close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка аппаратно-программного комплекса планирования и управления пространственным движением объектов

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ТИМОФЕЕВ Семен Юрьевич
РАЗРАБОТКА АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА
ПЛАНИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫМ
ДВИЖЕНИЕМ ОБЪЕКТОВ
Специальность 05.13.06 – «Автоматизация и управление технологическими
процессами и производствами (в промышленности)»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Тверь
2015
2
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тверской государственный технический
университет»
Научный руководитель:
Лебедев Владимир Владимирович, кандидат технических наук, доцент, профессор
кафедры «Электронные вычислительные машины» Тверского государственного
технического университета.
Официальные оппоненты:
Борсоев Владимир Александрович, доктор технических наук, доцент, заведующий
кафедрой «Навигационного обеспечения полетов и аэронавигационной
информации» некоммерческого образовательного учреждения дополнительного
профессионального образования «Институт аэронавигации», г. Москва.
Карев Вадим Васильевич, кандидат технических наук, доцент, ведущий инженер
бюро научно-производственного центра (НПЦ) опытно-конструкторского бюро
(ОКБ) открытого акционерного общества (ОАО) «Научно-производственное
объединение (НПО) «Лианозовский электромеханический завод (ЛЭМЗ)»,
г. Москва.
Ведущая организация:
Открытое акционерное общество «Специальное проектно-конструкторское бюро
средств управления», г. Тверь.
Защита состоится « 10 » апреля 2015 г. в 14-00 на заседании диссертационного
совета Д 212.262.04 в Тверском государственном техническом университете по
адресу: 170026, г. Тверь, наб. Аф. Никитина, 22.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тверского государственного
технического университета по адресу: 170024, г. Тверь, пр. Ленина, 25, зональная
научная библиотека.
Автореферат размещен на сайте ТвГТУ по адресу:
http://www.tstu.tver.ru/
Автореферат разослан «
» февраля 2015 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.262.04
д.ф.-м.н., профессор
Дзюба С.М.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. В настоящее время развитие аппаратнопрограммных комплексов планирования и организации пространственного
движения объектов переживает период интенсивного технического обновления на
основе новых информационных технологий.
Аппаратно-программные комплексы изготавливаются на предприятиях
выпускающих аэронавигационные системы. Одним из таких предприятий является
ОАО "Научно-технический центр промышленных технологий и аэронавигационных
систем" (ОАО «НТЦ Промтехаэро»), входящее в состав концерна ОАО "Концерн
ПВО "Алмаз-Антей"", который формирует стратегии научно-технического и
технологического развития разрабатывающих и производственных предприятий,
определяет перспективные направления разработок. Работа выполнена по заказу и
ее результаты внедрены в ОАО «НТЦ Промтехаэро» в составе специализированного
программного обеспечения разрабатываемых предприятием программноаппаратных комплексов.
Необходимость разработки новых и обновления существующих систем
планирования объясняется следующими обстоятельствами: во первых, в
большинстве регионов страны объемы внутренних воздушных перевозок и
интенсивность воздушного движения ежегодно возрастает, во вторых, интеграция
РФ в мировую систему воздушного транспорта требует повышения уровня
аэронавигационного обслуживания и безопасности полетов, приведения их в
соответствие с международными требованиями.
Все это невозможно без модернизации и коренного обновления технических и
программных средств аэронавигации, совершенствования методического аппарата
автоматизированной системы планирования и управления воздушным движением,
позволяющего сохранить уровень нагрузки на диспетчеров непосредственного
управления ИВП на приемлемо допустимом уровне.
Для этого, распоряжением Правительства РФ в настоящее время выполняется
федеральная целевая программа «Модернизация единой системы организации
воздушного движения (ОрВД) РФ на 2009 – 2015 годы» в рамках которой, центры
планирования оснащаются новыми аппаратно-программными комплексами
автоматизации процессов планирования использования воздушного пространства
(ИВП) и организации потоков воздушного движения (ОПВД).
Исследования задач, решаемых такими комплексами, отражены в работах
Анодина Т.Г., Кузнецов А.А., Маркович Е.Д., П.Е. Черникова, Кан А.В. и др.
Следует отметить особый вклад в решение этих задач Л.Е. Рудельсона. В работах
указанных авторов большое внимание уделяется вопросу использования системного
подхода при решении задач синтеза и анализа систем планирования и управления
воздушным движением. Однако, разработанные ими алгоритмы и методики
разрабатывались для использования при УВД или при тактическом планировании в
