论文部分内容阅读
【摘 要】安全是民航事业永恒的主题。民航业高速发展的今天，随着空中交通流量的增加，民航对空中交通安全的要求也越来越高。因此，培养合格的能胜任在高密度、小间距的情况下确保飞行安全任务的管制员成为至关重要的问题。目前，管制学员进入管制单位后，往往是在指派的管制教员的带领下开始熟悉一线工作，不同的教员有不同的管制风格和经验，本文通过对雷达管制实践过程中（如进近）雷达管制员的观察与总结，提取其思维和管制经验，研发了一套进近雷达管制专家系统。专家系统结合实际运行与管制模拟试验，利用计算机模拟交通情况，总结出可能出现的冲突类型，并给出解决方案。在初始管制员培训的过程中，有利于其学习和吸取管制经验，培养其管制意识、间隔意识、冲突意识和特情处理能力。在某些情况下，还可为管制员提供决策支持。采用VB语言实现软件制作，通过对进近雷达管制系统仿真的演示，为进近雷达管制提供了可视化的处理模式，建立了进近雷达管制专家系统。为空管系统结合计算机进行进近雷达管制作了有益的尝试。
【关键词】专家系统；进近雷达管制；决策支持
1.专家系统介绍
专家系统是人工智能的一个分支，是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题[1]。
专家系统由知识库、推理机、综合数据库、知识获取机制、解释机制和人机接口五部分组成[2]。在专家系统中存放以一定形式表示的专家知识、经验的集合成为知识库，它强调人类智能活动以知识为中心开展，强调知识的重要性，尤其是专家知识的重要性。推理机是控制、协调整个系统工作的一组程序[3]。通过利用这些知识，人们可以解决那些无求解算法，只有靠专家经验才能解决好的问题。正因为如此，专家系统将主要解决知识获取、知识表现和知识应用这三个基本问题。专家系统中的知识可以是专门知识或是从书籍、杂志和有学问的人获得的知识。
随着面向对象程序设计语言的不断完善，面向对象专家系统不仅能够很好的模拟世界语义，便于知识获取，而且实现起来也比较容易。故本系统采用此种专家系统。
2.进近雷达管制专家系统的建立
2.1系统设计思路
2.1.1系统的体系结构
用户通过知识库管理模块录入经过整理的管制规则和管制经验的知识到知识库或者规则表中[5]。在推理前，设定推理机推理结束条件，然后输入推理初值开始推理，推理结束后系统得出结论，并给出相应的解决措施。
知识库：存储相关进近雷达管制的知识。
初始值以及中间结果表：存储推理开始时的初始值，以及推理过程中产生的中间结论，这一结论的内容又会作为下次规则匹配的依据。
推理过程表：存储在推理过程中用到的规则，是解释结果的依据。
推理结束条件表：存储的是推理结束后的条件，推理机在推理过程中不断查询是否找到所需的结论。
2.1.2系统的实现原理
合理的调配冲突，建立间隔，消除隐患于无形，同时合理排序，确保空中交通的安全和效率是进近雷达管制要实现的主要目标。因此，对于进近雷达管制专家系统，冲突的识别和避免是一个必须要面对的重点。
冲突又与进近雷达中的间隔标准有着紧密的联系。
进近雷达管制过程中，间隔分为两种类型，垂直间隔和水平间隔。其中水平间隔又细分为：横向间隔和纵向间隔。在实际运作过程中，不同的空中交通管理局由于当地空中交通流量的关系，所采用的间隔标准可能不太相同。本文采用水平間隔10公里，垂直300米高度的间隔标准。在进近雷达管制过程中，只需要满足垂直间隔和水平间隔二者之一就能满足要求的间隔标准。在实际运作中，进近雷达管制的航空器相对位置不断发生变化。航空器的各种参数在实施进近雷达管制的过程中，随着管制指令的发出，会做出相应的调整和改变。这些改变可能会使一些原来存在的水平或者垂直间隔荡然无存。例如，在进近雷达管制过程中的突然间高度层的改变。
