автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка аппаратно-программного комплекса планирования и управления пространственным движением объектов

На правах рукописи

ТИМОФЕЕВ Семен Юрьевич

РАЗРАБОТКА АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ПЛАНИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫМ ДВИЖЕНИЕМ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в промышленности)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 0 Ш\ 2014

Тверь

2014

005556873

005556873

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тверской государственный технический университет»

Научный руководитель:

Лебедев Владимир Владимирович, кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры «Электронные вычислительные машины» Тверского государственного технического университета.

Официальные оппоненты:

Сутырин Владимир Валерьевич, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, ведущий научный сотрудник 12 отдела 1 научно-исследовательского управления Научно-исследовательского центра (г. Тверь) Центрального научно-исследовательского института Войск воздушно-космической обороны Министерства обороны Российской Федерации, г. Тверь.

Карев Вадим Васильевич, кандидат технических наук, доцент ведущий инженер бюро научно-производственного центра (НПЦ) опытно-конструкторского бюро (ОКБ) открытого акционерного общества (ОАО) «Научно-производственное объединение (НПО) «Лианозовский электромеханический завод (ЛЭМЗ)»,

г. Москва.

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество «Специальное проектно-конструкторское бюро средств управления», г. Тверь.

Защита состоится « 30 » декабря 2014 г. в 12-00 на заседании диссертационного совета Д 212.262.04 в Тверском государственном техническом университете по адресу: 170026, г. Тверь, наб. Аф. Никитина, 22.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тверского государственного технического университета по адресу: 170024, г. Тверь, пр, Ленина, 25, зональная научная библиотека.

Автореферат размещен на сайте ТвГТУ по адресу: http://www .tstu.tver.ru/

Автореферат разослан ноября 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.262.04

д.ф.-м.н., профессор

Дзюба С.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время развитие аппаратно-программных комплексов планирования и организации пространственного движения объектов переживает период интенсивного технического обновления на основе новых информационных технологий.

Аппаратно-программные комплексы изготавливаются на предприятиях выпускающих аэронавигационные системы. Одним из таких предприятий является ОАО "Научно-технический центр промышленных технологий и аэронавигационных систем" (ОАО «НТЦ Промтеаэро»), входящее в состав концерна ОАО "Концерн ПВО "Алмаз-Антей"", который формирует стратегии научно-технического и технологического развития разрабатывающих и производственных предприятий, определяет перспективные направления разработок. Работа выполнена по заказу и ее результаты внедрены в ОАО «НТЦ Промтеаэро» в составе специализированного программного обеспечения разрабатываемых предприятием программно-аппаратных комплексов.

Необходимость разработки новых и обновления существующих систем планирования объясняется следующими обстоятельствами: во первых, в большинстве регионов страны объемы внутренних воздушных перевозок и интенсивность воздушного движения ежегодно возрастает, во вторых, интеграция РФ в мировую систему воздушного транспорта требует повышения уровня аэронавигационного обслуживания и безопасности полетов, приведения их в соответствие с международными требованиями.

Все это невозможно без модернизации и коренного обновления технических и программных средств аэронавигации, совершенствования методического аппарата автоматизированной системы планирования и управления воздушным движением, позволяющего сохранить уровень нагрузки на диспетчеров непосредственного управления ИБП на приемлемо допустимом уровне.

Для этого, распоряжением Правительства РФ в настоящее время выполняется федеральная целевая программа «Модернизация единой системы организации воздушного движения (ОрВД) РФ на 2009 - 2015 годы» в рамках которой, центры планирования оснащаются новыми аппаратно-программными комплексами автоматизации процессов планирования использования воздушного пространства (ИБП) и организации потоков воздушного движения (ОПВД).

Исследования задач, решаемых такими комплексами, отражены в работах Анодина Т.Г., Кузнецов A.A., Маркович Е.Д., П.Е. Черникова, Кан A.B. и др. Следует отметить особый вклад в решение этих задач JI.E. Рудельсона. В работах указанных авторов большое внимание уделяется вопросу использования системного подхода при решении задач синтеза и анализа систем планирования и управления воздушным движением. Однако, разработанные ими алгоритмы и методики разрабатывались для использования при УВД или при тактическом планировании в Районных центрах ЕС ОрВД, отвечающих за «небольшую» территорию и обрабатывающих не большое количество планов.

Таким образом, совершенствование методов и алгоритмов обработки информации в системах планирования и организации воздушного движения, позволяющих повысить уровень автоматизированной поддержки диспетчерского

персонала на этапах планирования, является актуальной научной и практической задачей.

Объектом исследования является разработка аппаратно-программного комплекса планирования и управления пространственным движением объектов.

Предметом исследования являются методы и алгоритмы решения задач обработки плановой информации для анализа воздушной обстановки и выработки мер организации пространственным движением объектов.

Целью исследования является повышение качества подготовки уровня автоматизации процесса, планирования воздушного движения на основе применения разработанных методик анализа.

Научной задачей, решаемой в диссертационной работе, является разработка методик обработки и анализа плановой информации, решающих задачи, возникающие на различных этапах планирования.

