專家系統在組合導航輔助決策中的應用研究

程 林

（中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安710000）

0 引言

在現代化高技術戰爭條件下，戰斗機面臨日益嚴峻的挑戰，對導航方面的要求也越來越高，既能在惡劣的環境下全天候工作，支持各種任務要求，又可以在任何情況下連續地提供最高精度的導航定位信息。

通常情況下，航空機載平臺裝備有慣導（INS）、衛導（GNSS）、塔康（TACAN）、微波著陸（MLS）、聯合戰術信息分發系統（JTIDS）等多種導航設備。每一種導航設備都具有各自的工作原理、定位精度及優缺點，它們的導航信息都是對平臺部分狀態的觀測量，如果不加區分地對所有導航信息進行融合處理，所獲得的結果勢必不是最優的，甚至比不組合的結果還差。

針對上述問題，結合各導航源傳感器的特點，本文研究了一種基于專家系統的組合導航處理方法，探索利用基于規則的專家系統實現組合導航系統中的導航源輔助決策功能，以期實現最佳的導航源組合效果，為專家系統在多導航源組合導航中的應用奠定基礎。

1 專家系統概述

專家系統是人工智能的一個最為活躍的研究和應用領域，產生于20世紀60年代中期，經過半個世紀的科學研究，理論和技術日臻成熟，其應用得到了飛速的發展。至今，在各個領域已經研制出大量的實用專家系統，其中不少系統在性能上已經達到甚至超過了同領域人類專家的水平，已經產生或正在產生巨大的經濟效益和社會影響。

專家系統實際上是一種具有大量專門知識與經驗的智能計算機系統，通常主要指計算機軟件系統。它把專門領域中人類專家的知識和思考解決問題的方法、經驗和訣竅組織整理且存儲在計算機中，不但能模擬領域專家的思維過程，而且能讓計算機宛如人類專家那樣智能地解決實際問題。概括地說，專家系統是一個應用于某一特定領域，擁有專家級知識，能模擬專家思維，能達到專家級水平的系統。

專家系統的結構是指專家系統各組成部分的構造和組織形式，不同應用領域和不同類型的專家系統，具體結構和功能也不盡相同。當今最流行的專家系統類型是基于規則的系統，基于規則的系統不是采用靜態的斷言來表達知識，而是以多個規則的方式說明在不同的情況下有什么樣的結果。基于規則的系統中，知識庫包含以規則形式編碼的解決問題的領域知識。一個典型專家系統的組成要素如圖1所示：

圖1 專家系統的基本結構

專家系統由下列幾部分組成：

■用戶界面——用戶和專家系統之間的通信機制。

■解釋機——解釋系統推理給用戶。

■綜合數據庫——被規則所使用的事實的全局數據庫。

■推理機——通過決定那些規則滿足事實或目標，并授予規則優先級，然后執行最高優先級規則來進行推理。

■議程——由推理機創建的一個規則優先級表，這些規則匹配工作內存中的事實或目標。

■知識獲取——通過知識工程師建立規則。

2 導航專家系統的設計

一般來說，基于規則的專家系統最重要的構成要素為：知識庫、推理機和綜合數據庫。

（1）知識庫：包含所有規則

本文中的知識庫采用框架作為知識表示方法，是基于產生式規則的啟發式搜索，所以知識庫中包含以規則形式存儲的大量導航領域的專業知識。

框架是用來表示概念或對象的一成不變知識的數據結構。框架是一種結構化的知識表示方法，通常由指定事物各個方面的槽組成，每個槽擁有若干個側面，而每個側面又可擁有若干個值。這種方法對于導航源傳感器的表示非常適用，可以用框架的各個槽來表示傳感各個狀態，例如導航源傳感器的框架如下：

表1 導航源框架

對應的導航源傳感器模板如下：

本系統采用產生式規則對知識進行表示，產生式是一組特定規則，用來將一組符號轉換成另一組符號。也就是說，提供一個輸入字符串，即前件，產生式規則能夠產生一個新的字符串，即結果，產生式規則建立的基本格式為：

IF條件1 AND 條件2……AND 條件n

THEN結論

在規則中IF和THEN之間的部分為條件部分,THEN后面的部分是結論部分。產生式規則具有與為類思想方式接近的特點，能有效簡潔地表達領域知識。

導航專家系統的知識庫就是將導航領域專家的領域知識和經驗，作為知識庫的基本主體，經過分析和抽象，建立合理完善的導航知識庫，為組合導航處理提供決策依據。

本文在組合導航處理系統中考慮的決策因素主要包括：數據可用狀態、工作模式、臺站信息、識別字、接收的衛星顆數、對應的衛星編號、異常標志、仰角、測距等，以GNSS為例，其主要決策因素如圖2所示：