Районных центрах ЕС ОрВД, отвечающих за «небольшую» территорию и
обрабатывающих не большое количество планов.
Таким образом, совершенствование методов и алгоритмов обработки
информации в системах планирования и организации воздушного движения,
позволяющих повысить уровень автоматизированной поддержки диспетчерского
4
персонала на этапах планирования, является актуальной научной и практической
задачей.
Объектом исследования является разработка аппаратно-программного
комплекса планирования и управления пространственным движением объектов.
Предметом исследования являются методы и алгоритмы решения задач
обработки плановой информации для анализа воздушной обстановки и выработки
мер организации пространственным движением объектов.
Целью исследования является повышение качества подготовки и уровня
автоматизации процесса планирования воздушного движения на основе применения
разработанных методик анализа.
Научной задачей, решаемой в диссертационной работе, является разработка
методик обработки и анализа плановой информации, решающих задачи,
возникающие на различных этапах планирования.
Для достижения цели диссертационной работы необходимо решение
следующих задач:
 выполнить анализ основных задач, выполняемых автоматизированными
системами планирования пространственным движением объектов;
 разработать методику расчета пространственно-временной траектории
движения ВС;
 разработать методику расчета потенциальных конфликтных ситуаций между
ВС, подходящую для использования на этапах планирования воздушного движения;
 разработать методику построения множества альтернативных маршрутов
полета по сети авиационных трасс с учетом установленных ограничений;
 разработать программное обеспечения, реализующего предлагаемые
методики, для оценки их эффективности.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались
методы системного анализа, имитационного моделирования, математического
анализа
и
аналитической
геометрии,
объектно-ориентированного
программирования.
Научная новизна работы состоит в следующем:
В работе получены следующие результаты, определяющие её научную новизну:
1. Разработана методика расчета пространственно-временной траектории ВС,
предоставляющая все необходимые данные о полете ВС для выполнения основных
задач по анализу воздушного движения;
2. Разработана методика расчета потенциальных конфликтных ситуаций,
основывающаяся на ведении и анализе списков входа для элементов воздушного
пространства;
3. Разработана методика построения множества альтернативных маршрутов
полета ВС по сети авиационных трасс, учитывающих установленные ограничения
использования воздушного пространства, и приближенных к оптимальному по
выбранному критерию;
4. Произведена интеграция методик и алгоритмов в программное обеспечение
для систем планирования центров ЕС ОрВД РФ;
5. При разработке методик и алгоритмов, рассмотрены вопросы повышения их
5
производительности за счет специальной организации исходных данных, так же
использования возможностей параллельной обработки данных.
Достоверность и обоснованность научных результатов, выводов и
рекомендаций
диссертации
основана
на
корректном
использовании
математического аппарата и подтверждается экспериментальной проверкой
предложенных методик и алгоритмов на реальных данных. Выводы и предложения
диссертационного исследования не противоречат известным теоретическим и
практическим результатам, сформулированным в трудах отечественных и
зарубежных ученых в данной области исследований.
Практическая значимость работы заключается в том, что алгоритмы и
методики рассматриваются с точки зрения практической реализации в специальном
программном обеспечении систем планирования и организации воздушного
движения. Таким образом, значительно упрощается их реализация в новом и
существующем программном обеспечении, разрабатываемом в рамках программы
модернизации ЕС ОрВД РФ.
Все предложенные в диссертационной работе методики и алгоритмы
адаптированы для анализа использования воздушного пространства на всех этапах
планирования (включая стратегический), и позволяют более эффективно по
сравнению с существующими аналогами решать задачи планирования и
организации воздушного движения.
Разработанные алгоритмы и методики реализованы в составе программного
обеспечения аппаратно-программного комплекса «Комплекс средств автоматизации
планирования использования воздушного пространства местного диспетчерского
пункта» (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ
№ 2012610215 от 10.01.2012 г.), шифр «КСА ПИВП МДП», а так же в составе
НИОКР «Разработка фрагментов программного обеспечения систем планирования
использования воздушного пространства на основе рекомендаций ИКАО и
Евроконтроля», шифр «База-ИВП», ОКР «Разработка базовой технологии создания
аппаратно-программного комплекса моделирования информационно-управляющих
