Исследование факторов безопасности полетов при управлении воздушным движением по воздушным трассам

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

АВИАЦИОННЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра «Управление воздушным движением»

по специальности 5А 620201 «Управление воздушным движением и аэронавигация»

Магистерская диссертация

на тему «Исследование факторов безопасности полетов при управлении воздушным движением по воздушным трассам»

Нигматуллаев Ислом Нусратуллаевич

Научный руководитель д.т.н., проф. Арипджанов М.К.

Ташкент 2013



Аннотация

В магистерской диссертации рассматривается все возможные факторы, влияющие непосредственно на безопасность полетов воздушных судов на воздушных трассах при эффективном ОВД в воздушном пространстве Республики Узбекистан.



Т?жырым

Мазкур магистерлик диссертатсиясида парвоз ?авфсизлигига таьсир ўтказадиган барча омиллар кўриб чи?илган.



Annotation

This master's dissertational work reviews all possible factors that can directly influence the safety of flights on airways in the airspace of the Republic of Uzbekistan.



Оглавление

Введение

Глава 1. Обоснование рациональных организационно-структурных решений в системе УВД

1.1 Разработка и обоснование рациональной структуры

1.2 Рациональная организация радиотехнического оборудования и средств связи

1.3 Рациональный регламент как предмет синтеза при организации

УВД

Глава 2. УВД на пересекающихся трассах

2.1 УВД на пересекающихся трассах

Глава 3. Обеспечение безопасности полетов при УВД

3.1 Организационные меры по обеспечению безопасности

3.2 Эшелонирование воздушных судов, выполняющих полет в режиме ожидания

3.3 Система эшелонирования ЛА

3.4 Учет и анализ состояния безопасности полетов

Заключение

Список использованных источников



Введение

безопасность полет воздушный судно

Содержание магистерской диссертации охватывает вопросы, все возможные факторы влияющие непосредственно на безопасность полетов воздушных судов на воздушных трассах при эффективном ОВД в воздушном пространстве Рес. Узб.

Совершенствование эксплуатационных методов системы УВД неразрывно связанно с автоматизацией наиболее сложных технологических процессов деятельности диспетчера. При этом в количестве, одной из важнейших проблем автоматизации деятельности диспетчера при принятии решений по УВД рассматривается проблема включения в контур управления вычислительного устройства, дублирующего, но не подменяющего буквально диспетчера. Иными словами, речь идет о разработке устройства-советчика, выдающего диспетчеру рекомендации по ряду решаемых им задач, которые поддаются формализации. В этом смысле работу вычислительного устройства можно считать аналогом деятельности диспетчера.

Среди основных научно-теоретических проблем, тесно связанных с автоматизацией деятельности, важное место занимают такие, как формулировка цели управления, т.е. определение критериев оптимальности с учетом ограничивающих условий; построение математического описания системы управления; разработка алгоритма управления; разработка структурно-информационной схемы реализации алгоритма.

Один из возможных подходов к решению этих проблем базируется на применении общесистемного принципа декомпозиции деятельности в виде системно-структурного анализа в качестве самостоятельных рядов типовых задач принятия решений. Каждая из этих задач характеризируется своими локальными целями, математическими моделями, методами формализации и решения.



Актуальность темы и цель диссертационной работы

При выполнении полётов по воздушным трассам Республики Узбекистан имеется ряд факторов, которые нужно учитывать при организации обслуживания воздушного движения. Этот вопрос является чрезвычайно важным для обеспечения безопасности, регулярности и эффективности полётов.

Для реализации поставленной задачи необходимо провести тщательное исследование факторов, влияющих на безопасность полётов при ОВД на ВТ.

Цель и задачи исследования:

Анализ международного опыта вопросов и факторов безопасности полётов и возможность его применения в Республике Узбекистан.

В настоящее время контролю за уровнем безопасности полетов придается исключительное значение. Это вызвано ростом объемов воздушных перевозок и тяжестью последствия воздушных катастроф. Поэтому, в каждом государстве должен быть установлен приемлемый уровень безопасности полетов, за обеспечение которого данное государство несет ответственность. С целью повышения эффективности функционирования системы управления воздушным движением, требуется оптимизировать существующие функции контроля за соблюдаемым уровнем безопасности полетов. Для этого, используя современные методы обработки информации, нужно иметь возможность оперативно контролировать текущий уровень безопасности полетов.

На сегодняшний день для оценки уровня безопасности полетов используются реальные события: столкновения воздушных судов (ВС), столкновения ВС с другими объектами, катастрофы при взлете и посадке. По данным расследования катастрофы выявляются причины происшедшего и принимаются решения для предотвращения катастроф в будущем. Для достоверной оценки уровня безопасности полетов в зоне конкретного центра УВД нужно накапливать статистику происшествий длительное время, так как катастрофы являются редкими событиями. Следовательно, данный способ оценки не дает возможности оперативно оценить уровень безопасности полетов в текущий момент времени.

Для оценки уровня безопасности полетов в зоне ответственности центра УВД в текущий момент времени требуется ввести оперативную оценку, которая позволяет дать объективное представление о динамике изменения безопасности полетов. Для этого при вычислении оперативной оценки уровня безопасности полетов должна использоваться наиболее полная информация о движении ВС и структуре контролируемого воздушного пространства.

Объект исследования:

Воздушное пространство Республики Узбекистан, районные центры, территориальные отделения УВД.

Практическая ценность:

Безопасность и эффективность полётов зависит не только от надёжности технологий и профессиональной подготовки лётного и диспетчерского состава, но и в большой степени зависит от факторов окружающей среды, человеческого фактора и других условий работы. Среди перечисленных факторов большое значение имеют человеческий фактор, погодные условия и технические характеристики предметов эксплуатации.



