CC BY
270
УДК 656.7.052:004.4
АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПЛАНИРОВАНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА В ГЦ ЕС ОРВД 1
Р.Х. ГАБЕЙДУЛИН, Д.И. ГОРЯЧЕВ, И.Ф. ЗУБКОВА Статья представлена доктором технических наук, профессором Рудельсоном Л.Е.
Представлено описание ключевых элементов алгоритмического и программного обеспечения системы планирования использования воздушного пространства, эксплуатируемой в Главном центре ЕС ОрВД РФ.
Ключевые слова: использование воздушного пространства, организация потоков, планирование.
Введение
Система планирования использования воздушного пространства (ПИВП) предназначается для обеспечения эффективности функционирования системы обслуживания воздушного движения (СОВД) [1-9]. На диспетчеров планирования возлагаются задачи безопасности и экономичности каждого полета в общей совокупности воздушного движения и действующих ограничений по использованию воздушного пространства.
Автоматизация процессов ПИВП и организации потоков воздушного движения является ключевым направлением повышения пропускной способности системы организации воздушного движения (ОрВД). За рубежом этому вопросу уделяется огромное внимание. Накоплен значительный опыт эксплуатации автоматизированной системы планирования в Европе (СБМИ -Центр организации потоков воздушного движения Евроконтроля). Аналогичные работы в течение ряда лет проводятся совместно Госкорпорацией по ОрВД и коллективом разработчиков ГосНИИ авиационных систем [2-5].
Информационное обеспечение системы ПИВП предусматривает наличие в ней информации об аэронавигационной структуре воздушного пространства, планах полетов, характеристиках воздушных судов (ВС), данных о состоянии СОВД и ее пропускной способности, а также другой информации, необходимой для решения задач организации воздушного движения, анализа функционирования системы.
Одной из основных задач планирования потоков воздушного движения (ВД) является сравнение потребностей в использовании воздушного пространства (ИВП) с пропускной способностью СОВД в течение определенного периода времени, выявление узких, проблемных мест, разработка и проведение мер по регулированию потоков ВС.
Потребности ВД определяются количеством полетов воздушных судов в определенный период времени, приходящихся на определенный район, маршрут, местоположение или службу СОВД. Пропускная способность СОВД выражается в виде количества ВС, входящих в определенную часть воздушного пространства и в определенный период времени, и определяет возможности СОВД и ее подсистем предоставлять воздушным судам обслуживание в условиях нормальной загруженности ВП.
Для сравнения потребностей в ВД с пропускной способностью СОВД рассчитывается загрузка как отдельных элементов СОВД, так и структуры воздушного пространства (СВП) в це-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 08-08-00370-а)
лом - секторов обслуживания ВД (ОВД), точек и участков воздушных трасс и т.д. планами полетов на заданные сутки. Плановая загрузка сравнивается с пропускной способностью элементов, задаваемой либо нормативными документами (например, пропускными способностями секторов ОВД), либо с расчетными параметрами (например, для точек воздушных трасс (ВТ)). Результаты сравнения служат основанием для выявления случаев и степени возможного превышения потребностей в ВД над пропускной способностью СОВД и выработки соответствующих мер. В результате алгоритмическое и программное обеспечение средств расчета и анализа загрузки элементов СОВД и СВП как составных частей автоматизированной системы ПИВП относятся к ключевым элементам системы.
В автоматизированных системах планирования ВД Европы и Америки [6-9] прогнозирование ИВП служит основой для приведения в соответствие потребностей ВД с возможностями СОВД посредством повышения пропускной способности СОВД и/или регулирования потоков ВД. В настоящей статье описан опыт разработки и использования таких средств в составе автоматизированной системы ПИВП, эксплуатируемой в Главном Центре Единой системы организации воздушного движения Российской Федерации (ГЦ ЕС ОрВД) (рис. 1).
Рис. 1. Программные и технические средства автоматизированной системы ПИВП
Результаты работы программного средства (ПС) "Расчет загрузки" сохраняются в таблицах базы данных (БД), а затем используются средствами визуального анализа ИВП - ПС "Анализ загрузки" и ПС "Удаленный доступ".
1. Расчет загрузки
Расчет загрузки элементов СОВД и СВП выполняется в интересах всех этапов деятельности по организации потоков воздушного движения (ОПВД) и послеполетного анализа для всех типов полетной информации:
- предтактическая ОПВД для рейсов из расписания;
- предтактическая ОПВД - для рейсов из плана полетов на предстоящие сутки;
- тактическая ОПВД для рейсов из плана полетов на предстоящие часы, с учетом информации о фактическом выполнении рейсов;
- послеполетный анализ для фактически выполненных рейсов.
