В І Чепіженко, В В Павлов, В П Харченко - Енергетико-потенціальне управління повітряним рухом у середовищі cns atm - страница 1

Страницы:
1  2 

Аерокосмічні системи моніторингу та керування

УДК 629.78

1В.І. Чепіженко, к.т.н., с.н.с.

В.В. Павлов, д.т.н., проф. 3В.П. Харченко, д.т.н., проф.

ЕНЕРГЕТИКО-ПОТЕНЦІАЛЬНЕ УПРАВЛІННЯ ПОВІТРЯНИМ РУХОМ

У СЕРЕДОВИЩІ CNS/ATM

^Національний авіаційний університет 1E-mail: chiv@nau.edu.ua 3Б-шаіі: kharch@nau.edu.ua 2Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій та систем НАН України

Е-mail: vpavlov@nau.edu.ua

Установлено аксіоматику енергетико-потенціального управління повітряним рухом у середовищі CNS/ATM. Запропоновано багатошарову структуру модельного зображення аеронавігаційного середовища, що дозволяє істотно знизити складність завдань розв'язання конфліктів між учасниками повітряного руху, а також спростити реалізацію концепції Free FUght з підвищеним рівнем безпеки.

Ключові слова: концепція Free FHght, модель, середовище CNS/ATM, складна система, управління.

Постановка проблеми

Фундаментальною системоутворюючою властивістю сучасної системи організації по­вітряного руху є солідарність усіх його учас­ників у досягненні максимальної безпеки. Ця властивість лежить в основі правил форму­вання, існування, функціонування аеронаві­гаційного середовища і є основою для синте­зу управління поведінкою всіх її елементів.

Необхідність найшвидшого вирішення проблеми безпеки повітряного руху випли­ває з Глобального аеронавігаційного плану CNS/ATM ІСАО [1; 2].

Забезпечення безпеки сьогодні зумовлено сучасними тенденціями розвитку авіації.

Перша тенденція розвитку авіації пов'язана з таким:

- інтенсифікацією повітряного руху;

- розширенням діапазонів експлуатації по­вітряних суден (ПС) і кола завдань, розв' язуваних авіацією в цих умовах.

За прогнозами, наведеними в роботах [3-5], інтенсивність повітряного руху щорічно зрос­тає по експоненті і становить 5-6 %.

У роботах [6; 7] послідовне розв'язання кон­фліктів при підвищенні щільності повітряного руху може призвести до виникнення нових кон­фліктів із ПС.

© В.І. Чепіженко, В.В. Павлов, В.П. Харченко, 2011

Отже, різко збільшується небезпека циклі -чного виникнення конфліктів, що може приз­вести до неконтрольованих катастрофічних ситуацій.

Крім того, аналіз повітряного руху в най­більш завантажених районах Європи свідчить про збільшення кількості конфліктів, до скла­ду яких входять більш ніж два літаки. А саме:

- збільшення топологічної складності кон­фліктів

- посилення вимог до швидкості та функ­ціональності алгоритмів їхнього розв' язання в   рамках   систем   організації повітряного

руху.

Друга тенденція розвитку авіації визнача­ється принципово новими вимогами та мож­ливостями, які створює Всесвітня транспортна система [1; 2].

Нові організаційні та комп' ютерні техноло­гії глобального управління ПС декларують гнучке, скоординоване, а не регламентоване використання повітряного простору з ураху­ванням   усіх   користувачів   у середовищі

CNS/ATM.

Перехід   від   централізованої командної

системи управління  повітряним рухом до

розподіленої   системи  дозволяє учасникам

ISSN 1813-1166. Вісник HAY. 2011. №4

повітряного руху вибирати маршрути польо­тів виходячи з критеріїв ефективності та еко­номічності. Тому формування середовища CNS/ATM у першу чергу пов'язане з необхід­ністю забезпечення реалізації концепції Free Flight [8].

Третя тенденція розвитку авіації полягає в інтенсифікації розроблення і використання авіаційних робототехнічних систем, що фун­кціонують без участі пілота [9-11]:

- UAV (Unmanned Аіг Vehicle);

- UAS (Unmanned Аігсгай Systems.

Перспективним напрямом розвитку повіт­ряного руху є формування аеронавігаційного простору нового типу, який за умови підт­римки регламентованого рівня безпеки всіх його учасників володіє принципово новими властивостями:

- віртуальністю;

- розподіленістю;

- великої розмірністю;

- керованістю;

- спостереженням;

- автономністю;

- робототехнічною експансією.

Аналіз досліджень і публікацій

В основі безпеки повітряного руху лежать методи й алгоритми виявлення та роз-в' язання конфліктних ситуацій.

Дослідження, спрямовані на розробку й удосконалення методів виявлення та розв' язання конфліктів в аеронавігаційному середовищі, розпочато ще в другій половині минулого сторіччя. Їх всебічний літератур­ний огляд і систематизація проведено в ро­ботах [12; 13].

У роботі [12] автори провели класифіка­цію методів розв' язання конфліктів в аеро­навігаційному середовищі і виділили серед них три основні групи:

- наказові;

- оптимізаційні;

- силового поля.

Наказові методи (методи твердих схем маневрів) ґрунтуються на завчасному фор­муванні попередження про можливий конф­лікт (можливості зіткнення з землею або іншими ПС). Ці методи мають низьку ефек­тивність через те, що не можуть забезпечу­вати розв' язання конфлікту в реальному часі.

Оптимізаційні методи засновані на взаємодії кінематичної моделі об' єкта управління і функ­цій вартості, які включають параметри безпеч­ного розв' язання конфлікту [13]:

- безпечну дистанцію між конфліктуючи­ми;

- відхилення від початкової траєкторії;

- ступінь відхилення кінематичних пара­метрів руху від номінальних.

Однак уведення у функцію вартості вели­кої кількості параметрів породжує проблеми, пов' язані зі значним збільшенням розмірнос­ті моделі керованого процесу.

Складність керованого процесу оцінюєть­ся за складністю адекватного йому керуючо­го процесу [14; 15]:

ЛГ^     n(n +1) ...

N > n + —--, (1)

2

де n - розмірність системи керованого про­цесу.

Аналіз формули (1) показує, що зростання складності математичної моделі системи призводить до поліноміального зростання складності системи управління, що поро­джує ефект «прокляття розмірності».

У методі силового поля кожний літак роз­глядається як заряджена частинка.

Розв'язання конфлікту шукається на ос­нові розв'язку рівнянь моделі силових полів.

Силові поля задаються кожним із дослід­ників евристично виходячи з принципу здо­рового розуму [16; 17].

Перевагою цього методу є відносна прос­тота рівнянь моделі. Однак дотепер не усу­нуті недоліки цього методу, які полягають у складності реалізації отриманих траєкторій маневру («топтання» на місці, «звалювання в штопор» під час обходу перешкод і т.д.).

У роботах [12; 13] в окрему групу виділе­ні імовірнісно-статистичні методи розв' я-зання конфліктів. Недоліки цього підходу відзначаються багатьма авторами.

У роботі [18] показано, що при розробці ймовірнісних моделей гіпотезу про випадко­ву природу неконтрольованих збурень не може бути прийнята:

1) якщо апріорі з загальних міркувань ви­ходить, що неконтрольовані процеси не ма­ють випадкової природи, як, наприклад, у випадку ситуації втікання-переслідування;

2) якщо обсяг експериментальних даних щодо вивчення властивостей невизначених процесів недостатній для одержання стійких статистичних характеристик цих процесів, навіть якщо ці процеси і випадкові за своєю природою.

Більшість існуючих методів розв'язання конфліктних ситуацій в аеронавігаційному середовищі мають ряд істотних недоліків:

- евристичний підхід до формування мо­делей середовища та конфліктних ситуацій має характер волюнтаризму;

- у ході вирішення завдань глобального розв'язання конфліктів (кількість учасників конфлікту більше двох) алгоритми мають велику обчислювальну складність;

- використання ймовірнісного математич­ного апарату не дає 100 % гарантії розв' язання конфлікту;

- більшість синтезованих алгоритмів за­безпечують вирішення приватних фрагмен­тарних завдань розв'язання конфліктів;

- використання існуючих методів є нее­фективним для реалізації концепції Free F1ight в умовах складної топології аеронаві­гаційного простору.

Виділення невирішених частин загальної проблеми

На сьогодні виникла проблемна ситуація, яка полягає в протиріччі між потребою в створенні єдиної методології формування аеронавігаційного середовища і управління повітряним рухом з урахуванням сучасних тенденцій розвитку авіації та недостатніми можливостями існуючого науково-мето­дичного апарату, зокрема, недосконалістю науково обґрунтованих методів і методик та­кого управління.

Очевидним шляхом вирішення зазначеної проблеми є:

- дослідження аеронавігаційного середо­вища з позицій системного підходу;

- виявлення його об' єктивно існуючих властивостей і закономірностей;

- розробка відповідного науково-мето­дичного апарату.

Мета роботи - обґрунтування й аксіома­тичний опис цілісної системної методології організації та управління аеронавігаційною системою типу CNS/ATM, що гарантовано забезпечує:

- реалізацію концепції Free FHght з під­вищеним рівнем безпеки;

- економію індивідуальних ресурсів ПС у глобальній аеронавігаційній системі;

- економію корпоративних ресурсів сис­тем управління;

- економію корпоративних ресурсів сис­теми обслуговування польотів;

- урахування еволюційних процесів зміни функціонального стану компонентів системи CNS/ATM.

Комплексне вирішення проблеми не тіль­ки принципово важливо, але в теоретичному плані відноситься до класу завдань підвище­ної складності.

Виклад основного матеріалу дослідження

Виходячи з високої відповідальності роз-в' язуваної прикладної проблеми запропоно­вано максимально виключити використання евристик, волюнтаризму і суб'єктивізму, ме­тоду проб і помилок, а використовувати під­хід гарантованого результату за умови [18-21]:

- середовище CNS/ATM - це велика ерга-тична (людино-машинна) система;

- Free FHght і самомаршрутизація - це ос­новні властивості ергатичної CNS/ATM сис­теми;

- закономірність, цілісність і синерге-тизм - основні властивості CNS/ATM систе­ми, як FANS - системи (Future AH Navigation Systems);

- компоненти авіатранспортної системи мають природну властивість реальних сис­тем - еволюцію і деградацію функціонально­го стану;

- цілісність і нерозривність синергетич­них динамічних процесів управління авіат-ранспортним соціумом є його системними інваріантами.

Для формалізації модельного подання се­редовища CNS/ATM у рамках природничо-наукового системного підходу введемо по­няття двох світів:

- ViAN-свiту (Virtual Air-Navigation);

- PhAN-світу (Physical Air-Navigation).

В основі формування ViAN-світу лежить природничо-науковий підхід, що був сфор­мульований Гельмгольцем, який вважав, що кінцеве завдання фізичної науки полягає в тому, щоб звести фізичні явища до незмін­них сил притягання або відштовхування, ве­личина яких цілком залежить від відстані. Можливістю вирішення цього завдання є умова повного розуміння природи [22].

Сили притягання й відштовхування утво­рюють гравітаційні поля, які в рамках енер-гетико-потенціального управління є фунда­ментом реалізації синергетичного принципу управління - єдності можливого і бажа­ного.

ViAN-світ володіє складною структурою, яка складається з трьох основних підпросто-рів:

- віртуального особистого підпростору бажаних   поведінок   об'єктів ViAN-світу

(рис. 1);

- віртуального підпростору актуалізова­них переваг об'єктів ViAN-світу (рис. 2);

- віртуального загального підпростору ViAN-світу (рис. 3).

Для опису цих просторів уведемо аксіо­матику ViAN-світу.

Аксіома LViAN-світ із позицій класичної механіки являє собою повну замкнену дина­мічну систему гравітувальних об' єктів.

Аксіома 2. Кожний гравітувальний об' єкт, занурений в ViAN-світ, являє собою матері­альну точку з власною масою m і є носієм повного набору гравітаційних сил.

Рис. 1. Віртуальний особистий підпростор ViAN-світу:

1 - динамічні гравітувальні об'єкти ViAN-світу;

2 - індивідуальні цільові гравітувальні об'єкти

2

Рис. 2. Віртуальний підпростор актуалізованих поведінок об'єктів ViAN-світу:

1 - підпростори актуалізованих поведінок кожного гравітувального об'єкта;

2 - актуалізовані траєкторії руху гравітувальних об'єктів

1

Рис. 3. Загальний віртуальний підпростор ViAN-світу:

1 - зони заборони руху об' єктів;

2 - точки входу об'єктів у загальний віртуальний підпростір ViAN-світу;

3 - точки виходу об'єктів із загального віртуального підпростору ViAN-світу;

4 - геодезичні лінії руху об' єктів;

5 - динамічні гравітувальні об'єкти загального простору ViAN-світу;

6 - інші гравітувальні об'єкти загального віртуального світу

Аксіома 3. Повний набір гравітаційних сил будь-якого об'єкта ViAN-світу має влас­тивість симетрії. Із позицій класичної меха­ніки симетрія гравітаційних полів кожного об'єкта ViAN-світу означає, що позитивне гравітаційне поле існує одночасно з негатив­ним гравітаційним полем [23].

Аксіома 4. Гравітуюча система утворена відкритою множиною гравітуючих об' єктів і є неоднорідною. Об'єкти ViAN-світу мають різні пріоритети, зумовлені їх характери-тичною масою.

Аксіома 5. Природні обмеження ViAN-світу розглядаються як щільна сукупність нерухливих гравітувальних об' єктів з відпо­відною масою.

Аксіома 6. Стартові й фінішні позиції кожно­го об'єкта ViAN-світу також є гравітуючими об' єктами з масами, що перевершують маси ак­тивних (рухливих) елементів ViAN-світу.

Аксіома 7. Рух кожного активного об'єкта здійснюється по геодезичних лініях сумар­ного гравітаційного простору відповідно до вкладеної в нього енергії.

Зауваження. Геодезичні лінії - це лінії в просторі, дуги яких є найкоротшими шляха­ми між їхніми кінцями.

Аксіома 8. Кожний динамічний об'єкт ViAN-світу індивідуально визначає свою гео­дезичну лінію, що містить фінішну точку.

Аксіома 9. Кінематичні властивості дина­мічних об'єктів ViAN-світу визначаються їх енергетичними, техніко-економічними і па­раметричними характеристиками реальних об' єктів аеронавігаційного простору, а також фізико-механічними властивостями реально­го аеронавігаційного середовища.

Аксіома 10. Еволюція функціонального стану кожного об'єкта ViAN-світу істотно залежить від енергії, вкладеної в нього для цільового функціонування, характеру топо­логії геодезичних траєкторій руху об' єкта і визначає інтервали життєвого циклу об' єкта в ViAN-світі.

Формалізовані характеристики об'єктів ViAN-світу доцільно одержувати в результа­ті моделювання багатофункціональної інфор­маційно-енергетичної моделі складної тех.-нічної системи.

У роботах [24-27] розкрито головні кон­цептуальні положення моделювання дина­мічних процесів еволюції стану складних, функціонально цілісних технічних систем на всьому інтервалі їх життєвого циклу на ос­нові використання інформаційно-енерге­тичної моделі загального положення.

Синтезована тристратна структура моделі дозволяє адекватно відображати реальні фі­зичні процеси деградації технічного стану системи, а також енергетичні й техніко-економічні процеси, що протікають при цьо­му в системі.

Модель є системною основою для синтезу комплексного управління функціональним і технічним станами складної системи на роз­ширеному експлуатаційному інтервалі її життєвого циклу.

Аксіоми 1-11 формують ViAN-світ як за­гальну гравітаційну модель аеронавігаційно­го простору, вільну від евристик і неповноти функціонального забезпечення (рис. 4).

Модель визначається кількістю учасників і дозволяє:

- формувати образ гравітаційних полів ViAN-світу як загальну топологічну модель аеронавігаційного простору;

- звільнити кожного учасника повітряного руху від необхідності формування і роз­рахунку траєкторій руху при польоті за кон­цепцією Free Flight;

- мінімізувати складність моделі аерона­вігаційного простору й виключити «проклят­тя розмірності».

Кожний динамічний об'єкт PhAN-світу (рис. 5) подається кінематичною моделлю вигляду:

§ = f (V ,j, x), dt

xo(to) є Xo, Хк (tK ) є Хк, (2)

V Є (0, VmaX), СРЄ (00,3600),

де dx/dt - вектор швидкості об'єкта, обумо­влений вимогами, пропонованими концепці­ями Free Flight, Zone Navigation, Open Sky;

x - просторова координата об'єкта у фі­зичному просторі;

Рис. 4. Концептуальне зображення структури системи управління повітряним рухом в середовищі CNS/ATM

Рис. 5. Зображення PhAN-миру як складної динамічної розподіленої системи

X0 - множина стартових позицій об' єкта;

Хк - термінальна множина.

Управління об' єктом здійснюється в кі­нематичній моделі (2) вибором модуля век­тора швидкості V і вибором вектора j орі­єнтації вектора dx/dt.

Управління об'єктом містить два рівні:

- зовнішній (змушений), градієнтний, по індивідуальній геодезичній лінії об'єктів аеронавігаційного простору;

- внутрішній (бажаний) - Free Flight. Зовнішнє управління є рівнем об'єктив­ного управління.

Внутрішнє управління орієнтує об'єкт у системі геодезичних координат і перехід з однієї геодезичної лінії на іншу виходячи з суб' єктивних намірів учасників повітряного

руху.

ViAN-світ є робастним і грубо визначає систему віртуальних геодезичних ліній у реальному фізичному просторі.

Висновки

1. Запропоновано структуру модельного енергетично-потенціального зображення ае­ронавігаційного середовища, яка дозволяє вирішити проблему «прокляття розмірності» при синтезі управління повітряним рухом, зокрема, проблему складності розв' язання багатомірних (більше трьох) конфліктів між учасниками повітряного руху.

2. Формалізація модельного зображення середовища CNS/ATM у рамках природни­чо-наукового системного підходу суттєво спрощує реалізацію концепції Free Flight із підвищеним рівнем безпеки.

Література

1. World Wide CNS/ATM Systems Implementer // ICAO, RIO Conference 1998.

2. Demystifying CNS/ATM // Report CANSO CNS/ATM Working Group, Final Version - June 1999.

3. Hoekstra J. Free Flight in a Crowded Airspace? / J. Hoekstra, R. Ruigrok, R. Gent. -Napoli. - 3rd USA/Europe Air Traffic Management R&D Seminar, 13-16 June, 2000.

4. Cloerec A. Traffic CompleXity Analysis To Evaluate The Potential for Limited Delegation of Separation Assurance to the Cockpit / A. Cloerec, K. Zeghal, E. Hoffman //

IEEE Trans. 1999. - 5.A.5-1 - 5.A.5-8.5.

EUROCONTROL. Long-Term Forecast of Flights (2004 - 2025). - 2004. - 32 p.

6. Stability of Intersecting Aircraft Flows Using Heading-Change Maneuvers for Conflict Avoidance / Z.-H. Mao, D. Dugail, E. Feron, K. Bilimoria // IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems. - 2005. - Vol. 6, 4. -

P. 357-369.

7. Krozel J. Decentralized control techniques for distributed air/ground traffic separation / J. Krozel, M. Peters. - Seagull Technology

Inc. - 2000. - 104 с.

8. Krozel J. Free Flight Research Isssues and Literature Search / J. Krozel // Los Gatos: Seagull Technology Inc. - 2000. - 88 р.

9. McInnes C. R. Velocity field path-planning for single and multiple unmanned aerial vehicles / C. R. McInnes // The Aeronautical Journal, July 2003. - P. 419-426.

10. Stanley A. Flight Path Deconfliction of

Autonomous UAVs / A. Stanley // AIAA 2005­6978, in Infotech@Aerospace, Arlington, Virginia, 26 - 29 September 2005. - Р. 1-21.

11. Unmanned Aircraft Collision Avoidance Using Partially Observable Markov Decision Processes / S. Temizer, M. Kochenderfer, L. Kaelbling, T. Lozano-Perez, J. Kuchar // Project Report ATC-356, MIT Lincoln Laboratory, LeXington, MA, 2009.

12. Kuchar J. K. A review of conflict detection and resolution modeling methods / J. K. Kuchar, L. C. Yang // IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2000. -

Vol. 1, N. 4. - P. 179-189.

13. Закора С.А. Аналіз методів розв'я­зання конфліктних ситуацій в умовах вільно­го польоту / С.А. Закора // Вісник НАУ. -

2005. - №1. - С. 42-47.

14. Сейдж Э. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении / Э. Сейдж, Дж. Мелс. - М.: Связь, 1976. - 495 с.

15. Меркулов В.М. Математические моде­ли информационно-управляющих систем в пространстве состояний / В. М. Меркулов,

B. П. Харьков, А.В. Рогов // Информационно-измерительные и управляющие системы. -М.:   Радиотехника,   2006.   -  №7,   Т.4. -

C. 35-43.

16. Zeghal K. A review of different approaches based on force fields for airborne conflict resolution / K Zeghal // Proc. AIAA Guidance, Navigation, and Control Conf. -

1998. - P. 818-827.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

В І Чепіженко, В В Павлов, В П Харченко - Енергетико-потенціальне управління повітряним рухом у середовищі cns atm