Міністерство промислової політики України

Науково-виробнича корпорація
"Київський інститут автоматики"

Сікірда Юлія Володимирівна

УДК 658.52.011.56:656.7.022

МОДЕЛЮВАННЯ СИСТЕМИ ПІДТРИМКИ ПРИЙНЯТТЯ РІШЕНЬ АВІАДИСПЕТЧЕРА В ПОЗАШТАТНИХ ПОЛЬОТНИХ СИТУАЦІЯХ

05.13.06 – автоматизовані системи управління
та прогресивні інформаційні технології

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі інформаційних технологій Державної льотної академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, старший науковий співробітник
Бєляєв Юрій Борисович,
директор ДНВП "Автоматизовані інформаційні системи та технології", НВК "Київський інститут автоматики".

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Герасимов Борис Михайлович,
професор кафедри АСУ Військового інституту при Київському національному університеті ім. Тараса Шевченка Міністерства освіти і науки України;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник
Баранов Георгій Леонідович,
заступник директора з наукової роботи Центрального науково-дослідного інституту навігації та управління Міністерства промислової політики України.

Провідна установа: | Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра інформаційних технологій.

Захист відбудеться “9” червня 2004 року о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.818.01 НВК "Київський інститут автоматики" за адресою: 04107, Київ-107, вул. Нагірна, 22, корп.1, к.219.

Відзиви на автореферат у двох примірниках, засвідчені печаткою установи, просимо надсилати за адресою: 04107, Київ-107, вул. Нагірна, 22, НВК "КІА", вченому секретарю.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці НВК "Київський інститут автоматики".

Автореферат розісланий “6” травня 2004 року.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради
кандидат технічних наук |

Л.П. Тронько

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підтримка безпечного функціонування авіаційної людино-машинної системи є одним з найважливіших науково-технічних завдань. Основна роль у підтримці безпеки польотів належить екіпажу повітряного судна (ПС), неадекватне прийняття рішень яким складає близько 90% причин авіаційних подій у світі. Екіпаж здійснює безпосереднє керування польотом, і від правильності його дій в позаштатних ситуаціях залежить результат польоту. Авіадиспетчер несе відповідальність за видачу грамотних і обґрунтованих рекомендацій і вказівок екіпажу ПС. Остаточне рішення приймає командир ПС, але своєчасна й вірна підказка диспетчера може запобігти розвитку ситуації на борту до катастрофічної.

Позаштатні польотні ситуації, особливо ті, що потребують вимушеної посадки (пожежа на ПС, часткова чи повна втрата тяги силової установки, повне вироблення палива на борту ПС тощо), поряд із жорстким лімітом часу на прийняття рішення і напруженим психофізіологічним станом оператора характеризуються високим рівнем неповноти й невизначеності інформації. В таких ситуаціях актуальною є задача кількісного оцінювання можливих варіантів завершення польоту, що дозволяє авіаційному оператору вибрати стратегію дій з мінімальним рівнем потенційного збитку. Пошук ефективного рішення в подібних умовах вимагає обробки значної кількості додаткової інформації щодо об’єкта управління (ПС) і зовнішнього середовища (зони управління повітряним рухом (УПР)).

За цих обставин реалізація функцій прийняття оперативних своєчасних рішень, інформаційної підтримки оператора покладається на системи підтримки прийняття рішень (СППР). Автоматизація оцінювання потенційних стратегій завершення польоту в позаштатних ситуаціях уявляється своєчасною та актуальною задачею наукового дослідження, що передбачає отримання нових наукових результатів та їх значущість з позиції підвищення безпеки польотів.

Об’єкт дослідження – система прийняття рішень авіаційним оператором в позаштатних польотних ситуаціях.

Предмет дослідження – автоматизація оцінювання потенційних стратегій завершення польоту в позаштатних ситуаціях, що потребують вимушеної посадки ПС.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукове дослідження виконано в рамках НДР 37Б50.02 “Розробка методів, моделей і алгоритмів системи підтримки прийняття рішень оператора авіаційної поліергатичної системи (диспетчера управління повітряним рухом)" - № ДР 02U002421.

Мета і завдання дослідження. Мета дослідження – підвищення ефективності обслуговування повітряного руху в позаштатних польотних ситуаціях, що потребують вимушеної посадки ПС, за рахунок своєчасності формування рішень щодо вибору оптимальної альтернативи завершення польоту та інформаційної підтримки авіаційного оператора.