Информация о сформированных суточных планах и соответствующей загрузке элементов СОВД и СВП рейсами из суточных планов ежедневно сохраняется в архиве. Это дает возможность при послеполетном анализе сравнивать планируемую загрузку с фактической.
Расчет загрузки элементов СОВД и СВП для разных типов полетной информации выполняется по единым алгоритмам, с особенностями, обусловленными разной динамикой изменения этой информации, определяющей необходимую частоту запуска процедур расчета загрузочной информации. Так, данные о рейсах из расписания меняются сравнительно редко, данные же о планах полетов на завтрашние, и особенно на текущие сутки меняются часто.
Расчет и анализ загрузки выполняются для секторов ОВД - элементов СОВД, а также для других элементов СВП: аэродромов, точек и участков ВТ, районных центров (РЦ), точек входа в сектора ОВД и в РЦ, частей ВТ, направлений потоков ВД. Загрузка любого элемента определяется суммарным количеством ВС, входящих в этот элемент в единицу времени.
2. Представление исходной и загрузочной информации в базе данных
Как исходная информация о планах полетов и их маршрутах, так и рассчитанные данные о загрузке рейсами элементов СОВД и СВП хранятся в таблицах БД. Эти данные, а также аэронавигационные и справочные данные используются для анализа загрузки элементов СОВД и СВП с помощью специальных интерфейсных средств.
Первая группа таблиц БД хранит данные по загрузке аэродромов, точек, участков ВТ, РЦ, секторов конкретными рейсами в определенные временные интервалы. Вторая группа сводных таблиц БД содержит количество рейсов, входящий в данный элемент СОВД или СВП в конкретные сутки и в конкретный часовой интервал (рис. 2).
3. Расчет загрузки в динамике поступления информации
Для решения задачи расчета загрузки элементов СОВД и СВП разработаны алгоритмы, позволяющие сохранять и поддерживать в актуальном состоянии данные о влиянии рейсов на загрузку элементов СОВД и СВП в условиях их динамического изменения. Эти алгоритмы выполняются программным средством (ПС) "Расчет загрузки".
Расчет загрузки рейсами для тактической и предтактической ОПВД осуществляется для рейсов, вылетающих "вчера, сегодня, завтра". Архивирование рассчитанного суточного плана происходит один раз в сутки в ноль часов по UTC (универсальное координированное время (universal time ^ordinated)). Архив фактически выполненных рейсов пополняется ежедневно. На подготовительном к эксплуатации этапе рейсы из расписания рассчитываются с ускоренным темпом на год вперед. По достижении этого объема каждые последующие сутки производится расчет только для одного нового дня, отстоящего от текущих суток на год вперед, расчет выходит на штатный режим работы (рис. 3).
Рис. 2. Схема базы данных по ИВП на сервере БД
Для рейсов всех типов по мере поступления новых данных о полетах и их маршрутах (добавление, удаление, изменение) выполняется соответствующее обновление загрузочной информации в БД. При изменении аэронавигационной информации (точки и участки ВТ, сектора ОВД, регламент работы) также производится коррекция загрузочных данных.
Данные по загрузке для рейсов из расписания, архива фактически выполненных рейсов и архива суточных планов сохраняются до года назад, а данные, рассчитанные для тактической и предтактической ОПВД, считаются неактуальными с позавчерашнего дня. Все данные, достигшие соответствующего предела, считаются устаревшими и удаляются из БД (рис. 3).
Удаление устаревших данных
Предтактика и тактика
Архив сут. планов Архив факт, рейсов
_______________
Архив расп. Стратегия
год^вперед^^
Рис. 3. Загрузочные данные в БД по ИВП в динамике поступления информации
4. Методика и алгоритмы расчета загрузки элементов СОВД и СВП
В алгоритмах расчета загрузки интервал времени оценки загрузки всех элементов СОВД и СВП равен одному календарному часу, кроме того, для секторов ОВД рассчитывается загрузка в течение 20-минутных интервалов времени, что обусловлено требованиями как можно более точной и достоверной оценки загрузки секторов ОВД. Точное решение задачи анализа и контроля загрузки заданного элемента СОВД или СВП и сравнения ее с нормативным значением предполагает анализ загрузки элемента в течение любого интервала заданной длительности (часового интервала) в течение суток, т.е. в течение "нормативного" интервала заданной длительности, начало которого непрерывно изменяется от начала до конца суток. При практической реализации непрерывное перемещение такого часового "окна" заменяется дискретным перемещением с некоторым шагом по времени.
