0 引言

　　隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展,，火箭發(fā)射成為世界各國(guó)所關(guān)注的焦點(diǎn),。然而火箭發(fā)射是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，經(jīng)常發(fā)生故障,，落點(diǎn)將超出允許落點(diǎn)范圍而危及地面安全時(shí),，必須加以控制，終止火箭動(dòng)力飛行并將其炸毀,。如果不能準(zhǔn)確控制,，造成的后果是非常嚴(yán)重的。因此火箭發(fā)射的安全控制成為世界各國(guó)需要解決的首要問(wèn)題[1-2],。

　　火箭飛行安全控制系統(tǒng)一般由地面控制系統(tǒng)和火箭控制系統(tǒng)組成[3],。其中，地面控制系統(tǒng)主要觀察火箭飛行狀態(tài)并對(duì)其進(jìn)行判斷,，發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警或炸毀指令,；火箭控制系統(tǒng)接收地面系統(tǒng)發(fā)來(lái)的炸毀指令，經(jīng)過(guò)判斷分析,，點(diǎn)燃爆炸器,。結(jié)合這兩個(gè)控制系統(tǒng)各自的特點(diǎn)，構(gòu)建的火箭安控系統(tǒng)要求具有極高的可靠性,、實(shí)時(shí)性,，所采用的安全控制信息要有很高的精度，才能對(duì)火箭的飛行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷,，及時(shí)有效地做出判斷,，為安控領(lǐng)域?qū)＜业淖罱K決策提供支持發(fā)揮著重要作用。

　　傳統(tǒng)的火箭安全控制系統(tǒng)是在確定性的安控知識(shí)的基礎(chǔ)上,，通過(guò)簡(jiǎn)單的邏輯判斷推理,，得出安控決策方案。這種方法經(jīng)常產(chǎn)生錯(cuò)誤的報(bào)警,，導(dǎo)致安控專家做出錯(cuò)誤決策,。本文針對(duì)火箭安控知識(shí)的特點(diǎn)及現(xiàn)有系統(tǒng)存在的不足,，采用人工智能領(lǐng)域的智能決策技術(shù)和推理技術(shù)，融合安控決策知識(shí),，提出了基于智能決策的火箭安控系統(tǒng),，并給出了相應(yīng)的系統(tǒng)模型。通過(guò)對(duì)兩個(gè)安控系統(tǒng)的比較分析表明,，該智能決策系統(tǒng)能夠更加準(zhǔn)確地對(duì)火箭的發(fā)射狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè),，及時(shí)迅速地得到火箭發(fā)射過(guò)程中的各種狀態(tài)，更加有效地對(duì)其進(jìn)行控制決策,。

1 安控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　火箭安全控制決策系統(tǒng)是一個(gè)集彈道數(shù)據(jù)處理和安全控制決策于一體的計(jì)算機(jī)決策支持系統(tǒng),，具體處理流程如下：計(jì)算機(jī)對(duì)各種測(cè)量設(shè)備提供的實(shí)時(shí)彈道數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，從中選擇可靠性最高的一條彈道,，并進(jìn)行落點(diǎn)計(jì)算,；然后將計(jì)算結(jié)果與事先所存儲(chǔ)的理論彈道數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。當(dāng)偏差值在故障線范圍內(nèi)時(shí),，認(rèn)為火箭飛行正常,；當(dāng)實(shí)際參數(shù)值達(dá)到或超過(guò)故障線范圍時(shí)，根據(jù)安控知識(shí)庫(kù)進(jìn)行推理決策,，判斷火箭是否處于不安全的故障狀態(tài),，此時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)向發(fā)射指揮控制中心發(fā)出告警信號(hào)；當(dāng)安判結(jié)論達(dá)到允許炸毀線,，且預(yù)測(cè)的故障火箭落點(diǎn)已進(jìn)入保護(hù)區(qū)邊界線時(shí),，則發(fā)出炸毀指令；當(dāng)實(shí)際參數(shù)值達(dá)到必炸線時(shí)立即發(fā)出炸毀指令,。除由地面進(jìn)行安全控制外,，火箭上的安全自毀系統(tǒng)也將每一瞬間的實(shí)際參數(shù)值與預(yù)先輸入的規(guī)定值加以比較。當(dāng)超出允許值時(shí),，一般先使航天員脫離火箭,，解除保險(xiǎn)，接通延時(shí)裝置,，以便地面安全分系統(tǒng)選擇炸毀時(shí)機(jī)或落點(diǎn),，而在預(yù)定的遲滯時(shí)間內(nèi)，即使地面沒(méi)有發(fā)出炸毀指令,，延遲時(shí)間一到也要自動(dòng)起動(dòng)爆炸裝置將火箭炸毀,。

