Портал GPSS.RU

О. В. Дегтярев, В. П. Егорова, И. Ф. Зубкова, А. В. Кан

ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭТАПОВ ПЛАНИРОВАНИЯ ПОТОКОВ ВОЗДУШНОГО ДВИЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КИМ УВД


 

 

        

Во всем мире имеет место тенденция кардинального пересмотра принципов ор-ганизации и управления воздушным движением (ВД), необходимость которых обу-словлена увеличением интенсивности ВД и повышением требований авиаперевозчиков по предоставлению им больших возможностей совершать наиболее экономически эф-фективные полеты. Целью проводимых международными и многими национальными организациями работ является создание и полномасштабное внедрение системы, реали-зующей новую концепцию управления воздушным движением (УВД), основанную на перспективных концепциях связи, навигации и управления (так называемая концепция CNS/ATM).
Системы организации и управления воздушным движением относятся к слож-ным системам, описываются математическими моделями очень высокого порядка, не-линейными, нестационарными, с распределенными параметрами, непрерывно-дискретными. Сложность такой системы обусловлена характером информационных связей между отдельными ее элементами, многомерность – большим количеством ор-ганов и объектов управления (сотни и тысячи аэродромов, тысячи выполняемых в су-тки рейсов).
Оценить функционирование таких систем аналитическими или расчетно-аналитическими методами в условиях, достаточно адекватных реальности, невозможно. Поэтому имитационное моделирование является совершенно необходимым. В Гос-НИИАС в настоящее время разработана первая версия программного комплекса ими-тационного моделирования процессов организации и управления воздушным движени-ем (КИМ УВД) для анализа и синтеза систем организации ВД (ОрВД) (как современ-ных, так и перспективных).
Задачу моделирования можно сформулировать следующим образом /1, 2/.
Что произойдет с эффективностью функционирования системы УВД (интен-сивностью полетов, регулярностью, задержками, отменами и пр.), с экономической эффективностью выполнения полетов (стоимостью полетов), с выполнением требо-ваний по использованию воздушного пространства (ИВП) (уровнем выполнения ограни-чений, “ущербом”, наносимым ограничениями) при изменении:
– интенсивности полетов;
– структуры воздушного пространства и системы УВД (закрыт/открыт аэро-порт, трасса и пр.);
– состояния воздушного пространства и системы управления воздушным дви-жением (СУВД), что связано с реализацией тех или иных организационных мер (снизи-лась или увеличилась пропускная способность, изменился регламент работы, введены или ликвидированы маршруты выхода на трассу и схода с нее, введены ограничения ИВП и т. д.);
– стратегии планирования и регулирования потоков на любом из этапов плани-рования;
– концепции планирования полетов (трассовые полеты, “свободные полеты”).

КИМ УВД обеспечивает:
– исследование систем УВД и управляемых потоков ВД, соответствующих трас-совым полетам и «свободным полетам» для всех этапов планирования и управления;
– простое формирование или выбор требуемого потока ВД, а также удобную и простую настройку на требуемое состояние воздушного пространства (ВП);
– возможность проведения отдельных исследований процессов планирования и собственно выполнения управляемых полетов и сквозного проведения исследований;
– формирование показателей эффективности планирования и выполнения пото-ков по следующим группам: безопасности, производительности, регулярности, эконо-мической эффективности;
– приемлемое для исследователя быстродействие моделирования.

