Розширення інформаційних можливостей прогнозування руху повітряного транспорту в складних метеорологічних умовах

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність роботи. Вплив складних метеорологічних умов на безпеку, регулярність, безперервність та економічність руху повітряного транспорту є постійно діючим фактором на протязі усього періоду існування авіації. В той же час, показники функціонування аеропортів за складних метеорологічних умов, коли порушується розклад руху, погіршується безпека руху, збільшується вартість польотів, виникає нестабільна робота аеропорту і, в цілому, аеровокзального комплексу, потребують подальших досліджень. Вплив складних метеорологічних умов на польоти повітряних кораблів (ПК) вивчені недостатньо. Проблема ускладнюється в зв'язку з тим, що інтенсивність повітряного руху в світі і, зокрема, в Україні поступово збільшується.

Прогнозування показників функціонування аеропортів та польотів на трасах за складних метеорологічних умов, передбачення взаємодії сукупності факторів створює можливість поліпшення роботи авіакомпаній. Основною задачею дисертаційної роботи є розробка методик і показників прогнозування руху ПК у складних метеорологічних умовах, автоматизоване визначення показників з метою розширення інформаційних можливостей прогнозування функціонування аеропортів і авіатрас.

Достовірність результатів у зазначених напрямках, отриманих як теоретичними, так і чисельними методами, можна підвищити за допомогою сучасних засобів автоматизованої обробки багаторічних метеорологічних спостережень. Це вимагає створення бази даних кліматичних характеристик аеропорту для подальшого використання її не тільки як ефективного засобу автоматизованого прогнозування показників функціонування аеропортів і польотів ПК у складних метеорологічних умовах, а і для широкого використання на підприємствах у задачах, пов'язаних з обробкою кліматичної інформації.

Викладене показує актуальність проблеми та обумовлює запропоновані методи досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження по напрямках дисертаційної роботи здійснювалися згідно з госпрозрахунковим договором №3 від 30.06.2000р. між автором і Авіаційною метеорологічною станцією цивільною (АМСЦ) аеропорту Київ-Жуляни; згідно з госпрозрахунковим договором від 9.04.2001р. між автором і АМСЦ аеропорту Київ-Гостомель та в рамках держбюджетної науково-дослідної роботи №948-ДБ-00 "Дослідження методів і засобів ефективної обробки інформації розподіленою базою даних", держ. реєстрація №0100U0039054.

Мета і задачі дисертаційної роботи. Метою роботи є дослідження функціонування аеропортів та трас за складних метеорологічних умов, розробка показників функціонування аеропортів та трас при цих умовах, розробка методики їх аналітичного і статистичного моделювання, створення бази даних кліматичних характеристик аеропорту для автоматизованого прогнозування зазначених показників. Для її досягнення були поставлені і розв'язані такі задачі:

обґрунтовані методи дослідження функціонування аеропортів та трас за складних метеорологічних умов;

розроблені показники функціонування аеропортів та трас за складних метеорологічних умов і дана їх оцінка;

досліджено вплив метеорологічних умов на завантаженість аеровокзального комплексу;

розроблена методика оцінки та прогнозування показників функціонування повітряних трас в нестаціонарних умовах;

визначена точність прогнозування впливу метеорологічних факторів на здійснення польотів ПК;

розроблено статистичну модель функціонування аеропортів та трас з урахуванням метеорологічних умов;

розроблено базу даних кліматичних характеристик аеропорту, яка містить алгоритми автоматизованого вибору та статистичної обробки метеорологічної інформації; експериментально досліджені метеорологічні фактори аеропорту Київ-Жуляни для наповнення розробленої бази даних;

розроблено програмне забезпечення для автоматизованого визначення показників функціонування аеропортів за складних метеорологічних умов з використанням розробленої бази даних.

Об'єкт дослідження показники функціонування аеропортів і трас з урахуванням складних метеорологічних умов.

