Методи підвищення ефективності діяльності чергових змін районних диспетчерських центрів при управлінні повітряним рухом

Abstract

Гришманов Д.Є. Методи підвищення ефективності діяльності чергових змін районних диспетчерських центрів при управлінні повітряним рухом. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.22.13 «Навігація та управління рухом». – Льотна академія Національного авіаційного університету МОН України, Кропивницький, 2018. У дисертаційній роботі вирішено актуальну наукову задачу, яка полягала в обґрунтуванні та розробці методів і засобів побудови моделей діяльності чергової зміни районного диспетчерського центру системи обслуговування повітряного руху, які забезпечать підвищення оперативності та якості вирішення задач управління повітряним рухом. В роботі були розглянуті суперечності в практиці застосування АСУ повітряним рухом. В результаті розгляду були вказані основні фактори, які впливають на необхідність вдосконалення процесів роботи чергової зміни РДЦ, серед яких вдосконалення технічних характеристик повітряних об’єктів і щільності трафіку повітряного руху, зростання можливостей АСУ по рішенню завдань управління різними способами, зростання обсягів посібників і керівництв, які необхідно використовувати в ході роботи з обслуговування повітряного руху авіаційному диспетчеру, ускладнення питань підготовки авіаційних диспетчерів і злагодження чергових змін РДЦ. В ході аналізу науково-методичного апарату, що застосовується для побудови моделей роботи чергової зміни РДЦ, були виявлені недоліки існуючої методики, до яких можна віднести підхід до визначення раціональних дій чергової зміни РДЦ в заданій обстановці тільки на основі варіантів, зафіксованих в посібниках і нормативах, використання для моделювання роботи графоаналітичного методу в поєднанні з текстуальними описами, недостатнє дослідження питання організації раціональної взаємодії авіаційних диспетчерів між собою і між черговою зміною і КЗА в динаміці роботи, не можливість забезпечення відомими методами застосування засобів реєстрації, зберігання та відтворення інформації повною мірою підготовки авіаційних диспетчерів аж до творчого рівня. Проведений аналіз і виявлені недоліків відомого науково-методичного апарату дозволив сформулювати загальну наукову задачу дисертаційного дослідження як обґрунтування та розробка методів і засобів побудови моделей діяльності чергової зміни районного диспетчерського центру системи обслуговування повітряного руху, які забезпечать підвищення оперативності та якості вирішення задач управління повітряним рухом. На основі морфологічного аналізу різних варіантів поєднань методів моделювання діяльності чергової зміни РДЦ показано, що для комплексного вирішення дослідницьких, інформаційних та тренажних завдань раціональним є доповнення існуючої методики методом структурно-алгоритмічного аналізу та методом узагальнених мережевих моделей діяльності. З огляду на те, що час вирішення завдань в розглянутих системах залежить від часових витрат на взаємодії авіаційних диспетчерів, які полягають у здійсненні узгоджених між диспетчерами і роботою КЗА парних операцій, запропонований спосіб виділення взаємодій в загальній матриці суміжності. Завдання вдосконалення алгоритму діяльності в даному випадку можна пов’язати з виявленням в ході структурно-алгоритмічного аналізу елементів взаємодій, мінімізації їх числа, і, відповідно, зі скороченням числа елементів очікувань. Для розширення можливостей узагальненої мережевої моделі при аналізі діяльності чергової зміни РДЦ запропоновано ввести вершини-події "готовність до взаємодії" і "закінчення взаємодії", які з’єднуються "роботами взаємодії". При цьому умовою синхронності взаємодії буде рівність критичних шляхів, пов’язаних з попередніми діями взаємодіючих диспетчерів. Виходячи з аналізу застосовності відомих характеристик діяльності авіаційних диспетчерів для моделей діяльності із змінною структурою в якості основних показників для порівняльної оцінки моделей обрані число операційних і вирішуючих елементів алгоритму, сумарна динамічна інтенсивність дій, нормовані коефіцієнти стереотипності, логічної складності, очікувань, тимчасові і імовірнісні показники і ступінь їх відхилення від вихідних значень. Зіставлення переваг і недоліків різних форм представлення інформації про моделі діяльності чергової зміни РДЦ дозволило виявити перспективність запропонованої блочно-табличної форми з метою опису складної поліалгорітмічної діяльності чергової зміни РДЦ та визначення характеру взаємодій між авіаційними диспетчерами. В роботі показано, що важливість здійснення об’єктивного контролю реалізованих алгоритмів діяльності чергової зміни РДЦ обумовлюється з одного боку необхідністю отримання достовірних даних про досягнутий рівень підготовки авіаційних диспетчерів, а з іншого боку можливістю