Для досягнення мети роботи поставлені й вирішені наступні задачі:

-

-

-

-

Методи дослідження. При розробці моделі задачі вибору оптимального варіанта завершення польоту були використані методи теорії прийняття рішень, теорії графів; при отриманні параметрів моделі – метод побудови функцій належності в нечітких умовах, заснований на обробці статистичних даних, та математико-статистичний метод експертних оцінок. При розробці моделі визначення можливості подальшого продовження польоту застосовано продукційний підхід до виводу знань, при розробці моделей визначення області досяжності ПС та можливості звільнення злітно-посадкової смуги (ЗПС) до моменту виконання вимушеної посадки ПС – метод статистичного моделювання. Оцінку ефективності потенційних альтернатив завершення польоту виконано з використанням методу нейронних сіток за допомогою нейропакета NeuroPro 0.25. Програмне забезпечення СППР авіадиспетчера в позаштатних польотних ситуаціях розроблено за об’єктно-орієнтованою ідеологією на основі візуальної системи програмування Delphi 5 з використанням технології BDE (Borland Database Engine).

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Розроблено структурну модель слабоформалізованої задачі вибору оптимальної альтернативи завершення польоту в позаштатних ситуаціях, що потребують вимушеної посадки ПС. Запропонована багатокрокова модель більш адекватно відображує процес вибору оператором оптимального місця виконання вимушеної посадки завдяки врахуванню на кожному етапі прийняття рішення певних груп чинників, які обумовлюють результат завершення польоту.

2. Удосконалено процес вибору оптимальної альтернативи завершення польоту в позаштатних ситуаціях, що потребують вимушеної посадки ПС, шляхом застосування нейросіткової моделі оцінки потенційного збитку альтернативних варіантів. Запропонована модель на основі двошарового персептрона відрізняється від відомих тим, що дає можливість з більшим ступенем точності в реальному часі визначати величину можливого збитку завдяки врахуванню сумарного впливу різних за важливістю окремих чинників, які характеризують потенційне місце виконання вимушеної посадки.

3. Створено СППР авіадиспетчера в позаштатних польотних ситуаціях, в якій передбачено вироблення рекомендацій щодо можливості продовження польоту або необхідності виконання вимушеної посадки, побудова області досяжності ПС при екстреному завершенні польоту, отримання характеристик альтернативних варіантів завершення польоту, які обумовлюють результат вибору, оцінку ефективності потенційних альтернатив та визначення оптимального місця для вимушеної посадки за критерієм мінімізації потенційного збитку. Оцінка ефективності застосування розробленої СППР доводить збільшення кількості позаштатних ситуацій, в яких обирається оптимальна альтернатива завершення польоту з мінімальним рівнем потенційного збитку, на 20%, та зменшення часу прийняття рішення на 5 с.

Практичне значення отриманих результатів визначається їх спрямованістю на підвищення якості й оперативності прийняття рішень і видачі рекомендацій авіадиспетчером екіпажу ПС у позаштатних польотних ситуаціях. Новими практичними результатами є методика кількісної оцінки можливих альтернатив завершення польоту і впровадження критерію вибору оптимального варіанта в умовах невизначеності; алгоритмічне і програмне забезпечення системи інформаційної підтримки.

Запропоновані моделі та алгоритми вибору оптимальної альтернативи завершення польоту адаптовані й реалізовані програмою “Підказка” в тренажерній системі для підготовки спеціалістів з обслуговування повітряного руху на базі Державної льотної академії України (Харківська учбова зона), що підтверджено відповідним актом впровадження. Розроблена програма, крім імітування роботи реальної СППР і видачі рекомендацій у формі кількісної оцінки потенційного збитку при виборі певної альтернативи завершення польоту, також може використовуватись для набуття навичок прийняття рішень авіадиспетчерами в позаштатних польотних ситуаціях, що потребують вимушеної посадки ПС.