Для достижения цели диссертационной работы необходимо решение следующих задач:

• выполнить анализ основных задач, выполняемых автоматизированными системами планирования пространственным движением объектов;

• разработать методику расчета пространственно-временной траектории движения ВС в соответствии с современной концепцией «ОаСе-То-ОаСе»;

• разработать методику расчета потенциальных конфликтных ситуаций между ВС, подходящую для использования на этапах планирования воздушного движения;

• разработать методику построения множества альтернативных маршрутов полета по сети авиационных трасс с учетом установленных ограничений;

• разработать программное обеспечения, реализующего предлагаемые методики, для оценки их эффективности.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы системного анализа, имитационного моделирования, математического анализа и аналитической геометрии, объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

В работе получены следующие результаты, определяющие её научную новизну:

1. Разработана методика расчета пространственно-временной траектории ВС, соответствующая концепции «ваге-То-Саге», и предоставляющая все необходимые данные о полете ВС для выполнения основных задач по анализу воздушного движения;

2. Разработана методика расчета потенциальных конфликтных ситуаций, основывающаяся на ведении и анализе списков входа для элементов воздушного пространства;

3. Разработана методика построения множества альтернативных маршрутов полета ВС по сети авиационных трасс, учитывающих установленные

ограничения использования воздушного пространства, и приближенных к оптимальному по выбранному критерию;

4. Произведена интеграция методик и алгоритмов в программное обеспечение для систем планирования центров ЕС ОрВД РФ;

5. При разработке методик и алгоритмов, рассмотрены вопросы повышения их производительности за счет специальной организации исходных данных, так же использования возможностей параллельной обработки данных.

Достоверность и обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций диссертации основана на корректном использовании математического аппарата и подтверждается экспериментальной проверкой предложенных методик и алгоритмов на реальных данных. Выводы и предложения диссертационного исследования не противоречат известным теоретическим и практическим результатам, сформулированным в трудах отечественных и зарубежных ученых в данной области исследований.

Практическая значимость работы заключается в том, что алгоритмы и методики рассматриваются с точки зрения практической реализации в специальном программном обеспечении систем планирования и организации воздушного движения. Таким образом, значительно упрощается их реализация в новом и существующем программном обеспечении, разрабатываемом в рамках программы модернизации ЕС ОрВД РФ.

Все предложенные в диссертационной работе методики и алгоритмы адаптированы для анализа использования воздушного пространства на всех этапах планирования (включая стратегический), и позволяют более эффективно по сравнению с существующими аналогами решать задачи планирования и организации воздушного движения.

Разработанные алгоритмы и методики реализованы в составе программного обеспечения аппаратно-программного комплекса «Комплекс средств автоматизации планирования использования воздушного пространства местного диспетчерского пункта» (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2012610215 от 10.01.2012 г.), шифр «КСА ПИВП МДП», а так же в составе НИОКР «Разработка фрагментов программного обеспечения систем планирования использования воздушного пространства на основе рекомендаций ИКАО и Евроконтроля», шифр «База-ИВП», ОКР «Разработка базовой технологии создания аппаратно-программного комплекса моделирования информационно-управляющих радиотехнических систем», шифр «Технология-НС». Соответствующие акты о внедрении приведены в диссертации.

На защиту выносятся:

1. Методика расчета потенциальных конфликтных ситуаций между ВС, основанная на ведении и анализе списков входов в элементы воздушного пространства;

2. Методика построения множества альтернативных маршрутов полета ВС по сети авиационных трасс, учитывающих установленные ограничения использования воздушного пространства;

3. Программные средства, реализованные в рамках специального программного обеспечения планирования и организации воздушного движения, для моделирования и анализа разработанных методик и алгоритмов.

Апробация работы. Научные положения и практические рекомендации диссертационной работы в целом, а также отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на 3-й Всероссийской научно-технической конференции аспирантов, студентов и молодых ученых «Информатика и вычислительная техника», г. Ульяновск, 2011; XXX Международной научно-технической конференции «Математические методы и информационные технологии в экономике, социологии и образовании» (зимняя и летняя сессии), г. Пенза, 2013; XXV Международной заочной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике», г. Новосибирск, 2013; XIII Международной научно-технической конференции «Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике», г. Пенза, 2013; а также на научных семинарах кафедры ЭВМ ТвГТУ.

Внедрение. Результаты диссертационной работы были внедрены в ОАО «Концерн ПВО «Алмаз-Антей»» ОАО «Научно-технический центр промышленных технологий и аэронавигационных систем» (г. Москва).

Публикации. Основные положения работы опубликованы в 8 статьях, 2 из которых, в научных изданиях рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 175 страниц основного текста. Список источников содёржит 71 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и практическая значимость диссертационной работы. Приведены основные положения, выносимые на защиту. Кратко изложено содержание глав диссертации. Сформулированы цель и основные задачи исследований, научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе выполнен анализ предметной области. Рассмотрена организационная структура органов планирования ЕС ОрВД РФ. Описываются основные автоматизированные функции центров планирования ЕС ОрВД, а так же производится анализ процесса обработки плановой информации.

На рис. 1 представлена общая схема типовой структуры аппаратно-программного комплекса автоматизированной системы планирования ВД.

Центром систем является БД, в которой хранится информация о планах полетов, ограничениях ИВП, летно-технических характеристиках типов ВС и др. информация необходимая для поддержки деятельности по планированию ВД. Для обеспечения надежности БД разворачивается на двух физических серверах с настройкой репликации данных.

Ведение и анализ данных, хранящихся в БД осуществляет комплекс специально разработанного программного обеспечения (СПО). Данный комплекс СПО разворачивается на рабочих местах диспетчерского персонала, а так же на серверах приложений и web-сервере. СПО развернутое на серверах приложений осуществляет автоматическую обработку без вмешательства диспетчерского персонала, a web-cepBep предоставляет доступ к данным для пользователей, которыми могут быть как пользователи ВП (авиакомпании, частные лица и т.д.), так

и другое СПО в составе АПК. СПО развернутое на рабочих местах предоставляет возможности по анализу и корректировке данных, которые не удалось обработать

автоматически, а также разработки мер организации воздушного движения.

Сервер БД (основной)

Интернет Брандмауэр

Веб сервер

Ш.............................