радиотехнических систем», шифр «Технология-НС». Соответствующие акты о
внедрении приведены в диссертации.
На защиту выносятся:
1. Методика расчета потенциальных конфликтных ситуаций между ВС,
основанная на ведении и анализе списков входов в элементы воздушного
пространства;
2. Методика построения множества альтернативных маршрутов полета ВС по
сети авиационных трасс, учитывающих установленные ограничения использования
воздушного пространства;
3. Программные средства, реализованные в рамках специального программного
обеспечения планирования и организации воздушного движения, для
моделирования и анализа разработанных методик и алгоритмов.
Апробация работы. Научные положения и практические рекомендации
диссертационной работы в целом, а также отдельные ее разделы докладывались и
обсуждались на 3-й Всероссийской научно-технической конференции аспирантов,
студентов и молодых ученых «Информатика и вычислительная техника»,
6
г. Ульяновск, 2011; XXX Международной научно-технической конференции
«Математические методы и информационные технологии в экономике, социологии
и образовании» (зимняя и летняя сессии), г. Пенза, 2013; XХV Международной
заочной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к
практике», г. Новосибирск, 2013; XIII Международной научно-технической
конференции «Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и
технике», г. Пенза, 2013; а также на научных семинарах кафедры ЭВМ ТвГТУ.
Внедрение. Результаты диссертационной работы были внедрены в ОАО
«Концерн ПВО «Алмаз-Антей»» ОАО «Научно-технический центр промышленных
технологий и аэронавигационных систем» (г. Москва).
Публикации. Основные положения работы опубликованы в 8 статьях, 2 из
которых, в научных изданиях рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, четырех глав, заключения и содержит 183 страницы основного текста.
Список источников содержит 73 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность и практическая значимость
диссертационной работы. Приведены основные положения, выносимые на защиту.
Кратко изложено содержание глав диссертации. Сформулированы цель и основные
задачи исследований, научная новизна и практическая ценность результатов работы.
В первой главе выполнен анализ предметной области. Рассмотрена
организационная структура органов планирования ЕС ОрВД РФ. Описываются
основные автоматизированные функции центров планирования ЕС ОрВД, а так же
производится анализ процесса обработки плановой информации.
На рис. 1 представлена
общая схема типовой структуры
аппаратно-программного
комплекса автоматизированной
системы
планирования
ВД.
Центром систем является БД, в
которой хранится информация о
планах полетов, ограничениях
ИВП,
летно-технических
характеристиках типов ВС и др.
информация необходимая для
поддержки деятельности по
планированию
ВД.
Для
обеспечения надежности БД
разворачивается
на
двух
физических
серверах
с
настройкой репликации данных.
Рисунок 1. Типовая структура аппаратнопрограммного комплекса автоматизированной
системы планирования ВД
7
Анализ и принятие решений
Поиск вариантов решения
Ведение и анализ данных, хранящихся в БД осуществляет комплекс специально
разработанного программного обеспечения (СПО). Комплекс СПО разворачивается
на рабочих местах диспетчерского персонала, а также на серверах приложений и
web-сервере. СПО развернутое на серверах приложений осуществляет
автоматическую обработку данных, а web-сервер предоставляет доступ к данным
для пользователей, которыми могут быть как пользователи ВП (авиакомпании,
частные лица и т.д.), так и другое СПО в составе АПК. СПО развернутое на рабочих
местах предоставляет возможности по анализу и корректировке данных, которые не
удалось обработать автоматически, а также разработки мер организации воздушного
движения. Связь с внешними абонентами осуществляется по каналам связи АФТН
(сеть авиационной фиксированной электросвязи), Internet, а также защищенным
каналам связи.
На рис. 2 представлен обобщенный процесс обработки плановой информации в
системах планирования ВД. На рисунке представлены основные задачи, решаемые в
системах планирования, а также исходные данные, необходимые для решения этих
задач.
Заявки на
На основе рассмотренного
ЦСОПП
Эксплуатанты
ИВП
процесса обработки плановой
Планы полетов
информации были выбраны
Аэронавигационная
Анализ маршрутов и
методики, которые необходимо
информация
расчет 4D-траекторий
разработать
в
рамках
Метео-данные
Анализ соблюдения
диссертационной работы:
правил ИВП
Ограничения ИВП
 Методика расчёта 4DПоиск ПКС
Летно-технические
траектории;
характеристики
Расчет загрузки
 Методика поиска
Режимы/Регламенты
элементов ВП
работы элементов ВП
потенциальных
Выявление перегрузки
Вспомогательные
конфликтных ситуаций
элементов ВП
справочные данные
(ПКС);
Нормы пропускных
Результат: Согласованный
способностей
 Методика поиска