我们将进近雷达管制涉及的主要冲突类型和排序问题归纳如下：
（1）汇聚，航迹有汇聚趋势，且高度间隔无法保证。
（2）追赶，同航迹航空器，只存在水平间隔，但由于速度差异，两者的纵向间隔呈现减少趋势，且没有迹象表明，未干预的情况下，这种趋势能够在纵向间隔消失前，能够建立垂直间隔。
（3）逆向飞行，两机处在同一条航线上，且处于相反的航向上，未干预的情况下，在水平间隔消失前垂直高度无法建立。
（4）排序的影响，在进近雷达管制过程中，由于给进近的航空器安排的顺序不同，可能造成某种高度调整或这航向调整的限制。
对于间隔的调整，有调整速度，调整航向，调整高度三个方法来实现。间隔的调整需根据具体情形，灵活运用。对于同向或者轨迹交角较小的航空器之间，可以通过调整速度来实现纵向间隔的建立和保持。
对于汇聚问题，消除冲突的方法有建立垂直间隔或者保持水平间隔。
对于追赶问题，消除冲突的方法有在水平间隔消失之前建立起垂直间隔，或者，改变航向，或者调整速度。
调整速度又有三种形式：
（1）增大前机的速度。
（2）减少后机的速度。
（3）增大前机速度的同时减少后机的速度。
对于相向飞行（两机对头），消除冲突的方法有在水平间隔消失前，建立垂直间隔，或者改变航向。
有交叉航迹的，如果同高度且有趋近趋势，必须在水平间隔消失前建立起垂直间隔。
非交叉平行航迹，如果水平间隔不具备，则必须建立垂直间隔。
对于已经在五边上的进行进近的航空器，即使周围垂直间隔具备，但无法保证水平间隔，航空器需要改变航向。
对于即将离开管制区的航空器与刚要进场的航空器反向相遇，由于爬升或下降的条件不一定成熟，间隔不具备的，需要改变航空器的航向。 在进近管制区内（非边界附近），起飞航空器与降落航空器相遇的，起飞航空器一般只改变高度，不改变航向，如果需要改变航向，则进场航空器改变航向。
对于特殊型号的航空器，可能由于高度的降低速度会减得很小，在遇到这些航空器的时候，在进场时不能像对待其他航空器一样把它的高度降到很低，需要保持一定的高度，这样才能让它在相对较快的时间内到达进近点。遇到与此类航空器有冲突可能时，尽可能改变其航向而不是高度和速度。
航空器在飞行的过程中，由于空间和时间的交叉点，在某一些位置可能出现冲突，如何成功并有效地预测和及时避免这些冲突是进近雷达管制系统的关键和核心功能。该系统将每一个航空器定义为一个有思想的实体，随着时间的改变，它们会判断自己与其它航空器之间的距离，并判断高度间隔变化的趋势，水平间隔变化的趋势，或者航向相向导致潜在冲突的问题。当发现距离较小的航空器之间可能出现冲突时，通过定义各个航空器的优先级来确定调整对象，以及调整对象的哪个属性。例如：起飞落地航空器，应优先保持起飞航空器的航迹；同时降落航空器，优先降落的航空器具有优先权，其它的航空器则要为此改变自身航迹，以满足优先航空器的进近要求。
2.2 系统总体设计
该系统由知识库、推理机、解释规则等部分组成。
该系统在VB环境下通过使用VB语言编写相关代码，将过程分解为各个对象，并对对象赋以各个相关属性来实现的。专家系统的知识库为书本中及管制专家的知识，经验，及管制数据，推理机则在程序中体现，具体为IF-THEN格式。该系统以东方机场为例，描述了9架航空器（6落3起）的情况下，进近雷达管制系统的管制方案。该系统主要完成的功能有以下几点：
（1）实现起飞落地的航空器完整起飞和落地过程。
（2）实现在进近管制过程中，冲突的自动识别和避免。
（3）该系统应能够实现查询相关信息，以供进近雷达管制之用。
（4）该系统应能够记录专家系统的管制指令，以供记录调查核实之用。
（5）该系统应能够清楚明白地表达管制指令和管制思维，并通过语音传达给航空器。