Наукові положення, висновки і рекомендації дисертаційної роботи використані в навчальному процесі при підготовці курсів “Теорія управління”, “Основи наукових досліджень” та “Системний аналіз і прийняття управлінських рішень” для курсантів старших курсів та магістрів спеціальності 7.100109 “Обслуговування повітряного руху”, а також курсу „Основи теорії прийняття рішень” для курсантів старших курсів спеціальності 7.100108 “Експлуатація літальних апаратів” Державної льотної академії України.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Наукові положення, висновки і рекомендації дисертаційної роботи обґрунтовані коректним використанням математичного апарату, успішною програмною реалізацією розроблених моделей та алгоритмів у вигляді програми "Підказка", а також ефективним практичним впровадженням прототипу СППР авіадиспетчера в позаштатних польотних ситуаціях у тренажерному центрі УПР при Державній льотній академії України.

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні та практичні положення дисертаційного дослідження оприлюднені й обговорені на IV, V і VI міжнародних науково-технічних конференціях “АВІА-2002”, “АВІА-2003”, „АВІА-2004” (Київ, 2002-2004 рр.), ІІІ міжнародній науково-технічній конференції “Штучний інтелект-2002” (Кацівелі, Крим, 2002 р.), міжнародній науково-практичній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених “Комп’ютери. Програми. Інтернет. – 2003” (Київ, 2003 р.), 10-й міжнародній конференції з автоматичного управління “Автоматика-2003” (Севастополь, 2003 р.), IV міжнародній науково-технічній конференції “Інтелектуальні та багатопроцесорні системи” (сел. Дивноморське, Геленджикський район, Краснодарський край, Росія, 2003 р.), міжнародній науково-практичній конференції „Сучасні інформаційні технології в управлінні й професійній підготовці операторів складних систем” (Кіровоград, 2003 р.), на засіданнях кафедр інформаційних технологій та обслуговування повітряного руху, науково-практичних конференціях викладачів та аспірантів Державної льотної академії України (2001–2004 рр.).

Публікації. За результатами дисертаційного дослідження опубліковано в наукових виданнях 15 наукових праць (7 статей у фахових наукових виданнях, що відповідають переліку ВАК, 8 тез доповідей на конференціях), 3 з яких одноосібні.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є результатом самостійних досліджень. У роботах, опублікованих у співавторстві, автору належать: методологія оцінки ефективності потенційних стратегій завершення польоту в позаштатних ситуаціях на основі формалізації ризику, визначення у якості критерію вибору оптимальної стратегії критерію мінімізації ризику виникнення небажаних наслідків у результаті реалізації оператором певної альтернативи прийняття рішення [1, 2, 8]; дослідження методів оцінки ризику та умов їх застосування [3, 9]; нейросіткова модель формування оцінки ефективності потенційних стратегій завершення польоту при виникненні позаштатних ситуацій, що потребують вимушеної посадки повітряного судна [4, 10, 13]; концептуальна схема інтегрованої системи УПР, адаптивної до змін стану об’єкта управління (повітряного судна), зовнішнього середовища (зони УПР), навантаження і функціонального стану авіадиспетчера, а також концепція адаптивності, за якою прийняте і реалізоване рішення для заданого інтервалу часу повинне відповідати оптимальному із множини допустимих за прийнятим критерієм ефективності [5, 14]; структурна модель задачі вибору оптимальної альтернативи завершення польоту в позаштатних ситуаціях, що потребують вимушеної посадки повітряного судна [6]; інформаційна модель СППР авіадиспетчера в позаштатних польотних ситуаціях [15].

На захист виносяться:

1. Багатокрокова модель слабоформалізованої задачі вибору оптимальної альтернативи завершення польоту в позаштатних ситуаціях, що потребують вимушеної посадки ПС.

2. Нейросіткова модель оцінки ефективності потенційних альтернатив завершення польоту при необхідності виконання вимушеної посадки ПС, яка у вигляді інтелектуального модуля входить до складу СППР авіадиспетчера в позаштатних польотних ситуаціях.

3. СППР авіадиспетчера в позаштатних польотних ситуаціях, що потребують вимушеної посадки ПС.

Структура та об’єм роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (142 найменування), додатків. Обсяг списку використаних джерел складає 14 сторінок, додатків – 55 сторінок. Загальний об’єм роботи становить 184 сторінки, в тому числі 129 сторінок основного тексту, що ілюстрований 23 таблицями та 32 рисунками.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі здійснено обґрунтування актуальності теми, наголошено на необхідності автоматизації кількісного оцінювання потенційних стратегій завершення польоту в позаштатних ситуаціях, що потребують вимушеної посадки ПС, сформульовано мету, задачі досліджень, визначено наукову новизну і практичну цінність роботи, відокремлено основні результати проведеного дисертаційного дослідження, його апробації.

