CC BY
44
2006
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Прикладная математика. Информатика
№ 105
УДК 629.735.015:681.3
ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПОЛЕТНЫХ ДАННЫХ НА ОСНОВЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ОБРАЗОВ
П.Е. ЧЕРНИКОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Рудельсоном Л.Е.
В процессе сопровождения воздушных судов программные средства обработки данных (радиолокаторов, спутниковой навигации, планов полетов, диспетчерских вводов) рассчитывают характеристики движения целей на основе разных математических схем. С течением времени рассогласования полетной информации нарастают и приводят к ошибкам отображения обстановки на рабочих местах. Недостатки диспетчеризации вычислительных процессов во взаимодействующих компьютерах системы усугубляют ситуацию. В данной работе представлен способ стабилизации общей картины за счет использования новой формы представления данных - информационного образа, позволяющего сочетать логику современных баз данных с механизмами образного мышления.
1. Введение
Совершенствование компьютерных технологий позволяет поднять на новый качественный уровень решение задач информационной поддержки технологии работы диспетчеров. Становится возможным повысить требования к достоверности и объему данных как о воздушной обстановке, так и о тенденциях ее развития. Можно применять более точные математические схемы прогнозирования погоды и расчета траекторий воздушных судов (ВС), можно использовать всю полноту аэронавигационной информации с учетом ее изменений в реальном масштабе времени. Для реализации новых возможностей необходимо располагать такими формами представления данных в компьютерной памяти, которые обеспечили бы своевременность их обновления по результатам обработки радионавигационных измерений, сообщений по управлению воздушным движением (УВД), метеосообщений, вводов диспетчеров. Это вопросы сортировки и поиска, теории множеств, оптимального управления.
Одна из перспективных форм такого представления данных предложена в [1] в виде совокупности частотных моделей, названной информационным образом (ИО) полетных данных. Такая совокупность обладает следующими свойствами:
• полнота описания фактической и прогнозируемой воздушной обстановки;
• минимальные потребности в памяти;
• минимальные задержки построения, преобразования, ответа на запрос;
• адаптация к изменениям интенсивности потока сопровождаемых ВС;
• способность принимать решения на уровне отношений элементов собственной структуры, без вычислительных процедур и логического анализа описаний объектов.
Перечисленные свойства проявляются как следствие ассоциативного характера внутренних связей предложенной формы представления. Рост количества записей о структуре и состоянии системы УВД порождает новые качества, присущие большим массивам: информация приобретает частотные закономерности (повторяемость величин), позволяющие манипулировать данными на нижнем (числовом) уровне. На образы можно накладывать любую известную модель данных. Для нее элементы записей (атрибуты) представляются абстрактными номерами, расставленными в столбцы гистограмм распределения. Накопление статистики хорошо согласуется с физической природой задач навигации, планирования полетов и УВД, связанных с измерениями и прогнозами.
2. Постановка задачи
Отправным пунктом методики построения ИО полетных данных становится содержательная постановка задачи, для решения которой развертываются автоматизированные системы (АС) УВД: обеспечение необходимого уровня безопасности полетов при ограничениях на их экономичность и регулярность [2]. Целевой критерий безопасности, как правило, представляется выражением, связывающим вероятности потери целостности наземного, самолетного и спутникового сегментов системы. Его величина устанавливается из рекомендаций международной организации гражданской авиации как допустимый уровень вероятности летного происшествия. Ограничения по регулярности и экономичности учитываются на этапах планирования использования воздушного пространства (ИВП) с учетом метеорологических прогнозов. В соответствии с назначением АС УВД для программной поддержки технологии работы диспетчера УВД необходимо не только создать ИО полетной информации как композицию гистограмм распределения почасовой загрузки элементов ВП, но и обеспечить оперативный доступ к описаниям в БД каждого участника воздушного движения - ВС. Это означает, что столбцы каждой гистограммы должны заполняться не просто «меткой» очередного ВС, затрагивающего данный элемент ВП, а меткой-указателем адреса хранения информации о выполняемом рейсе. В результате ИО, помимо общего представления загрузки ВП, становится предикатом доступа к записям БД. Устанавливается обратная связь между характеристиками распределения загрузки ВП и подробным описанием каждого ВС. Основания гистограмм разделены на часовые интервалы в пределах суток, и найти столбцы, соответствующие времени пролета любого элемента ВП не составляет труда. Несколько сложнее определить место метки ВС внутри столбца, упорядочивая хронологическую последовательность меток внутри выбранного часа.
К оличество ВС, затрагивающих данный элемент ВП
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 г
1
Рис. 1. Графическая интерпретация построения ИО полетной информации
Допустим для наглядности, что среди N сортируемых меток нет ни одной, принадлежащей одному часу суток в гистограмме любого элемента ВП. Тогда для установления обратной связи между ИО полетной информации и адресом хранения записи о ВС достаточно упаковывать в основания гистограмм порядковые номера записей в БД. По окончании ввода N описаний ВС будут сформированы совокупности ненулевых значений осей гистограмм тех элементов ВП, которые были затронуты рейсами N анализируемых ВС. Значащие часовые интервалы, соответствующие наличию ВС, перемежаются нулевыми, соответствующими тем часам суток, в которые данный элемент ВП не затрагивался ни одним рейсом. Полученный результат позволяет по каждому элементу ВП (аэродром, пункт обязательных донесений (ПОД), сектор, район) затрагиваемому рейсами, построить список порядковых номеров (меток ВС), сортированный по монотонному изменению значений времени пролета. Совокупность списков по всем элементам
ВП образует мультисписок поиска записей в БД, который становится упорядоченным отображением этих записей и может использоваться в качестве составного индекса поиска любой записи (или группы записей) по значениям времени пролета и по именам элементов ВП.
Список порядковых номеров исходных записей формируется как линейная последовательность, например, сцепление, все элементы (звенья) которого обладают двумя необходимыми свойствами. Во-первых, своими значениями они указывают на адрес записи в БД о том ВС, которое затрагивает данный элемент ВП в данном часе суток. Во вторых, и это главное для формирования сцепленной структуры списка, своими значениями они одновременно указывают адрес следующего звена цепи в порядке монотонного изменения времени. Последний эффект достигается за счет вынесения начального элемента цепи (столбца гистограммы) непосредственно в разряды основания (оси гистограммы). Рассмотрим пример построения информационного образа радиолокационных данных.
3. Пример построения информационного образа полетных данных
Для имитации работы радиолокатора формируются кодограммы сообщений о ВС, обнаруженных за период обзора антенны. По условиям моделирования необходимо сортировать сообщения по моментам обнаружения, азимуту и дальности от точки стояния радара. Записи об имитируемых ВС нумеруются в БД в порядке их появления в зоне видимости локатора. Диапазон изменения времени (0<г<10 секунд с ценой младшего разряда, определяемой разрешающей способностью локатора - 0,125 с) составляет восемь двоичных порядков от 2"3 до 24 с. Следовательно, для оси гистограммы достаточно 2 = 256 двоичных дискретов. Разрядность г каждого дискрета определяется количеством N записей об имитируемых ВС и составляет г = ] 1о§2 N [, где символ ][ означает ближайшее большее целое.
Алгоритм сцепления расставляет номера записей по дискретам оси в соответствии с величиной момента обнаружения. Далее ось просматривается с слева направо. Первый встреченный значащий дискрет содержит порядковый номер записи о ВС с минимальной величиной момента обнаружения. Этот номер становится начальным звеном цепи, сортированной по значению времени (пропорционального азимуту цели). Следующий ненулевой элемент оси содержит номер записи с ближайшим по возрастанию величины моментом обнаружения. Значения этого номера заносятся в поле указателя адреса предшествующей записи (содержащей минимальный по величине момент обнаружения). Этапы образования цепи номеров записей поясняются рис. 1 и табл. 1 (ось дискретов) и табл. 2 Рис. 2. Последовательность (фрагмент сцепленной совокупности записей об ими-
обнаружения ВС в обзоре тируемых ВС).
