進近雷達管制沖突調配專家系統研究

劉 然，郭肖鵬

（1.中國民航大學 安全科學與工程學院，天津 300300；2.天津中德職業技術學院 航空航天與汽車學院，天津 300350）

空中交通管制的實施是為了加速并保持空中交通流量以及防止航空器與航空器的相撞[1]。空中交通管制服務包括區域管制服務、進近管制服務和機場管制服務。進近管制區是連接區域管制區和塔臺管制區之間的空域，該區域內管制的特點是飛行密度高、潛在沖突多、調配難度大[2]。繁忙的進近管制區管制員工作量繁重，常常超出其能力范圍，該區域是飛行事故和事故征候的多發地帶。

專家系統是人工智能和數據庫技術相結合的產物，能夠高效、準確、迅速地工作[3]。雷達管制調配方法是解決終端區內飛行沖突的重要手段，構建以雷達管制方法為知識的知識庫，并通過知識推理獲得調配決策方案，實現自動化的決策支持，為實際空中交通管制工作提供參考和幫助，可有效地輔助指揮方案的實施，降低管制員的工作負荷。本文的研究重點是設計并開發一套進近雷達管制沖突調配專家系統，提高管制工作的自動化程度。

1 進近雷達管制概述

進近雷達管制是指空中交通管制員利用雷達系統對航空器實施雷達監視、進行雷達引導、提供雷達間隔和提供雷達情報服務及告警服務的一種方法[4]。進近雷達管制調配飛行沖突的主要方法是調整飛行狀態和雷達引導。調整飛行狀態的主要方式是調整航空器速度；雷達引導方法是管制員指揮航空器機動飛行以避讓沖突。

通常，進近航線為機場起落航線中的以下部分：三邊（downwind leg）、三轉彎、四邊（base leg）、四轉彎、五邊（final），如圖1所示。進近航線是機場起落航線的一部分，根據飛行管制職責，當有多架航空器在航線及其附近區域飛行時，管制員應通過調整航空器之間的間隔，消除航線上的飛行沖突，保證航班流的正常著陸次序和飛行安全。

圖1 進近航線定義Fig.1 Definition of final approach

2 系統總體設計

2.1 系統組成

當進近管制區內發生飛行沖突時，需要管制員基于沖突態勢和管制規則，使用有效的管制方法對發生飛行沖突的航空器進行調配，保證運行安全。在繁忙的進近管制區中使用專家系統，可以輔助管制員快速、準確地選擇調配方法，引導航空器解脫沖突，同時可以減少管制能力偏差等人為因素對飛行安全的影響。一個完整的進近雷達管制沖突調配專家系統的組成與一般專家系統的組成是一致的，知識庫、綜合數據庫、推理機是系統的3個基本功能模塊，系統組成如圖2所示。

圖2 系統組成結構Fig.2 Structure of system

2.2 數據庫內容

綜合數據庫模塊為系統數據庫，用于存儲系統運行所需的全部數據。綜合數據庫中實時子數據庫主要存儲實時的航班信息等動態數據；基礎子數據庫主要存儲航空器機型性能數據以及機場空域信息等基礎數據。

2.3 系統設定條件

·進近航線上僅有2架航空器發生沖突；

·后機速度大于前機速度，即發生追趕；

·前機因距離跑道較近，應減少機動操作，故后機為規則結果的行為執行者；

·因進近航線飛行高度較低，設定航空器對飛行高度相同，即不做高度調整。

3 知識庫設計

3.1 知識庫內容

知識庫用于存儲進近雷達管制調配方法相關知識，包括《中國民用航空空中交通管理規則》等規章標準以及實際工作中的經驗方法。建立知識庫過程中最重要的是與經驗豐富的管制員進行溝通，他們豐富的實踐經驗是重要的知識，可以對知識庫中的內容進行補充、提出建議，管制員不僅是專家，也是用戶。

3.2 知識表示與儲存

系統采用產生式規則表示法表示調配方法知識。一條產生式規則是一條“IF（某情形存在）THEN（某規則可取）”的語句投影，其一般形式為R*：IF RLS THEN RRS。當RLS為真時，RRS為可使用的規則。R*為產生式規則在規則庫中的序號，RLS可以是任何子句的邏輯組合，但RRS只是一個結論或操作，或是多個結論或操作的組合[5]。

