Методи підвищення ефективності обслуговування повітряного руху при виникненні позаштатних ситуацій у польоті

Abstract

Колесник А.В. Методи підвищення ефективності обслуговування повітряного руху при виникненні позаштатних ситуацій у польоті. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.22.13 "Навігація і управління рухом" (05 – технічні науки). – Льотна академія Національного авіаційного університету, Кропивницький, 2021. У дисертаційній роботі вирішено актуальну наукову задачу, яка полягає у розробці методів підвищення ефективності обслуговування повітряного руху в позаштатних ситуаціях у польоті, які забезпечують підвищення оперативності та обґрунтованості прийняття рішень авіадиспетчерами автоматизованої системи керування повітряним рухом (АС КПР). У роботі проведений аналіз особливостей обслуговування повітряного руху при виникненні позаштатних ситуацій у польоті, в процесі якого встановлено, що процес прийняття рішень авіадиспетчером АС КПР характеризується гострим дефіцитом часу на прийняття рішення, напруженим психофізіологічним станом оператора, великим обсягом та високим рівнем неповноти й невизначеності інформації, яку необхідно опрацювати авіадиспетчеру для оперативного прийняття обґрунтованих рішень. Вказано на доцільність і необхідність застосування в таких умовах систем підтримки прийняття рішень (СППР). Проведений аналіз існуючих автоматизованих засобів керування повітряним рухом, що використовуються в Україні. Визначено, які функції в них реалізуються за допомогою інтелектуальних модулів (СППР) та методи їх реалізації. Проведений аналіз методів подання знань з точки зору доцільності їх використання при побудові СППР авіадиспетчера у позаштатних ситуаціях у польоті. Обґрунтовано вибір математичного апарату, який базується на використанні байєсівських мереж, що являє собою перевірений ймовірнісний інструментарій, дозволяє отримати зрозуміле пояснення одержаних висновків, має їх логічну інтерпретацію, дозволяє врахувати невизначеності параметричного, статичного і структурного характеру, ґрунтується на фундаментальних положеннях теорії ймовірностей. Обґрунтовано вибір програмного засобу, а саме системи ймовірнісного програмування Figaro. Проведений аналіз і виявлені недоліки відомого науково-методичного апарату дозволили сформулювати загальне наукове завдання дисертаційного дослідження. а саме розробку методів підвищення ефективності обслуговування повітряного руху в позаштатних ситуаціях у польоті, які забезпечують підвищення оперативності та обґрунтованості прийняття рішень авіадиспетчерами АС КПР. Обґрунтовано актуальність дослідження позаштатної ситуації у польоті - при відмові двигуна на повітряному судні (ПС), побудовано модель можливого подальшого розвитку ситуації при відмові двигуна на ПС у польоті. В роботі розроблена модель оцінки ризику позаштатних польотних ситуацій на прикладі відмови двигуна на основі мережі Байєса. Дана модель дозволяє здійснювати розрахунок ймовірностей виникнення наслідків прояву вказаної небезпеки, визначати найімовірніший наслідок небезпеки та рівень ризику на основі класифікації ICAO та підвищити обґрунтованість прийняття рішення авіаційним диспетчером у позаштатних ситуаціях у польоті. Як критерій прийняття рішення в роботі запропоновано критерій мінімізації ризику виникнення небажаних наслідків в результаті реалізації авіадиспетчером прийнятого рішення. Розроблено метод визначення альтернативи завершення польоту при виникненні позаштатних ситуацій у польоті. В рамках розробленого методу на основі мереж Байєса побудовані: модель визначення можливості продовження польоту, моделі визначення потенційного збитку при виконанні посадки на аеродром та майданчик. Завдяки врахуванню в побудованих моделях певних груп чинників, які впливають на результат прийняття рішення на кожному етапі, розроблений метод дозволить підвищити обґрунтованість прийняття рішення авіаційним диспетчером у позаштатних ситуаціях у польоті. Розроблено метод автоматизації процесу вироблення рішень авіадиспетчером для особливих випадків у польоті. В основі методу лежить технологія ймовірнісного програмування. Розроблений метод передбачає побудову ймовірнісної ієрархічної моделі позаштатної ситуації на основі мережі Байєса, призначення умовних та безумовних ймовірностей вершинам мережі, створення вибірки навчальних прикладів для навчання створеної моделі з метою покращення якості передбачення майбутніх ситуацій, вибір парадигми навчання моделі та застосування алгоритму виведення для отримання ймовірнісного виведення. Застосування розробленого методу дозволить підвищити оперативність та обґрунтованість прийняття рішення авіаційним диспетчером у позаштатних ситуаціях у польоті. Розроблені методи та моделі реалізовані у вигляді системи підтримки прийняття рішень в системі ймовірнісного програмування Figaro. Проведена оцінка ефективності застосування розробленої СППР авіадиспетчера у позаштатних ситуаціях у польоті для різних типів відмов двигуна, яка показала, що кількість позаштатних ситуацій, в яких обирається альтернатива завершення польоту з мінімальним рівнем потенційного збитку збільшилась на 18 %, а час, необхідний для прийняття рішення на зменшився на 61,9-65,1%. Проведене дослідження економічних витрат, пов'язаних з впровадженням модифікованого АРМ авіадиспетчера, показало, що збільшення вартості модифікації АРМ складе не більше, ніж на 30% за рахунок модернізації спеціального програмного забезпечення та введення додаткового пристрою відображення. Kolesnyk A. Methods of improving the efficiency of air traffic services