Исследование влияния параметров воздушного движения на риск возникновения опасных ситуаций с использованием имитационной модели

УДК 519.8

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУШНОГО ДВИЖЕНИЯ НА РИСК ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОПАСНЫХ СИТУАЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ

И.Б. ИВЕНИН, А. С. КУРИЛЁНОК

Статья представлена доктором технических наук, профессором Кузнецовым В.Л.

Рассматриваются вопросы влияния параметров движения воздушных судов на риск возникновения опасных ситуаций. Для исследования поставленного вопроса применяется имитационная модель воздушного движения в аэродромной зоне.

Ключевые слова: имитационное моделирование, управление воздушным движением, риск опасных ситуаций.

Введение

В настоящее время существуют различные методические подходы к исследованию влияния параметров воздушного движения на риски возникновения различных опасных ситуаций, связанных с взаимным столкновением ВС, столкновением с местными препятствиями и землей, попаданием в атмосферные аномалии и рядом других факторов.

Для анализа влияния параметров движения ВС на риски разрабатывались ранее и разрабатываются в настоящее время аналитические, имитационные, гибридные (аналитически-имитационные) и полунатурные модели [ 1, 2]. Одним из направлений работ в этой области является создание универсальных комплексов имитационного моделирования системы организации управления воздушным движением (ВД), включающих базы данных и знаний, функциональные модели организации и управления ВД, аналитические модули, реализующие методы анализа и синтеза. Такие комплексы позволяют решать большую часть проблем, связанных с разработкой, анализом и эксплуатацией систем ОВД, в том числе и проблему оценки влияния параметров полета ВС и состояния системы УВД на различные риски и пропускную способность элементов воздушного пространства. Однако такие комплексы весьма дорогие. Поэтому в ряде случаев для решения частных задач анализа систем ОВД более целесообразно использовать специализированные аналитические, событийные и имитационные модели, создаваемые для решения конкретной проблемы.

Для исследования пропускной способности элемента воздушного пространства часто используются аналитические модели, построенные на основе марковских процессов и теории массового обслуживания [3]. Эти модели достаточно компактны и позволяют оценить интегральные характеристики пропускной способности. Однако эти модели недостаточно чувствительны к пространственным характеристикам системы УВД и, следовательно, плохо приспособлены для анализа различных рисков (столкновений и др.).

Общая методология, структура и состав математических моделей функционирования системы ОВД в зависимости от назначения и решаемых задач рассмотрены в работах [2, 3]. Материалы этих работ подтверждают необходимость привлечения имитационного моделирования для анализа рисков и причин возникновения опасных ситуаций в каком-либо элементе воздушного пространства.

1. Состав имитационной модели

Рассматриваемая имитационная модель ОВД предназначена для анализа причин и рисков возникновения опасных ситуаций, связанных с входом одного ВС в турбулентный след другого ВС, и имеет структуру, показанную на рис. 1.

Основу модели составляют пять блоков: блок генерации потоков воздушных судов, блок обработки потоков воздушных судов, модель управляемой воздушной обстановки, модель системы вихревого прогнозирования и обобщенная модель диспетчера УВД.

Поток событий

о

СО

со

О

О

н

о

1=

н

о

из

<

0_

из

О

О

сц

из

° т і ^ Е £

° I І £ | & с ^ со

е I2 ї £ “ т £2

ш

І&І

аз к Iх о ^ ю ^ о ф £ ю

Поток 1

А

БЛОК ГЕНЕРАЦИИ ПОТОКОВ ВС

Генератор потока взлетающих ВС

Генератор потока ВС, входящего с /-й воздушной трассы в воздушное пространство аэродрома

Поток N

Генератор случайных процессов пространственного движения в соответствии с заданными типовыми траекториями

Рис. 1. Структура имитационной модели воздушного движения

Блок генерации потоков воздушных судов позволяет получить хронологически упорядоченные потоки самолетов, производящих взлет, а также входящих в воздушное пространство аэродрома с целью посадки либо транзитного полета. Включенный в данный блок генератор случайных процессов пространственного движения в соответствии с заданными типовыми траекториями позволяет внести в параметры движения (скорость, направление, высоту полета) воздушного судна стохастические изменения.

Блок обработки потоков воздушных судов объединяет все входящие в него потоки и предоставляет диспетчеру хронологически упорядоченный поток событий, которые происходят в воздушном пространстве аэродрома.

Модель управляемой воздушной обстановки состоит из модели аэродрома и модели воздушного пространства. Первая из них позволяет моделировать конфигурацию и работу ВПП аэродрома, вторая - его инженерное оборудование: систему связи между диспетчером и пилотом, средства радиолокационного наблюдения и т.д.

Модель системы вихревого прогнозирования позволяет установить области воздушного пространства, попадание самолета в которые ведет к воздействию на него спутного следа от других воздушных судов.

Модель диспетчера выполняет управление воздушным движением посредством обмена данными с воздушными судами с целью рационального использования воздушного пространства и предотвращения возникновения опасных ситуаций, а в случае их возникновения - обеспечивает их разрешение.

Входные данные модели предполагают возможность выбора количества самолетов, для которого проводится моделирование, и параметров стохастического распределения характеристик этих самолетов (вес, требуемый тип обслуживания и др.). Более детально структура модели рассмотрена в [4].

2. Расчетная схема движения ВС

Для анализа рисков возникновения и конфигурации опасных ситуаций необходимо привязаться к некоторой, достаточно типовой, расчетной схеме движения ВС в районе аэродромного узла. Исследуемая расчетная схема движения ВС показана на рис. 2.

Рис. 2. Расчетная схема движения ВС

Самолеты прибывают в воздушное пространство аэродрома через две точки входа и три точки входа/выхода. Аэродром имеет две параллельных взлетно-посадочных полосы, с каждой из которых самолеты могут независимо осуществлять операции взлета и посадки.

Траектории движения воздушных судов построены таким образом, что самолет, прибывающий в аэродромную зону для посадки с любой из точек входа, может быть отправлен на любую из ВПП либо на круг - в случае невозможности осуществления немедленного обслуживания. Самолет, осуществивший взлет с любой из ВПП, может, в свою очередь, проследовать к любой из точек выхода из воздушной зоны.

Прибытие самолетов в аэродромную зону, а также на взлет осуществляется в соответствии с расписанием. Случайные отклонения моментов прибытия самолетов в аэродромную зону описываются внесением в это расписание случайной нормально распределенной ошибки с равным нулю математическим ожиданием и среднеквадратическим отклонением &расп.

Каждый самолет Рі описывается набором своих технических характеристик: весовой категорией (легкий, средний, тяжелый), летно-техническими и динамическими характеристиками, требуемым типом и приоритетом обслуживания, текущими значениями векторов координат, вектора скорости и т.п. Движение самолета по заданной траектории сопровождается случайными колебаниями вектора скорости, описываемыми гауссовским случайным процессом с заданными вероятностными характеристиками. Управляемыми параметрами движения воздушного

судна являются: скорость V, заданный эшелон Н, очередная контрольная точка, которую оно должно пройти. Для каждой контрольной точки задается высота ее прохождения.

3. Расчетная ситуационная модель диспетчера

Основной задачей диспетчера, решаемой им посредством отслеживания текущей воздушной обстановки и передачи на борт самолета команд, изменяющих перечисленные управляемые параметры, является рациональное управление воздушным движением, обеспечивающее максимальную пропускную способность аэродромного узла при заданном максимальном значении риска возникновения конфликтных ситуаций.

Конфликтной мы назовем ситуацию, когда расстояние ё(Рі, Рі) между двумя следующими

по пересекающимся траекториям воздушными судами Рі, Р^ уменьшается до заданного порогового значения ётп (Рі, Р}.), которое зависит от относительного пространственного положения и параметров движения ВС. Если же ё(Рі, Рі) < ёкр < ёт1п , где ёкр - критическое расстояние, то

ситуацию будем называть критически опасной.

Разрешение конфликтных ситуаций является одной из ключевых задач диспетчера. Опишем расчетный решающий алгоритм, применяемый диспетчером для устранения конфликтных ситуаций.

Пусть ВС Рі движется на одном эшелоне за ВС Рі на расстоянии ё (Рі, Р^). Тогда:

1) если ё(Р, Р^) < ёшп , то скорость догоняющего ВС Р\ снижается, а скорость впередии-

дущего повышается в заданных пределах, соответствующих техническим характеристикам этих воздушных судов;

2) если ё(Рі, Р}.) < ёкр и скорость сближения | ё'(Рі, Р}.) | ВС не превышает заданного предельного значения ёкр, то догоняющее ВС Р^ получает от диспетчера команду подняться на следующий эшелон;

3) если ё(Рі, Р}-) < ёкр и | ё'(Р, Р}-) |> ё'кр, то догоняющее ВС получает команду набрать высоту с одновременным отклонением вправо (правый вираж с набором высоты) от своего курса на заданный угол. Одновременно впередиидущее ВС получает команду снизиться и изменить курс влево (левый вираж со снижением);

4) если при наборе высоты ВС Р} окажется на расстоянии менее ётп перед следующим по

этому эшелону ВС Рк, то ВС Рк предварительно получает команду набрать высоту и занять следующий эшелон.

Указанный алгоритм применяется для каждой пары самолетов, следующих по одному курсу либо по пересекающимся курсам в попутном направлении.

Для анализа работоспособности и результативности моделирования и получения численных результатов были приняты следующие упрощения модели:

- рассматриваются только самолеты, прибывающие в воздушное пространство аэродромной зоны для посадки с точек входа 1 и 2 (рис. 3);

Ю км.

Рис. 3. Упрощенная расчетная схема движения

- система вихревого прогнозирования не моделируется, пространственные нормы эшелонирования и временные интервалы при посадке устанавливаются в соответствии с действующими нормативами (п.п. 5.9.1, 5.9.2, 5.12.5 НПП ГА);

- все воздушные суда обладают равным приоритетом обслуживания.

4. Результаты моделирования

На упрощенной имитационной модели был проведен численный эксперимент с целью исследования чувствительности модели к основным факторам, определяющим воздушное движение в районе аэродромного узла.

На основе численного эксперимента выявлялись зависимости среднего числа конфликтных ситуаций NКонф, возникших за время моделирования, от интересующих нас параметров, таких как:

1) среднеквадратического отклонения (СКО моментов прибытия ВС от расписания арасп;

2) интенсивности воздушного движения - среднего количества самолетов, прибывающих

для посадки за единицу времени - Ni , где i = 1,2 - номер точки входа;

3) СКО инструментальной ошибки определения скорости бортовым оборудованием ВС -

С

4) среднеквадратического отклонения сг™ случайного процесса колебания модуля скоро-

сти воздушного судна.

Отдельные результаты исследований на упрощенной модели приведены на рис. 4 - 7.

По результатам обработки статистических испытаний зависимость Мконф (&расп) имеет вид, показанный на рис. 4 а, б.

-V.

а)

б)

Рис. 4. Зависимость количества конфликтных ситуаций от st

расп

Испытания проводились при следующих численных значениях параметров: среднее число ВС, прибывающих для посадки: N1 = 30, N2 = 20; средняя скорость самолетов при входе в аэродромную зону V = 125 м / с; СКО инструментальной ошибки выдерживания скорости воз-

душными судами о^ст = 1 м / с ; СКО случайного процесса колебаний скорости а™ = 5 м / с .

На рис. 5 представлена зависимость Ыконф (с'^іст). Испытания произведены при аналогич-

ных значениях входных данных и с

= 0.

Построенная при аналогичных параметрах зависимость Ыконф (^л ) изображена на рис. 6.

Рис. 5. Зависимость количества конфликтных Рис. 6. Зависимость количества конфликтных

ситуации от sV

~ СП

ситуации от sV

На рис. 7 приведена зависимость количества конфликтных ситуаций от N, где N = I N. суммарное число ВС в зоне моделирования.

i=1

Рис. 7. Зависимость количества конфликтных ситуаций от N

Полученные результаты не противоречат результатам моделирования на других математических моделях ОВД и подтверждают работоспособность модели и ее чувствительность к основным параметрам воздушного движения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Анодина Т.Г. Моделирование процессов в системе управления воздушным движением. - М.: Транспорт, 1988.

2. Ускоренное моделирование процессов организации потоков и управления воздушным движением: современные и будущие возможности / под ред. Е.А. Федосова. - М.: ГосНИИАС, 2008.

3. Бабкин В.И., Белоцерковский А.С., Турчак Л.И. и др. Системы обеспечения вихревой безопасности полетов летательных аппаратов. - М.: Наука, 2008.

4. Курилёнок А.С. Система математических моделей для анализа влияния требований вихревой безопасности и норм эшелонирования на пропускную способность аэродромного узла // Научный Вестник ГосНИИ "Аэронавигация", № 9, 2009.

RESEARCH OF AIR TRAFFIC PARAMETERS INFLUENCE ON RISK OF DANGEROUS SITUATION OCCURRENCE WITH USE OF AIR TRAFFIC IMITATION MODEL

Ivenin I.B., Kurilenok A.S.

The questions of influence of paramétrés of an air traffic on the dangerous situation risk are considered. The Imitating model of an air traffic in the aerodrome zone is used for research of the supplied question.

Key words: imitating modeling, air traffic control, risk of dangerous situations.

Сведения об авторах

Ивенин Игорь Борисович, 1955 г.р., окончил МАИ им. С. Орджоникидзе (1978), кандидат технических наук, начальник лаборатории Гос НИИАС, автор более 70 научных работ, область научных интересов - математические методы системного анализа, исследования операций и обоснования решений.

Курилёнок Антон Сергеевич, 1984 г.р., окончил МГТУ ГА (2007), аспирант кафедры прикладной математики МГТУ ГА, автор 3 научных работ.