У першому розділі з системних позицій досліджений процес прийняття рішень авіаційним оператором в позаштатних польотних ситуаціях, визначені його основні особливості, обумовлені жорстким лімітом часу, напруженим психофізіологічним станом оператора, а також неповнотою, невизначеністю та великим об’ємом різнопланової інформації, необхідної для прийняття рішення. Представлена математична модель складної слабоформалізованої задачі вибору оптимальної альтернативи завершення польоту при необхідності виконання вимушеної посадки ПС. Аналіз процесу прийняття рішень авіадиспетчером в позаштатних ситуаціях, що потребують вимушеної посадки ПС, дозволив визначити предмет та мету дослідження, синтезувати завдання дослідження, які підлягають розв’язку.

Розглянуто функції СППР у складі автоматизованих систем УПР та досліджено методи їх реалізації. Досліджені групи чинників, які впливають на вибір оптимального варіанта завершення польоту. Розроблений алгоритм прийняття рішень авіадиспетчером в позаштатних польотних ситуаціях, що потребують вимушеної посадки ПС.

Представлена концепція адаптивної СППР авіадиспетчера в позаштатних польотних ситуаціях, що потребують вимушеної посадки ПС (рис. 1).

Рис. 1. Концептуальна модель СППР авіадиспетчера в позаштатних ситуаціях, адаптивної до змін стану об’єкта управління та зовнішнього середовища

Зворотний зв’язок дозволяє враховувати при прийнятті оперативних рішень динаміку зміни характеристик стану об’єкта управління (ПС) й зовнішнього середовища (зони УПР). Визначена статична та динамічна інформація щодо стану ПС і зони УПР, необхідна для інформаційної підтримки авіадиспетчера в позаштатних польотних ситуаціях.

У другому розділі розроблений підхід до оцінки ефективності потенційних стратегій завершення польоту в позаштатних польотних ситуаціях, що потребують вимушеної посадки ПС, на основі формалізації ризику виникнення небажаних наслідків в результаті реалізації оператором певного рішення.

Досліджено наступні методи оцінки ризику: за допомогою критерію очікуваного значення (заснованого на апріорних або апостеріорних ймовірностях), модифікованого критерію "очікуване значення - дисперсія", мінімаксного й традиційного підходів, а також алгебри нечітких множин, та визначені умови використання кожного з методів.

Розроблено структурну модель задачі вибору оптимального варіанта завершення польоту у вигляді дерева рішень (рис. 2).

Суть задачі оптимізації вибору альтернативного варіанта завершення польоту в позаштатних ситуаціях, що потребують вимушеної посадки ПС, полягає в тому, щоб з множини потенційних стратегій завершення польоту Aі, , знайти оптимальну для даного інтервалу часу t альтернативу Aopt(t) з мінімальним ризиком Rmin, яка забезпечує мінімальний рівень потенційного збитку при обмеженому часі польоту tпол до місця посадки, який не перевищує критичний час tкрит:

, , (1)

з обмеженням tпол = tкрит,

де gij – величина потенційного збитку j–го наслідку при реалізації i-ї альтернативи;

pij – ймовірність виникнення j-го наслідку в результаті реалізації i-ї альтернативи.

Визначений вектор можливих наслідків вибору оператором і-ї альтернативи завершення польоту аі в позаштатних ситуаціях, що вимагають вимушеної посадки ПС, ={qi1(gij, pij), qi2(gij, pij), qi3(gij, pij), qi4(gij, pij), qi5(gij, pij)} = {qij(gij, pij)}, , ступінь важкості яких обумовлюється ступенем відхилення від нормального функціонування ПС, екіпажа, служб управління і забезпечення польотів, впливом зовнішнього середовища: економічний збиток, інцидент, поломка авіаційної техніки, аварія, катастрофа.

Для отримання величини потенційного збитку gi, що залежить від важкості можливих наслідків, експертам було запропоновано оцінити її за п’ятибальною якісною шкалою, що сформульована в термінах теорії нечітких множин: дуже малий збиток g1 (відповідає економічним витратам), малий збиток g2 (відповідає інцидентам), середній збиток g3 (відповідає поломкам авіаційної техніки), великий збиток g4 (відповідає аваріям), дуже великий збиток g5 (відповідає катастрофам).

