МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «УЛЬЯНОВСКОЕ ВЫСШЕЕ АВИАЦИОННОЕ УЧИЛИЩЕ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ (ИНСТИТУТ)» ОПТИМИЗАЦИЯ ОРГАНИЗАЦИИ ВОЗДУШНОГО ДВИЖЕНИЯ И ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА Учебное пособие Рекомендовано редакционно-издательским советом института Ульяновск 2015 1 УДК 656.7.052 (075.8) ББК О580.2я7 О-62 Оптимизация организации воздушного движения и основы проектирования воздушного пространства : учеб. пособие / сост. В. А. Карнаухов. – Ульяновск : УВАУ ГА(И), 2015. – 72 с. Рассмотрены основы проектирования воздушного пространства при оптимизации процессов организации воздушного движения. К каждой теме приведены вопросы для самопроверки. Разработано в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом и рабочей программой учебной дисциплины «Проектирование воздушного пространства». Предназначено для курсантов и студентов заочной формы обучения специализации 25.05.05-02 – Организация использования воздушного пространства. УДК 656.7.052 (075.8) ББК О580.2я7 ФГБОУ ВПО «Ульяновское высшее авиационное училище гражданской авиации (институт)», 2015 2 ОГЛАВЛЕНИЕ Список сокращений..................................................................................................... 4 Введение ....................................................................................................................... 5 Тема 1. Совершенствование структуры воздушного пространства Российской Федерации ................................. 10 1.1. Методы имитационного моделирования и проектирование структуры воздушного пространства........................................................... 10 1.2. Обобщенный алгоритм проектирования ..................................................... 12 1.3. Моделирование и оптимизация процессов организации воздушного движения.................................................................................... 17 1.4. Имитационное моделирование системы организации воздушного движения ............................................................. 22 Контрольные вопросы........................................................................................... 28 Тема 2. Построение воздушного пространства, предусматривающее использование зональной навигации (PBN) .............................................. 29 2.1. Планирование воздушного пространства .................................................... 29 2.2. Согласование допущений в отношении CNS / ATM .................................. 35 2.3. Этап разработки .............................................................................................. 38 2.4. Этап апробации............................................................................................... 48 2.5. Этап внедрения ............................................................................................... 57 2.6. Элементы методики планирования воздушного пространства ................. 60 2.7. Анализ безопасности...................................................................................... 64 Контрольные вопросы........................................................................................... 68 Заключение................................................................................................................. 69 Рекомендуемая литература ....................................................................................... 70 Библиографический список ...................................................................................... 71 3 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ВП ИВП КИМ ММ ОВД ОрВД ОрВП ОСМД ВС ПВП ППП САПР СУБД воздушное пространство использование воздушного пространства комплекс имитационного моделирования математическая модель обслуживание воздушного движения организация воздушного движения организация воздушного пространства организация схем и маршрутов движения воздушных судов правила визуальных полетов правила полетов по приборам система автоматизированного проектирования система управления базой данных AIRAC ANSP CCO CDO CNS FMS FTS LPV регламентация и контролирование аэронавигационной информации поставщик аэронавигационного обслуживания производство полетов в режиме непрерывного набора высоты производство полетов в режиме постоянного снижения связь, навигация, наблюдение система управления полетом моделирование в ускоренном масштабе времени заходы на посадку по курсовому радиомаяку с вертикальным наведением навигация, основанная на характеристиках автономный контроль целостности в приемнике зональная навигация требуемые навигационные характеристики моделирование в реальном масштабе времени стандартный маршрут вылета по приборам стандартный маршрут прибытия по приборам целевой уровень безопасности полетов узловой диспетчерский пункт PBN RAIM RNAV RNP RTS SID STAR TLS TMA 4 ВВЕДЕНИЕ Организация воздушного пространства – установление оптимальной структуры воздушного пространства в целях обеспечения его эффективного использования. Организация воздушного пространства является частью процесса организации воздушного движения вместе с организацией (планированием) потоков воздушного движения и обслуживанием (управлением) воздушного движения. Цель организации воздушного пространства состоит в приспособлении возможностей системы ОрВД к потребностям пользователей воздушного пространства. Системный подход к организации воздушного пространства заключается в последовательном выполнении следующих связанных между собой процедур (операций): - определение целей совершенствования ОрВП и показателей эффективности; - формулировка учитываемых ограничений и условий безопасности движения при ОрВП; - анализ потребностей использования воздушного пространства и оценка ожидаемой интенсивности потоков воздушных судов в часы пик; - оценка (измерение) эффективности альтернативных вариантов ОрВП по выделенным показателям и проверка надежности выполнения заданных ограничений; - определение закономерностей взаимосвязи основных факторов при проектировании ОрВП; - разработка и выбор рациональных вариантов организации воздушного пространства с учетом ожидаемой интенсивности потоков воздушных судов; - проверка разрабатываемых вариантов ОрВП и принятие решений при подготовке к внедрению. Реализация системного подхода к организации воздушного пространства предполагает количественный анализ потребностей в использовании воздушного пространства, эффективности разрабатываемых вариантов ОрВП, а также учитываемых условий и ограничений, связанных с обеспечением безопасности полетов при УВД. Потребности в использовании воздушного пространства для 5 обеспечения полетов воздушных судов характеризуются потоками воздушного движения, формирующимися при планировании полетов авиакомпаниями и другими пользователями воздушного пространства. В качестве основных количественных характеристик потоков воздушных судов при определении потребностей в использовании воздушного пространства могут применяться: - количество обслуживаемых воздушных судов в месяц пик для каждого потока в рассматриваемой зоне (регионе) УВД с разбивкой по типам эксплуатируемых воздушных судов; - интенсивность потоков воздушных судов в часы пик; - распределение количества обслуживаемых воздушных судов по высотам (эшелонам) полета. В качестве основных показателей эффективности организации воздушного пространства при проектировании могут применяться: - показатель неортодромичности маршрутов движения для потоков воздушных судов в зоне УВД; - показатель общего расхода авиационного топлива всеми воздушными судами в зоне УВД в течение анализируемого периода времени (месяца пик); - показатель ожидаемого количества потенциальных конфликтных ситуаций в точках схождения и пересечения маршрутов в часы пик в зоне УВД с разбивкой по секторам УВД; - показатель риска столкновений воздушных судов (в единицах катастроф на летный час) в зоне УВД в целом и на отдельных элементах воздушного пространства (смежные эшелоны полета, параллельные маршруты, точки пересечения маршрутов и т. п.); - показатель загруженности секторов УВД по количеству воздушных судов одновременно на управлении в часы пик; - показатель общего количества секторов в анализируемой зоне УВД, при котором обслуживание (управление) воздушного движения возможно без нарушения установленных нормативов пропускной способности секторов УВД в часы пик. В качестве дополнительных показателей эффективности организации воздушного пространства при сравнении альтернативных вариантов ОрВП могут применяться: 6 - общее количество точек схождения и пересечения маршрутов движения воздушных судов; - количество точек, имеющих два или более сходящихся потоков с переменным профилем полета; - количество точек, имеющих три или более секторов УВД, при формировании интервалов движения; - количество и протяженность участков воздушных трасс двустороннего движения с переменным профилем полета; - количество участков воздушных трасс или траекторий движения воздушных судов, а также точек пересечения и схождения маршрутов, загруженность которых (ВС в часы пик) достигает порогового значения, близкого к их пропускной способности; - удельное количество точек пересечения и схождения маршрутов, в которых по оценкам экспертов сложность работы диспетчера в часы пик достигает уровня, когда при формировании интервалов расхождения ВС возникает угроза принятия решения о назначении не установленного маршрута или не установленной (промежуточной между эшелонами) высоты полета [6]. Объектами проектирования являются сеть маршрутов движения воздушных судов в регионе УВД (в общем случае вместе со схемами прилета и вылета в районах аэродромов и аэроузлов) и деление воздушного пространства на секторы УВД. Для приспособления сети маршрутов и деления воздушного пространства к потребностям использования воздушного пространства необходимы объективные данные о потоках воздушных судов, поступающих на проектируемую сеть маршрутов. В качестве характеристики объема каждого потока ВС может применяться оценка количества обслуживаемых воздушных судов в месяц пик. По возможности эту оценку необходимо осуществлять для прогнозируемых в месяц пик потоков на будущий год или даже на два-три года вперед. В этом случае при проектировании будет осуществляться приспособление разрабатываемой сети маршрутов к ожидаемым потокам воздушных судов в месяц пик. На основании таких оценок, с учетом тактико-технических данных эксплуатируемых воздушных судов каждого потока, выполняется формирование приоритетов проектирования, являющихся основой для определения последовательности интерактивных процедур поиска и выбора рациональных вариантов сети маршрутов при проектировании. 7 Для оценки характеристик воздушного движения в часы пик необходимы данные не только о составе типов и тактико-технических данных эксплуатируемых воздушных судов, но и о характеристиках распределения обслуживаемых воздушных судов по высотам (эшелонам) полета, по суткам месяца и по часам суток. В некоторых случаях воздушные суда основных потоков могут быть распределены на группы по скорости полета. На основании таких характеристик выполняется оценка интенсивности каждого потока ВС в часы пик, которая является основой для формирования показателей эффективности проектируемой сети маршрутов, а также проектируемого деления воздушного пространства на секторы УВД. Две задачи проектирования (сети маршрутов и деления воздушного пространства) связаны между собой, т. е. при выполнении каждой из них в общем случае необходимо учитывать принятые решения при выполнении другой. Однако на первых этапах проектирования сеть маршрутов может создаваться в первую очередь и независимо от деления воздушного пространства. При организации воздушного пространства можно в начале разрабатывать сеть маршрутов движения воздушных судов, максимально отвечающую ожидаемым потокам воздушных судов, а затем, с помощью сформированной сети решать задачу деления воздушного пространства на секторы УВД с целью рационального распределения загруженности между диспетчерами УВД с учетом нормативов пропускной способности. При этом в процессе поиска рациональных вариантов границ воздушного пространства между секторами УВД возможно понадобится внесение изменений в разработанную сеть маршрутов для достижения требуемых расстояний между точками схождения маршрутов и границами секторов УВД. В процессе проектирования сети маршрутов и деления воздушного пространства должны учитываться существующие ограничения. В частности: - наличие радиосвязи и радиолокационного контроля. Желательно избегать ситуаций, когда в каком-либо секторе на отдельном участке маршрутов отсутствует радиосвязь или радиолокационный контроль, в то время как соответствующий контроль достижим для диспетчера смежного сектора УВД или смежного центра УВД; 8 - тактико-технические данные эксплуатируемых воздушных судов. Разрабатываемые схемы и маршруты по рекомендуемым расстояниям и высотам должны быть выполнимы для любого из эксплуатируемых воздушных судов в любых (в том числе и самых худших) условиях эксплуатации; - географические, административно-политические и ведомственные ограничения. Там, где необходимо, должны учитываться высоты препятствий, точки пересечения государственных границ, запретные зоны; - допустимые удаления схем и маршрутов от границ районов и зон УВД. В зависимости от оснащенности маршрутов аэронавигационными средствами и точности воздушной навигации, должны быть определены и при проектировании соблюдены безопасные расстояния конкретных участков маршрутов или ППМ от границ районов и зон УВД; - пропускная способность элементов системы УВД. Для каждого участка, точки пересечения маршрутов, аэродрома и сектора УВД должны быть определены нормативы пропускной способности (допустимое количество воздушных судов в час), которые учитываются при проектировании ОрВП; - рубежи передачи УВД. При проектировании необходимо избегать ситуаций, когда рубежи передачи УВД находятся в точках схождения и пересечения маршрутов. Рубежи передачи УВД должны находиться на достаточном удалении точек пересечения и схождения маршрутов, так, чтобы у диспетчера при УВД была гарантирована возможность изменение высоты (эшелона) полета на участке между рубежом и точкой пересечения. В целом деятельность по организации воздушного пространства – это творческий процесс создания новой структуры воздушного пространства, включающей сеть маршрутов движения воздушных судов (воздушных трасс) в регионе УВД, схемы движения прилетающих и вылетающих воздушных судов в районах аэродромов, деление воздушного пространства на секторы УВД (зоны ответственности диспетчеров УВД), а проектирование организации воздушного пространства – это процесс создания проекта новой структуры воздушного пространства. Автоматизация этого процесса – применение компьютерных технологий при формировании баз данных структуры воздушного пространства, при отображении элементов структуры ВП и оценки эффективности самой структуры и отдельных ее элементов. 9 ТЕМА 1. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 1.1. Методы имитационного моделирования и проектирование структуры воздушного пространства Организация воздушного пространства – это установление его оптимальной структуры в целях эффективного использования. Наиболее эффективное использование воздушного пространства является целью системы ОрВД. Практика деятельности в области ИВП не содержит однозначного понимания оптимальности структуры воздушного пространства, поскольку оптимизация процессов ОрВД и ИВП осуществляется в соответствии с конкретной схемой решения научно-производственных задач при поиске каких-либо максимальных или минимальных показателей. Постоянное увеличение интенсивности воздушного движения во многих регионах мира исчерпало резервы по пропускной способности существующей системы организации воздушного движения. В условиях повышения общей интенсивности воздушного движения проблемным становится одновременное повышение безопасности полетов, экономической эффективности и регулярности полетов, поскольку возможности системы ОрВД ограничены. Трудности в повышении эффективности ИВП обусловлены различными факторами: модернизацией системы, внедрением принципиально новых технических средств, концепций и технологий. Это определяет необходимость совершенствования организации ВД, в том числе и трассовой структуры воздушного пространства, для чего и применяют различные методы проектирования ВП [3]. Проектирование воздушного пространства содержит выделение зон и секторов воздушного пространства, определение потребных трасс и маневров. Основой проектирования воздушного пространства является долгосрочная экстраполяция и оценка загрузки ВП, требования по безопасности полетов, а также различные запреты и ограничения, накладываемые на использование ВП. Известны несколько методов проектирования (фиксации проектного решения): графический, модельно-макетный, макетно-графический и метод с применением электронной и автоматизированной техники. Графический метод 10 основан на условном изображении пространства и предметов на плоскости по законам начертательной геометрии. Этот метод проектирования заключается в том, что весь аналитический процесс изучения задания на проектирование, креативный поиск идеи будущего пространства в соответствии с нормами регламента и детальная техническая разработка проекта сопровождаются графическим изложением мыслей, образов, сравнений, технических решений и деталей с помощью эскизов, чертежей, графиков, таблиц, схем, текстов и т. д. При этом для алгоритма проектирования характерны определенные графические приемы. В общем случае графический метод отвечает условиям проектирования всех частей пространства (района), не требует сложного оборудования, доступен каждому технически грамотному специалисту и может применяться в предельно широком диапазоне, допуская изображения любых величин – от отдельных элементов воздушного пространства до целых районов. В проектировании применяют и другие методы, но в них нельзя обойтись без графических изображений, графический метод проектирования считают основным. Основой модельно-макетного метода проектирования является компоновка объемов, объемных моделей и элементов системы непосредственно в пространстве, иначе – объемно-пространственное моделирование среды. Модельномакетный метод обладает рядом положительных особенностей и наиболее успешно применяется при проектировании технологической части со сложным оборудованием, коммуникациями, что позволяет в относительно короткие сроки, имея набор условных, унифицированных модельных элементов, моделей конструкций и оборудования, исследовать большое число возможных вариантов и отобрать наиболее оптимальный. Практическая ценность этого метода состоит в том, что основа научного эксперимента – моделирование – становится обязательной составной частью процесса проектирования, что особенно важно при решении научно-производственных задач в данной области. Суть макетно-графического метода заключается в рациональном сочетании графического метода с масштабным моделированием объектов. Техническое обеспечение метода с применением электронной и автоматизированной техники осуществляется с применением автоматизированных систем. Последовательность разработки проекта может быть аналогична существующей практике, но в отличие от других методов предполагает определенное 11 взаимодействие человека и машинной техники (по принципу «способности человека – возможности машины»). Применение автоматизации при проектировании значительно экономит время, а сам процесс проектирования состоит из специфических творческих операций, соответствующих процессу принятия решений, и специфических машинных операций, подлежащих программированию и являющихся подготовкой основ для принятия решений с последующей их фиксацией. 