Содержание к диссертации
Введение
1. Российские и международные требования по обеспечению безопасности полетов при организации воздушного движения 22
1.1 Безопасность полетов при организации воздушного движения 22
1.2 Международные требования по обеспечению безопасности полетов при ОрВД .-. 28
1.3 Российские требования по обеспечению безопасности полетов при ОрВД49
1.4 Природа риска катастроф ВС при ОрВД. Международные требования к описанию отклонений фактических положений ВС от номинальных 52
1.4.1 Объективные причины существования риска катастроф ВС при ОрВД 52
1.4.2 Модели позиционных ошибок ВС 55
1.5 Заключение по первой главе 64
2. Формализация расчета риска катастроф вс при ОрВД 66
2.1 Модель риска столкновения ВС при движении по параллельным маршрутам 66
2.2 Модель риска столкновения ВС при движении по одной трассе на одной высоте 73
2.3 Модель оценки риска катасроф ВС на пересекающихся воздушных трассах 81
2.4 Модель оценки риска катастроф при пересечении ВС занятых эшелонов99
2.4.1 Оценка вероятности перекрытия в трехмерном пространстве неопределенности положений ВС 99
2.4.2. Плотность вероятности перекрытия ВС при пересечении занятых эшелонов при нормальных (гауссовских) отклонениях фактических положений ВС от плановых и оценка вероятности полного перекрытия ВС при полете в интервале времени 106
2.4.3 Плотность вероятности перекрытия ВС при пересечении занятых эшелонов при DE отклонениях фактических положений ВС от плановых и оценка вероятности перекрытия ВС при полете в интервале времени 111
2.4.4 Оценка риска катастроф при пересечении занятых эшелонов 115
2.5 Верификация аналитических моделей рисков катастроф ВС при пересечении занятых эшелонов и воздушных трасс 117
2.5.1 Симуляционная оценка вероятности перекрытия пары ВС при движении по пересекающимся воздушным трассам на одной высоте 117
2.5.2 Симуляционные модели оценки вероятности столкновения ВС при пересечении занятых эшелонов 122
2.6 Заключение по второй главе 134
3. Визуализация приемлемых рисков катастроф воздушных судов в задачах управления безопасностью полетов при организации воздушного движения 136
3.1 Построение поверхности равных вероятностей отклонений фактических положений ВС от номинального 136
3.2 Использование поверхностей равных вероятностей отклонений фактических положений ВС от номинальных для визуализации текущих рисков катастроф ВС в задачах управления безопасностью полетов при ОрВД 143
3.2.1 Визуализация приемлемого риска катастроф ВС при движении по параллельным маршрутам 145
3.2.2 Визуализация приемлемого риска катастроф при движении ВС по одной трассе на одной высоте 148
3.2.3 Визуализация приемлемого риска катастроф при движении ВС по пересекающимся маршрутам 151
3.2.4 Визуализация приемлемого риска катастроф при пересечении ВС занятых эшелонов 154
3.3 Сравнение различных визуальных образов текущих рисков в задачах управления безопасностью полетов при организации воздушного движения 160
3.4 Управление безопасностью полетов при организации воздушного движения на основе использования визуальных образов приемлемых рисков катастроф ВС 168
3.5 Заключение по третьей главе 189
4. Интеграционный программный комплекс визуализации приемлемых рисков катастроф воздушных судов «безопасность» 192
4.1 Выбор средств разработки 193
4.1.1 Система инженерных расчетов MATLAB 195
4.1.2 Среда разработки Microsoft Visual Studio C++ 198
4.1.3 Графическая библиотека DirectX 200
4.1.4 Полунатурный моделирующий комплекс «Профи-200» 202
4.2 Выбор архитектуры и технических средств 204
4.3 Структурная и функциональная схемы ИПК ВРК «Безопасность» 206
4.3.1 Подсистема обработки информации 211
4.3.2 Подсистема изменения параметров и настройки 215
4.4 Аппробация разработанного автоматизированного рабочего места управления безопасностью при ОрВД 216
4.4.1 Выявление случаев нарушения рисков катастроф ВС традиционным и графоаналитическим методами в Районном Центре Великие Луки 218
4.4.2 Выявление случаев нарушения рисков катастроф ВС традиционным и графоаналитическим методами в Воронежском Районном Центре 224
4.5. Заключение по четвертой главе 227
Выводы 230
Литература
- Безопасность полетов при организации воздушного движения
- Модель риска столкновения ВС при движении по параллельным маршрутам
- Построение поверхности равных вероятностей отклонений фактических положений ВС от номинального
- Выбор средств разработки
Введение к работе
С ростом мирового парка воздушных судов (ВС) и с увеличением интенсивности воздушного движения проблема обеспечения безопасности полетов становится все более актуальной. Важность проблемы обеспечения безопасности на воздушном транспорте подтверждена целым рядом нормативных документов, таких как стандарты Международной организации гражданской авиации (ИКАО), Международной ассоциации воздушного транспорта (ИАТА) и Воздушного Кодекса (ВК) Российской Федерации (РФ), которые накладывают жесткие требования на уровень безопасности полетов ВС при организации воздушного движения (ОрВД).