Глава 1. Обоснование рациональных организационно-структурных решений в системе УВД

1.1 Разработка и обоснование рациональной структуры

Под разработкой рациональной структуры системы УВД понимается прежде всего определение оптимального построения подсистемы непосредственного УВД, т. е. определение структуры отдельных зон и на их основе -- синтез рациональной структуры подсистемы непосредственного УВД в целом. Предполагается, что вопрос о четырехуровневой иерархической структуре всей системы УВД уже решен и рациональный синтез остальных трех ее уровней определяется в основном построением уровня непосредственного УВД так, чтобы в наибольшей степени удовлетворялась главная цель системы УВД. Таким образом, основная задача связана с рациональным синтезом структуры подсистемы непосредственного УВД. Это и является коренным моментом в рациональном синтезе структуры всей системы УВД и в целом.

Структура зоны УВД определяется очень многими факторами, часть из которых не определена или случайна, и именно этот факт обусловливает отсутствие работоспособных алгоритмов рационального ее синтеза. Из возможных способов ее структурного синтеза наибольшее распространение получил пока эвристический способ поэтапного решения, в соответствии с которым проблема структурного синтеза подсистемы непосредственного УВД в данной зоне решается с наращиванием числа учитываемых факторов и принципов организации УВД. Начинают обычно с деления воздушного пространства на секторы УВД, т. е. с определения необходимого числа простейших контуров УВД, и далее -- в соответствии со схемами алгоритмов, считая первые их процессы уже выполненными: задача синтеза структуры ставится только после определения нагрузки на зону УВД -- потребностей в УВД и основных требований к нему. В результате получается нечто, напоминающее комплексный подход, растянутый по мере включения в рассмотрение очередного фактора и принципа.

Каждый из учитываемых факторов и принципов в итоге приводит к рассмотрению пусть большого, но все же конечного числа параметров, как раз и определяющих структуру. К ним в первую очередь относятся следующие взаимосвязанные параметры:

воздушного движения, включающие значения интенсивностей полетов различных типов ЛА, характеристики их изменений, число одновременно находящихся в зоне УВД ЛА и распределение их по плотности;

самой зоны УВД -- географические характеристики местности и ее рельефа, климатических метеоявлений, административно-хозяйственные;

схем полетов, влияющие на структуру зоны, такие как схемы снижения и взлета ЛА, размеры РА и АУЗ, число и топология воздушных трасс;

оснащенности зоны РТО УВД и ВН, включающие число, характеристики РЛС, ВРЛ, АРП и других РТО, а также места их размещения;

предполагаемой загруженности диспетчера, такие как пооперационная (временная) занятость, число и виды потенциально-конфликтных ситуаций в единицу времени в данной зоне УВД, характеристики утомляемости;

учитывающие традиции УВД в данной зоне, консерватизм сложившихся межведомственных взаимодействий и их порядка, наличие особых зон воздушного пространства, неизменных положений в регламентах, инерционность при внедрении организационных решений;

профессионального уровня специалистов УВД в данной зоне;

нормативных значений нагрузки, если они заданы регламентирующими документами.

Эти и другие виды параметров определяют собой такие основные обобщенные составные показатели эффективности функционирования УВД в ней, как пропускная способность зоны по прилетающим, вылетающим и транзитным ЛА; уровень гарантированной безопасности полетов при УВД; степень экономичности полетов в данной зоне и др.

Если все без исключения перечисленные параметры заданы количественно или с помощью функциональных зависимостей, а вид обобщенных составных показателей полностью и безупречно определен, то рациональный синтез решается в виде задачи математического программирования.

Введем обозначения всех перечисленных параметров постоянного вида-{}, образующих матрицу A(rl), переменного вида-{}, образующих матрицу Р(nk). Тогда состояние организации УВД, т. е. уровня организационно-структурных решений, определится для данной зоны УВД зависимостями обобщенных составных показателей от компонентов {} и {}, (i = 1, r; j = 1, l; = 1, n; = 1, k) матриц параметров А и Р:

=F₁;(4.1)

+

и т.д.; (4.2)

=; ; ;

где - значение соответствующего составного показателя при v =,

v-безопасность полетов, v-экономичность полетов и т. д.; F₁, F₂-вид функциональной зависимости показателя от параметров; G-- функционал не формализуемых факторов; ⁰ _ij- заданное постоянное в рассматриваемый период значение параметра; L^(IJ)_p, L_БП , L_ЭК -области допустимых значений переменных параметров, уровней гарантированной безопасности и экономичности полетов соответственно.

Тогда рациональный синтез структуры зоны УВД заключается в решении задачи следующего типа:



(4.3)

Задача (4.3) относится к задачам параметрического математического программирования, и ее решение в принципе может быть найдено рядом методов, развивающих идеи градиентных методов Лагранжа -- Куна -- Таккера, штрафных функций и др. Получение решений для искомых видов параметров из (4.3) в завершенном, пригодном для практического внедрения в конкретной зоне УВД виде требует возможно более точного знания величин вида функций , областей задания параметров, уровня безопасности полетов и других сведений, а также наличия достаточно профессионального уровня у ЛПР, осуществляющих поиск таких решений, и технических средств их получения -- ЭВМ с соответствующими параметрами.

На практике зачастую какое-либо из этих условий не выполняется. Поэтому для структурного синтеза системы УВД часто используется прецедентный подход на основе опыта и интуиций ЛПР. Если это действительно богатый и полезный опыт и достаточно гибкая и изобретательная интуиция, то можно надеяться, что будет использован весь арсенал принципов организации УВД с учетом специфики данной зоны УВД. Получив на основании такого подхода множество допустимых вариантов структуры, переходят к их анализу. Для этого необходимо использовать подходы к анализу эффективности организационных решений в системе УВД, изложенные в гл. 3. На современном этапе при любом подходе приходится обращаться к количественным обоснованиям организационных процессов принятия решений (ППР).

