CC BY
78
УДК 629.735.015:681.3
КОМПЬЮТЕРНАЯ ПОДДЕРЖКА ИНТЕГРИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАНИРОВАНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
В.В. БЫКОВА, С.В. ПЕРЕБЕЙНОС, Л.Е. РУДЕЛЬСОН, М.А. ЧЕРНИКОВА, П.Е. ЧЕРНИКОВ
Основная цель реформирования Единой системы организации воздушного движения России - обеспечить высокий уровень безопасности полетов. Средство достижения - повышение степени автоматизации, а также интеграция органов обслуживания воздушного движения для авиации всех видов. Возникает задача разработки алгоритмов для компьютерной поддержки совместной деятельности диспетчеров на трассах и вне трасс.
Ключевые слова: использование воздушного пространства, организация потоков, планирование.
Введение
Актуальной проблемой развития Аэронавигационной системы (АНС) Российской Федерации (РФ), согласно документам [1] гражданской авиации (ГА), является реформирование и переоснащение подсистемы планирования использования воздушного пространства (ПИВП). Основная цель - повышение безопасности полетов и гибкости ИВП в интересах всех пользователей. Средства достижения цели - создание единых (интегрированных) военно-гражданских органов автоматизации ПИВП, обеспечивающих на базе современных информационных технологий сбор, оперативную обработку и распределение (выдачу) информации о потребностях в ИВП, о состоянии АНС и об условиях выполнения полетов.
Наиболее уязвимым звеном существующей системы ПИВП, с точки зрения функционирования технических средств, являются автоматизированные системы (АС) ПИВП секторов ГА (секторов на трассах) в зональных центрах (ЗЦ) ЕС ОрВД, а также комплексы средств автоматизации ПИВП военных секторов (секторов вне трасс) этих центров. ЗЦ ЕС ОрВД являются ключевыми элементами всей системы ПИВП, так как здесь непосредственно осуществляются сбор и обработка информации об ИВП в их зонах ответственности [2]. В процессе совместной деятельности военные и гражданские специалисты ЗЦ распределяют воздушное пространство (ВП) по времени, месту и высотам между всеми его пользователями. Результаты этой деятельности доводятся для исполнения до органов контроля ИВП (командных пунктов противовоздушной обороны) и органов обслуживания воздушного движения (ОВД), т.е. районных центров (РЦ) ЕС ОрВД, аэродромных центров управления воздушным движением (УВД), командных пунктов аэродромов Минобороны России и других ведомств. Все это накладывает жесткие требования к надежности функционирования и уровню автоматизации технических средств планирования ИВП, а также к унификации технологических процедур в ЗЦ ЕС ОрВД, которые в настоящее время таким требованиям не отвечают.
С участием МГТУ ГА разрабатывается имеющий приоритетное значение проект [1,3] создания и внедрения зональных интегрированных военно-гражданских АС ПИВП для оснащения ЗЦ и укрупненных РЦ ОрВД. Головные образцы предусматривается развернуть в Санкт-Петербургском и Ростовском ЗЦ. Основной задачей проекта является интеграция военных и гражданских органов ПИВП на базе автоматизированных комплексов технических средств, объединенных сетью связи и передачи данных АНС, что обеспечит единое информационное пространство, позволяющее осуществлять оперативное взаимодействие органов планирования между собой, с органами контроля ИВП, а также с пользователями ВП.
К первоочередным задачам проектирования относится интеграция планирования военных и гражданских секторов в Г лавном центре (ГЦ), ЗЦ и РЦ ЕС ОрВД для создания Единой системы ИВП, автоматизирующей весь спектр задач ПИВП как на трассах, так и вне трасс.
1. Постановка задачи
Порядок ИВП законодательно определен Воздушным кодексом РФ [2] и осуществляется органами государственного регулирования. ИВП определено как деятельность, в процессе которой выполняется перемещение в ВП различных материальных объектов, а также другая деятельность, которая может представлять угрозу безопасности воздушного движения (ВД). Деятельность, связанная с перемещением ВС, осуществляется авиацией трех видов [2]: гражданской, государственной и экспериментальной. Для успешной совместной деятельности по ИВП она должна быть рационально организована и спланирована.