　　基于這種處理流程，安控系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示,。該框架結(jié)構(gòu)主要包括四個(gè)部分：彈道選擇,、落點(diǎn)計(jì)算與選擇、安控知識(shí)庫(kù)和安控推理決策。其中彈道選擇,、落點(diǎn)計(jì)算與選擇是彈道數(shù)據(jù)處理部分,；安控知識(shí)庫(kù)和安控推理決策是安全控制決策部分。

　?。?）彈道選擇

　　彈道選擇首先根據(jù)火箭彈道特點(diǎn)的先驗(yàn)知識(shí)把測(cè)量所得的彈道數(shù)據(jù)（包括外測(cè)數(shù)據(jù)和遙測(cè)數(shù)據(jù)）與事先所存儲(chǔ)的理論彈道數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,，判斷其可靠性，剔除誤測(cè)彈道,；然后再根據(jù)各測(cè)量設(shè)備的精度,，在可靠性的基礎(chǔ)上選用測(cè)量精度最高的一條彈道[4],，用于落點(diǎn)計(jì)算與安全判斷,。其中理論彈道的數(shù)據(jù)值可根據(jù)在特定時(shí)間點(diǎn)的插值來(lái)獲取,；遙測(cè)數(shù)據(jù)和外測(cè)數(shù)據(jù)均可從調(diào)用模塊中獲得,。

　　（2）落點(diǎn)計(jì)算與選擇

　　落點(diǎn)計(jì)算是在任務(wù)實(shí)施中瞬時(shí)計(jì)算出火箭在飛行中的任何一點(diǎn)上的狀態(tài),，如果發(fā)生故障,，它落在地面上的位置為安全控制提供依據(jù)。落點(diǎn)計(jì)算的輸入量由測(cè)量設(shè)備測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算后,，提供給落點(diǎn)計(jì)算的彈體在發(fā)射坐標(biāo)系中的參數(shù),，具體包括位置參數(shù)：Xk、Yk,、Zk和速度參數(shù)vxk,、vyk、vzk,。輸出量則是火箭在軌道上瞬時(shí)任一實(shí)測(cè)點(diǎn)的速度值,、速度傾角、偏航角,、當(dāng)?shù)馗叨?、星下點(diǎn)經(jīng)緯度、落點(diǎn)經(jīng)緯度,、落點(diǎn)射程,、沿射向的射程、射程偏航量等,。

　　彈道選擇,、落點(diǎn)計(jì)算與選擇作為彈道數(shù)據(jù)處理部分，為安全控制決策提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ),。

　?。?）安控知識(shí)庫(kù)

　　安控知識(shí)庫(kù)是安控決策系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，用來(lái)描述火箭安控系統(tǒng)中的各種知識(shí)和規(guī)則,，由安控參數(shù),、原子事實(shí)和規(guī)則知識(shí)庫(kù)3個(gè)表的形式組織起來(lái)[3],。這樣不僅簡(jiǎn)化了知識(shí)庫(kù)，便于知識(shí)庫(kù)中知識(shí)的組織和管理,，而且避免知識(shí)的相互交叉,，保證了知識(shí)的相容性和完整性。

