基于智能決策的火箭安控系統(tǒng)*

李 婭，張建勛，肖朝暉

（重慶理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400050）

0 引言

隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展，火箭發(fā)射成為世界各國所關(guān)注的焦點(diǎn)。然而火箭發(fā)射是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，經(jīng)常發(fā)生故障，落點(diǎn)將超出允許落點(diǎn)范圍而危及地面安全時(shí)，必須加以控制，終止火箭動力飛行并將其炸毀。如果不能準(zhǔn)確控制，造成的后果是非常嚴(yán)重的。因此火箭發(fā)射的安全控制成為世界各國需要解決的首要問題[1-2]。

火箭飛行安全控制系統(tǒng)一般由地面控制系統(tǒng)和火箭控制系統(tǒng)組成[3]。其中，地面控制系統(tǒng)主要觀察火箭飛行狀態(tài)并對其進(jìn)行判斷，發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警或炸毀指令；火箭控制系統(tǒng)接收地面系統(tǒng)發(fā)來的炸毀指令，經(jīng)過判斷分析，點(diǎn)燃爆炸器。結(jié)合這兩個控制系統(tǒng)各自的特點(diǎn)，構(gòu)建的火箭安控系統(tǒng)要求具有極高的可靠性、實(shí)時(shí)性，所采用的安全控制信息要有很高的精度，才能對火箭的飛行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，及時(shí)有效地做出判斷，為安控領(lǐng)域?qū)＜业淖罱K決策提供支持發(fā)揮著重要作用。

傳統(tǒng)的火箭安全控制系統(tǒng)是在確定性的安控知識的基礎(chǔ)上，通過簡單的邏輯判斷推理，得出安控決策方案。這種方法經(jīng)常產(chǎn)生錯誤的報(bào)警，導(dǎo)致安控專家做出錯誤決策。本文針對火箭安控知識的特點(diǎn)及現(xiàn)有系統(tǒng)存在的不足，采用人工智能領(lǐng)域的智能決策技術(shù)和推理技術(shù)，融合安控決策知識，提出了基于智能決策的火箭安控系統(tǒng)，并給出了相應(yīng)的系統(tǒng)模型。通過對兩個安控系統(tǒng)的比較分析表明，該智能決策系統(tǒng)能夠更加準(zhǔn)確地對火箭的發(fā)射狀態(tài)進(jìn)行觀測，及時(shí)迅速地得到火箭發(fā)射過程中的各種狀態(tài)，更加有效地對其進(jìn)行控制決策。

1 安控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

火箭安全控制決策系統(tǒng)是一個集彈道數(shù)據(jù)處理和安全控制決策于一體的計(jì)算機(jī)決策支持系統(tǒng)，具體處理流程如下：計(jì)算機(jī)對各種測量設(shè)備提供的實(shí)時(shí)彈道數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，從中選擇可靠性最高的一條彈道，并進(jìn)行落點(diǎn)計(jì)算；然后將計(jì)算結(jié)果與事先所存儲的理論彈道數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。當(dāng)偏差值在故障線范圍內(nèi)時(shí)，認(rèn)為火箭飛行正常；當(dāng)實(shí)際參數(shù)值達(dá)到或超過故障線范圍時(shí)，根據(jù)安控知識庫進(jìn)行推理決策，判斷火箭是否處于不安全的故障狀態(tài)，此時(shí)通過計(jì)算機(jī)向發(fā)射指揮控制中心發(fā)出告警信號；當(dāng)安判結(jié)論達(dá)到允許炸毀線，且預(yù)測的故障火箭落點(diǎn)已進(jìn)入保護(hù)區(qū)邊界線時(shí)，則發(fā)出炸毀指令；當(dāng)實(shí)際參數(shù)值達(dá)到必炸線時(shí)立即發(fā)出炸毀指令。除由地面進(jìn)行安全控制外，火箭上的安全自毀系統(tǒng)也將每一瞬間的實(shí)際參數(shù)值與預(yù)先輸入的規(guī)定值加以比較。當(dāng)超出允許值時(shí)，一般先使航天員脫離火箭，解除保險(xiǎn)，接通延時(shí)裝置，以便地面安全分系統(tǒng)選擇炸毀時(shí)機(jī)或落點(diǎn)，而在預(yù)定的遲滯時(shí)間內(nèi)，即使地面沒有發(fā)出炸毀指令，延遲時(shí)間一到也要自動起動爆炸裝置將火箭炸毀。

基于這種處理流程，安控系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。該框架結(jié)構(gòu)主要包括四個部分：彈道選擇、落點(diǎn)計(jì)算與選擇、安控知識庫和安控推理決策。其中彈道選擇、落點(diǎn)計(jì)算與選擇是彈道數(shù)據(jù)處理部分；安控知識庫和安控推理決策是安全控制決策部分。

