Диссертация (Модели и алгоритмы определения приоритетного направления движения воздушного судна по заданным маршрутам)

ФГОУ ВО “Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)» (МАИ)На правах рукописиТое Вэй ТунМодели и алгоритмы определения приоритетногонаправления движения воздушного судна по заданным маршрутамДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукСпециальность 05.13.01Системный анализ, управление и обработка информации(авиационная и ракетно-космическая техника )( технические науки)Соискатель:Тое Вэй ТунНаучный руководитель:доктор технических наук,профессор А.В.

ЗайцевМосква, 20162СодержаниеВведение………………………………………………………………………….4Глава 1.Анализ моделей приоритетного распределения воздушных судов позаданным маршрутам………………………………………….……………….121.1. Метод ветвей и границ……………………………………………….121.1.1. Существующие методы построения маршрута…………………121.1.2. Анализ методов параметрической оптимизации………………..161.1.3 Линейное программирование……………………………………. 221.1.4. Метод ветвей и границ в задаче построения маршрута………...351.2 Алгоритм построения разомкнутого маршрута……………………401.2.1.Разработка алгоритма логического управления маршрутнымполетом……………………………………………………………………401.2.2. Алгоритм работы системы планирования маршрута…………...421.2.3. Моделирование и описание программы…………………………46Выводы по первой главе.………..……………………………………………...48Глава 2.

Разработка алгоритма прогноза управляющих воздействий………502.1. Математическая формализация задачи прогноза управленияна участок программного управления………………………………….502.2. Исследование влияния порядка экстраполяторов наустойчивостьсистемы стабилизации …………………………………………………..512.3. Обоснование и выбор метода прогноза……………………………552.4. Разработка алгоритма прогноза управляющих воздействий……..65Выводы по второй главе…………… ………………………………………….69Глава 3. Разработка модели приоритетного определения направлениядвижения воздушного судна по заданным маршрутам………………….…..703.1.

Разработка модели программного управления……………………7033.2. Разработка модели приоритетного определения направлениядвижения воздушного судна по заданным маршрутам на основеалгоритма программного управления.....……………………………..753.3. Методика разработки алгоритма оптимального программногоуправления с учетом действующих возмущений…………...………...773.4.Математическая модель движения воздушного судна ….……….833.5. Исследование эффективности разработанныхaлгоритмов…………………………………………………………….…90Выводы по третьей главе ......………………………………………………...101Заключение…………………………………………………………………….103Список литературы...………………………………………………………….105Приложение 1………………………………………………………………….113Приложение 2………………………………………………………………….1214ВведениеАктуальность темы диссертации. В настоящее время все большевнимания при эксплуатации воздушных судов (ВС) уделяется вопросамбезопасности пассажиров и экипажей.

В то же время, следует заметить, чтона сегодня до 35 % ошибок летного состава провоцируется эргономическиминедостатками средств информации и органов управления, состояниемпультов и обзора из кабины, расположением приборов и конечнымпредоставлением ими показаний, методами обучения. Не менее 2/3 отказовприборов управления на тренажерах моделируется искаженно. Как отмечаетпрофессор Пономаренко В.А., из всех отказов, имитируемых в воздухе, в 95%случаев отрабатываются лишь действия по ликвидации отказа, а не по егораспознаванию.

Центральное же звено – принятие решения – фактически неотрабатывается.Отсюда – очень важные и правильные решения, что наиболее сложные иопасные операции, к которым относится посадка воздушного судна, могутпроводиться в автоматическом режиме. Среди задач, решаемых с помощьюавтопилотоввоздушныхоптимизацииисудов,управленияважноеместомаршрутовзанимаютдвижения,вопросыособенно,пространственных разворотов. При решении данной задачи крайне важнаоперативность получения данных.