（2）推理機：對運行進行整體控制

推理機是基于規則的專家系統的控制中心，決定哪些規則的前件滿足條件，從而激活相應規則的后件去執行對應的操作，推理過程實際上是一個搜索和匹配的過程。推理機根據輸入的導航源數據對知識庫進行搜索，控制滿足一定條件時相應的動作會被激活，直至推理完成，得到最優的導航決策信息。

本文研究中的推理機選用正向鏈推理，采用Rete模式匹配算法，從輸入的導航源信息出發，使用規則進行啟發式搜索，若規則前提匹配，則該規則選中，規則結論加入綜合數據庫，若問題未完全解出，繼續推理，若完成，則退出。該算法極大地提高了推理的效率，為組合導航處理提供快速的決策反應。

（3）綜合數據庫：包含推理所需的數據

綜合數據庫用來存儲推理過程中得到的各種中間狀態、事實、數據、初始狀態及目標等。它相當于工作存儲器，用來存放用戶回答的事實、已知的事實和由推理得到的事實，而且隨著問題的不同，數據庫的內容也可以是動態變化的。在推理過程中，推理機根據規則的執行情況對事實表進行相應操作，如刪除事實、添加事實和修改事實等。

3 組合導航系統

組合導航處理系統的總體架構如圖3所示，包含導航傳感器、導航專家系統和信息融合三個模塊。相比較于通常的組合導航架構而言，本文研究的方法增加了導航專家系統，即對導航傳感器是否參與信息融合進行輔助決策。

圖3 組合導航處理系統總體架構

本文的組合導航處理系統中，導航專家系統可以通過知識庫中存儲的大量的導航領域專家知識，模擬領域專家自動推理和判斷，對導航源的實時狀態進行篩選，選取實時狀態最佳的導航源組合，具體包括以下步驟：

（1）導航源傳感器包括飛機裝備的主要導航源傳感器，能夠提供完整的導航信息輸出。導航源傳感器生成導航源信息及導航源狀態，通過局域網進行實時廣播，包括 GNSS、INS、MLS、JTIDS、TACAN 等導航源傳感器；

（2）導航專家系統中包含大量以產生式規則表示的導航專家知識，包括各種導航源的可用狀態、工作模式、臺站信息、識別字、接收的衛星顆數、對應的衛星編號、異常標志、仰角、測距等。導航專家系統通過網絡實時接收導航源信息及導航源狀態，以GNSS為例，參照圖2，其對應的推理決策過程如下：

首先將導航源傳感器信息作為初始事實載入綜合數據庫，執行規則，以GNSS的可用狀態為條件對知識庫中的規則進行匹配，當規則匹配成功后，判斷可用狀態的槽值，若為不可用，則數據不可用，GNSS無法定位，退出；若為可用，則執行規則，將該規則的結論生成事實，加入綜合數據庫；

然后繼續進行匹配，當下一條規則匹配成功后，判斷異常標志的槽值，若為有異常，則數據異常，GNSS無法定位，退出；若為無異常，則執行規則，將該規則的結論生成事實，加入綜合數據庫；

再次進行匹配，當下一條規則匹配成功后，判斷收星個數的槽值，若收星個數＜3，則GNSS無法定位，退出；若收星個數＝3，則該規則被激活，利用INS輔助進行定位，將定位結果生成事實，加入綜合數據庫，GNSS推理決策結束；若收星個數＞3，則該規則被激活，利用模糊追星法選擇幾何分布較好的衛星進行定位，將定位結果生成事實，加入綜合數據庫，GNSS推理決策結束；接下來繼續對其它導航源進行決策。

當所有導航源傳感器完成決策后，輸出決策信息，并將這些導航源決策信息發送到信息融合模塊。

（3）信息融合單元通過網絡接收導航源傳感器發送的導航源信息，然后等待并接收導航專家系統推理得到的導航源決策信息，根據導航源決策信息選擇導航源傳感器，對導航源信息進行解算和濾波融合處理，得到最優的導航定位信息，并通過輸出接口進行輸出。

4 結論

本文研究了一種基于專家系統輔助決策的組合導航處理系統的框架和實現方法，介紹了導航源傳感器的知識表示方法、導航源傳感器的決策推理模型、導航知識庫的建立方法，對基于專家系統的組合導航系統進行了整體設計，為多導航源組合導航的智能化處理做下鋪墊。

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