Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ предметной области и постановка задач исследования 13
1.1. Анализ существующей системы планирования использования воздушного пространства (ПИВП) 13
1.1.1 Краткая характеристика существующей системы ПИВП 13
1.1.2 Организационная структура органов планирования единой системы организации воздушного движения (ЕС ОрВД) Российской Федерации 17
1.1.3 Нормативное правовое обеспечение 22
1.2. Автоматизированные функции централизованной службы организации потоков воздушного движения (ОПВД) 23
1.3. Анализ процесса обработки плановой информации в системах планирования и организации ВД 29
1.3.1 Исходные данные систем планирования и организации вд 31
1.3.2 Основные задачи, решаемые программным обеспечением систем планирования и организации ВД 40
1.4. Аппаратно-программный комплекс автоматизированной системы планирования воздушного движения 47
1.4.1 Структура аппаратно-программного комплекса 47
1.4.2 Программная составляющая АПК 49
1.5. Постановка цели и задач исследования 56
2. Методика расчета пространственно-временной траектории воздушного судна 59
2.1. Модель представления маршрута полета воздушного судна 59
2.2. Этапы расчета 40-траектории 64
2.3. Расчет точек пересечения с зонами ВП
2.3.1. Расчет точек пересечений маршрута с границей зоны 72
2.3.2. Расчет точек пересечений при изменении высоты полета 76
2.3.3. Ускорение расчета точек пересечений с зонами ВП 78
2.4. Расчет профиля полета 80
2.5. Корректировка маршрута с учетом участков руления, разбега, посадки и пробега 89
2.6. Расчет участков маршрута и корректировок 94
2.6.1. Расчет участков по штилю з
2.6.2. Корректировка с учетом разворота над поворотными точками маршрута 96
2.6.3. Расчет корректировок по метеоусловиям 98
2.7. Анализ плана полета на соответствие правилам ИВП 104
Выводы 107
3. Методика поиска потенциальных конфликтных ситуаций (ПКС) на этапах планирования ИВП 109
3.1. Нормы эшелонирования 111
3.2. Типы ПКС и данные списков входов 116
3.3. Алгоритм анализа списка входа 121
3.4. Поиск ПКС при пролете ВС через общую точку ВП 124
3.5. Поиск ПКС при пролете ВС по одному участку 125
3.6. Поиск ПКС при пролете ВС по пересекающимся участкам 136
3.7. Исследование методики расчета ПКС 137
Выводы 142
4. Методика построения множества альтернативных маршрутов полета ВС по сети авиационных трасс 143
4.1. Представление исходных данных 147
4.2. Описание методики построения множества альтернативных маршрутов полета ВС по сети авиационных трасс 152
4.3. Определение начального ограничения на максимальную длину маршрута 167
4.4. Сравнение разработанной методики с известными аналогами 169
Выводы 172
Заключение 173
Список литературы 175
- Организационная структура органов планирования единой системы организации воздушного движения (ЕС ОрВД) Российской Федерации
- Расчет точек пересечения с зонами ВП
- Поиск ПКС при пролете ВС через общую точку ВП
- Определение начального ограничения на максимальную длину маршрута
Организационная структура органов планирования единой системы организации воздушного движения (ЕС ОрВД) Российской Федерации
Планирование использования воздушного пространства (ПИВП) представляет собой деятельность, связанную с распределением воздушного пространства (ВП) по месту, времени и высоте между различными его пользователями с целью обеспечения безопасного и эффективного совместного использования воздушного пространства (ИВП) при осуществлении ими заявленной деятельности [3].
Организация потоков воздушного движения (ОПВД) является составной частью планирования ИВП и имеет основной целью предотвращение перегрузок органов (диспетчерских пунктов), осуществляющих непосредственное управление воздушным движением (УВД) или обслуживание воздушного движения (ОВД), выполняемыми полетами и другими видами деятельности по ИВП [7].
Основным инструментом для распределения воздушного пространства по времени, месту и высоте между всеми пользователями воздушного пространства и предотвращения перегрузок и конфликтных ситуаций на воздушных трассах (ВТ) является планирование полетов. В его основе лежат поданные пользователями заявки на использование воздушного пространства. Заявки могут содержать либо планы полетов воздушных судов (ВС), в которых содержатся необходимые параметры полёта и, прежде всего, его маршрут, либо информацию о стрельбах, пусках ракет, запусках шаров-зондов и других мероприятиях, которые могут потребовать введения ограничений ИВП.
