基于CLIPS的航天器预警专家系统的设计与实现.pdf

第2 9 卷第9 期计算机仿真 2 0 1 2 年9 月 文章编号：1 0 0 6 9 3 4 8 ( 2 0 1 2 ) 0 9 0 0 6 1 0 4 基于C L I P S 的航天器预警专家系统的设计与实现 钱宇，向小军，杨军利 ( 中国民航飞行学院，四川广汉6 1 8 3 0 7 ) 摘要：针对在轨航天器预警问题，由于空间碎片和微流星撞击，导致航天器受损伤。为保证在轨航天器的安全，要求优化预 警精度。为减少误报警，提高预警精度，提出建立专家系统用在航天器预警技术。采用区域预警判定机制建立了以航天器 为中心的警戒区和规避区，通过不同区域的阈值作为专家系统的判定，并用前向推理规则和R e t e 模式匹配算法设计了航天 器预警专家系统。研究在C L I P S 环境中实现了所设计的专家系统，并进行仿真验证。仿真结果表明，所建立的预警专家系 统能根据物体间相对位置信息做出准确的预警判定，从而为航天器智能预警系统设计提供了科学依据。 关键词：专家系统；航天器预警；人工智能；航天器 中图分类号：T P l 8 2文献标识码：B D e v e l o p m e n to fS p a c e c r a f tC o l l i s i o nW a r n i n g E x p e r tS y s t e mB a s e do nC L I P S Q I A NY u ，X I A N GX i a o - j u n ，Y A N GJ u n - l i ( C i v i l A v i a t i o nF l i g h tU n i v e r s i t yo fC h i n a ，G u a n g h a nS i c h u a n6 18 3 0 7 ，C h i n a ) A B S T R A C T ：T or e d u c et h ef a l s ea l a r m sa n di m p r o v i n gt h ea c c m a c yo fc o l l i s i o nw a r n i n g ，t h ea p p l i c a t i o no fe x p er l _ s y s t e mi ni n t e l f i g e n tc o l l i s i o nw a r n i n gw a sd e v e l o p e d T h ea l e r t i n ga r e aa n de v a d i n ga r e aw e r eb u i l ta c c o r d i n gt ot h e c o l l i s i o nw a r n i n gd e c i s i o nm e c h a n i s m A n dt h et h r e s h o l dv a l u ew a su s e db yt h ec o l l i s i o nw a r n i n ge x p e r ts y s t e mt o m a k et h ed e c i s i o nt oe v a s i v em a n e u v e ro rn o t T h ee x p e r ts y s t e mw a sd e s i g n e du s i n gf o r w a r di n f e r e n c er u l e sa n dR e t e p a t t e r n - m a t c h i n ga l g o r i t h m ，t h e nd e v e l o p e di nt h eCL a n g u a g eI n t e g r a t e dP r o d u c t i o nS y s t e m ( C L I P S ) c o m p i l a t i o n e n v i r o n m e n t ，a n ds i m u l a t e d T h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ec o l l i s i o nw a r n i n ge x p e r ts y s t e mm a k e sa c c u r a t ea c t i o no u t p u ta c c o r d i n gt h ei n p u to fr e l a t i v ep o s i t i o ni n f o r m a t i o no ft w oo b j e c t s I ta c h i e v e st h ep u r p o s eo fs p a c e c r a f tc o l l i s i o nw a r n i n g K E Y W O R D S ：E x p e r ts y s t e m ；C o l l i s i o nw a r n i n g ；A r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ；S p a c e c r a f t 1 引言 空闯中存在数目繁多的空间碎片和微流星，由于其超高 速撞击能够导致航天器严重损伤及灾难性的失灵，被公认为 在轨航天器的威胁。航天器轨道规避作为一种主动防御技 术，能有效地提高航天器在轨运行的安全可靠性和生存能 力。航天器预警是航天器规避的前提和基础，其决定航天器 是否规避机动，从而影响其安全性和使用寿命，故在整个规 避过程中有着举足轻重的作用。目前研究所使用的预警机 制主要包括区域预警和基于碰撞概率的预警。区域预警是 通过在航天器周围定义不同的预警区域，当有空间物体进入 相应的预警区域时发出对应的预警信号，一般分为警戒区和 规避区。