Несоблюдение российских и международных стандартов влечет за собой существенные осложнения при осуществлении деятельности при ОрВД. Программа ИАТА по проведению проверок в области эксплуатационной безопасности (IOSA) представляет собой первый глобальный стандарт для управления безопасностью полетов в авиакомпаниях. Эта программа дополняет проводимую ИКАО Универсальную программу проверок организации контроля за обеспечением безопасности полетов (УППКБП), признается многими правительствами, а к концу 2007 года участие в ней станет одним из условий членства в ИАТА.
В связи с этим, основным направлением развития гражданской авиации Российской Федерации в настоящее время является увеличение эффективности грузовых и пассажирских авиаперевозок при сохранении приемлемого уровня безопасности полетов. В значительной мере уровень безопасности авиационных перевозок обеспечивается мероприятиями организации воздушного движения (ОрВД). Одной из наиболее актуальных задач в этой области является совершенствование диспетчерских технологий при управлении воздушным движением (УВД), которые обеспечивают безопасность и регулярность воздушного движения в зоне своего обслуживания.
Решение указанной задачи достигается созданием и внедрением автоматизированных систем и средств малой автоматизации управления воздушным движением, осуществляющих обработку данных и автоматизацию представления их диспетчерам.
Необходимость улучшения УВД и обработки данных была продиктована тем, что неавтоматизированные средства УВД перестали обеспечивать требуемое качество управления, диспетчеры не получали полного представления о динамике воздушной обстановки и затрачивали недопустимо много времени на восполнение недостающих данных для принятия решений по управлению движением воздушных судов (ВС). Управление воздушным движением в таких условиях прежними методами уже не могло обеспечивать должный уровень пропускной способности и безопасности системы.
Наблюдение за движением воздушных судов осуществляется радиолокационными комплексами, состоящими из двух типов обзорных радиолокаторов: первичного, который принимает отраженные сигналы от всех целей (в том числе от наземных и облаков), и вторичного радиолокатора, который посылает кодированные радиолокационные импульсы и получает ответ только от самолетов, оборудованных так называемым ответчиком.
Информация от радиолокаторов предоставляется диспетчерам УВД в виде текущих световых координатных отметок на индикаторах воздушной обстановки (ИВО) и трех отметок (в виде точек) предыдущих положений цели. Имеется возможность отображать вектор экстраполяции, определяющий будущее положение цели на период до 5 минут.
ЭВМ обрабатывает сигнал от вторичного радиолокатора и дополняет отметки формулярами, содержащими бортовой номер или позывной, данные о текущей высоте, заданном эшелоне, запасе топлива и т. п. Это значительно облегчает работу диспетчера. При помощи ЭВМ на ИБО вычерчиваются карты, маршруты, границы диспетчерского района, расположение радиомаяков и т. п.
Аппаратура первичной обработки радиолокационной информации (АПОИ) выделяет полезную информацию о цели (расстояние и азимут) и преобразует в цифровую форму радиолокационные сигналы первичного и вторичного радиолокаторов. Эти данные передаются в цифровом виде по каналам передачи данных в центр УВД. На основании этой информации ЭВМ контролирует все запланированные полеты, используя также введенные в нее данные планов полетов. Полетная информация представляется в удобочитаемой форме на экранах и бумажных носителях (стрипах). При этом диспетчер может запросить отображение траектории полета по любому плану с представлением времени и требуемого эшелона над каждым пунктом маршрута.
Первый этап автоматизации процессов УВД ставил своей целью создание и внедрение средств малой автоматизации сбора, обработки и отображения данных первичной/вторичной радиолокации (ПРЛ/ВРЛ) для небольших Районных Центров (РЦ) со средней и низкой интенсивностью полетов, обеспечивающих аналоговое отображение отметок ВС вместе с дополнительной информацией от ответчиков ВРЛ.
Второй этап автоматизации характеризуется реализацией дополнительных функций планирования воздушного движения и отождествления радиолокационной и плановой информации. Это позволило осуществлять корреляцию трека ВС с планом полета, расчет текущего плана полета по маршруту в зоне ответственности и, как следствие, повысить эффективность представления данных о прогнозируемом и текущем Воздушном Движении (вд).
Третий этап автоматизации характеризуется разработкой интегрированных аэродромно-районных средств обработки данных, реализующих функции системы безопасности, связанные с поиском и предупреждением конфликтных ситуаций: предупреждение об опасных сближениях между ВС, сигнализация о снижении ВС ниже минимально безопасной высоты, сигнализация о нарушениях порядка использования воздушного пространства. В системах и средствах третьего этапа автоматизации реализуется новая концепция человеко-машинного взаимодействия на базе графического интерфейса пользователя.
Из 116 районных центров единой системы ОрВД РФ автоматизированными системами УВД оснащены только четыре районных центра - Москва, Ростов на Дону, Казань (системы второго уровня), и РЦ Магадан (система первого уровня). Только один аэроузел и три аэродрома федерального значения оснащены автоматизированными системами второго уровня.
Вместе с тем, наибольшая часть центров и пунктов УВД страны оснащена средствами малой автоматизации УВД с автоматизированными рабочими местами диспетчеров (АРМ), которые обслуживают небольшие районы (1-5 секторов РЦ) в пределах зоны видимости одного радиолокационного комплекса (РЖ). Эти АРМ имеют ограниченный набор функций обработки и отображения данных, по сравнению с автоматизированными системами. Средствами малой автоматизации оснащено около 80% РЦ, остальные центры продолжают дооснащаться. В настоящее время в эксплуатации находятся средства малой автоматизации УВД типов: "КАРМ ДРУ", УКОИ "Строка-Ц", СОДВО "Норд", "Растр", "Коринф", "Топаз-2000", которыми оснащено значительное число РЦ.
