MODELOWANIE PROCESÓW RUCHU I OBSŁUGI STATKÓW POWIETRZNYCH

Modelowanie procesów ruchu i obsługi statków powietrznych
A. Kwasiborska

W części wstępnej opracowania scharakteryzowano ruch lotniczy, jego elementy składowe oraz rolę i zadania służb ruchu lotniczego. Następnie przedstawiono organizację ruchu dolotowego w przestrzeni powietrznej oraz na lotnisku. Omówiono różne sposoby organizacji ruchu odlotowego z uwzględnieniem nowych rozwiązań stosowanych w ruchu lotniczym. Ważną rolę przypisano procesom obsługi statków powietrznych odbywających się na lotniskach, z uwagi na znaczący wpływ prawidłowej ich realizacji na przepustowość operacyjną lotniska. W kolejnych częściach pracy przedstawiono teoretyczną wiedzę dotyczącą metod analizy procesów w ruchu lotniczym. Omówiono również wybrane narzędzia symulacyjne w odniesieniu do analizy wybranych procesów obsługi ruchu lotniczego. Przegląd istniejących metod i narzędzi służących do analizy procesów obsługi statków powietrznych, powiązano ze stwierdzeniem potrzeby poszukiwania nowych rozwiązań i zastosowań. Omawiane metody wzbogacono o przykłady zastosowane do analizowanych procesów obsługi statków powietrznych. Zasadniczą częścią pracy było modelowanie ruchu dolotowego statków powietrznych oraz procesów w ruchu naziemnym. Przedstawiono autorską metodologię postępowania przy analizie ruchu dolotowego statków powietrznych. Zastosowane sieci Petriego oraz narzędzie symulacyjne pozwoliły na określenie autorskiego wskaźnika oceny organizacji ruchu dolotowego. Procesy w ruchu naziemnym, w tym również obsługa naziemna statków powietrznych, zostały opisane autorskim sposobem postępowania przy sekwencjonowaniu przedstartowym statków powietrznych.

SPIS TREŚCI
Wykaz wybranych oznaczeń i skrótów 7
Wstęp 13
1. Ruch lotniczy 15
1.1. Organizacja ruchu lotniczego 15
1.2. Rola i zadania służb ruchu lotniczego 18
1.3. Organizacja ruchu dolotowego w rejonie zbliżania 23
1.3.1. Procedura dolotowa statków powietrznych do lotniska STAR 23
1.3.2. Rozszerzony system zarządzania przylotami AMAN 26
1.3.3. Systemowa metoda organizacji ruchu dolotowego PMS 29
1.4. Organizacja procesów w ruchu naziemnym 35
1.4.1. Zarządzanie operacjami startu DMAN 35
1.4.2. Wspólna platforma podejmowania decyzji A–CDM 37
1.4.3. Charakterystyka obsługi naziemnej statków powietrznych 41
2. Stan badań 55
3. Cel i zakres pracy. 69
4. Wybrane metody analizy procesów w ruchu lotniczym 73
4.1. Klasyfikacja metod teorii szeregowania 73
4.1.1. Podstawowe pojęcia w teorii szeregowania 81
4.1.2. Algorytmy przybliżone w szeregowaniu zadań w ruchu lotniczym 84
4.1.3. Algorytmy priorytetowe w szeregowaniu zadań w ruchu lotniczym 87
4.2. Algorytmy heurystyczne w ruchu lotniczym 90
4.2.1. Charakterystyka wybranych metod heurystycznych 90
4.2.2. Podejście metaheurystyczne do szeregowania lądujących statków powietrznych. 95
4.2.3. Heurystyka populacyjna w lądowaniu statków powietrznych 98
4.3. Wybrane wielokryterialne problemy decyzyjne 102
4.3.1. Rodzaje metod optymalizacji wielokryterialnej 102
4.3.2. Metoda analizy hierarchicznej problemu AHP 110
4.3.3. Przykład zastosowania metody AHP 117
4.3.4. Metoda przedziałowa TOPSIS 121
5. Badanie dolotowego ruchu statków powietrznych 126
5.1. Wstęp 126
SPIS TREŚCI
6
5.2. Modelowanie ruchu dolotowego statków powietrznych 127
5.3. Schematy łączenia lądujących statków powietrznych 132
5.4. Zapis matematyczny 134
5.5. Zastosowanie sieci Petriego w ruchu lotniczym 138
5.5.1. Charakterystyka i podział sieci Petriego 138