Методи дослідження: результати роботи отримані з використанням методів теорії ймовірностей, теорії масового обслуговування, теорії нечітких множин, статистичного моделювання, теорії баз даних.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що:

розроблено показники функціонування аеропортів і трас за складних метеорологічних умов та досліджено кліматичні характеристики аеропорту як передумову для створення їх бази даних;

встановлено функціональну залежність показників функціонування аеропортів та повітряних трас від характеристик потоку ПК та метеорологічних умов;

розроблено показники функціонування аеропортів та повітряних трас в нестаціонарних умовах з урахуванням інтенсивностей появи і існування складних метеорологічних умов;

розроблено програмне забезпечення для автоматизованого визначення показників функціонування аеропортів з урахуванням складних метеорологічних умов;

створено базу даних кліматичних характеристик аеропорту та програмне забезпечення по її веденню.

Практична цінність роботи полягає в тому, що:

розроблені методики і показники функціонування аеропортів та повітряних трас дають можливість прогнозувати характеристики аеропорту з урахуванням його завантаженості та метеорологічних умов;

розроблена та експериментально досліджена база даних кліматичних характеристик аеропорту і створене програмне забезпечення дають можливість автоматизованого визначення кліматичних факторів за будь-який неперервний або дискретний проміжок часу (рік, місяць, добу, годину) у будь-якій комбінації, а також виконання їх об'єктивного аналізу; до теперішнього часу база даних щогодинних багаторічних спостережень в аеропортах України відсутня, аналіз виконувався суб'єктивно і вимагав багато часу;

розроблене програмне забезпечення для автоматизованого визначення показників функціонування аеропортів з урахуванням складних метеорологічних умов дає можливість оперативно планувати та прогнозувати рух ПК;

розроблена кліматична характеристика аеропорту Київ-Жуляни на основі створеної бази даних та інструкція користувача по автоматизованому визначенню кліматичних характеристик аеропортів.

Результати дисертаційної роботи впроваджено: в аеропорту Київ-Жуляни згідно з Актом впровадження від 12.06.2000 р., в аеропорту Київ-Гостомель згідно з Актом від 27.04.2001 р., в навчальному процесі кафедри комп'ютеризованих систем управління Національного авіаційного університету (НАУ).

1. Сучасний стан досліджень та загальні проблеми впливу складних метеорологічних умов на польоти ПК

Приблизно 70 % затримок і відміни рейсів у аеропорту складають затримки по погодним умовам, а льотні пригоди, пов'язані з небезпечними явищами погоди, постійно складають не менше 40 % від загальної кількості пригод, тому оперативне управління рухом у складних метеорологічних умовах не втрачає актуальності і потребує вдосконалення.

На основі аналізу літературних джерел показано, що польоти ПК у складних метеорологічних умовах регламентуються різноманітними нормативними документами, але при плануванні, прогнозуванні польотів ПК недостатньо враховуються несприятливі та небезпечні погодні явища.

У стислому огляді методів прогнозування відзначено, що існують різноманітні методи прогнозування і вони продовжують модифікуватись у зв'язку з впровадженням ЕОМ. Широке застосування набувають засоби і методи моделювання, екстраполяції, експертних оцінок.

В огляді літературних джерел зазначено, що почалося зростання популярності мережевих версій систем управління базами даних, тому наступним кроком може бути створення розподіленої бази даних кліматичних характеристик аеропортів України.

Зроблені висновки про сучасний стан досліджень інформаційних можливостей прогнозування руху ПК у складних метеорологічних умовах, на основі яких визначена основна задача дисертаційної роботи, мета, засоби, об'єкти і напрямки досліджень.

2. Дослідження особливостей кліматичних характеристик аеропорту, як передумову обґрунтування та створення бази даних

Усі дані щогодинних спостережень про метеорологічні умови, які обов'язково фіксуються у щоденнику погоди (форма АВ-6) кожним аеропортом України, накопичуються роками і складають великий обсяг інформації, обробка якої без застосування сучасних інформаційних технологій є дуже трудомісткою і потребує багато часу, що практично виключає можливість оперативного отримання інформації. Бази даних кліматичних характеристик у аеропортах відсутні.