Функции организации и управления ВД по времени их выполнения можно раз-бить на 3 этапа:
• стратегический этап, начинающийся с предварительного составления долго-временных расписаний и решений по стратегической структуризации воздушного про-странства за несколько недель/месяцев и заканчивающийся приблизительно за день до выполнения рейсов;
• предтактический этап, начинающийся за день до выполнения рейсов и закан-чивающийся с окончанием этих календарных суток; на этом этапе завершается работа по приему заявок и планированию и согласованию планов полетов с учетом прогнози-руемых на день полетов условий;
• тактический этап, включающий в себя выполнение всех функций по оконча-тельным операциям планирования и управлению собственно движением воздушных судов (ВС) в день выполнения рейсов.
При моделировании этих этапов в рамках КИМ УВД процесс планирования и управления потоками ВД может быть представлен обобщенно в виде следующей структурной схемы (рис. 1). Система управления потоками ВД на всех этапах планиро-вания и управления движением ВС включает объект управления – совокупность воз-душных судов со своими экипажами и регулятор – совокупность управляющих орга-нов: планирующие службы систем ОВД и авиакомпаний и диспетчерские службы СУВД. Информационные связи между отдельными участниками управления обеспечи-вают работу системы управления потоками ВД как замкнутой системы управления. Ее функционирование происходит в условиях, определяемых структурой и текущим со-стоянием ВП и СУВД. Конкретное распределение задач, решаемых отдельными участ-никами процесса управления, обуславливается принятой схемой управления, а также возможностями измерительных средств и возможностями по обмену информацией.
Функционирование системы, качество выполнения в ее рамках потоков ВД оцениваются широким спектром показателей, которые могут быть объединены по группам в зависимости от характеризуемого аспекта системы. Основными являются четыре группы показателей: эффективности, безопасности, производительности, регулярности. В свою очередь, каждая группа показателей подразделяется на отдельные подгруппы. Использование той или иной подгруппы показателей и их конкретного состава зависит от целей исследования и решаемых при этом задач. В составе КИМ УВД реализованы расчет и представление в удобной текстовой, графической и картографической формах большого количества характеристик функционирования системы ОрВД и выполнения управляемых потоков ВД. В докладе иллюстрируется применение этих интерфейсных средств при исследованиях.
Особенности организации моделирования существенным образом обусловлены свойствами моделируемого этапа планирования ВД.
Моделирование этапа стратегического планирования включает в себя следую-щую последовательность операций (рис. 1).

– имитация “регулирования” этого расписания путем имитации действий служб организации потоков ВД (ОПВД) и органов управления авиакомпаний;
– анализ эффективности действий по регулированию.
Два последних действия могут повторяться неоднократно, имитируя итерацион-ный процесс согласования. В силу специфики задачи процесс моделирования состоит из последовательного применения расчетных моделей в интерактивном режиме.
Моделирование этапов суточного и текущего планирования заключается в вы-полнении следующей последовательности процессов согласования и регулирования подлежащего выполнению плана полетов:
– имитация первоначального плана полетов с использованием библиотечных по-токов и средств их модификации, а также с учетом прогнозируемого состояния ВП и СУВД;
– имитация “регулирования” этого плана полетов путем применения процедур, моделирующих действия служб ОПВД и органов управления авиакомпаний;
– анализ эффективности действий по регулированию;
– изменение планируемого потока ВД (имитация изменений заявок на полеты);
– имитация изменения состояния ВП и СУВД.
Имитация действий по регулированию суточного плана полетов, аналогично предыдущему этапу моделирования, может повторяться.
КИМ УВД позволяет обеспечить имитацию сквозного процесса планирования и управления путем последовательного моделирования всех трех этапов, проводимого в диалоговом режиме. Вместе с тем в рамках принятой идеологии можно проводить ис-следования, ограничиваясь решением частных с точки зрения полного цикла планиро-вания и управления задач.
Моделирование функционирования такой системы при выполнении полетов обеспечивается моделями следующих функциональных блоков:
• инфраструктура системы;
• поток ВД, под которым понимается совокупность рейсов. Каждый рейс опре-деляется своим 4-х мерным планом полета, а также параметрами реализовавшегося по-лета, которые могут отличаться от плановых;
• структура, принципы организации и собственно алгоритмы управления пото-ками ВД, под которыми понимаются действия бортовых средств управления и назем-ного сегмента управления, которые обеспечивают управление каждым ВС в общем по-токе ВД в соответствии с реализующимися условиями.
В докладе демонстрируются примеры решения следующих исследовательских задач с использованием комплекса имитационного моделирования.
Задача 1. Исследование и оценка эффективности выполнения заданного (вы-бранного из библиотеки вариантов) варианта потока ВД при заданном состоянии СУВД. Ее решение обеспечивается путем предварительного и полного формирования “сценария” моделирования, включающего выбор из библиотеки и необходимую моди-фикацию моделируемого потока ВД, а также определения состояния СУВД путем за-дания пропускных способностей и формирования данных по ограничениям ИВП и ва-рианта и параметров системы управления.
Задача 2. Исследование влияния увеличения интенсивности ВД на функциони-рование СУВД и эффективность выполнения потоков с целью прогноза последствий увеличения потоков ВД при сохранении принципов организации СУВД (т. е. может ли справиться система с таким изменением).
Порядок проведения исследований включает выбор исходного варианта потока, моделирование увеличения его интенсивности (имитация увеличившегося потока зая-вок), приведение потока в соответствие с возможностями СУВД (имитация действий по регулированию изменившегося потока ВД), собственно моделирование выполнения и анализ потока ВД (рис. 2).
Задача 3. Исследования, проводимые с целью прогноза последствий полного или частичного закрытия по организационным причинам либо по метеоусловиям эле-ментов СУВД и отдельных объемов ВП и отработки различных стратегий регулирова-ния потоков ВД на стадии планирования.
Задача 4. Сравнительное исследование эффективности схем управления ВД, со-ответствующих стратегиям трассовых и “свободных полетов” для оценки преимуществ или недостатков перехода на “свободный полет” с точки зрения безопасности и эконо-мической эффективности.
Задача 5. Исследование основных организационно-технических вопросов разра-ботки мероприятий по совершенствованию системы ОрВД РФ в рамках деления воз-душного пространства региона (страны в целом, Зоны ОрВД) на ВП районов, а также деление района в пространстве и времени на зоны ответственности отдельных диспет-черов РЦ (сектора ОВД).