Для отримання більш достовірних значень термів опит проводився методом Дельфи у два тури. Максимально можлива величина потенційного збитку приймалась рівною 100 одиницям. Інтервал [0; 100] був розбитий на 10 відрізків, по кожному з яких підраховувалась кількість експертів, що використали певне значення лінгвістичної змінної для вираження свого уявлення про величину потенційного збитку (табл. 1).

Рис. 2. Структурне зображення процесу прийняття рішень в задачі вибору оптимального варіанта завершення польоту:

1 - прийняття рішення щодо можливості подальшого продовження польоту або необхідності виконання вимушеної посадки в залежності від ступеня небезпеки ситуації kнебсит та оцінка критичного часу польоту ПС kкрит;

2 – оцінка трудомісткості виконання посадки kтруд і можливості отримання оперативної допомоги при посадці kдоп в залежності від типу потенційного місця посадки kмп (аеродром, попередньо визначений майданчик або підібраний з повітря майданчик);

3 – прийняття рішення щодо технічної придатності аеродрому (наявність ремонтних робіт ЗПС kрем та можливість її звільнення до моменту виконання вимушеної посадки ПС kзвіл, працездатність радіотехнічних засобів посадки kртз, стан поверхні ЗПС kпов, відповідність наявної довжини ЗПС довжині смуги, необхідної для посадки певного типу ПС в даних умовах kдовж);

4 , 5 – прийняття рішення щодо технічної придатності майданчика (наявність перешкод і населених пунктів kпер, вид підстилаючої поверхні kпп);

6 , 7 , 8 – прийняття рішення щодо можливості виконання посадки при наявних метеорологічних умовах (наявність небезпечних метеорологічних явищ kнмя, відповідність висоти нижньої границі хмарності kнгх та видимості kv установленим мінімумам для посадки, відповідність складових вітру kU,д установленим гранично допустимим);

– ймовірні наслідки реалізації оператором певного рішення.

Для оброблення отриманих даних була використана так звана матриця підказок, елементи якої обчислюються за формулою:

, (2)

Далі всі елементи табл. 1 перетворюємо за формулою (3) і зводимо в табл. 2:

, , (3)

Функції належності обчислені за формулою (4) і зведені в табл. 3:

(4)

Таблиця 1

Статистика даних, отриманих після проведення анкетування

Зна-

чення | Інтервал, одиниці

0-10 | 10-20 | 20-30 | 30-40 | 40-50 | 50-60 | 60-70 | 70-80 | 80-90 | 90-100

g1 | 21 | 7 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0

g2 | 0 | 3 | 20 | 6 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0

g3 | 0 | 0 | 0 | 3 | 22 | 4 | 1 | 0 | 0 | 0

g4 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 3 | 19 | 7 | 0

g5 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2 | 6 | 22

kj | 21 | 10 | 22 | 9 | 23 | 5 | 4 | 21 | 13 | 22

Таблиця 2

Проміжні значення для побудови функцій належності

Зна-

чення | Інтервал, одиниці

0-10 | 10-20 | 20-30 | 30-40 | 40-50 | 50-60 | 60-70 | 70-80 | 80-90 | 90-100

g1 | 23 | 16,1 | 2,1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0

g2 | 0 | 6,9 | 21 | 15,3 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0

g3 | 0 | 0 | 0 | 7,7 | 22 | 18,4 | 5,75 | 0 | 0 | 0

g4 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 4,6 | 17,3 | 20,8 | 12,4 | 0

g5 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2,19 | 10,6 | 23

Таблиця 3

Результати, отримані після проведення експертизи

µi | Інтервал, одиниці

0-10 | 10-20 | 20-30 | 30-40 | 40-50 | 50-60 | 60-70 | 70-80 | 80-90 | 90-100

µ1 | 1 | 0,7 | 0,1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0

µ2 | 0 | 0,33 | 1 | 0,73 | 0,05 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0

µ3 | 0 | 0 | 0 | 0,35 | 1 | 0,84 | 0,26 | 0 | 0 | 0

µ4 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0,22 | 0,83 | 1 | 0,6 | 0

µ5 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0,1 | 0,46 | 1

Застосування функцій належності в умовах нечіткої інформації дозволило формалізувати якісні характеристики потенційного збитку gi, що можливий у результаті вибору певного варіанта завершення польоту, і отримати наступні кількісні значення (рис. 3): для економічних витрат g1=10 одиниць; для інцидентів g2=30 одиниць; для поломок авіаційної техніки g3=50 одиниць; для аварій g4=80 одиниць; для катастроф g5=100 одиниць.