系统中机场为假想机场VCN，东方机场，使用跑道为36号跑道。航空器分别从各点进入进近管制区。落地航空器用绿实点表示，起飞航空器则用红色实点表示。该系统实施分为3个部分：基础设施的设计，设计跑道，各个航路点，航路走向，及管制区外围的设计及实现；进入管制区或者即将离开管制区的航空器的航路或者飞行轨迹的设置，以及航迹交叉，出现时间，位置等的设计与实现；航路冲突的探测和预防措施的实施及实现；出现冲突时管制指令的传达以及航空器操作的直观表现与展示设计；专家系统实施管制过程中，管制指令的记录，该系统应该包括菜单栏的选项，以方便查询和了解相关管制规定。
进近管制区由6个点，分別是KM（怀来），MT（东门），VYK（大王庄），WS（西门），LR（沽北口），YV（汤河口）以及其连线所围成的区域组成。
相邻的管制区有North Control（频率120.95Mhz），133.7Mhz），South Control（128.35Mhz）， West Control（128.35Mhz），East Control（123.2Mhz）。
3.结论
在进近雷达管制的基础上，该系统提供了演示和熟悉系统运行的功能，为初始管制员培训提供了航空器冲突的几种情形，并给出了航空器冲突避免的途径和方法。通过速度调整展示，航向调整展示，高度调整展示给出了进近雷达管制常用的间隔调配方法以及各自所适用的范围。为管制学员了解管制过程提供了一个直观而具体的展示。
此外，进近雷达管制系统，通过合理的计算机运算和逻辑规则的赋予，可以在进近雷达管制的过程中提供辅助的参考决策，对实际的管制进行模拟和演练，寻求进近雷达管制的较优实现。
由于本系统收录了进近雷达管制的相关规定和规则，在演示进近雷达管制系统的过程中，我们可以快速地查阅相关管制情形下作出相应的决定的理论依据与相应的管制规定。另外，使用本系统时，可以方便地查询周围管制区的频率和其他信息。 [科]
【参考文献】
[1]晁进，刘文颖.基于多智能体和专家系统的电网智能和报警系统研究.现代电力，2010.
[2]梁义芝，刘征难.决策支持系统与专家系统的结合-专家支持系统.中国控制与决策学术年会论文集，1994.
[3]李昌春，左为恒.专家系统与专家控制系统.重庆工业管理学院学报，1996.
[4]吴建林，李怀祖.专家系统知识表达层次结构分析.决策与决策支持系统，1995.
[5]施鸿宝，王秋荷.专家系统.西安交通大学出版社，1990.
【关键词】专家系统；进近雷达管制；决策支持
1.专家系统介绍
专家系统是人工智能的一个分支，是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题[1]。
专家系统由知识库、推理机、综合数据库、知识获取机制、解释机制和人机接口五部分组成[2]。在专家系统中存放以一定形式表示的专家知识、经验的集合成为知识库，它强调人类智能活动以知识为中心开展，强调知识的重要性，尤其是专家知识的重要性。推理机是控制、协调整个系统工作的一组程序[3]。通过利用这些知识，人们可以解决那些无求解算法，只有靠专家经验才能解决好的问题。正因为如此，专家系统将主要解决知识获取、知识表现和知识应用这三个基本问题。专家系统中的知识可以是专门知识或是从书籍、杂志和有学问的人获得的知识。
随着面向对象程序设计语言的不断完善，面向对象专家系统不仅能够很好的模拟世界语义，便于知识获取，而且实现起来也比较容易。故本系统采用此种专家系统。
2.进近雷达管制专家系统的建立
2.1系统设计思路
2.1.1系统的体系结构
用户通过知识库管理模块录入经过整理的管制规则和管制经验的知识到知识库或者规则表中[5]。在推理前，设定推理机推理结束条件，然后输入推理初值开始推理，推理结束后系统得出结论，并给出相应的解决措施。