圖1 安控系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

（1）彈道選擇

彈道選擇首先根據(jù)火箭彈道特點(diǎn)的先驗(yàn)知識把測量所得的彈道數(shù)據(jù)（包括外測數(shù)據(jù)和遙測數(shù)據(jù)）與事先所存儲的理論彈道數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判斷其可靠性，剔除誤測彈道；然后再根據(jù)各測量設(shè)備的精度，在可靠性的基礎(chǔ)上選用測量精度最高的一條彈道[4]，用于落點(diǎn)計(jì)算與安全判斷。其中理論彈道的數(shù)據(jù)值可根據(jù)在特定時(shí)間點(diǎn)的插值來獲?。贿b測數(shù)據(jù)和外測數(shù)據(jù)均可從調(diào)用模塊中獲得。

（2）落點(diǎn)計(jì)算與選擇

落點(diǎn)計(jì)算是在任務(wù)實(shí)施中瞬時(shí)計(jì)算出火箭在飛行中的任何一點(diǎn)上的狀態(tài)，如果發(fā)生故障，它落在地面上的位置為安全控制提供依據(jù)。落點(diǎn)計(jì)算的輸入量由測量設(shè)備測得的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算后，提供給落點(diǎn)計(jì)算的彈體在發(fā)射坐標(biāo)系中的參數(shù)，具體包括位置參數(shù)：Xk、Yk、Zk和速度參數(shù)vxk、vyk、vzk。輸出量則是火箭在軌道上瞬時(shí)任一實(shí)測點(diǎn)的速度值、速度傾角、偏航角、當(dāng)?shù)馗叨?、星下點(diǎn)經(jīng)緯度、落點(diǎn)經(jīng)緯度、落點(diǎn)射程、沿射向的射程、射程偏航量等。

彈道選擇、落點(diǎn)計(jì)算與選擇作為彈道數(shù)據(jù)處理部分，為安全控制決策提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（3）安控知識庫

安控知識庫是安控決策系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，用來描述火箭安控系統(tǒng)中的各種知識和規(guī)則，由安控參數(shù)、原子事實(shí)和規(guī)則知識庫3個表的形式組織起來[3]。這樣不僅簡化了知識庫，便于知識庫中知識的組織和管理，而且避免知識的相互交叉，保證了知識的相容性和完整性。

（4）安控決策推理

安控決策推理由定性的知識推理和不確定的推理模型構(gòu)成。安控系統(tǒng)推理采用基于不確定知識表示的決策網(wǎng)絡(luò)，在安控推理決策過程中，推理機(jī)根據(jù)安控知識的特點(diǎn)，通過正向推理機(jī)制和深度優(yōu)先搜索策略進(jìn)行推理，最終給出基于智能決策的火箭安控系統(tǒng)。

2 安控知識庫

2.1 安控知識的分類

在安控系統(tǒng)中，領(lǐng)域?qū)＜宜o的安控知識復(fù)雜，影響因素眾多，如果把這些安控知識不加區(qū)分地表示出來，一方面增添了知識表示的復(fù)雜性，另一方面也給安控知識的推理帶來了困難。針對這一難點(diǎn)，系統(tǒng)把安控知識進(jìn)行了分類，把它分為安全控制參數(shù)（簡稱安控參數(shù)）、原子事實(shí)和規(guī)則知識庫3類。

（1）安控參數(shù)

安控參數(shù)主要是描述火箭安控系統(tǒng)中所用到的參數(shù)，可以分為3類：外測彈道落點(diǎn)、遙測彈道落點(diǎn)、遙測壓力參數(shù)。其中外測彈道落點(diǎn)和遙測彈道落點(diǎn)都包括落點(diǎn)、速度、偏角、傾角、射程等幾類參數(shù)[3]；而遙測壓力參數(shù)包括俯仰角偏差、滾動角偏差、偏航角偏差、一級壓力1、一級壓力 2、一級壓力 3、一級壓力 4、二級壓力幾個參數(shù)。只有落點(diǎn)、速度、射程參數(shù)同時(shí)參與炸毀和告警，其他參數(shù)僅參與告警而不參與炸毀報(bào)警。

在每個采樣周期都進(jìn)行安控參數(shù)的形成，作為安控系統(tǒng)判斷決策的依據(jù)。由于在具體實(shí)現(xiàn)中，參數(shù)的提供不是很完全（僅有飛行的位置和速度數(shù)據(jù)），而且沒有管道數(shù)據(jù)，這些都為完整的測試增加了困難。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中系統(tǒng)只好采取一種隨機(jī)產(chǎn)生安控參數(shù)的辦法。

（2）原子事實(shí)

原子事實(shí)主要描述各個狀態(tài)變量是否連續(xù)多點(diǎn)越界的信息。 一般以這種 Si（Y，Vk，20，Z）形式表示，其含義是遙測（Y）彈道速度（Vk）連續(xù) 20點(diǎn)超越炸毀線（Z），用來表示規(guī)則知識庫中的一個前提條件或者結(jié)論。其實(shí)則是方便進(jìn)行安全判斷的推理而提出的中間變量。

