ИЗВЕСТИЯ РАН. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2012, № 4, с. 62-76
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ =
УДК 351.814:656.7:004.94:21
МЕТОДЫ И ОСОБЕННОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ ОРГАНИЗАЦИИ ВОЗДУШНОГО ДВИЖЕНИЯ*
© 2012 г. О. В. Дегтярев, И. Ф. Зубкова
Москва, ФГУП "ГосНИИАС" Поступила в редакцию 13.10.11 г.
Системы организации воздушного движения и их составные части — системы планирования использования воздушного пространства и управления воздушным движением — относятся к числу сложнейших современных систем, внедрение которых без проведения большого объема предварительных исследований невозможно. Рассмотрены средства моделирования процессов организации и управления воздушным движением Европы и США. Актуальность моделирования вызвана кардинальной модернизацией принципов и методов управления, что требует проведения опережающих исследований. Определено место отечественного комплекса имитационного моделирования систем ОрВД — "КИМ ОрВД", разработанного ФГУП "ГосНИИАС" и эксплуатируемого ФГУП "Госкорпорация по ОрВД". Приведены примеры применения этого средства при решении задач выработки предложений по совершенствованию отечественной системы ОрВД и оценке эффективности этих предложений.
Введение. Системы организации и управления воздушного движения относятся к наиболее сложным человекомашинным иерархическим и распределенным, многомерным и многосвязным системам управления. К их функционированию предъявляется большое число часто противоречивых требований, главными из которых являются высокая безопасность полетов наряду с высокой эффективностью их выполнения. Постоянно требуется проведение исследований с анализом функционирования в тех или иных условиях. В силу специфики области применения объемные натурные исследования практически невозможны. Из-за отмеченной сложности системы аналитические исследования, аналитическое моделирование очень ограничены. Даже полунатурное моделирование может иметь только ограниченное применение: в связи с отмеченными особенностями системы адекватное моделирование требует создания очень сложных с технической точки зрения человекомашинных комплексов моделирования, задействования многих операторов — диспетчеров и пилотов. Такие уникальные комплексы необходимы для тестирования эффективности разрабатываемых процедур управления воздушным движением (УВД), но решение всего комплекса возникающих вопросов с их помощью не обеспечить. В этих условиях особое значение приобретают математическое имитационное моделирование и программные комплексы, обеспечивающие подготовку, собственно моделирование и обработку полученных результатов.
Необходимо отметить, что в области УВД, впрочем, как и в других сложных технических системах, понятия математической модели и математического моделирования как процесса используются для решения трех различных задач:
собственно математическое моделирование как средство поддержки при проведении синтеза системы и исследования ее функционирования в различных условиях (для получения ответа на вопрос "что, если?" ("what if?")) — исследовательские имитационные модели; для проведения валидации системных решений, схем, методов и алгоритмов управления;
сопровождающее моделирование реального образца системы — сопровождающие имитационные модели;
моделирование как средство поддержки и ускорения принятия решения человеком непосредственно в контуре (процессе) реального управления, т.е. поддерживающие принятие решений модели.
* Статья подготовлена по материалам доклада, сделанного авторами на юбилейной всероссийской научно-технической конференции ФГУП "ГосНИИАС" "Моделирование авиационных систем", прошедшей в апреле 2011 г.
С методической стороны все три группы моделей очень близки, в них могут использоваться одни и те же средства, процедуры, алгоритмы. Тем не менее в настоящей работе рассматриваются модели применительно к первой группе задач.
Особое значение имитационного моделирования процессов организации и управления воздушным движением связано с продолжающейся модернизацией систем организации воздушного движения (ОрВД) в мире. Эта реорганизация связана с внедрением технологий CNS/ATM (Communication, Navigation and Surveillance/Air Traffic Management — связь, навигация и наблюдение/организация воздушного движения), обеспечивших возможность кардинального изменения принципов, процедур, методов планирования и управления. А необходимость изменений вызвана значительным увеличением интенсивности воздушного движения (ВД), при котором во многих регионах практически достигнуты пределы возможностей существующей системы. Это обстоятельство дополняется выходом на первый план вопросов эффективности как выполнения полетов пользователями воздушного пространства (ВП), так и собственно системы УВД. В настоящее время такие работы объединены в первую очередь вокруг двух гигантских научно-технических программ модернизации систем ОрВД — SESAR (Европа) и NextGen (США). Для разработки и внедрения новых процедур и методов планирования и управления ВД необходимы исследовательские имитационные модели.
