Методи моніторингу та розв'язання конфліктних ситуацій в системі кооперативного управління повітряним рухом

Моделювання і оцінка імовірності конфлікту при пошуку маневру. На рис. 17 показано результати контролю і оцінки конфлікту при пошуку траєкторії маневрування запобігання потенціального конфлікту. Час показано відносно моменту максимального зближення літаків у випадку, якщо літаки не маневрують (крива 1). Пошук моменту початку маневру для одного з літаків показує таке. При ухиленні вліво з виходом на зустрічний рівнобіжний курс з витримуванням норми ешелонування ймовірність конфлікту значно зменшується, але вона залишається досить високою (крива 2). При ухиленні вправо імовірність конфлікту істотно зменшується і не перевищує припустимого значення (крива 4). Однак для повного розв'язання конфліктної ситуації літак повинен повернутися на запланований курс, що вимагає додаткових безконфліктних маневрів. Збільшення норми ешелонування в два рази при ухиленні вліво дозволяє уникнути конфлікту (крива 3), однак для цього потрібно мати достатній запас часу.

Висновки

У дисертації наведено теоретичне узагальнене і нове вирішення науково-технічної проблеми забезпечення необхідного рівня безпеки польотів при виникненні конфліктних ситуацій в системі кооперативного управління повітряним рухом, необхідність впровадження якої обумовлюється міжнародними планами розвитку аеронавігації. Застосовано комплексний підхід до вирішення поставленої проблеми, що включає розробку методів моніторингу конфліктних ситуацій (виявлення і оцінки ймовірності конфліктів) і методів їх запобігання. Розроблені методи забезпечують високу вірогідність оцінки ризику конфліктних ситуацій (і зіткнення літаків) і запобігання конфліктів з гарантованим рівнем безпеки повітряного руху.

У процесі виконання роботи отримані таки основні наукові результати.

1. Розроблено узагальнений стохастичний метод оцінки характеристик потенційних конфліктів керованого повітряного руху, який дозволяє визначити ймовірність конфлікту, інтегральну оцінку ймовірності конфлікту, оцінку середнього часу до настання конфлікту. Метод має такі особливості:

відносний рух літаків розглядається як дифузійний багатовимірний процес загального вигляду, характеристики якого визначаються на підставі прийнятих моделей випадкових відхилень літаків від заданих траєкторій;

основою методу є рівняння ймовірностей конфлікту в загальному вигляді багатовимірного рівняння в частинних похідних параболічного типу, яке виведено з використанням інфінітезимального оператора для об'єднаного дифузійного процесу відхилень літаків;

врахування імовірнісного характеру процесу відхилення від заданих траєкторій і кореляційних зв'язків у часі дозволяє одержати більш адекватну оцінку конфлікту і вирішувати не тільки задачу оцінки ймовірності порушення норми безпечного розділення літаків, але і задачу оцінки ризику зіткнення.

2. Визначено структуру інфінітезимального оператора для багатовимірного дифузійного процесу загального виду, що дає правило для знаходження оператора для конкретних умов задачі. З використанням отриманого результату визначено інфінітезимальні оператори, що відповідають стохастичним процесам відносного руху пар літаків для різних умов керованого польоту.

3. Розроблено математичні моделі, що описують об'єднаний процес відхилення пар літаків від заданої траєкторії для конкретних умов керованого польоту, які приведено до стандартного багатомірного дифузійного процесу.

4. Виконано дослідження з застосування узагальненого стохастичного методу оцінки ймовірності конфлікту для різних умов задачі: довільний відносний рух двох літаків; політ на одному висотному ешелоні на трасах, що перетинаються; врахування стабілізуючого фактора бортової системи керування; врахування використання високоточної навігаційної системи; політ на рівнобіжних трасах; політ на трасах, що перетинаються під прямим кутом.

5. Розроблено методи зниження розмірності рівнянь імовірностей конфлікту, що спрощує їх розв'язання при збереженні адекватності результату.

6. Побудовано різницеві схеми для чисельного розв'язання багатовимірних параболічних рівнянь, що описують імовірність конфлікту для різних варіантів постановки задачі, і отримано числове рішення для ряду варіантів.