Головною задачею цього розділу є дослідження метеорологічних умов аеропорту для планування польотів ПК і прогнозування показників функціонування аеропортів. Основні напрямки досліджень метеорологічних факторів у цьому розділі такі:

загальна характеристика метеорологічних умов аеропорту;

висота нижньої межі хмар (НМХ);

річний хід повторюваності висоти НМХ менше визначених меж;

добовий хід повторюваності висоти НМХ нижче визначених меж;

повторюваність хмарності з НМХ менше визначених меж при різних напрямках і швидкостях вітру;

горизонтальна дальність видимості (ГДВ);

річний хід повторюваності ГДВ менше визначених меж;

добовий хід повторюваності ГДВ менше визначених меж;

повторюваність обмеженої ГДВ при визначених напрямках вітру;

характеристика вітрових явищ;

річний хід повторюваності швидкості і напрямку вітру;

повторюваність вітру різної швидкості в залежності від його напрямку;

характеристика небезпечних явищ погоди.

Дослідження цих факторів призводить до висновку про необхідність розробки бази даних і створення програмного забезпечення для автоматизованого визначення кліматичних характеристик аеропорту. Більш детальні дослідження приведені у дисертації та виданні.

3. Розробка показників прогнозування функціонування авіатрас і аеропортів у складних метеорологічних умовах

При дослідженнях аеропорт або трасу розглянуто як систему масового обслуговування, яка обслуговує найпростіший потік ПК. Час між послідовними вимогами, тобто ПК, на кожному маршруті, випадковий і розподілений по показниковому закону з параметром . Час обслуговування потоку вимог у аеропорту або час прольоту ділянки траси, випадковий при показниковому законі розподілення з параметром . Час безперервної роботи аеропорту або час між послідовними моментами закриття траси при виникненні, наприклад, грозових осередків, показниково розподілений з параметром . Час відновлення нормального режиму функціонування аеропорту (усунення причин, які спричиняють перерви у роботі аеропорту) або час існування грозової хмарності на трасі, випадковий та показниково розподілений з параметром .

З урахуванням зазначених параметрів і теоретичних досліджень визначені кінцеві показники функціонування повітряних трас і аеропорту в складних метеорологічних умовах. Вплив складних умов на характеристики польотів оцінюється ймовірністю відмови (невиконання) заявленого рейсу по одному з n маршрутів:

,

або для зазначеного рейсу:

,

де параметри законів розподілення для зони аеропорту; ,,, параметри законів розподілення для трас, i=1,…,n.

Функціонування аеропорту під впливом складних метеорологічних умов пропонується оцінювати коефіцієнтами готовності та простою аеропорту :

, .

Коефіцієнт готовності аеропорту характеризує ймовірність того, що по метеорологічних умовах аеропорт буде готовий для обслуговування ПК, тобто відкритий. Коефіцієнт простою аеропорту характеризує ймовірність того, що аеропорт буде закритий по метеорологічних умовах.

З урахуванням того, що частина ПК не може чекати відкриття аеропорту і буде направлена в інші аеропорти, ймовірності будуть дорівнювати:

, , ,

де ймовірність того, що аеропорт відкритий по метеорологічних умовах, але польотів нема, ймовірність того, що аеропорт відкритий і обслуговує польоти, ймовірність того, що аеропорт закритий по метеорологічних умовах і польотів нема, частка ПК, які будуть направлені в інші аеропорти. Особливо великі економічні витрати несуть аеропорти з високою інтенсивністю руху ПК.

Показник використання аеропорту характеризує ймовірність того, що в любий вільно вибраний момент часу буде обслужений заявлений рейс:

,

де коефіцієнт, який враховує частину ПК, які залишились затриманими у аеропорту.