Обробка експертних оцінок виявила високу узгодженість думок експертів (коефіцієнт варіації <0,33).

Рис. 3. Функції належності терм-множини “Величина потенційного збитку”

Третій розділ присвячено розробці інформаційної моделі СППР авіадиспетчера в позаштатних польотних ситуаціях, обґрунтуванню принципів її побудови, визначенню для кожної із підсистем кола притаманних їй функцій (табл. 4).

Таблиця 4

Функції підсистем СППР авіадиспетчера в позаштатних польотних ситуаціях

Підсистема | Вхідна інформація (джерело активізації) | Задачі (функції) | Вихідна інформація (результат)

Збір даних | Динамічна інформація щодо ПС і зони управління повітряним рухом | Збір та зберігання даних | Створення баз даних про стан об’єкта управління й зовнішнього середовища

Формування стратегії дій | Статична й динамічна інформація щодо ПС;

модель формування стратегій | Оцінка можливості подаль-шого продовження польоту | Рекомендації щодо можливості продов-ження польоту або необхідності виконан-ня вимушеної посадки

Прогнозу-вання розвитку ситуації | Статична й динамічна інформація щодо ПС; моделі розвитку ситуації та руху ПС | Оцінка критичного часу польоту ПС | Побудова області досяжності ПС

Визначення характерис-тик альтерна-тивних варіантів завершення польоту | Статична інформація щодо ПС;

статична й динамічна інформація щодо зони УПР у межах області досяжності ПС;

моделі й алгоритми оцінки | Оцінка типу потенційного місця посадки

Оцінка виду й придатності підстилаючої поверхні

Оцінка технічної придатності аеродромів

Оцінка метеорологічних умов потенційного місця посадки | Множина допустимих альтернатив завершення польоту та їх характеристика

Оцінка ефективності потенційних альтернатив і формування оптималь-ного рішення | Характеристика до-пустимих альтернатив завершення польоту;

модель оцінки ефектив-ності альтернативних варіантів; методи, моделі та критерії оптимізації рішень | Оцінка ефективності потен-ційних альтернатив і форму-вання оптимального варіанта завершення польоту | Рекомендації щодо оптимального варіанта завершення польоту

Структурна декомпозиція задач вимірювання СППР дозволила встановити інформаційні зв’язки між ними. Запропоновано моделі та алгоритми, що забезпечують ефективне та надійне функціонування кожної із підсистем СППР.

Основу підсистеми формування стратегії дій складає модель визначення можливості продовження польоту. В роботі розглянуто дві позаштатні ситуації: відмова двигуна й пожежа на ПС. Технологія дій при відмові двигуна залежить в основному від кількості двигунів (Nдвиг) на повітряному судні, кількості двигунів, що відмовили (Nвідм), та причини відмови; при виникненні пожежі – від стадії пожежі. Загальна модель визначення можливості продовження польоту побудована на основі продукційного підходу до виводу знань і наводиться для випадку відмови двигуна в табл. 5, для випадку пожежі – в табл. 6.

Таблиця 5

Модель визначення можливості продовження польоту при відмові двигуна

Кількість двигунів, які працюють,

Nпрац = Nдвиг – Nвідм

IF | Альтернативи

THEN

Nпрац = 0 | Режим планування, посадка на аеродромі або майданчику в межах області досяжності ПС

Nпрац = 1 | Посадка на найближчому придатному аеродромі

Nпрац 2 | Продовження польоту до аеродрому призначення або запасного

Таблиця 6

Модель визначення можливості продовження польоту при виникненні пожежі

Стан ПС

IF | Альтернативи

THEN

Пожежа загашена | Посадка на найближчому придатному аеродромі

Пожежа не загашена | Режим екстреного зниження, посадка на аеродромі або майданчику в межах області досяжності ПС