Организация ИВП осуществляется органами ЕС ОрВД, а также органами управления полетами в зонах и районах, установленных для них структурой ВП. Уже на этапе установления структуры ВП, исходя из задач авиации различных видов, производится распределение «сфер влияния» - областей пространства, в которых совершаются полеты ВС государственной, гражданской и экспериментальной авиации. Структура ВП включает в себя зоны, районы и маршруты ОВД (воздушные трассы, местные воздушные линии и т.п.), районы аэродромов, специальные зоны и маршруты полетов ВС, запретные зоны, опасные зоны (районы полигонов, взрывных работ и т.п.), зоны ограничений полетов ВС и другие установленные для деятельности в ВП элементы. При совместном ИВП преимущественные права предоставляются пользователям в соответствии с государственными приоритетами.
В настоящее время государственное регулирование деятельности по ИВП осуществляется уполномоченными едиными федеральными органами обслуживания воздушного движения для всех видов авиации. Значительная часть полетов государственной авиации затрагивает ВП ГА, и вопросы организации совместного ИВП выдвигаются на первый план в силу необходимости учитывать несовпадающие интересы и приоритеты участников движения. Возникает актуальная научная задача автоматизированной поддержки деятельности федеральных диспетчеров ОВД органов государственного регулирования при одновременном управлении полетами ВС различных ведомств.
Существующий уровень автоматизации в этой сфере не удовлетворяет диспетчеров. Информация о рейсах государственной авиации, затрагивающих ВП ГА, поступает к ним в ограниченном объеме, несвоевременно и, как правило, носит запретительный характер. В приемлемых условиях федеральные органы ОрВД оказываются в случаях плановых полетов государственной авиации, заявки на которые подаются заблаговременно, включаются в суточный план после процедур координации и не конфликтуют с рейсами ГА. Однако специфика деятельности государственных служб сопряжена с чрезвычайными ситуациями, и тогда необходимость в выполнении полетов возникает как экстренная мера. При этом маршруты движения могут попеременно использовать ВП на трассах и вне трасс, могут лишь пересекать трассы, создавая помехи рейсам ГА. Допускается подача плана полета [4] ВС, находящегося в воздухе, не позднее, чем за 20 мин. до входа на трассу. За это время диспетчер ГА должен освободить ВП для выполнения государственного рейса от менее приоритетных ВС.
В целях безопасности, в условиях недостаточного развития автоматизированной поддержки взаимодействия между диспетчерами, обслуживающими полеты государственной и гражданской авиации, практикуется краткосрочное закрытие областей ВП ГА на время производства полетов государственной авиации [2]. При этом используются либо обходные маршруты, либо невыгодные эшелоны, либо рейсы ГА задерживаются. Любое изменение сбалансированных в процессе предварительного планирования условий выполнения полетов экономически невыгодно. Возникающие издержки можно минимизировать, если повысить достоверность информационного обеспечения диспетчеров ГА. Нужны автоматизированные методы оповещения оперативного персонала на трассах о полетах государственной авиации в его зоне ответственности и программной поддержки взаимодействия с федеральными диспетчерами вне трасс при совместном использовании ВП Г А.
В существующих системах высокого уровня автоматизации предусмотрены некоторые программные процедуры взаимодействия при управлении ВС государственной авиации, вылетающими с аэродромов государственной службы и в соответствии с планом полета выходящими в своем движении на трассы ГА. С момента приема-передачи и на протяжении всего периода следования по трассе такие ВС управляются трассовыми диспетчерами, и если полетным заданием предусмотрен сход с трассы в ВП вне трасс, то производится передача ВС диспетчерам регулирования движения вне трасс.