Математическому моделированию в этой отрасли уделяется особое значение. Число задач, решаемых с помощью моделирования, столь велико, а задачи столь разнообразны, что в настоящее время существуют многие десятки таких исследовательских моделей. В силу важности проблемы научно-техническое сообщество, отвечающее за проектирование, производство и эксплуатацию авиатранспортных систем, уже ряд лет предпринимает серьезные усилия не только для создания таких средств, но и для координации и согласования этой деятельности.
1. Краткий обзор моделирующих средств. В 90-е годы Федеральная авиационная администрация США (FAA) и Европейская организация по обеспечению безопасности воздушного движения EU-ROCONTROL приняли решение о координации научно-исследовательской деятельности в области совершенствования и модернизации систем УВД. В декабре 1995 г. во время проведения FAA/EUROCONTROL второго симпозиума, который состоялся в Денвере (штат Колорадо), была сформирована совместная комиссия по научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам FAA и EUROCONTROL. Комиссия определила области взаимного интереса, где FAA и организация EUROCONTROL могли бы сотрудничать в области НИОКР, и сформулировала несколько задач по НИОКР, которые предусматривалось решать в сотрудничестве. Эти задачи были названы "планами действий" (Action Plans — AP).
Один из них — план действий 5 (АР5), под названием "Стратегии валидации и верификации (стратегии оценки и проверки)". Его задачей является определение стратегий для оценки и проверки качества функционирования, надежности и безопасности систем организации воздушного движения и возможности их сертификации. В оценке эксплуатационных концепций ключевую роль играет ускоренное имитационное моделирование, которое стало одной из основных целей плана действий АР5.
Другим планом действий, связанным с моделированием, является план действий 9 (АР9) "Моделирование эксплуатационных концепций организации воздушного движения" (Air Traffic Modeling of Operational Concepts), который был разработан для выполнения несколько других задач, а именно:
1) обеспечить взаимопонимание между США и Европой по вопросам применения и разработки систем ускоренного моделирования для исследования эксплуатационных концепций организации ВД;
2) определить области практического сотрудничества по применению и разработке ускоренного моделирования;
3) развивать возможности ускоренного моделирования на основе исследований, проводимых в США и в Европе;
4) поддерживать взаимосвязанность моделей и применение стандартных входных данных для моделей там, где это целесообразно;
5) содействовать распространению наилучшего опыта, полученного при использовании моделей партнерами от США и Европы.
В целях согласования АР5 и АР9 был составлен совместный исследовательский план, который включал определение областей (функций организации потоков ВД — ОПВД), охватываемых в настоящее время аналитическими или имитационными моделями, а также выявление имеющихся пробелов в моделировании организации потоков ВД. Основываясь на AP9, FAA и EURO-
64 ДЕГТЯРЕВ, ЗУБКОВА
Таблица 1
Система моделирования Фирма Страна
AirTop AirTop Soft S.A. Бельгия
AwSim Aerospace Engineering and Research Associates, Inc. США
FACET NASA Ames США
HERMES CAA/NATS Великобритания
NARIM CSSI Inc. США
NASPAC FAA США
National Flow Model Boeing США
OPAS DSNA Франция
OPGEN
RAMS EEC Франция
Regional Traffic Model Boeing США
SDAT FAA США
SIMMOD FAA США
SIMMOD PRO FAA США
SIMMOD PLUS FAA США
TAAM Preston Aviation DSF Австралия—Германия
TARGETS CSSI Inc. США
SAAM EUROCONTROL -
NEVAC EUROCONTROL -
CONTROL организовали и финансировали научно-исследовательский проект по определению современного состояния имитационного моделирования ОПВД в ускоренном времени.
Настоящая статья выполнена в основном по результатам проведенного ранее анализа результатов этих работ [1]. Надо отметить, что координационная работа по созданию и применению имитационных моделей продолжается. Традиционно рассматриваются две группы моделируемых процессов и систем: системы управления ВД и системы планирования использования ВП (ПИВП), хотя такое деление становится все более условным.
В рамках моделей процессов управляемого ВД, получивших наиболее широкое распространение и известность в мире, следует отметить следующие комплексы моделирования [1] (табл. 1).
Большинство моделей — модели среднего (mesoscopic) и высокого (microscopic) уровней подробности, очень небольшое число моделей — с малой (macroscopic) степенью подробности. Около половины моделей могут быть отнесены к моделям с изменяемым уровнем подробности. Большинство моделей являются стохастическими (с различным используемым типом распределения вероятностей), хотя многие из этих моделей могут работать и без включения случайных элементов.
1.1. Функциональные возможности средств моделирования систем У В Д. Поскольку трудно в рамках ограниченного объема работы провести подробный сравнительный анализ моделирующих средств, огран
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.