人工智能在空中交通管理中的運(yùn)用

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摘要：隨著我國(guó)民航業(yè)的飛速發(fā)展,空中交通流量急劇增長(zhǎng)，空域密度顯著提高，現(xiàn)有的扇區(qū)流量已經(jīng)接近或超過(guò)了容量允許的最大值，空中交通管理的優(yōu)化與改進(jìn)工作迫在眉睫。同時(shí)，作為近幾年取得重大突破的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，人工智能技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如果將其與空中交通管理有機(jī)結(jié)合，進(jìn)行智能化流量管理和飛行沖突的判斷、解除，則可以使空域資源得到了充分而有效的利用，大幅提升管制工作的效率和精準(zhǔn)程度，降低管制員工作負(fù)荷。本文將從人工智能技術(shù)的概念、發(fā)展?fàn)顩r和它對(duì)于管行業(yè)的意義作為切入點(diǎn)，著重研究其在飛行流量管理和飛行沖突探測(cè)、解決飛行沖突等方面的應(yīng)用并提出合理建議。

關(guān)鍵詞：空中交通管理；人工智能技術(shù)；航班流量；飛行沖突；系統(tǒng)構(gòu)成

一、研究背景及意義

現(xiàn)階段，計(jì)算機(jī)在我國(guó)各行各業(yè)中都扮演著重要角色，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為各行業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)有效的保障。與此同時(shí)，人工智能技術(shù)也取得了驚人的進(jìn)步，為我國(guó)航空航天行業(yè)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。改革開(kāi)放以來(lái)，在我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，綜合國(guó)力不斷提升的背景下，民航業(yè)發(fā)展迅猛，乘坐飛機(jī)出行從以前的高不可攀變成如今的大眾化出行方式，只用了40年的時(shí)間。在這40年里，我國(guó)航班架次大幅增漲，現(xiàn)有的空域資源也日趨緊張，在這關(guān)鍵時(shí)刻，人工智能技術(shù)的出現(xiàn)，為航空事業(yè)快速高效的發(fā)展帶來(lái)了新的曙光。空中交通管理的主要目的是防止航空器與航空器相撞以及航空器與障礙物相撞，維護(hù)和加快空中交通的有序流動(dòng)[1]，因此，飛行流量管理和飛行沖突探測(cè)、解脫便成了空中交通管理中至關(guān)重要的任務(wù)。一方面，在空中交通流量接近或達(dá)到空中交通管制能力上限時(shí)，適時(shí)地進(jìn)行調(diào)整，保證空中交通量最佳地流入或通過(guò)相應(yīng)區(qū)域，盡可能提高機(jī)場(chǎng)、空域可用容量的利用率[1]。另一方面，飛行沖突的探測(cè)，能夠幫助管制員及早發(fā)出指令，使用許可和信息防止航空器相撞，保障空中交通順暢或控制空域內(nèi)各航班的間隔，從而保證飛行安全[1]。空中交通管理人工智能輔助系統(tǒng)的運(yùn)用，不僅能夠加速空中交通流量，提高空域利用率，而且能夠進(jìn)行飛行沖突的判斷、解除，最大程度的提高航班運(yùn)行的安全性，為管制員節(jié)省大量的時(shí)間和精力監(jiān)控運(yùn)行，降低工作負(fù)荷，提高綜合管制服務(wù)水平。

二、人工智能與空中交通管理人工智能輔助系統(tǒng)概述

（一）人工智能概述

人工智能（ArtificialIntelligence），英文縮寫為AI，它是研究、開(kāi)發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)[2]。人工智能技術(shù)通俗的講，就是使機(jī)器模擬人的智能行為，代替人從事那些人為操作容易出錯(cuò)、速度慢、效率低或者超出能力范圍的復(fù)雜工作的新技術(shù)。它通過(guò)研究人類智能活動(dòng)的規(guī)律，構(gòu)造具有一定智能的人工系統(tǒng)，指導(dǎo)計(jì)算機(jī)去完成以往需要、甚至超越人的智能才能勝任的工作[2]。當(dāng)前，全球科技革命和產(chǎn)業(yè)革命方興未艾，新技術(shù)行業(yè)融合創(chuàng)新不斷，在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新理論新技術(shù)以及社會(huì)發(fā)展相關(guān)的強(qiáng)烈需求的共同驅(qū)動(dòng)下，人工智能加速發(fā)展，逐漸成為了產(chǎn)業(yè)革命和行業(yè)融合的關(guān)鍵技術(shù)。人工智能可以通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、分析和挖掘，形成有價(jià)值的信息和知識(shí)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)人類智力智能行為的模擬，具備一定環(huán)境下的自適應(yīng)特性和學(xué)習(xí)能力[3]?，F(xiàn)階段，人工智能經(jīng)成為與計(jì)算機(jī)科學(xué)，控制論，信息論，心理學(xué)，語(yǔ)言學(xué)等多種學(xué)科相互滲透的一門新興學(xué)科，在許多領(lǐng)域有著廣泛的運(yùn)用，變得和我們的生活息息相關(guān)[4]。