Рассмотрим процесс деления воздушного пространства в качестве примера описанного прецедентно-количественного подхода. Важность его определяется непосредственной взаимосвязью загруженности диспетчера, а значит, и безопасности полета в данном районе с параметрами, определяющими характеристики зон УВД, на которые разделен данный район, поэтому в процессе деления воздушного пространства отражаются все особенности и учитываются практически все принципы организации УВД. Большая часть задач этого этапа формулируется в виде оптимизационных, где при заданных жестких ограничениях по безопасности полетов максимизируется пропускная способность зоны УВД или при заданной интенсивности и пропускной способности минимизируется загруженность диспетчера.

При этом следует иметь в виду многоплановость задач, связанных с делением воздушного пространства, например связь их с применяемой на практике наиболее радикальной мерой увеличения пропускной способности зоны УВД и повышения безопасности, такой как организация движения, с отсутствием конфликтных точек между пересекающимися потоками ЛА на трассах и в РА. Сокращение числа и степени опасности конфликтных точек может быть достигнуто уменьшением числа существующих пересечений маршрутов на одном эшелоне полета, введением одностороннего движения, а в районе аэродрома -- кругового движения ЛА по коридорам. Такая организация исключает влияние встречных потоков на условия полета, обеспечивает оптимальные условия набора и снижения ЛА в РА и существенно влияет на загруженность диспетчера и процесс деления воздушного пространства.

Мерой, позволяющей обоснованно решать введение одностороннего движения по коридорам, является вероятность нарушения установленных интервалов эшелонирования. Если вероятность нарушения нормированных интервалов района равна или больше заданной, то следует установить два коридора с односторонним движением, в противном случае -- оставить один коридор со встречным движением ЛА.

На практике задачи деления воздушного пространства рассматриваются чаще всего в упрощенной постановке. В целом ряде случаев исходят из общих правил, установленных документами, регламентирующими параметры районов и зон УВД, а для аэродромов с малой интенсивностью полетов определяют основные размеры зон УВД исходя из летно-технических характеристик ЛА и средств УВД. Поэтому вначале приведем общие сведения о вопросах деления воздушного пространства и определения параметров зон УВД для аэродромов с малой интенсивностью полетов.

Воздушное пространство страны разделено на две части, в одной из которых запрещены или ограничены полеты ЛА гражданской эманации, другая часть предназначается для таких полетов. Пространство, выделенное для полетов ЛА гражданской авиации, в свою очередь разделяется по характеру выполняемых полетов и по зонам управления движением. Пространство, выделенное для ЛА гражданской авиации, по характеру выполняемых полетов разделяется на два объема (рис. 4.1): для полетов по воздушным трассам, местным воздушным линиям (МВЛ), маршрутам вне трасс и для авиационных работ; для маневренных зон аэродромов (зоны полетов по приборам; пилотажные, испытательные полеты; облет материальной части).

По зонам управления движением воздушное пространство, выделенное для полетов ЛА гражданской авиации, разделено на воздушное пространство районных центров ЕС УВД, или районы ответственности районных центров единой системы УВД (рис. 4.2).

Воздушное пространство каждого РЦ по типовой структуре разделяется на следующие районы УВД:

верхнее воздушное пространство -- от 6100 м (7300 м) до предельной высоты, используемой ЛА гражданской авиации;

нижнее воздушное пространство -- от 1200 м (второго безопасного эшелона полетов) до 6100 м (7300 м) РЦ ЕС УВД;

зоны местных воздушных линий -- от земной поверхности до 1200 м (до второго безопасного эшелона полетов); аэродромно-узловые зоны; районы базовых аэродромов.

В границах нижнего и верхнего воздушного пространства РЦ располагаются воздушные трассы, МВЛ первой категории и маршруты внетрассовых полетов. В пределах зоны МВЛ размещены районы аэродромов МВЛ, местные линии и маршруты вне трассовых полетов в зоне МВЛ. Районы ВРЦ расположены на воздушных трассах, там, где не обеспечивается радиолокационный контроль за движением ЛА со стороны РЦ ЕС УВД, расположенных в базовых аэропортах. Аэродромно-узловой район -- РАУ может объединять аэродромы одного или нескольких ведомств.

Воздушное пространство РАУ разделено на секторы и имеет общую для всех аэродромов зону подхода, в границах которой расположены воздушные коридоры и зоны движения. Для обеспечения выхода вылетающих ЛА через любой выходной коридор и посадки прилетающих на любой аэродром при вылете с любого аэродрома и посадке на любой аэродром в воздушном пространстве РАУ могут создаваться обходные (кольцевые) коридоры.

Рис. 1.2. Структурная схема деления воздушного пространства на зоны УВД

По форме в пространстве РАУ может быть аппроксимирован цилиндром, радиусом 80--150 км и высотой до 6100 м (7300 м). В зависимости от местных условий высота верхней границы РАУ может быть увеличена.

Район базового аэродрома, не входящий в состав РАУ, с базированием авиаподразделении, выполняющих транспортные полеты и авиационные работы, -- это воздушное пространство над аэродромом и прилегающей к нему местностью в установленных границах.

В воздушном пространстве РА расположены:

район (зона) подхода, в границах которого размещены воздушные коридоры и зоны ожидания; при высокой интенсивности движения зона подхода разделяется на секторы;

зона взлета и посадки, пространство которой разделяется на три зоны -- сектор захода на посадку, сектор набора высоты после взлета, зона полетов по кругу.

Размеры зоны взлета и посадки (ЗВП) определяются из расчета обеспечения объема воздушного пространства для полетов по прямоугольному маршруту над аэродромом и захода на посадку по схемам, применяемым в настоящее время. По своей конфигурации ЗВП может быть аппроксимирована цилиндром высотой Н_звп и радиусом r_ЗВП. Верхняя граница ЗВП устанавливается на высоте второго эшелона зоны ожидания. В стандартных условиях Н_ЗВП -- 1200 м. Радиус ЗВП r_ЗВП. как и ее размер в плане, определяется размерами схемы полетов по прямоугольному маршруту над аэродромом.

