nèi)容
本節(jié)將以自學(xué)習(xí)判定樹(shù)為構(gòu)架理論基礎(chǔ)，依照一線管制員在航空器優(yōu)先級(jí)調(diào)配上的啟發(fā)式管制知識(shí)經(jīng)驗(yàn)與技巧，表示出處于雷達(dá)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(guò)程。
沖突解脫專(zhuān)家系統(tǒng)的推理分析過(guò)程中，選擇應(yīng)該對(duì)哪架航空器進(jìn)行飛行態(tài)勢(shì)調(diào)整，哪架航空器保持飛行態(tài)勢(shì)，因?yàn)閺膶?shí)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(shí)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(gè)優(yōu)先級(jí)，然后按照優(yōu)先級(jí)進(jìn)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(shì)，無(wú)需做機(jī)動(dòng)動(dòng)作調(diào)整的航空器。
影響兩機(jī)調(diào)配優(yōu)先級(jí)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(jí)按以下順序進(jìn)行：巡航>爬升>下降。在兩架航空器出現(xiàn)沖突時(shí)，一機(jī)為巡航狀態(tài)，由于為過(guò)境飛行且一般情況飛行速度較快，相對(duì)于本就要爬升或下降的航空器來(lái)說(shuō)，如果進(jìn)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(jí)。同理，考慮調(diào)配難度及飛機(jī)性能要求，爬升為第二優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先調(diào)配下降進(jìn)場(chǎng)航空器。
(2)目的地機(jī)場(chǎng)繁忙時(shí)刻
繁忙機(jī)場(chǎng)上的`一架飛機(jī)延誤會(huì)造成一系列連鎖反應(yīng)，而在非主干航路和非繁忙機(jī)場(chǎng)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(jí)要高。據(jù)相關(guān)資料顯示，國(guó)內(nèi)八大機(jī)場(chǎng)的繁忙時(shí)刻一般在08:00—22:00，調(diào)配時(shí)，應(yīng)避免在上述時(shí)刻范圍內(nèi)。
(3)航班類(lèi)型
國(guó)際航班優(yōu)先級(jí)一般都較高。國(guó)際航班在調(diào)配時(shí)，語(yǔ)言上的理解偏差是事故多發(fā)主要原因，同時(shí)由于其多為長(zhǎng)航線，從而，更傾向于調(diào)配國(guó)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(shí)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(jí)依下述規(guī)則排定，且各條規(guī)則的優(yōu)先等級(jí)依次序進(jìn)一步減小：國(guó)際航班優(yōu)先于國(guó)內(nèi)航班;續(xù)航航班優(yōu)先于不續(xù)航航班。
(4)機(jī)型成本率
假設(shè)兩架航空器起飛時(shí)間相同的情況下，地面等待成本高和耗油率高的機(jī)型比地面等待成本低和耗油率低的機(jī)型具有更高優(yōu)先級(jí)。
所謂機(jī)型的成本率是根據(jù)該機(jī)型的性能來(lái)制定的，它涉及到兩項(xiàng)重要機(jī)型性能：機(jī)型的最大業(yè)載和機(jī)型空中飛行平均耗油率。前者是估計(jì)該機(jī)型作單位時(shí)間的地面等待所產(chǎn)生的費(fèi)用(即地面等待成本)的重要因素。后者是估計(jì)該機(jī)型做單位時(shí)間的空中飛行所產(chǎn)生的費(fèi)用(即空中飛行成本)的重要因素。另外，將航空公司信譽(yù)、機(jī)組人員工作負(fù)荷、飛機(jī)日常維護(hù)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(jià)格中。
設(shè)機(jī)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(shí)損失值為H，航油價(jià)格為P，則機(jī)型成本率C可用以下公式計(jì)算：
C= W H /100+PN ??