Техническое состояние оснащения центров и пунктов УВД характеризуется недостаточным в современных условиях внедрением средств обработки данных воздушной обстановки и имеет возможность эксплуатационных улучшений путем автоматизации процессов УВД.
Основной целью усовершенствования любой системы управления воздушным движением с точки зрения безопасности полетов является поддержание приемлемого уровня риска катастроф воздушных судов путем обеспечения эффективного обслуживания каждого полета и потока ВС в целом для удовлетворения требований пользователей воздушного пространства.
В настоящее время управление безопасностью полетов ВС осуществляется на основе обеспечения наблюдаемых относительных расстояний между ВС не меньших заданных минимумов эшелонирования. Для России и Международной Организации Гражданской Авиации эти минимумы сильно отличаются, как по абсолютным значениям, так и по смыслу. Стоит отметить, что и российские, и международные минимумы эшелонирования были назначены исходя из здравого смысла и приемлемой практики, без должного научного обоснования. При этом система ОрВД рассматривается как система, обслуживающая поток заявок экипажей ВС на выполнение в зоне ответственности ОрВД той или иной оптимальной с точки зрения экипажа траектории. Любые изменения траекторий или их запреты уменьшают экономическую эффективность потока ВС. Необходимость изменения траекторий появляется вследствие ожидаемого нарушения минимума эшелонирования, а вероятность зависит от величины минимума: чем больше минимумы эшелонирования, тем больше и вероятность изменения траектории.
Поэтому последние несколько лет ИКАО внедряет новый стандарт управления безопасностью полетов, который принципиально отличается от управления безопасностью полетов на основе выдерживания минимумов эшелонирования. Такой подход заключается в управлении безопасностью полетов на основе обеспечения приемлемых рисков катастроф ВС и более полно учитывает влияющие на него факторы, так как риск катастроф ВС зависит от типа относительного движения, дисперсий отклонений фактических положений ВС от номинальных, скоростей отклонений, размеров ВС, минимумов эшелонирования и времени, в течении которого ВС совершают тот или иной тип относительного движения. Поправка 40 к Приложению II ИКАО «Обслуживание воздушного движения», которая начала применяться с 1 ноября 2001 года, обязывает поставщиков и регламентирующие органы ОрВД разрабатывать официальные программы управления безопасностью полетов. Российская программа обязывает «... Установить приемлемый уровень безопасности полетов по критерию риска катастроф при обслуживании ВС 1-111 классов в воздушном пространстве Российской Федерации по состоянию на 27.11.03. в размере 2.00 х 10-81/л.час.
При обслуживании воздушного движения па маршруте приемлемый риск катастроф ВС по состоянию на 27.11.03. установить в размере 1.5x10-8 1/л.час...»
Таким образом, исследования, направленные на разработку графоаналитического метода визуализации рисков катастроф ВС при организации воздушного движения, являются важными, так как позволяют выполнить российские и международные требования по управлению безопасностью полетов, и актуальными, в связи с тем, что в такой постановке задача управления безопасностью решается впервые.
Переход системы ОрВД на новые принципы управления безопасностью по риску может быть осуществлен поэтапно и в своем развитии опираться на традиционные системы, дополняя их новой функциональностью технологий управления безопасностью. В основу такой системы должны быть положены решения, позволяющие осуществить дальнейшее наращивание функциональных и технических ресурсов этих систем путем поэтапного внедрения эксплуатационных улучшений, связанных с управлением безопасностью полетов на основе мониторинга рисков катастроф. Новый подход должен быть реализован таким образом, чтобы вписаться в стандартную структуру средств и методологии УВД без необходимости ее коренной перестройки. Актуализация требований по управлению безопасностью полетов по критерию риска катастроф ВС обусловила потребность в разработке принципиально новых решений для программно-технических средств системы ОрВД, в том числе в области методологии визуализации этих рисков на индикаторах воздушной обстановки диспетчерских автоматизированных рабочих мест, при сохранении процедурной преемственности и совместимости как с существующими технологиями работы авиационных диспетчеров, так и с аппаратными средствами аэронавигационных систем. Практическая реализация решений такого уровня, как правило, невозможна без применения современных систем автоматизированного проектирования (САПР).
Актуальность проблемы и возможность ее решения на принципиально новом уровне обусловили выбор тематики исследования, которая включила в себя изучение проблемной области, существующих подходов к визуализации рисков катастроф в задачах управления безопасностью полетов на воздушном транспорте, исследование рисков катастроф ВС, создание их математических моделей, разработку методов визуализации заданных значений рисков для типовых относительных движений пары ВС, и создание научно-методического обеспечения, позволяющего автоматизировать процесс визуализации рисков катастроф в условиях оперативного взаимодействия прикладного программно-математического аппарата, разработанного соискателем, и элементов традиционных систем структуры ОрВД, в контексте современных российских и международных правовых норм, регламентирующих авиационную деятельность.
Целью работы является разработка научно-методического обеспечения графоаналитического метода визуализации приемлемых рисков катастроф ВС на этапах предварительного планирования и непосредственного обслуживания воздушного движения путем создания интеграционного программного комплекса визуализации рисков катастроф. Внедрение разработанного ИПК ВРК в структуру традиционных средств ОрВД позволит диспетчеру осуществлять стандартные процедуры управления потоком ВС на основе нового единого визуального образа приемлемого риска, обеспечивая тем самым безопасность воздушного движения графоаналитическим методом.