Пользователи ВП делятся на следующие категории: Гражданская авиация (ГА): авиакомпании, частные лица и организации, владеющие собственными воздушными судами; Государственная авиация: министерство обороны (МО), министерство внутренних дел (МВД), министерство чрезвычайных ситуаций (МЧС), федеральная служба безопасности (ФСБ), Российская оборонная спортивно-техническая организация (РОСТО) и др.; Экспериментальная авиация: конструкторские бюро, авиапредприятия. В зависимости от количества времени до даты выполнения полета, согласно [3] планирование делится на предварительное, суточное и текущее.
Этап предварительного планирования начинается за несколько месяцев (как правило, до 1-го года) до дня выполнения полетов. На этом этапе создается расписание регулярных полётов гражданской авиации. Для его составления проводится анализ пассажиропотоков на различных маршрутах в различных сезонах (лето, зима) и на его основе авиаперевозчики планируют свои рейсы (повторяющиеся планы полетов). При этом учитывается множество интересов, начиная с пассажира и заканчивая службами аэропортов.
Уже на этом этапе можно иметь достаточно полную картину загрузки воздушного пространства. Координацией планов занимаются главный центр (ГЦ) и зональные центры (ЗЦ) (создаваемые укрупнённые центры (УЦ)) единой системы организации воздушного движения (ЕС ОрВД). В их задачи входит сглаживание пиков интенсивности движения на аэродромах вылета и посадки, трассах и их пересечениях путем корректировки поданных планов полетов (изменение планового времени вылета, маршрута полета, профиля полета, скоростного режима на отдельных участках и т.д.) и согласования разработанных изменений с пользователями ВП. Анализируя заявки авиакомпаний на интересующие направления (маршруты), органы планирования ЕС ОрВД планируют новые воздушные трассы, использование которых позволит снизить расходы авиакомпаний и увеличить безопасность полетов.
Суточное планирование осуществляется накануне дня использования воздушного пространства. В процессе суточного планирования проводятся предварительные расчёты потенциальных конфликтных ситуаций (ПКС), а также формируется дополнительная информация о режимах и ограничениях на воздушных трассах и аэродромах, связанная с использованием ВП различными категориями пользователей.
На основе утвержденных зональным центром суточных планов формируются сводные суточные планы полётов гражданской, государственной, экспериментальной авиации и ИВП другими пользователями, которые регламентируют работу служб аэропортов гражданской авиации, аэродромов государственной авиации, командных пунктов (КП) и пунктов управления (ПУ) других пользователей ВП на день полетов.
Так, диспетчер аэродромного диспетчерского пункта (АДП) просматривает утвержденный в ЗЦ суточный план на предмет оценки предстоящей загрузки аэродрома и наличия несовпадений с разработанным им ранее суточным планом по вылетающим из аэродрома ВС. Уточняет наличие ограничений использования ВП, затрагивающих трассовые полеты по вылетающим из аэродрома ВС на предстоящие сутки. При необходимости проводит согласования с ЗЦ и вносит необходимые уточнения в суточный план полетов или запрашивает получение корректирующих плановых сообщений из ЗЦ. С наступлением новых суток суточный план переходит в текущий. С этого времени информация о состоянии ВС уточняется на каждом этапе полета.
Расчет точек пересечения с зонами ВП
Так, например, АРМ планирования для верхнего воздушного пространства обрабатывает только планы полетов, осуществляемые выше определенной высоты полета, в то время как АРМ планирования для внетрассового воздушного пространства, обрабатывает планы полетов, осуществляемые ниже указанной высоты полета. С другой стороны, оба этих АРМа предоставляют диспетчеру возможность просмотра данных о структуре воздушного пространства в табличном и в графическом виде, но запрещают ее редактирование, так как данная задача выполняется на автоматизированном рабочем месте обработки аэронавигационной информации и ограничений использования воздушного пространства.
Учитывая указанные особенности СПО систем планирования, при разработке АПК для ОАО «НТЦ Промтехаэро» было принято решение строить архитектуру СПО по модульному принципу, таким образом, чтобы в зависимости от заданных настроек, разработанное СПО выполняло функции любого автоматизированного рабочего места.
Таким образом, разработанное программное обеспечение представляет из себя набор совместимых модулей, осуществляющих обработку данных и взаимодействие с диспетчером.