(設(shè)每位乘客連行李平均100 kg)
可以看出機(jī)型成本率就是該機(jī)型的航班做一個(gè)小時(shí)的地面等待和一個(gè)小時(shí)的空中飛行所產(chǎn)生的費(fèi)用之和。
2.2 兩機(jī)優(yōu)先級(jí)專(zhuān)家系統(tǒng)構(gòu)建
飛行沖突兩機(jī)優(yōu)先級(jí)所涉及的知識(shí)為結(jié)構(gòu)性知識(shí)，在知識(shí)表示方法上使用語(yǔ)義網(wǎng)中一種特殊表示方式—自學(xué)習(xí)判定樹(shù)，其推理機(jī)制也即蘊(yùn)含在知識(shí)表示中。
(1)兩機(jī)優(yōu)先級(jí)的知識(shí)表示及推理機(jī)制
判定樹(shù)中沖突調(diào)配方案所使用代號(hào)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(hào);接下來(lái)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(jiǎn)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(xiě)出所有的判定樹(shù)結(jié)構(gòu)為1 152種，為簡(jiǎn)化并避免不必要的重復(fù)。
如果A、B均為“巡航&巡航”，進(jìn)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(jī)場(chǎng)，若為“是&是”，則進(jìn)一步遍歷比較，直到結(jié)點(diǎn)的類(lèi)型為答案結(jié)點(diǎn)(葉子結(jié)點(diǎn))時(shí)，給出初步的判定答案。其他結(jié)點(diǎn)的含義如上同理。
(2)事實(shí)的知識(shí)表示
在此判定樹(shù)中的結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)事實(shí)。在實(shí)際的程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，也代表著程序運(yùn)行的進(jìn)度。接下來(lái)，將所有圖中的結(jié)點(diǎn)抽象化，采用同一種的對(duì)象—屬性—值的知識(shí)表示方法來(lái)表示結(jié)點(diǎn)信息。
3 兩機(jī)優(yōu)先級(jí)專(zhuān)家系統(tǒng)設(shè)計(jì)
自學(xué)習(xí)知識(shí)程序：在程序?qū)崿F(xiàn)上，自學(xué)習(xí)判定程序嵌入在兩機(jī)優(yōu)先級(jí)知識(shí)庫(kù)中，程序運(yùn)行到優(yōu)先級(jí)評(píng)定時(shí)，推理機(jī)會(huì)將工作存儲(chǔ)器中的控制事實(shí)(規(guī)則)激活，來(lái)運(yùn)行自學(xué)習(xí)知識(shí)程序。知識(shí)庫(kù)自動(dòng)更新后將新生成的結(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)入相應(yīng)的知識(shí)庫(kù)中。自學(xué)習(xí)也是該專(zhuān)家系統(tǒng)知識(shí)獲取的重要途徑之一。
用戶輸入輸出接口：作為專(zhuān)家系統(tǒng)人機(jī)交互的主要方式是用來(lái)提問(wèn)，根據(jù)用戶的輸入生成事實(shí)，匹配知識(shí)庫(kù)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(jī)會(huì)根據(jù)用戶的輸入正確與否來(lái)判定程序是否向下進(jìn)行。
工作存儲(chǔ)器：用來(lái)存儲(chǔ)被激活的事實(shí)、規(guī)則、中間數(shù)據(jù)。
解釋器：對(duì)輸出的結(jié)果及中間過(guò)程進(jìn)行一定程度的解釋。本文中暫不涉及對(duì)用戶輸入的語(yǔ)句的語(yǔ)法分割及語(yǔ)義的解析。
飛行沖突檢測(cè)與解脫知識(shí)庫(kù)：包含各個(gè)相應(yīng)模塊的事實(shí)集、(過(guò)程中生成)單一事實(shí)及控制事實(shí)(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(jí)專(zhuān)家系統(tǒng)可以幫助管制員對(duì)沖突的航空器進(jìn)行調(diào)配，提高管制員的管制效率。空中交通管制專(zhuān)家系統(tǒng)的構(gòu)建是一個(gè)需要不斷完善的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程需要啟發(fā)式知識(shí)經(jīng)驗(yàn)與技巧、CCAR法律法規(guī)的編碼等內(nèi)容的支撐。專(zhuān)家系統(tǒng)是一個(gè)軟件系統(tǒng)，不可能達(dá)到人的智力水平，因此在提高專(zhuān)家系統(tǒng)準(zhǔn)確性的同時(shí)，也要提高管制員的管制能力。
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