Следует отметить следующие особенности моделирования этапов планирования потоков воздушного движения с использованием КИМ УВД:
– реализация средств моделирования основана на методах моделирования слож-ных иерархических организационно-технических систем и моделирования сложных взаимосвязанных пространственно-временных процессов большой размерности;
– для описания моделирующего комплекса разработаны или адаптированы соот-ветствующие методы и алгоритмы оптимизации сложных многомерных, дискретно-непрерывных, нестационарных систем, функционирующих в условиях нелинейных, не-стационарных, как правило, невыпуклых и, возможно, несвязных, ограничений;
– исходный объем информации, используемый комплексом, хранится в специ-ально организованных базах данных, включающих таблицы многовариантных данных о структуре ВП, пространственной структуре СУВД, состоянии СУВД, о плановых по-токах ВД (в качестве таковых принимаются реальные или условные (модельные) су-точные планы полетов);
– сложность и многообразие задач, которые могут быть решены с использовани-ем КИМ УВД, что обуславливает наличие множества различных интерфейсных и рас-четных средств анализа потоков ВД;
– средства, объединенные в блок формирования сценария, обеспечивают пред-варительную настройку модели на конкретный исследовательский вариант.
Программная реализация комплекса выполнена в среде DELPHI, что определя-ется необходимостью объектной ориентированности, серьезной графической и карто-графической поддержки, наличием большого числа расчетных процедур.


 

 

2.         Выводы

Комплекс разработан как универсальное средство исследования качества и осо-бенностей выполнения полетов в любых задаваемых условиях. Его можно применять для решения разноплановых задач, начиная от оценки эффективности выполнения от-дельного полета (и даже его части) или анализа алгоритмов разрешения потенциально-го конфликта в дуэльной ситуации до интегрального анализа выполнения полного су-точного плана полетов в пределах страны.
Комплекс ориентирован на широкий круг потенциальных пользователей, вклю-чающих разработчиков методов и алгоритмов управления полетом отдельных ВС и по-токов ВД, участников планирования и регулирования потоков ВД, специалистов ГА, авиакомпаний, авиационной промышленности занимающихся анализом и прогнозом проблем использования воздушного пространства и проблемами повышения эффектив-ности воздушного движения.
Уникальность комплекса заключается в практическом отсутствии отечественных универсальных комплексов имитационного моделирования больших транспортных систем, предназначенных для решения разноплановых исследовательских задач.


 

 

3.         Литература

1. Дегтярев О. В., Егорова В. П., Зубкова И. Ф., Чутков В. А.. Комплекс имитаци-онного моделирования потоков воздушного движения//Труды ГосНИИАС. Вопросы авионики. –2003. –Вып. 2(12)2.
2. Degtyaryev O. V., Egorova V. P., Zubkova I. F., Kan A. V., Chutkov V. A.. Regulated Traffic Flow Simulation Tool (RATFST)//16th IFAC Symposium on Automatic control in aerospace. Preprints. –2004. –Vol. 1. –S. 550,

 


Распечатано с портала GPSS.RU (c) О. В. Дегтярев, В. П. Егорова, И. Ф. Зубкова, А. В. Кан, 2005 г.