Существует ряд алгоритмов построенияоптимального маршрута, однако большинство из них не учитываютдинамику воздушного судна, что значительно ограничивает их применимостьдля решения целого ряда актуальных задач. В случае использованиясуществующихалгоритмов,рассматривающихнеподвижныеобъекты,полученный оптимальный маршрут может оказаться далек от оптимальногопри движении хотя бы одного из наблюдаемых объектов.

В связи с этим,возникает необходимость разработки алгоритмов, которые учитываютподвижностьнаблюдаемыхобъектовприрешениизадачипоиска5оптимального маршрута их облета, что в свою очередь позволит не толькообеспечить безопасность полетов государственной авиации, но и оптимальнорасходовать имеющиеся ресурсы (время, топливо) и тем самым снизитьстоимость полета.Важной является разработка логической системы управления полетомвоздушного судна, ориентированной на планирование маршрута полета черезпункты, информация о которых известна заранее или поступает во времяполета. Разрабатываемая система реализует программное управление.Важным является тот факт, что применение разработанных алгоритмовпозволит бортовому вычислителю осуществлять расчет оптимального, повыбранному критерию, маршрута движения воздушного судна.Степень проработанности темы исследования.

Одним из актуальныхнаправлений применения современных информационных технологий вуправлении воздушными судами сегодня является автоматизация расчетовпроцессов движения и прогнозирования областей достижения, в основекоторых лежат современные алгоритмы экстраполяции.Существующее информационное обеспечение программно-техническихсредствавтоматизациидостаточноразнообразно.Этообусловленоразнообразием задач, решаемых автоматизированными информационнымисистемами (АИС) в интересах обеспечения функционирования бортовыхсистемам управления ВС. Тем не менее, несмотря на многообразие видовАИС, их информационное обеспечение не позволяет полностью преодолетьтакие недостатки бортовых систем управления как, субъективизм, невысокаядостоверность принимаемых решений.

Следствием этого является неоптимальное управление траекторией движения ВС.Однимизнаправленийсовершенствованиясистемыуправлениядвижением является программное управление, которое строится в ходеполета и прогнозирование его с использованием терминального векторафазовых координат.6Разработка современных автоматизированных и автоматических системуправления ВС становится одним из приоритетных направлений вобслуживании и в обеспечении безопасности полетов воздушных судов.Проблемы разработки подобных систем освещены в работах БетановаВ.В., Захарова В.Н., Лебедева Г.Н., Малышева В.В., Могилевского В.Д.,Мосолова В.Е., Петрова Б.Н., Поцелуева А.В., Рыбникова С.И., ХаритоноваВ.Н. и др. В целом ряде работ рассматривалась проблема анализа движения ипоследующего его прогноза, начиная от разработки задания на выполнениеполета до оценки качества и результативности деятельности пилота иоператора.

