Повышение пропускной способности взлетно-посадочной полосы с использованием менеджера вылетов воздушных судов

Введение

Важнейшими показателями эффективности работы взлетно-посадочной полосы (ВПП) являются ее пропускная способность и сред­нее время задержки рейсов, ожидающих сво­ей очереди вылета и захода на посадку. Сни­жение времени задержки рейсов приводит к уменьшению расхода топлива и, как след­ствие, увеличению экономической прибыли от перевозок, снижению объема выбросов углекислого газа в атмосферу. Для увеличения пропускной способности ВПП и разгрузки диспетчера предлагается разработать менеджер вылетов - Departure Manager (DMAN), который оптимизирует очередь вылетающих воздушных судов (ВС) по критериям мини­мума времени занятости ВПП, минимума средней задержки рейсов (минимум расхода топлива и выброса вредных веществ в атмос­феру). Актуальность решения данной задачи подтверждена рекомендациями глобального аэронавигационного плана [1], а также рядом исследований [2, 3].

Входные данные для DMAN: текущие па­раметры движения ВС; характеристики ВС; план полетов; информация о занятости и режи­ме работы ВПП. На выходе DMAN выдает рекомендации диспетчеру по управлению потоком вылетающих ВС. Конечное решение об управ­лении потоком принимает диспетчер. Таким об­разом DMAN разгружает внимание диспетчера, выполняя за него типовые операции и учиты­вая большее количество влияющих на решение факторов, чем способен запомнить человек.

Из-за турбулентности в спутном следе вылетающие ВС должны соблюдать опреде­ленные в федеральных авиационных прави­лах интервалы между моментами вылета. Чем больше масса первого ВС и меньше масса вто­рого ВС, тем длиннее интервал между момен­тами времени их вылетов. В зависимости от массы обоих ВС эти интервалы составляют 1.. .3 мин. Очередь оптимизируется выбором последовательности ВС, имеющей наиболь­шее/наименьшее значение критерия оптими­зации. Например, при которой суммарная занятость ВПП занимает меньше времени.

Постановка задачи

Задача - определить зависимость времени снижения средней задержки вылета ВС от ин­тенсивности потока вылетающих ВС за счет упорядочивания очереди из задержанных на вылете ВС. Упорядочивание проводится по критерию минимального времени занятия ВПП очередью. Также проведем расчет, на сколько можно повысить пропускную способ­ность ВПП за счет упорядочивания очереди. Определим требования к DMAN, его источни­ки и потребителей информации.

Требования к DMAN

Проект DMAN должен быть реализован в виде отдельного универсального программ­ного модуля, легко встраиваемого в автомати­зированную систему управления воздушным (АС УВД) движением без изменения сетевых интерфейсов других модулей и нарушения ее целостности. Исходя из этого, определим тре­бования к нему:

• способность адаптироваться к любой архитектуре аэропорта;
• модульная архитектура, позволяющая изменять конфигурацию в зависимости от ти­пов и количества источников и потребителей информации;
• достаточно высокая надежность работы и достоверность информации;
• выдача полной информации, потребляе­мой уже разработанными ЧМИ, обработка посту­пающих с них команд ядром вычислений DMAN;
• возможность работы в режиме обработ­ки вылетов в порядке очереди («первый заре­гистрировался - первый вылетел») и в режиме оптимизации очереди по критериям минимума занятия ВПП или минимума расхода топлива, с учетом ограничений на максимальное время задержки вылета и приоритетов ВС;
• возможность взаимодействовать с си­стемой организации потоков прибывающих ВС ArrivalManager (AMAN) и системой управ­ления аэродромным движением.

Схема взаимодействия DMAN с другими модулями АС УВД показана на рис. 1. Источни­ками информации для модуля маршрутизации являются РЛС, оптические камеры аэродром­ного наблюдения и системы автоматически зависимого наблюдения-вещания (АЗН-В) ВС, для AMAN - районные РЛС и АЗН-В ВС.

DMAN принимает слоты вылета с AMAN. C DMAN на AMAN поступают временные ин­тервалы занятости ВПП вылетающими ВС. На модуль маршрутизации DMAN отправляет начальную и конечную точки маршрутов ВС и плановое время предварительного старта. С модуля маршрутизации DMAN принимает маршрут руления в виде последовательности 4D-точек. Также DMAN принимает плановую информацию с модуля планирования и ис­пользования воздушного пространства, может принимать метеорологическую информацию с метеомодуля.