Размеры района аэродрома определяются из расчета обеспечения объема воздушного пространства для снижения прилетающего ЛА в районе подхода с последующим заходом на посадку с прямой.

Размеры РАУ в плане рассчитываются таким образом, чтобы обеспечить снижение и заход на посадку с прямой из ближайшего коридора на любой аэродром, входящий в состав РАУ.

Рис.1.3. Схема деления воздушного пространства аэродромно-узловой зоны на зоны УВД.

Размеры РЦ в плане определяются из расчета обеспечения принципа «вижу-- слышу -- управляю» в процессе управления движением. При этом учитываются следующие основные факторы:

дальность действия обзорных радиолокаторов (OPJI), установленных в аэропортах базирования РЦ;

расположение государственной границы, базовых аэродромов РЦ, административных границ союзных республик, краев, областей и экономических районов;

физико-географическая характеристика местности;

местные условия.

В настоящее время радиус РЦ ЕС УВД в среднем 250--300 км. С введением трассовых автоматизированных систем УВД возможно увеличение размеров РЦ в плане.

Районы МВЛ формируются вокруг базовых аэродромов в границах районов с устойчивыми пассажира и грузопотоками. Центрами районов МВЛ обычно являются базовые аэродромы авиаподразделений, выполняющих полеты на МВЛ. Такие аэродромы располагают обычно в областных центрах или центрах экономических районов. В связи с этим размеры районов МВЛ в плане определяются размерами и административными границами областей или экономических районов с устойчивыми экономическими и административными связями. Радиус района МВЛ в среднем 200--250 км.

ВРЦ с правом управления или контроля движения ЛА устанавливаются на воздушных трассах, в местах, не перекрываемых радиолокационными полями ОРЛ смежных РДП. Размеры ВРЦ в каждом случае устанавливаются по результатам оценки размеров области, не перекрываемой радиолокационными полями смежных ОРЛ. В среднем радиус ВРЦ 150--200 км.

В районах с высокой интенсивностью воздушного движения основным показателем эффективности при определении числа секторов УВД может служить загруженность диспетчерского состава контролируемой зоны. В качестве загрузки можно использовать меру в виде комплексного критерия, учитывающего число ЛА, одновременно находящихся в зоне, и затраты диспетчера на их обслуживание за определенный интервал времени т (например, за 1 ч, за смену и т. д.).

Число ЛА, одновременно находящихся в зоне УВД, зависит от размеров зоныТ и интенсивности входящего потока л:

N = лT. (4.4)

При УВД задача диспетчера заключается в обеспечении безопасного эшелонирования ЛА и взаимодействия между смежными диспетчерскими пунктами. Затраты диспетчера по осуществлению УВД неравнозначны и зависят от вида режима полета ЛА. Пусть значимость затрат на обслуживание одного ЛА, пролетающего через зону без изменения высоты, есть ; ЛА, следующего с набором высоты, ; со снижением на посадку ; при согласовании о движении ЛА между смежными секторами УВД . Тогда суммарные затраты на УВД за определенный интервал времени ф

ф (4.5)

где -коэффициент значимости обслуживания ЛAj-го вида полета. Нагрузка зоны

F=F(N) + FУ = F(лT)+ф (4.6)

где F-напряжение в виде фона нагрузки, создаваемого одновременным наличием N ЛА в зоне УВД.

Если положить ф = 1, то выражение (4.6) можно представить в виде

F=F(лT)+

Как видно из формулы, с увеличением интенсивности полетов увеличивается число ЛА, одновременно находящихся в зоне, следовательно, увеличивается нагрузка и на диспетчера. Сохранить нагрузку на одном уровне можно следующими организационно-структурными решениями: уменьшением размеров Т зоны УВД; разбиением суммарного потока л на отдельные потоки, каждым из которых управляют отдельные диспетчеры; разбиением как суммарного потока л, так и размеров зоны T.

В любом случае модель -- лишь подобие реального процесса, приближенно описывающая его характеристики, имеющие место в действительности. Но даже приближенное моделирование позволяет рассмотреть ряд вариантов, пригодных для того, чтобы установить предпочтительность одного из них.

В качестве первого рассмотрим случай последовательного соединения секторов при делении зоны на секторы УВД. Нагрузка между диспетчерами распределяется при дроблении зоны размером Т на секторы меньшего размера (рис. 1.4).

Рис.1.4. Структура зоны УВД при последовательном соединении секторов

Разобьем зону на п равных секторов, т. е.

T₁ = T₂= ... =T_i=... =Т_п=Т/п. (4.8)



При таком делении зоны весь поток ЛА последовательно проходит через секторы УВД, поэтому

л₁ = ₂= ... =л_i=... =л_п=л. (4.9)

Рис. 1.5. Зависимость нагрузки зоны и сектора от числа секторов

Тогда выражение, описывающее число JIA, одновременно находящихся в i-м секторе, в соответствии с равенством (1.4) и после преобразования с учетом формул (4.8) и (4.9) для случая равной фоновой нагрузки в каждом секторе имеет вид:

Ni = F(лiTi) = Fi(лT/n). (4.10)

Затраты на УВД в i-м секторе определяются по формуле (4.5):

=ф(4.11)

Следовательно, нагрузка i-го сектора

=+=+ф

Суммарная нагрузка всей зоны равна сумме нагрузок всех секторов зоны и для случая =определяется зависимостью

F=лT+ ф n. (4.12)

По результатам исследования функционала (4.12) можно построить график зависимости нагрузки зоны и сектора от числа секторов. Как видно из графика (рис. 1.5), построенного при =1, ф=1 ч, при последовательном соединении секторов, при делении зоны на секторы УВД, с увеличением числа секторов нагрузка в каждом из них уменьшается, однако суммарная нагрузка в зоне возрастает пропорционально числу секторов из-за согласования о движении JIA между ними.