використання диспетчерами моделей діяльності з новою, раніше невідомою структурою. На основі аналізу елементів інформаційного забезпечення процесів роботи з управління повітряним рухом були виділені основні аспекти застосування моделей діяльності чергової зміни РДЦ. Вдосконалено метод побудови моделей діяльності чергової зміни районного диспетчерського центру, який відрізняється від існуючих комплексуванням структурно-алгоритмічного аналізу та апарату узагальнених мережевих моделей для вирішення інформаційних, дослідницьких та тренажних завдань. Розроблено апарат формалізації правил отримання оцінок індивідуальної та групової діяльності авіаційних диспетчерів. В основу розробленого апарату формалізації покладена теорія нечітких множин. Даний підхід дозволив привести оцінки різної природи до єдиної формальної системі і врахувати їх, використовуючи єдині формальні правила. Розроблено методику інтегральної оцінки діяльності авіаційного диспетчера та керівника польотів. Об’єктивність отриманої оцінки була досягнута за рахунок використання статистичних даних, що відображають роботу диспетчера (керівника польотів) в різних умовах під час своєї діяльності. Розроблена методика дозволила отримати інтегральну якісну оцінку, а також оцінку по кожному окремому показнику за будь-який період часу. Отримав подальший розвиток метод оцінки діяльності чергової зміни районного диспетчерського центру, який відрізняється від відомих описом якісних інтегральних оцінок діяльності операторів нечіткими множинами, а також урахуванням взаємодії в парі «авіаційний диспетчер – керівник польотів» та дозволяє підвищити об’єктивність оцінки діяльності чергової зміни РДЦ та обґрунтувати рекомендації щодо її подальшого вдосконалення. Отримані інтегральні оцінки дозволяють підвищити об’єктивність оцінки діяльності чергової зміни РДЦ та обґрунтувати рекомендації щодо її подальшого вдосконалення. Аналіз можливостей щодо застосування розроблених в роботі методів показав, що вони повинні служити основою для розробки методу оцінювання діяльності чергової зміни РДЦ. У свою чергу, застосування зазначеного методу дозволяє підвищити оперативність та якість обслуговування повітряного руху. Було проведено оцінювання своєчасності забезпечення обслуговування повітряного руху шляхом порівняльного аналізу показників властивостей для двох способів діяльності чергової зміни РДЦ: існуючого та запропонованого в роботі, при якому оцінювання діяльності чергової зміни здійснюється за допомогою запропонованих методів із напрацюванням рекомендацій щодо вдосконалення функціонування чергової зміни РДЦ. Для оцінювання показників ефективності запропонованого способу інформаційного забезпечення була розроблена і реалізована в складі макета АРМ авіаційного диспетчера (керівника польотів) РДЦ імітаційна модель процесу функціонування чергової зміни. За допомогою цієї моделі були отримані окремі показники ефективності. В результаті проведених експериментальних досліджень показано можливість істотного поліпшення показників роботи з обслуговування повітряного руху на основі використання моделей діяльності із змінною структурою. Застосування розроблених методів дозволило скоротити час, що витрачається на пошук і усунення помилок за всіма типами операцій при виконанні черговою зміною алгоритму діяльності при відновленні орієнтування екіпажем повітряного судна, в середньому зменшується на 30%. При цьому можливість своєчасного виявлення та виправлення помилок при виконанні алгоритму діяльності чергової зміни РДЦ по відновленню екіпажем повітряного судна орієнтування зростає в середньому в 2 рази. Ймовірність своєчасного вирішення задачі обслуговування повітряного руху черговою зміною РДЦ при цьому зростає в середньому більше ніж на 22 % З метою виявлення ступеня впливу якості роботи того чи іншого диспетчера на показники ефективності управління повітряним рухом запропонований спосіб індивідуальної оцінки кожної особи чергової зміни РДЦ на роботу шляхом зіставлення відомого алгоритму діяльності з реалізованими діями з урахуванням отриманих результатів. Обґрунтовано, що застосування моделей діяльності на основі комплексного використання сучасних обчислювальних засобів і штатної апаратури об’єктивного контролю РДЦ дає можливість забезпечувати вирішення таких завдань як навчання практичним діям окремих авіаційних диспетчерів, злагодження чергових змін і підтримка прийняття та реалізації рішень в ході роботи з обслуговування повітряного руху, а також індивідуалізацію процесу навчання (підготовки, перепідготовки) кожного авіаційного диспетчера. Gryshmanov D. Methods of increasing the efficiency of regular changes of area control centers in the management of air traffic. – Manuscript. The Thesis for the scientific degree of Doctor of Philosophy (engineering) (Candidate of Technical Sciences) on