При упорядочивании очереди необходи­мо учитывать следующие параметры:

• интенсивность взлета и посадки на ВПП;

• пропускная способность ВПП;
• слоты вылетов на ВПП;
• маршруты ВС и техники при аэродром­ном движении;
• спутный след ВС, зависящий от их мас­сы и типа;
• стандартные маршруты влета (SID) и скоростные характеристики ВС;
• приоритет и время задержки ВС;

Оптимизация очереди

Оптимизация заключается в минимизации средней задержки вылетов ВС

где N - количество вылетевших ВС;

t_i^факт - фактическое время вылета ВС;

t_i^план - плановое время вылета ВС.

Фактическое время вылета зависит от по­рядка впереди идущих ВС, классифицируемых по максимальной взлетной массе.

Основными параметрами, вызывающи­ми задержку являются временные интервалы между взлетами ВС, которые установлены Федеральными авиационными правилами в зависимости от времени ожидания рассеяния спутного следа за ВС t_i^ож . t_i^ож(m_i, m_i-1) зависит от массы текущего /'-го и предыдущего m_i-1 (i-1-го) вылетающих ВС [4]. Чем больше мак­симальная взлетная масса предыдущего ВС и меньше последующего, тем дольше время ожидания.

В соответствии с классификацией ICAO Doc 8643 ВС по взлетной массе можно разде­лить на 3 типа: легкие, средние и тяжелые. В таком случае всего будет 9 значений времени задержки, соответствующих всем комбина­циям пар из 3 типов. Значения времени за­держки удобно хранить в виде матрицы T_ож^3X3, диагональные элементы которой равны. Для гражданских воздушных судов на территории России элементы матрицы T_ож^3X3 определяются Федеральными авиационными правилами Рос­сийской Федерации.

Интервал времени t_i^ож минимизируется за счет изменения порядка ВС в очереди. При формировании порядка необходимо учитывать скорости ВС, чтобы исключить пересечение 4D-траекторий ВС.

Среднее время задержки ВС на l-й ВПП  определяется по формуле

где N - количество взлетевших с ВПП ВС.

При привязке мест стоянки ВС к несколь­ким ВПП нужно минимизировать суммарное среднее время задержки по всем ВПП:

Здесь N_ВПП - количество ВПП.

Эффективность упорядочивания вылетов определяется по формуле

где  - среднее время задержки вылетов с аэродрома без оптимизации очереди;

 - среднее время задержки вылетов с аэродрома при оптимизации очереди.

Потенциальные возможности увеличения пропускной способности ВПП

В соответствии с Федеральными авиаци­онными правилами Российской Федерации определим минимальные временные интер­валы (см. таблицу) между двумя соседними вылетающими ВС [5]. ВС подразделяются по массе на легкие (Л) - менее 7000 кг, средние (С) - более 7000 кг и менее 136 000 кг, тяже­лые (Т) - более 136 000 кг.

На примере очереди на вылет, состоящей из 2 легких, 2 средних и 2 тяжелых ВС опре­делим оптимальную и наихудшую последова­тельности вылетов. Наихудшая последователь­ность, при которой имеет место наибольшее время занятости ВПП, выглядит следующим образом: Т С Л Т С Л. Эта последователь­ность обеспечивает 2 + 3 + 1 + 2 + 3 + 1 = 12 минут занятости ВПП. Оптимальная последо­вательность, при которой обеспечивается наи­меньшее время занятости ВПП, выглядит так: Л Л Т С С Т. Эта последовательность обеспе­чивает 1 + 1 + 2 + 1 + 1 + 1 = 7 минут заня­тости ВПП. Оптимизация порядка вылета ВС в данном примере сокращает занятость ВПП более чем на 41 %.

Моделирование

DMAN представляет собой систему массово­го обслуживания M/G/1, на вход которой по­ступает пуассоновский поток заявленных по плану времени исполнительного старта ВС. Системы M/G/1 подробно рассмотрены в ра­боте [6]. Поток учитывал 3 весовые категории судов (легкие, средние и тяжелые) в соотно­шении 0,3, 0,4, 0,3, соответственно.

На рис. 2 показаны полученные путем моделирования зависимости средней задерж­ки вылета от интенсивности потока вылетаю­щих ВС. Величина Δλ показывает увеличение пропускной способности ВПП за счет мини­мизации времени занятия ВПП очередью за­держанных ВС; ΔW - на сколько снизилась средняя задержка вылетов ВС относительно максимально допустимой задержки. При ин­тенсивности потока вылетов, вызывающей максимально допустимую среднюю задержку вылета в 15 мин χ_Σ = 1,4 .

Заключение

Результаты моделирования показали возмож­ность повышения пропускной способности ВПП на 6,3 % за счет упорядочивания очереди вылетающих ВС по интервалам вылета. Проведен функциональный анализ DMAN. Пока­зана целесообразность применения DMAN в наиболее загруженных аэропортах России.