　?。?）安控決策推理

　　安控決策推理由定性的知識(shí)推理和不確定的推理模型構(gòu)成,。安控系統(tǒng)推理采用基于不確定知識(shí)表示的決策網(wǎng)絡(luò)，在安控推理決策過(guò)程中,，推理機(jī)根據(jù)安控知識(shí)的特點(diǎn),，通過(guò)正向推理機(jī)制和深度優(yōu)先搜索策略進(jìn)行推理，最終給出基于智能決策的火箭安控系統(tǒng),。

2 安控知識(shí)庫(kù)

　　2.1 安控知識(shí)的分類

　　在安控系統(tǒng)中,，領(lǐng)域?qū)＜宜o的安控知識(shí)復(fù)雜，影響因素眾多,，如果把這些安控知識(shí)不加區(qū)分地表示出來(lái),，一方面增添了知識(shí)表示的復(fù)雜性，另一方面也給安控知識(shí)的推理帶來(lái)了困難,。針對(duì)這一難點(diǎn),，系統(tǒng)把安控知識(shí)進(jìn)行了分類，把它分為安全控制參數(shù)（簡(jiǎn)稱安控參數(shù)）,、原子事實(shí)和規(guī)則知識(shí)庫(kù)3類,。

　　（1）安控參數(shù)

　　安控參數(shù)主要是描述火箭安控系統(tǒng)中所用到的參數(shù),，可以分為3類：外測(cè)彈道落點(diǎn),、遙測(cè)彈道落點(diǎn)、遙測(cè)壓力參數(shù),。其中外測(cè)彈道落點(diǎn)和遙測(cè)彈道落點(diǎn)都包括落點(diǎn),、速度、偏角,、傾角,、射程等幾類參數(shù)[3]；而遙測(cè)壓力參數(shù)包括俯仰角偏差,、滾動(dòng)角偏差,、偏航角偏差、一級(jí)壓力1,、一級(jí)壓力2,、一級(jí)壓力3、一級(jí)壓力4、二級(jí)壓力幾個(gè)參數(shù),。只有落點(diǎn),、速度、射程參數(shù)同時(shí)參與炸毀和告警,，其他參數(shù)僅參與告警而不參與炸毀報(bào)警,。

　　在每個(gè)采樣周期都進(jìn)行安控參數(shù)的形成，作為安控系統(tǒng)判斷決策的依據(jù),。由于在具體實(shí)現(xiàn)中,，參數(shù)的提供不是很完全（僅有飛行的位置和速度數(shù)據(jù)），而且沒(méi)有管道數(shù)據(jù),，這些都為完整的測(cè)試增加了困難,。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中系統(tǒng)只好采取一種隨機(jī)產(chǎn)生安控參數(shù)的辦法。

　?。?）原子事實(shí)

　　原子事實(shí)主要描述各個(gè)狀態(tài)變量是否連續(xù)多點(diǎn)越界的信息,。一般以這種Si（Y,，Vk,，20，Z）形式表示,，其含義是遙測(cè)（Y）彈道速度（Vk）連續(xù)20點(diǎn)超越炸毀線（Z）,，用來(lái)表示規(guī)則知識(shí)庫(kù)中的一個(gè)前提條件或者結(jié)論。其實(shí)則是方便進(jìn)行安全判斷的推理而提出的中間變量,。

　?。?）規(guī)則知識(shí)庫(kù)

　　規(guī)則知識(shí)庫(kù)主要描述火箭安控系統(tǒng)中的規(guī)則知識(shí)，由多個(gè)原子事實(shí)組成,，采用才產(chǎn)生式的表示形式,，如下所示：

　　IF S1（Y，Lc,，20,，Z）AND S3（Y，Vk,，20,，Z）

　　THEN  Sy(1)

　　在此產(chǎn)生式中，前提條件S1和S3,，結(jié)論Sy都是以Si的形式來(lái)表示,，為原子事實(shí)。如果某條規(guī)則的前提條件多于兩條,，則可以引入中間變量,，再把規(guī)則分成兩條來(lái)進(jìn)行存貯；如果某條規(guī)則的前提條件少于兩條，則可以在前提2處輸入一個(gè)9999或其他的代碼來(lái)表示此條前提無(wú)效,，此時(shí)就只有一條前提,。