Вплив складних метеорологічних умов на польоти ПК розглядається для ділянки однієї з трас, на якій польоти перериваються внаслідок, наприклад, виникнення грозових осередків. Визначені ймовірності перебування траси в множині всіх можливих ситуацій на ній. Наприклад, ймовірність того, що траса відкрита для польотів, складає:

,

а ймовірність того, що на трасі спостерігаються несприятливі для польотів метеорологічні умови, дорівнює:

.

Ймовірність того, що черговий ПК отримує можливість виконати проліт зазначеного відрізку траси . При ідеальних погодних умовах, коли , отримуємо:

.

Велике значення має завантаженість аеровокзального комплексу, коли порушується рух ПК по метеорологічних умовах. З урахуванням зазначених вище параметрів і місткості аеровокзального комплексу час заповнення місткості аеровокзалу становить:

,

де N місткість аеровокзального комплексу, n кількість маршрутів,- пасажиромісткість ПК, які обслуговують -тий напрямок, інші параметри зазначені вище.

Розглянута методика прогнозування показників функціонування авіаційної траси в умовах нестаціонарного режиму її використання у зв'язку зі змінами в часі параметру потоку замовлень на польоти та параметру потоку появи небезпечних метеоумов. При цьому вважається, що потік небезпечних метеофакторів на трасі та потік літаків на протязі року являють собою нестаціонарні пуасонівські потоки відповідно з параметрами: , , де , - постійні складові параметрів, які не залежать від часу року; - амплітуди зміни цих параметрів з часом; - частоти зміни параметрів на протязі року t.

Прогнозування параметрів руху ПК із використанням теорії нечітких множин розглянуто на прикладі дослідження задачі максимізації коефіцієнта використання аеропорту у розмитих обмеженнях на параметри , , , :

.

Отримані максимальні значення з різними ступенями задоволення шуканій системі розмитих обмежень на параметри ,,,.

Визначені чисельні показники похибки прогнозування ймовірностей обслуговування та втрати вимоги для траси в стаціонарному режимі, яка при умові , дорівнює:

.

Залежність ймовірності відмови в обслуговуванні ПК від параметру моделювалась на ЕОМ при різних законах розподілення часу між ПК на трасі.

Розроблені за допомогою ЕОМ моделі дають можливість оцінювати результати моделювання для різних законів розподілення часу вказаних інтервалів. Аналіз показує, що експоненціальний закон розподілення приводить до найгірших умов польотів на трасах. Виконані дослідження дають можливість оцінювати показники функціонування аеропорту у складних метеорологічних умовах і спрогнозувати їх з урахуванням конкретних значень параметрів q, , , .

Прогнозування показників, розроблених у розділі 3, дозволяє своєчасно попередити екіпаж ПК перед входом в зону керування польотами. При ускладненні аналітичної оцінки станів обслуговування польотів доцільно більш широко використати моделювання польотів ПК у складних метеорологічних умовах за допомогою ЕОМ.

4. Процес створення програмного продукту бази даних кліматичних умов аеропорту, яка може бути використана як у локальному, так і у серверному варіанті для автоматизованого визначення кліматичних характеристик аеропорту та показників функціонування аеропортів і трас

До теперішнього часу в аеропортах накопичення багатолітніх даних про кліматологічні характеристики проводилось без автоматизованої обробки за допомогою сучасних технічних та програмних засобів, що не давало можливості оперативно отримувати інформацію про кліматичні умови аеропорту за тривалий проміжок часу та оперативно оцінювати кліматичну інформацію, пов'язану з метеорологічною ситуацією в аеропорту.

Обстеження предметної області виконувалось сумісно із Замовником (АМСЦ "Київ-Жуляни"). Створена база даних про кліматичні характеристики аеропорту вирішує такі задачі:

одержання даних про метеорологічні явища і величини, які впливають на роботу авіації;

розрахунок сезонів року або частини доби зі сприятливими і несприятливими умовами для зльоту і посадки ПК;

прогнозування польотів ПК у складних метеорологічних умовах;

складення кліматичної характеристики аеропорту за даними щогодинних багаторічних спостережень;

одержання графічної інформації, що відбиває кліматичні умови аеропорту (графіки повторюваності будь-яких кліматичних характеристик, троянди вітрів і т.д.).