Сложность алгоритмического распределения плановой информации по рейсам, попеременно затрагивающим ВП на трассах и вне трасс, состоит в следующем. При описании структуры ВП секторы Г А задаются как объемные геометрические тела, внутри которых проложены трассы. Как правило, ВП Г А занимает значительно меньший объем, чем ВП государственной авиации, вследствие большей интенсивности полетов и загрузки диспетчерского персонала. Секторы ГА как бы вложены в соответствующий объем ВП вне трасс.
Хранящиеся в системе параметры не дают однозначного ответа на вопрос, какому ВП принадлежат точки, координаты которых известны, так как ВП на трассах и вне трасс физически совпадают друг с другом. На радионавигационных и полетных картах границы ВП ГА образуют по всей территории РФ мозаику прилегающих друг к другу без зазоров многоугольников. Каждый многоугольник, согласно картографии, содержит ВП вне трасс, внутри которого человек (пилот или диспетчер) может визуально выделить реальное трассовое ВП. Однако для математического решения задачи картографических данных недостаточно. Трассы представлены линиями, а линии не обладают свойством принадлежности разделяемых областей ВП, они являются общими границами этих областей. Для того чтобы способностью человека распознавать ВП на трассах и вне трасс овладели алгоритмы, должны быть разработаны и научно обоснованы методы программной поддержки взаимодействия оперативного персонала секторов государственной и гражданской авиации.
2. Распределение полетной информации по секторам на трассах и вне трасс
Центральной задачей обработки плановой информации является распределение полетных данных по элементам ВП, затрагиваемым маршрутами каждого ВС. Распределение информации - это процесс сортировки точек маршрута по секторам воздушного пространства. Это привязка каждой точки траектории ВС к тому диспетчеру, который будет управлять им в этой точке. Цели решения состоят, во-первых, в определении плановой загрузки элементов в любые интервалы времени и, во-вторых, в своевременном оповещении диспетчеров, непосредственно управляющих действиями пилотов, о прогнозируемом появлении в их секторах очередного ВС. Задача формулируется как анализ маршрута каждого ВС с представлением его в виде совокупности навигационных пунктов, перемежающихся точками пересечения границ секторов, расположенных в хронологическом порядке их пролета по плану. Результатом анализа становится присвоение каждой точке маршрута характеристики ее принадлежности определенному сектору УВД, а также высоты и момента времени ее пролета [4].
Суть проблемы поясняет одна из основных процедур работы диспетчера - прием и передача коллеге управления ВС. С приближением контролируемого борта к границе сектора диспетчер связывается с соседом, в зону управления которого предстоит по плану перейти ВС, и договаривается с ним об условиях передачи. Как правило, факт перехода из сектора в сектор условно фиксируется в ближайшем по маршруту от общей границы секторов навигационном пункте, пролетая который, пилот обязан выйти на связь с принимающим диспетчером. В АС УВД оповещение принимающего диспетчера происходит автоматически с помощью выдачи на экран строки списка входа и активизации плана. Следствием существующей технологии взаимодействия диспетчеров становится необходимость распределять информацию об условиях пролета особых точек (пунктов приема-передачи управления) не в один, а в два сектора УВД. Другими
словами, информация о загрузке особых точек ВП должна учитываться, по меньшей мере, в двух секторах. Несовершенство структуры ВП делает задачу еще более расплывчатой - по ряду особых точек системы УВД информацию об их загрузке необходимо распределять в три и более секторов.
Распределение плановой информации позволяет представить процесс управления каждым ВС в рамках единой технологии взаимодействия диспетчеров, а маршрут полета - как цепочку последовательно затрагиваемых секторов УВД. Звенья этой цепи могут не только частично захватывать друг друга, образуя так называемые [4] буферные зоны, т.е. участки общего пространства, в которых происходит прием и передача управления. Для планов полетов, попеременно затрагивающих пространство на трассах и вне трасс, они могут охватывать несколько звеньев частичной цепи трассовых секторов одним или более звеньями вне трасс.