Расчет загрузки выполняется поочередно для каждого рейса, при этом рассчитывается загрузка этим рейсом всех элементов СОВД и СВП, заполняются соответствующие таблицы по-рейсовой загрузки и корректируются данные по загрузке элементов. Наиболее сложны алгоритмы определения загрузки секторов ОВД, так как они основаны на расчете геометрических параметров пересечения траекторией полета границ секторов ОВД.
5. Расчет загрузки секторов ОВД
Г еометрически область сектора ОВД состоит из набора элементарных объемов - областей ВП в виде прямого цилиндра, определяемого основанием и высотами нижнего и верхнего оснований. Основание имеет в общем случае замкнутую криволинейную границу. В простейшем случае сектор может состоять из одного элементарного объема. Границы элементарных объемов секторов заданы последовательностью географических координат точек проекции границы и диапазонов высот.
Объемная конфигурация сектора может меняться во времени, т.е. конкретный состав входящих в него элементарных объемов является функцией времени. В разные интервалы времени суток и в разные дни недели один сектор может включать в себя разные наборы элементарных
объемов. Регламент работы секторов ОВД задает интервалы функционирования секторов ОВД в течение суток для разных дней недели и праздничных дней, а также интервалы времени включения элементарных объемов в сектора ОВД. Сектор ОВД однозначно определяется кодом РЦ и наименованием сектора внутри РЦ, например, УУВЖ, Г орький-3.
Проверяются принадлежность точки земной поверхности внутренней области многоугольника, заданного границами элементарного объема сектора, условия по высоте и времени для данного элементарного объема сектора. Процедура проверки принадлежности заданной точки многоугольнику использует направленный отрезок, проведенный из заданной точки (рис. 4). Ищутся точки пересечения этого отрезка с отрезками границы многоугольника, и по найденным параметрам расположения заданной точки относительно этих точек определяется признак принадлежности заданной точки многоугольнику.
Участок границы описывается отрезком прямой на цилиндрической проекции земной поверхности.
Расчет точки входа в элементарный объем сектора и выхода из него осуществляется в зависимости от принадлежности участка маршрута одной из трех фаз движения - набора высоты, крейсерского полета или снижения. Определение фазы полета выполняется путем сравнения дальности до рубежа набора высоты (РНВ) или дальности до рубежа начала снижения (РНС) с дальностью текущей точки мар-Рис. 4. Схема определения загрузки секто- шрута от аэродрома вылета. Значения дально-
ров рейсом с заданным маршрутом полета стей до РНВ и до рНС имеются в° входных
данных о плане полета.
В результате работы алгоритма для каждого рейса формируются данные по последовательности пролетаемых секторов ОВД и временам их пролета, а также для каждого сектора ОВД -данные по его загрузке в определенные временные интервалы.
6. Анализ загрузки элементов СОВД и СВП
Для проведения анализа загрузки элементов и сравнения их с пропускной способностью системы ОВД для разных типов полетной информации созданы специальные инструментальные средства, которые можно разделить на группы: средства анализа загрузки элементов на заданные сутки, средства анализа статистических характеристик загрузки элементов, средства анализа загрузки элементов в динамике этапов планирования и выполнения полетов. Для разных этапов ОПВД такие средства объединены в компоненты "Стратегия", "Предтактика", "Тактика", "Архивы" ПС "Анализ загрузки" (рис. 5), входящие в ПС "Анализ загрузки". Загрузка сектора может быть представлена заливкой его объема соответствующим цветом на карте или значениями в сводной таблице или диаграммой. Примеры средств анализа загрузки на заданные сутки представлены на рис. 5-7 (слева направо).
7. Статистика
Компонента "Статистика" в составе ПС "Анализ загрузки" позволяет получать:
- помесячные данные (суммарные; максимальные, минимальные и средние суточные; максимальные, минимальные и средние часовые) для заданного интервала месяцев;
- посуточные данные (суммарные; максимальные, минимальные и средние часовые) для заданного интервала (месяц, набор отдельных суток, несколько однотипных дней недели);
Точка, для которой определяется Элементарный принадлежность
объем сектора о6ъеиу
- почасовые данные (максимальные, минимальные и средние для каждого часа) для заданного интервала дат (месяц, набор отдельных суток, несколько однотипных дней недели).
Рис. 5. Таблицы загрузки Рис. 6. Анализ маршрута
Рис. 7. Анализ загрузки
8. Удаленный доступ к загрузочной информации ГЦ
ПС "Удаленный доступ” предоставляет удаленным пользователям возможность получать оперативно и в удобной форме информацию ГЦ ЕС ОрВД в доступном им объеме о плановой загрузке РЦ, секторов ОВД, аэродромов и точек ВТ, а также прогнозируемых местах перегрузки на этапах суточного и текущего планирования. Работа ПС обеспечивается с помощью интернета и специализированного программного обеспечения Baikonur SuperServer, установленного на сервере приложений, который связан с сервером баз данных.