Проведене вивчення всіх вхідних і вихідних документів, настанов, форм, довідок, повідомлень, що циркулюють при метеорологічному забезпеченні польотів. У результаті аналізу вхідної інформації був виділений перелік запитів. По кожному з атрибутів можна одержати наступні запити:

всі наявні дані по зазначеному атрибуту;

дані по конкретному значенню або групі значень атрибута;

дані по конкретному значенню атрибута, визначеному запитом з умовою.

Для одержання запитів по всіх атрибутах і в будь-якій комбінації реалізовано запити з використанням елементів булевої алгебри. Наведений перелік запитів дозволяє одержати практично будь-яку інформацію. Оскільки кожен запит реалізовано зі вказівкою кількості знайдених записів, то це дає можливість автоматично одержувати повторюваність тієї або іншої кліматичної характеристики, що вкрай важливо при упорядкуванні будь-якого роду кліматичних характеристик аеропорту по багаторічних спостереженнях, а також при прогнозуванні впливу метеорологічних умов на польоти ПК.

Для розробки програмного забезпечення використовувалось об'єктно-орієнтоване середовище візуального програмування. Для доступу до бази даних було використано універсальний механізм доступу. Програмне забезпечення розроблялося для роботи під керуванням оболонки Windows 2000 і створювалося в стилі універсального інтерфейсу Windows.

Технологія роботи з розробленою базою даних кліматичних умов аеропорту описана в інструкції користувача до неї.

5. Практичне визначення показників функціонування авіатрас і аеропортів з використанням розробленої бази даних на базі програмного забезпечення, створеного автором

Параметри q, , , , які є вхідною інформацією при проведенні розрахунків на ЕОМ, варіювалися у вигляді констант виходячи з реальних даних про стан системи. При наявності бази даних про кліматичні умови аеропорту і розклад руху в зоні аеродрому стало можливим автоматизоване одержання цих параметрів. У цьому випадку параметр q для зони аеропорту може визначатися з файлу бази даних, у якому міститься розклад зльотів і посадок. Параметр для зони аеродрому умовно приймаємо рівним математичному сподіванню часу від моменту зльоту до виходу з зони аеропорту. Параметри і для зони аеропорту визначаються з бази даних для обраного періоду часу, що відповідає розкладу руху ПК. Вхідні дані для визначення параметра q зберігаються у файлі бази даних "зліти і посадки", структура якого приведена в дисертації.

Аналогічний підхід можна використовувати для розрахунку ймовірносних показників польотів у складних метеорологічних умовах по трасах, проте для цього необхідно мати інформацію про погодні явища і рух ПК по трасах у вигляді відповідної бази даних.

Для ілюстрації результатів моделювання ймовірності обслуговування ПК методом Монте-Карло приводиться табл. 1. Вхідні дані отримані завдяки розробленій та експериментально наповненій базі даних. кліматичних умов аеропорту Київ-Жуляни.

Запропонований підхід дозволяє автоматично обробляти статистичні дані, які зберігаються в створеній базі, та визначати параметри q, , , для будь-яких періодів часу, для будь-яких метеорологічних явищ, і при будь-яких запитах до бази даних. Це дає можливість обчислювати ймовірносні показники функціонування аеропорту p0, p1, p2, а також показники, до складу яких входять параметри q, , , .

Таблиця 1. Ймовірність обслуговування ПК при грозі у зоні аеропорту за червень 2000 р. (результати статистичного моделювання)

Висновки

Матеріали дисертації спрямовані на розв'язання актуальної наукової задачі по розширенню інформаційних можливостей прогнозування руху повітряного транспорту в складних метеорологічних умовах, яка має важливе значення і дозволяє підвищити рівень безпеки і економічності руху ПК шляхом прогнозування показників функціонування авіатрас і аеропортів з урахуванням метеорологічних факторів.