5.5.2. Zapis modelu w postaci sieci Petriego 141
5.5.3. Weryfikacja modelu 144
5.5.4. Implementacja modelu na przykładowym lotnisku. 145
5.5.5. Scenariusze eksperymentów symulacyjnych 148
5.5.6. Uzyskane wyniki symulacji. 155
5.6. Modelowanie symulacyjne ruchu dolotowego 156
5.6.1. Opis zastosowanego narzędzia symulacyjnego 156
5.6.2. Scenariusze realizacji dolotowego ruchu statków powietrznych do lotniska 160
5.6.3. Weryfikacja modelu 163
5.6.4. Uzyskane wyniki symulacji ruchu dolotowego. 164
6. Modelowanie procesów w ruchu naziemnym 168
6.1. Zastosowanie teorii masowej obsługi w ruchu naziemnym 168
6.2. Analiza procesu obsługi naziemnej statku powietrznego 176
6.2.1. Dane wejściowe i opracowane scenariusze w modelu 176
6.2.2. Model symulacyjny 178
6.2.3. Weryfikacja modelu 180
6.2.4. Wyniki symulacji 183
6.3. Operacje naziemne statków powietrznych 187
6.4. Sekwencjonowanie przedstartowe statków powietrznych 190
Podsumowanie i wnioski 200
Literatura 204
Spis tabel 218
Spis rysunków 220
218
Tabela 1. Kamienie milowe w A–CDM 38
Tabela 2. Charakterystyka metod szeregowania 77
Tabela 3. Przykład zgłoszeń statków powietrznych do bram TMA. 87
Tabela 4. Uszeregowanie zadań według LPT, SPT, RPT oraz FIFO 89
Tabela 5. Separacje odległościowe dla sekwencji statków powietrznych 96
Tabela 6. Przykładowe sekwencje lądujących statków powietrznych 97
Tabela 7. Interwały czasowe wykonania operacji lądowania 99
Tabela 8. Obliczenia dla określenia niedostosowania heurystyki populacyjnej 101
Tabela 9. Skala preferencji oznaczenia stopnia przewagi elementów 113
Tabela 10. Przykład macierzy preferencji 115
Tabela 11. Losowy index RI. 116
Tabela 12. Macierz parowych porównań dla kryteriów – macierz A. 119
Tabela 13. Znormalizowana macierz – macierz B oraz wagi dl poszczególnych kryteriów 119
Tabela 14. Wartości indeksów spójności dla poszczególnych kryteriów 120
Tabela 15. Ocena uszeregowania ze względu na poszczególne kryteria 121
Tabela 16. Charakterystyka przyjętych kryteriów wraz z ich wagą 121
Tabela 17. Matryca decyzyjna 122
Tabela 18. Matryca znormalizowana 122
Tabela 19. Ważona matryca znormalizowana 123
Tabela 20. Wartości dodatnie i ujemne idealnych rozwiązań 123
Tabela 21. Odległość do dodatnich i ujemnych punktów idealnych 124
Tabela 22. Względny stopień C i zbliżenia alternatyw do rozwiązania idealnego 124
Tabela 23. Zestawienie danych statystycznych próbek Real i Sym 144
Tabela 24. Iloraz wariancji badanych próbek 145
Tabela 25. Minimum separacji pomiędzy przylatującymi statkami powietrznymi 148
Tabela 26. Warianty zgłaszania się statków powietrznych oraz przykładowy plan lotu 149
Tabela 27. Wyniki statystyczne dla scenariusza nr 1 – 1L. 150
Tabela 28. Trasy przelotu statków powietrznych w scenariuszu nr 2 – 2L 151
Tabela 29. Wartości statystyczne dla scenariusza nr 2 – 2L 153
Tabela 30. Wartości statystyczne dla założonych wariantów scenariusza 3L 154
Tabela 31. Zestawienie wyników eksperymentów 155
Tabela 32. Zestawienie danych statystycznych próbek Real i Sim czasów w TMA 163
Tabela 33. Wyniki symulacji dla założonych scenariuszy – liczba korekty prędkości 166
Tabela 34. Zestawienie wyników eksperymentów 167
Tabela 35. Zestawienie wyników eksperymentów 175
SPIS TABEL
219
Tabela 36. Wartości przyjętych prawdopodobieństw wystąpienia zakłóceń dla różnych sekwen-
cji czynności 178
Tabela 37. Zestawienie wyników symulacji wariantów z rzeczywistymi pomiarami 181
Tabela 38. Ścieżki krytyczne dla poszczególnych wariantów 183