（3）規(guī)則知識庫

規(guī)則知識庫主要描述火箭安控系統(tǒng)中的規(guī)則知識，由多個原子事實(shí)組成，采用才產(chǎn)生式的表示形式，如下所示：

在此產(chǎn)生式中，前提條件 S1和 S3，結(jié)論Sy都是以 Si的形式來表示，為原子事實(shí)。如果某條規(guī)則的前提條件多于兩條，則可以引入中間變量，再把規(guī)則分成兩條來進(jìn)行存貯；如果某條規(guī)則的前提條件少于兩條，則可以在前提2處輸入一個9999或其他的代碼來表示此條前提無效，此時(shí)就只有一條前提。

在安控系統(tǒng)中，所得到的安控知識往往是不精確的，因此系統(tǒng)要在產(chǎn)生式表示的基礎(chǔ)上，具體采用不確定的知識表示形式[5-6]，如下所示：

式中，Ei是規(guī)則的前提條件，ωi是規(guī)則各前提條件的權(quán)值(∑ωi=1)，H 是結(jié)論，CF(H，E)(0＜CF(H，E)≤1)是規(guī)則的可信度，λ(0＜λ≤1)是規(guī)則可否應(yīng)用的閾值[5]。只有當(dāng)規(guī)則所需的前提條件可信度CF(E)≥λ時(shí)，相應(yīng)規(guī)則才會被激活，推理相應(yīng)的結(jié)論 H，它的可信度 CF(H)可用如下公式計(jì)算：

式中，“*”表示“取極小”運(yùn)算。

如果式中前提條件E由多個前提條件Ei組成，則有

如下公式：

產(chǎn)生式(2)的表示形式，可以用不確定性知識表示，

如下所示：

經(jīng)安控系統(tǒng)彈道數(shù)據(jù)處理部分可以得到S1可信度CF(S1)=0.8，S3可信度 CF(S3)=0.6。

由式（4）可得：

規(guī)則被激活，結(jié)論H的可信度由式（3）得：

根據(jù)上面的知識分類，系統(tǒng)把安控知識用表Para、表Atom、表Rule的形式組織起來，如圖2所示。這樣不僅簡化了知識庫，便于知識庫中知識的組織和管理，而且避免知識的相互交叉，保證了知識的相容性和完整性。

2.2 安控決策網(wǎng)絡(luò)的形成

根據(jù)安控知識的分類及不確定性的知識表示形式，其決策過程可以用一個與/或樹來表示，即用邏輯或門“OR”和邏輯與門“AND”來表示，建立相應(yīng)的安控決策網(wǎng)絡(luò)[7-8]。以部分安控規(guī)則（如表1所示）為例，建立如圖3所示決策網(wǎng)絡(luò)。

圖2 安控知識邏輯關(guān)系圖

表1 安控規(guī)則表

表 1中，“9999” 表示此條前提無效，此規(guī)則就只有一條前提。

在圖3的決策網(wǎng)絡(luò)中，為了使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層次明顯，便于推理決策， 引入了 S13、S14、S23、S24幾個中間變量結(jié)點(diǎn)。

圖3 安控決策網(wǎng)絡(luò)

3 安控推理流程

結(jié)合安控知識的特點(diǎn)及相應(yīng)的決策網(wǎng)絡(luò)，以Visual C++6.0為開發(fā)平臺，構(gòu)建了安控推理決策模型[9]，如圖4所示，具體的安控推理流程如圖5所示。

圖4 安控推理模型

（3）結(jié)合上述安控推理流程，采用了面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)模型，以Visual C++6.0為開發(fā)平臺，實(shí)現(xiàn)了上述安控決策系統(tǒng)。圖6給出了該系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，包括軌道軌跡的選擇、安判結(jié)果、落點(diǎn)參數(shù)和推理解釋四大模塊。在具體的實(shí)驗(yàn)，顯示了X方向彈道的位置軌跡，安判結(jié)果顯示為外測告警、遙測告警、聯(lián)合告警及炸毀（催發(fā)指令 k1），推理解釋給出了“151.980炸毀”，并有相應(yīng)的解釋依據(jù)。上述仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效地進(jìn)行彈道選擇，實(shí)時(shí)檢測火箭的飛行狀態(tài)，給出相應(yīng)的安控決策方案，為安控領(lǐng)域?qū)＜业淖罱K判斷決策提供參考。

圖5 安控推理流程圖

圖6 系統(tǒng)仿真運(yùn)行界面

4 結(jié)論

本文針對現(xiàn)有安控系統(tǒng)存在的缺陷和不足，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)和人工智能中的推理技術(shù)，建立和完善了火箭飛行安全控制決策系統(tǒng)，它是智能決策支持系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上的一個新突破。實(shí)驗(yàn)和仿真表明，該系統(tǒng)很大程度上提高了火箭安控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，能對其進(jìn)行有效的管理。

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