基于氣象的空中交通管制實(shí)時(shí)決策專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何祁陽(yáng)

摘要

針對(duì)氣象服務(wù)在航空管制應(yīng)用中存在的問(wèn)題，本文提出了一種空中交通管制實(shí)時(shí)決策專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)以氣象信息數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，以CLIPS、C#為開(kāi)發(fā)工具，基于專家系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)影響管制員決策的氣象參數(shù)作出警示并給出輔助建議，大幅降低了管制員的工作負(fù)荷。

【關(guān)鍵詞】航空氣象 空中交通管制 專家系統(tǒng) 決策支持

目前眾多的正在研究的或已經(jīng)投入使用的航空氣象系統(tǒng)通常是通過(guò)采集外場(chǎng)的氣象傳感器數(shù)據(jù)，再通過(guò)計(jì)算、分析后顯示在空管的計(jì)算機(jī)終端上，提供給管制人員參考，這些系統(tǒng)的重點(diǎn)放在了氣象數(shù)據(jù)的分析計(jì)算以及結(jié)果的顯示。對(duì)于管制人員而言，需要在工作時(shí)經(jīng)常查看氣象數(shù)據(jù)并與所管制空域的特點(diǎn)相結(jié)合，在需要時(shí)及時(shí)做出對(duì)應(yīng)的管制決定。

然而隨著空中交通的發(fā)展和飛行訓(xùn)練的增加，交通流量和飛行起降架次持續(xù)增長(zhǎng)，造成管制員的工作負(fù)荷不斷加重。特別是在一些繁忙的管制區(qū)，進(jìn)近、塔臺(tái)管制員工作更為繁重，尤其是當(dāng)所管轄空域的氣象條件出現(xiàn)惡劣天氣現(xiàn)象時(shí)，管制員需要實(shí)時(shí)關(guān)注氣象數(shù)據(jù)的變化，這樣常常導(dǎo)致了工作量超出管制員的工作負(fù)荷，從而帶來(lái)了影響飛行安全的一個(gè)隱患。

專家系統(tǒng)自20世紀(jì)80年代至今，在眾多歐美國(guó)家中廣泛應(yīng)用于空中管制中。然而，我國(guó)在這空中交通管制中的應(yīng)用甚少，而在航空氣象的應(yīng)用就基本沒(méi)有。故此本文研究通過(guò)實(shí)時(shí)解析航空氣象信息并結(jié)合空管領(lǐng)域的工作經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用CLIPS技術(shù)嵌入到C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)決策系統(tǒng)，極大地減輕了管制人員的工作負(fù)荷，保障了飛行安全。

1實(shí)時(shí)決策專家系統(tǒng)的構(gòu)建

在交通繁忙的進(jìn)近區(qū)域或機(jī)場(chǎng)使用專家系統(tǒng)可以給出適當(dāng)?shù)臎Q策建議，從而減輕空中交通管制員的工作負(fù)荷，使其可以將精力專注于對(duì)飛機(jī)的指揮上，保障飛行交通的安全。

通過(guò)對(duì)多地機(jī)場(chǎng)管制人員工作流程的全面需求分析，對(duì)實(shí)時(shí)決策專家系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，它包括氣象觀測(cè)與預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)接口、氣象數(shù)據(jù)解析、知識(shí)庫(kù)構(gòu)建、管制知識(shí)獲取、推理解釋系統(tǒng)、人機(jī)交互界面、輔助決策信息存儲(chǔ)七大模塊，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)是本專家系統(tǒng)的最核心的部分，作為一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建是影響系統(tǒng)易用性和功能性指標(biāo)的關(guān)鍵方面。

在系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)中，用戶通過(guò)氣象數(shù)據(jù)接導(dǎo)入實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)和主觀、客觀預(yù)報(bào)結(jié)果，并轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)的內(nèi)部表示形式，作為輸入交由實(shí)時(shí)決策模塊去處理。

知識(shí)庫(kù)模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)知識(shí)的獲取和進(jìn)行知識(shí)的維護(hù)，知識(shí)獲取來(lái)源于航空交通管制員，航空氣象規(guī)范文件以及管制空域的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)分析和抽象形成完善的實(shí)時(shí)決策知識(shí)庫(kù)，為系統(tǒng)提供決策依據(jù)。

推理子系統(tǒng)主要基于RETE網(wǎng)絡(luò)匹配推理機(jī)制實(shí)現(xiàn)推理，推理執(zhí)行過(guò)程中，推理機(jī)通過(guò)知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)進(jìn)行檢查和檢索。

筆者構(gòu)建的系統(tǒng)是基于C/S架構(gòu)開(kāi)發(fā)的桌面應(yīng)用程序，結(jié)合C#語(yǔ)言和WPF的MVVM結(jié)構(gòu)，以外部的實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于實(shí)時(shí)決策產(chǎn)生的決策建議及其依賴的數(shù)據(jù)均保存在SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，保證資料的完整性。

2知識(shí)庫(kù)內(nèi)容

航空交通管制的知識(shí)庫(kù)包括機(jī)場(chǎng)的飛機(jī)進(jìn)近類型、跑道端、飛行器類型、風(fēng)向風(fēng)速、氣壓、能見(jiàn)度、RVR、云高等氣象信息。

知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建，主要根據(jù)RVR、VIS、云高與飛行器類型、進(jìn)近類型的關(guān)系和風(fēng)速與飛行器類型的關(guān)系，受篇幅所限，CLIPS構(gòu)建知識(shí)庫(kù)的程序略，其主要內(nèi)容如下：

（1）構(gòu)建知識(shí)模板；

（2）構(gòu)建事實(shí)庫(kù)；

（3）構(gòu)建規(guī)則庫(kù)。

3推理機(jī)的開(kāi)發(fā)

推理機(jī)模擬氣象專家、管制人員的思維和業(yè)務(wù)規(guī)則執(zhí)行限定，控制協(xié)調(diào)整個(gè)專家系統(tǒng)的程序，它根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和預(yù)報(bào)結(jié)果接口的輸入，利用知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)按即定的推理策略去求解相應(yīng)的輔助決策結(jié)果，解釋外部輸入的事實(shí)和數(shù)據(jù)，最終同時(shí)以2種形式提交用戶，方式一是依據(jù)中國(guó)民航行業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的信息交換格式定義的輔助決策結(jié)果，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)廣播到局域網(wǎng)上；方式二是將輔助決策結(jié)果顯示在用戶終端屏幕上。

使用CLIPS語(yǔ)言程序建立的知識(shí)庫(kù)，不再需要編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)推理機(jī)的程序，只需構(gòu)建初始事實(shí)和推理目標(biāo)即可。CLIPS的推理循環(huán)包括4個(gè)階段：模式匹配、沖突消解、激活規(guī)則、動(dòng)作。其推理流程如圖2所示。

4結(jié)束語(yǔ)

目前，本文所介紹的系統(tǒng)正在進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證，使用者反應(yīng)良好。事實(shí)上，本實(shí)時(shí)決策專家系統(tǒng)系統(tǒng)不僅提供基于航空氣象信息的輔助決策，亦可在加入其他諸如道面狀況、航班順序等信息后，為管制人員提供更為全面的輔助決策支持。

參考文獻(xiàn)

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