基于碰撞概率的预警是建立在预报误差的基础上， 基金项目：中国民航飞行学院科研基金面上项目( J 2 0 1 l 一0 2 ) 收稿日期：2 0 1 1 1 1 1 0 修回日期：2 0 1 1 1 1 2 3 同时考虑空问交会物体的轨道特性、交会时双方的相对距 离、交会角度及相对速度等，利用碰撞概率来评估空间碰撞 风险1 。 专家系统是人工智能应用研究中最活跃和最广泛的一 个分支，其基础理论研究不断深入，技术水平不断提高，应用 领域不断扩大，专家系统推进了各个应用领域向智能化方向 的发展。近年来专家系统在航天领域的应用激起了广大学 者的研究热情，杜湘瑜1 等提出了层次化的空间碎片减缓设 计专家系统体系结构模型，原型系统的实现验证了体系结构 和技术路线的可行性，为未来的深入细化奠定了基础；郑永 煌等【4 I 提出了基于C L I P S 的决策支持系统的构建方法，建立 了航天发射决策支持专家系统，并在首次载人航天飞行任务 中得到了应用，有效解决了信源偏少问题；邓红莉等”1 开发 了对仿真可信度进行评佶的智自基专家系统，仿真结果表明系 统对于其仿真模型的评估实用、结果客观、可信；李蒙等。6 1 对 一6 】一 万方数据 专家系统在空间碎片减缓的应用进行了研究。 根据公开发表的文献，目前航天器预警研究主要在预警 模型的建立上，而专家系统在航天方面的应用主要在航天发 射或空间碎片减缓方面，对于航天器智能预警还未见公开发 表。本文根据航天器主动防御对智能预警的需求，研究了专 家系统在航天器预警中的应用。根据区域预警判定机制建 立了以航天器为中心的警戒区和规避区，采用前向推理规则 设计了航天器预警专家系统。利用C L I P S 环境实现了航天 器预警专家系统；并对所预警专家系统进行了数值验证。 2 专家系统 2 1 专家系统介绍 专家系统 1 是一种设计用来对人类专家的问题求解能 力建模的计算机程序。专家系统的结构是指专家系统各组 成部分的构造方法和组织形式。要根据系统的应用环境和 所执行任务的特点来选择合理的专家结构系统，它直接关系 到专家系统的适用性和效率。 专家系统由下列几部分组成。8J ：用户界面( u s e ri n t e r f a c e ) 、解释机( e x p l a n a t i o nf a c i l i t y ) 、工作内存( w o r k i n gm e m o r y ) 、推理机( i n f e r e n c ee n g i n e ) 、议程( a g e n d a ) 、知识获取机 ( k n o w l e d g ea c q u i s i t i o nf a c i l i t y ) 。一个典型专家系统的要素如 图1 所示。 图1 基于规则的专家系统结构 由于每个专家系统所完成的任务的不同，其系统结构也 不尽相同。知识库和推理机是专家系统最基本的模块。 预警专家系统的任务在于对系统、对象或过程的行为进 行不断观察，并把观察到的行为与其应当有的行为进行比 较，以发现异常情况，发出警报。预警专家系统具有下列特 点： 1 ) 系统应具有快速反应能力，应在造成事故前及时发出 警报。 2 ) 系统发出的警报要有很高的准确性。在需要发出警 报时发警报，在不需要发出警报时不得轻易发警报( 假警 报) 。 3 ) 系统能够随时间和条件的变化而动态的处理其输入 信息。 2 2 专家系统的开发流程 和传统的程序设计不同的是，专家系统的开发是一个不 断重复的过程。成功的建立系统的关键在于尽可能早的着 一6 2 一 手建立系统，从一个比较小的系统开始，逐步扩充为一个具 有相当规模和日臻完善的试验系统。 建立专家系统的一般步骤如下： 1 ) 设计初始知识库； 2 ) 原型机的开发与试验； 3 ) 知识库的改进与归纳。 3 预警专家系统的开发 3 1 开发环境C L I P S 航天器规避预警专家系统是在C L I P S 开发环境在中开 发的。C L I P S 是“C 语言集成产生式系统( CL a n g u a g e r i t e g r a t e dP r o d u c t i o nS y s t e m ) ”的首字母缩略词。它是美国航空 航天局约翰逊太空中心( N A S A J o h n s o nS p a c eC e n t e r ) 用c 语言设计的。设计的目的是可移植性高、成本低和易于与外 部系统集成。C L I P S 是由标准C 语言编写的专家系统工具， 它的基本结构是产生式系统，采用正向推理机制，它与一般 的产生式系统的不同在于其推理过程中独特的R e t e 模式匹 配算法。R e t e 模式匹配算法利用了产生式系统的时间冗余 和模式相似的特性，利用了匹配过程中获得的大量中间信 息，减少了以后匹配所需要的时间，极大地提高了推理速 度引。 基于C L I P S 的专家系统的开发和运行环境都是基于文 本，可以运行在不同的系统下。常用的是D O S 、W i n d o w s 两 种开发环境。W i n d o w s 版本的功能比较丰富，是集程序编写、 调试和运行为一体的集成开发环境。W i n d o w s 版本目前最 新为C L I P S6 3 。应用C L I P S 已经成功开发了许多实用的专 家系统，在N A S A 的组织下成立了对应的用户协会，以推动 C L I P S 的开发与应用。 3 2 开发预警专家系统的难点及解决方法 1 ) 知识的获取与表示 构建专家系统首要和核心问题为知识获取，即把必须的 知识从人类专家思维中以及对象的结构原理中提取总结出 来，并保证不同渠道间获取的知识问的一致性。研究通过从 建立的预警机制原理人手，对于不同区域设定相应的阈值， 利用“对象一属性一值”三元组的形式来表示专家系统中的 知识。“对象一属性一值”三元组便于以表格的形式列出知 识，并通过规则推导将表格转为为计算机语言，同时在表达 事实以及用来匹配事实与规则前件的模式时特别有用。