бесконфликтный план полетов
множества
Рисунок 2. Обработка плановой информации в
альтернативных
системах планирования ИВП
маршрутов полета.
В заключительной части первой главы выполнена постановка цели и
сформулированы задачи исследования.
Во второй главе разработана методика расчета пространственно-временной
траектории воздушного судна (4D-траектории) с учётом данных, доступных на
различных этапах планирования и управления воздушным движением.
Разработанная методика соответствует принятой Евроконтролем концепции
этапов «Gate-to-Gate», в соответствии с которой, полет принято рассматривать в
последовательном прохождении следующих фаз: руление от места стоянки до ВПП,
разбег и взлет с ВПП; набор высоты до выхода на крейсерский эшелон полета; полет
на крейсерском эшелоне; набор высоты или снижение для смены эшелона полета;
разворот над опорной точкой маршрута; снижение до точки входа в глиссаду (ТВГ)
для захода на посадку; посадка, пробег и руление до места стоянки.
8
Для
представления
маршрута
полета
была
принята объектная модель,
которая представляет весь
маршрут в виде списка
участков маршрута, которые
могут быть разделены на
подучастки (рис. 3).
Рисунок 3. Представление маршрута в виде списка
участков и подучастков
Разделение на подучастки происходит при расчете 4D-траектории и
выполняется таким образом, что бы ВС на каждом из подучастков соблюдало
определенный характер движения: по скорости движения: участки равномерного,
равноускоренного и равнозамедленного движения; по высоте полета: участки
крейсерского полета, участки набора высоты и участки снижения;
Общий порядок расчета 4D-траектории выглядит следующим образом:
1. Построение базового маршрута (2D-маршрут);
2. Ввод дополнительных точек: точки начала разбега и отрыва от ВПП; точки
входа в глиссаду, касания полосы и остановки; точки пересечения с границами
зон ВП без учета высот;
3. Расчет профиля набора высоты до занятия крейсерского эшелона;
4. Расчет профиля снижения до точки входа в глиссаду;
5. Расчет участков маршрута: базовый расчет по штилю; расчет профиля полета
при изменении эшелона; расчет корректировок по радиусам разворота в
опорных точках маршрута.
6. Расчет точек пересечения с зонами ВП при изменении высоты полета;
7. Расчет корректировок по метеоусловиям;
8. Расчет действительных точек входа/выхода в зоны ВП.
Расчет пересечений с зонами ВП необходим для следующих целей:
1. Определения точек перехода и составления порядка передачи управления
воздушным судном. Это необходимо для: распределения информации по
рабочим местам диспетчеров планирования и управления ВД; определения
адресов рассылки сообщений; анализа плана полета на соблюдение правил
ИВП; расчета загрузки зон ВП.
2. Определения потенциальных конфликтных ситуаций между воздушными
судами и зонами ограничений ИВП.
При расчетах учитываются: маршрут ВС, границы зон ВП и занимаемые ими
диапазоны высот, а также данные летно-технических характеристик типа ВС. Из зон
ВП, нас интересуют сектора УВД, районы аэродромов и зоны ограничений ИВП.
Задача расчета профиля полёта заключается в определении высоты полета ВС
как в основных точках маршрута, так и в любой произвольной точке. Кроме того,
решена задача расчета промежуточных точек для описания порядка изменения
высоты полета и определения точек/времени начала/окончания операций изменения
высоты. Для расчета этапов изменения высоты полета используется методика,
которая разделяет ВП на несколько воздушных слоев, в которых данный тип ВС
соблюдает установленную скорость набора/снижения.
9
M-1
d
K-1
c
u (x; y)
A
y
v (D; y)
v (0; y)
Dad
M
x
v (x; y)
K
Ddc
u (x; D)
Dbc
u (x; 0)
b
a
Dab
Рисунок 4. Нахождения скорости
ветра на конкретном уровне, но в
произвольной точке с помощью
билинейной интерполяции.
u
Наиболее существенные влияние на
соблюдение 4D-маршрута полета оказывают
текущие метео-условия. Данные по метеоусловиям поступают из московского метеоцентра в формате GRIB и содержат
информацию о давлении и скорости ветра в
узлах метео-сетки. При расчете планов на
этапе
стратегического
планирования,
используются среднестатистические данные
(расчет по «климату»).
При работе с данными GRIB для
нахождения скорости ветра на эшелоне
(уровне полета p), не совпадающем с
уровнями отбора данных, применяется
логарифмическая интерполяция:
u1   p  p1    p2  p   u 2   p  p2    p  p1 
v   p  p1    p2  p   v2   p  p2    p  p1 
v 1
2  p   p2  p1 
2  p   p2  p1 
, где u1, v1, p1 и u2, v2, p2 – составляющие ветра и давление на уровнях выше и ниже
интерполируемого.
Для нахождения скорости ветра на конкретном уровне, но в произвольной
точке применяется билинейная интерполяция (рис. 4).
u  ua  ub  ua   Dx  ud  ua   Dy  ua  ub  uc  ud   Dx Dy
v  va  vb  va   Dx  vd  va   Dy  va  vb  vc  vd   Dx Dy , где
ui, vi – составляющие скорости ветра в узлах регулярной сетки;