У підсистемі прогнозування розвитку ситуації визначається область досяжності ПС за допомогою методу статистичного моделювання. Для розрахунку мінімального часу, необхідного на виконання екстреного зниження й заходу на посадку tекстр при неліквідованій пожежі на борту та побудові області, в межах якої ПС може виконати посадку, виконуючи екстрене зниження з максимально можливою вертикальною швидкістю, застосовується модель екстреного зниження ПС. Для побудови області, яка обмежується критичним часом розвитку пожежі tпож, використовуються моделі розвитку пожеж. Безпечне завершення польоту можливе лише за умови tекстр = tпож, тому tпож є критичним часом польоту ПС tкрит. Для побудови області, яка визначається максимальною відстанню планування з ешелону польоту tплан = tкрит при повній відмові двигунів на ПС, застосовується модель планування ПС.

У підсистемі визначення характеристик альтернативних варіантів завершення польоту визначаються характеристики потенційного місця посадки, які є входами підсистеми оцінки ефективності потенційних альтернатив і формування оптимального рішення. В рамках задачі оцінки типу потенційного місця посадки визначається, чи є місце посадки аеродромом, попередньо визначеним майданчиком або підібраним з повітря майданчиком; у складі задачі оцінки виду й придатності підстилаючої поверхні визначається її вид і придатність до виконання посадки; в рамках задачі оцінки технічної придатності аеродромів визначається наявність робіт на ЗПС та можливість її звільнення до моменту виконання вимушеної посадки ПС, працездатність радіотехнічних засобів посадки, стан поверхні ЗПС і відповідність фактичної довжини ЗПС на аеродромі потрібній довжині для посадки певного типу ПС; у складі задачі оцінки метеорологічних умов потенційного місця посадки – наявність небезпечних метеорологічних явищ, відповідність метеорологічних умов установленим мінімумам для посадки та складових вітру встановленим гранично допустимим. При цьому аеродром може використовуватись для виконання посадки при відсутності довгочасних ремонтних робіт, при короткочасних роботах – у випадку можливості звільнення ЗПС до моменту посадки ПС; майданчик – не розташований у межах населених пунктів та при відсутності штучних перешкод.

Оцінка ефективності альтернативних варіантів завершення польоту проводиться на основі двошарової прямонаправленої нейронної сітки (рис. 4), навченої з вчителем процедурою оберненого поширення помилки методом градієнтного наближення. Цей метод дозволяє подолати локальні нерівності поверхні помилки й не зупинятись на локальних мінімумах. Ітерації навчання припиняються, коли помилка досягає мінімального значення й перестає зменшуватись. Нейронна сітка реалізована за допомогою нейропакета NeuroPro 0.25.

Рис. 4. Нейросіткова модель оцінки ефективності потенційних альтернатив завершення польоту:

а – потенційна альтернатива завершення польоту – аеродром;

б – потенційна альтернатива завершення польоту – майданчик

Вхідними параметрами моделі є чинники, що характеризують потенційну альтернативу завершення польоту.

Так як для різних типів потенційних місць посадки чинники, що обумовлюють кінцевий результат вибору, відрізняються, то у випадку, коли потенційною альтернативою завершення польоту є аеродром, входи нейронної сітки наступні:

- компонент – технічна придатність аеродромів (b1 – відповідність довжини ЗПС на аеродромі потрібній для виконання посадки даного типу ПС; b2 – придатність поверхні ЗПС; b3 – працездатність РТЗ посадки), ={bі;

- компонент – придатність аеродрому за метеорологічними умовами (с1 – наявність небезпечних метеорологічних явищ; с2 – відповідність метеорологічних умов на аеродромі установленим мінімумам для посадки; с3 – відповідність складових вітру встановленим гранично допустимим), ={сj.

У випадку, коли потенційна альтернатива завершення польоту – майданчик, входами ШНС є:

- компонент – тип майданчика (d1 – попередньо визначений або підібраний з повітря майданчик), ={dk;

- компонент – вид підстилаючої поверхні (e1 – рівнинна; e2 – лісна; e3 – горна; e4 – водна; e5 – пустельна), ={el;

- компонент – придатність майданчика за метеорологічними умовами (f1 – наявність небезпечних метеорологічних явищ; f2 – відповідність метеорологічних умов майданчика встановленим мінімумам для посадки; f3 – відповідність складових вітру встановленим гранично допустимим), ={fm.