Таблица 1
Разряды оси 0 0,125 0,875 1,0 1,125 1,5 1,625 3,0 3,375 3,5 3,675
Содержимое 0 0 0 0 3 0 0 0 5 7 0
Стрелки на таблице иллюстрируют объявленные свойства цепи номеров записей о ВС. В левой колонке эти номера перечислены в порядке поступления данных в систему. В средней колонке указаны моменты обнаружения ВС, т.е. порядок их обхода лучом радара в его движении за период обзора антенны, начиная с позиции, изображенной на рис. 1. Именно так расставляются звенья формируемой цепи. В нулевую строку таблицы, соответствующую оси гистограммы распределения моментов обнаружения, заносится номер записи о ВС, которое первым будет затронуто лучом антенны. Это первое звено цепи. Согласно условиям своим значением <3> оно указывает номер ВС, обнаруженного первым в обзоре. Одновременно своим значением <3> оно указывает на следующее звено цепи, куда и направлена стрелка в третьей колонке таблицы. Это место принципиально свободно, потому что по замыслу предназначено для фиксации номера следующей в порядке обхода лучом записи, а собственный ее номер <3> уже вытеснен в основание гистограммы как начальное звено. В это «освободившееся» поле записи о ВС <3> заносится адрес следующего в порядке обзора антенны звена цепи. Согласно рис. 1 -это пятая запись (в порядке поступления в систему). К пятой строке направлена стрелка правого столбца таблицы. Это - второе звено цепи. И вновь оно обладает необходимыми свойствами: одновременно указывать порядковый системный номер ВС в последовательности событий обнаружения и номер следующего звена цепи событий.
Каждое звено сформированной цепи представляет собой номер записи в исходной последовательности (в порядке поступления в систему). Выше предполагалось, что она сортирована в порядке монотонного изменения неповторяющихся по величине моментов обнаружения ВС. Если же ряд записей содержат равновеликие значения одноименных атрибутов (тип ВС, высота полета и т.д.), то возникает необходимость ввести в цепь несколько «одинаковых звеньев». Назовем цепь номеров записей, содержащих равновеликие атрибуты, частичной или элементарной цепью. Тогда единая цепь образуется как совокупность частичных цепей, однозвенных и многозвенных. Для ИО полетной информации эта задача наглядно интерпретируется. Гистограмма загрузки элемента ВП строится как единая цепь моментов пролета ВС через этот элемент с разрешающей способностью оси времени, равной часу. Если внутри часа фиксируется лишь один полет, тогда соответствующая частичная цепь оказывается однозвенной. В случае, если элемент ВП затрагивается рейсами в течение часа несколько раз, элементарная цепь становится многозвенной, образуя столбец гистограммы ИО.
Операции формирования единой цепи производятся при вводе в систему каждой новой записи о ВС. Частичные цепи наращиваются по мере расстановки в полях указателей адресов, а на оси гистограммы фиксируются номера последних в порядке поступления записей, содержащих равновеликие атрибуты. Если же по условиям задачи нам необходимо учитывать последовательность пролета ВС элементов ВП с более высокой точностью, например, до минут или долей секунды, то процедура формирования ИО должна отыскивать место каждой вновь вводимой записи о ВС внутри частичной цепи - столбца гистограммы. В результате, ось гисто-
граммы становится (в терминах БД) входным индексом поиска, указывающим адреса частичных цепей равновеликих (с точностью до часа) моментов пролета элемента ВС. При этом частичные цепи (столбцы), порождаемые осью гистограммы, последовательно адресуют поиск записей, содержащих те же моменты с более высокой разрешающей способностью и сортированные внутри столбца в монотонном порядке неубывания величины.
4. Заключение
Таким образом, данная схема обработки полетной информации позволяет сократить время обращения как к базе данных в целом, так и к искомому в ней элементу в частности. Обращение перестает быть сложным запросом по многим параметрам и становится простым перечислением значений. А также реализуются механизм адаптации к изменяющейся информации об интенсивности потоков ВС, что позволяет использовать информацию в реальном масштабе времени непосредственно во время управления воздушным движением.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гальков М. А., Рудельсон Л. Е., Тверитнев М.М. Имитационная модель использования воздушного пространства // Известия РАН, Теория и системы управления. №4, 2003.
2. Воздушный кодекс Российской Федерации. - М.: Воздушный транспорт, 1997.
REPRESENTATION OF FLIGHT INFORMATION BASED ON INFORMATION IMAGES
Chernikov P.Ye.
In the process of tracing aircrafts, data processing software that uses inputs from radars, satellite navigation, flight plan data and controller’s entries, calculates the parameters of the target's movement based on various mathematical models. Over time, the mismatches between the actual and calculated flight data increase, leading to mistakes of data representation at the controller’s workstations. The situation is further negatively impacted by the drawbacks of routing and computing synchronization between the interacting computers within the system. This article puts forward a solution to stabilize the big picture by proposing a new data representation method: information imaging that allows combining the modern database logic with the mechanisms of image thinking.
Сведения об авторе
Черников Павел Евгеньевич, 1982 г. р., окончил МГТУ ГА (2004), аспирант МГУТ ГА, автор 4 научных работ, область научных интересов - программное обеспечение планирования полетов воздушных судов.