Это работы Алексеева В.В., Бомаса В.В., Зайцева А.В., ЛовцоваД.А., Хрипунова С.П., и др. Но, в работах этих и других авторовнедостаточно уделено внимания решению задач программного управления,реализуемого на основании выбранного критерия качества.Усложнение методов, видов, форм решения задач в системе управления,учет требований к характеру деятельности экипажа воздушного судна,увеличение рисков и повышение влияния негативных последствий принятиянеоптимальных решений по управлению траекторией движения ВС приводитк увеличению объема информации, обрабатываемой в интересах выработки ипринятия оптимального управляющего решения. Кроме того, наличиенеопределенностивпроцессахпринятиярешенийделаютзадачуавтоматизации процесса программного управления воздушным судном,особенно по достаточно сложным маршрутам, еще более актуальной.Необходимость совершенствования информационного обеспечения всторону усиления автоматизации процессов построения оптимальнойтраектории движения ВС и, соответственно, создания систем программногоуправления движением воздушного судна определили выбор темы, цели изадачи диссертационного исследования.Объектом исследования в настоящей работе является процессопределения приоритетного направления движения воздушного судна позаданным маршрутам.7Предметом исследования являются модели и алгоритмы программногоуправления, создаваемые для прогноза и реализации движения воздушногосудна по заданным маршрутам.Целью диссертационной работы является обеспечение требуемогокачества процесса программного управления на интервале движениявоздушных судов, что позволит в свою очередь повысить эффективностьпроцесса управления на основе выбранных показателей качества.Научная задача, решаемая в диссертационной работе, заключается вразработке модели и алгоритмов программного управления, оптимальных пообобщенномуквадратичномупоказателюкачества,обеспечивающихтребуемое качество процесса управления, что служит основой для принятияэффективных управленческих решений, направленных наобеспечениебезопасности полетов воздушных судов и разработки инновационнойсистемы управления воздушным движением.Для достижения поставленной цели и решения научной задачи в работепоследовательно решены следующие частные задачи.1.Проанализированы существующие подходы к планированиюмаршрута полета.2.Разработан алгоритм программного управления воздушнымсудном.3.Разработана программа, реализующая данный алгоритм.4.Проведена оценка эффективности применения разработанныхмоделей и алгоритмов.5.Предложены методические рекомендации по использованиюразработанного инструмента для оценки и прогноза движения воздушногосудна.6.Сформулированыинформационногопредложенияобеспечениялиц,поповышениюпринимающихкачестварешение,дляоперативного анализа и управления воздушным судном с использованиемразработанной модели на основе метода программного управления.8Научная новизна результатов исследования состоит в следующем:1.Проведенобобщенныйанализособенностейдвижениявоздушных судов по заданным маршрутам, выявлена роль системыпрограммного управления воздушным судном по сложным маршрутам.2.Разработанные алгоритмы прогноза управляющих воздействий иоптимального программного управления практически исключают влияниенечеткости и неопределенности внешних возмущений и человеческогофактора за счет наличия необходимой робастности.3.Модель приоритетного определения направления движениявоздушного судна, отличается использованием терминального векторафазовых координат, точность которого максимальна в случаях гладкихучастков полета, для прогнозирования маршрута движения ВС.4.Информационное и методическое обеспечение программногоуправления с идентификацией внешних возмущений позволяет повыситьэффективность функционирования систем управления траекторией ВС.Теоретическая и практическая значимость результатов работы.Теоретическая значимость результатов работы состоит в обоснованииметодики разработки алгоритма оптимального программного управления наосновеобобщѐнногодействующихквадратичноговозмущений,показателяпроведенногонакачестваосновесучетомсовокупностиматематических моделей обработки слабоструктурированной информации осостоянии параметров движения воздушного судна и их оперативногомониторинга.Создано специальное математическое обеспечение для решения задачипрограммного управления воздушным судном, инвариантное к внешнымвозмущениям.Практическаязначимостьисследованияопределяетсятем,чтосоздаваемые, на основе разработанных моделей и алгоритмов, программныесредства обеспечивают не только решение задач построения оптимальногомаршрута движения ВС, но и, на этапах проектирования и опытной9эксплуатации систем управления ВС, позволяют оптимизировать структурусистем информационного обеспечения.Крометого,разработанныемоделииалгоритмымогутбытьинтегрированы в существующие управляющие и информационные системыВС государственной авиации.Методологические основы и методы исследования.

Результатыпроведенногоисследованияматематическойстатистики,полученытеориисприменениемуправленияиметодовматематическогомоделирования, системного анализа.Моделирование процесса проведено в пакете прикладных программMatlab и его приложения Simulink, экспериментальные исследования сиспользованием математических пакетов MathCAD.Основные положения, выносимые на защиту:1. Алгоритмпрогнозауправляющихвоздействийнаосновеполиномиальной аппроксимации.2. Модельприоритетногоопределениянаправлениядвижениявоздушного судна по заданным маршрутам.3. Методикаразработкиалгоритмаоптимальногопрограммногоуправления на основе обобщѐнного квадратичного показателя качества сучетом действующих возмущений.4.