1.2. Обобщенный алгоритм проектирования На разных стадиях проектирования допускается типизация описаний стадий. Так, на каждой стадии формулируются определенные совокупности проектных задач, решение которых приводит к достижению поставленных при проектировании целей. При решении этих задач выделяются проектные операции – достаточно законченные последовательности действий, завершающиеся определенными промежуточными результатами. Алгоритмы проектных операций, приводящие к решению проектных задач, называют проектными процедурами. Под проектной процедурой понимают формализованную совокупность действий, в результате выполнения которой получают проектное решение [8]. Проектное решение – промежуточное или конечное описание объекта проектирования, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего направления или окончания проектирования. Проектные операции – это действия или формализованная совокупность действий, алгоритм которых остается неизменным для ряда проектных процедур. Каждая стадия проектных работ может быть описана в терминах проектных процедур и операций с учетом их логических связей. Весь процесс проектирования после этого становится логически увязанной системой стадий, процедур и операций. Эту систему называют обобщенным алгоритмом проектирования. Для каждой степени детализации описания объекта (для каждого уровня иерархической структуры проектируемого объекта) выполняется следующая последовательность проектных операций: 1) формализация целей проектной задачи; 2) анализ исходных данных; 12 3) выработка предварительных предложений о средствах достижения целей (декомпозиция объекта проектирования на составляющие части или синтез структуры); 4) моделирование выбранных классов или типов объектов проектирования; 5) выработка вариантов проектных решений на основе анализа моделей; 6) испытание и структурное согласование предварительных проектных решений; 7) принятие окончательных проектных решений; 8) документирование результатов проектирования как законченного фрагмента проекта. Для каждого уровня представления объекта проектирования на предыдущем уровне формулируется техническое задание, которое формализуется в виде соотношений для выходных параметров. Собственно проектирование начинается с синтеза структуры и разработки соответствующей математической модели. Некоторые внутренние параметры в такой модели могут изменяться проектировщиком. Такие параметры называются проектными и для них определяются начальные или базовые значения. Источниками для определения этих значений могут быть справочники, прототипы или они могут рассчитываться по формулам конструктора. Далее выполняется проектная процедура анализа – расчет выходных параметров по математической модели. Изменения параметров проектирования могут привести к многократному анализу. Если результаты анализа для области определения проектных параметров являются неудовлетворительными, вносятся изменения в структуру объекта, что потребует внесения изменений в математическую модель объекта. Возможен и такой вариант, когда все возможные изменения в структуре объекта не приводят к желаемому проектному решению, тогда необходимо вносить изменения в формулировку технического задания. Как правило, это происходит в таких случаях, когда неверно определяются ограничения для противоречивых выходных параметров. Стратегия принятия окончательного проектного решения для разных проектных процедур может быть различной, но особое место среди них занимает выработка и принятие оптимального решения [8]. Проектные решения называют оптимальными, если они обеспечивают наилучшие в каком-то смысле свойства объектов проектирования, т. е. проектные решения отыскиваются в этом случае из условия максимума или минимума 13 одного или нескольких компонентов векторного критерия. Проектная процедура оптимизации заключается в вычислении таких значений проектных параметров, при которых критерий функционирования объекта проектирования принимает экстремальное значение. Важно отметить, что необходимость формализации для автоматизации проектной процедуры с необходимостью приводят к созданию соответствующего проблемно-ориентированного языка со своей терминологией и символикой. Сложность алгоритма проектирования, с одной стороны, и наличие современных технических средств обработки информации – с другой, предопределяют целесообразность и возможность автоматизированного проектирования. Возможности автоматизации велики в таких трудоемких проектных операциях как хранение и выбор исходных данных, математическое описание объектов проектирования, реализация алгоритмов поиска проектных решений, коррекция исходных данных и принятых решений по результатам испытаний, документирование, в том числе графическое, промежуточных и итоговых результатов. Без проектировщика не обойтись при целеполагании, постановке проектных задач, определении концепций о средствах достижения целей, принятии окончательных решений на стыках проектных процедур и стадий. Однако на настоящем этапе наличие интеллектуальных систем может значительно облегчить проектировщику решение и этих задач. Развитые системы автоматизированного проектирования, обеспечивающие высокую степень автоматизации, должны представлять проектировщику возможности использования баз развивающихся знаний в той или иной области проектирования: - формализованных описаний объектов проектирования в виде их математических моделей; - эффективных алгоритмов оценки точности и прогноза состояния моделей; - реализации алгоритмов генерации вариантов и поиска оптимальных проектных решений; - информационного обеспечения процесса моделирования и принятия решений; - документирования этапов проектирования; - эффективного диалога проектировщика с системой на основе применения проблемно-ориентированных языков программирования и проектирования. 14 В такой среде проектировщик должен максимально типизировать и унифицировать проектные решения, разрабатывать экономичные языковые средства диалогового проектирования, определять рациональные объемы баз знаний и структуру информации в них, разрабатывать формы документирования, допускающие эффективную математическую реализацию. Таким образом, для получения максимального эффекта автоматизации проектирования САПР должен удовлетворять запросы проектировщика; проектировщик обязан в полной мере учитывать специфику и реальные возможности системы. Как и любая сложная система САПР состоит из подсистем. В САПР различают подсистемы проектирующие и обслуживающие [8]. Проектирующие подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры. Примерами таких подсистем могут служить подсистемы геометрического трехмерного моделирования механических объектов, изготовление конструкторской документации, схемотехнического анализа, трассировки соединений в печатных платах. Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих подсистем. Их совокупность называется системной средой или оболочкой САПР. Средства автоматизации проектирования структурируются по видам обеспечения: математическое обеспечение, программное обеспечение, техническое обеспечение, информационное обеспечение, организационное обеспечение, методическое обеспечение. Математическое обеспечение – это совокупность математических методов, математических моделей и алгоритмов проектирования, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования. Программное обеспечение – совокупность машинных программ, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования. Среди этой совокупности выделяются программы для организации функционирования технических средств, т. е. для планирования и управления вычислительным процессом, распределения вычислительных ресурсов между многими пользователями. Эта часть представляет общесистемное программное обеспечение. Общесистемное программное обеспечение создается для многих приложений и не отражает специфику САПР. Средства программной обработки данных представлены процессорами 15 и запоминающими устройствами, в которых реализуется программная обработка данных и программное управление с вычислениями. Средства подготовки, ввода, отображения и документирования данных служит для общения человека с ЭВМ. Средства проектирования решений представлены внешними запоминающими устройствами. Средства передачи данных используются для организации связей между территориально удаленными ЭВМ и терминалами (оконечными устройствами) [8]. Информационное описание объекта проектирования реализуется при автоматизации проектирования в информационном обеспечении САПР. Информация об объектах проектирования представляется в виде документов на машинных носителях, содержащих сведения справочного характера о материалах, комплектующих изделиях, типовых проектных решениях, параметрах элементов, сведения о состоянии текущих разработок в виде промежуточных и окончательных проектных решений, структур проектных объектов и т. п. Основная составная часть информационного обеспечения САПР – банк данных, состоящий из баз данных и систем управления базами данных. Базы данных – сами данные, находящиеся на машинных носителях информации, т. е. в запоминающих устройствах ЭВМ и структурированные в соответствии с принятыми правилами. Системы управления базами данных – совокупность программных средств, обеспечивающих функционирование банка данных. С помощью СУБД производится запись данных в банк, их выборка по запросам пользователей и прикладных программ, обеспечивается защита данных от искажений и от несанкционированного доступа и т. п. Лингвистическое обеспечение – совокупность языков проектирования, предназначенных для описания процессов автоматизированного проектирования и проектных решений. Это язык общения проектировщика с ЭВМ. В развитых САПР таких языков может быть несколько, причем каждый из них основывается на правилах формализации естественного языка и использует методы сжатия и развертывания текста. Методическое обеспечение составляют документы, регламентирующие состав, правила отбора и эксплуатации средств автоматизированного проектирования. Допускается и более широкая трактовка понятия методического обеспечения, при котором под ним понимается совокупность математического, 16 лингвистического обеспечения и названных документов, реализующих правила использования средств проектирования. Организационное обеспечение включает положения, инструкции, приказы, штатные расписания, квалификационные требования и другие документы, регламентирующие организационную структуру подразделений проектных организаций и взаимодействие подразделений с комплексом средств автоматизированного проектирования [8]. 1.3. Моделирование и оптимизация процессов организации воздушного движения Совершенствование ОрВД связано с изменением структуры ВП, прежде всего с организацией новых точек и участков воздушных трасс, прокладкой новых ВТ в целом. Организация схем и маршрутов движения воздушных судов заключается в поиске такого варианта, при котором соблюдаются все заданные условия безопасности полетов (ограничения) и при этом достигаются наилучшие значения показателей суммарного расхода авиатоплива всех ВС в рассматриваемой зоне в месяц пик, а также ожидаемого количества потенциальных конфликтных ситуаций [6]. Анализ организации схем и маршрутов движения воздушных судов осуществляется с целью определения факторов, снижающих эффективность процессов и корреспондирующих пунктов макета рассматриваемой зоны ответственности. Формирование перечня недостатков осуществляется с учетом мнений действующего диспетчерского персонала. Предварительная оценка ограничений и интересов других пользователей воздушного пространства осуществляется с целью определения границ в пространстве и времени возможных ограничений воздушного пространства, учитываемых при проектировании. Синтез варианта рациональной ОСМД ВС состоит в последовательном поиске и выборе рационального варианта для каждого потока в порядке приоритетов. Схемы и маршруты каждого следующего потока подчиняются предыдущим с возможностью внесения коррективов. Если проектирование в указанной последовательности выполнено для всех потоков, то для полученного варианта ОСМД ВС выполняется оценка эффективности по выделенным показателям. 17 Для всестороннего тестирования разрабатываемого варианта ОСМД ВС последовательно могут быть применены следующие процедуры: - производственная экспертиза разрабатываемых вариантов организации воздушного пространства; - имитационное моделирование движения воздушных судов; - полунатурное моделирование процессов УВД. По результатам тестирования принимается решение о необходимости разработки нового варианта рациональной ОСМД ВС с формированием дополнительного списка учитываемых факторов и условий, определенных при тестировании. Проведение процедур проектирования осуществляется до тех пор, пока не будут устранены все проблемы в обеспечении безопасности полетов. В качестве инструмента проектирования можно использовать комплекс имитационного моделирования системы организации воздушного движения. Комплекс необходим для исследования эффективности использования воздушного пространства и экстраполяции технических и организационных решений, принимаемых при внедрении перспективных концепций по ОрВД, а также влияния разрабатываемых альтернативных вариантов построения ключевых подсистем управления воздушным движением на его эффективность. КИМ ОрВД поддерживает в автоматическом или автоматизированном режиме выработку вариантов по тому или иному совершенствованию системы и обеспечивает анализ, в том числе сравнительный, эффективности каждого варианта. Имитационное математическое моделирование является единственным инструментом, с помощью которого можно решать такие задачи [3]. К числу важнейших проблем, решаемых в интересах обеспечения соответствия пропускной способности системы потребностям, относятся три задачи: совершенствование структуры ВП и структуры системы маршрутов; совершенствование структуры районов ОрВД (секторизация ВП района); совершенствование мер регулирования потоков ВД. Процедуры синтеза ВП и управления потоками ВД, реализованные в рамках функций организации воздушного пространства и организации потоков ВД, взаимосвязаны и в идеале должны решаться совместно. Однако это приводит к столь сложным алгоритмическим и организационным проблемам, что реализация операций по обеспечению соответствия состояния ВП и системы ОрВД 18 потребностям ВД на основе нисходящего принципа осуществляется только в крайних случаях, когда управление ВП не обеспечивает соответствие его пропускной способности потребностям в его использовании. В первую очередь проводится управление трассовой структурой. С учетом взаимовлияния управление трассовой структурой и секторной структурой районов может происходить итерационно, т. е. при повторном применении операций. Таким образом, в качестве мер обеспечения соответствия пропускной способности потребностям могут рассматриваться три группы мероприятий: 1) мероприятия по совершенствованию структуры воздушного пространства РФ, прежде всего его трассовой части; 2) мероприятия по совершенствованию структуры системы ОрВД, прежде всего районов ОрВД; 3) меры по регулированию потоков ВД (ремаршрутизация, назначение слотов вылета и их комбинация) [3]. Рассмотрим вопросы, связанные с первой группой мероприятий, при этом ограничимся решением одной частной проблемы – обеспечением соответствия пропускной способности ВП потребностям (интенсивности ВД) путем изменения трассовой структуры. Упрощенно техническая постановка задачи прокладки новых трасс может быть сформулирована следующим образом. В определенном регионе выявлена или прогнозируется проблема, связанная с превышением интенсивности воздушного движения над пропускной способностью. Это может быть связано с ограничениями пропускной способности диспетчеров отдельных секторов районов ОрВД либо с недопустимой интенсивностью воздушного движения на отдельных трассах этого региона, приводящей к нарушению норм эшелонирования. Возможности по переориентации потоков ВД на другие трассы исчерпаны и не обеспечивают решение задачи без существенного снижения эффективности ее выполнения. Необходимо проложить новые (дублирующие) трассы или части трасс, которые обеспечат как ликвидацию проблем с пропускной способностью, так и высокую эффективность выполнения полетов с точки зрения пользователя. При этом геометрия новой трассы или новых трасс должна соответствовать определенным принятым правилам для трассовой структуры [3]. 