Алгоритм распределения обеспечивает представление исходной последовательности неповторяющихся точек маршрута в виде накладывающихся (принадлежащих одновременно двум соседним секторам УВД) буферных зон приема-передачи управления. Они расположены в начале и в конце траектории пролета одного сектора. Между ними заключен отрезок траектории, принадлежащий только этому сектору. Такие структурные элементы маршрута описываются двумя параметрами каждый:
• номером точки входа в сектор, начиная с которой, согласно технологии УВД, возможен прием управления от передающего сектора;
• номером конечной точки, после которой передача управления в следующий по маршруту сектор приводит к нарушению технологии УВД.
Нумерация точек соответствует их положению в исходной последовательности пунктов маршрута. В приложении к планам полетов, затрагивающих пространство на трассах и вне трасс, формирование многозвенной цепи накладывающихся секторов пролета осуществляется объединением обеих (на трассах и вне трасс) структур. В единую цепь секторов пролета включаются обе последовательности в хронологическом порядке движения по маршруту. Для каждого сектора допускается не только наложение лидирующих и замыкающих участков приема-передачи управления, но и полный охват сектором вне трасс всех точек маршрута одного и более секторов ГА. Существующая технология УВД допускает прием и передачу ВС между ними только в установленных пунктах, но не во всем контролируемом ВП.
Информационной базой для решения задачи распределения плановой информации в целях своевременного оповещения трассовых диспетчеров о входе в сектор нового ВС является формализованное описание структуры ВП. Наиболее важным параметром данной задачи является сектор. Сектором в ЕС ОрВД называется область ВП, управление полетами в которой осуществляется одним должностным лицом - авиадиспетчером.
Анализ проблемы позволил разработать компактный быстродействующий алгоритм распределения полетных данных, основанный на сортировке точек маршрута по затрагиваемым секторам ОВД. На первом шаге строятся две фиктивные последовательности секторов: трассовая (всем точкам маршрута присваиваются коды секторов ГА) и внетрассовая (всем точкам присваиваются коды секторов вне трасс). На втором шаге находятся отрезки маршрута, принадлежащие участкам трасс ГА, их коды присваиваются соответствующим точкам результирующей последовательности. На третьем шаге оставшиеся вне трасс отрезки маршрута анализируются на наличие в них точек пересечения трасс ГА, и если они обнаруживаются, то их вводят в результирующую последовательность с кодом сектора на трассах. На заключительном шаге процедуры формируются признаки оповещения диспетчеров всех затрагиваемых маршрутом секторов, в том числе и тех, которым не передается управление ВС, но которым планируемый полет может создавать помехи в их деятельности.
На всех этапах управления главной задачей обработки данных является предоставление диспетчеру всей необходимой информации о воздушной обстановке и прогнозе ее развития. Для ее решения требуется знать, на каком рабочем месте, в какие сроки и что нужно отобра-
жать. Такое знание извлекается из распределения каждого рассчитанного плана полета по секторам. Определяются моменты и высоты входа и выхода ВС по каждому из секторов, и все необходимые данные своевременно выдаются на экран и удаляются автоматически.
3. Алгоритм распределения плановой информации на трассах и вне трасс
Изложенную словесную постановку нетрудно формализовать в виде технологической схемы алгоритма, выполняющего автоматическое распределение плановой информации для своевременного оповещения диспетчеров единого центра ОВД о входе в сектор нового ВС.
1. Последовательно просматривать маршрут до первой точки, являющейся либо границей сектора, либо навигационным пунктом, лежащим вне границы, но помеченным либо признаком распределения в смежный сектор, либо признаком активизации; найденную особую точку считать точкой начала распределения в первый затрагиваемый сектор.
2. Последовательно просматривать маршрут от точки начала распределения в очередной сектор до ближайшей точки пересечения с границей следующего высотного или плоскостного сектора УВД или с границей аэродромной зоны.
3. Последовательно просматривать маршрут от найденной границы по направлению движения, учитывая пункты, помеченные признаком выхода; точкой окончания распределения в пройденный сектор считать последний из них, если они обнаружены; в противном случае точкой выхода считать точку пересечения маршрута с границей сектора.