У відповідність кожному вхідному параметру ставиться бінарний вектор, який відображає наявність (1) або відсутність (0) певного чинника.

Вихідним параметром моделі є величина потенційного збитку, що відповідає вибору певної альтернативи завершення польоту : g1 – дуже малий збиток; g2 – малий збиток; g3 – середній збиток; g4 – великий збиток; g5 – дуже великий збиток, ={gr.

За критерій ефективності потенційних альтернатив завершення польоту YG прийнятий потенційний збиток внаслідок вибору певної альтернативи при обмеженому часі польоту tпол = tкрит:

YGаер = ; (3)

YGмайд = , (4)

де fG – активаційна функція, яка застосовується поелементно до компонентів вектор-рядка, що розміщений у дужках.

Ефективність залежатиме від того, які саме чинники характеризують певне місце посадки. Оптимальний варіант завершення польоту з мінімальним ризиком обирається на основі мінімізації потенційного збитку:

YGopt = min fG(). (5)

Вхідні компоненти , , , , і відповідний їм вихід задаються з попередніх статистичних даних. Тестування сіток показало точність визначення збитку в межах 10% від діапазону зміни його значень, що цілком задовольняє постановці задачі й підтверджує достовірність запропонованої моделі.

В результаті композиції визначених задач вимірювання отримано інформаційну модель СППР авіадиспетчера в позаштатних польотних ситуаціях (рис. 5).

Четвертий розділ містить опис програмного комплексу “Підказка”, реалізованого за запропонованою автором моделлю. СППР авіадиспетчера розроблювалась за об’єктно-орієнтованою технологією з використанням візуальної системи програмування Delphi 5, яка підтримує абстрагування, інкапсуляцію, класи, спадкування та поліморфізм. Особливістю реалізації програмного забезпечення СППР авіадиспетчера в позаштатних польотних ситуаціях є використання технології BDE (Borland Database Engine) – інтегрованого в Delphi ядра процесора баз даних Borland, що не потребує багато ресурсів, зручного у використанні та який має прямий доступ до локальних баз даних. Тестування та супроводження програми “Підказка” на тренажерній системі показало, що достатнім системним мінімумом для серверу бази даних є Intel Pentium 4 та 512 Мб оперативної пам’яті; для автоматизованих робочих місць операторів – Intel Pentium 2 та 128 Мб оперативної пам’яті. Програмою “Підказка” реалізовано підсистеми формування стратегії дій, прогнозування розвитку ситуації, визначення характеристик альтернативних варіантів завершення польоту, оцінки ефективності потенційних альтернатив і формування оптимального рішення.

У розділі надано інформацію про результати впровадження, використання розроблених алгоритмів і програм управління та ефективність застосування СППР авіадиспетчера в позаштатних польотних ситуаціях, що потребують вимушеної посадки ПС. Порівняльний аналіз отриманих в тренажерному центрі УПР результатів дослідження прийняття рішень авіадиспетчером щодо вибору оптимальної альтернативи завершення польоту наводиться в табл. 7.

Таблиця 7

Порівняльний аналіз збитку і часу прийняття рішення авіадиспетчером при застосуванні СППР та без застосування системи

Порівняльні

характеристики | Тип позаштатної ситуації | Пожежа | Відмова двигунів | Без системи | З системою | Без системи | З системою | Кількість ситуацій із 125 запропонованих, в яких авіадиспетчером була обрана альтернатива завершення польоту з мінімальним збитком, kGmin | 98 (78,4%) | 123 (98,4%) | 99 (79,2%) | 124 (99,2%) | Середній час, затрачений авіадиспетчером на прийняття рішення, , с | 15,04 | 10,02 | 13,03 | 8,00 |

Згідно з даними табл. 7 в результаті використання СППР кількість позаштатних ситуацій, в яких авіадиспетчером обирається оптимальна альтернатива завершення польоту з мінімальним рівнем потенційного збитку, збільшується на 20%, а час прийняття рішення зменшується на 5 с.

ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

-

-

-

9.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

АНОТАЦІЇ

Сікірда Ю.В. Моделювання системи підтримки прийняття рішень авіадиспетчера в позаштатних польотних ситуаціях. – Рукопис.

Дисертація на