in the event of emergency situations in flight. – Manuscript. Dissertation for the degree of a candidate of technical Sciences (Doctor of Philosophy) in specialty 05.22.13 "Navigation and traffic control" (05 – Technical science). – Flight Academy of the National Aviation University. Kropivnitsky, 2020. In the dissertation the actual scientific task was solved, which was the development of methods and models for improving of the efficiency of air traffic services in the event of emergency situations in flight for the purpose of improving the efficiency of the automated air traffic control system. In the dissertation, the analysis of efficiency of air traffic service at occurrence of emergency situations in flight is carried out. As a result of this analysis, it was established that the decision-making process by the aviation dispatcher of the automated air traffic control system is characterized by an acute shortage of time to make decisions, intense psychophysiological state of the operator, large volume and high level of incompleteness. of the information that needs to be processed by the aviation dispatcher for prompt decision-making. It was pointed out the relevance of using decision support systems in such cases. The analysis of the existing automated systems of air traffic control used in Ukraine is carried out. It is determined which functions are implemented in them with the help of intelligent modules (DSS) and methods of their implementation. The analysis of methods of presentation of knowledge from the point of view of expediency of their use at construction of DSS of the aviation dispatcher in emergency situations in flight is carried out. The choice of the mathematical apparatus of Bayesian networks is substantiated. This apparatus is a proven probabilistic toolkit, allows you to get a clear explanation of the conclusions, has their logical interpretation, allows you to take into account the uncertainties of parametric, static and structural nature, it is based on the fundamental provisions of probability theory. The choice of software, namely the Figaro probabilistic programming system, is substantiated. 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 development of methods and models for improving of the efficiency of air traffic services in the event of emergency situations in flight for the purpose of improving the efficiency of the automated air traffic control system. The relevance of the study of freelance flight situation - engine failure on the aircraft is substantiated, the model of possible further development of the situation in case of engine failure on the aircraft in flight is built. The dissertation develops a model for assessing the risk of emergency flight situations on the example of engine failure based on the Bayesian network. This model allows to calculate the probabilities of consequences of the specified danger, to determine the most probable consequence of the danger and the level of risk based on the ICAO classification and will increase the validity of the decision of the air traffic controller in emergency flight situations. As a decision-making criterion in the dissertation the criterion of minimization of risk of occurrence of undesirable consequences as a result of realization by the air traffic controller of the accepted decision is offered A method for determining the alternative to the end of the flight in case of emergency situations in flight has been developed. Within the framework of the developed method, based on Bayesian networks, the following models have been built: a model for determining the possibility of continuing the flight, models for determining potential damage during landing at the aerodrome and the site. Due to the consideration in the built models of certain groups of factors that affect the outcome of the decision at each stage, the developed method will increase the validity of the decision of the aviation dispatcher in off-duty flight situations. A method for automating the decision-making process by an air traffic controller for special cases in flight has been developed. The method is based on probabilistic programming technology. The developed method involves building a probabilistic hierarchical model of an emergency situation based on the Bayesian network, assigning conditional and unconditional probabilities to the vertices of the network, creating a sample of learning examples to teach the created model to improve the quality of predicting future situations, choice of a model learning paradigm. The application of the developed method will increase the efficiency and validity of the decision of the aviation dispatcher in emergency flight situations. The developed methods and models are implemented in the form of a decision support system in the Figaro probabilistic programming system. An evaluation of the effectiveness of the Decision Support System developed by the aviation dispatcher in emergency flight situations for different types of engine failures was made, which showed that the number of emergency situations in which the alternative to complete the flight with a minimum level of potential damage increased by 18% and the time required to decide at 61,9-65,1%. A study of the economic costs associated with the introduction of a modified workstation air traffic controller, showed that the increase in the cost of modification of the workstation will be no more than 30% due to the modernization of special software and the introduction of additional display.