4. Если следующая точка принадлежит одному из секторов района, то последовательно просматривать маршрут от найденной границы в направлении, противоположном движению, на расстояние критерия распределения в смежные секторы; при этом учитывать как особые точки те навигационные пункты, которые помечены признаком входа; точкой начала распределения в следующий сектор считать последний из них, если они обнаружены; в противном случае точкой входа в следующий сектор считать точку пересечения маршрута с его границей; далее вернуться к п. 2 процедуры распределения; иначе (достигнуто расстояние критерия распределения) перейти к п. 5.
5. Если одна или более следующих точек маршрута не принадлежат ни одному из секторов системы, но следующие далее точки принадлежат ей (например, горизонтальный участок траектории пересекает пространство аэродромной зоны и не управляется трассовым диспетчером районной АС УВД), то последовательно просматривать маршрут от границы следующего сектора, принадлежащего району, в направлении, противоположном дальнейшему движению на расстояние критерия распределения в смежные секторы, учитывая как особые точки навигационные пункты, помеченные признаком распределения; точкой начала распределения в следующий сектор считать последний из них (наиболее ранний по направлению полета), если они обнаружены; в противном случае точкой входа в следующий сектор считать точку пересечения маршрутом границы сектора, принадлежащего району; вернуться к п. 2 процедуры распределения; иначе перейти к п. 6.
6. Если все последующие точки не принадлежат системе, то последовательно просматривать маршрут от границы в направлении дальнейшего движения на расстояние критерия распределения в смежные секторы, учитывая как особые точки навигационные пункты, помеченные признаком выхода; точкой окончания распределения в системе считать последний из них, если они обнаружены; в противном случае точкой выхода из системы считать точку пересечения маршрута с границей последнего пройденного сектора.
7. Вычислить интервалы времени пребывания ВС в каждом секторе и удалить из распределения секторы, в которых полет продолжается менее минуты. Проверить наличие секторов, в которых не затрагивается ни один пункт, помеченный признаком обязательного донесения; при их обнаружении пометить соответствующим признаком точку входа.
8. Повторно просматривать маршрут от начала до первого помеченного признаком входа
на трассу пункта; если точка начала распределения расположена ранее, то весь пройденный участок, включая вход на трассу, распределить в сектор вне трасс; иначе перейти к п. 9; по выходу из просмотра распределить пройденный участок и перейти к п. 10.
9. Последовательно просматривать маршрут до пункта, помеченного признаком схода с трассы; если найденная точка не является точкой окончания распределения, то вернуться к п. 8, считая началом распределения точку схода с трассы; иначе перейти к п. 10.
10. Построить последовательность оповещения диспетчеров о прилете в их секторы ВС в порядке возрастания времени прохождения точек начала распределения в сектор; если одна и та же точка является началом распределения в трассовый и внетрассовый секторы одновременно, то первым ввести в последовательность сектор вне трасс; если в последовательности образовались сдвоенные (или повторенные подряд) секторы пролета, то объединить их, присвоив точке начала распределения номер точки входа в первый из них, а точке окончания распределения -номер точки выхода из повторенного последним.
Примерами неоднократного повторения следующих друг за другом подряд вхождений в один сектор являются отмеченное в п. 5 пересечение аэродромной зоны трассовым маршрутом в районной системе УВД, а также движение во внетрассовом пространстве, перемежающееся входами и сходами с трасс. В первом из этих случаев из распределения должны быть удалены пункты, в которых управление осуществляет диспетчер подхода, во втором - из распределения для трассового диспетчера исключаются внетрассовые точки, из распределения для диспетчера сектора вне трасс устраняются точки на трассах.
Заключение
В статье разработана технологическая схема алгоритма компьютерного распределения плановой информации между взаимодействующими секторами на трассах и вне трасс в интегрированных военно-гражданских центрах планирования и управления полетами всех видов авиации. Актуальность задачи определяется происходящим в настоящее время реформированием ЕС ОрВД РФ, приоритетным направлением которого выбрано совместное использование воздушного пространства страны. Раньше, до объединения ведомственных органов государственного регулирования полетов, диспетчеры ГА получали запрет на использование воздушных трасс, теперь диспетчеры интегрированных центров могут эффективно организовывать одновременное ИВП на трассах страны авиацией разных ведомств.
