Методы оперативного регулирования потоков воздушных судов при изменении условий выполнения полетов в автоматизированной системе управления воздушным движением

Актуальность исследования. Проблемы оперативного регулирования потоков воздушного движения выступают на первый план в ходе текущего планирования и непосредственного управления полетами. Во-первых, именно здесь всплывают недочеты долговременного (составление сезонного расписания) и предварительного (уточнение графика движения на ближайшие сутки) этапов. Во-вторых, непредвиденные изменения условий выполнения рейсов, вызванные атмосферными явлениями, отказами технических средств, организационными и другими причинами приводят к необходимости перераспределения потоков самолетов, уже находящихся в воздухе.

Регламентирующие документы гражданской авиации предписывают диспетчерскому составу в критических случаях, таких как отказы средств радиолокационного наблюдения, переходить на процедурные методы контроля и, руководствуясь соображениями безопасности, направлять на ближайшие аэродромы посадки все воздушные суда, совершающие полеты в нештатной обстановке. Экономически это невыгодно всем — авиапредприятиям и пользователям — и оправдано целью сохранения жизни пассажиров и экипажей.

Такие ситуации типичны, и во многих центрах управления воздушным движением (УВД), на основе опыта воздушных перевозок, найдены обходные маршруты, следование по которым позволяет поддержать необходимый уровень безопасности при минимально возможных экономических издержках. Например, оптимально спланированные рейсы, пересекающие Иркутскую зону со стороны Омска и Новосибирска в направлении Нижнеудинска, вследствие аномальных явлений переводят на северные трассы, через Кол-пашево, Енисейск, Жигалово. В большинстве других регионов страны также эмпирически найдены и включены в должностные инструкции авиадиспетчеров правила переноса рейсов на «запасные пути» при характерных для местности атмосферных явлениях, но возможности таких действий ограничены конкретными типами обстановки и состояния техники. Существующие приемы перераспределения потоков по-прежнему принадлежат скорее искусству, чем науке планирования. Самое главное, они не учитывают последствий принимаемых мер — перевода рейсов на запасные маршруты, на невыгодные эшелоны и другие — для последующих центров УВД, т. е. на изменение их загрузки и сложности диспетчерского обслуживания полетов. Регулирование потоков выполняемых рейсов происходит в напряженной стрессовой обстановке и требует программной поддержки. В ситуации, при которой в считанные минуты нужно фактически заново создать сводный план на территории района или зоны, обоснованные предложения алгоритмов организации потоков оказали бы серьезную поддержку диспетчерскому персоналу.

Возникает актуальная научная задача создания методов оперативного регулирования потоков воздушных судов (ВС) при изменении условий выполнения полетов с учетом влияния результатов на взаимодействующие диспетчерские центры. Эти методы должны обеспечивать требования к безопасности полетов и к нормам загрузки диспетчерского персонала — при минимуме экономического ущерба и отклонений от регулярности полетов вследствие производимого вмешательства.

Цели и задачи исследования. Основная цель работы — создать, исследовать и обосновать методы оперативного регулирования потоков ВС для поддержки диспетчеров при изменении условий выполнения полетов в автоматизированной системе (АС) УВД, позволяющие обеспечить безопасность полетов при ограничениях на их экономичность и регулярность с учетом норм загрузки взаимодействующих диспетчерских центров.

Для достижения главной цели необходимо:

• разработать метод оценки загрузки воздушного пространства (ВП), работающий в реальном масштабе времени;

• разработать метод прокладки бесконфликтных кратчайших обходных маршрутов, работающий в реальном масштабе времени;

• исследовать разработанные методы по критерию минимизации компьютерных ресурсов и времени реакции системы на запросы диспетчеров;

• разработать технологическую схему оперативного регулирования потоков с использованием предложенных методов.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является АС УВД высокого уровня автоматизации, в программном обеспечении (ПО) которой предусмотрен комплекс программ (КП) обработки плановой информации этапа УВД, а в базе данных (БД) содержатся обновляемые в реальном масштабе времени сведения о текущем состоянии элементов структуры ВП, атмосферы и технических средств системы.

