Методика расчета потенциальных конфликтных ситуаций в автоматизированной системе планирования воздушного движения Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 004.9

Тимофеев Семен Юрьевич

ФБГОУ ВПО «Тверской государственный технический университет»

Россия, Тверь1

Аспирант кафедры «Электронные вычислительные машины»

E-Mail: timofeev.simeon@hotmail. com

Методика расчета потенциальных конфликтных ситуаций

Аннотация: Основной задачей систем планирования и организации воздушного движения является удовлетворение потребностей пользователей воздушного пространства при обеспечении безопасности полетов. Для этого, центрами планирования единой системы организации воздушного движения РФ осуществляется комплексный анализ полученных от пользователей заявок на использование воздушного пространства. Основными задачами, решаемыми в ходе анализа заявок на этапах планирования, являются: проверка планов полетов на соблюдение правил использования воздушного пространства, контроль ожидаемой загрузки элементов воздушного пространства на соответствие их нормам пропускных способностей, проверка соблюдения установленных ограничений использования воздушного пространства. Анализ технических заданий на разработку новых систем планирования показал, что к современным системам так же предъявляется требование решения задачи анализа планов на наличие потенциальных конфликтных ситуаций между воздушными судами. В статье рассмотрена методика расчета потенциальных конфликтных ситуаций между воздушными судами на общем участке маршрута. Для решения задачи сокращения числа пар сравниваемых участков маршрутов методика использует списки входа в элементы воздушного пространства. Для упрощения анализа пространственно-временных траекторий движения воздушных судов, все возможные варианты взаимного движения на общем участке, сводятся к трем вариантам взаимного движения судов на подучастках. Рассматриваются алгоритмы определения факта наличия и параметров потенциальной конфликтной ситуации. Проведенные испытания показали, что методика обладает высоким быстродействием и требует для работы незначительных ресурсов оперативной памяти.

Ключевые слова: Потенциальные конфликтные ситуации; безопасность полетов; планирование; воздушное движение; использование воздушного пространства; специальное программное обеспечение; анализ планов полетов; нормы эшелонирования; списки входа.

Идентификационный номер статьи в журнале 104ТУЫ214

1 170027, г. Тверь, ул. Оснабрюкская, 27 к. 2, кв. 14

в автоматизированной системе планирования воздушного движения

Потенциальной конфликтной ситуацией (ПКС) между двумя воздушными судами (ВС) называется ситуация при которой без изменения режима полета произойдет опасное сближение ВС. Под опасным сближением понимается не предусмотренное заданием на полет сближение воздушных судов между собой или с другими материальными объектами на интервалы менее половины установленных в результате которого возник риск столкновения2.

Для однозначного определения отсутствия потенциальной конфликтной ситуации для воздушного судна, требуется сопоставить его маршрут полёта с маршрутами других ВС, что приводит к попарной проверке всех маршрутов всех ВС участвующих в воздушном

движении. Количество анализируемых пар ВС при этом составит Х). Для текущего

планирования количество полётов для анализа составляет около 7-10 тысяч, а при стратегическом - порядка 20 тысяч. Кроме того, необходимо отметить, что каждый план полета может иметь кроме основного еще несколько альтернативных маршрутов. Таким образом, выполнять попарную проверку каждого маршрута каждого ВС не предоставляется возможным, в связи трудоемкостью задачи.

В связи с этим, одной из основных задач для любой методики расчета ПКС, является сокращение числа пар ВС, проверяемых на конфликты.

Традиционные схемы сокращения перебора базируются на эвристических двухступенчатых процедурах фильтрации информации о движущихся ВС, что позволяет свести полный перебор по сотням объектов к десяткам полных переборов по единицам объектов [1]. Наиболее известен подход, согласно которому контролируемое воздушное пространство (ВП) представляется в виде «слоеного пирога» [2-4]. Каждый его слой отображает часть пространства в конкретном диапазоне высот и покрывается координатной сеткой, дискреты которой по величине равны априорно заданному пороговому расстоянию (критерию) опасного сближения или (в других модификациях) его удвоенному значению. На этапе фильтрации все ВС, попавшие в один дискрет некоторого высотного слоя, считаются претендующими на участие в конфликте. Для преодоления граничных эффектов в число претендентов включаются ВС, оказавшиеся в соседних дискретах, т.е. по разные стороны квадратов и слоев. Селектированные по квадратам сетки пары ВС анализируются с целью установления тенденции развития конфликтной ситуации.

Данный подход разрабатывался для использования в системах управления воздушным движением (УВД). Для того что бы использовать его в системах планирования воздушного движения потребуется выполнение имитационного моделирования развития воздушной обстановки. Количество обрабатываемых ВС при этом составляет несколько тысяч, а интервал моделирования от 24 часов и более. Для ускорения может быть использован гибкий шаг моделирования, либо пропуск шагов моделирования [5, 6], однако количество расчетов остается значительным.

Высоким быстродействием обнаружения ПКС при планировании воздушного движения обладает «Фильтр конфликтов» [4, 7], в основе которого лежат алгоритмы анализа гистограмм распределения загрузки в точках ВП.

Предлагаемая в данной статье методика расчета ПКС в качестве подхода для решения задачи сокращения перебора пар ВС, использует списки входа ВС в элементы воздушного пространства (точки ВП и участки маршрутов). При анализе пары ВС, методика учитывает действующие для данной пары ВС нормы эшелонирования. Методика поддерживает

2 Федеральные авиационные правила «Организация воздушного движения в Российской Федерации»: утв. приказом Министерства транспорта Российской Федерации от 25 ноября 2011 г. № 293

возможность разбиения основного участка маршрута на подучастки, для повышения точность описания характера движения ВС.

Типы потенциальных конфликтных ситуаций

Подавляющее большинство полетов выполняются воздушными судами гражданской авиации (ГА), и являются трассовыми полетами. Внетрассовые и маршрутно-трассовые полеты выполняются в основном военными, либо ВС малой авиации. В случае пересечения внетрассовым ВС участка трассы, зональным центром единой системы организации воздушного движения (ЕС ОрВД) вводятся кратковременные ограничения использования воздушного пространства (ИВП). Таким образом, на этапах планирования при анализе планов на ПКС можно игнорировать внетрассовые участки маршрутов ВС, так как ПКС на данных участках будут исключены при условии соблюдения введенных ограничений ИВП [8].

При движении ВС по трассам, все ПКС можно свести к 3 типам [8]:

1. ПКС при прохождении ВС через общую точку ВП (рис. 1 б);

2. ПКС при движении ВС по общему участку трассы (рис. 1 а);

3. ПКС при движении ВС по пересекающимся участкам трасс (рис. 1 в).

Рис. 1. Типы ПКС: а) ПКС на общем участке; б) ПКС в общей точке; в) ПКС на пересекающихся участках (составлено автором)

В [8] рассмотрено применение предлагаемой методики для расчета ПКС при прохождении воздушных судов через общую точку ВП (рис. 1 б). В рамках данной статьи рассматривается применение методики для расчета ПКС на общем участке маршрута.

Исходные данные для расчета ПКС

Основными исходными данными для методики расчета ПКС являются рассчитанные 4D-маршруты полетов воздушных судов, а так же нормы вертикального и продольного эшелонирования. Под 4D-маршрутом полета понимается пространственно-временная траектория движения ВС. Таким образом, 4D-маршрут для каждой точки или участка маршрута определяет географические координаты, высоту и время пролета.

Потенциальные конфликтные ситуации возникают при нарушении норм вертикального, продольного и бокового эшелонирования, которые устанавливаются Федеральными правилами использования воздушного пространства РФ (ФП ИВП)3.

Проведенный анализ ФП ИВП показал, что нормы вертикального эшелонирования зависят от:

• высоты полета воздушных судов;

• скорости полета воздушных судов;

• используемых воздушными судами правил полета (правил полетов по приборам или правил визуальных полетов);

• наличия оборудования и разрешений на выполнение полетов с сокращенным интервалом вертикального эшелонирования;

• зоны ответственности, в которой находятся воздушные суда;

• использования автоматизированных систем управления воздушным движением,

или комплекса средств автоматизации, или радиовещательного автоматического зависимого наблюдения.

Нормы продольного эшелонирования устанавливаются при полетах воздушных судов по правилам полетов по приборам, и задаются расстоянием между ВС в километрах или минутах. Нормы продольного эшелонирования зависят от:

• высоты полета воздушных судов (ВС находятся на одной высоте; один или оба ВС выполняют переход на новый эшелон полета);

• направления движения воздушных судов - попутное, встречное или движение по пересекающимся курсам;

• зоны ответственности, в которой находятся воздушные суда;

• использования автоматизированных систем управления воздушным движением,

или комплекса средств автоматизации, или радиовещательного автоматического зависимого наблюдения.

Нормы бокового эшелонирования применяются при осуществлении маневров для разведения конфликтующих ВС. При расчете ПКС на этапах планирования они не учитываются.

Для уточнения пространственно-временной траектории движения ВС, каждый основной участок маршрута, может быть разделен на несколько подучастков, на которых ВС соблюдает определенный характера движения:

• по скорости полета: равномерное, равноускоренное или равнозамедленное движение;

• по высоте полета: движение в горизонте (на постоянной высоте), снижение или набор высоты.

Участок разделяется на подучастки при расчете промежуточных точек 4Б-маршрута, необходимых для более точного описания этапов изменения высоты или скорости полета.

3 Федеральные правила использования воздушного пространства Российской Федерации: утв. постановлением Правительства Российской Федерации от 11 марта 2010 г. № 138

Таким образом, поиск ПКС на общем участке осложняется большим разнообразием возможных вариантов движения воздушных судов относительно друг друга (рис. 2).

Рис. 2. Варианты движения воздушных судов/1 и/2 на участке Р1 - Р2

(составлено автором)

Нарушение норм эшелонирования при движении ВС по общему участку произойдет на одном из подучастков. Таким образом, показанные на рис. 2 варианты взаимного движения ВС на основных участках маршрута сводятся к трем вариантам взаимного движения ВС на подучастках:

1) воздушные суда двигаются на одной высоте полета (эшелоне) и их траектории пересекаются при движении навстречу друг другу или при обгоне одним ВС другого;

2) траектории воздушных судов пересекаются при изменении высоты полета хотя бы одним из ВС;

3) одно или оба воздушных судна меняют высоту полета, но их траектории не пересекаются.

Данные три варианта получены исходя из того, что на каждом из подучастков, воздушное судно сохраняет определенный режим вертикального движения: двигается в горизонте, выполняет набор высоты или снижается.

Для каждого из трех вариантов, необходимо реализовать свою логику проверки наличия ПКС и расчета ее параметров (прогнозное время, положение и высота полета воздушных судов).

Таким образом, предлагаемая методика расчета ПКС состоит в решении 2 задач:

1) ограничение перебора пар ВС проверяемых на наличие ПКС на основе ведения и анализа списков входа в элементы ВП;

2) анализ траекторий движения воздушных судов на подучастках для определения факта наличия и параметров ПКС.

Решение задачи 1. Ограничение пар ВС проверяемых на наличие ПКС на основе

ведения и анализа списков входа в элементы ВП

Для поиска ПКС на общем участке маршрута используется список входа для участка, представляющий собой упорядоченный по времени входа список элементов, содержащих следующие данные:

• ссылка на объект, представляющий маршрут полета;

• ссылка на объект, представляющий план полета;

• время входа в участок;

• время выхода из участка;

• ссылка на объект, представляющий расписание выполнения полетов;

• направление прохождения участка;

• минимальная высота на участке;

• максимальная высота на участке;

• дата/время последнего обновления маршрута на момент формирования записи (далее будем называть полем LastUpdate).

Под участками, для которых ведутся списки входа, понимаются не участки воздушных трасс (ВТ), а объекты, хранящие ссылки на две известные точки ВП. Таким образом, если через две заданные точки проходит несколько участков ВТ, то все ВС, проходящие по данным участкам ВТ, попадут в один список входа.

Добавление записей в списки входа осуществляется после завершения расчета пространственно-временной траектории (4Б-траектории) движения ВС. Запись добавляется в соответствующие списки входа в порядке возрастания времени входа, для каждого основного участка маршрута. Значение поля LastUpdate устанавливается равным времени завершения расчета 4Б-траектории. Эта временная метка используется для решения задачи удаления из списков входа устаревших данных, то есть записей относящихся к удаленным или измененным маршрутам. Запись подлежит удалению, если значение поля LastUpdate отличается от значения времени последнего изменения маршрута (ссылка на объект, представляющий маршрут полета хранится в самой записи). Удалять устаревшие записи можно либо при очередном анализе списка входа на наличие ПКС, либо по установленному событию (например, по таймеру с установленной периодичностью). Такой подход позволяет экономить время на поддержание списков входа в актуальном состоянии [8].

Рассмотрим алгоритм анализа списка входа для выбора пар ВС, для которых необходимо проверить наличие ПКС.

Алгоритм анализа списка входа

Варианты практического применения методики расчета ПКС в рамках специального программного обеспечения систем планирования сводятся к двум случаям:

1) Анализ всех планов полетов на наличие ПКС;

2) Анализ отдельного плана полета на наличие ПКС.

Первый случай предполагает полную обработку списков входа для практически всех элементов ВП (обрабатываются все элементы, встречающиеся хотя бы в одном маршруте полета). Потребность в такой обработке возникает при первоначальной загрузке специального программного обеспечения (СПО), либо при внесении в план полетов существенных изменений, затрагивающих большое количество маршрутов полетов. В качестве причины может выступать необходимость перерасчета всех планов полетов в связи с изменением исходных данных по аэронавигационной информации, данных летно-технических характеристик, метео-информации и других данных влияющих на расчет 4Б-траекторий движения воздушных судов.

Второй случай предполагает, что первоначальный анализ всех планов полетов был выполнен, и в дальнейшем необходимо поддерживать данные о ПКС при изменении отдельного маршрута полета, либо при вводе в систему нового плана полета. В таком случае необходимо обрабатывать списки входа, только для элементов, затрагиваемых новым или измененным маршрутом полета. Кроме того, для ускорения обработки целесообразно ограничить обрабатываемые записи списка входа теми, что могут конфликтовать с новым маршрутом.

Анализ списка входа для участка предполагает обход списка, для выбора пар записей, чьи соответствующие ВС могут конфликтовать на данном участке.

Для объяснения алгоритмов обхода списка входа для участка введем следующие обозначения:

• - запись списка входа под номером /;

• ^вм - время входа, записанное в ;

• ^вых£ - время выхода, записанное в ;

• N - количество записей в списке входа.

Для случая полного обхода списка входа (применяется при анализе всех планов полетов на наличие ПКС) используется два цикла: основной (цикл по индексу /') и вложенный (цикл по индексу у). Основной цикл осуществляет последовательный обход всех записей списка входа (/ = 1, М). Внутренний цикл обходит все записи, следующие за (/' = / + 1,Щ. Преждевременное завершение внутреннего цикла осуществляется в случае выполнения условия 1вх] > ^ых{ (условие отсутствия пересечения интервалов «Время входа - Время выхода» для записей и еу). В случае если внутренний цикл отработал без преждевременного

завершения, выполняется дополнительный внутренний цикл (у = 1, / — 1) для учета случаев перехода через сутки.

При анализе отдельного плана полета, нет необходимости проверять все записи списка входа. В данном случае вначале определяется индекс /, по которому расположена запись, соответствующая анализируемому плану полета. Далее, выполняется обход записей, расположенных до и после записи . Обход записей следующих за , выполняется

аналогично тому, как рассмотрено выше. Обход записей расположенных до , выполняется в обратном порядке (/ = 1 — 1,1). Преждевременное завершение цикла осуществляется в случае выполнения условия (;вХ( > *:выху. В случае если цикл отработал без преждевременного

завершения, выполняется дополнительный цикл (у = Ы, / + 1) для учета случаев перехода через сутки.

При обработке выбранных записей списка входа (е^ и еу) вначале проверяются несколько условий, позволяющих отбросить заведомо неконфликтующие пары ВС:

1) Записи относятся к одному воздушному судну;

2) Одна из записей является «устаревшей», то есть сохраненное время последнего обновления маршрута на момент формирования записи (ЬавШрёа1е) отличается от времени последнего обновления маршрута, соответствующего записи списка входа;

3) Отсутствует пересечение интервалов «Минимальная высота на участке -Максимальная высота на участке»;

4) Отсутствуют общие дни выполнения полетов (с учетом переходов через сутки).

При выполнении хотя бы одного из указанных условий, нет необходимости проверять записи на наличие ПКС. В противном случае, для пары ВС, соответствующих выбранным записям списка входа, выполняется проверка на наличие ПКС на соответствующем участке.

Решение задачи 2. Анализ траекторий движения воздушных судов на подучастках для определения факта наличия и параметров ПКС.

В качестве данных для демонстрации алгоритма используем представленные на рисунке 3 участки маршрутов воздушных судов/ и/ проходящие по общему участку Р1 - Р2.

"У 512

АР2

Р1А

■V

523

'У' 521

АР2

Рис. 3. Маршруты ВС/1 и/2, проходящих по общему участку Р1 - Р2

(составлено автором)

Из рисунка 3 видно:

• ВС двигаются навстречу друг другу;

• В результате расчета 4D-траектории, основной участок Р1 - Р2 для маршрута ВС /1 был разделен на 5 подучастков (5ц - Sl5) четырьмя промежуточными точками (Р11 - Р14);

• Маршрут ВС / на участке Р1 - Р2 разделен на 3 подучастка (521 - 523) двумя промежуточными точками (Р21 и Р22).

Алгоритм анализа траекторий движения воздушных судов на подучастках состоит из 3

шагов.

Первый шаг - первичное заполнение таблицы подучастков

В начале, заполняем таблицу подучастков в порядке возрастания времени входа (^) в промежуточные точки маршрутов ВС/1 и/2. Если участок не содержит промежуточных точек, то в таблицу добавляются лишь записи для точек начала и конца участка. Пример заполнения для рассматриваемых маршрутов приведен в таблице 1.

Таблица 1

Первичное заполнение таблицы подучастков

Время Промежуточные точки

Ъ Ри Р21

11 Р1 —

^■2 Р11 -

tз Р 2

t4 Р12

t5 Р21

t6 Р13

t7 Р14

t8 Р22

t9 Р2

tl0 - Р1

Для рассматриваемого примера, в промежутках времени:

• [11; 1э) - на участке находится только ВС /1;

• [1з; 19] - на участке находятся оба ВС (серые строки таблицы 1);

• (19; 110] - на участке находится только ВС/2.

Второй шаг - расчет дополнительных промежуточных точек

На втором шаге, рассчитываются дополнительные промежуточные точки для моментов времени ^, когда на участке находятся оба ВС (серые строки таблицы 1):

тах(^вх./1, ^вх./2) — — т1п(^вых./1, £вых./2)

Для рассматриваемого примера рассчитываются точки Р1*з, Р1*5 и Р1*8 для ВС /1, а так же точки Р2*4, Р2*6, Р2*7 и Р2*9 для ВС/2 (рис. 4).

Ї1

и

Р1А

511

Ї2

° и

=3р2

Рис. 4. Маршруты ВС /і и /2, с дополнительными промежуточными точками

(составлено автором)

В результате выполнения 2 шага, таблица подучастков заполняется недостающими данными (серые ячейки таблицы 2).

Таблица 2

Полностью заполненная таблица подучастков

Время Промежуточные точки

Ті Ри Р2І

іі Рі —

І2 Ріі —

із Рі*3 Р 2

І4 Рі2 Р2*4

Рі*5 Р 21

І6 Різ Р2*6

І7 Рі4 * Р2

І8 Рі*8 Р22

Р2 Р2*9

ііо — Рі

Третий шаг - анализ движения воздушных судов на подучастках

На третьем шаге выполняется последовательный обход таблицы для моментов времени

:

тах(^вх./1, ^вх./2) — ^£ < т1п(^вых./1, £вых./2)

Для анализа выбираются подучастки маршрутов, образованные промежуточными точками (Р^ - Р1(*+1)) и (?2£ - ^2(£+1))-

Выбранные подучастки анализируются на характер вертикального движения воздушных судов, и относятся к одному из 3 рассмотренных ранее вариантов взаимного движения ВС на подучастках. В зависимости от результата выбираются соответствующие алгоритмы проверки на наличие ПКС и расчета ее параметров.

*10 Р1А

19 Р2*9

"V

523

*8

Р22

І7 Р:

2*7

*6 Р2*6

22

"V

522

р

Р21

14 Р2*4

-----У

521

*2 *3 р.*3 *4 *5 р.*5 *6 *7 *8 р.*8 *9

РГ* у——Р4іг~ур-Рз—у—-Р ° V- 2

11 „ р12 „ р13 „ р14 „

512 513 514 515

Расчет положения ВС на подучастке

Расстояние от начала участка до текущего положения ВС определяется по формуле:

^ — время входа ВС на текущий подучасток (подучасток на котором он находится в момент времени ^;

X; — растояние от начала участка до положения ВС в начале текущего подучастка;

V* — скорость ВС в начале текущего подучастка;

а; — ускорение ВС на текущем подучастке.

Выбор знака в формуле зависит от направления движения ВС по участку. За основное направление принимается направление движения ВС первым входящим на участок. Если направление движения ВС по участку совпадает с основным, значение для первого подучастка будет равняться 0. В противном случае, значение х^ для первого подучастка будет равняться полной длине участка.

Расстояние между ВС/1 и/ определяется по формуле:

Текущая высота ВС определяется по формуле:

ВД =Лі+?ЛІ(Г-^),где Л — высота полета ВС в начале текущего подучастка (в момент времени ^); ^ — вертикальная скорость ВС на текущем подучастке.

Разница высот между ВС /і и /2 определяется по формуле:

Вариант 1. ВС движутся на одной высоте полета (эшелоне)

Действующие в РФ ФП ИВП устанавливают нормы продольного эшелонирования при попутном движении ВС на одном эшелоне. Нормы эшелонирования для случая встречного движения не устанавливаются, так как такая ситуация означает нарушение порядка эшелонирования одним из ВС.

Необходимо определить:

1) Факт наличия опасного сближения на участке;

2) Время сближения воздушных судов ближе нормы продольного

эшелонирования;

3) Положение воздушных судов в момент фиксации ПКС.

Для определения факта наличия, а так же времени фиксации ПКС необходимо решить неравенство:

5(0 = 1хл(0 — х/2(0|

лл(0 = МО — ^(0!

■^(0 — -^конфл, где

і Є [^, £;+!.], ^конфл — норма продольного эшелонирования для ВС Д и /2.

Если в результате решения, получен пустой диапазон времени, то ПКС отсутствует. В противном случае, в качестве времени фиксации ПКС принимается начало полученного диапазона времени.

В конце, для момента времени фиксации ПКС, рассчитываются положения ВС fi и_Д

Вариант 2. Траектории воздушных судов пересекаются при изменении высоты полета хотя бы одним из ВС

Возможные варианты взаимного движения воздушных судов на подучастках для данного случая представлены на рис. 5.

Рис. 5. Траектории пересекаются при изменении высоты полета хотя бы одним ВС

(составлено автором)

Анализ [9-11] ФП ИВП показал, что для данного случая, устанавливаются нормы продольного и вертикального эшелонирования. При попутном движении, между воздушными судами должны соблюдаться только нормы продольного эшелонирования в момент пересечения занятого эшелона полета (5(ґ^) на рис. 6 а). При встречном движении, так же должны соблюдаться нормы вертикального эшелонирования к моменту расхождения ВС (ДЛ(ґх) на рис. 6 б).

и вертикального (б) эшелонирования (составлено автором)

Момент времени пересечения траекторий ВС по высоте (tft) рассчитывается путем решения уравнения:

M(tft) = 0, где tft Є [tj, tj+i]

Для определения момента времени расхождения ВС (tx) в таблице подучастков находится подучасток j, соответствующий условию:

[x/i(ty);x/i(ty+i)] n [x/2(t;);x/2(ty+i)] * 0

Далее, рассчитывается момент времени путем решения уравнения:

зОх) = 0, где ^ Є М;+і]

Условие нарушения нормы продольного эшелонирования:

^(^й) ^ -^конфл

Условие нарушения нормы вертикального эшелонирования:

ДЛ(ҐХ) < ^конфл, где Яконфл — норма вертикального эшелонирования для ВС /1 и /2.

ПКС отсутствует, если соблюдаются нормы продольного и вертикального

эшелонирования. В противном случае, в качестве времени фиксации ПКС используется время ^ (для попутного движения ВС). При встречном движении, в качестве времени фиксации конфликта используется время:

• ^ - при нарушении только норм продольного эшелонирования;

• - при нарушении только норм вертикального эшелонирования;

• тт(^, ґх) - при нарушении норм продольного и вертикального

эшелонирования.

В конце, для момента времени фиксации ПКС, рассчитываются положения ВС /і и_Д

Вариант 3. Одно или оба воздушных судна меняют высоту полета, но их траектории не пересекаются

Возможные варианты взаимного движения воздушных судов на подучастках для данного случая представлены на рис. 7.

Рис. 7. Одно или оба воздушных судна меняют высоту полета, но их траектории не

пересекаются (составлено автором)

ФП ИВП РФ не определяют нормы эшелонирования для таких случаев. Правила эшелонирования ИКАО4 при использовании системы наблюдения ОВД принципиально не используют понятия продольного и бокового эшелонирования на одной высоте, как это

4 Правила аэронавигационного обслуживания. Организация воздушного движения. - Монреаль, ИКАО, ICAO Doc 4444 ATM/501. - 15-е изд. - 2007

принято в процедурном эшелонировании в Российской Федерации. Индикатор воздушной обстановки (ИВО) является для международного диспетчера единственным источником информации для принятия решения по эшелонированию ВС (а не графики движения, как при процедурном эшелонировании) и четкое правило: ни при каких обстоятельствах не допускать сближения на ИВО отметок ВС на интервалы, меньшие установленного минимума, за исключением случаев, когда между ВС обеспечен минимум вертикального эшелонирования

Таким образом, для таких случаев, ПКС фиксируется при одновременном нарушении вертикального и продольного эшелонирования.

Для определения факта наличия, а так же времени фиксации ПКС необходимо решить систему неравенств:

Гs(t) < -^конфл < Яконфл

Если в результате решения, получен пустой диапазон времени, то ПКС отсутствует. В противном случае, в качестве времени фиксации ПКС принимается начало полученного диапазона времени.

В конце, для момента времени фиксации ПКС, рассчитываются положения ВС fi и_Д

Исследование методики расчета ПКС

В качестве исходных данных для проведения экспериментов использованы планы полетов за сентябрь 2013 г. из базы данных Санкт-Петербургского Зонального Центра (ЗЦ) Единой системы организации воздушного движения (ЕС ОрВД) РФ.

Анализ планов показал, что 92% маршрутов ВС содержат до 40 основных точек. Максимальное количество точек в маршруте составило 105. В среднем, на рабочем месте тактического планирования обрабатывается порядка 7 тыс. планов. На рабочих местах предтактического и стратегического планирования соответственно 10 и 15 тысяч. Учитывая, что для рабочих мест планирования Главного Центра ЕС ОрВД количество обрабатываемых планов еще больше, для проверки методики максимальное количество обрабатываемых планов было выбрано с запасом - 30 тыс.

Рассмотренная в статье методика была реализована в специальном программном обеспечении, разработанном на языке C#. Реализация выполнена с учетом возможности параллельной обработки списков входов (количество потоков для обработки задается настройками СПО). Эксперименты выполнены на ПК с 4-ядерным процессором «Intel(R) Core(TM) i7-2600 CPU @ 3.40GHz» с включенным режимом Hyper-threading, что в результате дает 8 логических ядер.

Время проверки всех маршрутов в зависимости от их общего количества и количества используемых потоков для параллельной обработки представлено в таблице 3 и на рис. 8.

[9-11].

Рис. 8. Время проверки всех маршрутов в зависимости от их общего количества и количества используемых потоков для параллельной обработки (составлено автором)

Таблица 3

Время анализа всех планов полетов на наличие ПКС

Общее количество маршрутов Время, миллисекунд

1 поток 2 потока 4 потока 8 потоков

3 000 1 168 770 616 591

5 000 1 967 1 204 990 839

7 000 3 100 1 863 1 356 1 205

10 000 6 117 3 673 2 359 1 989

15 000 12 258 6 831 4 721 3 859

20 000 21 512 11 770 8 050 6 533

25 000 34 443 18 941 12 720 10 370

30 000 50 876 27 990 19 443 15 520

Время полной проверки увеличивается при увеличении количества обрабатываемых планов, однако при использовании параллельной обработки, время проверки даже максимального количества маршрутов составляет порядка 15 секунд.

Время проверки нового маршрута ВС в зависимости от общего количества маршрутов и количества используемых потоков для параллельной обработки представлено в таблице 4.

Таблица 4

Время анализа отдельного плана полета на наличие ПКС

Общее количество маршрутов Время, миллисекунд

1 поток 2 потока 4 потока 8 потоков

3 000 0 1 1 2

5 000 1 1 2 2

7 000 2 2 3 3

10 000 2 3 2 3

15 000 6 6 5 5

20 000 6 7 5 6

25 000 7 7 5 6

30 000 8 8 6 6

Как видно из таблицы 4, время обработки одного нового плана полета составляет меньше 10 миллисекунд даже при максимальном общем количестве маршрутов. Кроме того, используемое для параллельной обработки количество потоков практически не влияет на время обработки. При проведении экспериментов, в качестве новых маршрутов для проверки на наличие ПКС использовались маршруты с максимальным количеством точек (больше 100).

Оценка требуемых ресурсов оперативной памяти показала, что для работы методики требуется около 1 Мбайт-а оперативной памяти на 1 тыс. маршрутов полетов. Данный показатель был рассчитан на основе среднего количества записей, добавляемых в списки входа для одного маршрута полета, а так же размера ОП, занимаемой одной записью.

Рассмотренная в статье методика была реализована в специальном программном обеспечении, разработанном в рамках федеральной целевой программы «Модернизация Единой системы организации воздушного движения Российской Федерации (2009 - 2015 годы)». Испытания на реальных плановых данных показали, что методика обладает высоким быстродействием и требует незначительного количества ресурсов оперативной памяти, что позволяет использовать ее для расчета ПКС между ВС на этапах планирования использования воздушного пространства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Костогрызов А.И., Петухов А.В., Щербина A.M. Основы оценки, обеспечения и повышения качества выходной информации в АСУ организационного типа. -М.: «Вооружение. Политика. Конверсия», 1994.

2. Шныров В.Г., Радугина О.П. Проблемы использования формальных методов и вычислительных процедур при разработке методического обеспечения исследования вопросов безопасности воздушного движения. // Научный вестник МГТУ ГА серия «Информатика, Прикладная математика», № 65.-М.: МГТУ ГА,

2003.

3. Рудельсон Л.Е. Программное обеспечение автоматизированных систем управления воздушным движением. Часть II. Функциональное программное обеспечение. Книга 4. Модель использования воздушного пространства. Обработка плановой информации - М.: МГТУ ГА, 2004.- с 96.

4. Глаговский К.А., Ленина И.Б., Плешаков К.В., Рудельсон Л.Е. Метод ускорения поиска потенциальных конфликтных ситуаций. // Научный вестник МГТУ ГА № 171. -М.: МГТУ ГА, 2011.

5. Дегтярев О.В., Кан А.В., Орлов В.С. Проблемы моделирования процессов выполнения управляемых потоков воздушного движения и пути их решения. Сб.трудов «Имитационное моделирование. Теория и практика» ИММОД-2005., т.П, 2005.

6. Heinz Erzberger, Russell A. Paielli, Douglas R. Isaacson, and Michelle M. Eshowl. Conflict Detection and Resolution In the Presence of Prediction Error. 1st USA/Europe Air Traffic Management R&D Seminar, Saclay, France, June 17-20, 1997

7. Бабаева СИ., Гальков М.А., Рудельсон Л.Е. Поддержание уровня безопасности полетов программными средствами. // Научный вестник МГТУ ГА, серия «Эксплуатация воздушных судов. Безопасность полетов» № 75. -М.: МГТУ ГА,

2004.

8. Тимофеев С.Ю. Методика расчета потенциальных конфликтных ситуаций между воздушными судами в точке воздушного пространства при планировании и организации воздушного движения // Технические науки - от теории к практике: сборник статей XXV Международной заочной научно-практической конференции. - Новосибирск 2013. - с. 91-103.

9. Соломенцев В.В., Спрысков В.Б., Кузнецов С.В. Анализ основных различий международных и российских правил эшелонирования воздушных судов при пересечении занятых эшелонов и маршрутов с использованием системы наблюдения обслуживания воздушного движения // Научный Вестник МГТУ ГА № 180, ISBN 978-5-86311-833-8, Москва 2012

10. Кузнецов С.В., Спрысков В.Б. Прикладные задачи обоснования минимальных интервалов эшелонирования воздушных судов с использованием системы наблюдения ОВД в соответствии с отечественными и международными правилами // Научный вестник «НИИ Аэронавигации» № 11 Организации воздушного движения. Использование воздушного пространства. Безопасность полетов, ISSN 1992-4860, Москва 2012

11. Кузнецов С.В., Спрысков В.Б. Сравнение российских и международных правил эшелонирования ВС при использовании системы наблюдения обслуживания воздушного движения по критерию безопасности полетов // Научный вестник «НИИ Аэронавигации» № 12 Управление воздушным движением, навигация, наблюдение посадка и связь. Безопасность полетов, ISSN 1992 -4860, Москва

Рецензент: Дундуков Владимир Петрович, кандидат технических наук, начальник отдела разработки программного обеспечения ОАО «Научно-технический центр промышленных технологий и аэронавигационных систем».