知识库：存储相关进近雷达管制的知识。
初始值以及中间结果表：存储推理开始时的初始值，以及推理过程中产生的中间结论，这一结论的内容又会作为下次规则匹配的依据。
推理过程表：存储在推理过程中用到的规则，是解释结果的依据。
推理结束条件表：存储的是推理结束后的条件，推理机在推理过程中不断查询是否找到所需的结论。
2.1.2系统的实现原理
合理的调配冲突，建立间隔，消除隐患于无形，同时合理排序，确保空中交通的安全和效率是进近雷达管制要实现的主要目标。因此，对于进近雷达管制专家系统，冲突的识别和避免是一个必须要面对的重点。
冲突又与进近雷达中的间隔标准有着紧密的联系。
进近雷达管制过程中，间隔分为两种类型，垂直间隔和水平间隔。其中水平间隔又细分为：横向间隔和纵向间隔。在实际运作过程中，不同的空中交通管理局由于当地空中交通流量的关系，所采用的间隔标准可能不太相同。本文采用水平間隔10公里，垂直300米高度的间隔标准。在进近雷达管制过程中，只需要满足垂直间隔和水平间隔二者之一就能满足要求的间隔标准。在实际运作中，进近雷达管制的航空器相对位置不断发生变化。航空器的各种参数在实施进近雷达管制的过程中，随着管制指令的发出，会做出相应的调整和改变。这些改变可能会使一些原来存在的水平或者垂直间隔荡然无存。例如，在进近雷达管制过程中的突然间高度层的改变。
我们将进近雷达管制涉及的主要冲突类型和排序问题归纳如下：
（1）汇聚，航迹有汇聚趋势，且高度间隔无法保证。
（2）追赶，同航迹航空器，只存在水平间隔，但由于速度差异，两者的纵向间隔呈现减少趋势，且没有迹象表明，未干预的情况下，这种趋势能够在纵向间隔消失前，能够建立垂直间隔。
（3）逆向飞行，两机处在同一条航线上，且处于相反的航向上，未干预的情况下，在水平间隔消失前垂直高度无法建立。
（4）排序的影响，在进近雷达管制过程中，由于给进近的航空器安排的顺序不同，可能造成某种高度调整或这航向调整的限制。
对于间隔的调整，有调整速度，调整航向，调整高度三个方法来实现。间隔的调整需根据具体情形，灵活运用。对于同向或者轨迹交角较小的航空器之间，可以通过调整速度来实现纵向间隔的建立和保持。
对于汇聚问题，消除冲突的方法有建立垂直间隔或者保持水平间隔。
对于追赶问题，消除冲突的方法有在水平间隔消失之前建立起垂直间隔，或者，改变航向，或者调整速度。
调整速度又有三种形式：
（1）增大前机的速度。
（2）减少后机的速度。
（3）增大前机速度的同时减少后机的速度。
对于相向飞行（两机对头），消除冲突的方法有在水平间隔消失前，建立垂直间隔，或者改变航向。
有交叉航迹的，如果同高度且有趋近趋势，必须在水平间隔消失前建立起垂直间隔。
非交叉平行航迹，如果水平间隔不具备，则必须建立垂直间隔。
对于已经在五边上的进行进近的航空器，即使周围垂直间隔具备，但无法保证水平间隔，航空器需要改变航向。
对于即将离开管制区的航空器与刚要进场的航空器反向相遇，由于爬升或下降的条件不一定成熟，间隔不具备的，需要改变航空器的航向。 在进近管制区内（非边界附近），起飞航空器与降落航空器相遇的，起飞航空器一般只改变高度，不改变航向，如果需要改变航向，则进场航空器改变航向。
对于特殊型号的航空器，可能由于高度的降低速度会减得很小，在遇到这些航空器的时候，在进场时不能像对待其他航空器一样把它的高度降到很低，需要保持一定的高度，这样才能让它在相对较快的时间内到达进近点。遇到与此类航空器有冲突可能时，尽可能改变其航向而不是高度和速度。