Вторым вариантом является параллельное соединение секторов. В этом случае нагрузка между диспетчерами распределяется разбиением суммарного потока на отдельные мелкие потоки, каждым из которых управляет диспетчер (рис.1.6).

Рис. 4.6 структура зоны УВД при параллельном соединении секторов



Разобьем зону на п секторов:

л=++…++…+;

T===…==…=. (4.13)

Полагая, что потоки ЛА распределены между секторами одинаково, можно записать:

₂ = ... == ... =л/п. (4.14)

Число ЛА, одновременно находящихся в i-м секторе, определяется по формуле (4.4), а с учетом выражений (4.13) и (4.14) уравнение (4.4) имеет вид:

=

Затраты на УВД и нагрузка i-го сектора соответственно:

= ;

=+= .

Суммарная нагрузка всей зоны

F=лT+ф .

Из графика зависимости нагрузки на зону и по каждому сектору от числа секторов для случая =1, ф=1 ч (рис. 1.7) видно, что при постоянных размерах зоны и интенсивности входящего потока нагрузки на отдельно взятый сектор тем меньше, чем больше секторов в зоне. При этом суммарная нагрузка зоны остается постоянной.

Рис.1.7. Зависимость нагрузки зоны и сектора от числа секторов при параллельном соединении секторов

В качестве третьего рассмотрим вариант параллельно-последовательного

соединения секторов, т. е. случай, когда уменьшение нагрузки на диспетчерский состав достигается за счет дробления размеров зоны УВД и суммарного потока ЛА.

Пусть в зоне УВД проходит k воздушных трасс, длина которых, выраженная в единицах летного времени, составляет t_s, где s -- номер трассы (коридора). Интенсивность входящего потока на каждой трассе равна . Допустим, что зона разделена на п секторов разного размера. Тогда число ЛА, одновременно находящихся в i-м секторе,

= ,

где - интенсивность входящего потока по s-й трассе i-го сектора ;- среднее время полета ЛА по s-й трассе в i-м секторе.

Затраты на УВД в i-м секторе за время ф

=ф .

Нагрузка i-го сектора слагается из фоновой мгновенной нагрузки на диспетчера N_i и затрат диспетчера на УВД за время ф :

=+=+.

Общая нагрузка зоны равна сумме нагрузок по каждому сектору

F= .

Определяя число секторов в зоне УВД, следует исходить из минимизации нагрузки на диспетчера. Таким образом, требуется найти такой вариант деления зоны, при котором суммарная нагрузка на сектор и зону была бы минимальная, т. е. чтобы показатель эффективности был минимальным:

J(n) = >min _n . (4.15)

При этом должны учитываться возможные ограничения при известных нормах нагрузки:

(4.16)

где -- норма нагрузки на диспетчера i-го сектора, определяемая, например, из нормативных документов.

Рис.1.8. Зависимость нагрузки зоны и сектора от числа секторов при параллельно-последовательном соединении секторов

Требуется найти такой вариант деления зоны, при котором функционал (4.15) минимален при условиях (4.16).

Решение данной задачи в случае неизменных схем полетов и структуры трасс (коридоров) сравнительно легко реализуется графическим способом путем перебора вариантов деления зоны на секторы УВД. График зависимости нагрузки на сектор и зону УВД от числа секторов показан на рис. 1.8.

Определяя рациональную структуру зоны УВД, необходимо решить проблему частичного упорядочения множества трасс (коридоров), включенных в секторы УВД. При поиске мин имального значения функционала (4.15) при ограничениях (4.16) необходимо оценить все варианты деления ЗОНЫ на секторыУВД. Как показывает практика, в сектор могут быть включены как минимум I трасса и максимум 4.Множество вариантов включений для случая последовательного соединения секторов при делении зоны составит

G=++= + + = 15.

Множество вариантов деления зоны на секторы УВД в РА G =показано в табл. 4.1, где каждой строке соответствует номер коридора, столбцу -- вариант деления и включения, и если s-я трасса входит в i-й сектор, то g_si=1, в противном случае g_si=0. Аналогично рассматриваются варианты включения трасс в секторы УВД для варианта параллельного соединения секторов при делении зоны.

Несмотря на кажущееся значительное число вариантов деления зоны на секторы, решение данной задачи на практике упрощается, так как рассматриваются только те ее варианты, которые удовлетворяют ограничению (4.16). При этом следует учитывать тот факт, что наибольший выигрыш в уменьшении нагрузки на сектор и зону дает дробление суммарного потока N на отдельные потоки, каждый из которых включен в отдельные секторы.

При делении зоны района аэродрома на секторы УВД не предполагается обязательного включения в район аэродрома зоны секторов взлета и посадки. Установление зон ожидания маршрутов выхода, снижения и захода на посадку в большой степени является творческим процессом и решается самостоятельно исходя из принципа разделения (либо в плане, либо по высотам) маршрутов набора и снижения и учета всех факторов организации УВД применительно к местным условиям района аэродрома.

Таким образом, разработка и обоснование структуры зоны УВД как быподводят итог первой группе процессов организации УВД и в значительной мере определяют собой значения всех основных обобщенных составных показателей эффективности -- пропускной способности зоны по всем видам полетов и во всех элементах структуры, безопасности полетов при УВД, их экономичности и др.



Таблица 4.1

Из-за неопределенности и случайной природы ряда факторов об эффективности разработанной структуры можно с уверенностью судить только после значительного времени ее эксплуатации (получения достаточных выборок). Этот процесс можно ускорить путем моделирования на тренажерно-моделирующих комплексах. Учитывая большие возможности

творческого поиска в разработке и обосновании структуры зоны УВД, можно с уверенностью говорить, что полученные при этом результаты практически всегда носят отпечаток личностных характеристик ЛПР, их разрабатывавшего. Это позволяет применять также полученные решения для оценки профессионального уровня этих ЛПР.