! Коммутатор 1

».....I

:::: Е3«:

iiM

Коммутатор 2 (Link backup)

-rQ

Сервер БД (репликация)

Сервера приложений и взаимодействия

В»

Щ2

BE 101

чЬ 1

7

Рабочие места

Г г—,

I 1 !

• « * 1

ПК

Пеленгатор АЗН-В АФТН

СЭ Защищенные каналы связи

'""А

Телефонные сети

цсопл

::Эксп/1уатанты|

Планы полетов

Аэронавигационная информация

V-

Метео-данные ,—

tat

Анализ маршрутов и расчет ID-траекторий

Z3EI

Оборудование радиосвязи

Рисунок 1. Типовая структура аппаратно-программного комплекса автоматизированной системы планирования ВД Связь с внешними абонентами осуществляется по каналам связи АФТН (сеть авиационной фиксированной электросвязи), Internet, а также защищенным каналам связи (для связи с командными пунктами I1BO).

* На рис. 2 представлен

обобщенный процесс обработки плановой информации в системах планирования ВД. На рисунке представлены основные задачи, решаемые в системах планирования, а также исходные данные, необходимые для решения этих задач.

На основе рассмотренного процесса обработки плановой информации были выбраны методики, которые необходимо разработать в рамках Рисунок 2. Обработка плановой информаг^ии в диссертационной работы: системах планирования ИБП

Анализ соблюдения правил ИБП

ж:

• Методика расчёта 40-траектории;

• Методика поиска потенциальных конфликтных ситуаций (ПКС);

• Методика поиска множества альтернативных маршрутов полета.

В заключительной части первой главы выполнена постановка цели и сформулированы задачи исследования.

Во второй главе разработана методика расчета пространственно-временной траектории воздушного судна (4Б-траектории) с учётом данных, доступных на различных этапах планирования и управления воздушным движением.

Разработанная метЬдика соответствует принятой Евроконтролем концепции этапов «6а1е-1:о-Оа1е», в соответствии с которой, полет принято рассматривать в последовательном прохождении следующих фаз: руление от места стоянки до ВПП, разбег и взлет с ВПП; набор высоты до выхода на крейсерский эшелон полета; полет на крейсерском эшелоне; набор высоты или снижение для смены эшелона полета; разворот над опорной точкой маршрута; снижение до точки входа в глиссаду (ТВГ) для захода на посадку; посадка, пробег и руление до места стоянки (высадки пассажиров).

Для представления маршрута полета была принята объектная модель, которая представляет весь маршрут в виде списка участков маршрута, которые могут быть разделены на подучастки (рис. 3). Разделение на подучастки происходит при расчете 4Б-траектории и выполняется таким образом, что бы ВС на каждом из подучастков соблюдало определенный характер движения: по скорости движения: участки равномерного, равноускоренного и равнозамедленного движения; по высоте полета: участки крейсерского полета, участки набора высоты и участки снижения;

5Р2, - ЗР22 ЗР22-Р3-> Подучастки

р3 р4 основного участка

Рг-Р,

Основные участки Р,-Р2 Р2~Р3 Р,~Р2 —> маршрута

РI - основные точки маршрута БР/у - дополнительные точки

Рисунок 3. Представление маршрута в виде списка участков

Общий порядок расчета 40-траектории выглядит следующим образом:

1. Построение базового маршрута (20-маршрут).

2. Ввод дополнительных точек: точки начала разбега и отрыва от ВПП; точки входа в глиссаду, касания полосы и остановки; точки пересечения с границами зон ВП без учета высот;

3. Расчет профиля набора высоты до занятия крейсерского эшелона;

4. Расчет профиля снижения до точки входа в глиссаду;

5. Расчет участков маршрута: базовый расчет по штилю; расчет профиля полета при изменении эшелона; расчет корректировок по радиусам разворота в опорных точках маршрута.

6. Расчет точек пересечения с зонами ВП при изменении высоты полета;

7. Расчет корректировок по метеоусловиям;

8. Расчет действительных точек входа/выхода в зоны ВП.

Расчет пересечений с зонами ВП необходим для следующих целей:

1. Определения точек перехода и составления порядка передачи управления воздушным судном;

• для распределения информации по рабочим местам диспетчеров планирования и управления ВД;

• для определения адресов рассылки сообщений, касающихся изменений данного плана полета, заинтересованным абонентам по маршруту полета;

• для анализа плана полета на соблюдение правил ИВП;

• для расчета загрузки зон ВП.

2. Определения потенциальных конфликтных ситуаций между воздушными судами и зонами ограничений ИВП.

При расчетах учитываются: маршрут ВС, границы зон ВП и занимаемые ими диапазоны высот, а также данные летно-технических характеристик типа ВС. Из зон ВП, нас интересуют сектора УВД, районы аэродромов и зоны ограничений ИВП (запретные зоны, зоны опасных метеоявлений, и др.).

Задача расчета профиля полёта заключается в определении высоты полета ВС как в основных точках маршрута, так и в любой произвольной точке. Кроме того, решена задача расчета промежуточных точек для описания порядка изменения высоты полета и определения точек/времени начала/окончания операций изменения высоты. Для расчета этапов изменения высоты полета используется методика, которая разделяет ВП на несколько воздушных слоев, в которых данный тип ВС соблюдает установленную скорость набора/снижения.

Наиболее существенные влияние на соблюдение 40-маршрута полета оказывают текущие метео-условия. Данные по метео-условиям поступают из московского метео-центра в формате ОМВ и содержат информацию о давлении и скорости ветра в узлах метео-сетки. При расчете планов на этапе стратегического планирования, используются среднестатистические данные (расчет по «климату»).