Результати досліджень:

На основі даних кліматичних характеристик аеропорту встановлено річний і добовий хід зміни метеорологічних явищ за часом і величиною з метою визначення найбільш сприятливих періодів для польотів ПК.

Розроблено ряд математичних моделей для прогнозування та аналізу показників функціонування авіатрас і аеропортів під впливом метеорологічних факторів.

Розроблено методику прогнозування показників функціонування авіаційної траси в умовах нестаціонарного режиму її використання у зв'язку зі змінами в часі параметру потоку замовлень на польоти та гармонічними змінами параметрів потоків появи та існування несприятливих метеорологічних умов.

Розроблені і реалізовані алгоритми статистичного моделювання ймовірносних показників функціонування авіаційної траси та аеропорту у складних метеорологічних умовах для різних законів розподілення потоків ПК та метеорологічних умов. Наведені результати дозволяють удосконалювати прогнозування руху ПК у складних метеорологічних умовах.

Запропоновано методику та реалізовано алгоритм оцінки показників функціонування зони повітряного простору з урахуванням розмитих обмежень на параметри потоку замовлень при польотах у складних метеоумовах, коли початкові не розмиті обмеження задані в вигляді нерівнозначних систем подвійних нерівностей. Досліджена задача максимізації коефіцієнта використання аеропорту в розмитих обмеженнях.

Розроблена методика визначення показників функціонування аеровокзального комплексу з урахуванням метеорологічних умов.

Розроблено методику і запропоновано залежності визначення показників обслуговування польотів з урахуванням похибки при прогнозуванні впливу метеорологічних факторів на здійснення польотів ПК.

Розроблено програмне забезпечення для створення і ведення бази даних кліматичних умов аеропорту, що дає змогу оперативного автоматичного визначення запропонованих показників функціонування авіаційних трас і аеропортів та одержання кліматичних характеристик аеропортів по даним багаторічних спостережень. База даних наповнена для аеропорту Київ-Жуляни, що дало можливість дослідити ряд метеорологічних факторів.

Розроблені кліматичні характеристики аеропорту Київ-Жуляни за допомогою створеної бази даних.

Основні результати дисертації опубліковані та впроваджені в практику на підприємствах цивільної авіації та в навчальному процесі НАУ.

аеровокзальний метеорологічний статистичний автоматизований

Література

Землянко Н.И., Халимон Н.Ф., Жадан Л.П., Семенчук Г.С., Михайлова О.Н., Мухновская Л.В., Марынич Н.С., Христюк Л.И.. Климатическая характеристика аэропорта Киев-Жуляны. - К.:КМУЦА, - 2000. - 172с.

Дем'янчук В.С., Бакликов І.А., Майкова Е.В., Поліщук В.О., Халімон Н.Ф. Забезпечення польотів повітряних суден: Навч. посібник, - К:КМУЦА, -2000. - 163с.

Халімон Н.Ф. Прогнозування показників функціонування аеропортів з урахуванням метеоумов. // Вісник КМУЦА. -К.:КМУЦА. - 2000. №3-4(7), с.286-291.

Халімон Н.Ф. Розробка і дослідження інформаційних можливостей бази даних кліматичних умов аеропорту для прогнозування руху повітряного транспорту. // Актуальні проблеми автоматизації та інформаційних технологій. -Дніпропетровськ: "Навчальна книга". - 2001. Т.4, с.116-120.

Халимон Н.Ф. Исследование влияния метеоусловий на полеты воздушных судов с использованием моделей нечетких множеств // Автоматика-2000. Міжнародна конференція з автоматичного управління. -Львів: Державний НДІ інформаційної інфраструктури, 2000. -Т.5, с.98-104.

Халимон Н.Ф. Универсальная подсистема ввода-вывода данных. // Автоматизация проектирования и управления в газоаналитическом приборостроении. - Киев: Всесоюзный НИИ аналитического приборостроения, - 1987. с.28-31.

Размещено на Allbest.ru