Необходимо отметить, что при разработке программного обеспечения было решено воспользоваться концепцией «толстого клиента», при которой БД выступает только в качестве средства хранения исходных данных. Все функции по обработке данных выполняются автоматизированными рабочими местами.
Такой подход предоставляет следующие преимущества: Простота доработки программного обеспечения при появлении новых требований, так как в большинстве случаев не потребуется вмешательство в работу БД; Простота подключения новых источников данных. Так как все основные исходные данные имеют собственный внутренний формат представления, доступный для использования всем модулям системы, для подключения нового источника данных достаточно лишь создается новый парсер, который будет разбирать данные поступающие в новом формате, и создавать объекты во внутреннем формате системы;
Простота отладки новых функций программного обеспечения, так как снижается вероятность повреждения исходных данных в БД.
Процесс создания конкретного автоматизированного рабочего места заключается в выборе необходимых модулей, соответствующих требованиям к функционалу АРМа, и настройка их под конкретные условия установки.
В целом, архитектуру разработанного СПО можно разделить на ядро системы (включает в себя основные модули, реализующие наиболее важные и базовые функции обработки плановых данных), и дополнительные модули, расширяющие функциональность АРМов в соответствии с требованиями заказчиков.
В состав основных модулей разработанного программного обеспечения входят:
Модуль описания основных исходных данных (аэронавигационная информация, ограничения ИВП, регламенты работы элементов ВП, сообщения с заявками на ИВП, планы полетов ВС и их пространственно-временные траектории движения, типы ВС и их летно-технические характеристики, данные об адресах АФТН, данные об авиакомпаниях, профили пользователей (определяют возможности по доступу к данным и их редактированию) и т.д.);
Модуль взаимодействия с БД - осуществляет загрузку исходных данных из таблиц БД, проверку наличия изменений к загруженным ранее данным, сохранение внесенных изменений обратно в БД;
Модуль обработки сообщений - выполняет лексический разбор формализованных сообщений и определяет порядок их обработки;
Модуль обработки планов полетов ВС - выполняет расчет параметров плана полета, в том числе пространственно-временных траекторий для указанных в плане маршрутов. В составе данного модуля была реализована предложенная методика расчета пространственно-временной траектории движения ВС;
Модуль анализа планов полетов - в составе данного модуля реализуются функции анализа планов полетов на соблюдение правил использования воздушного пространства.
Модуль обработки ограничений ИВП - предоставляет необходимые функции по работе с ограничениями ИВП, например, позволяет запросить список ограничений, действующих в заданный период времени, проверить распространяется ли ограничение на указанные элемент ВП в указанный диапазон времени (когда через данный элемент проходит воздушное судно) и т.д.; Модуль расчет потенциальных конфликтных ситуаций - в данном модуле реализована предложенная методика расчета потенциальных конфликтных ситуаций между воздушными судами;
Модуль расчета маршрута полета между заданными точками воздушного пространства. Этот модуль включен в состав основных модулей, так как решаемая им задача встречается на всех этапах планирования. Например, рассчитать альтернативные маршруты может потребоваться при оформлении отказа в приеме заявки на использование воздушного пространства (в сообщении REJ указывается причина отказа в приеме заявки и могут указываться предложения по изменению плана). Наиболее часто альтернативные маршруты рассчитываются при необходимости разработки регулирующих мер организации потоков воздушного движения. Разработанная методика расчета множества альтернативных маршрутов полета по сети авиационных трасс была реализована в данном модуле. Модуль основных вспомогательных функций - содержит классы, реализующие сервисные функции, например: о проекции для перехода между географическими и декартовыми координатами; о «логеры» действий пользователей и событий системы; о классы выполняющие расчеты геометрических операций и т.п.;
Таким образом, в состав ядра СПО входят классы, реализующий базовый функционал, необходимый для работы практически любого АРМа.
В состав дополнительных модулей входят классы, реализующие обработку дополнительных исходных данных, а также решение специализированных прикладных задач планирования и организации воздушного движения.