Предметом исследования является компьютерная поддержка деятельности диспетчерского персонала (руководителя полетов) при изменении условий выполнения полетовсуществующие и новые методы выработки рекомендаций по оперативному регулированию потоков ВС, наследующие достоинства известных методов и свободные от их недостатков.

Основные положения, выносимые на защиту:

• адаптационная модель ИВП как инструмент оперативного регулирования потоков ВС при изменении условий выполнения полетов;

• метод формирования рельефа загрузки ВП с учетом требований по безопасности и ограничений по экономичности и регулярности движения;

• метод оперативного регулирования потоков ВС;

• метод оценки компьютерных ресурсов, необходимых для использования модели ИВП и оперативного регулирования на ее основе потоков ВС;

• методика расчета параметра связности решаемых задач, не измеряемого явно, для определения производительности вычислительной сети.

Методологическая н теоретическая основа исследования. Методологическую основу исследования составляют регламентирующие документы гражданской авиации (ГА), определяющие правила производства полетов, направление развития и модернизации существующей Единой системы (ЕС) организации воздушного движения (ОрВД) России, принципы взаимодействия служб УВД страны [1−5], а также рекомендации международной организации ГА (ИКАО) и органов Евроконтроля [6−10]. Теоретическую основу составляют труды специалистов научных и учебных центров ГА России (Гос-НИИ «Аэронавигация», ГосНИИ ГА, МГТУ ГА, МАИ, и других) [11−16] и ведущих зарубежных ученых в области ОрВД [17−19].

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы общей теории систем, теории АСУ и систем ОрВД, системного анализа, математической статистики, исследования операций, теории массового обслуживания, теории графов, экспертных оценок, имитационного моделирования.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

• дано решение задачи автоматизированного регулирования потоков ВС, отличающееся тем, что рекомендации диспетчерскому персоналу вырабатываются в реальном масштабе времени;

• использован подход к планированию потоков ВС, отличающийся тем, что производится выбор бесконфликтного рационального (субоптималыюго) варианта, принадлежащего области допустимых решений, без поиска глобального оптимума целевой функции;

• предложена новая для задач УВД форма представления полетных данных как композиции гистограмм распределения загрузки элементов ВП (информационный образ), которая отличается тем, что обладает свойствами минимальных потребностей в компьютерной производительности и памяти;

• построена адаптационная модель ИВП как инструмент оперативного регулирования потоков ВС, представляющая собой композицию гистограмм распределения почасовой загрузки ВП, развивающая представления о компьютерной поддержке принятия диспетчерских решений;

• созданы новые методы оценки и регулирования загрузки диспетчеров с учетом безопасных интервалов следования и расстояний опасного сближения ВС, разработаны алгоритмы работы с информационным образом (ИО) для автоматизированного регулирования потоков, отличающиеся от известных аналогов линейным (а не экспоненциальным) ростом затрат времени счета от количества планируемых рейсов;

• построена и исследована математическая модель процесса работы с ИО, получены формулы для оценки компьютерных ресурсов, необходимых для его реализации, в зависимости от значений параметров АС УВД;

• выделены области конкретных соотношений параметров АС УВД, в которых, при ограничениях на структуру потоков ВС и дисциплину обслуживания заявок, становится предпочтительным применение распределенной либо централизованной базы данных;

• формализован и исследован параметр связности (корреляции между задачами регулирования потоков по отношениям предшествования и по общим данным), не измеряемый явно, и разработана методика его вычисления.

Практическая значимость работы состоит в том, что ее результаты позволяют:

• поднять показатели эффективности ОрВД России и привлечь дополнительный поток ВС иностранных авиакомпаний через ВП страны;

• как следствие, обеспечить финансирование современных средств радионавигации, наблюдения и связи;

• научно обосновать высокие нормативные требования к перспективным АС УВД.

Предложенные методы регулирования могут использоваться не только на этапе УВД, но и на предварительных стадиях планирования потоков ВС. Они применимы также для решения задач контроля и поддержания целостности информационного обеспечения систем ОрВД.