Dx = x / D, Dy = y / D, D = Dab = Dad = Ddc = Dbc – шаги сетки.
В третье главе разработана методика расчета потенциальных конфликтных
ситуаций между воздушными судами, учитывающая особенности трассовых
полетов при обработке большого количества планов и прогнозе воздушной
обстановки на длительный срок. Потенциальной конфликтной ситуацией между
двумя воздушными судами называется ситуация, при которой без изменения режима
полета произойдет опасное сближение ВС.
Одной из основных задач для любой методики расчета ПКС, является
сокращение числа проверяемых на конфликты пар ВС, так как попарная проверка
каждого маршрута каждого ВС не предоставляется возможным, в связи
трудоемкостью задачи (O(n2), где количество планов n составляет от 5 до 30 тысяч).
В системах УВД, данная задача решается проверкой ВС, попадающих в одну ячейку
координатной сетки. На этапах планирования такой подход использовать нельзя, так
как потребуется выполнение имитационного моделирования положения воздушных
судов на весь период прогноза (до года вперед). Для решения данной задачи
разработанная методика основывается на ведении и анализе списков входа ВС в
элементы воздушного пространства (точки ВП и участки маршрутов).
Для трассовых полетов все ПКС сводятся к 3 типам, представленным на рис. 5.
10
а)
P3
f1
f1
f1
P1
P4
б)
f2
f2
P5
P2
P2
f2
f2
P6
f1
P4
f1
P3
P1
f2
P5
в)
P3
P1
P2
P
f1
f2
P4
Рисунок 5. Типы ПКС между ВС f1 и f2: а) на общем участке; б) в общей точке;
в) на пересекающихся участках.
Под общими и пересекающимися участками, понимаются участки маршрута,
проходящие по известным участкам трасс, участкам СИДа или СТАРа, а так же
спрямленные участки маршрута, соединяющие известные (именованные) точки ВП.
Под списком входа, в разработанной методике понимается упорядоченный по
времени входа список записей, хранящих информацию о пролете ВС через элемент
ВП (точку или участок): ссылки на маршрут и план полета; расписание выполнения
полетов; время входа (в точку или на участок); время выхода (для участка); высота
входа (для точки); минимальная высота на участке; максимальная высота на
участке; направление движения по участку; дата/время последнего обновления
маршрута на момент создания записи.
Варианты практического применения методики расчета ПКС сводятся к двум
случаям: анализ всех планов полетов на наличие ПКС и анализ отдельного плана
полета. Для каждого из этих вариантов используется свой алгоритмом обхода
списка входа, минимизирующий количество сравниваемых пар записей.
Если выбранная пара записей  и  проходит грубую проверку на
возможность существования ПКС, далее выполняется подробный анализ взаимного
движения ВС во время прохождения соответствующей точки ВП или участка
маршрута.
Для случая пролета ВС через общую точку ВП, действующие в РФ правила
эшелонирования ограничивают значение интервала между судами (по расстоянию
и/или по времени), когда какое-либо ВС достигает точки пересечения маршрутов
(расстояние s на рис. 6 а).
H
а)
б)
в)
P3 H
момент
f
1
f1
времени tx
f1
P1
P2
Δh(t
)
x
f2
f2
s
f2
P5
s(th)
T
X
P4
Точка расхождения ВС
ti
th
ti+1
Рисунок 6. Определение расстояний между ВС для сравнения с нормами
продольного и вертикального эшелонирования.
Таким образом, ПКС при прохождении ВС через общую точку ВП
фиксируется в случае выполнения хотя бы одного из условий:
|вх  − вх  | < конфл или s ≤ Xконфл , где
конфл и Xконфл – норма продольного эшелонирования по времени и расстоянию; s –
расстояние между ВС в момент входа первого ВС в точку ВП ( = min(вх  , вх  )).
Расчет ПКС при движении ВС по общему участку осложняется большим
11
разнообразием возможных ситуаций движения воздушных судов относительно друг
друга. В связи с этим, задача анализа движения воздушных судов на общем участке
была сведена к задаче анализа взаимного движения ВС на подучастках.
Для анализа выбираются подучастки, на которых одновременно находятся оба
ВС. Выбранные подучастки анализируются на характер вертикального движения
воздушных судов, и относятся к одному из 3 вариантов взаимного движения ВС на
подучастках. Для каждого из этих вариантов были составлены собственные
алгоритмы проверки на наличие ПКС и расчета ее параметров (в соответствии с
федеральными авиационными правилами):
вариант 1: ВС двигаются на одной высоте ПКС фиксируется при существовании
полета (эшелоне);
решения неравенства:
s(t) ≤ Xконфл , где  ∈ [ , +1 ]
вариант 2: маршруты воздушных судов
ПКС фиксируется при выполнении
пересекаются при изменении высоты
хотя бы одного из условий (рис. 6 б,в):
полета хотя бы одним из ВС;
s(t h ) ≤ Xконфл или ∆h(t x ) ≤ Hконфл
вариант 3: одно или оба воздушных судна ПКС фиксируется при существовании
меняют высоту полета, но их маршруты не
решения системы неравенств:
s(t) ≤ Xконфл
пересекаются.
{
, где  ∈ [ , +1 ]
h(t) ≤ Hконфл
В данных формулах:
 ℎ – момент времени пересечения траекторий ВС по высоте, который
