Введение к работе
Актуальность исследования. Целостность определяется в общей теории систем как способность выполнять заданные функции при изменениях состояния окружающей среды, а также внутренних элементов и связей Теория систем навигации и управления воздушным движением (УВД) уточняет общее определение акцентом на способности информировать персонал об отклонениях от нормы Ниже во главу угла ставится способность минимизировать время обработки сообщений по УВД и вероятность их потери
Действующая схема сбора и обработки планов полетов (флайт-планов -ФПЛ) и сообщений по их обновлению характеризуется рядом недостатков Эксплуатант подает план полета в аэродромный диспетчерский пункт (АДП) и определяет адреса рассылки в органы обслуживания воздушного движения (ОВД) по маршруту АДП нужна полная информация об аэронавигационной инфраструктуре на всю глубину полета, что практически невозможно Доля иностранных рейсов без отправления ФПЛ в единую систему (ЕС) организации воздушного движения (ОрВД) России достигает 30%
После подачи ФПЛ в АДП командир воздушного судна (ВС) производит вылет даже в том случае, если ФПЛ составлен с ошибками, не дошел до нужных адресатов, не учитывает текущую обстановку Возникающие проблемы решаются органами ОВД уже во время полета В целях совершенствования ОрВД в России разработана концепция централизованной службы планов полетов (ЦСПП), в основе которой лежит опыт Западной Европы и США Считается, что централизация создает следующие преимущества
своевременное получение всеми заинтересованными службами сообщений о движении ВС для планирования и контроля ИВП,
соблюдение разрешительного порядка ИВП РФ, при котором полеты выполняются только при наличии подтверждения контролирующих органов,
повышение качества, целостности и непротиворечивости сообщений, поступающих в органы управления воздушным движением (УВД),
создание основы для оптимизации сводного плана ИВП в результате сосредоточения всей необходимой информации о движении ВС в ЦСПП,
предоставление авиакомпаниям и АДП данных об условиях выполнения полетов и снятие с них задачи рассылки сообщений о движении ВС
Реализация концепции ЦСПП выдвигает следующие проблемы
-
Концентрация функций обработки планов делает всю систему ОрВД зависимой от работоспособности центра
-
Централизация в масштабах страны увеличивает нагрузку на средства связи Требует своего решения вопрос о пропускной способности центра
Возникает актуальная научная задача разработки методов поддержания целостности обмена сообщениями в ЦСПП Для ее решения необходимы
анализ структуры потока сообщений, поступающих в ЦСПП,
разработка метода исследования характеристик процесса обработки, определение их зависимости от параметров системы и оценка достоверности,
оптимизация параметров обслуживания сообщений по УВД в ЦСПП
Цели и задачи исследования. Основная цель работы - создать, исследовать и обосновать методы поддержания целостности обмена сообщениями в ЦСПП, позволяющие обеспечить заданный уровень вероятности потери сообщения при ограничениях на длительность ожидания обработки с учетом норм загрузки взаимодействующих диспетчерских центров
Для достижения главной цели необходимо
разработать модель обслуживания сообщений с приоритетами,
получить на ее основе расчетные формулы для вероятностей потери сообщений при различных дисциплинах приоритетной организации очереди,
получить расчетные формулы для оценки времени ожидания,
исследовать модель и обосновать методом статистических испытаний ее достоверность в широком диапазоне изменения параметров,
разработать технологическую схему определения количества мест для ожидания, гарантирующую удовлетворение заданных требований по вероятностям потери и директивным срокам обработки сообщений
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является взаимодействующая с ЦСПП автоматизированная система (АС) УВД, в программном обеспечении которой предусмотрен комплекс программ обработки плановой информации этапа УВД, а в базе данных содержатся обновляемые в реальном масштабе времени сведения о текущем плане ИВП, о состоянии атмосферы и технических средств системы
Предмет исследования - компьютерная поддержка деятельности руководителя полетов и диспетчеров оперативного планирования и регулирования потоков ВС, связанной с анализом поступающих сообщений по УВД
Основные положения, выносимые на защиту:
модели сбора и обработки заявок на полеты с учетом приоритетности,
формулы расчета вероятностей потерь заявок с учетом приоритетов,
формулы для расчета времени ожидания обработки заявок,
статистическая проверка гипотез, положенных в основу моделей,
методика расчета параметров системы, гарантирующая поддержание заданных вероятностей потери и времени ожидания обслуживания заявок
Методологическая и теоретическая основа исследования. Методологическую основу исследования составляют регламентирующие документы гражданской авиации (ГА), определяющие правила производства полетов, направление развития и модернизации существующей Единой системы (ЕС) ОрВД России, принципы взаимодействия служб УВД страны, а также рекомендации международной организации ГА (ИКАО) и органов Евроконтроля Теоретическую основу составляют труды специалистов научных и учебных центров ГА России (ГосНИИ «Аэронавигация», ГосНИИ ГА, МГТУ ГА, МАИ и других) и ведущих зарубежных ученых в области ОрВД
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы общей теории систем, теории АСУ и систем ОрВД, системного анализа, математической статистики, теории массового обслуживания, исследования операций, теории графов, статистического моделирования
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые
предложен подход к приоритетным системам сбора и обработки сообщений по УВД, отличающийся тем, что учитываются физические ограничения, позволяющие избежать ветвления графа переходов и состояний системы и представить ее модель простой композицией марковских цепей,
дано аналитическое решение задачи расчета параметров системы с приоритетами, отличающееся тем, что время ожидания обработки и вероятность потери сообщений по УВД вычисляются за один шаг, без итеративных процедур нахождения показателей последующих состояний из предыдущих,
получены формулы для расчета характеристик обслуживания заявок всех входящих потоков разных приоритетов, отличающиеся тем, что основаны на выдвинутой в работе гипотезе равновесного состояния, и с помощью метода статистического моделирования подтверждена их достоверность,
выделены области конкретных соотношений параметров АС УВД, в которых, при ограничениях на структуру потоков ВС и дисциплину распараллеливания заявок на компьютерной сети, становится предпочтительным применение общего буферного накопителя либо его раздельных секций,
разработана методика назначения приоритетов обслуживания для достижения установленных техническим заданием значений вероятностей потери сообщений и директивных сроков их обработки в АС УВД
Практическая значимость работы состоит в том, что ее результаты
позволяют поднять показатели эффективности ОрВД России и привлечь дополнительный поток ВС иностранных авиакомпаний через ее ВП,
как следствие, дают возможность обеспечить финансирование современных средств радионавигации, наблюдения и связи;
улучшают реализацию разрешительного порядка ИВП РФ,
повышают качество, целостность и непротиворечивость плановой информации, снижают нагрузку органов ОВД по обработке телеграмм,
научно обосновывают высокие требования к будущим АС УВД
Полученные результаты могут использоваться не только на этапе УВД,
но и на предварительных стадиях планирования потоков ВС Они применимы также для решения задач поддержания целостности систем ОрВД и для распределения каналов связи между абонентами в условиях перегрузки
Апробация результатов исследования. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях в МГТУ ГА (2006, 2008), МАИ (2005, 2006, 2007), в Егорьевском авиационно-техническом колледже (Чкаловские чтения, 2004), в Московском институте электронной техники (2005), в МГТУ «Станкин» (2006) По теме диссертации опубликованы 12 научных работ, среди которых статья в журнале «Известия Академии наук Теория и системы управления» (2007) и ее английская версия в «Journal of Computer and Systems Sciences International», 4 статьи в «Научном вестнике МГТУ ГА» (2005 - 2008), включенном Президиумом ВАК в перечень научных изданий, в которых разрешено опубликование материалов докторских диссертаций, а также тезисы докладов между-
народных конференций (2004 - 2008) и статьи в других научных изданиях
Структура диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы Общий объем диссертации составляет 129 страниц и включает 23 рисунков и 8 таблиц Список литературы содержит 96 наименований