При работе с данными ОИВ для нахождения скорости ветра на эшелоне (уровне полета р), не совпадающем с уровнями отбора данных, применяется логарифмическая интерполяция:

и=щ ■(р + р1)-{р2-р) + г<2 {Р + Р^ИР-Р') -(р + рМр,- р)+У?-(р + РзНр-р,) 2-р-(р2-р,) 2-р-(р,-р,) , где ы/, VI, р1 и И2, У2, р2 — составляющие ветра и давление на уровнях выше и ниже интерполируемого.

Для нахождения скорости ветра на конкретном уровне, но в произвольной точке применяется билинейная интерполяция (рис. 4).

и = иа + {и, -иа)-йх + (иь -иа)-йу + {иа -иь + ис- и,)-йхОу

V = V, + (V, - V,) ■ Их + - уя )■Dy+{va-vb+vc-vd)■DxDy, где

щ, V,- - значения составляющих скорости ветра в узлах регулярной сетки; Их, 1>у - шаги сетки.

Рисунок 4. Нахождения скорости ветра на конкретном уровне, но в произвольной точке с помощью билинейной интерполяции.

В третье главе разработана методика расчета потенциальных конфликтных ситуаций между воздушными судами, учитывающая особенности трассовых полетов при обработке большого количества планов и прогнозе воздушной обстановки на длительный срок.

Потенциальной конфликтной ситуацией между двумя воздушными судами называется ситуация при которой без изменения режима полета произойдет опасное сближение ВС.

Одной из основных задач для любой методики расчета ПКС, является сокращение числа проверяемых на конфликты пар ВС, так как попарная проверка каждого маршрута каждого ВС не предоставляется возможным, в связи трудоемкостью задачи (сложность соответствует 0(п2), где количество обрабатываемых планов п составляет от 5 до 30 тысяч). В системах УВД, данная задача решается проверкой ВС, попадающих в одну ячейку координатной сетки. На этапах планирования такой подход использовать нельзя, так как потребуется выполнение имитационного моделирования положения воздушных судов на весь период прогноза (до года вперед). Для решения данной задачи разработанная методика основывается на ведении и анализе списков входа ВС в элементы воздушного пространства (точки ВП и участки маршрутов).

Для трассовых полетов все ПКС сводятся к 3 типам:

1) ПКС при прохождении ВС через общую точку ВП (рис. 5 б);

2) ПКС при движении ВС по общему участку (рис. 5 а);

3) ПКС при движении ВС по пересекающимся участкам (рис. 5 в).

Рисунок 5. Типы ПКС между ВС// и/2: а) на общем участке; б) в общей точке; в) на пересекаюгцихся участках.

Под общими и пересекающимися участками, понимаются участки маршрута, проходящие по известным участкам трасс, участкам СИДа или СТАРа, а так же спрямленные участки маршрута, соединяющие известные (именованные) точки ВП.

Под списком входа, в разработанной методике понимается упорядоченный по времени входа список записей, хранящих инфорхмацию о пролете ВС через элемент ВП (точку или участок): ссылки на маршрут и план полета; расписание выполнения полетов; время входа (в точку или на участок); время выхода (для участка); высота входа (для точки); минимальная высота на участке; максимальная высота на участке; направление движения по участку; дата/время последнего обновления маршрута на момент создания записи.

Варианты практического применения методики расчета ПКС сводятся к двум случаям: анализ всех планов полетов на наличие ПКС и анализ отдельного плана полета. Для каждого из этих вариантов используется свой алгоритмом обхода списка входа.

Анализ списка входа предполагает обход списка, для выбора пар записей, чьи соответствующие ВС могут конфликтовать на данном участке или в точке. Для объяснения алгоритмов обхода списка входа введем следующие обозначения: -запись списка входа под номером /'; Свх, - время входа, записанное в е;; ¿вых; - время выхода, записанное в £?,■ (для списка входа для участка); N — количество записей в списке входа.

Для случая полного обхода списка входа используются основной и внутренний циклы. Основной цикл осуществляет последовательный обход всех записей списка входа (I = 1, Ы). Внутренний цикл обходит все записи, следующие за е1 0 = £ + 1.Л0- Преждевременное завершение внутреннего цикла осуществляется в случае выполнения условия:

• ^вху — ¿ох; > АТ'тах — Для списка входа в точку ВП, где ДТтах — константа, при которой гарантируется соблюдение норм продольного эшелонирования;

• ^х; > £?.ыул " Ддя списка входа на участок (условие отсутствия пересечения интервалов «Время входа - Время выхода» для записей е; и еу).

В случае если внутренний цикл отработал без преждевременного завершения, выполняется дополнительный внутренний цикл () = 1,1— 1) для учета случаев перехода через сутки.

При анализе отдельного плана полета, нет необходимости проверять все записи списка входа. В данном случае вначале определяется индекс ¡, по которому расположена запись, соответствующая анализируемому плану полета. Далее, выполняется обход записей, расположенных до и после записи е£. Обход записей следующих за е,, выполняется аналогично тому, как рассмотрено выше. Обход записей расположенных до выполняется в обратном порядке (/ = I — 1,1). Преждевременное завершение цикла осуществляется в случае выполнения условия: ~ £вх;- > АТтах (для точки ВП); £вх; > £:вых;- (для участка). В случае если цикл отработал без преждевременного завершения, выполняется дополнительный цикл (/' = N. I + 1) для учета случаев перехода через сутки.

Выбранная пара записей е( и вначале проверяются на соответствие

Р2±

нескольким условиям: Записи относятся к одному воздушному судну; Отсутствуют общие дни выполнения полетов; Воздушные суда входят в точку ВП на разной высоте (для точки ВП); Отсутствует пересечение интервалов «Минимальная высота на участке - Максимальная высота на участке» (для участка). При выполнении хотя бы одного из этих условий дальнейшая проверка не выполняется, так как ПКС гарантировано исключается.