specialty 05.22.13 – Navigation and Traffic Control. – Flight Academy of National Aviation University. Kropyvnytskiy, 2018. In the dissertation the actual scientific task was solved, which was to substantiate and develop methods and means of constructing the models of activity of the next change of the district control center of the system of air traffic services, which will provide increase of efficiency and quality of the decision of problems of air traffic control. In this paper, controversies in the practice of air traffic control systems were considered. As a result of the review, the main factors that influenced the need to improve the work of the next ACC work, including improving the technical characteristics of airspace and the density of air traffic, increase the capabilities of ACS to solve problems of management in different ways, increase in volumes of manuals and manuals, which should be used in the course of work on air traffic services to the air traffic controller, the complication of the issues of the preparation of air traffic controllers and the coordination of alternates ACC changes. In the course of the analysis of the scientific and methodical apparatus used to construct the models of the work of the next change of the ACC, shortcomings of the existing methodology were identified, which include the approach to determining the rational actions of the next change of the ACC in a given environment only on the basis of the options fixed in the manuals and norms, use for modeling the work of the graph-analytic method in conjunction with textual descriptions, insufficient study of the organization of the rational interaction of air traffic controllers between themselves and between the regular changes oyu and KSA in the dynamics of work, not the possibility of providing well-known methods for the use of means of registration, storage and reproduction of information in full preparation of air controllers up to the creative level. The analysis and found deficiencies of the well-known scientific and methodical apparatus allowed to formulate the general scientific problem of the dissertation research as a substantiation and development of methods and means of constructing the models of activity of the next change of the district control center of the air traffic control system, which will provide an increase in the efficiency and quality of the solution of air traffic control tasks. On the basis of morphological analysis of various combinations of methods of simulation of the activity of the next change of the ACC it is shown that the complex solution of research, information and training tasks is rational by supplementing the existing method with the method of structural-algorithmic analysis and by the method of generalized network activity models. Given that the time of solving problems in the systems under consideration depends on the time expenditures on the interaction of aviation controllers, which consist in the implementation of paired operations agreed between the controllers and the work of the CCA, the method of allocating interactions in the general matrix of adjacency is proposed. The task of improving the algorithm of activity in this case can be associated with the identification during the structural and algorithmic analysis of the elements of interactions, minimizing their number, and, respectively, with the reduction of the number of elements of expectations. In order to expand the possibilities of a generalized network model, in analyzing the activity of the next change of the ACC, it is proposed to enter the "eventual interaction" and "end of interaction" event peaks, which are merged into "interaction work". In this case, the condition of synchronization of interaction will be the equality of critical paths associated with the previous actions of interacting dispatchers. Proceeding from the analysis of the applicability of the known characteristics of the activity of aviation controllers for activity models with variable structure as the main indicators for comparative estimation of models, the chosen number of operational and decisive elements of the algorithm, the total dynamic activity intensity, the normalized coefficients of stereotyping, logical complexity, expectations, time and probabilistic indices, and the degree of their deviation from the original values. Comparison of the advantages and disadvantages of various forms of presentation of information about the model of activity of the next change of the ACC allowed to reveal the promise of the proposed block-tabular form in order to describe the complex polygalogitmic activity of the next change of the ACC and determine the nature of the interactions between the air traffic controllers. It is shown that the importance of realizing