19 Схема выработки предлагаемых вариантов совершенствования структуры ВП следующая: 1. Определение ограничений, требующих прокладки новых воздушных трасс. При этом необходимо провести анализ существующих или прогнозируемых потоков ВД и выявить места (сектора управления районов и районы ОрВД в целом), где происходят или могут происходить превышения интенсивности ВД нормативов пропускной способности, а также установить те потоки ВД, которые рационально ремаршрутизировать для решения проблемы. Для проведения таких исследований в составе КИМ необходимы средства, реализующие возможность формирования и использования данных по любым возможным потокам ВД, а также средства анализа ИВП в точках и на участках ВТ, в секторах управления и соответствия интенсивности ВД в них существующим нормативам пропускной способности. 2. Исследование возможностей преодоления проблем с пропускной способностью в рамках существующей трассовой структуры (т. е. выявление необходимости ее изменения). Возможности существующей трассовой структуры считаются исчерпанными, если решение проблемы с пропускной способностью «узкого места» требует недопустимого снижения эффективности выполняемых пользователем полетов (например, недопустимого увеличения протяженности маршрутов или времени полета ввиду редкой сети трасс) или приводит к возникновению новых «узких мест». Для проведения таких исследований в составе КИМ, помимо указанных выше средств, должны быть средства, обеспечивающие исследовательскую ремаршрутизацию выбранных подпотоков ВД и анализа результатов, в том числе эффективности проведенной ремаршрутизации. 3. Если выявлена необходимость прокладки новых трасс, то следующим шагом является выработка вариантов изменения трассовой структуры («прокладка» новых точек и участков ВТ и включение их в состав вновь формируемых трасс). Для этого необходимы средства автоматизированной или автоматической прокладки трасс, обеспечивающие задание геометрических, временных и других параметров этих элементов ВП и организацию хранения этих данных. 4. Оценка эффективности и целесообразности того или иного варианта изменения трассовой структуры. Сюда входят действия по переориентированию части 20 потока ВД для эффективного использования ВП и последующая оценка эффективности этих мероприятий, а также оценка достигнутых вариантов ИВП. Следовательно, для выполнения этих действий необходимы средства, обеспечивающие моделирование процесса переориентации (ремаршрутизации) потока ВД, а также средства анализа ее эффективности и оценки достаточности этих мер. 5. Сравнительный анализ различных вариантов изменения трассовой структуры и выработка окончательных рекомендаций (предложений) по организации новых трасс. Для этого, помимо перечисленных выше, в состав КИМ должны быть включены автоматизированные средства обработки и формирования отчетов, иллюстративных материалов и других документов [3]. Для решения рассмотренной задачи необходим следующий состав средств проектирования: 1. Средства формирования или выбора из числа заранее подготовленных вариантов исследуемого потока ВД и анализа состояния ВП, загружаемого этим потоком. 2. Средства анализа состояния ВП РФ, соответствующего заданному потоку ВД, заданной структуре ВП и заданному состоянию системы. 3. Средства прокладки новых точек, участков и воздушных трасс в целом, предназначенные для автоматизированного введения новых элементов структуры ВП. 4. Средства расчета нормативов пропускной способности секторов ОрВД, соответствующих измененной трассовой структуре ВП района. 5. Средства ремаршрутизации потока ВД, рассматриваемые как ключевой инструмент для формирования измененных потоков ВД при изменении трассовой структуры ВП. 6. Вспомогательные средства, обеспечивающие исследователей удобным интерфейсом, справочными возможностями, возможностями документирования и архивирования. Все перечисленные средства, обеспечивающие непрерывный цикл моделирования с целью выработки рекомендаций об изменении структуры ВП, реализованы в КИМ ОрВД. Анализ показывает, что ключевой подсистемой КИМ при исследованиях в интересах обоснования мер по изменению структуры ВП является ремаршрутизация 21 потока ВД в его составе. Реализованные в составе КИМ ОрВД автоматизированные программные средства собственно ремаршрутизации (модель ремаршрутизации) обеспечивают поддержку следующих операций: - автоматизированный предварительный выбор потока ВС по проблеме и ремаршрутизации; - автоматическая выработка моделей по изменению планов всех ВС (ремаршрутизации), входящих в этот поток, так, чтобы каждый полет не нарушал заданные ограничения и изменения четырехмерных маршрутов были по возможности минимальны; - проведение сравнительного анализа эффективности и особенностей использования ВП до и после ремаршрутизации [3]. Основой этой модели является процедура построения оптимального трассового полета в заданных условиях и ограничениях по определенному критерию. Алгоритм вычислений основан на методе Дейкстры. Несмотря на некоторые ограничения, свойственные исходному методу поиска оптимального пути на ориентированном графе, этот алгоритм позволяет решить задачу в широком круге условий и с хорошими вычислительными характеристиками. Интерфейсные возможности модели ремаршрутизации обеспечивают эффективную работу исследователя на всех этапах ремаршрутизации. 1.4. Имитационное моделирование системы организации воздушного движения Оценка эффективности системы ОрВД в условиях изменения интенсивности воздушного движения, влияния особенностей организации ВП, ограничений и факторов, снижающих эффективность ОВД и ИВП необходима при решении задач оптимизации. Эти задачи требуют многократного моделирования различных потоков ВД в заданном ВП в различных условиях, что может быть реализовано с применением комплекса имитационного моделирования. Информация о формируемых потоках и ограничениях может основываться как на реальных данных, так и на их экстраполяции. Под исследовательским потоком воздушного движения понимается поток, по своим характеристикам отвечающий заданию исследователя. Он может быть 22 детерминированным либо стохастическим. Под детерминированным потоком условно понимается поток, характеристики (план) каждого полета в котором заданы непосредственно исследователем. Под случайным понимается поток воздушного движения, сформированный программно на основе выбранной исследователем стохастической модели с заданными количественными и качественными характеристиками ВД [4]. Автоматизированное формирование и оперативная модификация детерминированных и случайных исследовательских потоков включает следующие операции: - работа с базой данных входных потоков ВД; - формирование методических исследовательских потоков (модельный план); - оперативное изменение текущих потоков ВД (модификация плана); - формирование потоков для определенной области ВП; - автоматизированное формирование и оперативное редактирование случайных исследовательских выходных потоков, сформированных на базе репрезентативной выборки детерминированных суточных планов (случайный поток). Такие возможности обеспечивают гибкость подготовки исследовательского сценария: возможность быстрого формирования сценария путем автоматизации и использования базы данных по заранее подготовленным вариантам: автоматизация многовариантной подготовки данных по исследуемому потоку ВД; простая перестройка от одной исследовательской задачи к другой. Работа с базой данных входных потоков Для неоднократного моделирования задачи в близких условиях реализуется возможность хранения и повторного использования вариантов данных по потоку ВД. В базе данных хранятся как плановые и фактические потоки, так и ранее сформированные или модифицированные. Хранение данных систематизировано в виде многоуровневого списка данных как по детерминированным потокам, так и для пакета реализаций случайного потока. При работе с базой полетных данных предоставляются следующие возможности: выбор варианта суточного плана и его помещение в оперативные таблицы; сохранение сформированного потока; помещение и удаление вариантов из базы данных. 23 Синтез детерминированных потоков Формирование и модификация исследовательских потоков включает в себя следующие средства: модельный план; модификацию плана; выборку потока для заданной области ВП. Синтез модельного плана осуществляется на основе использования исходного суточного плана путем выбора из него отдельных рейсов, их модификации и включения в модельный план. Синтез требуемого потока состоит из следующих шагов: выбор из исходного и включение в модельный план любого полета; сдвиг по времени плана любого полета модельного плана: если требуется, то «размножение» полетов по одному маршруту и создание потока летящих друг за другом с заданным интервалом ВС [4]. Примером использования модельного плана в комплексе имитационного моделирования служит синтез потока для задачи обнаружения и разрешения конфликтных ситуаций. В частности, могут быть сформированы несколько отдельных потоков ВС, выполняющихся по пересекающимся трассам на одной высоте с заданным интервалом времени между каждой парой ВС. Применение алгоритмов обнаружения и разрешения конфликтов к таким потокам позволяет оценить характеристики и качество работы выбранных алгоритмов. Средство модификации плана обеспечивает оперативное редактирование потоков ВС: изменение вылета выбранного рейса, изменение маршрута выбранного рейса, удаление рейса из списка рейсов. Примером использования модификации плана служит синтез потока для задачи выработки мер регулирования, в частности, выработки точечных мер регулирования потока: задержка в вылете выбранного полета, изменение маршрута выбранного полета, удаление выбранного полета из оперативных данных. Синтез входного потока ВД для заданной области ВП осуществляется на базе заданного входного потока ВС, обеспечивает формирование входных данных по подпотоку для выбранного сектора УВД районного или зонального центров в заданное время или по заданному направлению. Примером использования входного потока ВД для заданной области ВП служит синтез потока для задач ремаршрутизации и секторизации для определенного ВП [4]. 24 Синтез случайных потоков воздушного движения Примером использования этой функции служит синтез случайных потоков для проведения экстраполяций. В частности, могут быть сформированы потоки воздушного движения с увеличенной интенсивностью ВД для оценки их влияния на пропускную способность ВП. Например, требуется: - формировать случайный входной поток ВС, по своим статистическим характеристикам соответствующий базовой выборке полетных данных либо отличающийся от нее по этим характеристикам в соответствии с заданием исследователя. В качестве такой выборки могут выступать реализации суточных полетных данных, соответствующих плану или факту и хранимых в базе полетных данных; - формировать случайный поток на основе пуассоновской модели, учитывать нестационарность входного потока ВС в течение суток; - реализовать возможность равномерного изменения на заданную величину интенсивности входного потока относительно базового; - реализовать возможность индивидуального задания и изменения интенсивностей входного потока на отдельных направлениях; - предусмотреть возможность изменения степени (частоты) использования тех или иных типов ВС относительно базовой; - учитывать случайный характер точки изменения эшелона на крейсерской фазе полета ВС путем «разыгрывания» положения точки смены эшелона в области точки смены эшелона в базовом полете; - при формировании стохастичного по времени входа ВС контролировать и при необходимости корректировать временные интервалы так, чтобы в точке входа на эшелоне входа не нарушались нормы продольного эшелонирования (нормы временного эшелонирования). При этом интенсивность входного потока в точке в целом должна оставаться равной заданной интенсивности. Для оценки влияния ВД на пропускную способность ВП имеются: - совокупность реализаций входных потоков ВС, являющихся источниками информации об интенсивности воздушного движения и позволяющих определить следующие характеристики: оценки интенсивности полного входного потока и интенсивностей потоков для каждой точки входа и для каждого часа суток; характеристики структуры воздушного движения в пределах исследуе25 мого региона ВП (с делением на типы ВС, направления, четырехмерные планы). Одна реализация входного потока задана в виде суточного потока (совокупность полетов на сутки), а ее характеристики являются в общем случае переменными во времени и пространстве. Входной поток является многомерным и нестационарным. Составляющие вектора параметров интенсивностей входного потока являются в общем случае нестационарными и коррелированными между собой; - параметры, задающие отличие характеристик формируемого входного потока ВС от исходного потока: основной коэффициент увеличения / уменьшения интенсивности входного потока; коэффициенты увеличения / уменьшения интенсивностей входного потока на заданных направлениях; коэффициенты изменения степени использования заданных типов ВС. Необходимо сформировать случайную реализацию входного потока ВС, отвечающую следующим условиям: - полный входной поток, а также поток ВС в каждой точке входа описывается законом Пуассона; - интенсивности случайного полного входного потока, а также потока в каждой точке входа должны соответствовать интенсивностям исходного потока с учетом заданных коэффициентов изменения; - для каждой точки входа должно сохраняться соотношение между количеством полетов в различные конечные точки (точки выхода), соответствующее исходному потоку; - для каждой линии (пары конечных точек маршрута) должно выполняться соотношение типов ВС, совершающих полеты по ней с учетом заданных коэффициентов изменения по заданным типам ВС; - для каждой пары «линия – тип ВС» должно сохраняться соотношение между используемыми в заданном потоке маршрутами, соответствующее исходному потоку; - для каждой тройки «линия – тип ВС – маршрут» должно сохраняться соотношение между вертикальными профилями полета, используемыми в заданном потоке; - для каждой точки входа на каждом эшелоне должны соблюдаться заданные как параметр нормы временного эшелонирования. При этом для суммарного входного потока в этой точке должна сохраняться пуассоновская модель и заданные интенсивности [4]. 26 Особенность алгоритма и необходимость довольно громоздких вычислений вызываются следующими причинами: необходимостью гибкого задания интенсивности по подпотокам; необходимостью гибкого задания интенсивности по типам ВС; необходимостью выполнения требований по строгому выполнению требований по характеристикам потока в точках в условиях первых двух причин. Пример синтеза случайного потока воздушного движения. Данный пример демонстрирует особенности и возможности имитационного моделирования по прогнозированию изменения интенсивности ВД в заданном регионе. В качестве такого региона может быть выбран сектор ОВД, который принадлежит какому-нибудь РЦ. Фактическая интенсивность ВД в секторах РЦ в целом приемлема с точки зрения обслуживания при существующей структуре ВП и ее соответствии нормативным пропускным способностям. Даже в наиболее загруженные сутки интенсивность ВД не превышает нормативы пропускных способностей. Если же такое случается, превышения предельно допустимой пропускной способности все равно не происходит. В день наиболее интенсивного воздушного движения в час пик интенсивность ВД достигает своего максимального значения в течение суток. Величина интенсивности равна, например, 32 ВС при нормативе пропускных способностей 30 ВС и при предельно допустимой пропускной способности 34 ВС. Например, ожидается незначительное среднее увеличение ИВД в ВП (на 5 %), за исключением определенного направления, где прогнозируется ее значительное увеличение (на 50 %). Возникает вопрос: останется ли допустимой загруженность диспетчера в этих условиях или необходимо готовиться к изменению характеристик планового потока ВД (распределением по времени, ремаршрутизацией части потока) или проведению пересекторизации? Для ответа на этот вопрос определим набор случайных реализаций исследовательских случайных потоков ВД. Характеристики интенсивности потока ВД при этом будут соответствовать принятой гипотезе, а структурные и качественные характеристики потока (маршруты полета, высотные профили, типы ВС) сохраняются [4]. С использованием этих данных в рамках модели «Автоматизированное формирование и оперативная модификация детерминированных и случайных исследовательских входных потоков ВС в ВП» формируется комплекс реализаций 27 прогнозируемого суточного потока ВД, загружающего район. В результате получается наиболее напряженная ситуация в одной из реализаций. Общее число полетов в течение суток через сектор увеличилось на 50 % и более. Это объясняется тем, что в час пик выполняется основная часть рейсов на направлении с максимальной интенсивностью ВД. В это время наблюдается превышение ИВД над предельно допустимой пропускной способностью. Это и определяет необходимость разработки предложений по мерам регулирования: перенесение потоков на более ранние либо более поздние часы (отличающиеся незначительной интенсивностью), ремаршрутизация потока в обход этого сектора или пересекторизация района. Реализованные при имитационном моделировании принципы и особенности синтеза детерминированных и случайных потоков ВД позволяют применять их для решения разносторонних задач, связанных с анализом различных проблем использования воздушного пространства, отработкой алгоритмов управления потоками, проблемами обнаружения потенциальных конфликтных ситуаций; использовать их при прогнозных исследованиях. Такие модели обеспечивают широкими возможностями по решению задач анализа и синтеза потоков ВД, позволяют расширить возможности имитационного моделирования процессов ОрВД как средства, ориентированного на широкий круг пользователей – специалистов в области систем планирования, управления потоками ВД и проектирования ВП [4]. Контрольные вопросы 1. Что такое проектирование ВП? 2. Какие основные показатели эффективности организации ВП могут применяться при проектировании? 