Достижение поставленной цели диссертационной работы осуществлено путем решения следующих задач:
• проведения анализа проблемы обеспечения безопасности полетов при ОрВД;
• выбора методики исследования проблемной области;
• создания научного инструмента для количественной оценки рисков катастроф пары ВС при ОрВД для всех типов относительного движения;
• разработки метода построения поверхности равной вероятности отклонений фактических положений ВС от номинального и метода визуализации приемлемого уровня риска катастроф пары ВС при ОрВД;
• проведения сравнения традиционного метода визуализации уровня безопасности, основанного на использовании минимумов радиолокационного эшелонирования, и предложенной визуализации приемлемого риска катастроф ВС в задачах управления безопасностью полетов при ОрВД;
• выбора единого визуального образа приемлемого уровня безопасности полетов при ОрВД;
• разработки интеграционного программного комплекса визуализации рисков катастроф ВС на основе единого графического образа приемлемого уровня безопасности для системы ОрВД и его интеграция с АРМ диспетчера.
Методика исследования. Объектом исследования является риск катастроф ВС при ОрВД. Предметом исследования является выявление методических решений, обеспечивающих удовлетворение требований по приемлемому уровню риска катастроф ВС. Выявление рациональных методик осуществлено на основе симуляционного и аналитического моделирования. Задача отыскания рациональных значений параметров решена методом теории вероятностей и выбросов случайных процессов. Исследования теоретических вопросов в диссертационной работе были построены в основном на базе методов математической статистики, аналитического и имитационного программирования, численных методов анализа при решении нелинейных уравнений и др.
Научная новизна диссертации заключается в разработке научно-методического обеспечения графоаналитического метода визуализации риска катастроф ВС, включающего методики, алгоритмы и программные средства оценки риска катастроф пары ВС при ОрВД, которые позволяют решать задачу визуализации рисков катастроф ВС с учетом требований по приемлемому уровню безопасности. В ходе разработки графоаналитического метода визуализации риска катастроф ВС были получены следующие новые результаты:
• предложен и апробирован сам графоаналитический метод визуализации рисков катастроф ВС, и решена задача выбора рациональных допусков значений параметров поверхности равной вероятности, обеспечивающих соответствие процесса УВД в секторе обслуживания требованиям по приемлемому уровню безопасности;
• разработаны аналитические модели рисков катастроф при движении ВС по пересекающимся ВТ на одной высоте, при пересечении занятых эшелонов, по одной воздушной трассе (ВТ) на одной высоте, по параллельным ВТ в горизонтальной и вертикальной плоскости;
• доказана адекватность разработанных аналитических моделей путем сравнения аналитических и симуляционных оценок вероятностей столкновений;
• разработан метод построения поверхностей равных вероятностей (С) отклонений фактических положений ВС от номинального; • на основе разработанных методов, технологий и моделей создан ИПК ВРК «Безопасность», встраиваемый в структуру традиционных средств управления воздушным движением и обеспечивающий точное и оперативное решение задачи визуализации приемлемых рисков катастроф ВС. На защиту выносятся:
1. Модели оценки риска катастроф ВС;
2. Метод построения поверхностей равных вероятностей (С) отклонений фактических положений ВС от номинального;
3. Графоаналитический метод визуализации приемлемых рисков катастроф ВС;
4. Интеграционный программный комплекс визуализации рисков катастроф ИПК ВРК «Безопасность».
Практическая ценность. Разработанные модели расчета риска катастроф ВС, графоаналитический метод визуализации рисков катастроф, алгоритмы и процедуры использованы в созданном соискателем ИПК ВРК «Безопасность». Программный комплекс является современным инструментом для авиационных диспетчеров, специалистов по организации воздушного движения и предназначен для мониторинга рисков катастроф ВС и управления безопасностью полетов.
Результаты работы могут быть использованы в системах организации потоков воздушного движения и управления воздушным движением, при подготовке специалистов по обслуживанию воздушного движения в учебных заведениях гражданской авиации (ГА).
Достоверность результатов разработанных аналитических моделей и графоаналитического метода обеспечивается их верификацией на симуляционных моделях, при этом отклонение не превышает ±3%. Разработанный программный комплекс соответствует заданным техническим требованиям и обеспечивает получение результатов в соответствии с требованиями РФ и ИКАО. Внедрение результатов работы. Разработанные модели,
графоаналитический метод визуализации рисков катастроф воздушных судов, а также алгоритмы и ИПК ВРК «Безопасность», внедрены на предприятии ООО «Аэрон Дизайн», и в двадцать четвертом научном экспериментально-исследовательском управлении Министерства обороны Российской Федерации, что подтверждено соответствующими актами о внедрении.