the objective control of the implemented algorithms for the operation of the next ACC is conditioned on the one hand by the need to obtain reliable data on the level of training of aviation controllers, and, on the other hand, the ability to use the activity model controllers with a new, previously unknown structure. On the basis of the analysis of the elements of the information support of the processes of air traffic control, the main aspects of the application of the models of the activity of the next change of the ACC were identified. The apparatus for formalizing the rules for obtaining ratings of individual and group activities of aviation controllers has been developed. The theory of fuzzy sets is based on the developed apparatus of formalization. This approach has allowed to bring estimates of different nature to a single formal system and take them into account, using uniform formal rules. The method of the integrated assessment of the activities of the aviation dispatcher and flight manager is developed. Objectivity of the obtained assessment was achieved by using statistical data that reflects the work of the manager (flight manager) in different conditions during his activity. The developed methodology allowed to obtain an integral qualitative assessment, as well as an estimate for each individual indicator for any period of time. The method for assessing the activity of the next change of the ACC, which differs from the known use of the fuzzy set theory for obtaining qualitative integral assessments of the operators, as well as taking into account the organization of interactions in a pair of "aviation dispatcher - flight manager", has received further development. The obtained integral estimates allow to increase the objectivity of the estimation of the activity of the next change of the ACC and to substantiate the recommendations for its further improvement. An analysis of the possibilities of using the methods developed in the work showed that they should serve as the basis for developing a method for assessing the activity of another ACC change. In turn, the application of this method allows to increase the efficiency and quality of air traffic services. An assessment was made of the timeliness of the provision of air traffic services through comparative analysis of property characteristics for two methods of the next ACC operation: the existing and proposed work, in which the assessment of the activity of the next change is carried out using the proposed methods with the development of recommendations for improving the functioning of the next change of the ACC. In order to evaluate the performance indicators of the proposed method of information provision, an simulation model of the operation of the next change was developed and implemented as part of the layout of the automated workplace of the air traffic controller (flight manager). With this model, individual performance indicators were obtained. As a result of experimental studies, the possibility of a significant improvement in the performance of air traffic services on the basis of the use of models of activity with variable structure has been shown. The application of the developed methods allowed to reduce the time spent on searching for and elimination of errors for all types of operations when performing another change in the algorithm of activity when restoration of the orientation by the crew of the aircraft, on average, decreases by 30%. At the same time the possibility of timely detection and correction of errors in the performance of the algorithm of the next change of the ACC for the restoration of the crew of the aircraft of orientation increases by an average of 2 times. The probability of a timely solution to the problem of air traffic servicing by another change in the AСC thus increases on average by more than 22%. In order to determine the degree of influence of the quality of work of one or another controller on the efficiency indicators of air traffic management, a method is proposed for individual assessment of each person for the next change of the ACC to work by comparing a known algorithm of activity with implemented actions, taking into account the obtained results. It is substantiated that application of activity models on the basis of the complex use of modern computing facilities and the standard equipment of objective control of the ACC gives the opportunity to provide solutions to such tasks as training the practical actions of individual aviation controllers, to coordinate regular changes and to support the adoption and implementation of decisions in the course of work on maintenance of air movement, as well as individualization of the process of training (preparation, retraining) of each air traffic controller.