Апробация результатов исследования. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях в МГТУ ГА (2003, 2006 г. г.), в МАИ (2004, 2005, 2006 г. г.), в Егорьевском авиационно-техническом колледже (Чкаловские чтения, 2004), в Тамбовском государственном университете (2005), в Приволжском Доме знаний (Пенза, 2005), в Московском институте электронной техники (2005). По теме диссертации опубликована 21 научная работа, среди которых: статья в журнале «Известия Академии наук. Теория и системы управления» (2005) и ее английская версия в «Journal of Computer and Systems Sciences International" — 10 статей в «Научном вестнике МГТУ ГА» (2003 — 2006), включенном Президиумом ВАК в перечень научных изданий, в которых разрешено опубликование материалов докторских диссертаций, а также тезисы докладов международных конференций (2003 — 2006).

Среди опубликованных работ 10 написаны автором единолично, остальные — в соавторстве с научным руководителем и его учениками. В совместных публикациях руководителю принадлежат постановка задачи и общее редактирование текста, автору — формализация, анализ и программная реализация моделей, алгоритмов и методов, включенных в диссертацию.

Структура диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем диссертации составляет 147 страниц и включает 34 рисунка и 14 таблиц.

Список литературы

содержит 84 наименования.

Заключение

.

В данной диссертационной работе созданы, исследованы и обоснованы новые методы оперативного регулирования потоков ВС для поддержки диспетчеров при изменении условий выполнения полетов в АС УВД, позволяющие обеспечить требования по безопасности при ограничениях на экономичность и регулярность движения с учетом норм загрузки взаимодействующих диспетчерских центров. Изложены и научно обоснованы технологические разработки, имеющие существенное значение для экономики (авиационного транспорта). На основе анализа трудов предшественников, сильных и слабых сторон полученных ими результатов, предложен новый подход к проблеме, реализованный в виде методов и алгоритмов, достоверность которых обоснована аналитическими исследованиями.

Отправным пунктом является позиция диспетчера УВД — в любой ситуации обеспечить безопасность полетов. Критерием эффективности действий, производимых для достижения этой цели, является минимум вмешательств в действия пилотов. Существующие приемы перераспределения потоков по-прежнему принадлежат скорее искусству, чем науке планирования. Самое главное, они не учитывают последствий принимаемых мер (перевода рейсов на запасные маршруты, на невыгодные эшелоны) для взаимодействующих центров УВД на всю глубину полета, т. е. на изменение их загрузки и сложности диспетчерского обслуживания полетов. Строгие математические методы не помогают, так как не обеспечивают работы в реальном времени. Существо предложенного подхода состоит в том, чтобы последовательно перераспределять рейсы, оказавшиеся в неблагоприятных условиях, как это делает человек, и на каждом шаге проверять допустимость производимого вмешательства для взаимодействующих центров, поодиночке для каждого корректируемого маршрута, а не перебором сочетаний вариантов, как это заложено в классических схемах. Результат не гарантирует экономически оптимального варианта, но принадлежит области допустимых решений.

На базе сформированного подхода:

• создан метод оценки загрузки ВП, работающий в реальном масштабе времени;

• создан метод прокладки бесконфликтных обходных маршрутов минимальной стоимости, работающий в реальном масштабе времени;

• доказана оптимальность построенных методов по критериям минимизации компьютерных ресурсов и времени реакции системы на запросы диспетчеров (минимальная функция и минимальное отношение поиска);

• разработана технологическая схема оперативного регулирования потоков с использованием предложенных методов.

Исследование созданного подхода приводит к следующим выводам.

1. Использование строгих методов оптимизации сводного плана полетов по экономическим критериям нецелесообразно по двум причинам. Во-первых, основная цель УВД — обеспечение безопасности полетов при ограничениях на экономичность и регулярность движения. Во-вторых, размерность задачи не позволяет решать ее в реальном масштабе времени, и план может устареть уже в процессе его формирования.