1.2 Рациональная организация радиотехнического оборудования и средств связи

Рассматривая систему УВД как многоуровневую иерархическую на каждом из уровней которой эффективность функционирования ЛПР зависит от информационного его обеспечения, можно заключить, что большую роль среди процессов организации УВД играет создание систем контроля движения ЛА и связи.

Создание систем контроля и связи, главным образом, заключается в организации радиотехнического оборудования (РТО) для контроля движения ЛА и средств связи (СС) с их экипажами, смежными диспетчерскими пунктами и другими элементами системы УВД. Процесс организации РТО и СС включает множество задач, таких как определение и обоснование потребности в РТО и СС, выбор их вида, определение необходимого их числа и мест расположения и т. д. В отличие от других процессов организации УВД он является наиболее «финансоемким». Действительно, если учесть значительную стоимость только одного комплекта современной РЛС (порядка нескольких миллионов рублей) и громадные просторы, на которых развернута сеть воздушных трасс гражданской авиации СССР, требующая радиолокационного покрытия, то становится очевидным жесткое требование минимизации затрат, не удовлетворяющееся обычным «допустимым» решением проблемы организации РТО на базе РЛС, а заставляющее искать рациональные его варианты.

По самой своей сути организация РТО и СС -- это процесс обеспечения ЛПР различных уровней системы УВД теми видами информации, которые наиболее необходимы на данном его уровне. Поэтому организация РТО и СС рассматривается как разработка и обоснование комплекса средств авиационных систем передачи информации (АСПИ) соответствующего уровня, т. е. АСПИ непосредственного УВД, АСПИ планирования полетов и их обеспечения, АСПИ организации УВД и, наконец, АСПИ для руководства системой УВД .

Развитие АСПИ, обусловленное, с одной стороны, острыми потребностями авиации и нарастанием сложности ДЕЮ, с другой, -- опирается на достигнутые в настоящее время значительные успехи в микроминиатюризации радиоэлектронных элементов и систем, приведших от количественного к качественному скачку в развитии ЭВМ других средств получения, оценки, передачи и отображения информации. Появилась возможность разработки и реализации методов и алгоритмов обработки информационных потоков в АСПИ, все более и более использующих оптимизационный подход. Так возник новый этап в совершенствовании АСПИ, обусловливающийся наличием новых перспектив в получении, обработке, фиксировании, передаче и отображении информации о состоянии и прогнозе развития ДВО. Вместе с тем не следует упускать и отраслевые особенности АСПИ -- пространственное разнесение ее элементов, высокие динамические их свойства, наличие в каждом из видов АСПИ человека-оператора или их коллективов и др. Все сказанное в совокупности неизбежно приводит к подтверждению уже известного вывода о том, что основным направлением совершенствования АСПИ всех видов является комплексная автоматизация процессов. Однако автоматизация процессов УВД, приводящая к необходимости совершенствования АСПИ на современном уровне с учетом современных требований к развитию всех отраслей народного хозяйства и поистине громадной их финансоемкости, вырастает в одну из сложнейших проблем развития отечественной авиационной техники. Действительно, дальнейшее наращивание автоматизации процессов УВД, связанное с развитием и совершенствованием гражданской авиации в целом, обычно связывают: с увеличением числа аэроузловых (аэродромных) и районных автоматизированных систем -- ААС УВД и РАС УВД; внедрением на их базе наземных автоматизированных .систем предупреждения столкновений ЛА (АСПС), которые совместно с бортовыми (БСПС) образуют как бы дублирующую комплексную систему, предотвращающую столкновение ЛА в воздухе -- КСПС; развитием радиолокационного контроля путем замены существующих станций на станции с «режимом S», обладающие более высокой точностью азимутального определения места ЛА, селективным запросом и наличием емкой линии передачи данных «борт -- земля -- борт»; разработкой и внедрением систем управления движением ЛА по летному полю, спутниковых систем УВД, навигации и связи и др.

Все эти направления наращивания автоматизации процессов УВД взаимосвязаны друг с другом и с уровнем достигнутой уже автоматизации, а также с состоянием других процессов организации УВД. Кроме того, все они, как правило, различны по затратам и престижностным факторам. По-разному они оцениваются и со стороны различных комиссий и групп экспертов ИКАО, СЭВ и других международных организаций, членом которых является и наша страна. Поэтому проблему автоматизации процессов УВД, а значит, и проблему рациональной организации все более совершенного РТО и СС нельзя решать в виде простого наращивания числа автоматизированных функций. Требуется разработка всеобъемлющего плана поэтапного развития РТО и СС, учитывающего взаимосвязь и взаимовлияние внедряемых новых автоматизированных средств и оборудования. При этом такие взаимосвязи должны оцениваться не только по влиянию одних средств на другие в АСПИ в решении вопросов электромагнитной или радио совместимости, но и по влиянию на их эффективность деятельности человека-оператора и ЛПР в условиях такой «перекрестной» автоматизации.

Один из характерных примеров -- исследование оценки влияния результатов экспериментов по внедрению БСПС на работу диспетчеров УВД. Выяснилось, что без наличия канала оповещения диспетчеров о факте срабатывания БСПС и о характере выданных рекомендаций пилотам такие системы неэффективны. Учет таких взаимосвязей обычно требует кропотливой работы, связанной с всесторонними проверками с набором в каждой из них достаточного статистического материала. Именно это обстоятельство затрудняет разработку плана поэтапного развития автоматизации процессов УВД, которая осуществляется на периоды 5--10 лет и на перспективу в 15--25 лет. Это требует проведения исследований по определению прогнозов развития отрасли на данные периоды и перспективу, а также возможных уровней развития РТО и СС. Взаимное изучение подобных прогнозов и уровней позволит сформировать основной массив данных по требованиям к комплексу РТО и СС УВД, реализация которых доступна современному уровню развития науки и техники.