3. Какие ограничения должны учитываться в процессе проектирования? 4. Какие методы проектирования Вам известны? 5. Какую систему называют обобщенным алгоритмом проектирования? 6. Какова последовательность проектных операций? 7. С какой целью осуществляется анализ организации ВД? 8. Какова упрощенная техническая постановка задачи прокладки новых трасс? 28 9. Что включает схема выработки предлагаемых вариантов совершенствования структуры ВП? 10. Какие средства необходимы для решения задачи проектирования? 11. Как объясняется синтез детерминированных потоков? Приведите пример синтеза случайного потока. ТЕМА 2. ПОСТРОЕНИЕ ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА, ПРЕДУСМАТРИВАЮЩЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗОНАЛЬНОЙ НАВИГАЦИИ (PBN) 2.1. Планирование воздушного пространства Изменение структуры воздушного пространства обосновано и определяется событием, которое связано обычно с появлением некоторого эксплуатационного требования или факторов и ограничений, снижающих эффективность ИВП. Такие события и факторы часто имеют отношение к одной или нескольким стратегическим целям, касающимся безопасности полетов, пропускной способности, эффективности полетов, охраны окружающей среды или обеспечения доступа. В то время как некоторые из этих стратегических целей могут явно требовать предлагаемого изменения воздушного пространства, другие цели могут оставаться на заднем плане в том отношении, что предлагаемое изменение не должно, как правило, оказывать на них отрицательного влияния. Такие цели зачастую противоречат друг другу и поэтому необходимо установить их приоритетность, обеспечивая во всех случаях первостепенное внимание поддержанию безопасности полетов. Успех в разработке концепции воздушного пространства обусловлен двумя следующими предварительными условиями: - комплексная подготовка – планирование должно учитывать все аспекты и позиции всех заинтересованных сторон; - итерация – разработка концепции воздушного пространства не является прямолинейным процессом, и положительный результат может быть достигнут только через повторение ряда рассмотрений и апробаций и проведения последующих доработок. 29 Эффективность может быть достигнута только в результате всеобъемлющего планирования, которое определяет масштаб работ и цели концепции воздушного пространства, основанные на эксплуатационных требованиях [5]. Изменения воздушного пространства вызываются потребностями эксплуатации, примерами которых могут служить: - введение новой ВПП или увеличение длины старой ВПП на некотором аэродроме (для повышения пропускной способности аэропорта); - необходимость снижения авиационного шума над конкретным районом (например, уменьшить зону воздействия шума над жилым районом); - необходимость обеспечить ожидаемое увеличение объемов воздушного движения; - обновление инфраструктуры для повышения безопасности и экономичности полетов, при влиянии каких-либо ограничений и факторов, снижающих эффективность ИВП. Эксплуатационные требования, вызывающие необходимость изменения структуры воздушного пространства, должны быть четко изложены в документе, конкретизирующем стратегические цели и четко определяющем последующие работы. Для удовлетворения потребностей эксплуатации необходимо разработать, апробировать и внедрить концепцию воздушного пространства. Эта концепция должна учитывать все соответствующие требования и не может быть разработана одним лицом, работающим изолированно. Концепции воздушного пространства с момента их замысла и до реализации являются результатом совместной деятельности коллектива – группы по разработке структуры воздушного пространства. Группу по разработке структуры воздушного пространства должен возглавлять специалист по ОрВД, обладающий также опытом управления проектами и знанием эксплуатационных особенностей рассматриваемого воздушного пространства. Этот специалист по ОрВД будет работать совместно с: - диспетчерами воздушного движения, которые хорошо знают специфику производства полетов в данном воздушном пространстве; - специалистами по системам CNS / АТМ, которые знакомы с существующими и планируемыми системами CNS / ATM; 30 - техническими пилотами от эксплуатантов, использующих данное воздушное пространство; - разработчиками структуры воздушного пространства и схем полетов по приборам; - другими пользователями воздушного пространства (военная авиация, авиация общего назначения); - руководством аэропортовых и экологических органов; - необходимыми экспертами в других областях, например экономистами или специалистами по обработке и хранению данных. Одна из основных задач группы по разработке структуры воздушного пространства заключается в определении и согласовании целей проекта. Эти цели должны вытекать из стратегических целей, которые обусловили данный проект. Например, если проект обусловлен стратегической целью, связанной с охраной окружающей среды, цели проекта по реструктуризации воздушного пространства могут быть связаны со снижением шума (например, уменьшением зоны воздействия шума над близлежащим городом). Другим примером может являться предписание некоторого полномочного органа внедрить определенные изменения. Важно четко описать цели проекта (определить элементы схемы решения научно-исследовательских и производственных задач), чтобы обеспечить выполнение требований, с которыми связано данное изменение. Определение масштаба проекта может оказаться более трудной задачей. Верной тактикой является сведение масштаба проекта к необходимому минимуму для достижения согласованных целей. Риску увеличения масштабов подвержены все проекты, и неуправляемое расширение масштабов может увеличить сроки и стоимость работ до такой степени, что проект потеряет свою целесообразность. Чрезвычайно важно определить, что необходимо сделать для достижения целей проекта, а также согласовать и соблюдать конкретный порядок работ для реализации этих целей [5]. Масштаб проекта во многом зависит от отведенного времени и располагаемых людских и финансовых ресурсов для осуществления проекта. Существуют две возможности: либо группа определяет дату внедрения, исходя из завершения всех необходимых работ, либо дата внедрения устанавливается заранее и группа корректирует масштабы работ или ресурсы с учетом располагаемого 31 времени. Ресурсы, время и масштаб представляют собой три стороны «треугольника» планирования проекта. Масштаб проекта пересматривается и может изменяться на всех этапах разработки концепции воздушного пространства. Однако расширение масштаба проекта на более поздних этапах может приводить к удлинению сроков выполнения проекта и / или увеличению необходимых ресурсов, что может снизить шансы на успех проекта. Потребности в расширении масштаба могут учитываться путем разбивки проекта на этапы. Важно обеспечить, чтобы основные изменения структуры воздушного пространства, маршрутов и схем полетов, которые предусматриваются проектом, осуществлялись управляемым образом на региональной основе. Постепенная в течение ряда лет реструктуризация воздушного пространства и маршрутов с учетом использования PBN более вероятно приведет к успешному результату, чем реализация всеобъемлющего разового проекта. С другой стороны, изменение структуры маршрутов зачастую требует внесения изменений в структуру прилегающих районов аэродромов в течение одного цикла регламентации и контролирования аэронавигационной информации (AIRAC), если необходимо обеспечить связанность процедур. Координация и планирование действий с поставщиками данных имеет важное значение для исключения чрезмерной нагрузки на специалистов, отвечающих за обновление бортовых баз навигационных данных [5]. Примерный план проекта с указанием сроков работ следующий. Задачи планирования: 1) согласование эксплуатационных требований – 10 дней; 2) формирование группы по разработке структуры ВП – 5 дней; 3) согласование целей, масштаба и сроков работ – 15 дней; 4) анализ исходного сценария – 15 дней; 5) выбор критериев БП, политики обеспечения безопасности полетов и критериев характеристик – 10 дней; 6) согласование допущений в отношении CNS / ATM, инструментов реализации и ограничений – 12 дней. Задачи разработки: 1) построение маршрутов и схем ожидания в пределах ВП – 14 дней; 2) начальная разработка схем – 20 дней; 32 3) построение зон и секторов ВП – 20 дней; 4) подтверждение навигационной сертификации ICAO – 5 дней. Задачи апробации: 1) апробация концепции ВП – 20 дней; 2) завершение разработки схем – 22 дня; 3) апробация схем – 20 дней. Задачи внедрения: 1) интеграция системы УВД – 30 дней; 2) разработка информационного и учебного материала – 30 дней; 3) внедрение – 1 день; 4) проведение анализа после внедрения – 30 дней. Всего необходимых дней – 279. Анализ исходного сценария Прежде чем приступать к разработке новой концепции воздушного пространства, важно получить представление о текущей ситуации в воздушном пространстве. Исходный сценарий представляет собой описание практики производства полетов в воздушном пространстве, где планируется введение PBN. Цель его рассмотрения заключается в установлении основы разработки новой концепции воздушного пространства. Исходный сценарий включает все маршруты ОВД, стандартные схемы вылета по приборам / стандартные схемы прибытия по приборам (SID / STAR), зоны воздушного пространства (например, узловой диспетчерский район (TMA)), секторы УВД, данные о воздушном движении, а также соглашения о координации действий центров управления и соответствующих подразделений. Описание и анализ исходного сценария являются критическими элементами процесса разработки. Анализируя исходный сценарий в привязке к показателям характеристик воздушного движения, предусмотренных проектом, можно получить представление об эффективности существующей структуры воздушного пространства. С достаточной степенью достоверности можно также определить, что работает хорошо в воздушном пространстве и, следовательно, должно быть сохранено, и что нарушает работу и должно быть улучшено. Наконец, и это является наиболее важным, определение характеристик исходного сценария позволяет сформировать базу отсчета, относительно которой 33 может осуществляться сравнение новой концепции воздушного пространства. Используя такую базу отсчета, можно определить, работает ли предложенная концепция воздушного пространства лучше или хуже, чем исходный сценарий, и выполняются ли критерии безопасности полетов и эксплуатационных характеристик. Анализ исходного сценария может привести к необходимости изменения целей или масштаба проекта [5]. Выбор критериев безопасности полетов, политики обеспечения безопасности полетов и критериев характеристик Детальный анализ исходного сценария обеспечивает непосредственный вклад в новую концепцию воздушного пространства. Цели и масштаб проекта могут определяться при согласовании целей, масштаба и сроков работ (и / или уточняться при анализе исходного сценария), однако в любом случае необходимо понимать, каким образом оценивать успех проекта. Например, можно считать, что проект будет успешным, когда реализуются его стратегические цели. То есть если стратегические цели заключаются в удвоении пропускной способности ВПП и это подтверждается результатами моделирования в реальном масштабе времени (RTS), то проект отвечает данному критерию характеристик. Любая концепция воздушного пространства должна обеспечивать выполнение критериев безопасности полетов, предусмотренных политикой в области безопасности полетов, которая должна быть известна на момент начала проекта. Критерии безопасности полетов могут выражаться качественными или количественными показателями, при этом часто используется сочетание тех и других. Политика в области безопасности полетов обычно формируется на национальном или региональном уровне и, следовательно, носит внешний по отношению к проекту характер. Если требуется определить политику в области безопасности полетов на уровне проекта, важно на начальных стадиях проекта утвердить ее на самом высоком (по возможности) национальном уровне. Политика в области безопасности полетов дает ответы на следующие типы вопросов: - какая должна использоваться система управления безопасностью полетов; - какая должна использоваться методология оценки безопасности полетов; - какие требуются доказательные материалы для демонстрации безопасности концепции воздушного пространства. 34 2.2. Согласование допущений в отношении CNS / ATM Концепция воздушного пространства разрабатывается на основе определенных допущений в отношении CNS / ATM. Эти допущения должны учитывать условия, которые, как ожидается, будут иметь место на тот момент, когда планируется ввести в эксплуатацию новую концепцию воздушного пространства. Допущения в отношении CNS / ATM включают, например, следующее: - навигационные возможности воздушных судов, которые будут выполнять полеты в данном воздушном пространстве; - основные используемые ВПП в пределах конкретного узлового диспетчерского района; - процентная доля полетов, предусматривающих использование LPV; - основные потоки воздушного движения (в дальнейшем потоки воздушного движения могут отличаться от нынешних); - системы наблюдения и связи ОВД, которые будут обеспечиваться в дальнейшем; - специфические допущения в отношении системы УВД, например, максимальное количество секторов, которые будут предоставлены для использования [5]. Допущения в отношении воздушного движения будут зависеть от предполагаемых возможностей воздушных судов и в этой связи потребуется составить представление о вероятных смешанных условиях воздушного движения и его распределении. К таким условиям относятся состав типов воздушных судов (например, тяжелые и средние реактивные самолеты / турбовинтовые самолеты / вертолеты / однодвигательные учебные воздушные суда), летно-технические характеристики воздушных судов (минимальные скорости, градиенты набора высоты и пр.), состав воздушных судов по их эксплуатационному назначению (пассажирские, грузовые, учебные и пр.). В частности, потребуется проанализировать предполагаемые навигационные возможности парка воздушных судов и ответить на следующие вопросы: - сколько воздушных судов имеют систему RNAV; - какие используются основные системы определения местоположения (глобальная навигационная спутниковая система (GNSS), всенаправленный 35 ОВЧ-радиомаяк (VOR), дальномерное оборудование (DME / DME)) систем RNAV; - установлена ли на борту дополнительная инерциальная навигационная система / инерциальная опорная система; - в соответствии с какими стандартами сертифицированы системы RNAV; - какие полеты разрешено выполнять воздушным судам и авиакомпаниям; - какая процентная доля парка воздушных судов не может использовать предлагаемые возможности PBN. Важно определить имеющиеся эксплуатационные утверждения существующего оборудования RNAV, фактические возможности и характеристики установленных и модернизируемых систем, которые планируется внедрить до введения новой концепции воздушного пространства. Для любого эксплуатанта получение утверждения конкретной возможности RNAV и поддержание способности пилота использовать эту возможность сопряжено со значительными расходами. В этой связи эксплуатанты, особенно региональные, будут стремиться получить минимально необходимое утверждение соответствия своих возможностей существующим навигационным требованиям в воздушном пространстве. Если новая концепция воздушного пространства предусматривает функциональную возможность, которая присутствует в программном обеспечении системы RNAV, однако не отражена в существующем сертификате, эксплуатанту потребуется предусмотреть дополнительные расходы на получение утверждения этой новой функциональной возможности и проведение соответствующей подготовки пилотов. Однако такие расходы (и конечные сроки внедрения) будут существенно меньше расходов в том случае, когда на воздушном судне потребуется установить новое оборудование или программное обеспечение. Необходимо хорошо знать возможности парка воздушных судов и иметь реальное представление о вероятном улучшении таких возможностей, которое произойдет до даты введения новой концепции. Необоснованно завышенные оценки возможностей парка воздушных судов неизбежно приводят к значительным задержкам и аннулированию проектов. По этим причинам важно контактировать с эксплуатантами воздушных судов и регламентирующими органами с целью получения реальной оценки будущих возможностей парка 36 воздушных судов и проводить реалистичный анализ затрат / выгод в течение всего цикла осуществления проекта. Цели проекта вместе с допущениями о воздушном движении и предполагаемыми возможностями парка воздушных судов используются для выбора навигационной спецификации ICAO, которая может использоваться на последующих этапах разработки концепции. Такие спецификации используются в качестве основы последующей разработки структуры воздушного пространства и соответствующих схем полетов. Этапы определения навигационной спецификации, разработки структуры воздушного пространства и схем полетов являются итеративными по своему характеру и могут предусматривать последовательное внесение ряда изменений, прежде чем выбранная навигационная спецификация будет окончательно подтверждена [5]. Выбор примера сценария воздушного движения для новой концепции воздушного пространства является таким же важным, как и знание самого парка воздушных судов, поскольку маршруты (маршруты ОВД, схемы SID / STAR или схемы полетов по приборам (IAP)) необходимо разместить таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная эффективность полетов, максимальная пропускная способность и минимальное влияние на окружающую среду. Кроме того, схемы SID и STAR захода на посадку являются связующим звеном между основными крейсерскими маршрутами ОВД и порогами действующих ВПП (в этой связи важно знать основные и вспомогательные используемые ВПП). Пример сценария воздушного движения для новой концепции воздушного пространства обычно представляет собой пример будущего сценария воздушного движения, применительно к которому приняты определенные допущения в отношении смешанного состава парка воздушных судов, расписания полетов и эволюции потребностей, касающихся объемов и характера воздушного движения. От принятых допущений в отношении сценария воздушного движения зависит успех или провал концепции воздушного пространства. Для прогнозирования параметров воздушного движения могут использоваться различные модели, и, хотя данные диспетчеров УВД о параметрах текущего воздушного движения могут оказать в этом значительную помощь, пример сценария воздушного движения необходимо тщательно анализировать с учетом прогнозов всех затрагиваемых 37 заинтересованных сторон. Такой пример сценария воздушного движения будет определять ряд характеристик, например сезонные, недельные или ежедневные колебания спроса, изменения времени пиковой интенсивности воздушного движения, а также соотношение потоков прибытия и вылета, при этом все эти характеристики необходимо учитывать в концепции воздушного пространства [5]. 