Для пар записей и е^ прошедших грубую проверку выполняется подробный анализ взаимного движения ВС во время прохождения соответствующей точки ВП или участка маршрута.

^р Для случая пролета ВС через

общую точку ВП, действующие в РФ правила эшелонирования

ограничивают значение интервала Р*^ 1 ^ * между судами (по расстоянию и/или

Рисунок 6. Определение расстояний между по времени), когда какое-либо ВС ВС для сравнения с нормами продольного достигает точки пересечения эшелонирования. маршрутов (расстояние б на рис. 6).

Таким образом, ПКС при прохождении ВС через общую точку ВП фиксируется в случае выполнения хотя бы одного из условий:

— < Тконфл или 5 — ХконфЛ! где ^конфл и ХК0НфЛ— норма .продольного эшелонирования по времени и расстоянию; э -расстояние между ВС в момент входа первого ВС в точку ВП (Ь = тт(£ВХ£, £ВХ;)).

Расчет ПКС при движении ВС по общему участку осложняется большим разнообразием возможных ситуаций движения воздушных судов относительно друг друга. В связи с этим, задача анализа движения воздушных судов на общем участке была сведена к задаче анализа взаимного движения ВС на подучастках.

Для этого, сначала необходимо определить пары подучастков, на которых находятся воздушные суда в момент возникновения ПКС. Для решения этой задачи выполняется построение таблицы подучастков (табл.1).

В начале, таблица подучастков заполняется в порядке возрастания времени входа (£,) в промежуточные точки маршрутов ВС // и Если участок не содержит промежуточных точек, то в таблицу добавляются лишь записи для точек начала и конца участка. Пример заполнения для маршрутов представленных на рис. 8 приведен в таблице 1.

Л О"» и и р,„ te ь ¡8 р,,„ tg

511 512 513 ¡14

с* ^П / Р21 У

523 $22 ¡21

Рисунок 7. Маршруты ВС/) и/2, с дополнительными промежуточными точками

На втором шаге, рассчитываются дополнительные Таблица 1. Таблица промежуточные точки для моментов времени когда на подучастков

участке находятся оба ВС:

max(tBX/1, tBX./2) <U< min(t ВЫХ./l' ^вых./г)"

Для приведенного примера это точки Pi>3, Рпз и Pi-s для ВС //, а так же точки Р^и, Р2-6, Pi*; и /Vs для ВС /2 (рис. 7, серые ячейки табл.1).

На третьем шаге выполняется последовательный обход таблицы для моментов времени tt:

max(tBX/1, tBx f2) <ti< min(t ВЫХ./1' 1ВЫХ. /2).

Для анализа выбираются подучастки маршрутов, образованные промежуточными точками (Рц — Pi(i+i)) и

- ¿2(1 + 1))-

Время Промежуточные точки

Г, Pn Pa

ti Pi -

ti Pn -

ts Рпз P2

t4 Pn P2*4

ts Prs Pll

ti Pn P2>6.

t7 Pu P2*7

Is Pl-S P22

и Pi P2*9

tio - Pi

Выбранные подучастки анализируются на характер вертикального движения воздушных судов, и относятся к одному из 3 вариантов взаимного движения ВС на подучастках:

• вариант 1: воздушные суда двигаются на одной высоте полета (эшелоне) и их маршруты пересекаются при движении навстречу друг другу или при обгоне одним ВС другого;

• вариант 2: маршруты воздушных судов пересекаются при изменении высоты полета хотя бы одним из ВС;

• вариант 3: одно или оба воздушных судна меняют высоту полета, но их маршруты не пересекаются.

В соответствии с федеральными авиационными правилами, для каждого из этих вариантов были составлены собственные алгоритмы проверки на наличие ПКС и расчета ее параметров:

• вариант 1: ПКС фиксируется при существовании решения неравенства:

s(t) < Хконфл, где t е [Сг, ti+1];

• вариант 2: ПКС фиксируется при выполнении хотя бы одного из условий (рис. 8):

s(th) < Хконфл или Ah(tx) < Нконфл;

• вариант 3: ПКС фиксируется при существовании решения системы неравенств:

[s(t) < Хконфл

[h(t) < Нконфл'

В данных формулах:

• th - момент времени пересечения траекторий ВС по высоте, который рассчитывается путем решения уравнения: Aii(th) = 0, где th £ [t;, ti+1];

• tx — момент времени расхождения ВС, который рассчитывается путем решения уравнения: s(tx) = 0, где tx 6 [tj, tJ+1], xf1(.tj+i)] n

0;+i)] - 0;

• Нконфл - нормы вертикального эшелонирования;

в s(t) = |хд (t) — Xf2(01 - расстояние между ВС/; иf2\

', где t 6 [ti,ti+1].

М(0 = |/гд (0 - кГг (О | - разница высот между ВС// и/; /г(0 = /г£ + (£: - - текущая высота ВС, где

о Л; - высота полета ВС в начале текущего подучастка (подучасток на

котором он находится в момент времени I); о - вертикальная скорость ВС на текущем подучастке.

= XI ± ~ ¿¿) + ) - расстояние

от начала участка до

текущего положения ВС, где: о ti - время входа ВС на текущий подучасток; о Х[ - расстояние от начала участка до начала текущего подучастка; о VI — скорость ВС в начале текущего подучастка; о а; - ускорение ВС на текущем подучастке.

При попутном движении, между воздушными судами должны соблюдаться только нормы продольного эшелонирования в момент пересечения занятого эшелона полета (бО^) на рис. 8 а). При встречном движении, так же должны соблюдаться нормы вертикального эшелонирования к моменту расхождения ВС (ДЬ0:х) на рис. 8 б).

