Введение
 

В течение ряда лет в ГосНИИАС разрабатывается программный комплекс ими-тационного математического моделирования процессов организации и управления воз-душным движением (КИМ УВД) в воздушном пространстве (ВП) РФ. Комплекс пред-назначен для исследований эффективности выполнения полетов и опережающего ана-лиза технических и организационных решений, принимаемых при внедрении перспек-тивных CNS&ATM концепций, а также влияния разрабатываемых альтернативных ва-риантов построения ключевых подсистем управления воздушным движением (УВД) на эффективность воздушного движения (ВД) /1, 2/. Комплекс позволяет моделировать как все этапы планирования потоков воздушного движения (ПВД), так и этап собствен-но их выполнения.
Реализованные принципы моделирования этапов планирования и собственно выполнения полетов различны. Для моделирования процессов планирования ПВД реа-лизованы принципы событийного моделирования. Для моделирования же процессов выполнения управляемых полетов это неприемлемо. Система управления полетами, являющаяся многомерной системой с обратной связью, требует полноценного динами-ческого моделирования. Для этого в составе КИМ УВД реализована динамическая мо-дель управляемого потока ВД, служащая инструментом поддержки решения широкого спектра задач анализа и синтеза процессов УВД методами математического моделиро-вания.
Наиболее распространенные задачи, для решения которых могут быть использо-ваны средства моделирования, достаточно условно могут быть разбиты на следующие группы.
– Проведение анализа эффективности использования ВП РФ в целом или от-дельного региона, оценка уровня конфликтности потоков ВД в динамике развития воз-душной обстановки. Требуется сравнительно незначительный уровень подробности в описании каждого отдельного полета (взлет, трассовый полет, разворот и смена участ-ков маршрута, смена эшелона, маневрирование, посадка), однако количество самолетов (4000–5000) и моделируемый интервал (24 часа и более) значительны.
– Проведение анализа эффективности новых принципов, методов и алгоритмов управления потоками в процессе их выполнения. В качестве примера можно привести задачу исследования эффективности применения того или иного метода предотвраще-ния опасных сближений воздушных судов (ВС) в воздухе в условиях, приближенных к реальной воздушной обстановке и в объемах ВП РФ в целом или отдельного региона. Требуется более детальное описание как динамики полета ВС, так и работы системы управления полетом. При этом общее количество моделируемых самолетов (4000–5000) и моделируемый интервал (24 часа и более) остаются значительными.
– Подробный анализ совместных управляемых полетов в ограниченном объеме ВП, например, моделирование развития воздушной обстановки в районе аэропорта или процесса разрешения множественного конфликта в воздухе. Требуется еще более под-робное описание переходных процессов управления ВС, однако не столь большой ин-тервал моделирования (от нескольких минут до часа).
– Решение задач оптимизации, связанных с полетом отдельных ВС (например, синтез четырехмерного маршрута в условиях ограничений на использование ВП). Ис-пользуемая при оптимизации модель должна максимально подробно описывать летно-технические характеристики ВС, влияющие на оцениваемые показатели (длину мар-шрута, продолжительность полета, расход топлива, стоимость, уровень выполнения за-данных ограничений). Исследуемый интервал времени может достигать 10–12 часов.
Таким образом, решение различных групп исследовательских задач предъявля-ют различные требования к используемой динамической модели. Требования по раз-личному уровню подробности описания удовлетворяются путем применения в модели объектно-ориентированного подхода и реализации спектра моделей отдельных подсис-тем. В демонстрационной части доклада для примера это иллюстрируется на примере описания динамической модели системы управления отдельного ВС.
Одним из ключевых вопросов реализации является проблема быстродействия процессов моделирования. Ниже более подробно рассмотрены некоторые решения для обеспечения приемлемого быстродействия.
В КИМ УВД реализованы две схемы моделирования процессов выполнения по-летов. Первая схема предназначена для моделирования задач, отнесенных к первой группе. Моделирование основано на принципе интерполяции положения ВС в соответ-ствии с плановыми данными (точно или в соответствии с принятой моделью ошибок выполнения плана). Такой подход позволяет обеспечить высокое быстродействие даже при «ускоренном» (до 1:100 – 1:2000) моделировании и при интенсивных потоках ВД в пределах всего ВП РФ. Моделирование позволяет оценить состояние реализации плана полетов, потенциальную конфликтность потока, многочисленные характеристики ис-пользования ВП в динамике развития воздушной обстановки.
Вторая схема предназначена для решения остальных групп задач путем реализа-ции собственно динамического моделирования процессов выполнения полетов и рабо-ты системы УВД путем численного интегрирования системы нелинейных дифференци-альных уравнений, описывающих эти процессы.
Однако практическое применение этого варианта модели связана с целым рядом вычислительных проблем, вызванных следующими обстоятельствами:
– большое количество ВС в моделируемом потоке ВД (3500–4000 полетов в су-тки, 500–700 ВС в воздухе одновременно), высокая размерность системы дифференци-альных уравнений, описывающих управляемое движение (достигает нескольких десят-ков тысяч);
– длительный интервал моделирования (например, в течение суток);
– необходимость моделирования в сферической системе координат (следова-тельно, многочисленные тригонометрические операции), в том числе при расчете относительных параметров движения ВС;
– необходимость моделирования движения с малым шагом вычисления, по край-ней мере, во время маневрирования ВС в горизонтальной и/или вертикальной плоско-сти;
– реализация в модели ускоренного моделирования (ускорение в несколько де-сятков раз), которое необходимо при проведении, например, статистического модели-рования.
Указанные требования и особенности моделирования приводят к предельно большой вычислительной сложности динамической модели управляемого потока и значительному времени моделирования по сравнению с режимом интерполяции. Неко-торые решения, позволившие значительно повысить быстродействие моделирования, следующие.
1) Сочетание в одном сеансе моделирования методов интерполяции и численно-го интегрирования.
2) Гибкое формирование переменного шага решения задачи обнаружения для каждой пары ВС.
Рассмотрим их более подробно.

 
назад

вперед