рассчитывается путем решения уравнения: ∆ℎ(ℎ ) = 0, где ℎ ∈ [ , +1 ];
  – момент времени расхождения ВС, который рассчитывается путем решения
уравнения: ( ) = 0, где  ∈ [ , +1 ], [1 ( ); 1 (+1 )] ∩ [2 ( ); 2 (+1 )] ≠ ∅;
 Hконфл – нормы вертикального эшелонирования;
 () = |1 () − 2 ()| – расстояние между ВС f1 и f2;
 ∆ℎ() = |ℎ1 () − ℎ2 ()| – разница высот между ВС f1 и f2;
 ℎ() = ℎ + ℎ ( −  ) – текущая высота ВС, где ℎ – высота полета ВС в начале
текущего подучастка (подучасток на котором он находится в момент времени t); ℎ
– вертикальная скорость ВС на текущем подучастке.
 (− )2
 () =  ± ( ( −  ) +   ) – расстояние от начала участка до текущего
2
положения ВС, где:  – время входа ВС на текущий подучасток;  – расстояние от
начала участка до начала текущего подучастка;  – скорость ВС в начале текущего
подучастка;  – ускорение ВС на текущем подучастке.
При попутном движении, между воздушными судами должны соблюдаться
только нормы продольного эшелонирования в момент пересечения занятого
эшелона полета (s(t h ) на рис. 6 б). При встречном движении, так же должны
соблюдаться нормы вертикального эшелонирования к моменту расхождения ВС
(∆h(t x ) на рис. 6 в).
В табл. 1 отображены результаты эксперимента, в ходе которого измерялось
время проверки всех маршрутов в зависимости от их общего количества и
количества используемых потоков для параллельной обработки списков входа.
12
Для сравнения, в табл. 2 представлены результаты для методики «Фильтр
конфликтов», основанной на алгоритмах анализа гистограмм распределения
загрузки в точках ВП (параллельная обработка не поддерживается).
Таблица 1. Показатели быстродействия разработанной методики поиска ПКС
Кол. планов
1 поток
8 потоков
1 поток
8 потоков
3 000
5 000
7 000
10 000
15 000
20 000
Время проверки всех маршрутов, миллисекунд
1 168
1 967
3 100
6 117
12 258
21 512
591
839
1 205
3 859
1 989
6 533
Время проверки нового маршрута ВС, миллисекунд
1
1
2
2
6
6
2
2
3
3
5
6
25 000
30 000
34 443
10 370
50 876
15 520
7
6
8
6
Таблица 2. Показатели быстродействия методики «Фильтр конфликтов»
Кол. планов
1 поток
1 поток
3 000
5 000
7 000
10 000
15 000
20 000
Время проверки всех маршрутов, миллисекунд
3 621
6 098
9 610
18 963
38 132
66 987
Время проверки нового маршрута ВС, миллисекунд
1
2
2
3
6
7
25 000
30 000
106 795
157 716
8
9
Эксперимент по измерению времени обработки единичного плана полета
показал, что для проверки маршрута полета измененного или нового плана полета
требуется не более 10 мс. Анализ затрачиваемых ресурсов показал, что для работы
методики требуется 1Мбайт оперативной памяти на 1000 планов полетов (для
хранения списков входов).
В четвертой главе рассматривается методика построения множества
альтернативных маршрутов полета воздушного судна по сети авиационных трасс,
учитывающие действующие правила и ограничения использования воздушного
пространства. Методика разработана исходя из необходимости соблюдения
следующих требований:
• методика должна находить множество вариантов маршрута, а не один
«оптимальный»;
• маршруты полета должны соблюдать следующие ограничения: ограничения
по соблюдению правил ИВП; соблюдение ограничений ИВП; ограничения по ЛТХ
типа ВС; ограничения, налагаемые дополнительными требованиями (например,
может потребоваться построить маршрут, приближенный к существующему).
Для описания графа сети авиационных трасс было принято решение
воспользоваться объектно-ориентированным подходом.
Разработанная методика разделяет задачу построения маршрута на 7 этапов.
На 1 этапе выполняется обход графа и исключаются ребра которые не могут
войти в маршрут полета из-за нарушений тех или иных ограничений установленных
настройкам поиска. Большая часть ребер отбрасывается ограничением на
максимальную длину маршрута (рис. 7 а). Так же возможно использовать
ограничение по углам отклонения при переходе на новый участок (рис. 7 б).
Также на данном этапе ребра проверяются на наличие разрешенных эшелонов
для полета в требуемом направлении, соответствующих диапазону желаемых высот
полета из настроек (жел ): ′ =  ∩ жел , где  – множество разрешенных
13
эшелонов для пролета по участку  (берется из данных АНИ). Если ′  = ∅, то
полет по данному ребру в желательном диапазоне высот невозможен.
Соответствующее ребро помечается как «отвергнутое» и в дальнейшем
игнорируются при обходе.
Рисунок 7. а) определение минимальной длины текущего маршрута;
б) игнорирование ребер на основе разности азимутов
На 2 этапе определяются min и max времена пролета участков. На данном
этапе выполняется рекурсивный обход графа, начиная из начальной точки. Для
«продления» текущего маршрута используются только ребра исходящие из
последней точки маршрута. Для вновь добавленного ребра  определяются
максимальное в.max() и минимальное в.min( ) значения скорости ветра при
полете по данному участку: в.max( ) = max в ( ; ℎ ; вх.( ) ; вх.( ) ; ) ;