Результат показує високу чутливість оцінки імовірності конфлікту до вихідних даних і параметрів процесу відносного руху літаків. Це дає підставу вважати за можливе одержання достовірної оцінки не тільки імовірності порушення норми безпечного розділення літаків, але й імовірності зіткнення.

7. Отримано оцінку імовірності конфлікту з використанням методу статистичного моделювання, яка виявилася близькою до результату чисельного рішення параболічного рівняння ймовірності конфлікту, що підтверджує коректність виведення узагальненого стохастичного методу.

8. Удосконалено метод оцінки ймовірності конфлікту, що заснований на прогнозуванні стохастичної невизначеності положення літаків, і отримано новий аналітичний вираз для розрахунку імовірності конфлікту в кінцевому вигляді, що дає можливість отримувати високу точність обчислення.

9. Запропоновано ймовірнісно-імітаційний метод і алгоритм оцінки ймовірності потенційного конфлікту, що дозволяє істотно прискорити процедуру оцінки ймовірності конфлікту шляхом статистичного моделювання.

10. Розроблено метод врахування динамічних властивостей руху літаків і кореляція траєкторії польоту в часі, що дозволяє підвищити адекватність моделі розвитку повітряної обстановки, тим самим поліпшити надійність прийняття рішень при виявленні і попередженні конфліктних ситуацій.

11. Вперше запропоновано новий композиційний метод оцінки імовірності конфлікту, у якому по-новому визначається імовірність конфлікту через композицію ймовірностей їх станів. На відміну від відомих методів області невизначеності положення літаків не об'єднуються. Це усуває суттєве обмеження існуючих методів, що припускають рівномірний і прямолінійний рух літаків, і дозволяє оцінювати ймовірність конфлікту при їх маневруванні.

12. Розроблено композиційний метод оцінки імовірності конфлікту з керуванням невизначеністю прогнозованого положення літаків, що дає можливість контролювати і управляти безпекою при пошуку маневру з метою запобігання конфліктних ситуацій.

13. Запропоновано метод оцінки граничнодопустимих моментів прийняття рішення в системі запобігання конфліктів. Відмінною рисою методу є перетворення прогнозованого довірчого інтервалу за відстанню в довірчий часовий інтервал для оцінки граничних моментів прийняття рішення.

14. Розроблено оптимізаційно-стохастичний метод розв'язання потенційно конфліктних ситуацій з гарантованим рівнем безпеки польотів. У методі об'єднується оптимізаційний і стохастичний підходи, при цьому критерієм оптимальності може бути економічність, комфортність та ін., а мірою оцінки безпеки - ймовірність порушення норми безпечного розділення літаків.

15. Розроблено методи моніторингу траєкторій літаків в системі кооперативного управління повітряним рухом для відстеження планових (розрахункових) траєкторій, що дозволяють зменшити рівень невизначеності прогнозованого положення літаків і підвищити надійність прийняття рішення за рахунок підвищення адекватності відстеження траєкторій керованого польоту і точності траєкторної оцінки. Досягається це використанням інформації бортових систем керування та інформації про наміри учасників повітряного руху, доступної в системі кооперативного УПР.

Практична значимість результатів роботи у цілому полягає у тому, що використано комплексний підхід до рішення задачі підтримки необхідного рівня безпеки польотів при впровадженні нової концепції кооперативного керування повітряним рухом. Розроблені методи і алгоритми дають якісно нове рішення задачі моніторингу і розв'язання конфліктних ситуацій, що дозволяє підвищити вірогідність виявлення і оцінки характеристик потенційних конфліктів, а також забезпечити надійність і безпеку прийняття рішень про їх усунення з урахуванням критерію економічності і заданих просторово-часових обмежень.

Розроблені методи можуть бути застосовані для управління безпекою польотів не тільки при управлінні повітряним рухом, а і при організації повітряного простору та плануванні повітряного руху. Вони також можуть бути адаптовані до наявної організації повітряного руху, процедурам і умовам функціонування існуючих автоматизованих систем УПР .

Очікуваний соціальний ефект від впровадження розроблених методів полягає в підвищенні безпеки на транспорті і ефективності перевезень.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Васильев В.Н. Стохастический метод прогнозирования конфликтных ситуаций и столкновения самолетов //Математичні машини і системи. - 2005. - № 4. - С. 62-71.