（二）空中交通管理人工智能輔助系統(tǒng)概述

人工智能技術(shù)在空中交通管理中的應(yīng)用主要依靠人工智能輔助性數(shù)據(jù)分析和決策系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。利用人工智能技術(shù)，可以建立智能化流量管理模塊系統(tǒng)，科學(xué)判斷空中交通存在的問(wèn)題，全面監(jiān)控空中交通流量并對(duì)其進(jìn)行智能化管理，提高空域的利用率，以及建立智能沖突探測(cè)和解脫模塊系統(tǒng),進(jìn)行飛行沖突的探測(cè)，通過(guò)引導(dǎo)飛行員采取速度控制、高度調(diào)整、航向改變等措施實(shí)現(xiàn)避讓，解除可能的飛行沖突，實(shí)現(xiàn)安全飛行的目標(biāo)。借助空中交通管理人工智能輔助系統(tǒng)，全面提升空中交通管理水平[5]。

三、人工智能技術(shù)在空中交通管理中的具體應(yīng)用及建議

（一）人工智能技術(shù)在飛行流量管理中的應(yīng)用及建議

空中交通流量管理的目標(biāo)是根據(jù)氣象條件、航路結(jié)構(gòu)、扇區(qū)容量等限制條件和資源的統(tǒng)籌規(guī)劃，使航班流量盡可能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，從而在保障安全的前提下，提高運(yùn)行效率。在引入人工智能輔助系統(tǒng)后，可以形成天氣預(yù)測(cè)，流量預(yù)測(cè)，限制建議和超容告警等模塊，通過(guò)氣象條件探測(cè)，各航路各時(shí)段航班量預(yù)測(cè)和生成航班間隔調(diào)整預(yù)案等方法，為流量管理者在短時(shí)間內(nèi)提供有效的決策參考，從而大大降低流量管理者的工作負(fù)荷。其中，氣象條件的探測(cè)需要民航氣象部門提供氣象數(shù)據(jù)源接口，利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)預(yù)測(cè)未來(lái)各時(shí)段的氣象變化情況及其對(duì)各航線的影響程度。各航路的航班量預(yù)測(cè)需要接入綜合電報(bào)處理系統(tǒng)，利用飛行動(dòng)態(tài)電報(bào)來(lái)判斷在未來(lái)各時(shí)段各航路的航班架次以及航路交匯點(diǎn)可能存在的飛行沖突。得到這些數(shù)據(jù)信息之后，需要對(duì)航班進(jìn)行排序，合理安排并確定尚未起飛航班的離港時(shí)間，從而達(dá)到各管制扇區(qū)容流匹配，空域資源最優(yōu)化利用。除此之外，航班排序還要依據(jù)接收到的外區(qū)限制，并結(jié)合專機(jī)、要客等優(yōu)先級(jí)信息做出合理安排，對(duì)外區(qū)限制較大的航路可給出改航建議，并模擬、計(jì)算改航后各條航路的流量和交匯點(diǎn)沖突情況，進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。對(duì)優(yōu)先級(jí)高的航班可自動(dòng)豁免并給出直飛建議，對(duì)確實(shí)需要延誤的航班，同時(shí)模擬航班取消后的損失情況給出合理化延誤建議，通過(guò)人工智能技術(shù)做出合理化安排。完善、及時(shí)的數(shù)據(jù)庫(kù)信息維護(hù)可以保證飛行數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)的及時(shí)、準(zhǔn)確，保證流量信息等數(shù)據(jù)的完整性和可靠性，對(duì)于人工智能輔助系統(tǒng)做出正確、有效的建議有著重要而直接的影響，進(jìn)而對(duì)各航路、各扇區(qū)的流量管理方案的有效性產(chǎn)生關(guān)鍵影響。因此，人工智能輔助系統(tǒng)的管理人員應(yīng)及時(shí)維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)，盡量避免由于數(shù)據(jù)不完整、不及時(shí)而導(dǎo)致的決策錯(cuò)誤，減少因航班延誤對(duì)社會(huì)生產(chǎn)生活帶來(lái)的負(fù)面影響。