　　在安控系統(tǒng)中，所得到的安控知識(shí)往往是不精確的,，因此系統(tǒng)要在產(chǎn)生式表示的基礎(chǔ)上,，具體采用不確定的知識(shí)表示形式[5-6]，如下所示：

　　R：IF E1(ω1) AND E2(ω2) AND … AND En(ωn)

　　THEN H(CF(H,，E),，λ)(2)

　　式中，Ei是規(guī)則的前提條件,，ωi是規(guī)則各前提條件的權(quán)值(∑ωi=1),，H是結(jié)論，CF(H,，E)(0<CF(H,，E)≤1)是規(guī)則的可信度，λ(0<λ≤1)是規(guī)則可否應(yīng)用的閾值[5],。只有當(dāng)規(guī)則所需的前提條件可信度CF(E)≥λ時(shí),，相應(yīng)規(guī)則才會(huì)被激活，推理相應(yīng)的結(jié)論H,，它的可信度CF(H)可用如下公式計(jì)算：

　　根據(jù)上面的知識(shí)分類,，系統(tǒng)把安控知識(shí)用表Para、表Atom,、表Rule的形式組織起來(lái),，如圖2所示。這樣不僅簡(jiǎn)化了知識(shí)庫(kù),，便于知識(shí)庫(kù)中知識(shí)的組織和管理,，而且避免知識(shí)的相互交叉，保證了知識(shí)的相容性和完整性,。

　　2.2 安控決策網(wǎng)絡(luò)的形成

　　根據(jù)安控知識(shí)的分類及不確定性的知識(shí)表示形式,，其決策過(guò)程可以用一個(gè)與/或樹(shù)來(lái)表示，即用邏輯或門“OR”和邏輯與門“AND”來(lái)表示,，建立相應(yīng)的安控決策網(wǎng)絡(luò)[7-8],。以部分安控規(guī)則（如表1所示）為例，建立如圖3所示決策網(wǎng)絡(luò),。

    　表1中,，“9999” 表示此條前提無(wú)效，此規(guī)則就只有一條前提,。

　　在圖3的決策網(wǎng)絡(luò)中,，為了使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層次明顯,，便于推理決策，引入了S13,、S14,、S23、S24幾個(gè)中間變量結(jié)點(diǎn),。

　3 安控推理流程

　　結(jié)合安控知識(shí)的特點(diǎn)及相應(yīng)的決策網(wǎng)絡(luò),，以Visual C++6.0為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，構(gòu)建了安控推理決策模型[9],，如圖4所示,，具體的安控推理流程如圖5所示。

　?。?）結(jié)合上述安控推理流程,，采用了面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)模型，以Visual C++6.0為開(kāi)發(fā)平臺(tái),，實(shí)現(xiàn)了上述安控決策系統(tǒng),。圖6給出了該系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，包括軌道軌跡的選擇,、安判結(jié)果,、落點(diǎn)參數(shù)和推理解釋四大模塊。在具體的實(shí)驗(yàn),，顯示了X方向彈道的位置軌跡,，安判結(jié)果顯示為外測(cè)告警,、遙測(cè)告警,、聯(lián)合告警及炸毀（催發(fā)指令k1），推理解釋給出了“151.980炸毀”,，并有相應(yīng)的解釋依據(jù),。上述仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效地進(jìn)行彈道選擇,，實(shí)時(shí)檢測(cè)火箭的飛行狀態(tài),，給出相應(yīng)的安控決策方案，為安控領(lǐng)域?qū)＜业淖罱K判斷決策提供參考,。

4 結(jié)論

　　本文針對(duì)現(xiàn)有安控系統(tǒng)存在的缺陷和不足,，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和人工智能中的推理技術(shù)，建立和完善了火箭飛行安全控制決策系統(tǒng),，它是智能決策支持系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上的一個(gè)新突破,。實(shí)驗(yàn)和仿真表明，該系統(tǒng)很大程度上提高了火箭安控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性,，能對(duì)其進(jìn)行有效的管理,。

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