Поиск ПКС при пролете ВС через общую точку ВП
При расчете 4В-траектории полета расчет метео-корректировок по данным «ГРИБ» является одним из наиболее затратных этапов. Для ускорения и упрощения расчетов значения метео-корректировок для участков известных маршрутов (трасс) рассчитываются заранее и хэшируются в оперативной памяти. При запросе к этим данным указываются: идентификатор участка, эшелон полета, время входа на участок и направление полета по участку. Анализ плана полета на соответствие правилам ИВП Одной из ключевых функций любой системы планирования является контроль за соблюдением действующих правил использования воздушного пространства (ИВП). Для этого, при обработке новой заявки, или при обновлении ранее поданного плана полета, производится ряд проверок «общих» данных и данных о маршруте полета ВС. Точный состав проверок отличается в зависимости от уровня системы планирования (положения центра планирования в иерархии ЕС ОрВД). Рассмотрим наиболее существенные проверки, выполняемые в системах планирования главного и зональных центров ЕС ОрВД. Проверка авиакомпании/эксплуатанта При поступлении заявки на ИВП проверяется задолженность указанной авиакомпании за аэронавигационное обслуживание. В случае если авиакомпания-должник подает заявку на новый план полетов, в обработке данной заявки отказывается до ликвидации задолженности. Если же в сообщении указываются изменения к ранее принятому плану, то сообщение обрабатывается в обычном режиме.
Возможность использования основных аэродромов взлета/посадки, а также запасных аэродромов определяется проверкой наличия на них рабочей взлетно-посадочной полосы, способной принять указанный тип ВС. Если по типу ВС не удается определить возможность использования ВПП, оценку производят исходя из характеристик «категории» к которой относится данный тип ВС. Проверки осуществляются по следующим показателям: длина ВПП, тоннаж (вес) ВС. Данные о режиме действия ВПП передаются с помощью сообщений «РЖМ» и «НОТАМ». Причиной закрытия ВПП могут быть проведение ремонтных работ или плохие метео-условия.
Для этого анализируются рассчитанные ранее токи входа/выхода для того что бы получить интервалы нахождения ВС в каждой зоне ВП. Далее эти интервалы проверяются на пересечение с действующим режимом работы зоны, а так же дополнительными ограничениями - временными изменениями режимов работы элементов ВП доведенными посредством сообщений «РЖМ», «НОТАМ», и других. В случае нахождения пересечения фиксируется потенциальная конфликтная ситуация между ВС и зоной ограничения ИВП.
Скорости в начальной и конечной точках участка/сегмента сравнивается с данными летно-технических характеристик типа ВС, а так же при наличии в связанных элементах ВП участка СИДа или СТАРа проверяется соблюдение установленных на данном участке ограничений по скорости полета. Также в аэродромных зонах может быть установлены особые ограничения на скорость полета ВС для обеспечения безопасных интервалов продольного и бокового эшелонирования.
Высоты в начальной и конечной точках участка/сегмента сравнивается с данными летно-технических характеристик (ЛТХ) типа ВС, а так же при наличии в связанных элементах ВП участка трассы, СИДа или СТАРа, проверяется соблюдение установленных на данном участке ограничений по высоте и направлению полета. Так же проверяется скорость полета ВС, так как в соответствии с [3], воздушное судно, летящее со скоростью больше скорости звука, должно лететь на высоте не меньше 11000 метров.
В рамках главы была разработана методика построения пространственно-временной траектории движения ВС (40-траектории) соответствующая современным требованиям к точности расчетов (в соответствии с концепцией «Gateo-Gate»). В рамках методики:
Определение начального ограничения на максимальную длину маршрута
Как видно, время обработки одного нового плана полета так же является не существенным (меньше 10 миллисекунд). Однако на обработку всех маршрутов полета требуется в несколько раз больше времени. Это связано с используемым в методике принципом проверки всех маршрутов полета: для проверки всех маршрутов сначала производится очистка имеющихся данных (в гистограммах загрузок), после чего выполняется последовательное добавление планов и их проверка на ПКС.
Оценка используемых ресурсов для реализации методики расчета ПКС Предыдущие эксперименты показали эффективность методики с точки зрения использования процессорного времени как при первоначальном запуске системы, так и при ее дальнейшей работе.
Что касается требуемых ресурсов оперативной памяти, то для работы методики требуется около 1 Мбайт-а оперативной памяти на 1 тыс. планов полетов. Данный результат был получен статистически, замером объема ОП выделяемого для обработки 30 тыс. тестовых планов полетов.
Разработанная в рамках главы методика, позволяет существенно сократить количество проверяемых пар ВС при расчете ПКС на этапах планирования ИВП, благодаря использованию списков входа в элементы воздушного пространства. При анализе пары ВС, кроме упрощенных критериев методика так же учитывает действующие для данной пары ВС нормы эшелонирования, установленные ФП ИВП.