2. Регулирование потоков выполняемых рейсов происходит в напряженной стрессовой обстановке и требует программной поддержки. В ситуации, при которой в считанные минуты нужно фактически заново создать сводный план на территории района или зоны, предложенные методы организации потоков призваны оказать серьезную поддержку диспетчерам.

3. Результатом регулирования потоков с помощью предложенных в диссертации методов является бесконфликтный план полетов, в котором исключены попадания ВС в неблагоприятные и режимные зоны, соблюдены безопасные интервалы следования по времени и по эшелонированию, а также нормы загрузки диспетчеров на всю глубину полетов.

4. На предварительных этапах планирования достигается результат, принадлежащий области экономически допустимых решений, так как для организации потоков используются маршруты, рекомендованные Каталогом зарегистрированных маршрутов России, имеющие минимальные отклонения от линии ортодромии и учитывающие сезонные атмосферные явления.

5. На этапе непосредственного УВД достигается результат, принадлежащий области экономически допустимых решений, так как для организации потоков используются кратчайшие маршруты, рассчитанные предложенными методами с учетом сложившейся обстановки на всем пути следования ВС.

6. Реализация предложенных методов требует своевременного обновления оперативных данных о состоянии ВП страны и средств обеспечения полетов во всех пунктах УВД (как это предписано руководящими документами), что позволяет повысить заинтересованность и ответственность взаимодействующих служб в обмене текущей аэронавигационной информацией.

7. Для реализации предложенных методов необходимы весьма умеренные для компьютеров серверного класса затраты памяти и производительности, составляющие не более пяти процентов их номинального ресурса.

На основе проведенных исследований получены следующие основные научные результаты.

1. Предложен новый подход к задаче оперативного регулирования потоков. Подход основан на выборе рационального бесконфликтного плана полетов, принадлежащего множеству экономически допустимых решений, учитывает нормы загрузки диспетчерского персонала в смежных АС УВД и отличается тем, что позволяет работать в реальном масштабе времени.

2. Найдена новая форма представления полетной информации в компьютерной памяти, названная информационным образом, создаваемая в виде совокупности гистограмм почасовой загрузки для элементов воздушного пространства, отличающаяся тем, что позволяет оценивать планируемую и действительную загруженность диспетчеров секторов без специальных вычислительных операций, прямым обращением к гистограммам.

3. Исследованы отличительные экстремальные свойства информационных образов в приложении к задаче диссертации. Доказаны теоремы о минимальности затрат вычислительных ресурсов для их построения и сопровождения, а также для принятия решений с их помощью.

4. Предложен эвристический алгоритм поиска кратчайшего маршрута, основанный на классических методах теории графов, отличающийся тем, что для сокращения перебора вариантов используется специфика самолетовождения: установленные для воздушных судов гражданской авиации ограничения по маневрированию и по отклонениям маршрута от линии ортодромии.

5. Построен трехступенчатый алгоритм анализа формируемого плана полетов на бесконфликтность в пунктах обязательных донесений по маршруту (первая ступень), на участках трасс между ними (вторая ступень) и в пространстве вне трасс (третья ступень). Алгоритм отличается тем, что не требует процедур обнаружения конфликтов — данные об опасных сближениях сосредоточены в информационных образах на этапе ввода заявок на полеты.

6. Разработан метод оперативного регулирования потоков на основе информационных образов, отличающийся тем, что по результатам его работы в реальном масштабе времени формируются рекомендации диспетчерскому персоналу (руководителю полетов) по перераспределению рейсов, затрагивающих зоны неблагоприятных условий воздушного движения.

7. Построены и исследованы математические модели процессов формирования, сопровождения и работы с информационными образами. Получены аналитические оценки компьютерных ресурсов, необходимых для работы с информационными образами, которые развивают представления о компьютерной поддержке принятия диспетчерских решений.

Полученные результаты и сделанные выводы позволяют дать следующие рекомендации.