Babak V., Kharchenko V., Vasylyev V. Methods of conflict probability estimation and decision making for air traffic management //Aviation. - Vilnius: Technika. - 2006. - Vol. 10, № 1. - P. 3-9.

Васильєв В.М. Відстеження, контроль і прогнозування траєкторій при керуванні повітряним рухом //Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 2005. - № 4. - С. 99-105.

Харченко В.П., Кукуш А.Г., Васильев В.Н. Уравнения для оценки вероятности столкновений и других характеристик потенциально конфликтных ситуаций при управлении воздушным движением //Кибернетика и вычислительная техника. - 2005. - Вып. 148. - С. - 65-77.

Васильев В.Н. Композиционный метод оценки вероятности конфликтов с управлением неопределенностью положения самолетов //Кибернетика и вычислительная техника. - 2005. - Вып. 145. - С. 95-106.

Васильев В.Н. Оценка вероятности столкновения самолетов на параллельных трассах в системах и тренажерных комплексах управления воздушным движением //Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - К.: ІПМЕ, 2005. - Спец. вип., Т.1. - С. 71-79.

Харченко В.П., Кукуш А.Г., Васильев В.Н. Обобщенный стохастический метод оценки характеристик потенциальных конфликтов управляемого воздушного движения //Кибернетика и системный анализ. - 2005. - № 3. - С. 81-93.

Харченко В.П., Кукуш А.Г., Васильев В.Н. Вероятностная оценка риска столкновений самолетов при кооперативном управлении воздушным движением // Проблемы управления и информатики. - 2005.- №5.- С. 56-63.

Васильев В.Н. Композиционный метод оценки вероятности конфликтов для системы управления воздушным движением //Моделювання та інформаційні технології: Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - К.: ІПМЕ, 2005. - Вип. 30. - С. 37-44.

Харченко В.П., Кукуш А.Г., Васильев В.Н. Методы оценки вероятности конфликтов для системы управления воздушным движением // Проблемы управления и информатики. - 2005. - № 1. - С. 88-97.

Харченко В.П., Васильев В.Н. Прогнозирование вероятности столкновения самолетов при управляемом воздушном движении //Авіаційно-космічна техніка і технологія. - Х: Нац. аерокосм. ун-т “ХАІ”. - 2005. - Вип. 7(23). - С. 268-279.

Васильєв В.М. Збереження автосупроводження літаків у випадках втрати властивості повного спостережування //Проблеми інформатизації та управління: Зб. наук. пр. - К.: НАУ, 2005. - Вип. 4(15). - С. 28-31.

Васильєв В.М. Відстеження і контроль параметрів траєкторії керованого подовжнього руху літака // Проблеми транспорту: Зб. наук. пр. - К.: НТУ, 2005. - Вип. 2. - С. 154-160.

Васильєв В.М. Оптимізація прийняття рішень по запобіганню стохастично прогнозованих конфліктів у повітряному русі // Вісник НАУ. - 2005. - № 1. - С. 27-34.

Васильєв В.М. Оцінка ймовірності конфлікту з урахуванням динаміки і кореляції процесу польоту літаків // Вісник НАУ. - 2004. - № 4. - С. 21-25.

Васильєв В.М. Статистичне моделювання та оцінка ризику зіткнень літаків з використанням кореляційної теорії // Вісник НАУ. - 2004. - № 3. - С. 70-73.

Васильєв В.М. Методи прогнозування й оцінки ймовірності конфліктів при польоті літаків на маршрутах // Вісник НАУ.- 2004. - № 2. - С. 24-29.

Харченко В.П., Кукуш А.Г., Васильєв В.М. Визначення допустимого часу прийняття рішення в системах запобігання конфліктів при польотах в умовах "вільного польоту" // Вісник НАУ. - 2004. - № 1. - С. 29-33.

Kharchenko V., Vasylyev V. Decision-making system for vessel traffic planning and radar control //Proc. European Radar Conference “EuRAD 2004”. - Amsterdam (the Netherlands), 2004. - P. 61-64.

Харченко В.П., Васильєв В.М. Дослідження властивостей алгоритму траєкторної оцінки керованого польоту // Вісник НАУ. - 2003. - № 3-4. - С. 123-126.