Апробация работы. Результаты исследований выносились на обсуждение на следующих научно-технических конференциях, форумах, тематических семинарах и выставках:
• на VI Международном авиационно-космическом салоне «МАКС-2003», г. Жуковский, август 2003 г;
• на секции "Прикладные информационные технологии" XII Международной студенческой школы-семинара "Новые информационные технологии", г. Судак, май 2004 г;
• на Всероссийском конкурсе на лучшие научные работы студентов по естественным, техническим наукам (проекты в области высоких технологий) и инновационным научно-образовательным проектам, г. Звенигород, 2005 г.;
• на VII международном авиационно-космическом салоне «МАКС-2005», г. Жуковский, август 2005 г;
• на международном семинаре ИКАО «Безопасность на ВПП и в системе ОрВД» Москва, сентябрь 2005 г;
• на научно-техническом совете №5 от 2005 г. ФГУП Гос НИИ «Аэронавигация», г. Москва, сентябрь 2005 г;
• на научном семинаре №1 от 2006 г. ФГУП Гос НИИ «Аэронавигация», г. Москва, февраль 2006 г;
• на международной специализированной выставке гражданской авиации «Росавиаэкспо-2006», Московская область, февраль 2006 г. Основные теоретические положения и некоторые результаты исследования опубликованы автором в восьми научных публикациях [63,65-68,72-73,75], из них [65,67,72-73] - в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения, библиографического списка (103 работы отечественных и зарубежных авторов) и шести приложений. Общий объем диссертации - 257 страниц, включая 9 таблиц и 80 рисунков.
Содержание работы.
Во введении обоснованы важность и актуальность проведенных исследований, сформулированы цель и основные задачи работы, отмечены научная новизна, практическая ценность и реализация основных результатов, приведено краткое содержание диссертации и дана ее общая характеристика.
В первой главе выполнен анализ российских и международных требований по обеспечению безопасности полетов при организации воздушного движения. Наибольшее внимание было уделено «Воздушному кодексу Российской Федерации», Федеральной целевой программе «Модернизация транспортной системы России», Приложению 11 к Чикагской конвенции о международной гражданской авиации «Обслуживание гражданской авиации», Правилам аэронавигационного обслуживания «Организация воздушного движения» (ICAO Doc 4444). Также исследовались требования Евроконтроля по регулированию безопасности (ESARR) и руководство ИКАО по управлению безопасностью полетов (ICAO Doc 9859).
Во второй главе представлены математические модели рисков катастроф ВС для типовых относительных движений в верхнем воздушном пространстве в зонах ответственности районных центров ЕС ОрВД РФ: при движении ВС по одной воздушной трассе (ВТ) на смежных эшелонах, при движении ВС по параллельным ВТ на одной высоте, при движении ВС по одной ВТ на одной высоте, при движении ВС по пересекающимся ВТ на одной высоте, с пересечением занятых встречных и попутных эшелонов. Проведена проверка адекватности разработанных аналитических моделей рисков катастроф ВС и доказана их достоверность.
В третьей главе представлен и обоснован графоаналитический метод визуализации приемлемых рисков катастроф ВС с помощью использования поверхностей равных вероятностей отклонений фактических положений ВС от номинального. Рассмотрены практические аспекты использования графоаналитического метода для визуализации текущих рисков катастроф ВС. Проведено сравнение различных визуальных образов текущих рисков в задачах управления безопасностью полетов при организации воздушного движения и доказаны преимущества графоаналитического метода визуализации приемлемых рисков катастроф ВС по сравнению с традиционным.
В четвертой главе описывается разработка опытного образца интеграционного программного комплекса визуализации рисков катастроф ВС - ИПК ВРК «Безопасность». Были выбраны средства разработки, архитектура и структурная схема ИПК ВРК, обоснованы функциональная схема вычислительного комплекса, логические связи между блоками и согласованы интерфейсы передачи данных. Проведена апробация ИПК ВРК «Безопасность» на элементах потока ВС зоны Великолукского и Воронежского РЦ.
В заключении представлены главные выводы по работе и рекомендации по прикладному использованию графоаналитического метода управления безопасностью воздушного движения средствами ИПК ВРК «Безопасность».
Безопасность полетов при организации воздушного движения
Прежде чем приступать к анализу международных и отечественных требований по безопасности полетов при организации воздушного движения (ОрВД), необходимо дать определение основных понятий исследований.
Анализ «Приложения 11. Обслуживание воздушного движения» (2001г.) [1], «Правила аэронавигационного обслуживания - организация воздушного движения» (Doc 4444, издание 14, 2001г.) [2], глобальной эксплуатационной концепции ОрВД [3], показал, что ни в одном из этих документов нет определения понятия «безопасность полетов при организации воздушного движения (ОрВД)» или понятия «безопасность полетов».
В отечественных исследованиях недостатка в количестве формулировок этих понятий не наблюдается. Например, в [4] можно прочитать следующее определение:
«Под безопасностью полетов в Единой Системе организации воздушного движения (ЕС ОрВД) понимают её свойство осуществлять организацию воздушного движения совокупности летательных аппаратов в воздушном пространстве и на аэродромах без угрозы здоровью и жизни пассажиров и/или членов экипажей на основе выполнения специальных правил и технологий персоналом системы и соответствия системы требованиям по уровням оснащения, автоматизации, точности и надежности технических средств в течение всего жизненного цикла от проектирования до замены на новую систему.
Безопасность воздушного движения является высшим приоритетом в ЕС ОрВД. Аксиоматически утверждается, что безопасность является самым главным условием и ограничением одновременно при совершенствовании организационных структур и развитии технических компонент системы ОрВД.»