Формирование основного массива требований включает очень много последовательно выполняемых операций: составление их перечня и систематизация его по видам РТО и СС, по местам их установки, особенностям эксплуатации; приведение всех данных к единому виду; введение количественных мер в виде, например, показателей степени соответствия; ранжирование их по важности и др. Это трудоемкий творческий процесс, основывающийся на известном мастерстве, так как один лишь только список главных, порождающих требования к РТО и СС первопричин включает такие, противоречащие одна другой (только первоочередные из них):

обеспечение заданного объема авиаперевозок;

обеспечение заданного объема авиационных работ;

достижение плановых показателей по уровню (приращению на заданный период) безопасности полетов, их экономичности и регулярности;

охрана окружающей среды и не превышение заданных стандартом уровней шума;

обеспечение обороноспособности страны;

гарантия выполнения условий, вытекающих из участия СССР в ИКАО, деятельности его в рамках СЭВ и других международных сообществах;

обеспечение экономии материально-технических, трудовых ресурсов страны и других экономических требований.

Полученный основной массив требований позволяет далее формировать агрегированные показатели для развития комплексов РТО и СС декомпозировать их по отдельным этапам и регионам страны. На основе составных показателей и массива требований определяются, обосновываются принципы построения элементов плана поэтапного развития автоматизации процессов УВД.

1.3 Рациональный регламент как предмет синтеза при организации УВД

Одним из сложнейших элементов простейшего контура системы УВД является человек. Управление (руководство) его деятельностью в рамках каждого из уровней иерархии системы осуществляется с помощью руководящих регламентирующих документов. Именно поэтому обеспечение высокой эффективности функционирования системы УВД в значительной мере зависит от качества регламентирующих документов, или сокращенно регламента. Разработка регламента, таким образом, является одним из важнейших процессов этапа организации УВД. Регламент, обеспечивающий в равных прочих условиях высокую эффективность деятельности ЛПР на всех уровнях иерархии системы УВД, называют рациональным; разработка его практически всегда связана со значительными трудностями.

Природа таких трудностей многопланова и включает целую группу факторов. Действительно, каждый из вновь разрабатываемых документов должен в итоге нести определенное количество информации, так как является одним из видов сигнала в системе управления. Это означает, что каждое из ЛПР, на которые он рассчитан,, должно воспринять без потерь все это количество информации, осознать его, зафиксировать и использовать в своей деятельности. Однако трудно предположить, что все ЛПР будут иметь одинаковую профессиональную подготовку, личностные характеристики или, наконец, одинаковое внимание при изучении и адекватном восприятии документа. Это приводит к необходимости учитывать при разработке регламента некоторый «разброс» в перечисленных характеристиках ЛПР.

Информация, которую содержит документ, должна быть представлена в нем, с одной стороны, в форме, наиболее удобной для восприятия ЛПР, а с другой, -- в форме, четко следующей государственным стандартам. Кроме того, документ должен нести новую, т. е. только что добытую, часто установленную путем длительных исследований и больших затрат информацию. Примером здесь может служить многократная переработка правил фразеологии радиообмена в ряде стран. Эти и целый ряд других факторов, порождающих трудности в разработке регламента, требуют от ЛПР, участвующего в такой разработке, не только высокого профессионального мастерства, глубоких смежных знаний, но и известной гибкости и дара доходчивого изложения. Еще и в настоящее время общепринятым является мнение, что разработка оптимального, т. е. наилучшего, регламента для системы УВД-- несбыточная мечта специалистов УВД_; поэтому реальным делом можно считать лишь разработку регламента, удовлетворяющего совокупности хотя бы наиболее важных требований. Такой регламент называют рациональным, и обсуждение вопросов его синтеза при организации УВД всегда, по-видимому, будет вызывать значительный интерес.

Требования к вновь разрабатываемым регламентирующим документам обычно следующие:

целенаправленность документа; разработка документа и введение его в действие преследуют строго определенную цель, и она должна быть четко и ясно изложена в самом документе и обоснована в приложении к нему или в разъясняющей его части;

непротиворечивость положений документа одного другому и положениям других действующих документов, регламентирующих деятельность ЛПР -- специалистов УВД;

однозначность выводов и рекомендаций, следующих из документа, исключение случаев двусмысленного понимания или толкования основного содержания документа;

соответствие идеологической направленности документа рекомендациям международных организаций ИКАО, СЭВ и других, членом которых является наша страна;

соблюдение формы, рекомендуемой государственными стандартами; изложение регламентирующего документа в виде, наиболее удобном для восприятия;

безупречное качество изложения: краткость, ясность, простота; наличие графического материала хотя и не является обязательным, но всегда желательно, так как наиболее удобно для восприятия;

некоторые другие требования, учитывающие специфику документа-- но его форме, содержанию или месту в совокупности регламентов.

Приведенный перечень не включает такие общеизвестные и считающиеся выполненными условия, как наличие обоснованной и строго оговоренной структуры документов (регламента), где каждый из уровней «6 построен на основе вышестоящих документов и обосновывает нижестоящие. Главными для системы УВД являются Воздушный кодекс Союза ССР и Положение об использовании воздушного пространства СССР. Затем идут Наставление по производству полетов (НПП), Наставление по службе движения (НСД). Поэтому такие основные рабочие документы, как Сборник технологий работы диспетчеров службы движения гражданской авиации, Правила фразеологии и радиообмена и другие, разрабатываются на основе положений главных документов, НПП и НОД и вводятся в действие, как правило, специальным приказом МГА. Кроме того, здесь ничего не сказано о допустимом общем числе документов, которым может исходя из ограничений человеческого фактора владеть ЛПР. Между тем ясно, что такое число для ЛПР должно быть конечным и не превышать возможности памяти.

Рис.1.10.Обобщенная схема разработки нового документа для регламента при организации УВД

Все это подтверждает творческий характер разработки рационального регламента. Обобщенная схема разработки нового документа, которая при дальнейшем ее развитии и совершенствовании может послужить основой для создания блок-схемы алгоритма синтеза документов рационального регламента при организации УВД, представлена на рис. 1.10.