2.3. Этап разработки После согласования допущений в отношении CNS / АТМ начинается построение воздушного пространства. Построение структуры маршрутного воздушного пространства и воздушного пространства районов аэродрома представляет собой итерационный процесс, который во многом основывается на качественной оценке и эксплуатационном заключении диспетчеров, пилотов, разработчиков структуры воздушного пространства и схем полетов, входящих в состав группы разработки. Важно обеспечить стыковку маршрутного воздушного пространства и воздушного пространства района аэродрома – маршруты должны быть полностью согласованы со схемами полетов в районе аэродрома. Разработчик схем полетов должен участвовать в разработке концепции на начальном этапе, проводимой под руководством диспетчеров воздушного движения, оказывая помощь в такой разработке и предоставляя консультации по предлагаемому расположению маршрутов с учетом обеспечения безопасных расстояний при пролете препятствий / эшелонирования в воздушном пространстве и характеристик воздушных судов. Присутствие технических пилотов в составе группы имеет также важное значение на начальном этапе разработки концепции, поскольку они предоставляют фактическую информацию о характеристиках воздушных судов (например, касающуюся набора высоты / снижения и выполнения разворотов), которая является более полезной в сравнении с параметрами характеристик воздушных судов, полученными в результате вычислений с использованием теоретических моделей. Вначале группа планирует размещение схем SID / STAR и маршрутов ОВД. Данная работа представляет собой итеративный аналитический процесс, который начинается на концептуальном уровне и трансформируется в детальное и 38 строгое построение структуры воздушного пространства. Эта работа может осуществляться с помощью карандаша и бумаги, особенно на стадии разработки концепции, и с использованием программных средств на этапе детального построения структуры. Расположение маршрутов обычно определяется потребностями воздушного движения, используемыми ВПП, стратегическими целями и ограничениями, накладываемыми препятствиями и закрытыми районами воздушного пространства. Оно может также зависеть от зоны действия наземных навигационных средств, если их использование является необходимым. Требуемое разделение маршрутов и имеющаяся инфраструктура CNS помогают убедиться в том, будут ли возможности парка воздушных судов и предварительно выбранная спецификация RNAV или RNP ICAO обеспечивать использование предлагаемой структуры маршрутов. Роль разработчика схем полетов при описании и расположении маршрутов в воздушном пространстве района аэродрома имеет исключительно важное значение. Именно этот специалист предоставляет группе консультации в отношении того, соответствуют ли планируемые маршруты допущениям в отношении навигационной спецификации и могут ли они быть построены в соответствии с критериями PANS-OPS. После построения маршрутов и обеспечения надлежащих запасов при пролете препятствий определяется общий объем воздушного пространства для защиты всех траекторий полетов по ППП (TMA) [5]. В тех регионах, где все воздушное пространство выше некоторого эшелона обозначено как контролируемое воздушное пространство, определение объемов воздушного пространства выше такого эшелона может иметь незначительное применение. Также осуществляется разбиение объема воздушного пространства по секторам для целей ОрВД. Построение маршрутов и схем ожидания Наиболее оптимальное расположение маршрутов возможно, если обеспечивается необходимая зона действия наземных или космических навигационных средств. Это означает, что маршруты можно расположить таким образом, который обеспечивает возможность: 39 - оптимизировать пропускную способность за счет исключения конфликтных ситуаций между потоками воздушного движения в боковой и вертикальной плоскостях; - повысить эффективность полетов за счет сокращения длины маршрутов; - использовать вертикальные окна для обеспечения полетов в режиме постоянного снижения или постоянного набора высоты, что позволяет реализовать более эффективные по расходу топлива профили полетов и уменьшить воздействие на окружающую среду (шум, выбросы парниковых газов и пр.); - обходить чувствительные к шуму районы; - исключить двустороннее движение по одному маршруту путем использования параллельных маршрутов; - обеспечить выбор различных маршрутов между двумя аэропортами; - улучшить доступность аэропортов; - повысить безопасность полетов. Особенно важным является то, что PBN позволяет эффективно увязать сети полетов по маршрутам и полетов в районе аэродрома, обеспечивая тем самым цельную систему маршрутов. Все эти преимущества не препятствуют использованию наилучших методов построения маршрутов, разработанных за последние десятилетия. Сети маршрутов ОВД охватывают большинство континентов мира и обеспечивают основные потоки воздушного движения между различными районами. Сеть маршрутов ОВД должна планироваться на континентальном, региональном или местном уровне. Это позволяет реализовать более эффективную сеть маршрутов и исключить потенциальные конфликтные ситуации между потоками воздушного движения. Разделение маршрутов, которое играет важную роль в определении пропускной способности воздушного пространства, во многом зависит от инфраструктуры CNS / ATM, обеспечивающей производство полетов. Например, там, где в районах европейского воздушного пространства с высокой плотностью воздушного движения введена спецификация RNAV 5, разделение маршрутов в 10–15 м. миль может использоваться только в том случае, если обеспечивается надлежащее радиолокационное наблюдение и инфраструктура ОрВД позволяет диспетчеру контролировать линии пути. На разделение маршрутов влияют также географические характеристики соответствующего воздушного 40 пространства, основные потоки воздушного движения и объем смешанного по своим характеристикам воздушного движения [5]. Некоторые критерии разделения маршрутов могут определять только расстояние между параллельными прямолинейными участками и не учитывают переменные характеристики разворота разных воздушных судов на различных высотах. Многие воздушные суда ограничивают угол крена на эшелонах выше ЭП190, и в результате выполнение разворотов может начинаться за 20 м. миль до точки пути «флай-бай». Для обеспечения разделения линий пути при выполнении разворотов необходимо либо потребовать, чтобы все воздушные суда были способны выполнять развороты с постоянным радиусом, либо значительно увеличить разделение маршрутов в точках разворота. В качестве альтернативного варианта можно увеличивать разделяющие интервалы между параллельными криволинейными траекториями на участках разворотов [5]. Континентальные потоки воздушного движения связаны со многими аэропортами, и для того, чтобы исключить смешение потоков пролетающих воздушных судов с потоками набирающих высоту или снижающихся воздушных судов, разработчики должны стремиться отделить маршруты ОВД от проходящих в районах аэродромов маршрутов в направлении к аэропортам и из аэропортов. В то время как эксплуатанты и экологи стремятся разместить каждый маршрут в районе аэродрома, исходя из соображений оптимальной эффективности полетов, минимального воздействия на окружающую среду и безопасного пролета препятствий, перед органами УВД стоит задача обеспечить управление воздушным движением по всем маршрутам в комплексе. С точки зрения органа УВД структура воздушного пространства должна учитывать взаимодействие потоков прибывающих и вылетающих воздушных судов. Эти различные цели не являются взаимоисключающими. Вполне возможно построить маршруты в районе аэродрома и обеспечить выполнение большинства явно противоречащих целей. Необходимо осторожно подходить к выбору точек пересечения маршрутов вылета и прибытия, чтобы исключить возможные помехи движению прибывающих или вылетающих воздушных судов. Важно при этом иметь хорошее представление о характеристиках парка воздушных судов. В настоящее время существует три методики или модели ОрВД, которые используются при построении структуры загруженного воздушного пространства районов аэродрома. Первая предусматривает несколько зон ожидания, 41 которые используются для постоянной запитки системы схем прибытия / захода на посадку прибывающими воздушными судами из организованной в зоне ожидания очереди таких воздушных судов. Вторая модель является более гибкой в том отношении, что для исключения режима ожидания в районе аэродрома предусматриваются более длинные маршруты прибытия к посадочной ВПП. Третья модель обеспечивает заблаговременное планирование очередности путем использования ручного или автоматизированного управления прибытием для согласования времени вылета и / или полета по маршруту и поддержания сбалансированного потока воздушных судов в установленных пунктах прибытия в районе аэродрома. Ранние линейные участки на протяженных маршрутах с использованием PBN или инструменты ОрВД для управления прибытием позволяют пилоту лучше планировать профиль снижения и получить преимущества вследствие исключения ожидания на малых высотах в районе аэродрома. Схемы STAR с использованием PBN могут быть построены как схемы прибытия с разомкнутыми или замкнутыми траекториями. Разомкнутые STAR обеспечивают наведение по линии пути до некоторой точки захода на посадку, от которой тактическое управление (наведение) воздушным судном осуществляется диспетчером УВД до захвата линии пути конечного участка захода на посадку. Замкнутые STAR предусматривают непрерывное наведение до линии пути конечного участка захода на посадку, автоматический переход к выполнению конечного этапа захода на посадку, при этом, поскольку воздушное судно всегда находится на определенной траектории, обеспечивают прекрасную предсказуемость местоположения для пилота и диспетчера. В случае замкнутых STAR, система RNAV всегда имеет данные о расстоянии до точки касания, что позволяет осуществлять автоматическое управление вертикальным профилем, обеспечивая максимальную эффективность полета. Замкнутые STAR могут быть также построены (и опубликованы) таким образом, который упрощает осуществляемое диспетчером УВД тактическое наведение за счет обеспечения дополнительных точек пути, позволяющих растягивать или сокращать траекторию полета [5]. Любое тактическое изменение траектории будет влиять на вертикальный профиль, если оно осуществляется после выхода воздушного судна в верхнюю 42 точку снижения. Разомкнутая STAR требует использования соответствующих команд для тактического наведения с целью вывода воздушного судна на линию пути конечного участка захода на посадку. Система RNAV может управлять снижением до конечной точки STAR перед тем, как произойдет вмешательство диспетчера УВД, однако не может гарантировать профиль CDO, поскольку система управления полетом (FMS) не знает вероятную длину пути, который будет пройден на участке тактического наведения. Пилоту также будет трудно осуществлять предварительное планирование при использовании разомкнутой STAR, хотя гибкость УВД при этом увеличивается. В том случае, когда в аэропорту используется несколько маршрутов прибытия, установление очередности может представлять проблему для органа УВД. В пределах некоторого воздушного пространства состав воздушных судов, использующих обычную навигацию и PBN, может варьироваться. При выборе разомкнутой или замкнутой STAR необходимо учитывать условия эксплуатации, процедуры УВД и имеющиеся средства установления очередности. С целью эффективного регулирования движения различных типов воздушных судов по нескольким маршрутам прибытия с режимом CDO разрабатываются соответствующие методы ОрВД, в основе которых лежит следующее: 1. Точка слияния – метод использования разомкнутых траекторий STAR, обеспечивающий высокую гибкость управления и контроля со стороны органа УВД за счет наличия боковых дуг ожидания на горизонтальных участках. 2. Построенные точки принятия решения – метод, использующий замкнутую траекторию STAR для выдерживания эффективной траектории снижения и позволяющий органу УВД достаточно заблаговременно устанавливать очередность движения воздушных судов. Это достигается за счет того, что при использовании замкнутой траектории STAR точное расстояние до ВПП всегда известно. Затем на различных траекториях STAR строятся точки пути, располагаемые на одинаковом удалении от аэропорта. Диспетчер использует эти равноудаленные точки пути для проверки интервалов эшелонирования и заранее предпринимает действия для их корректировки, если это необходимо. 3. Заданный интервал – разрабатываемый метод, использующий динамический анализ риска для совершенствования методов эшелонирования и повышения пропускной способности. 43 Выдерживание заданного интервала требует высокой степени автоматизации управления и предоставления пилоту и диспетчеру ответной информации с целью поддержания установленного уровня безопасности полетов по каждой выбранной траектории. 4. Требуемое время прибытия – разрабатываемый метод предварительного назначения конкретного времени прибытия воздушного судна в соответствующие точки пути. Установление таких значений времени позволяет пилоту заранее планировать использование эффективных скоростей, при этом также обеспечивается сбалансированный поток прибывающих в аэропорт воздушных судов, что исключает необходимость ожидания при прибытии и позволяет использовать режим CDO при полете по замкнутой траектории [5]. Начальная разработка схем Начальная разработка схем осуществляется одновременно с построением структуры воздушного пространства и включает четыре этапа: 1) анализ структуры воздушного пространства с целью подтверждения навигационных характеристик, необходимых для реализации планируемой структуры; 2) анализ возможностей парка воздушных судов с целью определения их соответствия навигационным характеристикам, предусматриваемым планируемой структурой; 3) анализ инфраструктуры навигационных средств с целью определения достаточности зоны действия навигационных средств для обслуживания планируемой структуры – если предусматривается использование наземных навигационных средств, необходимо убедиться в наличии необходимых средств и достаточности их зоны действия, прежде чем приниматься за разработку планируемой структуры; 4) анализ предлагаемых маршрутов и схем ожидания с целью определения возможности их практического использования, учитывая при этом требуемые навигационные характеристики, располагаемую зону действия навигационных средств, соответствующие критерии разделения маршрутов и ограничения, связанные с препятствиями. 44 Если возможности парка воздушных судов или навигационная инфраструктура не отвечают предъявляемым требованиям, может потребоваться принять компромиссное решение, которое может означать изменение концепции воздушного пространства. Если использование маршрутов окажется невозможным, структуру воздушного пространства потребуется пересмотреть. Выбор навигационных характеристик может быть сделан в начале процесса разработки, исходя из решений, принятых в рамках согласования допущений в отношении CNS / ATM. По мере детализации структуры, разработчик схем, входящий в состав группы по разработке структуры воздушного пространства, должен уточнять необходимость определенных функциональных возможностей и их наличие [5]. Зоны и секторы воздушного пространства Построение маршрутов ОВД, маршрутов в районе аэродрома, зон воздушного пространства и секторов УВД представляет собой итеративный процесс. Зоны воздушного пространства и секторы УВД устанавливаются после завершения построения маршрутов ОВД и маршрутов в районе аэродрома. Зоны воздушного пространства предназначаются для защиты траекторий полетов по ППП в вертикальной и боковой плоскостях, и может потребоваться изменить маршруты, чтобы обеспечить их прохождение в пределах зоны воздушного пространства. Затем воздушное пространство разбивается на секторы для целей ОрВД, и это также может потребовать изменения расположения маршрутов. Не требуется, чтобы зоны или секторы соответствовали национальным границам. Возможно, и даже желательно с точки зрения повышения эффективности и пропускной способности строить зоны или секторы воздушного пространства, пересекающие границы. В таких случаях потребуется рассмотреть вопрос о делегировании ОВД. Декомпозиция воздушного пространства по секторам может осуществляться по функциональному или географическому принципу: - в случае географического принципа зона воздушного пространства разбивается на трехмерные блоки, и диспетчер отвечает за воздушное движение в пределах такого блока (сектора); - при использовании функционального принципа структура воздушного пространства формируется с учетом этапа полета воздушного судна. Например, 45 в воздушном пространстве района аэродрома один диспетчер может отвечать за прибывающие воздушные суда, а другой – за вылетающие воздушные суда, находящиеся в одном трехмерном блоке воздушного пространства. Декомпозиция по секторам маршрутного воздушного пространства, как правило, может осуществляться по географическому принципу, а в воздушном пространстве района аэродрома может использоваться один или оба принципа. Во многих случаях при разбиении по секторам используется некоторое сочетание функционального и географического принципов [5]. Подтверждение навигационной спецификации ICAO, определенной в рамках согласования допущений в отношении CNS / ATM Подтверждение навигационной спецификации из руководства по PBN, которая соответствует по своим навигационным характеристикам / функциональным возможностям требованиям концепции воздушного пространства, может быть трудно обеспечить, и в этой связи следует подчеркнуть важность детального анализа парка воздушных судов, проводимого в рамках согласования допущений в отношении CNS / ATM. Поскольку редко является экономически целесообразным потребовать переоснастить значительную часть парка воздушных судов системами или датчиками RNAV для обеспечения конкретной функциональной возможности, критически важно проводить работы на этапе разработки, исходя из реальных возможностей воздушных судов. Введение в Европе спецификации RNAV 5 служит полезным примером «понижения» ожиданий, обусловленного возможностями оборудования парка воздушных судов. В 1990-х годах первоначально планировалось внедрить спецификацию RNAV 1, однако пришлось перейти на менее точную RNAV 5, когда за три года до даты введения стало очевидным, что ожидаемая естественная замена более старого оборудования на системы, совместимые с RNAV 1, осуществляется гораздо медленнее, чем планировалось, и переоборудование является слишком дорогостоящим [5]. Если наличие соответствующих возможностей вводится в обязательном порядке, то тогда все воздушные суда, выполняющие полеты в данном воздушном пространстве, будут способны использовать новые маршруты / процедуры. Однако необходимо показать, что преимущества такого приказного введения перевешивают затраты на его осуществление. 