9. Технические средства
Программные средства анализа используют следующий комплект технических средств:
- сервер баз данных (ОС Sun Solaris 10), работающий под управлением СУБД Oracle (Oracle 8i Database Enterprise Edition (64-bit) for Sun Sparc Solaris) с таблицами аэронавигационных и справочных данных, таблицами данных о полетах и маршрутах, таблицами загрузочных данных;
- сервер приложений с программой, управляющей запуском и остановом расчетных компонент ПС "Расчет загрузки";
- рабочие станции для работы ПС "Анализ загрузки";
- сервер приложений с ПС "Удаленный доступ" и Baikonur Application Server;
- рабочая станция администратора баз данных СУБД Oracle;
- рабочая станция администратора удаленных пользователей;
- рабочие станции удаленных пользователей ПС "Удаленный доступ".
Заключение
Описанные интерфейсные средства позволяют диспетчерам планирования исследовать потребности ВД и в результате сравнения с пропускной способностью системы УВД выявить "узкие места": конкретные элементы и часы превышения потребностей над пропускными способностями.
Представленные технологии и средства расчета и анализа загрузки являются ключевой составной частью информационного обеспечения первой версии автоматизированной системы планирования использования воздушного пространства. Но, кроме этого, необходимы автоматизированные средства, непосредственно поддерживающие деятельность диспетчера по выработке мер ОПВД. К задачам таких автоматизированных средств относятся:
- информирование других участников организации ВД о состоянии системы ОВД (форми-
рование и рассылка сообщений-предупреждений заинтересованным органам);
- выработка предложений по разрешению выявленных проблем потребности/пропускная способность (средства интеллектуальной поддержки разработки мер ОПВД);
- организация согласования принятых мер ОПВД.
ЛИТЕРАТУРА
1. Концепция и системы CNS/ATM в гражданской авиации / под ред. Г. А. Крыжановского. - М.: ИКЦ "Академкнига", 2003.
2. Вишнякова Л.В., Дегтярев О.В. и др. Алгоритмическое и программное обеспечение ключевых элементов автоматизированной системы планирования воздушного движения // Российско-европейский семинар "Концепции и технологии организации воздушного движения" ASTEC’07, Москва, 19-22 августа 2007.
3. Линов В.В., Зубкова И.Ф. и др. Алгоритмическое и программное обеспечение ключевых элементов автоматизированной системы планирования воздушного движения // Труды НТК "Авиационные системы в XXI веке". - 2006. - Т. 2.
4. Ребров В.А., Рудельсон Л.Е. и др. Модель сбора и обработки заявок на полеты в задаче планирования авиарейсов // "Известия РАН. Теория и системы управления". - 2007. - №3.
5. Рудельсон Л.Е. Программное обеспечение автоматизированных систем управления воздушным движением: учеб. пособие. - М.: МГТУ ГА, 2004.
6. Правила аэронавигационного обслуживания. Организация воздушного движения. - ICAO DOC 4444 ATM/501. изд. 14, 2001.
7. Air Traffic Flow&Capacity Management Evolution Plan for the ECAC States. - European Organisation for the safety of air navigation, Eurocontrol, Ed.1.0, 2004.
8. Операции по организации потоков воздушного движения и пропускной способности: Руководство для пользователей ОПВДПС // Евроконтроль. - изд. № 10.0, 2004.
9. Концепция организации деятельности // Евроконтроль. - изд. № 1.0, 2004.
ALGORITHMIC AND THE SOFTWARE OF THE AUTOMATED SYSTEM PLANNING OF USE OF AIR SPACE IN MAIN AIR TRAFFIC FLOW MANAGEMENT CENTRE
Gabeydulin R.K., Goryachev D.I., Zubkova I.F.
Algorithmic, software and hardware tools of Airspace use planning and Air Traffic Flow Management (ATFM) system implemented in ATFM Centre of the Russian Federation are presented.
Key words: use of air space, organization of flows, planning.
Сведения об авторах
Габейдулин Рамис Хайдерович, 1987 г.р., окончил МИРЭА (2009), инженер ФГУП "ГосНИИАС", область научных интересов - математические методы моделирования, информационные технологии, вычислительные системы и сети.
Горячев Дмитрий Ильич, 1985 г.р., окончил МАИ (2007), инженер ФГУП "ГосНИИАС", область научных интересов - вычислительные системы и методы, распределенные системы, организация вычислений.
Зубкова Ирина Федоровна, окончила МФТИ (1975), начальник сектора ФГУП "ГосНИИАС", автор 10 научных работ, область научных интересов - математическое моделирование, системы автоматизированного проектирования, системы управления.