Точка расхождения ВС

Рисунок 8. Определение расстояний между ВС для сравнения с нормами продольного и вертикального эшелонирования.

В табл. 2 отображены результаты эксперимента, в ходе которого измерялось время проверки всех маршрутов в зависимости от их общего количества и количества используемых потоков для параллельной обработки списков входа.

Для сравнения, в табл. 3 представлены результаты для методики «Фильтр конфликтов», основанной на алгоритмах анализа гистограмм распределения загрузки в точках ВП (параллельная обработка не поддерживается).

Эксперимент по измерению времени обработки единичного плана полета показал, что для проверки маршрута полета измененного или нового плана полета требуется не более 10 мс. Анализ затрачиваемых ресурсов показал, что для работы методики требуется 1 Мбайт оперативной памяти на 1000 планов полетов (для хранения списков входов).

В четвертой главе рассматривается методика построения множества альтернативных маршрутов полета воздушного судна по сети авиационных трасс, учитывающие действующие правила и ограничения использования воздушного пространства. Методика разработана исходя из необходимости соблюдения следующих требований:

• методика должна находить множество вариантов маршрута, а не один «оптимальный»;

• маршруты полета должны соблюдать следующие ограничения: ограничения

по соблюдению правил ИВП; соблюдение установленных ограничений ИБП; ограничения по ЛТХ типа воздушного судна; ограничения, налагаемые дополнительными требованиями (например, может потребоваться построить маршрут, приближенный к существующему).

Таблица 2. Результаты эксперимента, по определению быстродействия _разработанной методики поиска ПКС

Количество планов

3 000 | 5 000 ! 7 000 | 10 000 | 15 000 | 20 000 | 25 000 1 30 000

Время проверки всех маршрутов, миллисекунд

1 поток 1 168 J 1 967 3 100 6 117 12 258 21 512 34 443 50 876

8 потоков 591 839 1 205 1 989 3 859 6 533 10 370 15 520

Время проверки нового маршрута ВС, миллисекунд

1 поток 1 1 2 2 1 6 6 7 8

8 потоков 2 2 | 3 3 1 5 6 6 6

Таблица 3. Результаты эксперимента, по определению быстродействия методики

поиска ПКС «Фильтр конфликтов»

Количество планов

3 000 | 5 000 | 7 000 | 10 000 | 15 000 | 20 000 25 000 30 000

Время проверки всех маршрутов, миллисекунд

1 поток 3 621 | 6 098 | 9 610 | 18 963 | 38 132 | 66 987 106795 157716

Время проверки нового маршрута ВС, миллисекунд

1 поток 1 1 2 | 2 | 3 I 6 | 7 8 9

Для описания графа сети авиационных трасс было принято решение воспользоваться объектно-ориентированным подходом.

Разработанная методика разделяет задачу построения маршрута на 7 этапов.

На 1 этапе выполняется обход графа и исключаются ребра которые не могут войти в маршрут полета из-за нарушений тех или иных ограничений установленных настройкам поиска. Большая часть ребер отбрасывается ограничением на максимальную длину маршрута (рис. 9 а).

п

1гтп(Ю = КЮ + 10рг(Рп+1'),где

1=1

1Г1 - длина ¡-го участка маршрута Я; п - количество участков, а п+1 - количество точек в маршруте Я; ¿орт(рп+1) - длина ортодромии от последней точки маршрута рп+1 до начальной точки.

Так же возможно использовать ограничение по углам отклонения при переходе на новый участок маршрута (рис. 9 б). Ребро ^ игнорируется в случае выполнения условия:

(а(р(,рг+1) - а(р;,рцел) + 360)%360 > атах, где а(Р{<Р4+1) - азимут от точки р; до точки Р[+1; а(р;,рцел) - азимут от точки р; до целевой точки рцел; х%360 - остаток от деления х на 360; атах - максимальный угол отклонения.

1орт\ "п+1 / ьР1 "Га13 => Ребра РА, РА,

РгРб - игнорируются при обходе

Ъ " ""А

Рисунок 9. а) определение минимальной длины текущего маршрута в ходе обхода на этапе ограничения графа; б) Игнорирование ребер на основе

разности азимутов Последней проверкой для ребер на данном этапе является проверка наличия разрешенных эшелонов для полета в требуемом направлении, соответствующих диапазону желаемых высот полета из настроек (Яжел): Н'г. = Нг. п Нжел, где Я'г, - множество разрешенных эшелонов для полета по участку г^, скорректированное с учетом установленных настройками поиска ограничений на высоту полета; Нг. - множество разрешенных эшелонов для пролета по участку Г; (берется из данных АНИ для соответствующего участка трассы).

Случай, когда Н'Г1 = 0, означает что полет по данному ребру в желательном диапазоне высот невозможен. Соответствующее ребро помечается как «отвергнутое» и в дальнейшем игнорируются при обходе. Если Н'Г( & 0, то значение этого множёства сохраняется в данных о ребре для дальнейшего использования.

Кроме указанных условий преждевременной остановки, рекурсивный обход для текущего маршрута останавливается при достижении начального узла.

На 2 этапе определяются гшп/тах времена пролета участков. В зависимости от настроек может учитываться поправка на ветер (при условии наличия данных о метео-условиях или «климате»).