Kharchenko V., Vasylyev V. Decision support system development for cooperative air traffic management // Вісник НАУ. - 2003. -№ 2. - С. 38-42.

Васильєв В.М. Підвищення адекватності і точності відстеження траєкторій керованого польоту літаків // Вісник НАУ. - 2003.- № 1.- С. 50-53.

Васильєв В.М. Адаптація моделі керованого польоту літака в системі траєкторної оцінки, прогнозування і попередження конфліктних ситуацій // Вісник НАУ. - 2002. -№ 2. - С. 96-99.

Kharchenko V., Vasylyev V. Application of the intellectual decision making system for vessel traffic control. //Proc. XIV International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications “MIKON-2002”. - Gdaтsk (Poland), 2002. - Vol. 2. - P. 639-642.

Васильєв В.М. Оцінка і контроль відхилень від запланованих траєкторій польоту в автоматизованих системах керування повітряним рухом // Вісник НАУ. - 2001. - № 4. - C. 82-87.

Васильєв В.М. Прогнозна оцінка витримування планів польотів при контролі повітряного руху // Вісник НАУ. - 2001. - № 3. - С. 131-135.

Васильєв В.М. Підвищення вірогідності контролю і прогнозування місцезнаходження літаків в системі автоматичного залежного спостереження // Вісник НАУ. - 2001. - № 2. - С. 133-136.

Васильев В.Н. Повышение точности траекторной оценки в многопозиционных радиопеленгационных системах управления воздушным движением // Автоматизация процессов управления полетом самолета, воздушным движением авиационные тренажеры: Сб. науч. тр. - К.: КИИГА, 1992. - С. 70-72.

Васильев В.Н. Идентификация и прогнозирование отклонений ВС от заданных траекторных параметров в АС УВД // Теоретические и прикладные вопросы эксплуатации программного обеспечения АС УВД: Сб. науч. тр. - К.: КИИГА, 1988. - С. 73-75.

Васильев В.Н. Прогнозирование загруженности воздушного пространства в АС УВД // Вопросы повышения качества функционирования программного обеспечения вычислительных систем реального времени: Сб. науч. тр. - К.: КИИГА, 1987. - С. 82-85.

Васильев В.Н. Автоматизация контроля и управления воздушным движением при использовании системы автоматического зависимого наблюдения // Проблемы развития систем аэронавигационного обслуживания и авионики воздушных судов: Материалы междунар. науч.-техн. конф. - К.: КМУГА, 1998.- С. 28-29.

Васильєв В.М. Контроль відхилень від плану польоту при оцінці траєкторій в автоматизованих системах керування повітряним рухом //Матеріали Ш Міжнар. наук.-техн. конф. "АВІА-2001". - К.: НАУ, 2001. - С. 7.1-7.4.

Babak V., Kharchenko V., Vasylyev V. Automated intellectual decision making system for vessel traffic service. // Proc. International Conference "Sensor & Systems". - Saint-Petersburg (Russia), 2002. - Vol. 3. - P. 145-148.

Васильєв В.М. Вирішення проблеми нелінійності при ідентифікації траєкторії керованого польоту //Аерокосмічні системи моніторингу та керування: Матеріали V Міжнар. наук.-техн. конф. "АВІА-2003". - К.: НАУ, 2003. - T.2. - С. 21.25-21.28.

Kharchenko V., Vasylyev V. Using intelligent systems for decision support in air traffic management // Proc. World Congress "Aviation in XXI-st Centure". - Kyiv (Ukraine), 2003. - P. 5.47-5.52.

Харченко В.П. Васильєв В.М. Врахування похибок прогнозування при визначенні часу прийняття рішення по запобіганню небезпечного зближення літаків //Аерокосмічні системи моніторингу та керування: Матеріали VI Міжнар. наук-техн. конф. "АВІА-2004". - К.: НАУ, 2004. -Т. 2.- С. 21.64-21.68.

Babak V., Kharchenko V., Vasylyev V. Stochastic methods of conflict detection and decision making for air traffic management // The 6-th International Seminar on "Resent research and design progress in aeronautical engineering and its influence on education": Book of abstracts. - Riga (Latvia), 2004. - P. 58.