Одно из главных условий рационального регламента: объем памяти ЛПР не безграничен, и если можно обойтись без введения еще одного, пусть даже самого совершенного документа, то следует избежать его разработки, согласования и введения.

Рис. 1.9. Фрагменты блок-схемы алгоритма разработки планов поэтапного раз вития автоматизации процессов УВД

Например, для комплекса РТО и СС для систем УВД и ВН в качестве такого принципа обоснован принцип оценки потребности в каждом из видов РТО и СС исходя из минимально потребного числа их для образования радиолокационного или навигационного полей требуемых характеристик.

Потребности каждого вида РТО и СС для АСПИ различного уровня агрегируются далее в единый комплекс с необходимым перечнем по номенклатуре и ресурсам. Сопоставляя оценки номенклатуры и ресурсов единого комплекса потребностей с выделенными на календарный период материально-техническими и другими объемами, можно путем последовательных приближений и согласований произвести корректировку проекта плана поэтапного развития автоматизации процессов УВД. Основные фрагменты описанных операций по разработке такого плана можно представить в виде блок-схемы алгоритма интерактивной процедуры, позволяющей осуществить подобную разработку (рис.1.9). При этом в блок-схеме алгоритма можно выделить ключевые задачи в разработке плана. Сформированная их постановка и автоматизация процесса поиска решений являются одним из главных направлений совершенствования в рациональной организации РТО и СС для систем УВД. Ряд примеров подобных постановок задач развития РТО и СС и описания методов их решения приведены в работах.



Глава 2. УВД на пересекающихся трассах

2.1 УВД на пересекающихся трассах

При существующей системе полукругового эшелонирования возможна встреча ВС в точке пересечения воздушных трасс (ВТ), следующих на одном эшелоне (рис. 2.1). В такой ситуации пролет ВС точки пересечения ВТ должен обеспечиваться применением норм эшелонирования.

Рис. 2.1 Положение ВС на попутно- пересекающейся трассе

Вполне очевидно, что воздушные трассы пересекаются под постоянным углом. На попутно-пересекающихся трассах воздушные суда всегда расходятся на попутно-пересекающихся курсах (рис. 2.1). На встречно-пересекающихся трассах воздушные суда расходятся только на встречнопересекающихся курсах (рис. 2.2). При этом точку пересечения может проходить первым более или менее скоростное или однотипное воздушное судно. Рассмотрим различные ситуации воздушной обстановки.

Попутно-пересекающиеся траектории полетов ВС (рис. 2.1). Пусть первым пересекает воздушную трассу менее скоростное воздушное судно (V_i<V_j). В момент t₀=0 пересечения трассы i-м ВС менаду воздушными судами было расстояние S_ij>d. Так как более скоростное догоняет менее скоростное воздушное судно, то расстояние между ними сокращается до определенного момента. Допустим, что это произошло в момент t, когда расстояние между ВС достигло минимальной величины L (см. рис. 2.1). Значение L можно вычислить из ? ODK. За время ti-e ВС со скоростью v_i прошло расстояние S_i = OD = V_i- t. Второе j-e ВС за время t прошло расстояние S_j = СК = V_j·t. Длина отрезка ОК равна величине

OK = V_j-t - S_ij,. По теореме косинусов имеем:

Рис. 2.2. Положение ВС на встречно-пересекающейся трассе

DK² = OD² + ОК² - 2 * OD * ОК * cosб.

Подставив в данное уравнение параметры полета, получим

L² = v² * t² + (v_jt -- S_ij)² -- 2v_j * t * (v_j * t -- S_ij) * cos (2.1)

По условию это расстояние минимальное. Поэтому, взяв производную функции (22.1) по t и приравняв ее значение к нулю, находим значение

При = 90° уравнение (22.2) принимает вид:

(22.3)

Встречно-пересекающиеся маршруты полетов ВС (рис. 2.2). Минимальное расстояние L между ВС в момент t расхождения воздушных судов равно

В момент t расхождения ВС между ними должно быть расстояние не менее нормы бокового эшелонирования z. Поэтому, подставив значение zвместо L в уравнение (2.2) и (2.4) и разрешив их относительно S_ij, получим продольное расстояние между ВС, которое должно быть не менее

Кроме того, в момент пересечения трассы между воздушными судами должно быть расстояние не менее нормы продольного эшелонирования d, т.е.

Анализ функции (2.5) показывает, что минимально допустимое расстояние S_ij на момент пересечения трассы первым ВС зависит от угла пересечения трассы и скоростей полета воздушных судов.

График зависимости потребной дистанции между ВС в момент пересечения ВТ, обеспечивающее боковое эшелонирование.

Рис. 2.3. Зависимость S_z от угла "а" и V

На графике верхняя кривая соответствует потребной дистанции S_z, когда первым пересекает трассу менее скоростное ВС со скоростью 540 км/ч, а вторым - более скоростное воздушное судно со скоростью 900 км/ч. Средняя кривая соответствует потребной дистанции, когда воздушные трассы пересекают ВС одного класса скоростей (900 * 900; 540 * 540 км/ч). Нижняя кривая - первым пересекает трассу более скоростное ВС со скоростью 900 км/ч, вторым - менее скоростное воздушное судно со скоростью 540 км/ч.

Пример выполнения задания

Вычислить допустимые расстояния между ВС в момент пересечения трассы, если скорости полета соответственно равны 540, 720 и 900 км\ч. Вариация углов пересечения трасс равна a_j=15 градусам.

Исходные данные:

i := 1.. 3 j := 1.. 11 z := 10kmv1:=540 kphv2 := 720kph v3:=900kph

aj := Vi:=

d1 := 20km норма продольного эшелонирования (попутно-пересекающиеся трассы)

d := 30km норма продольного эшелонирования (встречно- пересекающиеся трассы)

d2 := 60km норма продольного эшелонирования (встречно-встречно-пересекающиеся трассы)

...