На данном этапе выполняется рекурсивный обход графа, начиная из начальной точки. Для «продления» текущего маршрута используются только ребра исходящие из последней точки маршрута. Для вновь добавленного ребра г£ определяются максимальное Кв.тах(гг) и минимальное Ув.тт(г;) значения скорости ветра при полете по данному участку:

^в.тах(г;) — ГП^У^ ^Г;, ¡1], ^вх.тт^)' ^вх.тах^г.у >

^в.тт(г,) = ^111 Ц) ^вх.гату! ^вх.тадг^г.у ' гДе

Ув (г^, к у, - скорость ветра для заданных параметров Г;, /¡.у, ^ и <1\

)гI 6 Н'г. - эшелон полета ] из множества Н'г.; к - количество эшелонов в множестве Я'п; Свх.т;„^ ^и (;вхтах - мин. и макс, времена входа на участок Г; для

текущего маршрута; й - указывает направление полета по участку.

Значения скорости ветра рассчитываются заранее и запрашиваются на основе указанных данных.

На основе Кв.тах(П) и ^В.тт(г;) раССЧИТЫВаЮТСЯ минимальное £тпт(г.) и максимальное Стах,Г() времена полета по участку ц и соответственно минимальное свых.пип(г;) и максимальное ?Вых.тах(г() время выхода из участка.

=_Ь_; 1тах = 1г' .

771 "(Г1) Кср + ^в.тахСп) ' таХ(г<) И<р + ^в.тт(г() '

Ц(Р - скорость полета ВС на крейсерских участках, заданная в настройках.

На основе рассчитанных времен при необходимости обновляются сохраненные ранее данные о минимальном и максимальном времени выхода из участка ^ и временах входа на следующий за ним участок гг+1 (£вх.т;п(г.+ ^и £вх.тах(у. ))• Если обновления этих данных не потребовалось,

дальнейший обход графа для «продления» текущего маршрута не нужен.

На 3 этапе определяются ограничения ИБП затрагивающие участок Г; в диапазоне времени Тп = [£вх.т1п(Г(); £Вых.тах(П)]-

На данном этапе для всех исходящих ребер ц определяется:

• множество (}Г.(ТГ1), содержащее ограничения ИВП, затрагивающие участок г^ в диапазоне времени Тг.:

УпЫ = {Ч1,Ч2>-.Ят). где V?: ГГ|не принадлежит Т(ц) ,Тп П Ф 0

• множество (1'Г.(ТГ1), содержащее ограничения ИВП, затрагивающие участок на протяжении всего диапазона времени ГГ(:

У'пЫ = {41.42.....4x1 где V?: Тг. е Т(д) . где

Т(д) - диапазон времени в течении которого ограничение ИВП q действует на участок ц.

Ограничения, не затрагивающие участок в диапазоне времени Тг при поиске маршрутов не учитываются. Множество ограничений сохраняется в

данных об участке Г; для организации быстрого доступа к ним на этапе непосредственного построения вариантов маршрутов (7 этап). Ограничения из множества ('ГГ() используются для того, что бы сократить количество

Z1 к г

Иа1, где ;=1 '

Н". - множество разрешенных эшелонов для пролета участка ц с учетом затрагивающих его ограничений ИВП; Н^ - множество эшелонов, затрагиваемых ограничением qj, которое распространяется на участок г;; к - количество ограничений ИВП затрагивающих участок г; на протяжении всего диапазона времени Тг .

В случае если после учета ограничений (}'Г (ТГ^ множество разрешенных эшелонов Н". = 0, участок г; помечается как «отвергнутый», и в дальнейшем

использоваться не будет.

На 4 этапе выполняется очистка графа от тупиковых ветвей.

Из графа удаляются ребра, соответствующие одному из следующих условий:

1. ребро помечено как «отвергнутое»;

2. ребро помечено как «исходящее», но начальный узел ребра не имеет ни одного «входящего» ребра. Вход в такое ребро невозможен.

3. Ребро помечено как «исходящее», но конечный узел ребра не имеет «исходящих» ребер. Такое ребро не имеет выхода (ведет в тупик).

Ребра, соответствующие условию «1» образуются в результате «исключения» ребер на 2 и 3 этапах, а условию «3» - в результате «исключения» ребер по условию «1». Ребра, соответствующие условию «2» образуются в результате обхода графа на 1 этапе (из-за ограничения длины маршрута), а так же в результате «исключения» ребер по условию «1». Ребра, соответствующие хотя бы одному из условий, удаляются из списков исходящих ребер соответствующих узлов графа.

«Очистка» графа по условию «1» выполняется только один раз. «Очистка» по условиям «2» и «3» выполняется в цикле, пока в результате очередного шага «очистки» находятся ребра, соответствующие этим условиям.

На 5 этапе рассчитывается вес ребер в соответствии выбранным критерием. В качестве критериев могут выступать: длина маршрута; время полета; затраты топлива; затраты на рейс (стоимость топлива + стоимость аэронавигационного обслуживания).

Для расчета «веса» ребер выполняется рекурсивный обход графа по аналогии с этапом 2. При этом, при расчете полета по новому участку ги рассчитывается не только минимальное и максимальное время полета по участку (tmin и tmax ), но

vi) ТО

так же и минимальный и максимальный «вес» соответствующего ребра по выбранному критерию (cmin^ и стах^). Формулы для расчета зависят от

принятой методики расчета 40-траектории, но в общем случае на «вес» ребра влияют продолжительность и высота полета, а так же JITX типа ВС.

На 6 этапе выполняется обход графа аналогично 1-му этапу (начиная от целевого узла), и для каждого ребра рассчитываются и сохраняются данные min и тах «весе» маршрутов до целевого узла.

Так же как и на 1-м этапе, если при входе в очередной узел, данные о минимальном и максимальном «весе» маршрута до целевого узла не изменяются, дальнейший обход по данной ветке прерывается.

На последнем 7 этапе выполняется непосредственно построение вариантов маршрутов. Построение выполняется последовательно-параллельно. Для новых участков определяется высота полета, времена пролета, вес участка и текущего маршрута. Если количество текущих маршрутов превышает шах, то выполняется сортировка маршрутов по их «усредненному предполагаемому весу» и излишек маршрутов удаляется.

При выборе высоты полета на новом участке г( сначала определяется диапазон эшелонов H"l = H"r. п Данный диапазон содержит эшелоны, разрешенные

для полета на предыдущем и новом участках. При этом он учитывает ограничения ИВП затрагивающие предыдущий участок, но не учитывает ограничения ИВП

затрагивающие новый участок.

Далее из множества Н"/ выбирается высота полета кг. и рассчитываются скорость ветра, время полета на участке и время выхода с участка. После этого, определяется множество (2"Г1£ ()г., содержащее ограничения ИБП, затрагивающие новый участок Г; на протяжении времени его пролета. В результате рассчитывается множество разрешенных для полета эшелонов с учетом ограничений ИВП Н"(":

к

Н'г[" = Н"'Г( - ^ где /=1

Если Н"" — 0, то значит полет на выбранной высоте кГ1 не возможен. В этом случае выбирается новый эшелон /гг., отличный от предыдущего, после чего повторяется проверка на нарушение ограничений ИВП. Если в результате были отклонены все возможные эшелоны (из множества Н".'), то значит полет через данный участок невозможен, и вариант маршрута отбрасывается.

В заключении изложены основные выводы, научные и практические результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1) Разработана методика расчета пространственно-временной траектории ВС, соответствующая концепции «Оа1е-То-Оаге» принятой в ЕигосогПго1, и предоставляющая все необходимые данные о полете ВС для выполнения основных задач по анализу воздушного движения;

2) Разработана методика расчета потенциальных конфликтных ситуаций, обладающая высокой производительностью и подходящая для использования на этапах планирования воздушного движения. Методика основывается на ведении и анализе списков входа для элементов воздушного пространства;

3) Разработана методика расчета множества альтернативных маршрутов полета по сети авиационных трасс. При построении маршрутов учитываются действующие правила и ограничений использования воздушного пространства, а сами маршруты приближенны к оптимальному по выбранному критерию;

4) Разработаны модули программного обеспечения, реализующие предложенные методики. Разработанные модули ПО интегрированы в состав специализированного ПО планирования и организации ВД;

5) Результаты исследований показали, что разработанные алгоритмы и методики по сравнению с существующими аналогами обеспечивают более высокое быстродействие;

Программное обеспечение, разработанное на основе представленных в диссертационной работе алгоритмов и методик, внедрено в состав специального программного обеспечения аппаратно-программного комплекса «Комплекс средств автоматизации планирования использования воздушного пространства местного диспетчерского пункта», установленного в качестве системы планирования на МДП г. Хабаровск и МДП г. Пенза.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ

1. Тимофеев С.Ю., Григорьев В.А. Параллельная обработка данных в ПО систем планирования использования воздушного пространства. УДК 004.424.// Программные продукты и системы. Научно-практическое издание № 2,2012. - Тверь, 2012. - С. 7-11.

2. Тимофеев С.Ю. Методика расчета потенциальных конфликтных ситуаций в автоматизированной системе планирования воздушного движения//Интернет-журнал «Науковедение», 2014 №2 (21) [Электронный ресурс]-М.: Науковедение, 2014 Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/104TVN214.pdf, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус., англ-

Публикации в других изданиях

3. Тимофеев С.Ю. Разработка кросс-платформенного Программного Обеспечения системы планирования воздушного движения для ГЦ ЕС ОрВД на базе технологий .NET Framework 4.0, Mono, NHibernate. // Информатика и вычислительная техника: сборник статей 3-й Всероссийской научно-технической конференции аспирантов, студентов и молодых ученых. - Ульяновск 2011. -с. 550-553.

4. Тимофеев С.Ю., Лебедев В.В. Регулирующие меры организации потоков воздушного движения // Математические методы и информационные технологии в экономике, социологии и образовании: сборник статей XXX Международной научно-технической конференции (зимняя сессия). - Пенза 2012. - с. 23-26.

5. Тимофеев С.Ю., Быков П.В. Общие вопросы расчёта точек пересечений маршрута воздушного судна с зонами воздушного пространства // Математические методы и информационные технологии в экономике, социологии и образовании: сборник статей XXX Международной научно-технической конференции (летняя сессия). - Пенза 2013. - с. 79-83.

6. Тимофеев С.Ю. Методика расчета потенциальных конфликтных ситуаций между воздушными судами в точке воздушного пространства при планировании и организации воздушного движения // Технические науки - от теории к практике: сборник статей XXV Международной заочной научно-практической конференции. - Новосибирск 2013. - с. 91-103.

7. Тимофеев С.Ю. Описание исходных данных, используемых автоматизированными системами планирования и организации воздушного движения // Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике: сборник статей XIII Международной научно-технической конференции. - Пенза 2013. С. 122-125.

8. Тимофеев С.Ю. Обработка ограничений использования воздушного пространства в автоматизированных системах планирования и организации воздушного движения // Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике: сборник статей XIII Международной научно-технической конференции. - Пенза 2013. С. 125-128.

Тимофеев Семен Юрьевич

РАЗРАБОТКА АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ПЛАНИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫМ ДВИЖЕНИЕМ ОБЪЕКТОВ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наух

_Технический редактор Ю.Ф. Воробьева_

Подписано в печать 13.11.14

Тираж 100 экз. Формат 60x84/16 Заказ №80

Печ. л. 1,25 Усл. печ. л. 1,16 Уч.-изд. л. 1,о9

Типография Тверского государственного технического университета 170026, Тверь, наб. Афанасия Никитина, 22