航空器在飞行的过程中，由于空间和时间的交叉点，在某一些位置可能出现冲突，如何成功并有效地预测和及时避免这些冲突是进近雷达管制系统的关键和核心功能。该系统将每一个航空器定义为一个有思想的实体，随着时间的改变，它们会判断自己与其它航空器之间的距离，并判断高度间隔变化的趋势，水平间隔变化的趋势，或者航向相向导致潜在冲突的问题。当发现距离较小的航空器之间可能出现冲突时，通过定义各个航空器的优先级来确定调整对象，以及调整对象的哪个属性。例如：起飞落地航空器，应优先保持起飞航空器的航迹；同时降落航空器，优先降落的航空器具有优先权，其它的航空器则要为此改变自身航迹，以满足优先航空器的进近要求。
2.2 系统总体设计
该系统由知识库、推理机、解释规则等部分组成。
该系统在VB环境下通过使用VB语言编写相关代码，将过程分解为各个对象，并对对象赋以各个相关属性来实现的。专家系统的知识库为书本中及管制专家的知识，经验，及管制数据，推理机则在程序中体现，具体为IF-THEN格式。该系统以东方机场为例，描述了9架航空器（6落3起）的情况下，进近雷达管制系统的管制方案。该系统主要完成的功能有以下几点：
（1）实现起飞落地的航空器完整起飞和落地过程。
（2）实现在进近管制过程中，冲突的自动识别和避免。
（3）该系统应能够实现查询相关信息，以供进近雷达管制之用。
（4）该系统应能够记录专家系统的管制指令，以供记录调查核实之用。
（5）该系统应能够清楚明白地表达管制指令和管制思维，并通过语音传达给航空器。
系统中机场为假想机场VCN，东方机场，使用跑道为36号跑道。航空器分别从各点进入进近管制区。落地航空器用绿实点表示，起飞航空器则用红色实点表示。该系统实施分为3个部分：基础设施的设计，设计跑道，各个航路点，航路走向，及管制区外围的设计及实现；进入管制区或者即将离开管制区的航空器的航路或者飞行轨迹的设置，以及航迹交叉，出现时间，位置等的设计与实现；航路冲突的探测和预防措施的实施及实现；出现冲突时管制指令的传达以及航空器操作的直观表现与展示设计；专家系统实施管制过程中，管制指令的记录，该系统应该包括菜单栏的选项，以方便查询和了解相关管制规定。
进近管制区由6个点，分別是KM（怀来），MT（东门），VYK（大王庄），WS（西门），LR（沽北口），YV（汤河口）以及其连线所围成的区域组成。
相邻的管制区有North Control（频率120.95Mhz），133.7Mhz），South Control（128.35Mhz）， West Control（128.35Mhz），East Control（123.2Mhz）。
3.结论
在进近雷达管制的基础上，该系统提供了演示和熟悉系统运行的功能，为初始管制员培训提供了航空器冲突的几种情形，并给出了航空器冲突避免的途径和方法。通过速度调整展示，航向调整展示，高度调整展示给出了进近雷达管制常用的间隔调配方法以及各自所适用的范围。为管制学员了解管制过程提供了一个直观而具体的展示。
此外，进近雷达管制系统，通过合理的计算机运算和逻辑规则的赋予，可以在进近雷达管制的过程中提供辅助的参考决策，对实际的管制进行模拟和演练，寻求进近雷达管制的较优实现。
由于本系统收录了进近雷达管制的相关规定和规则，在演示进近雷达管制系统的过程中，我们可以快速地查阅相关管制情形下作出相应的决定的理论依据与相应的管制规定。另外，使用本系统时，可以方便地查询周围管制区的频率和其他信息。 [科]
【参考文献】
[1]晁进，刘文颖.基于多智能体和专家系统的电网智能和报警系统研究.现代电力，2010.
[2]梁义芝，刘征难.决策支持系统与专家系统的结合-专家支持系统.中国控制与决策学术年会论文集，1994.
[3]李昌春，左为恒.专家系统与专家控制系统.重庆工业管理学院学报，1996.
[4]吴建林，李怀祖.专家系统知识表达层次结构分析.决策与决策支持系统，1995.
[5]施鸿宝，王秋荷.专家系统.西安交通大学出版社，1990.