飛行衝突解脫兩機優先順序專家系統的設計分析論文
飛行衝突解脫兩機優先順序專家系統的設計分析論文
1 引言
隨著中國民航發展的持續繁榮，繁忙機場日吞吐量日益趨於飽和水平。目前，為應對航班擁堵，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衝突，造成了管制員的管制負荷加重。
專家系統作為人工智慧( artificialintelligence，AI)領域的核心分支之一，其技術已廣泛應用於國外的空中交通管制(ATC)中。早在20世紀80年代中期，美國聯邦航空局(FAA)即開始對人工智慧技術在ATC中應用的可行性進行研究，美國麻省理工學院的Lincoln實驗室及MITRE公司參與了技術研發;在1991年，美國航空航天局NASA建立了基於民航空中交通管制的ATCEXPERT SYSTEM專家系統。該系統能夠迅速、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用甚少。
2 兩機優先順序專家系統構建
2.1 兩機優先順序知識庫內容
本節將以自學習判定樹為構架理論基礎，依照一線管制員在航空器優先順序調配上的啟發式管制知識經驗與技巧，表示出處於雷達監視下的、終端區某一衝突航路或相鄰航路上，兩架航空器調配選擇過程。
衝突解脫專家系統的推理分析過程中，選擇應該對哪架航空器進行飛行態勢調整，哪架航空器保持飛行態勢，因為從實際的角度，應該儘量縮小抑或避免航空器延誤區域面積。同時按照航空器效能、飛行員可操縱性要求，選擇調配的航空器，這是十分重要的。需給這些航班擬訂一個優先順序，然後按照優先順序進行調配。具有優先權的航空器指保持當前飛行態勢，無需做機動動作調整的航空器。
影響兩機調配優先順序的因素有：
(1)飛行意圖
飛行意圖分為巡航、爬升、下降。管制員調配優先順序按以下順序進行：巡航>爬升>下降。在兩架航空器出現衝突時，一機為巡航狀態，由於為過境飛行且一般情況飛行速度較快，相對於本就要爬升或下降的航空器來說，如果進行高度、航向或速度的調整，衝突消失後，需要引導歸航，人為增加了管制員的管制工作量。即存在最高優先順序。同理，考慮調配難度及飛機效能要求，爬升為第二優先順序。優先調配下降進場航空器。
(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，而在非主幹航路和非繁忙機場調節的餘度很大，所以前者應比後者在這方面優先順序要高。據相關資料顯示，國內八大機場的繁忙時刻一般在08:00—22:00，調配時，應避免在上述時刻範圍內。
(3)航班型別
國際航班優先順序一般都較高。國際航班在調配時，語言上的理解偏差是事故多發主要原因，同時由於其多為長航線，從而，更傾向於調配國內航班。一架航空器往往在一天內執行多次航班，初始時刻延誤將導致後續航班任務的延誤。一般航班的優先等級依下述規則排定，且各條規則的優先等級依次序進一步減小：國際航班優先於國內航班;續航航班優先於不續航航班。
(4)機型成本率
假設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先順序。
所謂機型的成本率是根據該機型的效能來制定的，它涉及到兩項重要機型效能：機型的最大業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生的費用(即地面等待成本)的重要因素。後者是估計該機型做單位時間的空中飛行所產生的費用(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)折算到單位業載成本和航油價格中。
設機型最大業載為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生的費用之和。
2.2 兩機優先順序專家系統構建
飛行衝突兩機優先順序所涉及的知識為結構性知識，在知識表示方法上使用語義網中一種特殊表示方式—自學習判定樹，其推理機制也即蘊含在知識表示中。
(1)兩機優先順序的知識表示及推理機制
判定樹中衝突調配方案所使用代號的含義。在調配方案中的字母“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;然後“Y”、“N”分別代表“是”、“否”，“&”為簡單命題中的“且”。
特別指出的是，假設A的飛行意圖為“巡航”並且B航空器的飛行意圖為“爬升”，那麼調配A航空器，反之，如果，A為“爬升”並且B為“巡航”，則調配B航空器。由於寫出所有的判定樹結構為1 152種，為簡化並避免不必要的重複。
如果A、B均為“巡航&巡航”，進一步判斷航空器A、B哪一架處於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，直到結點的型別為答案結點(葉子結點)時，給出初步的判定答案。其他結點的含義如上同理。
(2)事實的知識表示
在此判定樹中的結點儲存事實。在實際的程式實現時，也代表著程式執行的進度。接下來，將所有圖中的結點抽象化，採用同一種的物件—屬性—值的知識表示方法來表示結點資訊。
3 兩機優先順序專家系統設計
自學習知識程式：在程式實現上，自學習判定程式嵌入在兩機優先順序知識庫中，程式執行到優先順序評定時，推理機會將工作儲存器中的控制事實(規則)啟用，來執行自學習知識程式。知識庫自動更新後將新生成的結點資訊儲存入相應的知識庫中。自學習也是該專家系統知識獲取的重要途徑之一。
使用者輸入輸出介面：作為專家系統人機互動的主要方式是用來提問，根據使用者的輸入生成事實，匹配知識庫內規則中的模式，給出相應的策略。值得注意的是，推理機會根據使用者的輸入正確與否來判定程式是否向下進行。
工作儲存器：用來儲存被啟用的事實、規則、中間資料。
直譯器：對輸出的結果及中間過程進行一定程度的解釋。本文中暫不涉及對使用者輸入的語句的語法分割及語義的解析。
飛行衝突檢測與解脫知識庫：包含各個相應模組的事實集、(過程中生成)單一事實及控制事實(規則)、規則及各種自定義模板及自定義事函式等。
4 總結
衝突解脫優先順序專家系統可以幫助管制員對沖突的航空器進行調配，提高管制員的管制效率。空中交通管制專家系統的構建是一個需要不斷完善的過程，這個過程需要啟發式知識經驗與技巧、CCAR法律法規的編碼等內容的支撐。專家系統是一個軟體系統，不可能達到人的智力水平，因此在提高專家系統準確性的同時，也要提高管制員的管制能力。