Kharchenko V., Vasylyev V., Kukush A. Evaluation of probability of aircraft collision at cooperative air traffic control //Proc. Second World Congress "Aviation in the XXI-st Century". - Kyiv (Ukraine), 2005. - P. 3.52-3.56.

Васильев В.Н. Отслеживание и прогнозирование траекторий при кооперативном управлении воздушным движением //V Междунар. науч.-техн. конф. "Гиротехнологии, навигация и управление движением": Сб. докладов. - К.: НТУУ "КПИ", 2005. - С. 295-298.

Анотація

Васильєв В.М. Методи моніторингу та розв'язання конфліктних ситуацій в системі кооперативного управління повітряним рухом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.22.13 - Навігація та управління повітряним рухом. - Національний авіаційний університет, Київ, 2006.

Дисертаційна робота присвячена проблемі забезпечення необхідного рівня безпеки повітряного руху при виникненні конфліктних ситуацій в системі кооперативного управління повітряним рухом.

Удосконалюються і пропонуються нові ймовірнісні методи оцінки конфліктів, що поділяються на дві групи. Перша основана на прогнозуванні випадкових процесів відхилень літаків від заданих траєкторій з наступним аналізом їх взаємного положення. Розроблено узагальнений стохастичний метод, що дозволяє з високою вірогідністю оцінювати імовірність конфліктів і ризик зіткнення літаків. Друга група методів базується на прогнозуванні областей невизначеності положення літаків з наступним аналізом близькості цих областей. Розроблено методи, що дають нові аналітичні вирази для оцінки ймовірності конфлікту і дозволяють враховувати стохастичну динаміку і кореляцію в часі процесів відхилення від заданих траєкторій. Запропоновано новий композиційний метод, що на відміну від відомих методів дозволяє контролювати безпеку польотів при маневруванні літаків.

Розроблено оптимізаційно-стохастичний метод розв'язання конфліктних ситуацій з гарантованим рівнем безпеки польотів, в якому критерієм оптимальності може бути економічність, комфортність тощо, а мірою безпеки є ймовірність порушення норми безпечного розділення літаків.

У сукупності розроблені методи й алгоритми дають якісно нове рішення задачі моніторингу і розв'язання потенційно конфліктних ситуацій і можуть бути використані для управління безпекою польотів не тільки при оперативному управлінні повітряним рухом, а і при організації повітряного простору і плануванні повітряного руху. Застосування цих методів підвищує безпеку на транспорті і збільшує ефективність повітряних перевезень.

Ключові слова: безпека польотів, система кооперативного управління повітряним рухом, моніторинг конфліктних ситуацій, ймовірність конфлікту, ризик зіткнення, розв'язання конфліктів.

Аннотация

Васильев В.Н. Методы мониторинга и разрешения конфликтных ситуаций в системе кооперативного управления воздушным движением. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.22.13 - Навигация и управление воздушным движением. - Национальный авиационный университет, Киев, 2006.

Диссертационная работа посвящена проблеме обеспечения необходимого уровня безопасности воздушного движения в системе кооперативного управления воздушным движением (УВД), внедрение которой предполагает существенное повышение пропускной способности и безопасности. В такой системе из-за уплотнения воздушного движения, сокращения норм эшелонирования и введения “свободного полета” увеличивается вероятность опасного сближения самолетов и возникновения конфликтных ситуаций.

Дается комплексное решение указанной проблемы в соответствии с процедурой принятия решения при УВД, что включает разработку методов мониторинга траекторий, повышающих точность отслеживания управляемых траекторий полета в системе кооперативного УВД по данным системы наблюдения, разработку методов мониторинга потенциально конфликтных ситуаций, повышающих достоверность прогнозирования, обнаружения и оценки вероятности потенциально конфликтных ситуаций, и, наконец, разработку методов предотвращения конфликтных ситуаций, обеспечивающих заданный уровень безопасности при выборе траектории маневрирования с учетом заданных критериев оптимальности и ограничений. При этом используются новые качества системы кооперативного УПР - возможность доступа к данным о маршруте и режиме полета и возможность координации четырехмерной траектории полета.