Разработанная методика позволяет выполнение параллельной обработки списков входа, что значительно увеличивает скорость проверки всех имеющихся маршрутов на наличие ПКС при первоначальной загрузке специального ПО.
Проведенные в процессе разработки ПО испытания на реальных плановых данных подтвердили высокое быстродействие предложенной методики, что позволяет использовать ее на всех этапах планирования и организации ВД.
Меры ОПВД делятся на информирующие и регулирующие (глава 1, раздел 1.2). Реализация информирующих мер ОПВД сводится к анализу загрузки элементов ВП (в первую очередь секторов УВД и РЦ). В случае выявления перегрузки или приближения загрузки к максимальной норме пропускной способности элемента ВП, подготавливаются и рассылаются отчеты о выявленных проблемах. Таким образом, реализация информирующих мер не требует решения сложных алгоритмических задач и не рассматривается в данной диссертационной работе.
Метод изменения конфигурации секторов предполагает решение сложной комбинаторной задачи и используется для проведения статистических исследований в результате которых разрабатываются несколько стандартных схем конфигураций секторов и расписание их применения (в дневное или ночное время, в будни или выходные, по праздничным дням и т.д.).
Метод назначения слотов для вылета, посадки или пролета отдельных элементов ВП (точек, секторов) широко применяется при непосредственном УВД. Данный метод хорошо исследован, однако его применение целесообразно только когда доступна актуальная информация о ходе выполнения полетов (при непосредственном УВД, либо при тактическом планировании в день выполнения полетов).
Метод изменение профиля полета наиболее эффективен при изменении пространственно-временной траектории ВС на этапах набора высоты после взлета и снижения для захода на посадку.
Таким образом, из 4х регулирующих мер ОПВД в диссертационной работе разрабатывается лишь методика для поиска множества альтернативных маршрутов полета.
Задача построения маршрута полета ВС между заданными точками ВП является одной из основных и сложнейших задач в рамках ПО систем планирования и организации ВД. Потребность в решении данной задачи возникает на всех этапах обработки плана полета.
Например, при приеме заявки на ИВП в ЦСОПП выполняется контроль указанного пользователем маршрута, и в случае если он нарушает правила ИВП, или затрагивает элемент ВП на который распространяется действие ограничений ИВП, заявка должна быть отвергнута. В дальнейшем, пользователь должен разработать новый маршрут полета и заново подать заявку на ИВП. Современные требования к системам планирования в данной ситуации рекомендуют в сообщении REJ (посылается подателю заявки как уведомление об отказе приема к обработке) добавлять один или несколько вариантов альтернативных маршрутов, соответствующих требованиям и ограничениям.
В системах ОПВД потребность в разработке альтернативных маршрутов ВС возникает на всех этапах планирования - стратегическом, предтактическом и тактическом. Причинами необходимости изменения маршрута в данном случае могут быть:
Необходимость изменения маршрута для обхода зон опасных метеоявлений (актуально для тактического и предтактического этапов планирования);
При выборе из множества альтернативных маршрутов, в качестве критериев оптимальности, чаще всего используют общую протяженность маршрута и общее полетное время. Если общая протяженность маршрута зависит только от длины входящих в него участков, то на общее полетное время большое влияние оказывают погодные условия, а точнее скорость и направление ветра на участках маршрута.
Так же, в качестве критериев могут рассматриваться расход топлива и стоимость рейса. Расход топлива зависит в основном от скорости и высоты полета. В остальном же он будет соответствовать полетному времени. Под стоимостью рейса понимаются суммарные затраты на выполнение полета, включающие стоимость топлива и сборы за аэронавигационное обслуживание.
Сеть авиационных трасс легко представляется в виде графа, вершинами которого являются точки ВП (аэродромы и точки воздушных трасс), а ребрами -соединяющие их участки трасс, СИДов, СТАРов. Учитывая, что полеты по некоторым участкам разрешены только в одном направлении, граф сети авиационных трасс является частично ориентированным [35].
Задача построения базового 20-маршрута ВС хорошо решается с помощью методов теории графов. Часто при этом используется алгоритм "Дейкстры" [58], позволяющий найти кратчайший путь между двумя узлами графа при минимальной вычислительной сложности.