В известной книге Жулева В.И. и Иванова B.C. «Безопасность полетов летательных аппаратов» [5] читаем: «Безопасность полетов - это свойство авиационно-транспортной системы, заключающееся в её способности осуществлять перевозки без угрозы для жизни и здоровья людей». Можно представить и другие аналогичные определения безопасности, в которых это важнейшее понятие трактуется как свойство функционирования системы, при котором отсутствует угроза причинения вреда или нанесения ущерба здоровью и жизни пассажиров и/или эксплуатантов транспортных средств. Представляется, что эти формулировки являются следствием определения безопасности полетов, зафиксированного в НЛП ГА -85 [6]:
«Безопасность полетов - комплексная характеристика воздушного транспорта и авиационных работ, определяющая способность выполнять полеты без угрозы для жизни и здоровья людей» .
Точно такое же определение было записано в НИИ ГА-81 [76] и НЛП ГА-78 [77]. В НИИ ГА-71 [78] среди основных терминов вообще нет понятия безопасности полетов.
Легко можно убедиться, что все перечисленные определения ошибочны, так как в их основе используются физически, технологически, эргономически и тому подобные неосуществимые требования к транспортной системе функционировать без причинения экономического вреда и нанесения ущерба здоровью и жизни. Исходя из того факта, что реальные транспортные системы функционируют с некоторым риском причинения вреда и нанесения ущерба, следует искать корректное определение понятия безопасности полетов при ОВД. В этой связи обращают на себя внимание рассуждения о безопасности, представленные в [7]:
«В авиационном контексте безопасность полетов обычно воспринимается как отсутствие авиационных происшествий. Конечно, было бы желательно полностью исключить авиационные происшествия, однако следует признать, что такая "абсолютная безопасность полетов" является недостижимой целью; отказы и ошибки случаются, несмотря на все попытки избежать их. Это относится ко всем сферам деятельности человека. Большая часть наших повседневных действий сопряжена с определенной степенью риска. Мы считаем ту или иную деятельность "безопасной ", если связанный с нею риск расценивается как допустимо малый»
Такое понимание безопасности полетов полностью совпадает с определением безопасности полетов, представленным в [8]:
«Безопасность полетов - состояние, при котором риск причинения вреда или нанесения ущерба не превышает приемлемого уровня».
В этой связи под безопасностью полетов при ОрВД следует понимать ту часть безопасности полетов, для которой риск причинения вреда или нанесения ущерба прямо или косвенно связан с функционированием системы ОрВД.
С учетом сделанных замечаний, можно дать следующее определение:
«Под безопасностью полетов в Единой Системе организации воздушного движения (ЕС ОрВД) понимают её состояние соответствия требованиям к связи, навигации, наблюдению, обслуживанию воздушного движения, управлению потоками воздушного движения, управлению воздушным пространством, метео службе и другим, которое позволяет осуществлять деятельность по предоставлению аэронавигационных услуг на аэродромах и в воздушном пространстве с риском причинения экономического вреда и/или ущерба здоровью пассажирам и/или эксплуатантам ВС, не превышающим наперед заданного приемлемого значения».
Модель риска столкновения ВС при движении по параллельным маршрутам
Для описания этого риска существует классическая модель Рейха [33], которая официально признана ICAO подходящей для обоснования норм бокового и вертикального эшелонирования [32, 34, 35]. Для описания риска столкновения ВС при движении по параллельным маршрутам в горизонтальной плоскости (Nay) используют модель Рейха в форме Брукера [36].
Для описания риска столкновения ВС при движении по параллельным маршрутам в вертикальной плоскости (jviij также используют модель Рейха в форме Брукера. Связано это с тем, что P.G. Reich в 60-х годах принимал участие в решении проблемы научного обоснования боковых и вертикальных норм эшелонирования в регионе Северной Атлантики (NAT) и опубликовал ряд работ, послуживших фундаментом научного обоснования норм эшелонирования (см., например, [37]).
Итак, имеем следующие уравнения рисков : г f i—i M V 2V v\ + -L-L2ly +w2/,Jj 2L 1-І \-\ V 2V \y\ Hi — +— +- 2U 2ly гіЛ Nay = Py(Sy)-p!(0)-!r (2.1) AV \у\ z! Ey(s) + -+ +Еу(о) 2h 2L 2U к (2.2) ЛГя, = Л(Л)-Р,(0) (AV \y\ Hi E(S) +ja+ja +Ег(0) У 2h 2ly 2U) где:
Nay - ожидаемое число (N) катастроф (accident) за один час полетного времени при потере бокового эшелонирования (риск столкновения ВС в боковой плоскости);
Na, - ожидаемое число (N) катастроф (accident) за один час полетного времени при потере вертикального эшелонирования (риск столкновения ВС в вертикальной плоскости); py(Sy) - вероятность бокового перекрытия ВС, движущихся по параллельным воздушным трассам, разделенных в пространстве на величину «у І Sy - боковое эшелонирование; Л(&) - вероятность перекрытия ВС при движении по параллельным в вертикальной плоскости маршрутам, разделенным на величину &; Sz - вертикальное эшелонирование; ру(0) - вероятность бокового перекрытия ВС, движущихся по параллельным в вертикальной плоскости эшелонам одной воздушной трассы; рДО) - вероятность бокового перекрытия ВС, движущихся по параллельным в горизонтальной плоскости маршрутам в одном высотном слое (в режиме стабилизации высоты полета); + у -ко Py{sy)= J \f(y) p{y-u)dydu- (2.3) S,-l, — P,{Sz)= \ \p(z)q(z-u)dzdu; (2.4) + /+00 Л(0)= \\tty)9{y-sy)dydsy; (2.5) +/.-HO РгФ)= I \p(z)q(z-z2)dyds3; (2.6) где:
КУХФІУ) - плотности вероятностей боковых отклонений ВС от соседних параллельных линий заданного пути (ЛЗП); p(z),q(z) - плотности вероятностей отклонений ВС от ЛЗП в вертикальной плоскости (при движении ВС в режиме стабилизации высоты). Ориентация осей ошибок выдерживания ЛЗП представлена на рисунках 2.1 и 2.2; Ey(s),Ey(o) - боковая занятость параллельных маршрутов при движении ВС в одном (same) и в противоположном (opposite) направлениях; Ez(s),Ez(o) - вертикальная занятость параллельных маршрутов при движении ВС в одном (same) и в противоположном направлениях.