1. Предложенные методы планирования потоков предпочтительно использовать на всех этапах организации воздушного движения, от составления расписания до непосредственного управления и координации действий наземных служб и экипажей. Это обеспечивает преемственность принимаемых решений по организации потоков и вырабатывает навык использования унифицированной процедуры диалога диспетчера с системой.

2. Для полноценной работы предложенных методов следует своевременно обновлять полетную информацию. Это позволяет автоматически, с поступлением данных об изменении условий выполнения полетов ВС, оповещать диспетчерский персонал о неблагоприятной ситуации в системе и о конкретных рейсах, которые затрагивает складывающаяся обстановка, чтобы в реальном масштабе времени, со скоростью реакции человека, вырабатывать рекомендации по бесконфликтному перераспределению потоков ВС.

3. Программная реализация метода должна позволять лицам оперативного состава отвергать варианты обходных маршрутов, предлагаемые алгоритмически, и вводить в систему альтернативные маршруты, формируемые человеком на основе профессионального опыта и анализа текущей обстановки, если по совокупности неформальных факторов такие решения выглядят предпочтительными. Ответственность за принимаемые решения несет диспетчер, и компьютерный метод не должен брать на себя его функции, задача программной поддержки — предлагать варианты, а не диктовать их.

4. Математический аппарат, построенный в работе для оценки потребностей в компьютерных ресурсах с учетом связности заявок по отношениям предшествования и по общим данным, может использоваться, помимо основного назначения, для решения ряда родственных задач. К ним относятся, например, организация вычислительного процесса в центрах управления полетами, а также оценка пропускной способности узлов авиационной наземной сети передачи данных и телеграфных сообщений в рамках централизованной службы обработки планов полетов.

5. Алгоритм построения кратчайшего маршрута на сети воздушных трасс, предложенный в работе, может использоваться на предварительных этапах планирования для организации рейсов, не включенных в Каталог зарегистрированных маршрутов России, а также при планировании полетов, затрагивающих заранее известные зоны неблагоприятных условий их выполнения и режимных ограничений.

6. Разработанная в диссертации схема обнаружения предпосылок к конфликтным ситуациям, благодаря возможности работы в реальном и упрежденном масштабах времени, может использоваться самостоятельно для непосредственного УВД. С этой целью она должна исполняться в качестве независимого программного инструмента для оповещения диспетчера об опасных сближениях ВС по курсу и высоте.

7. Дальнейшее развитие метода следует осуществлять в направлении совершенствования информационного обеспечения, полноты представления в нем воздушной обстановки. В качестве первого шага рекомендуется учитывать в показателях пропускной способности участков трасс их текущую загрузку выполняемыми рейсами для создания предпочтительности выбора менее загруженных обходных маршрутов движения ВС.

По материалам диссертации опубликованы свыше двадцати научных работ, основными из которых являются:

1. Бабаева С. И., Привалов А. А., Рудельсон JI.E. Элементы концепции централизованного планирования полетов. // Известия Академии Наук, Теория и системы управления, 2005, № 5, стр. 159−174.

2. Babaeva S.I., Privalov А.А., Rudel’son L.Ye. The Concept of Centralized Flight Planning, // Journal of Computer and Systems Sciences International, MAIK «Nauka/Interperiodica», Vol. 44, No. 5, 2005, pp. 820−835.

3. Бабаева С. И. Методы анализа потоков воздушного движения. // Научный вестник МГТУ ГА, серия «Информатика. Прикладная математика», № 77. — М.: МГТУ ГА, 2004.

4. Бабаева С. И. Оценка объема памяти, необходимой для информационного образа. // Научный вестник МГТУ ГА, серия «Информатика. Прикладная математика», № 92. — М.: МГТУ ГА, 2005.

5. Бабаева С. И. Влияние корреляции полетных данных на показатели качества их обработки. // Научный вестник МГТУ ГА, серия «Эксплуатация воздушных судов. Безопасность полетов», № 99. — М.: МГТУ ГА, 2006.

6. Бабаева С. И., Рудельсон JI.E., Тверитнев М. М. Экстремальные оценки информационных образов воздушной обстановки в задачах бесконфликтного планирования полетов. // Научный вестник МГТУ ГА, серия «Эксплуатация воздушных судов. Безопасность полетов», № 63, 2003.

