автореферат диссертации по транспорту, 05.22.13, диссертация на тему:Разработка методов снижения загрузки диспетчера планирования на основе реорганизации информационных потоков системы управления воздушным движением

На правах рукописи

КОНЬКОВА ЕКАТЕРИНА ЮРЬЕВНА

I

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ ЗАГРУЗКИ ДИСПЕТЧЕРА ПЛАНИРОВАНИЯ 1 НА ОСНОВЕ РЕОРГАНИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТОКОВ СИСТЕМЫ

УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМ ДВИЖЕНИЕМ

Специальность 05.22.13 - «Навигация и управление воздушным движением»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006

Диссертационная работа выполнена в Московском государственном техническом университете гражданской авиации

Научный руководитель

кандидат технических наук

Горнец Николай Николаевич

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Рубцов Виталий Дмитриевич Кандидат технических наук Дикарев Сергей Иванович

Ведущая организация:

ФГУП "Государственный научно-исследовательский институт аэронавигации"

Зашита диссертации состоится 23 марта 2006г. в 15й часов на заседании диссертационного совета Д.223 011 01 при Московском государственном техническом университете гражданской авиации по адресу: 125993, г.Москва, Кронштадтский бульвар, д. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «_»_2006г.

Ученый секретарь Диссертационного совета доктор технических наук, профессор

ОуОО 6 к

-. 3

С^" Общая характеристика работы

Актуальность типы

Рост интенсивности воздушного движения (ВД) ведет к необходимости совершенствовать систему его организации (ОрВД). Один из путей совершенствования заключается в достижении максимально возможного соответствия между сформированными заранее планами и реальными полетами воздушных судов (ВС). Это относится, в первую очередь, к обеспечению соответствия между фактической и плановой траекториями полета.

Эта задача имеет многолетнюю историю, однако ее решение стало возможным только в настоящий момент за счет использования современной вычислительной техники и повышения степени автоматизации при планировании ВД.

Система планирования воздушного движения (ПВД) является неотъемлемой составной частью Единой Системы (ЕС) ОрВД. На нее возложены функции по формированию планов полетов. Система ПВД Российской Федерации характеризуется иерархической структурой, включающей четыре уровня: аэродромные диспетчерские пункты (АДП), районные центры (РЦ), зональные центры (ЗЦ) и Главный центр планирования и регулирования потоков воздушного движения (ГЦ ППВД). Каждый уровень иерархии системы ПВД в рамках подконтрольного ему воздушного пространства (ВП) решает, в частности, задачи регулирования потоков ВД, формируя планы полетов на основе поступающих от эксплуатантов заявок и информации о состоянии системы ОрВД. С этой целью между уровнями иерархии системы ПВД РФ реализован информационный обмен.

Проблемы регулирования потоков воздушного движения выступают на первый план в ходе текущего планирования полетов, когда выявляются недочеты предварительного (составление сезонного расписания) и суточного (уточнение графика движения на ближайшие сутки) этапов. Изменения условий выполнения рейсов, вызванные изменением состояния элементов системы управления воздушным движением (УВД), организационными и другими причинами приводят к необходимости перераспределения потоков ВС. Ситуации, в которых за ограниченный интервал времени нужно фактически заново создать сводный план на территории системы, значительно влияют на загруженность диспетчерского персонала. Это неизбежно сказывается и на безопасности полетов, которая существенно зависит и от принимаемых диспетчером решений.

Принятие решений диспетчером планирования выполняется на основе большого объема данных. В РФ источником информации для диспетчера планирования является интегрированная многоуровневая автоматизированная система планирования потоков воздушного движения (ППВД). Вопросы работы диспетчера с

БИБЛИОТЕКА [

С.Пете»*тг , I.

09

етч^рг / \

диссертации.

Недостатки существующей системы ПВД и, соответственно, увеличение загруженности диспетчерского персонала обусловлены тем, что:

а) изменения состояния системы ОрВД органом планирования не отслеживаются в реальном масштабе времени;

б) отсутствует обратная связь, т.е. орган планирования не имеет инструментов воздействия на эксплуатантов в случае возникновения необходимости в корректировке заявок;

в) у большинства эксплуатантов отсутствуют возможности получения актуальной информации о состоянии системы ОрВД, что приводит к необходимости использования для обработки заявок искусственных механизмов, искажающих реальную информацию, при этом процесс ПВД становится малоэффективным;

г) отсутствует двусторонний информационный обмен между уровнями иерархии системы в реальном масштабе времени.

Отмеченные недостатки связаны с организацией информационных потоков системы и чрезмерной загруженностью диспетчера, поэтому возникает актуальная научная задача разработки методов снижения загрузки диспетчера на основе реорганизации информационных потоков системы УВД.

Цель и задачи работы

Целью работы является научное обоснование комплекса мероприятий, направленных на снижение загруженности диспетчерского персонала.

Для реализации поставленной цели необходимо:

- исследовать деятельность диспетчера планирования;

выполнить сбор статистической информации об ошибках в поступающих сообщениях системы УВД и их классификацию;

- разработать методы, направленные на снижение загрузки диспетчера ПВД,

- разработать оперативный алгоритм прокладки сети маршрутов в ВП;

- разработать модель межуровневого информационного обмена системы ПВД.

Методы исследования

При решении поставленных задач используются методы теории автоматизированных систем управления (АСУ) и систем ОрВД, системного анализа, математической статистики, исследования операций, динамического программирования, экспертного опроса, имитационного моделирования.

Научная новизна работы

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

исследованы условия работы диспетчера планирования и предложены методы снижения его загруженности,

выполнены сбор и статистическая обработка данных, а также классификация ошибок в поступающих в систему ПВД сообщениях;

исследованы алгоритмы прокладки маршрутов в ВП с целью их применения для оперативного регулирования потоков ВД;

разработана модель межуровневого информационного обмена системы планирования ВДРФ.