（二）人工智能技術(shù)在飛行沖突探測(cè)及解決上的應(yīng)用及建議

在解決航班飛行沖突上，人工智能技術(shù)主要是通過(guò)分析航班存在沖突的概率及可能的狀況，根據(jù)飛行動(dòng)態(tài)信息做出合理化沖突解脫建議，并且在這一過(guò)程中找到最有效，最經(jīng)濟(jì)和最安全的確定方案。另外，在最終方案選擇中，通過(guò)對(duì)管制員選擇結(jié)果的智能學(xué)習(xí)，建立系統(tǒng)自己的飛行沖突處置預(yù)案庫(kù)，利用最短路徑算法和偏好路由算法，在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中精確查找解決方案，并根據(jù)最終實(shí)施情況進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)處理。為了在工作中放心的依照人工智能系統(tǒng)提供的方案，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在沖突，解決安全隱患，人工智能輔助系統(tǒng)管制員需要做好數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)工作。對(duì)于典型的飛行沖突處置案例，如果系統(tǒng)學(xué)習(xí)有偏差，可人工校正，并及時(shí)更新，最大限度的幫助系統(tǒng)提高推理的效率和能力。此外，管制員在實(shí)踐中可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)人工智能決策系統(tǒng)提供決策能力的不足和尚需改進(jìn)之處，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，他們可以從以下兩個(gè)方面入手，一是思考什么樣的沖突解決方案是最優(yōu)化的，并提煉出所需遵循的原則，并將這些原則告知人工智能輔助系統(tǒng)的管理人員并協(xié)助他們進(jìn)行完善系統(tǒng)。二是在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的問(wèn)題和不足并及時(shí)反饋給系統(tǒng)管理人員，協(xié)助管理人員查找問(wèn)題根源，更進(jìn)一步提升系統(tǒng)可靠性。

四、結(jié)語(yǔ)

如今，人工智能輔助下的流量管理、飛行沖突調(diào)配和系統(tǒng)智能學(xué)習(xí)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入三期實(shí)驗(yàn)階段。因此通過(guò)建立空中交通管理輔助系統(tǒng)，不斷完善人工智能技術(shù)，解決系統(tǒng)自動(dòng)學(xué)習(xí)的偏差和失誤，達(dá)成系統(tǒng)學(xué)習(xí)能力多維度、多層次，才能推動(dòng)我國(guó)航空業(yè)得到繁榮發(fā)展。綜上所述，本文主要圍繞著人工智能技術(shù)概念、空中交通管理人工智能輔助系統(tǒng)構(gòu)成、人工智能技術(shù)在空氣交通管理中的具體應(yīng)用及建議三個(gè)方面展開(kāi)了論述與探討。目的是希望通過(guò)人工智能技術(shù)的加入，提高空管自動(dòng)化系統(tǒng)的智能化水平和安全性，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和建議合理性，切實(shí)減輕管制員的工作負(fù)荷，為我國(guó)民航事業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持，推動(dòng)空中交通管理工作不斷向安全、高效的方向邁進(jìn)，推動(dòng)我國(guó)由民航大國(guó)向民航強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變。

【參考文獻(xiàn)】

[1]潘衛(wèi)軍.空中交通管理系列教材:空中交通管理基礎(chǔ)[M].西安:西南交通大學(xué)出版社,2013:367.

[2]百度百科.[DB/OL]網(wǎng)上數(shù)據(jù)百度百科

[3]張濱.人工智能在安全領(lǐng)域的應(yīng)用[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化.2018,31(255).

[4]百度文庫(kù).人工智能的概述與探究.[DB/OL].

[5]鐘韻.人工智能技術(shù)在空中交通管制中的應(yīng)用淺談[J].重慶：高新技術(shù),2017(04):01-0033-01.

作者：吳青 單位：上海民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院