7. Бабаева С. И., Привалов А. А., Рудельсон J1.E. Распределение полетных данных на основе информационных образов. // Научный вестник МГТУ ГА, серия «Информатика. Прикладная математика», № 65. — М.: МГТУ ГА, 2003.

8. Бабаева С. И., Илларионова М. А., Рудельсон J1.E. Алгоритм и предикат поиска полетной информации для оценки загрузки ВП. // Научный вестник МГТУ ГА, серия «Информатика. Прикладная математика», № 77. — М.: МГТУ ГА, 2004.

9. Бабаева С. И., Илларионова М. А., Рудельсон J1.E. Бесконфликтное планирование полетов на основе частотных моделей воздушной обстановки. // Научный вестник МГТУ ГА, серия «Эксплуатация воздушных судов. Безопасность полетов» № 74. — М.: МГТУ ГА, 2004.

10. Бабаева С. И., Гальков М. А., Рудельсон J1.E. Поддержание уровня безопасности полетов программными средствами. // Научный вестник МГТУ ГА, серия «Эксплуатация воздушных судов. Безопасность полетов», № 75. -М.: МГТУ ГА, 2004.

11. Бабаева С. И., Конькова ЕЛО., Рудельсон J1.E. Модели параллельных процессов в информационных технологиях. / В сборнике статей II Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы информатики и информационных технологий», Тамбов: 2005.

12. Бабаева С. И., Рудельсон JI.E. Оценка связности задач обработки данных в автоматизированном центре управления полетами. // Научный вестник МГТУ ГА, серия «Радиофизика и радиотехника», № 98 — М.: МГТУ ГА, 2006.

13. Бабаева С. И., Рудельсон JI.E. Оценка вероятностей потерь заявок в авиационных системах с учетом связности вычислительных задач. // Научный вестник МГТУ ГА, серия «Прикладная математика. Информатика». — М.:

МГТУ ГА, № 104,2006.

14. Бабаева С. И. Комплекс программ сопровождения системных констант и параметров структуры воздушного пространства в АС УВД. / Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества». — М.: МГТУ ГА, 2003.

15. Бабаева С. И. Методы исследования потоков воздушного движения. / Тезисы докладов 5-й Международной научно-технической конференции «Чкаловские чтения». — Егорьевск: ЕАТК ГА им. В. П. Чкалова, 2004.

16. Бабаева С. И. Критерии эффективности организации потоков воздушного движения. / Тезисы докладов 3-й Международной конференции «Авиация и космонавтика-2004». — М.: МАИ, 2004.

17. Бабаева С. И. Модель использования воздушного пространства на основе информационных образов полетных данных. // Сборник статей XV Международной научно-технической конференции «Математические методы и информационные технологии в экономике, социологии и образовании». -Пенза: Приволжский Дом знаний, 2005.

18. Бабаева С. И. Метод повышения безопасности полетов воздушных судов на основе информационных образов. / Тезисы докладов 4-й Международной конференции «Авиация и космонавтика-2005». — М.: МАИ, 2005.

19. Бабаева С. И. Оперативное регулирование потоков при изменении условий выполнения полетов. / Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества». — М.: МГТУ ГА, 2006.

В процессе работы над диссертацией автор выступал с докладами на международных научно-технических конференциях:

1. Международные научно-технические конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», МГТУ ГА, июнь 2003, май 2006.

2. 5-я Международная научно-техническая конференция «Чкаловские чтения», Егорьевск, 2004.

3. Международные конференции «Авиация и космонавтика». М., МАИ, 2004, 2005, 2006.

4. 12-я Международная научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика-2005», Зеленоград, МИЭТ, 2005.

5. XV Международная научно-техническая конференция «Математические методы и информационные технологии в экономике, социологии и образовании». Пенза, Приволжский Дом знаний, 2005.

6. II Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы информатики и информационных технологий», Тамбов, ТГУ, 2005.