Практическая значимость работы

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

снизить загрузку диспетчера планирования;

расширить возможности по повышению достоверности формируемых планов полетов в системе ПВД РФ;

сократить количество ошибок при формировании заявок эксплуатантами ВП на выполнение полетов ВС в ВП;

исследовать характеристики информационных потоков между структурными элементами системы ПВД.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях в МГТУ ГА, МАИ (2001, 2003, 2005г г), международной научно-практической конференции в Тамбове в 2005г, международной научно-технической конференции в Пензе в 2005г.

Внедрение

Результаты работы внедрены на Федеральном государственном унитарном предприятии Главный центр планирования и регулирования потоков воздушного движения в виде программного изделия и Федеральном государственном унитарном предприятии Государственный научно-исследовательский институт аэронавигации.

По материалам диссертации опубликовано б статей, тезисы 5 докладов на НТК.

Структур« и объем диссертации

Работа состоит из Введения, трех разделов и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 121 страницу и включает 35 рисунков и 10 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 70 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы основная цель и соответствующие задачи, подлежащие решению. Определены методы исследования, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы

В первой главе проведен функциональный анализ системы ПВД и обосновано ее влияние на работу диспетчера, исследована деятельность диспетчера планирования и предложены методы по снижению его загрузки.

Регулирование потоков ВД выполняется на основе правильно составленных планов полетов, учитывающих возможности ВП, в частности, взлетно-посадочной полосы, наземных служб и другой действующей аэронавигационной информации Источником перечисленных данных является система ПВД.

Решаемые в системе ПВД задачи разделяются на задачи информационного обеспечения (ИО) и планирования Задачи ИО включают сбор, анализ и обработку информации различного вида (нормативно-справочной, метеорологической, технологической информации об элементах ВП) Решение задач ИО предполагает получение и обработку данных от множества источников. Получаемые при этом результаты являются исходными для всей системы ОрВД, поэтому все данные системы ПВД должны быть своевременными, достоверными и полными

К задачам планирования относятся: сбор и анализ заявок на выполнение полетов, поступающих от эксплуатантов, принятие мер по организации потоков ВД и формирование планов полетов. Планирование ВД проводится поэтапно и подразделяется на долгосрочное, предварительное (суточное), текущее (оперативное) Все этапы планирования связаны, отличаясь ограничениями интервалов поступления заявок и согласования решений по утверждению плана. Заявки, поступающие от эксплуатантов, являются основой для всех этапов планирования, поэтому работа системы ПВД зависит от корректности заявок

Все задачи системы ПВД характеризуются зависимостью от человеческого фактора -принятие основных решений остается за диспетчером. Увеличение его загруженности неизбежно сказывается на безопасности полетов.

Деятельность диспетчера планирования складывается из обработки информации, составления и корректировки планов, проверки их на соответствие текущему состоянию системы ПВД и поиска узких мест в формируемом плане использования ВП (ИВП)

Проведенное исследование его деятельности показало, что односторонняя направленность информационных потоков между уровнями иерархии системы ПВД, ограниченность численности диспетчерского состава экономическими и эргономическими факторами, взаи-

модействие с источниками информации с использованием, в основном, только продукции печатного вида и единственность источника по каждому виду информации, снижают эффективность его работы.

Основой деятельности диспетчера являются заявки на полеты ВС, поступающие в систему ПВД от эксплуатантов в виде телеграфных сообщений (ТС) системы УВД.

Анализ алгоритма формирования планов полетов в РФ показал, что количество ошибок в заявках на ИВП, поступающих для долгосрочного планирования, незначительно. Наивысшая интенсивность этого потока достигается в моменты изменения расписания, т е два раза в год, поэтому в среднем мало влияет на загрузку диспетчера планирования

Загрузка диспетчера определяется количеством ТС, которые поступают в систему на этапах суточного и текущего планирования за интервал наблюдения То Нормативная загрузка диспетчера планирования оценивалась по аналогии с расчетными формулами методики определения норматива пропускной способности для диспетчера УВД и составила

Исходным материалом для оценки реальной загрузки диспетчера является статистическая информация о поступающих ТС от системы УВД в Главный центр планирования и регулирования потоков ВД.

Основу работы диспетчера составляет анализ заявок, содержащих ошибки. Ею фактическая загрузка пропорциональна интенсивности поступления некорректных сообщений. Исследованием входящих потоков заявок установлено, что наибольшие затраты времени вызывают ошибки, содержащиеся в маршрутной части телеграмм ППЛ (предварительный план) и ФПЛ (зарегистрированный план), поступающих от российских эксплуатантов. Графики интенсивности телеграфных сообщений ППЛ и ФПЛ на этапе суточного и текущего планирования приведены на рис Л, 2, соответственно.

Анализ алгоритма автоматической обработки маршрутной части показал, что возложенная на него задача решается частично, поскольку в нем не учитываются корректно все допустимые сочетания входных данных. В результате при сборе статистики увеличивается количество ТС, прошедших автоматическую обработку, и формально нагрузка на диспетчера планирования снижается, по существу же действующий алгоритм искажает реальную обстановку в ВП.

1 3 5 7 9 II 13 15 17 19 21 23

----Ошибки, содержащиеся ■ других полях

-Ошибки, содержащиеся а маршрутной части

Рис 1. График интенсивности телеграфных сообщений ППЛ

Ошибки, содержащиеся а маршрутной части

Рис.2. График интенсивности телеграфных сообщений ФПЛ

Графики распределения телеграфных сообщений ППЛ и ФПЛ диспетчерам суточного и текущего планирования при непосредственной обработке маршрутной части заявок приведены на рис.3,4. Несмотря на увеличение количества интервалов времени, где загрузка диспетчера превышает нормативное значение, непосредственная обработка маршрутной части позволяет уменьшить влияние ошибок алгоритма обработки заявок. Это способствует возможности развития логики автоматизированного контроля и наращивания проверок входных данных для учета совокупности факторов воздушной обстановки

Таким образом, корректное составление поступающих в систему ПВД РФ заявок является необходимым условием снижения загрузки диспетчера планирования.