本文設計知識庫中有如下8條規則：

R1：IF A機三邊上 AND B機三邊上 AND B機C類 AND VB＜240 km/h THEN B機盤旋

R2：IF A機三邊上 AND B機三邊上 AND B機C類 AND VB＞240 km/h THEN B機折線飛

R3：IF A機三邊上 AND B機三邊上 AND B機D類 AND VB＜310 km/h THEN B機折線飛

R4：IF A機三邊上 AND B機三邊上 AND B機 D類 AND VB＞310 km/h THEN B機減速 40 km/h

R5：IF A機五邊AND B機三邊上 THEN B機延長三邊

R6：IF A機五邊上 AND B機五邊上 AND VB＜240 km/h THEN B機盤旋；

R7：IF A機五邊上 AND B機五邊上 AND VB＞240 km/h THEN B機折現飛；

R8：IF A機五邊上AND B機轉入五邊 THEN B機長五邊。

圖是由頂點集合和頂點間的二元關系集合組成的數據結構，通常可以用G=（V，E）來表示。其中有限非空集合V表示頂點集合，E表示邊的集合[6]。

本文采用與或圖來表示知識庫的結構并對其進行分析，如圖3所示。

圖3 知識庫的與或圖表示Fig.3 And/or graph of rule base

4 推理機的開發

針對管制調配方法知識的不完備特點，本文采用圖論中路徑問題的解決方法實現推理機推理過程。

4.1 圖論路徑問題理論

定義1 有向圖G＝（V，E）中，若存在頂點序列Vi0，Vi1，Vi2，…，Vin-1，Vin，使得相關聯的有向邊＜Vi0，Vi1＞，＜Vi1，Vi2＞，…，＜Vin-1，Vin＞都在 E（G）中，則稱頂點Vi0到Vin存在一條路徑。

定義2 設有向圖G=（V，E），表示各頂點之間關系的矩陣鄰接A（G）=ai，j［］n×n是一個n×n的二維數組，其中：

給出一個圖的鄰接矩陣就等于給出了圖的全部信息，可以通過鄰接矩陣算出圖G中任一點與其他點之間是否有路可通[7]，若有路經過哪些節點到達（即2節點的路徑）。將知識庫的與或圖構造成鄰接矩陣A，如圖4所示。

圖4 知識庫與或圖的鄰接矩陣AFig.4 Adjacency matrix A of And/Or graph of rule base

4.2 推理算法

將圖的鄰接矩陣性質運用于推理機的推理搜索中，將知識庫的圖模型轉化成鄰接矩陣，并結合反向推理方式進行推理，實現對知識的推理過程，推理算法為

步驟1 判斷給定知識對應與或圖的哪些節點。

步驟2 求終點（即推理結果）：通過判斷知識庫有向圖的鄰接矩陣行的值來判斷圖的終點。當某一行的值全為0時，該行所對應的節點即為終點。

步驟 3 求路徑組，即求 A（G）2，A（G）3，搜索分析 aij（n）=1 的意義，n=2，3。 由于 aij（n）=Σaik（n-1）akj，當且僅當 aik（n-1），akj同時不為 0，即得到給定知識節點 Vi與終點Vjn步可到達的全部路徑信息。

步驟4 對路徑進行分析：

如果某條路徑所有的節點均為給定節點，說明給定的知識充分，推理鏈完整，該路徑終點即為推理結果。如果存在多條這樣的路徑，對這些路徑進行比較，終點出現率最高的即為推理結果。

5 運行仿真

應用可視化編程工具并結合數據庫技術開發系統及數據庫，建立良好的人機交互界面，編寫計算機程序實現推理算法。推理機推理計算過程為

（1）根據圖5中航空器信息，判斷給定知識對應的節點為 V4，V5，V7，V11；

（2）通過對矩陣的判斷，得出第 12、13、14、15、16 行全為 0 元素，所以 V12，V13，V14，V15，V16為終點，這些節點代表的知識為推理結果；

（3）通過計算分析 A、A2、A3的矩陣元素（aij）、（aij）2和（aij）3，得到 V4，V5，V7，V11與所有終點之間的路徑有：

（4）分析路徑

上述路徑組 L1、L2、L3、L4、L5均出現未給出節點V6、V8、V9、V10。 所以，只對 L6、L7路徑進行比較，即得出V16，節點代表的知識減速40 km/h為規則結論，推理完成。系統運行界面如圖5所示。

6 結語

應用專家系統和數據庫技術，構建了進近雷達管制沖突調配專家系統。系統具有準確、快速、方便的特點，避免了由人為因素所導致的決策結果不定性，縮短了管制員的決策周期，實現了決策方案的自動化生成，具有重要的實際參考價值。

圖5 系統運行界面Fig.5 Interface of system

[1] 董襄寧，趙征，張洪梅.空中交通管理基礎[M].北京：科學出版社，2005：131-133.

[2] 趙嶷飛，劉然，王紅勇.基于航線對象的五邊進近調配程序模型研究[J].中國民航大學學報，2013，31（3）：1-5.

[3] 楊慧，丁建立.人工智能及其在民航中的應用[M].北京：中國民航出版社，2005：14-15.

[4] 楊昌其，王慶春，鄒國良.進近雷達管制方法淺析[J].空中交通管理，2003（5）：11-14.

[5] 鄧超，郭茂祖，王亞東.一種基于產生式規則的不確定推理模板模型的研究[J].計算機工程與應用，2003，39（30）：57-61.

[6] 孫惠泉.圖論及其應用[M].北京：科學出版社，2004：3-9.

[7] 楊林楠，彭琳.路徑問題在專家系統推理機中的提出和解決[J].計算機工程與應用，2007，43（3）：214-217. ■