基于气象的空中交通管制实时决策专家系统的设计与实现

何祁阳

摘要

针对气象服务在航空管制应用中存在的问题，本文提出了一种空中交通管制实时决策专家系统，该系统以气象信息数据为驱动，以CLIPS、C#为开发工具，基于专家系统实时对影响管制员决策的气象参数作出警示并给出辅助建议，大幅降低了管制员的工作负荷。

【关键词】航空气象 空中交通管制 专家系统 决策支持

目前众多的正在研究的或已经投入使用的航空气象系统通常是通过采集外场的气象传感器数据，再通过计算、分析后显示在空管的计算机终端上，提供给管制人员参考，这些系统的重点放在了气象数据的分析计算以及结果的显示。对于管制人员而言，需要在工作时经常查看气象数据并与所管制空域的特点相结合，在需要时及时做出对应的管制决定。

然而随着空中交通的发展和飞行训练的增加，交通流量和飞行起降架次持续增长，造成管制员的工作负荷不断加重。特别是在一些繁忙的管制区，进近、塔台管制员工作更为繁重，尤其是当所管辖空域的气象条件出现恶劣天气现象时，管制员需要实时关注气象数据的变化，这样常常导致了工作量超出管制员的工作负荷，从而带来了影响飞行安全的一个隐患。

专家系统自20世纪80年代至今，在众多欧美国家中广泛应用于空中管制中。然而，我国在这空中交通管制中的应用甚少，而在航空气象的应用就基本没有。故此本文研究通过实时解析航空气象信息并结合空管领域的工作经验，运用CLIPS技术嵌入到C#语言实现实时决策系统，極大地减轻了管制人员的工作负荷，保障了飞行安全。

1实时决策专家系统的构建

在交通繁忙的进近区域或机场使用专家系统可以给出适当的决策建议，从而减轻空中交通管制员的工作负荷，使其可以将精力专注于对飞机的指挥上，保障飞行交通的安全。

通过对多地机场管制人员工作流程的全面需求分析，对实时决策专家系统进行了总体设计，它包括气象观测与预报数据接口、气象数据解析、知识库构建、管制知识获取、推理解释系统、人机交互界面、辅助决策信息存储七大模块，系统的总体结构如图1所示。

其中知识库和推理机是本专家系统的最核心的部分，作为一个应用系统，知识库的构建是影响系统易用性和功能性指标的关键方面。

在系统的总体设计中，用户通过气象数据接导入实时气象数据和主观、客观预报结果，并转换成系统的内部表示形式，作为输入交由实时决策模块去处理。

知识库模块的主要功能是实现知识的获取和进行知识的维护，知识获取来源于航空交通管制员，航空气象规范文件以及管制空域的特点，经过分析和抽象形成完善的实时决策知识库，为系统提供决策依据。

推理子系统主要基于RETE网络匹配推理机制实现推理，推理执行过程中，推理机通过知识库管理系统对知识库中的知识进行检查和检索。

笔者构建的系统是基于C/S架构开发的桌面应用程序，结合C#语言和WPF的MVVM结构，以外部的实时气象数据为驱动来实现。对于实时决策产生的决策建议及其依赖的数据均保存在SQLServer数据库内，保证资料的完整性。

2知识库内容

航空交通管制的知识库包括机场的飞机进近类型、跑道端、飞行器类型、风向风速、气压、能见度、RVR、云高等气象信息。

知识库的构建，主要根据RVR、VIS、云高与飞行器类型、进近类型的关系和风速与飞行器类型的关系，受篇幅所限，CLIPS构建知识库的程序略，其主要内容如下：

（1）构建知识模板；

（2）构建事实库；

（3）构建规则库。

3推理机的开发

推理机模拟气象专家、管制人员的思维和业务规则执行限定，控制协调整个专家系统的程序，它根据气象数据和预报结果接口的输入，利用知识库中的知识按即定的推理策略去求解相应的辅助决策结果，解释外部输入的事实和数据，最终同时以2种形式提交用户，方式一是依据中国民航行业务标准规定的信息交换格式定义的辅助决策结果，通过网络广播到局域网上；方式二是将辅助决策结果显示在用户终端屏幕上。

使用CLIPS语言程序建立的知识库，不再需要编写实现推理机的程序，只需构建初始事实和推理目标即可。CLIPS的推理循环包括4个阶段：模式匹配、冲突消解、激活规则、动作。其推理流程如图2所示。

4结束语

目前，本文所介绍的系统正在进行实地验证，使用者反应良好。事实上，本实时决策专家系统系统不仅提供基于航空气象信息的辅助决策，亦可在加入其他诸如道面状况、航班顺序等信息后，为管制人员提供更为全面的辅助决策支持。

参考文献

[1]武喜萍，李海峰.终端区空中交通管制专家系统的设计.南京航空航天大学，2008.

[2]马静.基于Web的水稻气象灾害预警专家系统研究.安徽省科学技术情报研究所，2015.

[3]朱新宇，马丽璇，王威风.基于CLIPS飞机液压系统故障诊断专家系统的实现.中国民航飞行学院，2015.

[4]高申玉.多机空战战术机动专家系统与决策支持系统研究.空军指挥学院空军战术教研室，1999.endprint