46 Можно выбрать вариант смешанных условий навигации, предусматривающий введение одной или нескольких навигационных спецификаций PBN и использование некоторыми воздушными судами обычной навигации. Смешанные условия навигации обычно имеют место в одном из следующих трех сценариев: - некоторый прикладной процесс PBN внедрен, однако не является обязательным, и сохраняется использование обычной навигации; - смешанные обязательные возможности используются в пределах некоторого объема воздушного пространства – обычно на маршрутах или при выполнении процедурных полетов в океанических / отдаленных районах воздушного пространства, где в пределах одного района воздушного пространства требуется использовать RNAV при выполнении полетов по одним маршрутам или на одних абсолютных высотах, а при выполнении полетов по другим маршрутам или на других абсолютных высотах требуется применение RNP; - в пределах воздушного пространства обеспечиваются смешанные возможности RNAV или RNP, однако от эксплуатантов не требуется обязательно их использовать. В данном случае использование обычной навигации может быть разрешено воздушным судам, которые не утверждены в соответствии с какой-либо навигационной спецификацией. Смешанные условия навигации могут оказывать негативное влияние на рабочую нагрузку диспетчеров УВД, особенно в районах маршрутного воздушного пространства или аэродромов с интенсивным воздушным движением. Приемлемость смешанных условий навигации также зависит от сложности структуры маршрутов ОВД или в районах аэродромов, особенностей построения схем, наличия и функциональных возможностей вспомогательных средств УВД. Повышенная рабочая нагрузка на диспетчеров УВД может потребовать ограничить характер смешанных полетов максимум двумя видами навигации, из которых один соответствует основному уровню возможностей. В некоторых случаях орган УВД сможет обслуживать полеты только при таких смешанных условиях навигации, когда значительная доля воздушных судов (70–90 %) утверждена в соответствии с требуемой навигационной спецификацией. В этой связи важно надлежащим образом оценить производство полетов в смешанных условиях навигации с целью определения практической целесообразности такого производства полетов [5]. 47 2.4. Этап апробации После построения структуры воздушного пространства концепция воздушного пространства потребует проведения комплексных работ по ее апробации и проверке. Апробация осуществляется на следующих этапах: - концепция воздушного пространства обычно апробируется в ходе разработки структуры и затем снова после завершения структуры воздушного пространства; - новые маршруты апробируются после завершения процесса разработки. Апробация концепции воздушного пространства Основные задачи апробации концепции воздушного пространства предусматривают следующее: - оценку возможности достижения целей проекта в результате построения структуры и реализации концепции воздушного пространства в целом, а также практической целесообразности проекта; - подтверждение обоснованности структуры воздушного пространства с точки зрения ОрВД; - определение потенциальных слабых звеньев концепции и разработку соответствующих профилактических мер; - получение доказательства безопасности структуры, т. е. подтверждение оценки безопасности полетов. Методы апробации могут приводить к количественным или качественным результатам. Оба вида таких результатов являются необходимыми, и работы по апробации двумя методами проводятся одновременно, поскольку в каждом случае требуется информация, получаемая другим методом. Важно рассматривать такие результаты как единое целое, даже если они получены существенно разными методами. Эти методы предусматривают использование инструментов, которыми обычно являются устройства моделирования на основе компьютеров. В целом, количественная оценка относится к численным методам апробации и основывается на количественном представлении данных. Качественная оценка основывается не на данных, а в большей степени на объективном анализе, логических выводах, доказательствах и обосновании. Однако данные количественной оценки также не могут быть приняты без проведения анализа, таким 48 образом, окончательный результат зависит от эффективного использования инструментов качественной оценки [5]. Для апробации концепции воздушного пространства используется несколько методов: - моделирование воздушного пространства; - моделирование в ускоренном масштабе времени (FTS); - моделирование в реальном масштабе времени (RTS); - реальные испытания УВД; - моделирование полетов; - аналитические инструменты оценки данных; - статистический анализ; - моделирование риска столкновения; - моделирование шума. Эти методы различаются по стоимости, реалистичности, сложности, требуемому времени и количеству используемых примеров сценариев воздушного движения и тестовых случаев. Чем сложнее метод моделирования, тем выше расходы, больше время предварительной подготовки / моделирования и ближе к реальным получаемые результаты. Однако обычно по причинам, связанным с расходами / временем, количество примеров сценариев воздушного движения / тестовых случаев, как правило, сокращается по мере повышения сложности используемого метода моделирования. Большинство инструментов апробации на основе компьютеров предполагает завышенные навигационные характеристики воздушных судов, однако это обычно не влияет на основную цель апробации, которая заключается в проверке пригодности ОрВД и безопасности предлагаемой концепции воздушного пространства. В тех случаях, когда желательно провести специальное исследование влияния отказных режимов навигации, сценарии моделирования будут требовать дополнительного предварительного программирования. Следует отметить, что критерии разделения маршрутов уже учитывают отказные режимы навигации, и большинство концепций воздушного пространства не будет требовать проведения специального моделирования отказов навигации. Количество и характер используемых методов апробации и их продолжительность непосредственно связаны со сложностью концепции воздушного пространства и сценария воздушного движения. Чем больше количество 49 изменений и сильнее их влияние на безопасность полетов и практику эксплуатации, тем выше предъявляемые требования к точности и детальности исследования в целях подтверждения эксплуатационных преимуществ и выполнения критериев безопасности полетов [5]. Группа по разработке структуры должна предусмотреть в плане проекта достаточное время для проведения надлежащего уровня оценки (моделирование, FTS и RTS, реальные испытания). Планирование должно быть максимально гибким, поскольку результаты одного метода апробации могут значительно повлиять на следующий этап апробации или вызвать приостановку процесса апробации и возврат к этапу разработки. На этапе планирования проекта следует тщательно составить программу апробации и заранее зарезервировать время для проведения FTS и RTS. Выполнение многих проектов затягивалось вследствие отсутствия возможности использовать тренажеры в критические моменты. Если в процессе апробации выявляются проблемы, требующие возврата к этапу разработки проекта, этому не следует противиться. По многим причинам, среди которых не последней является стоимость, лучше раньше, чем позже, вернуться к разработке проекта. Моделирование воздушного пространства Моделирование воздушного пространства основано на применении компьютеров и является одним из нескольких методов апробации структуры воздушного пространства. Оно используется на этапе разработки структуры воздушного пространства, поскольку дает группе по разработке структуры воздушного пространства визуальное представление в трех измерениях расположения и профилей маршрутов, зон и секторов воздушного пространства [5]. В качестве инструментов моделирования воздушного пространства могут использоваться простые небольшие устройства моделирования в ускоренном масштабе времени. Основная цель заключается в формировании грубого представления маршрутов и секторов воздушного пространства, а также их взаимосвязи с выбранным примером сценария воздушного движения. Устройство моделирования формирует упрощенные четырехмерные траектории (местоположение и время) согласно планам полетов, описанным в примере сценария воздушного движения, при конкретной организации воздушного пространства (с учетом применяемых правил). Эти траектории используются вместе с блоками 50 воздушного пространства для расчета серий статистических данных, характеризующих загруженность секторов, загруженность участков маршрутов и конфликтные ситуации. Более совершенные инструменты моделирования воздушного пространства могут выдавать более точные данные, касающиеся рабочей нагрузки и пропускной способности секторов. Группа по разработке структуры воздушного пространства может использовать FTS до проведения RTS в качестве единственного инструмента апробации. FTS является менее затратным по сравнению с RTS с точки зрения необходимых людских ресурсов и зачастую является предпочтительным методом улучшения предлагаемой структуры, определения узких мест в концепции структуры и подготовки к RTS или осуществления непосредственного внедрения. FTS часто используется для апробации предлагаемой концепции воздушного пространства и может также применяться для демонстрации реализации целей в области безопасности полетов [5]. Организацию воздушного пространства и пример сценария воздушного движения потребуется представить в кодовой форме условий моделирования, используя язык и синтаксис программного обеспечения. Входные данные включают маршруты, пример сценария воздушного движения по каждому маршруту, зоны и секторы воздушного пространства, а также различные правила, касающиеся воздушных судов и ОрВД. Моделирующее устройство FTS генерирует четырехмерные траектории (местоположение и время) полета каждого воздушного судна, основанные на информации планов полета и применяемых правилах. Система проверяет каждую траекторию на предмет того, имеют ли место некоторые конкретные события, такие как конфликтные ситуации, изменения эшелонов, изменения маршрутов, вход в сектор или выход из сектора. При обнаружении такого события система учитывает его в показаниях счетчика событий и инициирует действия, обусловленные этим событием. Например, если система обнаруживает, что воздушное судно пересекло границу некоторого сектора, она увеличивает на единицу количество воздушных судов в данном секторе и инициирует действия, выполняемые диспетчерами (такие как передача управления, передача связи, опознавание). При проведении моделирования действия диспетчера представляются как некоторая задача. 51 Такие задачи характеризуют основные действия диспетчера УВД, которые инициируются конкретными событиями и выполняются в течение установленного времени. Это время соответствует времени, которое требуется в реальных условиях диспетчеру для выполнения данной конкретной задачи. Устройство моделирования складывает значения параметра выполнения задачи применительно к рассматриваемому тестовому случаю, и получаемый результат дает представление о рабочей нагрузке диспетчера. Обычно считается, что рабочая нагрузка диспетчера не является чрезмерной, если значение этого параметра не превышает 70 % общего времени тестового случая. Точность измерения рабочей нагрузки улучшается при повышении детализации и формализации действий диспетчера УВД. RTS используется на более поздних стадиях апробации предлагаемой структуры воздушного пространства и может также применяться для демонстрации реализации целей в области обеспечения безопасности полетов и эксплуатационных целей. RTS часто выступает в качестве окончательной проверки и подготовки к внедрению. Это обусловлено главным образом тем, что данный метод обеспечивает реальную обратную связь с работающими диспетчерами воздушного движения и высокую степень реализма моделирования условий. RTS также позволяет диспетчерам воздушного движения ознакомиться с предлагаемыми изменениями [5]. RTS предусматривает воспроизведение, насколько это практически возможно, реальной рабочей обстановки диспетчеров воздушного движения. Моделирующий стенд RTS включает следующие основные элементы: - устройство моделирования; - действующие рабочие места диспетчеров; - псевдопилотов и загрузочные механизмы; - систему регистрации данных. Устройство моделирования обрабатывает планы полетов, действия псевдопилотов и диспетчеров и выдает соответствующие данные на все действующие рабочие места диспетчеров по аналогии с тем, как это осуществляется эксплуатационными системами, использующими процессоры радиолокационных данных (RDP) и процессоры полетных данных (FDP). 52 Реальные испытания УВД Реальные испытания УВД, вероятно, являются наименее используемым методом апробации. В целом это связано с тем, что они воспринимаются как опасные, хотя, по-видимому, обеспечивают самую высокую степень реализма. Реальные испытания нацелены на оценку конкретного элемента изменения воздушного пространства, например, использование новой SID или STAR, новой структуры секторов в условиях примера очень ограниченного сценария воздушного движения. Моделирование полетов Комплексные пилотажные тренажеры известны своей чрезвычайно высокой степенью реализма и точностью воспроизведения всех эксплуатационных характеристик конкретного типа воздушного судна. Они позволяют точно моделировать нормальные и нештатные ситуации, включая все внешние условия, характерные для фактического полета. Использование таких тренажеров получило распространение вследствие прогресса в развитии технологий и значительной экономии расходов при проведении подготовки на пилотажных тренажерах в сравнении с реальными полетами. Современные коммерческие пилотажные тренажеры являются настолько совершенными, что пилоты, овладевшие пилотированием одного типа воздушного судна, могут быть полностью обучены на тренажере пилотированию нового типа воздушного судна, даже не выполняя полеты на этом воздушном судне [5]. Помимо подготовки пилотов, моделирование полетов играет неоценимую роль в других авиационных областях, таких как научные исследования, расследование авиационных происшествий, проектирование и разработка воздушных судов, анализ практики эксплуатации и прочие виды деятельности, в том числе космические полеты. Научные исследования включают изучение новых концепций, новых систем, летных качеств и аспектов человеческого фактора. Большинство изготовителей воздушных судов используют исследования на тренажерах в качестве неотъемлемого компонента проектирования, разработки и допуска к эксплуатации воздушных судов. Крупные авиационные проекты были бы в настоящее время невозможны без моделирования полетов как по соображениям стоимости, так и обеспечения безопасности полетов. 