2013

Simeon Timofeev

Tver state technical university Russia, Tver

E-Mail: timofeev.simeon@hotmail. com

Calculation of potential conflicts in the automated air traffic management system

Abstract: The main target of planning and air traffic management systems is to meet the needs of airspace users while ensuring safety. For this reasons, planning centers of unified air traffic management system of the Russian Federation carried out a comprehensive analysis of the users requests for airspace usage. The main problems on the planning stages, solved during the analysis of the applications are: checking flight plans on compliance with the rules of airspace usage, checking expected load of airspace elements, compliance with established restrictions on the airspace usage. The analysis of the technical specifications for the development of new planning systems showed that the requirements for the modern systems also requiring for solving the problem of plan analysis for potential conflicts between aircrafts. The article describes the method of calculation of potential conflicts between aircrafts on the common section of the route. To solve the problem of reducing the number of comparing route segment pairs, the technique uses the entry lists for airspace elements. To simplify the analysis of 4D-trajectories of aircrafts, all possible relative motion on the same section, reduced to three options mutual traffic in subsections. The article describes the algorithms for determining the existence and the parameters of potential conflict. Tests have shown that the method has high speed and requires scarce resources for RAM.

Keywords: potential conflict; flight safety; planning; air traffic; airspace usage; special software; flight plans analysis; flight level rules; entry lists.

Identification number of article 104TVN214

REFERENCES

1. Kostogryzov A.I., Petuhov A.V., Shherbina A.M. Osnovy ocenki, obespechenija i

povyshenija kachestva vyhodnoj informacii v ASU organizacionnogo tipa. - M.:

«Vooruzhenie. Politika. Konversija», 1994.

2. Shnyrov V.G., Radugina O.P. Problemy ispol'zovanija formal'nyh metodov i

vychislitel'nyh procedur pri razrabotke metodicheskogo obespechenija issledovanija voprosov bezopasnosti vozdushnogo dvizhenija. // Nauchnyj vestnik MGTU GA serija «Informatika, Prikladnaja matematika», № 65.-M.: MGTU GA, 2003.

3. Rudel'son L.E. Programmnoe obespechenie avtomatizirovannyh sistem upravlenija

vozdushnym dvizheniem. Chast' II. Funkcional'noe programmnoe obespechenie.

Kniga 4. Model' ispol'zovanija vozdushnogo prostranstva. Obrabotka planovoj

informacii - M.: MGTU GA, 2004.- s 96.

4. Glagovskij K.A., Lenina I.B., Pleshakov K.V., Rudel'son L.E. Metod uskorenija poiska potencial'nyh konfliktnyh situacij. // Nauchnyj vestnik MGTU GA № 171. -M.: MGTU GA, 2011.

5. Degtjarev O.V., Kan A.V., Orlov V.S. Problemy modelirovanija processov vypolnenija upravljaemyh potokov vozdushnogo dvizhenija i puti ih reshenija. Sb.trudov «Imitacionnoe modelirovanie. Teorija i praktika» IMM0D-2005., t.P, 2005.

6. Heinz Erzberger, Russell A. Paielli, Douglas R. Isaacson, and Michelle M. Eshowl. Conflict Detection and Resolution In the Presence of Prediction Error. 1st USA/Europe Air Traffic Management R&D Seminar, Saclay, France, June 17-20, 1997

7. Babaeva SI., Gal'kov M.A., Rudel'son L.E. Podderzhanie urovnja bezopasnosti poletov programmnymi sredstvami. // Nauchnyj vestnik MGTU GA, serija «Jekspluatacija vozdushnyh sudov. Bezopasnost' poletov» № 75. -M.: MGTU GA,

2004.

8. Timofeev S.Ju. Metodika rascheta potencial'nyh konfliktnyh situacij mezhdu vozdushnymi sudami v tochke vozdushnogo prostranstva pri planirovanii i organizacii vozdushnogo dvizhenija // Tehnicheskie nauki - ot teorii k praktike: sbornik statej XHV Mezhdunarodnoj zaochnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. - Novosibirsk 2013. - s. 91-103.

9. Solomencev V.V., Spryskov V.B., Kuznecov S.V. Analiz osnovnyh razlichij mezhdunarodnyh i rossijskih pravil jeshelonirovanija vozdushnyh sudov pri peresechenii zanjatyh jeshelonov i marshrutov s ispol'zovaniem sistemy nabljudenija obsluzhivanija vozdushnogo dvizhenija // Nauchnyj Vestnik MGTU GA № 180, ISBN 978-5-86311-833-8, Moskva 2012

10. Kuznecov S.V., Spryskov V.B. Prikladnye zadachi obosnovanija minimal'nyh

intervalov jeshelonirovanija vozdushnyh sudov s ispol'zovaniem sistemy nabljudenija OVD v sootvetstvii s otechestvennymi i mezhdunarodnymi pravilami // Nauchnyj vestnik «NII Ajeronavigacii» № 11 Organizacii vozdushnogo dvizhenija.

Ispol'zovanie vozdushnogo prostranstva. Bezopasnost' poletov, ISSN 1992-4860, Moskva 2012

11. Kuznecov S.V., Spryskov V.B. Sravnenie rossijskih i mezhdunarodnyh pravil jeshelonirovanija VS pri ispol'zovanii sistemy nabljudenija obsluzhivanija vozdushnogo dvizhenija po kriteriju bezopasnosti poletov // Nauchnyj vestnik «NII Ajeronavigacii» № 12 Upravlenie vozdushnym dvizheniem, navigacija, nabljudenie posadka i svjaz'. Bezopasnost' poletov, ISSN 1992-4860, Moskva 2013