=1,

в.min() = min в ( ; ℎ ; вх.( ) ; вх.( ) ; ) , где

=1,

в ( ; ℎ ; вх.( ) ; вх.( ) ; ) – скорость ветра для заданных параметров  , ℎ ,


вх.( ) , вх.( ) и ; ℎ ∈ ′  – эшелон полета  из множества ′  ;  –


количество эшелонов в множестве ′  ; вх.( ) и вх.( ) – мин. и макс. времена


входа на участок  для текущего маршрута;  – направление полета по участку.
Значения скорости ветра рассчитываются заранее и запрашиваются на основе
указанных данных.
На основе в.max( ) и в.min( ) рассчитываются минимальное ( ) и

максимальное ( ) времена полета по участку  и соответственно минимальное

вых.min() и максимальное вых.max( ) время выхода из участка. Далее при
необходимости обновляются сохраненные данные о min и max временах выхода из
участка  и временах входа на следующий за ним участок +1 . Если обновления
этих данных не потребовалось, дальнейший обход графа для «продления» текущего
маршрута не нужен.
На 3 этапе определяются ограничения ИВП затрагивающие участок  в
диапазоне времени  = [вх.min() ; вых.max( ) ]. На данном этапе для всех
исходящих ребер  определяется:
 множество  ( ), содержащее ограничения ИВП, затрагивающие участок  в
диапазоне времени  :
 ( ) = {1 , 2 , … ,  }, где ∀:  не принадлежит () ,  ∩ () ≠ ∅
14
 множество ′  ( ), содержащее ограничения ИВП, затрагивающие участок  на
протяжении всего диапазона времени  :
′  ( ) = {1 , 2 , … ,  }, где ∀:  ∈ () , где () – диапазон времени в
течении которого ограничение ИВП  действует на участок  .
Ограничения, не затрагивающие участок  в диапазоне времени  при поиске
маршрутов не учитываются. Множество ограничений  ( ) сохраняется в данных
об участке  для организации быстрого доступа к ним на этапе непосредственного
построения вариантов маршрутов (7 этап). Ограничения из множества ′  ( )
используются для того, что бы сократить количество разрешенных эшелонов для
пролета по участку  :
′′

= ′ − ∑
=1


 , где  – множество эшелонов,
затрагиваемых ограничением  , которое распространяется на участок  ;  –
количество ограничений ИВП затрагивающих участок  на протяжении всего
диапазона времени  . В случае если ′′ = ∅, участок  помечается как
«отвергнутый», и в дальнейшем использоваться не будет.
На 4 этапе выполняется очистка графа от тупиковых ветвей. Из графа
удаляются ребра, соответствующие одному из следующих условий: ребро помечено
как «отвергнутое»; ребро помечено как «исходящее», но начальный узел ребра не
имеет ни одного «входящего» ребра (вход в такое ребро невозможен); ребро
помечено как «исходящее», но конечный узел ребра не имеет «исходящих» ребер
(такое ребро не имеет выхода).
На 5 этапе рассчитывается вес ребер в соответствии выбранным критерием. В
качестве критериев могут выступать: длина маршрута; время полета; затраты
топлива; затраты на рейс (стоимость топлива + стоимость аэронавигационного
обслуживания). Для расчета «веса» ребер выполняется рекурсивный обход графа по
аналогии с этапом 2. При этом, при расчете полета по новому участку  ,
рассчитывается не только минимальное и максимальное время полета по участку
(( ) и ( ) ), но так же и min и max «вес» соответствующего ребра по


выбранному критерию (( ) и ( ) ). Формулы для расчета зависят от


принятой методики расчета 4D-траектории, но в общем случае на «вес» ребра
влияют продолжительность и высота полета, а так же ЛТХ типа ВС.
На 6 этапе выполняется обход графа аналогично 1-му этапу (начиная от
целевого узла), и для каждого ребра рассчитываются и сохраняются данные min и
max «весе» маршрутов до целевого узла. Так же, как и на 1-м этапе, если при входе в
очередной узел, данные о min и max «весе» маршрута до целевого узла не
изменяются, дальнейший обход по данной ветке прерывается.
На последнем 7 этапе выполняется непосредственно построение вариантов
маршрутов. Построение выполняется последовательно-параллельно. Для новых
участков определяется высота полета, времена пролета, вес участка и текущего
маршрута. Если количество текущих маршрутов превышает max, то выполняется
сортировка маршрутов по их «усредненному весу» ((( ) + ( ) )/2) и
излишек маршрутов удаляется.