а) Движение в одном направлении
Боковая занятость также как и вертикальная занятость характеризует интенсивность движения ВС по соседнему параллельному маршруту. Формально боковая (вертикальная) занятость представляет собой среднее (ожидаемое) число ВС, имеющих продольное разделение с данным ВС не менее ±sz и осуществляющих полет по соседним параллельным трассам в одном либо противоположном направлениях (см. рисунки 2.3 и 2.4).
Построение поверхности равных вероятностей отклонений фактических положений ВС от номинального
Будем исходить из того, что вследствие ряда причин фактическое положение ВС не совпадает с номинальным, например, наблюдаемым на индикаторе воздушной обстановки. Для описания плотностей вероятностей отклонений фактических положений ВС от номинальных будем (в соответствии с разделом 1.4 первой главы) использовать нормальный (N) и двусторонний экспоненциальный (DE) законы. Кроме того, будем аппроксимировать ВС прямоугольным параллелепипедом со сторонами lx, ly, Ь.
Если в системе координат, центр которой совпадает с номинальным положением ВС, координаты центра фактического положения ВС равны (х, у, z), то вероятность нахождения ВС в объеме lx-ly-lz, построенного относительно точки (х, у, z), может быть определена, как: р" lx-ly-lz -Pl l W 8(V )3-Ar-2v- z (3-І) для нормальных плотностей вероятностей отклонений фактического положения ВС от номинального; pDE _ 1Х 1У lZ ш е ix Ху Xz /3 2) для DE плотностей вероятностей отклонений фактического положения ВС от номинального.
Для построения поверхности равных вероятностей, например, С, отклонений фактических положений ВС от номинальных: - проведем квантование пространства LxLyLz, построенного в окресностях точки О (номинального положения ВС), с шагами lx,ly,lz и получим трехмерную матрицу значений координат (JC ZJ, где / = 1, 2-Lx їх J -1 , к -1 , ly Iz - найдем такие точки \pt,y,,zk) для которых вероятности, вычисленные по формулам (1) и (2), равны С; - по найденным массивам точек построим поверхности равных вероятностей отклонений фактических положений ВС от номинальных для DE и N законов отклонений. Аналогичные соотношения справедливы и для других корней (Ь и d).
Из этого следует, что при одинаковых значениях C,h,ly,lz,Ax,Ay Az, поверхность равных вероятностей отклонений фактических положений ВС от номинального при DE законе отклонений на осях координат всегда расположена на большем расстоянии от номинального положения, чем аналогичная поверхность при нормальных отклонениях. В других точках пространства такого однозначного соотношения может не наблюдаться.
Таким образом, аппроксимирующая для DE и нормальных отклонений поверхность, имеющая удаления (от номинального положения ВС) не меньше, чем поверхности при DE и N отклонениях, может быть построена следующим образом: - для конкретных значений С,1х,1у,1г,Ах,Ау,Аг находят корни aDE, bDE, dDE уравнений (3.6), (3.7) и (3.8); - строят эллипсоид относительно точки номинального положения ВС, полуоси которого равны aDE, bDE, dDE.
Рисунок 3.5 иллюстрирует процедуру построения аппроксимирующей поверхности равных вероятностей отклонений фактических положений ВС от номинального.
Как было уже сказанно ранее, отклонение фактических положений ВС от номинально наблюдаемого диспетчером на индикаторе воздушной обстановки (ИБО) при организации воздушного движения является одним из важнейших факторов объективного существования риска катастроф ВС. В ИКАО с 1976 года официально существует концепция приемлемого (целевого) уровня безопасности TLS, в которой в качестве показателя безопасности используется риск катастроф ВС. В Российской Федерации при проведении работ по управлению безопасностью также используют риск катастроф ВС в качестве показателя безопасности [42].
Риск катастроф ВС при УВД появляется только в том случае, если в некотором пространстве осуществляется обслуживание хотя бы двух ВС. В рамках настоящего раздела будем рассматривать только те риски, которые связаны с возможными столкновениями ВС из-за того, что фактические положения ВС отличаются от наблюдаемых. Аналитические модели оценки этих рисков подробно описаны в главе 2 настоящей диссертации. В данном разделе будем использовать поверхности равных вероятностей отклонений фактических положений ВС от номинальных для построения нового класса ВИЗУАЛЬНЫХ моделей оценки риска катастроф ВС. Для этого найдем связь приемлемых рисков катастроф и величины С при касании поверхностей равных вероятностей отклонений фактических положений ВС от номинальных для типовых относительных движений ВС.
Об уровне безопасности для пары ВС можно судить визуально, наблюдая либо процесс движения меток ВС на ИВО и сравнивая расстояние между метками с соответствующими минимумами радиолокационного эшелонирования, либо наблюдая процесс движения аппроксимирующих поверхностей равных вероятностей С отклонений фактических положений ВС от номинальных (наблюдаемых). При этом, для любого типа относительного движения, заданных дисперсий отклонений фактических положений ВС от номинального, относительных скоростей отклонений, размеров ВС и времени, в течении которого осуществляется относительное движение, всегда можно найти такой уровень С аппроксимирующих поверхностей равных вероятностей, при котором, если поверхности не касаются и не пересекаются, то риск катастроф для данной пары ВС меньше приемлемого, при касании поверхностей риск равен приемлемому значению, а при пересечении он больше приемлемого значения. На рис. 3.6 изображены положения аппроксимирующих поверхностей равных вероятностей С в момент, когда ВСІ и ВС2 осуществляют безопасное движение (риск катастроф для данной пары ВС меньше приемлемого).
Выбор средств разработки
Рассмотрим принципиальные требования к средствам разработки для создаваемого ИПК ВРК с точки зрения заявленных выше условий его эксплуатации.
1. Главным принципом построения иерархической структуры графоаналитической модели стал принцип организации скоростных и совместимых интерфейсов между всеми ее составляющими на базе технологий Microsoft. Этот основной принцип должен обеспечить стабильную и отлаженную работу всех частей приложения на платформе Windows, которая де-факто является лидером на рынке подобного рода систем. 2. Во вторых, две внутренние части ядра структуры, графическая и аналитическая модели, чтобы достичь необходимой производительности, работая совместно, должны иметь раздельный доступ к вычислительным ресурсам компьютера. Чтобы избежать совместной нагрузки этих ресурсоемких модулей на центральный процессор, потребуем, чтобы графическая модель могла часть своих вычислений и специальных функций переложить на процессоры графической карты [45].
3. В третьих, потребуем, чтобы аналитическая модель в силу своей насыщенности «тяжелыми» интегральными формулами и циклами имела возможность использовать внутренний высокопроизводительный математический аппарат для своих вычислений.
4. По возможности отработаем отдельные части графоаналитической модели на быстро создаваемом прототипе. Потребуем, чтобы такой прототип имел возможность перестройки в более производительную систему эволюционным образом с минимальными дополнительными затратами времени разработчика, без необходимости внесения крупных структурных изменений в отлаженный процесс. Это особенно важно на этапе программирования, так значительные изменения или коренная перестройка системы почти всегда порождают новые ошибки, что увеличивает время разработки.
Исходя из сформулированных требований, была предложена обобщенная структурная схема реализации графоаналитической модели, представленная на рис. 4.1. Каждому элементу структурной схемы было поставлено в соответствие свое программное или технологическое средство.
Как видно из рис. 4.1, разработанная в Главе 3 графоаналитическая модель визуализации приемлемых рисков катастроф ВС была реализована с использованием следующих программных средств: - системы математических расчетов MATLAB; - графической библиотеки DirectX; - программной оболочки Microsoft Visual C++, и интегрирована в структуру системы полунатурного моделирования управляемой динамической воздушной обстановки «Профи-200».
Исходя из сформулированных выше требований к системе, подробно обоснуем преимущества выбранных средств разработки и интеграции.
MATLAB - мощная система автоматизированного проектирования (САПР) для моделирования процессов, выполнения математических расчетов, обработки данных и визуализации результатов [46]. (см. рис. 4.2).
MATLAB позволяет очень быстро приступить к работе над проектом, создать прототип будущей системы из множества библиотечных компонентов. Это ускоряет исследования, сокращает время, используемое для анализа и разработки, уменьшает стоимость проектов и нахождения эффективных решений. MATLAB позволяет быстро проверить и сравнить множество альтернативных вариантов проекта на каждом шаге и продолжить работу с одним из них, оставляя возможность вернуться на любой уровень проекта [47].
Рассмотрим более подробно те из функций системы MATLAB, которые оказались особенно важными для задач настоящего исследования и получения прототипа графоаналитической модели визуализации приемлемых рисков катастроф воздушных судов.
Быстрые и точные численные алгоритмы MATLAB удовлетворяют требованиям к разрабатываемой графоаналитической модели [48] и обеспечивают возможности визуального моделирования [49];
Встроенные средства трехмерной графики позволяют отображать и анализировать различные данные (см. рис. 4.3) Графические возможности включают инструментальные средства Simulink Virtual Reality Toolbox [50, 51]. Использование моделирующего языка виртуальной реальности {VRML) [52] позволяет быстро построить интерактивную трехмерную модель и подключить к ней математические блоки и элементы управления. Так был построен прототип графоаналитической модели управления безопасностью полетов для пары ВС (см. рис. 4.4);
Значительно повышает скорость работы конечной графоаналитической модели технология взаимодействия с л#ш-приложениями. Данная технология позволяет внешним приложениям и программам С и C++ работать с системой MATLAB, используя её в качестве сервера. При этом все сложные математические расчеты осуществляются с помощью оптимизированного аппарата MATLAB в режиме реального времени. Такая возможность позволила использовать преимущества предварительно откомпилированного кода для увеличения производительности математической модели и повышения скорости