Обшее количество ППЛ

----ППЛ с ошибкой в маршруте

— — — — Нормативны загрузка

Рис.3. График поступления телеграфных сообщений ППЛ

*

40 Кол-во тс

Обшее яоличсинофПЛ

----ФПЛ с ошибкой > маршру те

— ----Нормтпная загрузка

Рис 4 График поступления телеграфных сообщений ФПЛ

Предложены методы снижения загрузки диспетчера планирования и, как следствие, повышения качества принимаемых им решений, которые представляют собой совокупность организационных решений и актуальных научных задач. К организационным решениям относятся обеспечение поступления информации в электронном виде, получение информации одного вида из нескольких источников, упорядочение взаимодействия с эксплуатантами

Актуальпым научными задачами являются разработка программного обеспечения (ПО) для автоматизированного формирования заявок и исключения односторонней направленности информационных потоков между уровнями иерархии системы, внедрение алгоритма прокладки сети маршрутов между заданными точками ВП и разработка модели межуров-невого информационного обмена системы ПВД РФ

Во второй главе диссертационной работы предложены алгоритмы оперативного регулирования потоков ВД (алгоритм построения маршрута минимальной длины и сети маршрутов в ВП).

Критериями, помимо расстояния между аэродромами вылета и посадки, оказывающими влияние на экономичность полетов при выборе маршрута ВС в ВП, являются временные, пространственные и метеорологические факторы К первым относятся моменты времени вылета и посадки, длительность полета, график работы технических средств, размещенных иа элементах ВП Факторы второй группы учитывают естественные или организационно установленные ограничения ИВП, частичные запреты полетов на определенных высотах полетов (для прокладки маршрута лишь на тех участках трасс, которые разрешены на заданном эшелоне), а также данные прогнозирования пространственных ограничений. Третья группа факторов включает метеорологическую информацию о силе и направлении ветра по маршруту. В качестве дополнительной аэронавигационной информации привлекаются данные об аэродромах, летно-технических характеристиках ВС, о состоянии взлетно-посадочных полос и т.д.

В зависимости от задач, для решения которых прокладывается маршрут, выделяют три профиля маршрута: двухмерный, трехмерный (пространственные профили) и четырехмерный (временные, пространственные и метеорологические).

Традиционно полет ВС принято подразделять на этапы вылета из района аэродрома, полета по воздушной трассе (ВТ) и прилета в район аэродрома посадки. Вылет и прилет в район аэродрома осуществляется по заранее установленным маршрутам, поэтому наибольший интерес для построения представляет полет ВС по ВТ.

Трассы характеризуются перечнем участков, типом, накладываемыми временными ограничениями и другими показателями. Каждый из участков ВТ в свою очередь также характеризуется рядом параметров, из которых для построения маршрута можно выделить длину участка, географические координаты точек, принадлежность участка РЦ, диапазон допустимых эшелопов, направленность на каждом диапазоне эшелонов, усредненную принадлежность и направленность, применяемую при построении двухмерного профиля полета, данные о ветре и временные ограничения.

Основой для большинства известных алгоритмов является математический аппарат теории графов (пример структуры ВП представлен на рис.5.), когда сеть ВТ представляется взвешенным графом С7 = (Л', М,м>), где N - множество вершин (точек ВП), М - множество ребер (участков ВТ), и> - инцидентор, сопоставляющий каждому ребру те М пару вершин из N. Неотрицательная функция Мх, у), х = у = 1,. ,,Ы оценивает стоимость

полета между вершинами х и у.

и

Применение алгоритмов на этапе оперативного регулирования потоков, ко1да в считанные минуты нужно фактически заново создать сводный план на территории системы, накладывает ограничения по времени выполнения алгоритмов. Сложность структуры ВП определяется количеством пересечений трасс (в ВП РФ количесгво точек и учасгков, регламентированное документами ГА, составляет 3103 и 5548 соответственно). При увеличении числа ребер и вершин графа сети ВТ растет время выполнения алгоригмов, поэтому для решения поставленных задач только сужение поля поиска позволяет использовать известные алгоритмы теории графов.

* «я»

Рис.5. Пример структуры ВП

Снижение времени оперативного регулирования потоков ВС достигается сокращением области перебора. Используется информация о специфике установленной структуры ВП, о наличии точек пересечения трасс и курсах движения по этим трассам. На основе анализа исходных данных о рейсах и регламентирующих документов, а также экспертного опроса специалистов в сфере планирования потоков ВС, введены общие ограничения на алгоритм прокладки маршрута. Это блокировка зацикливания, исключение разворотов в обратную сторону, предпочтение движения по ранее выбранной трассе без переходов на ее ответвления и на другие трассы.

Вводятся следующие допущения на топологические характеристики элементов структуры ВП:

а) из любой точки пересечения трасс (ветвления) может исходить несколько участков

ВТ;

б) каждый участок характеризуется путевым углом (ПУ) движения по трассе между точками ее излома;

в) каждая точка маршрута характеризуется ПУ в направлении аэродрома назначения

Маршрутом минимальной длины является наиболее приближенный к линии ортодромии Минимальный маршрут проложен на сети ВТ и характеризуется минимальной стоимостной функцией . Критерием приближения к линии ортодромии считается разность значений ПУ между последней точкой построенного участка маршрута и его конечной точкой (аэродромом назначения) с одной стороны н путевым углом участка, исходящего из анализируемой точки - с другой.

Алгоритм построения маршрута минимальной длины включает в себя ввод исходных данных, процедуру построения маршрута минимальной длины, расчет профиля полета, расчет характеристик маршрута и вывод результатов Исходными данными для построения маршрута являются структура ВП, информация о ВС, аэродромах вылета и посадки, навигационных, системотехнических и метеорологических влияющих факторах. Каждый маршрут строится от аэродрома вылета в направлении аэродрома посадки путем добавления участков ВТ.

Основными элементами ВП, используемыми при построении маршрута, являются ВТ. При отсутствии возможностей следования между двумя аэродромами с использованием системы ВТ выполняются мероприятия по организации новых. Поэтому при реализации задачи построения сети маршрутов сужение поля поиска достигаются за счет принятия во внимание специфики ВП и поэтапной (итерационной) реализации прокладки сети маршрутов На первом этапе сеть маршрутов прокладывается в двухмерном профиле с применением усредненных характеристик, на втором на сформированную сеть накладываются дополнительные факторы и ограничения.

По результатам проверки работы алгоритма на сети трасс обнаружены более короткие, чем рекомендованные действующим Каталогом зарегистрированных маршрутов России пути следования из одних аэродромов в другие для планирования полетов.

В третьей главе разработана модель межуровневого информационного обмена системы ПВД РФ для исследования параметров потоков информации с целью их реорганизации.

Воздействие входящих потоков информации на структурный элемент системы ПВД вызывает изменения в базе данных (БД) этого элемента. Работа диспетчера планирования базируется на знании реальной обстановки в элементах ВП, поэтому изменения должны быть оперативно переданы и к другим структурным элементам модели посредством межуровне-вых информационных потоков.

Выявлены исходные данные для моделирования (элементы верхних уровней иерархии системы, распределение входящих информационных потоков между элементами системы и порядок взаимодействия между уровнями) и выходные параметры (характеристики межу-ровневых информационных потоков и изменение объема данных для каждого из элементов, определяемые моделью БД, т.е. количеством записей БД и их размером).

Исходные данные модели характеризуются следующим образом:

а) количество элементов первого и второго уровней иерархии системы определяется организацией системы и является постоянным;

б) распределение входящих потоков по отношению к каждому из элементов обусловлено их зонами ответственности и разделением полномочий в системе;

в) порядок взаимодействия между уровнями иерархии определяется требованиями к своевременности информации и степенью взаимосвязанности процессов обработки и принятия решений между элементами первого и второго уровней иерархии.

Показано, что входящими потоками модели являются: потоки аэронавигационной информации, нормативно-справочной информации, ТС и сообщения НОТАМ. Проведенный анализ потоков и статистическая обработка полученных результатов, а также метод хронометрических исследований данных о моментах возникновения сообщений на выходе телеграфа и их проверкой по критерию согласия %2 показал, что моменты возникновения информации на входе системы подчиняются распределению Пуассона.

Помимо найденных характеристик решение поставленной задачи требует знания физического представления входящих потоков, в основе которого лежит количество записей БД и их объем. Для этих целей выполнен сбор статистической информации об интенсивности поступления входящих потоков каждого типа и показано, что потоки аэронавигационной и нормативно-справочной информации могут быть представлены совокупностью основного и фонового подпотоков. Характеристиками отмеченных потоков при моделировании являются количество поправок за период времени, размер записи единичных изменений основного и фонового подпотоков, степень автоматизации процесса поступления информации и пропускная способность штурмана.

Применение аналогичного подхода к потоку сообщений НОТАМ показало, что его характеристиками являются размер записи единичных изменений, количество поступивших изменений и пропускная способность штурмана.

Учитывая, что поток ТС порождает изменения в планах полетов, его передача между уровнями системы сопровождается и обменом плановой информации Взаимосвязь между ТС и планами полетов иллюстрируется графиком рис.6, где представлены поступившие ТС и сформированные на их основе планы полетов за период с 01.08.2002 по 01.07.2003 года.

Корреляционный анализ показал, что для данных графика рис .6 коэффициент корреляции и его эффективная оценка составляют 0 92 и 0 914 соответственно

40000

25000 -

20000

30000

35000

10000

15000

5000

о

||||||||||||

август октябрь декабрь февраль апрель нюнь 2002 2002 2002 2003 2003 2003

■Телеграммы ЯПланы ВД

Рис.б. График поступивших ТС и сформированных на их основе планов полетов за период с 01.08.2002 по 01.07.2003 года

Количество планов полетов является известной величиной для каждого из структурных элементов модели, и его нахождение базируется на прогнозировании и анализе статистической информации.

Учитывая полученную зависимость, представляется целесообразным при моделировании выразить входящий поток ТС через количество планов полетов. Таким образом, параметрами для представления потока ТС в БД являются количество планов полетов в зоне ответственности каждого структурного элемента, пропускная способность диспетчера планирования и объем записи единичных изменений.

Разработана математическая модель межуровневого информационного обмена, записанная в формализованном виде как М(М,Ы,Р!1,Рл,Рн,Р1,,0,Т,К,Л,р,/1),тде М и N - количество структурных элементов первого и второго уровня иерархии соответственно; Р$, Л>Л( Л " матрицы переходных вероятностей, описывающие статистику взаимодействия по каждому из подпотоков, С? - правила передачи информации между элементами, Т - порядок взаимодействия между элементами, К- количество полетов для зоны ответственности элемента второго уровня, Л - интенсивности входящих потоков, р, Ц- пропускные способности используемых алгоритмов и операторов соответственно Результаты применения разработанной имитационной модели межуровневого информационного обмена для исследования системы ПВД РФ показали, что интенсивность межуровневых информационных потоков

зависит от временных интервалов, отражающих порядок взаимодействия между структурными элементами.

В работе получены следующие результаты

1 Проведен анализ функционирования системы ПВД РФ и показано, что в основе ее работы тежит решение задач информационного обеспечения и планирования. Показано, что недостатки в работе системы, и как следствие дополнительная загрузка диспетчера планирования, связаны с тем, что не отслеживаются в реальном масштабе времени изменения состояния системы: отсутствует обратная связь между органом планирования и эксплуагантом, отсутствует двусторонний информационный обмен между уровнями иерархии системы в реальном масштабе времени Необходимость использования для обработки заявок искусственных механизмов является причиной низкой эффективности планирования ВД.

2 Проведено исследование деятельности диспетчера планирования. Найдено шачение его нормативной и реальной загрузки Показано, что применяемые в его работе алгоритмы ■ЭВМ для обработки заявок часто искажают реальную обстановку в ВП, что затрудняет процесс планирования

1 Предложены новые методы снижения загрузки диспетчера планирования, объединяющие как организационные решения, так и актуальные научные задачи.

4 Разработаны и программно реализованы оперативные алгоритмы построения маршрута минимальной длины и сети маршрутов, базирующиеся на известных алгоритмах теории графов и исполыовании знаний о специфике ВП.

5 Анализ входящих информационных потоков системы ПВД показал, что моменты их поступления подчиняются распределению Пуассона

6 Разработана имитационная модель межуровневого информационного обмена Ре^ль-таты модетирования для системы планирования ВД РФ показали, что интенсивность межу-ровневых информационных потоков ювисит от временных интервалов, отражающих порядок взаимодействия между элементами

Проведенное исследование позволило сделать следующие выводы

1 В работе системы ПВД РФ выявлен ряд недостатков, которые не только отрицательно влияют на работу диспетчера планирования, но снижают эффективность планирования в целом

2 Реальная загрузка диспетчера планирования превышает нормативное значение При-

чинами загруженности диспетчера является значительное количество ошибок в поступающих ТС и отсутствие информации о состоянии элементов системы УВД. Применение разработанных алгоритмов прокладки маршрута для формирования ТС и использование информации БД системы ПВД позволяет повысить корректность поступающих к диспетчеру сообщений

3 Разработанный алгоритм прокладки сети маршрутов в ВП позволяет оперативно перепланировать потоки ВД при изменении условий выполнения полетов.

4. Разработанная модель информационного обмена системы ПВД исследует параметры потоков между ее структурными элементами. Результаты моделирования позволяют сформулировать требования к техническим средствам, реализующим передачу информации.

5. Полученные в диссертационной работе результаты позволяют снизить загрузку диспетчера планирования ВД, что является обязательным условием повышения уровня безопасности пролетов

Список опубликованных по теме диссертации работ

1 Е Ю Конькова. Подход к решению задачи распределенной обработки данных (на базе системы планирования воздушного движения). МНТК "Гражданская авиация на рубеже веков". Тезисы докладов. - М.МГТУ ГА, 2001, с. 268.

2. ЕЮ Конькова, Н.Н Горнец. Подход к обеспечению необходимого времени реакции системы за счет децентрализации базы данных (на базе системы планирования воздушного движения) Научный Вестник МГТУ ГА, №55, сер. Информатика, прикладная математика. -М.МГТУ ГА, 2002, с. 110-114.

3. Е.Ю. Конькова. Алгоритмическое обеспечение системы планирования воздушного движения. Научный Вестник МГТУ ГА. №65, сер. Информатика, прикладная математика. -М.-.МГТУ ГА, 2003. с. 106-111.

4. ЕЮ Конькова. Уменьшение времени при обращениях к распределенным базам данных. МНТК "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества". Тезисы докладов. - М. МГТУ ГА, 2003, с. 175.

5. Е Ю. Конькова Показатели качества функционирования системы планирования воздушного движения Научный Вестник МГТУ ГА, №77(4), сер. Информатика, прикладная математика. - М.:МГТУ ГА. 2004. с. 159-163.

6. СИ Бабаева, Е.Ю. Конькова, Л.Е Рудельсон Модели параллельных процессов в информационных технологиях. И МНПК "Актуальные проблемы информатики и информаци-

окных технологий" Тезисы докладов - ТамбовИзд Тамбовского государственного университета, 2005,с 63

7 ЕЮ Конькова Методы статистической обработки радиосигналов в задаче оценки деятельности диспетчера планирования Научный Вестник МГТУ ГА, X» 93, сер. Радиотехника и радиофизика - М . МГТУ ГА, 2005, с. 141-145

8 ЕЮ Конькова, Л.Е Рудельсон Метод оперативного регулирования потоков движения в информационных технологиях гражданской авиации XV МНТК "Математические методы и информационные технологии в экономике, социологии и образовании" Тезисы докладов Пенза' Изд Пензенской государственной технологической академии, 2005, с 214216

9 ЕЮ Конькова, Л.Е Рудельсон, А В. Трихачева Оперативное регулирование потоков самолетов в авиационной системе 4 международная конференции "Авиация и косчонавтика-2005" Тезисы докладов.-М.: Изд МАИ, 2005, стр 60-61.

10 ЕЮ Конькова, ЛЕ Рудельсон Бесконфликтное планирование потоков в автоматизированной системе управления воздушным движением Научный Вестник МГТУ ГА, N2 85, сер Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники Безопасность полетов. - М.: МГТУ ГА, 2005, с. 101-108.

11 ЕЮ Конькова Мониторинг технического состояния радиометрических средств в информационном обеспечении системы планирования Научный Вестник МГТУ ГА, № 98. сер. Радиофизика и радиотехника. - М • МГТУ ГА, 2006

Подписано в печать 19.01.06 г. Печать офсетная Формат 60x84/16 1,16 уч.-изд. л

1,25 уел печ. л. Заказ К» 76/ Тираж 70 экз

Московский государственный технический университет ГА 125933 Москва, Кронштадтский бульвар, д. 20 Редакчионно-юдателъский отдел 125493 Москва, ул Пулковская, д 6а

б Московский государственный технический университет ГА, 2006

t

t il

i

T

ÇLOOkP

Лs »--. 15

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ПВД.

1.1. Основные принципы организации системы ПВД.

1.2. Показатели качества системы ПВД.

1.3. Влияние диспетчера планирования на функционирование системы ПВД РФ.

1.4. Обоснование методов снижения загрузки диспетчера планирования.

2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ПРОКЛАДКИ СЕТИ МАРШРУТОВ В ВП.

2.1. Постановка задачи прокладки сети маршрутов в ВП.

2.2. Априорные данные прокладки маршрута в ВП.

2.3. Алгоритмы прокладки маршрутов в ВП.

2.4. Выводы.

3. ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ МЕЖУРОВНЕВОГО ИНФОРМАЦИОННОГО ОБМЕНА СИСТЕМЫ ПВД РФ.

3.1. Параметры модели межуровневого информационного обмена системы ПВД

3.2. Характеристики внешних потоков информации системы ПВД.

3.3. Представление внешних потоков информации в БД.

3.4. Модель межуровневого информационного обмена системы ПВД.

3.5. Исследование межуровневых информационных потоков системы ПВД РФ.

3.5. Выводы.

Актуальность темы

Рост интенсивности воздушного движения (ВД) ведет к необходимости совершенствовать систему его организации (ОрВД). Один из путей совершенствования заключается в достижении максимально возможного соответствия между сформированными заранее планами и реальными полетами воздушных судов (ВС). Это относится, в первую очередь, к обеспечению соответствия между фактической и плановой траекториями полета [6].

Эта задача имеет многолетнюю историю, однако ее решение стало возможным только в настоящий момент за счет использования современной вычислительной техники и повышения степени автоматизации при планировании ВД.

Система планирования воздушного движения (ПВД) является неотъемлемой составной частью Единой Системы (ЕС) ОрВД. На нее возложены функции по формированию планов полетов. Система ПВД Российской Федерации характеризуется иерархической структурой, включающей четыре уровня: аэродромные диспетчерские пункты (АДП), районные центры (РЦ), зональные центры (ЗЦ) и Главный центр планирования и регулирования потоков воздушного движения (ГЦ ППВД). Каждый уровень иерархии системы ПВД в рамках подконтрольного ему воздушного пространства (ВП) решает, в частности, задачи регулирования потоков ВД, формируя планы полетов на основе поступающих от эксплуатантов заявок и информации о состоянии системы ОрВД. С этой целью между уровнями иерархии системы ПВД РФ реализован информационный обмен.

Проблемы регулирования потоков воздушного движения выступают на первый план в ходе текущего планирования полетов, когда выявляются недочеты предварительного (составление сезонного расписания) и суточного (уточнение графика движения на ближайшие сутки) этапов. Изменения условий выполнения рейсов, вызванные изменением состояния элементов системы управления воздушным движением (УВД), организационными и другими причинами приводят к необходимости перераспределения потоков ВС. Ситуации, в которых за ограниченный интервал времени нужно фактически заново создать сводный план на территории системы, значительно влияют на загруженность диспетчерского персонала. Это неизбежно сказывается и на безопасности полетов, которая существенно зависит и от принимаемых диспетчером решений.

Принятие решений диспетчером планирования выполняется на основе большого объема данных. В РФ источником информации для диспетчера планирования является интегрированная многоуровневая автоматизированная система планирования потоков воздушного движения (1II1ВД). Вопросы работы диспетчера с этой системой составляют содержание диссертации.

Недостатки существующей системы ПВД и, соответственно, увеличение загруженности диспетчерского персонала обусловлены тем, что: а) изменения состояния системы ОрВД органом планирования не отслеживаются в реальном масштабе времени; б) отсутствует обратная связь, т.е. орган планирования не имеет инструментов воздействия на эксплуатантов в случае возникновения необходимости в корректировке заявок; в) у большинства эксплуатантов отсутствуют возможности получения актуальной информации о состоянии системы ОрВД, что приводит к необходимости использования для обработки заявок искусственных механизмов, искажающих реальную информацию, при этом процесс ПВД становится малоэффективным; г) отсутствует двусторонний информационный обмен между уровнями иерархии системы в реальном масштабе времени.

Отмеченные недостатки связаны с организацией информационных потоков системы и чрезмерной загруженностью диспетчера, поэтому возникает актуальная научная задача разработки методов снижения загрузки диспетчера на основе реорганизации информационных потоков системы УВД.

Цель и задачи работы

Целью работы является научное обоснование комплекса мероприятий, направленных на снижение загруженности диспетчерского персонала.

Для реализации поставленной цели необходимо:

- исследовать деятельность диспетчера планирования;

- выполнить сбор статистической информации об ошибках в поступающих сообщениях системы УВД и их классификацию;

- разработать методы, направленные на снижение загрузки диспетчера ПВД;

- разработать оперативный алгоритм прокладки сети маршрутов в

ВП;

- разработать модель межуровневого информационного обмена системы ПВД.

Методы исследования

При решении поставленных задач используются методы теории автоматизированных систем управления (АСУ) и систем ОрВД, системного анализа, математической статистики, исследования операций, динамического программирования, экспертного опроса, имитационного моделирования.

Научная новизна работы

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

- исследованы условия работы диспетчера планирования и предложены методы снижения его загруженности;

- выполнены сбор и статистическая обработка данных, а также классификация ошибок в поступающих в систему ПВД сообщениях;

- исследованы алгоритмы прокладки маршрутов в ВП с целью их применения для оперативного регулирования потоков ВД;

- разработана модель межуровневого информационного обмена системы планирования ВД РФ.

Практическая значимость работы

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

- снизить загрузку диспетчера планирования;

- расширить возможности по повышению достоверности формируемых планов полетов в системе ПВД РФ;

- сократить количество ошибок при формировании заявок эксплуатантами ВП на выполнение полетов ВС в ВП;

- исследовать характеристики информационных потоков между структурными элементами системы ПВД.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях в МГТУ ГА, МАИ (2001, 2003, 2005г.г), международной научно-практической конференции в Тамбове в 2005г., международной научно-технической конференции в Пензе в 2005г.

Внедрение

Результаты работы внедрены на Федеральном государственном унитарном предприятии Главный центр планирования и регулирования потоков воздушного движения в виде программного изделия и Федеральном государственном унитарном предприятии Государственный научно-исследовательский институт аэронавигации.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 6 статей, тезисы 5 докладов на НТК.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из Введения, трех разделов и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 119 страниц и включает 32 рисунка и 10 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 70 наименований.

3.5. Выводы

1. Предложен подход к исследованию процесса межуровневого • информационного обмена системы ПВД, основой которого является исследование характеристик внешних потоков системы и их физической реализации.

2. Построена формализованная модель межуровневого информационного обмена системы ПВД РФ с учетом выявленных проведенным анализом входных и выходных параметров.

3. Разработана имитационная модель межуровневого информационного обмена. Результаты моделирования для системы планирования ВД РФ показали, что интенсивность межуровневых информационных потоков зависит от временных интервалов, отражающих порядок взаимодействия между элементами. 1

Заключение

Проведен анализ функционирования системы ПВД РФ и показано, что недостатки в работе системы, и как следствие загрузка диспетчера планирования, связаны с тем, что не отслеживаются в реальном масштабе времени изменения состояния системы; отсутствует обратная связь между органом планирования и эксплуатантом; отсутствует двусторонний информационный обмен между уровнями иерархии системы в реальном масштабе времени.

Проведено исследование деятельности диспетчера планирования и найдено значение его нормативной и реальной загрузки. Отмечено, что причинами его чрезмерной загруженности являются значительное количество ошибок в поступающих ТС и отсутствие информации о состоянии элементов системы УВД.

Предложены методы снижения загрузки диспетчера планирования, и показано, что помимо принятия организационных решений необходимо применение оперативных алгоритмов прокладки маршрута в ВП и решение задачи организации взаимодействия между уровнями иерархии системы (синхронизации данных системы УВД между уровнями в реальном масштабе времени).

Разработаны и программно реализованы оперативные алгоритмы построения маршрута минимальной длины и сети маршрутов, базирующиеся на известных алгоритмах теории графов и использовании знаний о специфике ВП. Применение разработанных алгоритмов для формирования ТС и использование информации БД системы ПВД позволяет повысить корректность поступающих к диспетчеру ТС.

Разработана имитационная модель межуровневого информационного обмена. Результаты моделирования позволяют сформулировать требования к техническим средствам, реализующим передачу информации. Получены параметры информационных потоков для существующей системы ПВД РФ.

Полученные в диссертационной работе результаты позволяют снизить загрузку диспетчера планирования ВД, что является обязательным условием повышения уровня безопасности пролетов.

1. П.А. Агаджанов, В.Г. Воробьев, А.А. Кузнецов, Е.Д. Маркович. Автоматизация самолетовождения и управления воздушным движением. -М.: Транспорт, 1980, 357с.

2. В.И. Савицкий. Автоматизация процессов управления воздушным движением.-М.: Транспорт, 1979, 112с.

3. С.Г. Унгурян, Е.Д. Маркович, А.И. Волевач. Анализ и моделирование систем управления воздушным движением. М. Транспорт 1980, 205с.

4. Г.Ф. Молоканов. Точность и надежность навигации летательных аппаратов. М. Машиностроение 1967, 215с.

5. Т.Г. Анодина. Вопросы теоретических основ управления воздушным движением.-Л.:ОЛАГА 1983, 80с.

6. Т.Г.Анодина, А.А.Кузнецов, Е.Д.Маркович. Автоматизация управления воздушным движением.-М.: Транспорт, 1992.

7. Г.Ф. Молоканов, В.Д. Тимофеев. Основы навигации. М.:Монино, 1968,364с.

8. Г. А. Крыжановский, Ю.П. Дарымов, В. А. Солодухин и др. Автоматизация процессов управления воздушным движением. М.: Транспорт, 1981, 399с.

9. Т.Г. Анодина, С.В. Володин, В.П. Куранов, В.И. Мокшанов. Управление воздушным движением. М.: Транспорт, 1988, 229с.

10. Т.Г. Анодина, А.А. Кузнецов. Автоматизация управления воздушным движением.-М. .'Знание, 1984, 64с.

11. Обслуживание воздушного движения. Приложение 11 к Конвенции о международной гражданской авиации. Международная организация ГА, 2001.

12. Руководство по планированию обслуживания воздушного движения. Doc. 9426-AN/924. Первое издание: ICAO, 1984.

13. Службы аэронавигационной информации. Приложение 15 к Конвенции о международной гражданской авиации. Десятое издание.: Международная организация ГА, 1997.

14. Е.Ю. Конькова. Мониторинг технического состояния радиометрических средств в информационном обеспечении системы планирования. Научный Вестник МГТУ ГА, № 99, сер. Радиофизика и радиотехника. М.: МГТУ ГА, 2006.

15. Табель сообщений о движении воздушных судов в Российской Федерации (ТС-95). Издание третье. -М.:Воздушный транспорт, 2002.

16. Б.В. Гнеденко, Э.А. Даниелян, Б.Н. Димитров и др. Приоритетные системы обслуживания.-М.:МГУ, 1973, 448 с.

17. J. Martin. System analysis for data transmission. V II, IBM System Research Institute. Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1972.

18. Стратегия управления аэронавигационной информацией. Том 1,2. -Европейская организация для безопасности воздушной навигации Евроконтроль, 2002.

19. Сборник аэронавигационной информации Российской Федерации. Пятое издание. М.:ЦАИ ГА, 2003.

20. Руководство по службам аэронавигационной информации. Пятое издание. Doc 8126-AN/872.: 1САОД995.

21. Крыжановский Г.А., Черняков М.В. Оптимизация авиационных систем передачи информации. -М.:Транспорт, 1986.

22. Исследование и экспериментальное обоснование нормативов загруженности диспетчеров и пропускной способности секторов УВД. Отчет по НИР. Научн. рук. Мокшанов В.И. М.: НЭЦ АУВД ГА, 1981.

23. Avad В.А. The control load in Sector Design. Controller, 1972, 11, №1-4.

24. Интегрированная многоуровневая автоматизированная система планирования воздушного движения Российской федерации. Технический проект. Книга 1,2. М.:ФГУП ГЦ ППВД, 1999.

25. Отчет по НИР №ГР01.84.0036972: Разработать и внедрить методы планирования и организации потоков воздушного движения в целях повышения пропускной способности воздушного пространства. — М.:НЭЦ АУВД, 1985, инв.№146-3/31-85.

26. Организация управления воздушным движением под ред. Г.А. Крыжановского.-М.: Транспорт, 1988. 264с.

27. Автоматизация процессов управления воздушным движением под ред. Г.А. Крыжановского. -М.:Транспорт, 1981, 398с.

28. Концепция высокого уровня интегрированного брифинга. AIM/AEP/BRIFF/0024. Европейская организация по безопасности воздушной навигации. 2001, 56с.

29. В.А. Шныров. Технические предложения на систему брифингового информационно-консультативного обслуживания экипажей на аэродромах ГА. Отчет. ГосНИИГА, 1993, 91с.

30. Положение о формировании, согласовании, издании и оперативной корректировке внутреннего расписания движения воздушных судов авиаперевозчиков Российской Федерации. Приложение к приказу ФАС России от 06.05.96. №ДВ-50.

31. Ю.А. Соловьев. Системы спутниковой навигации. М.:Эко-Трендз, 1999.

32. Civil/Military Coordination Seminar Warsaw, 21-23 April, 1998.

33. Д.Е. Кнут. Искусство программирования. М.:Издательский дом "Вильяме", 2000.

34. В.В. Кульба, С.С. Ковалевский, С.А. Косяченко, В.О. Сиротюк. Теоретические основы проектирования оптимальных структур распределенных баз данных. М.: СИНТЕГ, 1999.

35. Е.Ю. Конькова. Алгоритмическое обеспечение системы планирования воздушного движения. Научный Вестник МГТУ ГА, №65, сер. Информатика, прикладная математика. М.:МГТУ ГА, 2003.

36. А.Г. Мамиконов, В.В. Кульба, С.А. Косяченко, И.А. Ужастов. Оптимизация структур распределенных баз данных в АСУ. М.:Наука, 1990.

37. О.А. Евтушенко. Методы обработки аэронавигационной информации в системах управления воздушным движением. Диссертация на соискание ученой степени канд.техн.наук. СПб, 1997.

38. JI.E. Рудельсон. Адаптационная модель использования воздушного пространства. Научный Вестник МГТУ ГА, №55, сер. Информатика, прикладная математика. -М.:МГТУ ГА, 2002.

39. М.М. Тверитнев. Методы оптимизации потоков воздушного движения. Научный Вестник МГТУ ГА, №55, сер. Информатика, прикладная математика. М/.МГТУ ГА, 2002.

40. О.А. Петухов. Модели систем массового обслуживания. Учебное пособие. — Сев.-Зап. заочн. политехи. ин-т-Б.м., 1986.

41. О.М. Брехов. ЭВМ и вычислительные сети в терминах систем массового обслуживания. Учебное пособие. М.:МАИ, 1986.

42. Т. А. Пруцева. Разработка методов совершенствования информационного обеспечения УВД с целью обеспечения требуемого уровня безопасности полетов. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н. -Р.:РИИГА, 1989.

43. X. Таха. Введение в исследование операций. Том 1,2. М.:Мир, 1985.

44. В. Феллер. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. Том 1,2. -М.:Мир, 1967.

45. М.А. Черный, В.И. Кораблин. Самолетовождение. — М.:Транспорт, 1977,350с.

46. А.Ф. Колотухин, В.В. Сынников. Методики автоматического расчета высотно-временных траекторий движений ВС. М.:ГЦ ППВД, 2001.

47. В.Н. Касьянов, В.А. Евстигнеев. Графы в программировании: обработка, визуализация и применение. СПб.:БХВ-Петербург, 2003, 1004с.

48. J. Walrand. An introduction to querying networks. University of California Berkeley, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1988.

49. А.И. Костогрызов. Исследование условий эффективного применения пакетной обработки заявок в приоритетных вычислительных системах с ограничением на время ожидания в очереди. 'Автоматика и телемеханика'. 1987, №12, с.158-164.

50. В.А. Жожикашвили. Сети массового обслуживания. Теория и применения к сетям ЭВМ. М.:Радио и связь, 1988.

51. Д. Кенинг. Методы теории массового обслуживания. М.:Мир, 1981.

52. Л.Б. Богуславский. Основы построения вычислительных сетей для автоматизированных систем. М.:Наука, 1990.

53. Л. Клейнорк. Вычислительные системы с очередями. М.:Наука, 1979.

54. А. Кофман, Р. Крюон. Массовое обслуживание. Теория и приложения. -М.:Мир, 1965.

55. В.Ф. Матвеев, В.Г. Ушаков. Системы массового обслуживания. — М.:МГУ, 1984.

56. В.А. Галкин, И.С. Богаев. Модель терминального сегмента телекоммуникационной сети автоматизированной системы продажи и бронирования авиабилетов. Научный Вестник МГТУ ГА, №55, сер. Информатика, прикладная математика. М.:МГТУ ГА, 2003.

57. Е.Ю. Конькова. Показатели качества функционирования системы планирования воздушного движения. Научный Вестник МГТУ ГА, №77(4), сер. Информатика, прикладная математика. М.:МГТУ ГА, 2004.

58. В.В. Рыбалкин. Безопасность полетов. ч.1,2. -М.:МГТУ ГА, 1994.

59. В.В. Рыбалкин, Б.В. Зубков. Человеческий фактор и безопасность полетов. М.:МГТУ ГА, 1994.

60. Б.В. Зубков. Безопасность полетов.-К.:КИИГА, 1983.

61. Р.В. Сакач, Б.В. Зубков. Организация безопасности полетов в гражданской авиации. -М.:МИИГА, 1988.

62. А.И. Костогрызов, А.В. Петухов, A.M. Щербина. Основы оценки, обеспечения и повышения качества выходной информации в АСУ организационного типа. — М.:Изд. "Вооружение. Политика. Коверсия.", 1994. 278с.

63. Е.Ю. Конькова. Подход к решению задачи распределенной обработки данных (на базе системы планирования воздушного движения). МНТК "Гражданская авиация на рубеже веков". Тезисы докладов. М.:МГТУ ГА, 2001, с. 268.

64. Е.Ю. Конькова. Уменьшение времени при обращениях к распределенным базам данных. МНТК "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества". Тезисы докладов. М.:МГТУ ГА, 2003, с. 175.

65. Е.Ю. Конькова. Методы статистической обработки радиосигналов в задаче оценки деятельности диспетчера планирования. Научный Вестник МГТУ ГА, № 93, сер. Радиотехника и радиофизика. М.: МГТУ ГА, 2005, с. 141-145.

66. Е.Ю. Конькова, JI.E. Рудельсон, А.В. Трихачева. Оперативное регулирование потоков самолетов в авиационной системе. 4 международнаяконференции "Авиация и космонавтика-2005". Тезисы докладов. М.: Изд. МАИ, 2005, стр. 60-61.