15
При выборе высоты полета на новом участке  сначала определяется диапазон
эшелонов ′′′ = ′′ ∩ ′′′′−1 . Данный диапазон содержит эшелоны, разрешенные
для полета на предыдущем и новом участках. При этом он учитывает ограничения
ИВП затрагивающие предыдущий участок, но не учитывает ограничения ИВП
затрагивающие новый участок.
Далее из множества ′′′ выбирается высота полета ℎ и рассчитываются
скорость ветра, время полета на участке и время выхода с участка. После этого,
определяется множество ′′  ∈  , содержащее ограничения ИВП, затрагивающие
новый участок  на протяжении времени его пролета. В результате рассчитывается
множество разрешенных для полета эшелонов с учетом ограничений ИВП ′′′′
:



′′′′
= ′′′ − ∑ 

=1
Если ′′′′
= ∅, то значит полет на выбранной высоте ℎ не возможен. В этом

случае выбирается новый эшелон ℎ , после чего повторяется проверка на
нарушение ограничений ИВП. Если в результате были отклонены все возможные
эшелоны (из множества ′′′ ), то значит полет через данный участок невозможен, и
вариант маршрута отбрасывается.
В заключении изложены основные выводы, научные и практические
результаты работы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1) Разработана методика расчета пространственно-временной траектории ВС,
предоставляющая все необходимые данные о полете ВС для выполнения основных
задач по анализу воздушного движения;
2) Разработана методика расчета потенциальных конфликтных ситуаций,
обладающая высокой производительностью и подходящая для использования на
этапах планирования воздушного движения. Методика основывается на ведении и
анализе списков входа для элементов воздушного пространства;
3) Разработана методика расчета множества альтернативных маршрутов
полета по сети авиационных трасс. При построении маршрутов учитываются
действующие правила и ограничений использования воздушного пространства, а
сами маршруты приближенны к оптимальному по выбранному критерию;
4) Разработаны
модули
программного
обеспечения,
реализующие
предложенные методики. Разработанные модули ПО интегрированы в состав
специализированного ПО планирования и организации ВД;
5) Результаты исследований показали, что разработанные алгоритмы и
методики по сравнению с существующими аналогами обеспечивают более высокое
быстродействие, либо поддерживают больше возможностей для практического
применения;
Модули ПО, разработанные на основе представленных алгоритмов и методик,
внедрены в состав СПО аппаратно-программного комплекса «Комплекс средств
автоматизации планирования использования воздушного пространства местного
диспетчерского пункта», установленного в качестве системы планирования на МДП
г. Хабаровск, МДП г. Пенза и МДП г. Элиста.
16
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ
1. Тимофеев С.Ю., Григорьев В.А. Параллельная обработка данных в ПО
систем планирования использования воздушного пространства. УДК 004.424.//
Программные продукты и системы. Научно-практическое издание № 2, 2012. –
Тверь, 2012. - С. 7-11.
2. Тимофеев С.Ю. Методика расчета потенциальных конфликтных ситуаций в
автоматизированной системе планирования воздушного движения//Интернетжурнал «Науковедение», 2014 №2 (21) [Электронный ресурс]-М.: Науковедение,
2014 -.- Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/104TVN214.pdf, свободный. –
Загл. с экрана. - Яз. рус., англ..
Публикации в других изданиях
3. Тимофеев
С.Ю.
Разработка
кросс-платформенного
Программного
Обеспечения системы планирования воздушного движения для ГЦ ЕС ОрВД на базе
технологий .NET Framework 4.0, Mono, NHibernate. // Информатика и
вычислительная техника: сборник статей 3-й Всероссийской научно-технической
конференции аспирантов, студентов и молодых ученых. - Ульяновск 2011. – с. 550553.
4. Тимофеев С.Ю., Лебедев В.В. Регулирующие меры организации потоков
воздушного движения // Математические методы и информационные технологии в
экономике, социологии и образовании: сборник статей XXX Международной
научно-технической конференции (зимняя сессия). - Пенза 2012. – с. 23-26.
5. Тимофеев С.Ю., Быков П.В. Общие вопросы расчёта точек пересечений
маршрута воздушного судна с зонами воздушного пространства // Математические
методы и информационные технологии в экономике, социологии и образовании:
сборник статей XXX Международной научно-технической конференции (летняя
сессия). - Пенза 2013. – с. 79-83.
6. Тимофеев С.Ю. Методика расчета потенциальных конфликтных ситуаций
между воздушными судами в точке воздушного пространства при планировании и
организации воздушного движения // Технические науки - от теории к практике:
сборник статей XХV Международной заочной научно-практической конференции. Новосибирск 2013. – с. 91-103.
7. Тимофеев
С.Ю.
Описание
исходных
данных,
используемых
автоматизированными системами планирования и организации воздушного
движения // Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и
технике: сборник статей XIII Международной научно-технической конференции. Пенза 2013. С. 122-125.
8. Тимофеев С.Ю. Обработка ограничений использования воздушного
пространства в автоматизированных системах планирования и организации
воздушного движения // Проблемы информатики в образовании, управлении,
экономике и технике: сборник статей XIII Международной научно-технической
конференции. - Пенза 2013. С. 125-128.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа