Диссертация (Контроль и управление безопасным движением пассажирских воздушных судов при пересечении их маршрутов и речных судов при их сближении)

Министерство образования и науки Российской ФедерацииМОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(национальный исследовательский университет)На правах рукописиЗо Мин ТайкКОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ БЕЗОПАСНЫМ ДВИЖЕНИЕМПАССАЖИРСКИХ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ ПРИ ПЕРЕСЕЧЕНИИИХ МАРШРУТОВ И РЕЧНЫХ СУДОВ ПРИ ИХ СБЛИЖЕНИИСпециальность 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработкаинформации (информатика, управление и вычислительная техника)Диссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наук, профессорзаслуженный деятель науки РФЛебедев Георгий НиколаевичМосква – 2014СодержаниеВведение............................................................................................................... 4Глава I. Анализ функционирования известных систем контроля иуправления безопасным движением судов и постановка задачи.................

121.1 Анализ функционирования известных систем контроля иуправления движением судов ....................................................................... 121.1.1 Обзор известных систем причаливания речных судов ................. 121.1.2 Обзор известных САУ движением речных судов ......................... 221.1.3 Синтез оптимального линейного регулятора САУ движениемсудов при переменной функции штрафов в процессе сближения смалоразмерным препятствием ..................................................................

291.1.4 Вычисление спрогнозированной функции риска с помощьюуравнений Беллмана ................................................................................... 381.1.5 Анализ известных систем управления воздушным движением... 401.2Общая постановка задачи .................................................................... 441.3Выводы по главе 1 ................................................................................

49Глава II. Классификация встречного движения судов и выбор наиболееопасного, очередного судна, движущегося поперечным курсом ................ 502.1Классификация встречного движения судов ..................................... 502.2 Определение приоритетов встречающихся судов по критериюнаибольшей опасности сближения на поперечных курсах ....................... 522.3 Логика выбора задающих воздействий для системы управлениясближающихся судов .................................................................................... 572.4Выводы по главе 2 ................................................................................ 61Глава III.

Синтез оптимального управления безопасным движением судовпри поперечном пересечении их маршрутов ................................................. 623.1 Анализ известных методов оптимального управления .................... 623.1.1 Динамическое программирование ................................................. 623.1.2 Аналитическое конструирование регуляторов и применение дляих синтеза динамического программирования........................................ 7723.2 Синтез оптимального линейного регулятора управления боковымдвижением основного и встречных судов, сближающихся на строгопоперечных курсах ........................................................................................ 813.3 Синтез оптимального линейного регулятора управления движениемосновного судна при встрече с несколькими судами при пересечении ихмаршрутов под произвольным углом ..........................................................

903.4Выводы по главе 3 ................................................................................ 95Глава IV. Определение функции риска возможного столкновения судов спомощью динамического программирования для регулирования скоростиих попутного движения .................................................................................... 964.1 Вычисление спрогнозированной функции риска поперечногодвижения с помощью уравнения Беллмана ................................................

964.2Зависимость функции риска от скорости движения судов .............. 984.3 Формирование двухуровневой структуры контроля и управленияскоростью движения судов ........................................................................... 994.4Выводы по главе 4 ..............................................................................

102Глава V. Моделирование на ЭВМ системы управления и контролябезопасности поперечного движения судов ................................................ 1035.1 Моделирование бокового движения без контроля безопасностисближения двух речных судов.................................................................... 1035.2 Моделирование с контролем безопасностисближения приуправлении боковым и попутным движением ......................................... 1055.3 Моделирование работы системы управления и контроля в целом припоперечном движении группы речных судов ...........................................

1065.4 Анализ возможности использования предложенного подхода приуправлении воздушным движением .......................................................... 1115.5Выводы по главе 5 .............................................................................. 119Заключение ...................................................................................................... 120Список литературы ......................................................................................... 1213ВопросыВведениебезопасности пересечениятраекторийдвижениявоздушных судов остро стоят на практике при организации прилета ивылета на наиболее загруженные аэродромы.

Особенно это актуально длятаких крупных аэроузлов, как Московский, который включает в себя трибазовых аэродрома Внуково, Домодедово и Шереметьево. Существует рядситуаций при управлении воздушным движением, в которых воздушныесуда (ВС) должны изменить свой план полета и попасть на новую, заданнуюлинию пути в определенном порядке. К таким случаем относится, вчастности, ситуация внезапного изменения условий посадки на различныеВПП по метеорологическим или техническим причинам.Проблемаперенацеливания группы ВС в Московском узловом диспетчерском районе(МУДР) тесно связана со структурой воздушного пространства, котораяможет существенно меняться с изменением хотя бы одного из 8-мипосадочных курсов базовых аэродромов Внуково(W), Домодедово(D),Шереметьево(Sh).

Всего получается 24 вариантов структуры воздушногопространства.Практическое решение данной задачи требует учета многочисленныхфакторов внешней среды, основным из которых являются погодныеусловия. Так, изменение или неустойчивое направление ветра на взлетнопосадочной полосе может привести к перемене посадочного курса хотя-быодного из трех аэродромов МУДР, что вносит существенные измененияструктуры стандартных маршрутов, которые могут пересекаться [3,6,9].4Рис.1.1 Организация прилета-вылета для конфигурации посадочныхкурсов (014/316/245)На рисунке 1.1 представлена структура маршрутов вылета и прилета.Изменения структуры стандартных маршрутов вылета-прилета вследствиеизменения конфигурации посадочных курсов довольно часто встречаетсяна практике. На рис.1.1.

также показана в виде петли схема захода на трассу,называемая «тромбоном» и которая в первом приближении состоит из двухучастков. На первом начальном участке есть траектория возможногоподлета к трассе на разной высоте. После полета по этой траекториивоздушные суда оказываются на одной высоте и попадают на второйучасток, имеющий вид петли.5Если вначале петли есть возможность выйти на трассу сразу, самолетразворачивается и входит в эшелон захода на посадку.

Если трасса занята,то самолет летит по петле дальше, пока эшелон захода на посадку занят.Таким образом, возможная очередь судов рассасывается, и организуется ихзаход на посадку на безопасных дистанциях друг от друга.Ясно, что у каждой трассы захода на посадку на ту или иную ВППдолжна быть своя петля, имеющая имя «тромбон», на котором исключенавозможность сближения судов и пересечения их маршрутов.Данная задача может интерпретироваться как задача «автоматизациивекторения» т.е. задача изменения ранее заданных и отчасти выполненныхусловий путем задания дополнительных, неформализованных заявок сцелью оптимальной адаптации к новым условиям. При перелете воздушныхсудов с одной трассы на другую опасного сближения при пересечении ихмаршрутов можно избежать, если после возникновения команды на“перевекторение” потребовать сразу перейти воздушным судам на разныеэшелоны по высоте – например при движении судов вокруг Московскогоаэроузла в одну сторону по часовой стрелке – снизиться на величинуH  100  200 м , а при их движении против часовой стрелки - подняться навеличину H .

Тогда при встречном пересечении этих маршрутов в любойточке гарантирована безопасность полета.Указанный маневр будет сопряжен с первыми дополнительнымипотерями E1 . Вторые дополнительные потери топлива E2 возникнут,когда воздушные суда подлетят к вновь назначенными трассам и попадутв очередь на обслуживание соответствующего «тромбона» . В этойситуации судам придется вновь вернуться на посадочную высоту H 0 - однимсудам путем подъема, другим - путем снижения.6Суммарные потери E1  E2естественно должен быть учтены припонижении динамических приоритетов тех судов, у которых числопересечений с другими маршрутами будет наибольшими.

Количественнаяоценка потерь топлива на маневрирование по высоте требует отдельныхисследований и выходит за рамки данной работы.Таким образом весьма часто возникают случаи опасного сближениявоздушных судов, и даже возможно пересечение их маршрутов, какпоказано на рис 1.2., где n и m - координаты местоположения судов вземной системе координат.Рис.1.2 Пересечение маршрутов в точке C0 при поперечномдвижении воздушных судовАналогичные ситуации возникают при оживленном движенииречных судов в акватории крупных морских и речных портов [15,18,2226,42-46].