В работе усовершенствуются и разрабатываются новые вероятностные методы оценки характеристик конфликтов, которые делятся на две группы. Первая основана на прогнозировании случайных процессов отклонения самолетов от заданных траекторий полета с последующим анализом взаимного положения самолетов. В этой группе разработан обобщенный стохастический метод, который позволяет с высокой достоверностью оценивать вероятность потенциально конфликтных ситуаций и риск столкновения самолетов. Основу метода составляет выведенное с применением дифференциального оператора уравнение вероятностей конфликта. Исследуется применение обобщенного метода при различных вариантах и условиях управляемого воздушного движения. Получено численное решение уравнения вероятностей конфликта для ряда вариантов с графическим отображением результатов.

Вторая группа методов базируется на прогнозировании областей неопределенности положения самолетов с последующим анализом их близости. Разработаны методы, которые дают новые аналитические выражения для оценки вероятности конфликта и позволяют учитывать стохастическую динамику и корреляцию во времени процессов отклонения от заданных траекторий. Предложен новый композиционный метод, позволяющий в отличие от известных методов оценивать вероятность конфликта и контролировать безопасность полетов при маневрировании самолетов.

Предложен метод определения предельно допустимых моментов принятия решения для системы предотвращения конфликтов, который состоит в последовательном прогнозировании сближения самолетов на установленные дистанции принятия решения и оценке предельных моментов принятия решения по предотвращению конфликта. Отличительной особенностью метода является преобразование прогнозируемого доверительного интервала по расстоянию между самолетами в доверительный временной интервал.

Разработан оптимизационно-стохастический метод разрешения потенциально конфликтных ситуаций с гарантированным уровнем безопасности полетов, в котором объединяется оптимизационный и стохастический подходы, при этом критерием оптимальности может быть расход топлива, время полета, комфортность и др., а мерой оценки безопасности является вероятность нарушения нормы безопасного разделения.

В совокупности разработанные методы и алгоритмы дают качественно новое решение задачи мониторинга и разрешения потенциально конфликтных ситуаций и могут быть использованы для управления безопасностью полетов как при оперативном контроле и управлении воздушным движением, так и на этапе организации воздушного пространства и при планировании воздушного движения. Применение разработанных методов повышает безопасность на транспорте и увеличивает эффективность воздушных перевозок.

Ключевые слова: безопасность полетов, система кооперативного управления воздушным движением, мониторинг конфликтных ситуаций, вероятность конфликта, риск столкновения, разрешение конфликта.

Annotation

Vasylyev V. Methods of monitoring and resolution of the conflict situations in cooperative air traffic management system. - Manuscript.

Thesis for Doctor's degree in Engineering according to the speciality 05.22.13 - Navigation and air traffic management. - National aviation university, Kyiv, 2006.

The research is devoted to the problem of maintenance of a required level of air traffic safety at new cooperative air traffic management system.

The new probabilistic methods of conflict detection and conflict probability evaluation are developed. These methods are divided on two groups. One group is based on prediction of stochastic process of aircraft deviation from the planned trajectory with subsequent analysis of predicted relative position of the aircraft. The generalized stochastic method belonging to this group is developed. This method enables to estimate a conflict probability and collision risk with high reliability. The second group of methods is based on prediction of aircraft position uncertainty area with subsequent analysis of their dangerous approach. Several methods of this group are developed. One method gives the analytical expression in closed-form, the next one estimates a conflict probability based on fast statistical simulation of predicted violations of safe separation standards. Another method takes into account stochastic nature and time correlation of deviation from planned and controlled flight trajectory. The new probabilistic composite method of conflict estimation is offered. This method enables to manage predicted aircraft position uncertainty and control safe separation standard in manoeuvre zones.

The optimized stochastic conflict resolution method with a guaranteed level of safety is developed. The optimization and stochastic approaches is integrated. As an optimality criterion, it can be fuel consumption, flight time, passenger comfort, etc., and a safety measure is a probability of safe separation standard violation.

In the aggregate the developed methods and algorithms give qualitatively new solution for monitoring and resolution of potential conflict situations. They can be used for safety management at monitoring and air traffic control and also at airspace organization and air traffic planning. The application of these methods improves safety and increases efficiency of air transport.

Key words: air safety, cooperative air traffic management system, conflict monitoring, conflict probability, collision risk, conflict resolution.

Размещено на Allbest.ru