基于氣象的空中交通管制實時決策專家系統的設計與實現

何祁陽

摘要

針對氣象服務在航空管制應用中存在的問題，本文提出了一種空中交通管制實時決策專家系統，該系統以氣象信息數據為驅動，以CLIPS、C#為開發工具，基于專家系統實時對影響管制員決策的氣象參數作出警示并給出輔助建議，大幅降低了管制員的工作負荷。

【關鍵詞】航空氣象 空中交通管制 專家系統 決策支持

目前眾多的正在研究的或已經投入使用的航空氣象系統通常是通過采集外場的氣象傳感器數據，再通過計算、分析后顯示在空管的計算機終端上，提供給管制人員參考，這些系統的重點放在了氣象數據的分析計算以及結果的顯示。對于管制人員而言，需要在工作時經常查看氣象數據并與所管制空域的特點相結合，在需要時及時做出對應的管制決定。

然而隨著空中交通的發展和飛行訓練的增加，交通流量和飛行起降架次持續增長，造成管制員的工作負荷不斷加重。特別是在一些繁忙的管制區，進近、塔臺管制員工作更為繁重，尤其是當所管轄空域的氣象條件出現惡劣天氣現象時，管制員需要實時關注氣象數據的變化，這樣常常導致了工作量超出管制員的工作負荷，從而帶來了影響飛行安全的一個隱患。

專家系統自20世紀80年代至今，在眾多歐美國家中廣泛應用于空中管制中。然而，我國在這空中交通管制中的應用甚少，而在航空氣象的應用就基本沒有。故此本文研究通過實時解析航空氣象信息并結合空管領域的工作經驗，運用CLIPS技術嵌入到C#語言實現實時決策系統，極大地減輕了管制人員的工作負荷，保障了飛行安全。

1實時決策專家系統的構建

在交通繁忙的進近區域或機場使用專家系統可以給出適當的決策建議，從而減輕空中交通管制員的工作負荷，使其可以將精力專注于對飛機的指揮上，保障飛行交通的安全。

通過對多地機場管制人員工作流程的全面需求分析，對實時決策專家系統進行了總體設計，它包括氣象觀測與預報數據接口、氣象數據解析、知識庫構建、管制知識獲取、推理解釋系統、人機交互界面、輔助決策信息存儲七大模塊，系統的總體結構如圖1所示。

其中知識庫和推理機是本專家系統的最核心的部分，作為一個應用系統，知識庫的構建是影響系統易用性和功能性指標的關鍵方面。

在系統的總體設計中，用戶通過氣象數據接導入實時氣象數據和主觀、客觀預報結果，并轉換成系統的內部表示形式，作為輸入交由實時決策模塊去處理。

知識庫模塊的主要功能是實現知識的獲取和進行知識的維護，知識獲取來源于航空交通管制員，航空氣象規范文件以及管制空域的特點，經過分析和抽象形成完善的實時決策知識庫，為系統提供決策依據。

推理子系統主要基于RETE網絡匹配推理機制實現推理，推理執行過程中，推理機通過知識庫管理系統對知識庫中的知識進行檢查和檢索。

筆者構建的系統是基于C/S架構開發的桌面應用程序，結合C#語言和WPF的MVVM結構，以外部的實時氣象數據為驅動來實現。對于實時決策產生的決策建議及其依賴的數據均保存在SQLServer數據庫內，保證資料的完整性。

2知識庫內容

航空交通管制的知識庫包括機場的飛機進近類型、跑道端、飛行器類型、風向風速、氣壓、能見度、RVR、云高等氣象信息。

知識庫的構建，主要根據RVR、VIS、云高與飛行器類型、進近類型的關系和風速與飛行器類型的關系，受篇幅所限，CLIPS構建知識庫的程序略，其主要內容如下：

（1）構建知識模板；

（2）構建事實庫；

（3）構建規則庫。

3推理機的開發

推理機模擬氣象專家、管制人員的思維和業務規則執行限定，控制協調整個專家系統的程序，它根據氣象數據和預報結果接口的輸入，利用知識庫中的知識按即定的推理策略去求解相應的輔助決策結果，解釋外部輸入的事實和數據，最終同時以2種形式提交用戶，方式一是依據中國民航行業務標準規定的信息交換格式定義的輔助決策結果，通過網絡廣播到局域網上；方式二是將輔助決策結果顯示在用戶終端屏幕上。

使用CLIPS語言程序建立的知識庫，不再需要編寫實現推理機的程序，只需構建初始事實和推理目標即可。CLIPS的推理循環包括4個階段：模式匹配、沖突消解、激活規則、動作。其推理流程如圖2所示。

4結束語

目前，本文所介紹的系統正在進行實地驗證，使用者反應良好。事實上，本實時決策專家系統系統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

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