Формализация задачи затруднена тем, что согласно существующей нарезке структуры системы трассовое пространство физически совпадает с пространством вне трасс. Для преодоления этого затруднения предложен алгоритм, выполняемый в три шага.
1. Строится основная схема распределения точек маршрута, соответствующая нарезке секторов вне трасс, и дублирующая схема, соответствующая нарезке секторов на трассах.
2. На дублирующей последовательности точек маршрута отыскиваются участки трасс ГА, и соответствующие отрезки в основной последовательности маркируются кодами ГА.
3. Оставшиеся последовательности точек (отрезки) маршрута основной схемы распределения, не помеченные кодами ГА, анализируются на наличие точек пересечения с трассами ГА. При обнаружении таких точек они помечаются кодами ВП вне трасс с оповещением диспетчеров на трассах (без передачи управления воздушным судном).
Сформированная последовательность используется при формировании списков по сектору, по РЦ и ЗЦ с селекцией полетов на трассовые и внетрассовые, а также для обеспечения плановой информацией этапа непосредственного УВД. Списки входа включают в себя не только строки о рейсах, принимаемых на управление, но и о рейсах, создающих помехи движению: пересекающих трассы в произвольных точках либо затрагивающих навигационные пункты ГА без выхода на трассу.
ЛИТЕРАТУРА
1. О состоянии обеспечения аэронавигационной информацией и модернизации системы планирования использования воздушного пространства Российской Федерации. Постановление Аэронавигационного совета (Коллегии) от 12.09.07. - № 2.
2. Воздушный кодекс Российской Федерации. - М.: Омега-Л, 2005.
3. Технологии автоматизации процессов планирования ИВП и ОПВД. Книга 3 Технического проекта «АС ПИВП ГЦ. Документ ПАВУ.466453.001ПЗ. - М.: 2009.
4. Рудельсон Л.Е. Обработка плановой информации. Модель использования воздушного пространства: учеб. пособие. - М.: МГТУ ГА, 2004.
COMPUTER SUPPORT OF THE INTEGRATED TECHNOLOGY OF PLANNING OF USE OF AIR SPACE
Bykova V.V., Perebeynos S.V., Rudel’son L.E., Chernikova M.A., Chernikov P.E.
The main objective of reforming of Uniform system of the organization of an air traffic of Russia - to provide high level of safety of flights. Achievement means - transition to a new step of automation, and also integration of an air traffic management centers for all kinds of aviation. The problem of working out of new algorithms for computer support of joint activity of controllers is discussed.
Key words: use of air space, the organization of flows, planning.
Сведения об авторах
Быкова Вера Викторовна, окончила МГТУ ГА (1989), научный сотрудник ГосНИИ ГА, автор 10 научных работ, область научных интересов - программное обеспечение автоматизированных систем организации воздушного движения.
Перебейнос Сергей Владимирович, 1985 г.р., окончил МГТУ ГА (2007), аспирант МГТУ ГА, автор 7 научных работ, область научных интересов - программное обеспечение планирования полетов воздушных судов.
Рудельсон Лев Ефимович, 1944 г.р., окончил МЭИ (1968), доктор технических наук, профессор МГТУ ГА, автор более 140 научных работ, область научных интересов - программное обеспечение автоматизированных систем организации воздушного движения.
Черникова Марина Александровна, окончила МГТУ ГА (2004), аспирантка МГТУ ГА, автор 20 научных работ, область научных интересов - программное обеспечение планирования полетов воздушных судов.
Черников Павел Евгеньевич, 1982 г.р., окончил МГТУ ГА (2004), ведущий специалист ГосНИИ ГА, автор 19 научных работ, область научных интересов - программное обеспечение планирования полетов воздушных судов.