53 Имеется несколько областей, где пилотажный тренажер может содействовать успешному осуществлению проекта, касающегося воздушного пространства района аэродрома. Проблемы экологии и сильные лоббистские группы в настоящее время оказывают все большее влияние на прохождение маршрутов в районах аэродромов (и их соответствующие высоты). Может оказаться чрезвычайно трудным, используя только математические модели и / или FTS, убедить эти группы в полном учете беспокоящих их экологических вопросов, в то время как реализм пилотажного тренажера может значительно помочь в обосновании аргументации. Используя тренажеры типичных воздушных судов, можно облетать различные варианты воздушного пространства и зарегистрировать данные о конфигурации воздушного судна (которая влияет на шум), израсходованном топливе, пролетаемых расстояниях и используемых высотах. В зависимости от потребностей проекта и с учетом качества собранных данных, полученные результаты могут использоваться программными средствами анализа авиационного шума и эмиссии. Пилотажный тренажер обеспечивает наиболее реальную оценку, не считая фактические летные испытания, которые трудно совместить с текущими полетами. Степень достоверности дополнительно повышается, если для полетов на пилотажном тренажере привлекаются линейные пилоты. Авиакомпании будут заинтересованы участвовать в оценке новых процедур на тренажерах и подтверждении преимуществ, связанных с уменьшением полетного времени и расхода топлива [5]. Моделирование шума Воздействие воздушного транспорта на окружающую среду становится все более серьезной проблемой. Изменение прохождения любого маршрута или введение любой новой схемы в районе аэродрома требует во многих странах проведения оценки влияния нововведений на окружающую среду и авиационный шум и зачастую является наибольшей политической проблемой для местных органов. Модели шума реализуются на новейших устройствах моделирования в ускоренном масштабе времени, которые способны рассчитывать контуры шума 54 над заданным районом. Эти функциональные возможности моделирования шума добавляются к типичным возможностям (таким как расчет траекторий полетов) стандартных устройств моделирования в ускоренном масштабе времени. Чтобы для каждого моделируемого воздушного судна сформировать контуры шума в дополнение к траекториям полета, устройство моделирования шума определяет (в соответствии с моделью воздушного судна) расчетные значения скоростей и мощности / тяги двигателей. Основываясь на этих данных и учитывая рельеф местности и другие внешние условия (время суток, метеорологические условия и пр.), устройство моделирования рассчитывает распределение и уровни шума над заданными контрольными точками. Точность получаемых результатов во многом зависит от совершенства моделей воздушных судов, используемых в тренажерах, и моделей, используемых для расчета распределения шума. Траектории воздушных судов можно непосредственно получить по записанным радиолокационным данным в реальных полетах, однако задаваемые уровни тяги и конфигурации воздушного судна необходимо моделировать [5]. Моделирование индивидуального воздушного судна является трудной задачей даже при использовании новейших вычислительных средств. В этой связи параметры движения относят к типам воздушных судов, и воздушные суда, которые являются значимыми с точки зрения шума (вследствие их количества или уровней шума), индивидуально представляются типами воздушных судов, например Boeing 747-400. Некоторые типы объединяются в группы с другими типами воздушных судов, имеющих аналогичные характеристики шума. Для каждого типа по результатам анализа радиолокационных данных рассчитываются средние профили относительной высоты и значения скорости в зависимости от проходимого пути, которые разбиваются на соответствующие линейные участки. На основе радиолокационных данных или номинальных линий пути рассчитываются средние наземные линии пути для каждого маршрута. Точная оценка воздействия шума требует учета при моделировании реального бокового разброса траекторий полета, который имеет место на практике. Это осуществляется путем формирования дополнительных линий пути, которые соответствуют ряду стандартных отклонений в любую сторону от номинальной линии пути. Эти стандартные отклонения и соответствующее распределение воздушного 55 движения по каждому маршруту определяются по результатам анализа радиолокационных данных. Результаты моделирования шума могут использоваться для построения схем полетов, которые обеспечивают минимальное воздействие шума. Например, для снижения или распределения шума может быть разработано несколько схем, каждая из которых учитывает характеристики конкретных воздушных судов. Завершение разработки схем Процесс разработки схем завершается только после апробации концепции воздушного пространства. Это связано с тем, что начинать данный процесс, не имея представления о жизнеспособности предлагаемой концепции, было бы слишком рискованным мероприятием. Процесс разработки завершается тогда, когда полностью подготовлена проектная документация, составлены описания и проекты схем и независимо проверена каждая схема с целью подтверждения соблюдения всех расчетных критериев. Апробация проекта схем Разработка схемы полетов по приборам или маршрута ОВД на основе использования RNAV или RNP включает ряд последовательных этапов от получения исходных аэронавигационных данных и данных о препятствиях путем проведения соответствующей съемки до окончательного опубликования схем и их последующего кодирования для использования в бортовой базе навигационных данных. На каждом этапе этого процесса должен обеспечиваться контроль качества разработки схем с целью подтверждения и поддержания необходимых уровней точности и целостности. Первоначальные проверки пригодности к полетам должны предусматривать использование схемы типов воздушных судов в различных метеорологических условиях (ветер, температура и пр.). В некоторых случаях могут потребоваться более специализированные программные средства или пилотажные тренажеры [5]. Могут предусматриваться проверки пригодности к полетам с использованием конкретного воздушного судна, однако такие проверки могут показать только то, что данное воздушное судно может правильно выполнять полет по схеме в конкретных метеорологических условиях. Размеры и скорости воздушных 56 судов, которые используются для таких полетов, редко являются репрезентативными с точки зрения характеристик воздушных судов категории D с полной нагрузкой. Имеющиеся программные средства, в которых используются цифровые данные о местности, позволяют подтвердить теоретическую зону действия навигационных средств. Летная инспекция зоны действия навигационных средств применяется только для оценки определения местоположения по DME / DME. Для проведения летной инспекции требуется специально оборудованное воздушное судно и она занимает чрезвычайно много времени. Во многих случаях можно убедиться в адекватности зоны действия, используя программные аналитические средства и имеющиеся отчеты о результатах летной инспекции отдельных навигационных средств. 2.5. Этап внедрения Обычно по результатам различных процессов апробации становится очевидным, является ли предлагаемая концепция воздушного пространства практически целесообразной и приемлемой для внедрения. Однако окончательное решение о целесообразности внедрения должно приниматься в определенный момент цикла осуществления проекта. Решение о переходе к внедрению будет основываться на определенных факторах, к которым относятся следующие: - проект маршрутов ОВД / схем полетов отвечает потребностям воздушного движения и производства полетов; - выполнены требования к обеспечению безопасности полетов и навигационных характеристик; - завершены изменения процессов обработки планов полетов, автоматизации, публикации AIP, необходимые для обеспечения внедрения; - выполнены требования, касающиеся подготовки пилотов и диспетчеров. Интеграция системы организации воздушного движения Новая концепция воздушного пространства может потребовать изменения интерфейсов и дисплеев системы УВД, чтобы предоставить диспетчерам необходимую информацию о возможностях воздушных судов и обеспечить ее 57 надлежащее отображение при использовании новых маршрутов. Необходимость таких изменений будет определяться группой по разработке структуры воздушного пространства. Эти изменения системы могут включать модификацию: - процессора полетных данных о движении воздушных судов; - процессора радиолокационных данных о движении воздушных судов; - дисплея воздушной обстановки диспетчера УВД; - вспомогательных средств УВД. Может потребоваться изменить методы использования NOTAM поставщиком аэронавигационного обслуживания, например, для обеспечения прогнозов RAIM или уведомления о невозможности использования конкретных схем в случае выхода из строя некоторого наземного средства. Потребуется также пересмотреть процедуры УВД. Методы управления воздушным движением с использованием PBN могут значительно отличаться от существующих методов, и это означает, что потребуется разработать новые процедуры, апробировать их и документально оформить. Если внедрение PBN предусматривает обеспечение УВД в смешанных условиях воздушного движения (с использованием и без использования PBN), это может оказать значительное влияние на рабочую нагрузку диспетчеров УВД и потребовать серьезного изменения существующей системы и процедур УВД. В частности, система ОрВД должна распознавать использующие и не использующие PBN воздушные суда, чтобы предоставлять каждому воздушному судну надлежащее обслуживание и эшелонирование [5]. Группа по осуществлению проекта должна планировать процесс внедрения не только в части, касающейся местного воздушного пространства и ANSP, но также в сотрудничестве с любыми заинтересованными сторонами, к которым могут относиться ANSP в соседнем государстве. Внедрение Успешное внедрение может быть результатом только комплексного планирования внедрения в рамках общего планирования осуществления проекта, а также тщательного анализа всех критических факторов на этапе планирования. Кроме того, для успешного внедрения необходимы всестороннее обоснование и тщательный учет любых допущений. Это относится ко всем этапам процессов разработки, апробации и внедрения концепции воздушного пространства. 58 Каждый ANSP должен следовать некоторому стандартному процессу планирования внедрения. Решение о начале внедрения должно приниматься в определенный момент цикла осуществления проекта и должно основываться на факторах (критериях внедрения), которые могут предусматривать ответы на следующие вопросы: - выполнены ли критерии обеспечения безопасности полетов и характеристик; - осуществлены ли необходимые изменения системы ОрВД; - осуществлены ли необходимые изменения наземных навигационных систем; - остаются ли по-прежнему в силе допущения и условия, на основе которых разработана концепция воздушного пространства; - соответствуют ли потоки воздушного движения прогнозам; - оснащены ли воздушные суда надлежащим оборудованием и утверждены ли они для производства полетов; - имеются ли в наличии критически важные инструменты реализации; - прошли ли пилоты и диспетчеры надлежащую подготовку; - имеет ли данный бизнес-проект положительный эффект. Следует отметить, что на дату принятия решения «внедрять / не внедрять» могут повлиять неожиданные события, которые непосредственно не связаны с концепцией воздушного пространства. Принятое решение «не внедрять» должно соблюдаться. Это может вызвать большое разочарование, однако важно не пытаться искать обходные пути. Следует решительно противостоять предложениям осуществлять внедрение любой ценой [5]. Последующие шаги после принятия решения «не внедрять» зависят от причины такого решения. В экстремальных случаях может потребоваться аннулировать проект и вернуться на начальный этап планирования. В других случаях может оказаться целесообразным пересмотреть допущения, ограничения и инструменты реализации, разработать новую программу апробации или провести новую оценку безопасности полетов. В случае принятия решения «внедрять», государство должно установить конкретную дату введения, учитывая при этом процессы подготовки данных и 59 цикл AIRAC. Для обеспечения бесперебойного внедрения группа по разработке структуры воздушного пространства должна поддерживать тесное взаимодействие с эксплуатационным персоналом. Если позволяют ресурсы, члены группы должны работать вместе с соответствующими операторами полный рабочий день в течение по крайней мере двух дней до и одной недели после даты введения. Это позволяет группе по разработке структуры воздушного пространства: - контролировать процесс внедрения; - оказывать поддержку начальнику центра управления / руководителю полетами, если возникнет необходимость использовать резервные или нештатные процедуры; - оказывать поддержку и предоставлять консультации диспетчерам и пилотам; - фиксировать проблемы, возникшие при внедрении, для их учета при планировании будущих проектов. Проведение анализа после внедрения После внедрения изменений воздушного пространства необходимо осуществлять контроль за работой системы и обеспечить сбор эксплуатационных данных с целью подтверждения поддержания уровня безопасности полетов и реализации стратегических целей. Если после внедрения возникают непредвиденные события, группа по осуществлению проекта должна как можно скорее внедрить соответствующие профилактические меры. В исключительных обстоятельствах это может потребовать прекращения полетов с использованием RNAV или RNP на период решения конкретных проблем. После внедрения необходимо провести оценку безопасности полетов и получить доказательства безопасного использования системы воздушного пространства. 2.6. Элементы методики планирования воздушного пространства Основная цель создания структуры системы воздушного пространства заключается в обеспечении безопасных полетов воздушных судов на заданных этапах полета. К ним относятся навигация по выбранной траектории полета, 60 пролет препятствий и применение стандартов эшелонирования, обеспечивающих необходимую пропускную способность и безопасность системы. Тремя из основных взаимозависимых параметров, влияющих на достижение такого заданного уровня безопасности системы воздушного пространства при данной плотности воздушного движения, являются: 1) навигационные характеристики воздушных судов; 2) характеристики наземного и бортового компонентов связи; 3) характеристики наблюдения. Обеспечиваемые этими характеристиками возможности учитываются при определении структуры воздушного пространства (минимумы эшелонирования / разделение маршрутов / разделение воздушного пространства на секторы), правил полета по приборам и возможностей вмешательства органов управления воздушным движением. Увеличение или уменьшение любого отдельного параметра может привести к соответствующему увеличению или уменьшению некоторых или всех остальных параметров. Ожидается, что по мере расширения возможностей воздушных судов и системы будет соответственно повышаться безопасность системы. Методика определения минимумов эшелонирования на маршруте допускает компромисс между аспектами системы, относящимися к эшелонированию, навигации и вмешательству, с целью достижения согласованного TLS [5]. В последние годы работа в области минимумов эшелонирования воздушных судов в основном базируется на математико-статистическом анализе. Такая работа чрезвычайно полезна при оценке вероятной безопасности предлагаемых минимумов эшелонирования и призвана обеспечить принятие решений на основе информации, полученной посредством экспертной оценки с эксплуатационной точки зрения. Методика определения минимумов эшелонирования основана на специальных математических моделях, определяющих соотношение между такими элементами, как риск столкновения, минимумы эшелонирования, структура воздушного пространства, характеристики сети воздушных трасс, параметры потока воздушного движения, возможности вмешательства со стороны диспетчера, характеристики связного, навигационного оборудования и средств наблюдения за воздушным движением. Методика планирования воздушного 61 пространства в достаточной степени универсальна и может использоваться не только для определения минимумов эшелонирования, но и для безопасного внедрения новых видов ОВД в условиях, когда минимумы эшелонирования должны оставаться неизменными, например, определение требований к связи, навигации и наблюдению (CNS) при использовании данного TLS и минимума эшелонирования; оценка влияния изменений в структуре воздушного пространства на безопасность системы; определение пределов пропускной способности системы воздушного движения. Методика определения безопасных минимумов эшелонирования основана на методе итераций и взаимосвязи между следующими основными элементами методики: - выявление необходимости в изменениях; - определение предлагаемой системы; - выбор метода анализа безопасности; - оценка риска; - соответствие критериям безопасности; - изменение предлагаемой системы; - внедрение предлагаемой системы и контроль за ней. Специалисты по планированию воздушного пространства могут использовать это в качестве средства, которое поможет им определить очередность и характер решений, необходимых для расчета безопасных минимумов эшелонирования или для безопасного внедрения новых видов ОВД в своем воздушном пространстве. В большинстве случаев необходимость в изменениях в любом данном воздушном пространстве определяется такими факторами, как потребности пользователей, недостаточная пропускная способность воздушного пространства и наличие более совершенных технологий (как на воздушных судах, так и в системе ОрВД). Существует несколько возможных способов удовлетворения выявленной необходимости в изменениях, в том числе: - повышение уровня обеспечиваемого обслуживания воздушного движения; - сокращение минимумов эшелонирования; - расширение возможностей вмешательства; - изменение требуемых навигационных характеристик; - пересмотр структуры маршрутов; 62 - ограничение потребностей в обслуживании органами УВД. После выявления необходимости в изменении системы воздушного пространства для достижения необходимых эксплуатационных преимуществ специалисту по планированию воздушного пространства следует, исходя из современных знаний о нынешних системах и новых технологиях, оценить, какие характеристики воздушного пространства могут быть изменены. Хотя основное внимание уделяется определению минимумов эшелонирования, специалист по планированию воздушного пространства может обеспечить преимущества как для поставщиков ОВД, так и для пользователей, не прибегая к сокращению минимумов эшелонирования. Одним из альтернативных способов удовлетворения меняющихся потребностей в использовании воздушного пространства может быть изменение структуры маршрутов того или иного региона. Какие бы изменения ни рассматривались, одним из важных факторов при проведении оценки должен быть анализ затрат / выгод с последующим определением приоритетности приемлемых альтернатив. При определении предлагаемой системы и выявлении изменений, которые необходимо внести в нынешнюю систему, специалист по планированию воздушного пространства может установить, что существует несколько элементов, которые могут быть изменены, и должен рассмотреть следующие вопросы: - преимущества, которые будут получены в результате того или иного изменения отдельного элемента; - возможное влияние любого изменения на производство полетов и последующее переобучение, сроки внедрения, переходные периоды, а также стоимость нового оборудования; - по мере возможности, выявить те изменения, которые обеспечили бы благоприятное соотношение преимуществ и затрат на внедрение данного изменения как для поставщика ОВД, так и для пользователей. Специалисту по планированию воздушного пространства следует также учитывать, что в некоторых случаях изменения одной характеристики воздушного пространства самого по себе окажется недостаточным для сокращения интервалов эшелонирования и могут потребоваться дополнительные изменения других элементов воздушного пространства. Например: - требования ATM в отношении оснащения воздушных судов утвержденным оборудованием типа RNP 1 могут также повлечь за собой необходимость 63 обеспечения служб УВД автоматическими средствами помощи / поддержки и / или пересмотра навигационной инфраструктуры; - при интеграции систем ОВД в крупном регионе или государстве масштабы расширения возможностей систем ОВД в том или ином конкретном местном районе могут зависеть от относительного распределения ограниченных ресурсов, выделяемых на развитие ОВД, в рамках всего региона, то есть решения необходимо принимать на основе критерия затрат / выгод. Специалисту по планированию воздушного пространства следует тщательно проанализировать прогнозируемый рост воздушного движения, а также характеристики и распределение роста воздушного движения в пределах всего воздушного пространства. Прогнозируемый рост воздушного движения может быть сосредоточен на отдельных маршрутах, а не распределяться равномерно в пределах всего воздушного пространства. Изменения в структуре потребителей, экономической активности, предпочтениях при поездках, создание новых аэропортов и т. д. могут привести к перераспределению простого роста в пользу других маршрутов, что, в свою очередь, скажется на расчетных значениях параметров, непосредственно влияющих на уровень риска в воздушном пространстве [5]. 2.7. Анализ безопасности Безопасность системы зависит от ряда характеристик воздушного пространства. В тех случаях, когда соответствующие характеристики предлагаемой системы выявлены и определены в количественном отношении, для определения того, обеспечивает ли система приемлемый уровень безопасности, могут использоваться два основных метода: - сравнение с эталонной системой; - оценка риска системы относительно установленной пороговой величины. Сравнение с эталонной системой Сравнение с эталонной системой является относительным методом, т. е. все необходимые характеристики предлагаемой системы сравниваются с соответствующими характеристиками эталонной системы, которая считается безопасной. 64 Если можно доказать, что предлагаемая система аналогична эталонной системе или лучше ее по всем относящимся к безопасности аспектам, она может также считаться безопасной. Очевидно, что самый важный аспект такого подхода заключается в выявлении подходящего эталонного воздушного пространства, которое, за незначительными изменениями, может содержать в себе нынешнюю систему, и в доказательстве того, что предлагаемая система в достаточной степени аналогична и, следовательно, такой подход является оправданным. Метод количественной оценки Оценка риска системы относительно установленной пороговой величины является абсолютным методом, при котором после выявления и количественного определения всех относящихся к безопасности характеристик системы устанавливается явная взаимосвязь между этими характеристиками и риском столкновения, которая используется для оценки безопасности системы. Затем полученная расчетная величина сопоставляется с максимальным допустимым риском, например, установленным уровнем безопасности. Расчет риска для любого воздушного пространства – весьма сложный процесс, и для него может потребоваться большой объем данных по всем аспектам характеристик системы. Выбор подходящей величины максимального уровня риска также может вызвать затруднения. Хотя метод оценки может оказаться сложным и потребовать больших затрат времени, проведение такой оценки является единственно возможным способом проверки в тех случаях, когда планируется радикальное изменение, которое ранее не испытывалось в других регионах. Несомненное преимущество этого метода заключается в том, что после выявления критических с точки зрения безопасности параметров и моделирования их воздействия на риск столкновения можно изменять значения различных параметров с целью определения наиболее подходящего способа достижения необходимых улучшений в данном воздушном пространстве. Предлагаемая система может считаться безопасной в том случае, если: - доказано, что она, по меньшей мере, столь же безопасна, как и эталонная система, которая уже признана безопасной; - расчетная количественная величина риска предлагаемой системы не превышает заранее определенного приемлемого уровня риска. 65 Если любое из этих условий выполняется, то специалист по планированию воздушного пространства может перейти к этапу внедрения и контроля. Если ни одно из них не выполняется, то предлагаемую систему необходимо изменить таким образом, чтобы удовлетворялись критерии безопасности. Снижение риска Если в результате анализа риска установлено, что предлагаемая система неприемлема, специалист по планированию воздушного пространства может счесть целесообразным вновь рассмотреть элементы, указанные в описании предлагаемой системы, и попытаться найти средства, позволяющие снизить риск [5]. Специалист по планированию воздушного пространства может решить: 1. Изменить уровень обслуживания воздушного движения. Этот вариант может потребовать изменения разделения ОВД на секторы с целью использования возможностей современных технологий CNS / ATM и технологий, применяемых на воздушных судах. 2. Изменить структуру маршрутов. Например, если первоначально была выбрана система двунаправленных маршрутов, возможно, использование однонаправленных или параллельных маршрутов может снизить риск до приемлемого уровня и обеспечить эффективность выполнения полетов (т. е. снизить рабочую нагрузку служб УВД). 3. Пересмотреть предлагаемые минимумы эшелонирования. Если первоначально предполагалось сократить минимумы эшелонирования, специалист по планированию воздушного пространства может рассмотреть возможность менее значительного сокращения или воспользоваться другими способами увеличения пропускной способности воздушного пространства. 4. Снизить степень сложности воздушного пространства. Посредством изменения расположения маршрутов возможно удастся уменьшить число пересекающихся линий пути, линий пути во встречных направлениях или частоту полетов воздушных судов с набором высоты и снижением в одном воздушном пространстве. Еще одним вариантом, хотя, вероятно, он имеет ограничительный характер, могло бы стать разделение воздушного движения по признаку характеристик и / или оснащенности воздушных судов. 5. Установить более высокий уровень требуемых навигационных характеристик. 66 Использовать более низкий тип RNP с целью улучшения навигационных характеристик и / или, в случае продольного эшелонирования, повысить точность выдерживания времени воздушными судами посредством введения требования об обязательном оснащении воздушных судов оборудованием измерения времени, соответствующим установленным уровням характеристик. При этом специалист по планированию воздушного пространства должен учитывать, что изменение типа RNP приведет к необходимости использования другого набора MASPS и MOPS и, вследствие этого, может привести к исключению некоторых воздушных судов из данного воздушного пространства. Кроме того, изменение типа RNP может потребовать совершенствования наземной инфраструктуры. 6. Улучшить возможности связи. Внедрить более эффективные средства связи с точки зрения скорости или надежности, например, посредством перехода от ВЧ к ОВЧ или от ВЧ к CPDLC. Улучшение связи между диспетчерами (между органами ОВД и внутри органов ОВД) может снизить риск столкновения благодаря снижению рабочей нагрузки диспетчеров. 7. Улучшить возможности наблюдения. В тех случаях, когда единственным доступным вариантом является процедурное наблюдение, может быть установлено требование более частого представления донесений пилотов. При использовании независимого наблюдения (радиолокационного) улучшение характеристик радиолокационной системы (например, зоны действия, частоты обновления данных, применение моноимпульсного метода) может также способствовать снижению риска. В районах, в которых независимое наблюдение невозможно, может быть внедрено ADS. Если в первоначальном предложении предусматривалось использование ADS, специалист по планированию может рассмотреть возможность изменения контракта ADS (например, повышения основной частоты обновления данных ADS о местоположении), улучшения вспомогательной системы связи, обеспечивающей передачу данных (например, уменьшения задержки при передаче), или увеличения минимумов эшелонирования. 8. Внедрить или улучшить возможности организации потоков. Если в первоначальном предложении не предусматривалась возможность регулирования потребности в воздушном движении, внедрение организации 67 потока воздушного движения (ATFM) может способствовать снижению риска посредством уменьшения максимальной потребности в воздушном движении и, тем самым, снижения подверженности воздушных судов риску столкновения. Однако следует напомнить, что внедрение ATFM повлияет на пропускную способность. В тех случаях, когда используется та или иная форма стратегической ATFM, улучшение может быть обеспечено посредством внедрения тактической ATFM или повышения эффективности в представляющем интерес регионе, например, посредством централизации ATFM. 9. Внедрить или улучшить средства организации воздушного движения (ATM). Снижение рабочей нагрузки диспетчеров за счет внедрения средств оповещения о несоответствии может оказать значительное влияние на риск, например, в случае независимых линий пути с небольшим разделительным интервалом. Применение автоматических средств диспетчерского планирования позволяет уменьшить число потенциальных конфликтных ситуаций и, тем самым, снизить рабочую нагрузку диспетчеров, что, в свою очередь, повышает возможности для вмешательства со стороны диспетчера [5]. Автоматизация ОВД способствует снижению рабочей нагрузки диспетчеров, а также дает возможность диспетчеру более легко выявлять потенциальные конфликтные ситуации. Специалисту по планированию воздушного пространства следует рассмотреть все перечисленные выше варианты, а также любые другие имеющиеся возможности. Необходимо выявить варианты, которые могут быть улучшены при сохранении у специалиста по планированию возможности достижения первоначальной цели – внедрения необходимого изменения. При рассмотрении вариантов, допускающих внесение изменений, следует учитывать, что достигаемые преимущества должны быть более существенными, чем затраты поставщиков и пользователей. Контрольные вопросы 1. Какие специалисты работают в группе по разработке структуры ВП? Кто возглавляет эту группу? 68 2. Каковы этапы плана-проекта новой структуры ВП? 3. Каковы задачи каждого этапа проекта? 4. На основе каких определенных допущений в отношении CNS / ATM разрабатывается концепция ВП? 5. Каковы допущения и условия в отношении ВД? 6. Каковы особенности построения маршрутов и схем ожидания? 7. Что лежит в основе методов организации ВД по нескольким маршрутам прибытия с режимом CDO? 8. Каковы варианты смешанных условий навигации ВП? 9. Каково негативное влияние смешанных условий навигации на рабочую нагрузку диспетчеров УВД? 10. Какие методы используются для апробации концепции ВП? 11. В чем заключается метод количественной оценки риска системы? ЗАКЛЮЧЕНИЕ Оптимизация организации воздушного движения является комплексной целью, затрагивающей как совершенствование технологических процедур, так и ресурсную обеспеченность процесса. Результатом комплексного решения задач оптимизации организации воздушного пространства должно являться увеличение его пропускной способности. Работа по проектированию новых структур воздушного пространства, его классификации в соответствии с требованиями ICAO необходима для удовлетворения постоянно меняющихся потребностей пользователей воздушного пространства и является одним из этапов интеграции в международное аэронавигационное сообщество. Изменение потребностей в использовании воздушного пространства характеризуется появлением случаев превышения текущей интенсивности воздушного движения пропускной способности воздушного пространства. Результатом работы по совершенствованию структуры воздушного пространства должно быть устранение таких случаев. Повышение эффективности использования воздушного пространства является одним из основных направлений снижения эксплуатационных затрат пользователей. Этому должно способствовать укрупнение районных центров, внедрение процедур гибкого использования воздушного пространства, внедрение 69 трасс зональной навигации, норм вертикального и горизонтального эшелонирования, экономичных траекторий полета в районах аэродромов, а в перспективе реализация метода свободного полета. Улучшение экономической ситуации и повышение качества представляемых пользователям воздушного пространства услуг приведут к росту интенсивности воздушного движения в стране (в среднем на 6 % в год). В связи с этим планируется обеспечить рост пропускной способности ВП России к 2025 году в 3,2 раза. В числе мер по повышению пропускной способности следует отметить внедрение на базе новой техники системы управления пропускной способностью ВП, использование принципа управления движением «от перрона до перрона», а также обеспечение полетов в условиях ограниченной видимости на аэродромах. Обслуживание пользователей воздушного пространства России является важной составляющей транспортной инфраструктуры страны. Создание развитой национальной сети воздушных сообщений и обеспечение безопасного, надежного аэронавигационного обслуживания способствует решению транспортных проблем, а также обеспечению экономически эффективной деятельности на территории РФ. Связанное с этим устойчивое развитие авиации является гарантией свободного перемещения авиапассажиров и грузов, выполнения важных авиационных работ, обеспечения целостности и национальной безопасности государства, улучшения условий и уровня жизни населения, а также обеспечения военной безопасности России как страны, которая отличается уникальным геополитическим положением и огромным пространственным размахом. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Карнаухов, В. А. Теория графов и сетей при моделировании процессов УВД : учеб. пособие / В. А. Карнаухов. – Ульяновск : УВАУ ГА, 2009. – 63 с. 2. Карнаухов, В. А. Основы теории управления воздушным движением : учеб. пособие / В. А. Карнаухов. – Ульяновск : УВАУ ГА(И), 2010. – 78 с. 3. Кельтон, В. Имитационное моделирование. Классика CS / В. Кельтон, А. Лоу. – 3-е изд. – СПб. : Питер ; Киев : Издательская группа BHV, 2004. – 847 с. 70 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Дегтярев, О. В. Комплекс имитационного моделирования потоков воздушного движения / О. В. Дегтярев, В. П. Егорова, И. Ф. Зубкова, В. А. Чутков // Труды ГосНИИАС. Вопросы авионики. – 2003. – Вып. 2(12). 2. Дегтярев, О. В. Особенности моделирования этапов планирования потоков воздушного движения с использованием КИМ УВД / О. В. Дегтярев, В. П. Егорова, И. Ф. Зубкова, А. В. Кан // Имитационное моделирование. Теория и практика : сб. докладов конференции по имитационному моделированию и его применению в науке и промышленности. – Т. 2. – 2005. – С. 79–84. 3. Дегтярев, О. В. Оценка эффективности мероприятий по совершенствованию структуры воздушного пространства РФ методами имитационного моделирования / О. В. Дегтярев, Д. В. Жабин, Е. В. Филенкова, В. И. Кухтенко // Имитационное моделирование. Теория и практика : сб. докладов третьей Всероссийской научно-практической конференции по имитационному моделированию и его применению в науке и промышленности. – Т. 2. – 2007. – С. 52–57. 4. Егорова, В. П. Синтез детерминированных и случайных потоков воздушного движения в составе комплекса имитационного моделирования системы ОрВД / В. П. Егорова, И. Ф. Зубкова, А. В. Кан, В. И. Кухтенко // Имитационное моделирование. Теория и практика : сб. докладов третьей Всероссийской научно-практической конференции по имитационному моделированию и его применению в науке и промышленности. – Т. 1. – 2007. – С. 111–116. 5. Руководство по использованию навигации, основанной на характеристиках (PBN), при построении воздушного пространства : Doc 9992-AN/494 : утв. Ген. секретарем ICAO. – Монреаль : ICAO, 2013. – 53 c. 6. Методика автоматизированного проектирования организации воздушного пространства в регионе ОВД : утв. Генеральным директором ФГУП «Госкорпорация по ОрВД» 31.12.2008. 7. Плотников, А. М. Анализ современного состояния и тенденции развития имитационного моделирования в Российской Федерации / А. М. Плотников, Ю. И. Рыжиков, Б. В. Соколов, Р. М. Юсупов // Труды СПИИРАН. – 2013. – Вып. 25. – C. 42–112. 8. Обобщенный алгоритм проектирования [Электронный ресурс] // StudFiles : файловый архив для студентов. – Режим доступа: http://www.studfiles.ru/dir/cat40/subj1301/file13290/view136196.html. 71 Учебное пособие ОПТИМИЗАЦИЯ ОРГАНИЗАЦИИ ВОЗДУШНОГО ДВИЖЕНИЯ И ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА Составитель КАРНАУХОВ ВЛАДИМИР АНАТОЛЬЕВИЧ Редактор М. Т. Любимова Компьютерная верстка Н. П. Красильниковой Подписано в печать 05.06.2015. Формат 60×90/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 4,5. Уч.-изд. л. 3,87. Тираж 80 экз. Заказ № 288. РИО и типография УВАУ ГА(И). 432071, Ульяновск, ул. Можайского, 8/8 72