Tabela 39. Zestawienie wybranych wyników symulacji uwzględniający zakłócenia – średnie
czasy trwania czynności elementarnych [min:ss] 185
Tabela 40. Ścieżki krytyczne dla scenariuszy symulacyjnych z zakłóceniami 186
Tabela 41. Istotne kamienie milowe podczas planowania operacji startu 188
220
Rys. 1. Budowa i elementy przestrzeni powietrznej w FIR Warszawa 16
Rys. 2. Struktura ruchu lotniczego i naziemnego 18
Rys. 3. Struktura służb ruchu lotniczego 19
Rys. 4. Przestrzeń powietrzna nad lotniskiem oraz obszary odpowiedzialności służb kontroli ru-
chu lotniczego 21
Rys. 5. Przykładowa procedura dolotowa STAR obowiązująca dla Lotniska Chopina 25
Rys. 6. Przykładowe rozmieszczenie stref oczekiwania w procedurze STAR 26
Rys. 7. Schemat działania AMAN 28
Rys. 8. Zasada działania systemu AMAN – widok w pionie i poziomie 29
Rys. 9. Sposób zarządzania operacjami lotniczymi 30
Rys. 10. Trajektorie lotów statków powietrznych przed i po wprowadzeniu systemu PMS 31
Rys. 11. Przykład struktury w postaci dwóch stożków 31
Rys. 12. Struktura układu PMS 32
Rys. 13. Kąty w układzie PMS 32
Rys. 14. Źródła pozyskiwania danych do systemu DMAN 36
Rys. 15. Etapy procesu obsługi naziemnej statku powietrznego 42
Rys. 16. Czynności elementarne obsługi naziemnej statku powietrznego. 43
Rys. 17. Przykładowe rozmieszczenie urządzeń podczas obsługi naziemnej 44
Rys. 18. Wykres Gantta reprezentacji procesu obsługi naziemnej 49
Rys. 19. Zakłócenia podczas obsługi naziemnej 53
Rys. 20. Podział metod szeregowania 77
Rys. 21. Klasyfikacja metod heurystycznych 91
Rys. 22. Sposób rozwiązywania problemu decyzyjnego 103
Rys. 23. Ogólny schemat wyboru najlepszego rozwiązania z decyzji optymalnych 104
Rys. 24. Struktura hierarchiczna 112
Rys. 25. Drzewo decyzyjne wyboru sekwencji statków powietrznych 118
Rys. 26. Preferencje lokalne dla poszczególnych kryteriów 120
Rys. 27. Struktura obszaru zbliżania TMA dla przykładowego lotniska 128
Rys. 28. Przykład sytuacji kolizyjnej podczas łączenia tras dolotowych 130
Rys. 29. Przykład innej sytuacji kolizyjnej podczas łączenia się tras dolotowych 130
Rys. 30. Problematyczny fragment trasy 131
Rys. 31. Ogólny schemat łączenia tras lądujących statków powietrznych 132
Rys. 32. Przykład realizacji skrótów podczas łączenia strumieni lądujących statków powietrznych 133
Rys. 33. Przykładowe grafy odzwierciedlające sposoby łączenia a) 1L, b) 2L 134
Rys. 34. Przykładowa sieć Petriego 140
SPIS RYSUNKÓW
221
Rys. 35. Utworzenie sekwencji statków powietrznych do obsłużenia. 142
Rys. 36. Strona odpowiadająca za modyfikację sekwencji w celu zachowania separacji 143
Rys. 37. Histogramy częstości występowania obserwacji dla 1L i 3L 145
Rys. 38. Funkcje gęstości prawdopodobieństwa zmiennych dla 1L i 3L 145
Rys. 39. Schemat procedury STAR dla Chopin Airport – runway RWY 11 146
Rys. 40. Jednopoziomowy sposób łączenia strumieni statków powietrznych 150
Rys. 41. Wyniki wskazujące przyrost czasu dla scenariusza nr 1 – 1L w poszczególnych wariantach. 151
Rys. 42. Dwupoziomowy sposób łączenia strumieni statków powietrznych 152
Rys. 43. Podsumowanie wyników dla scenariusza 2L. 153
Rys. 44. Schemat ruchu statków powietrznych według procedury STAR 154
Rys. 45. Wykres pudełkowy dla scenariusza nr 3 – 3L 154
Rys. 46. Podsumowanie wyników dla przyjętych scenariuszy i wariantów 155
Rys. 47. Okno przykładowej wizualizacji z możliwością przypisania wartości parametrów 157
Rys. 48. Interfejs użytkownika biblioteki w Simio 158
Rys. 49. Fragment modelu w Simio przedstawiający generowane jednostki (Entity). 159
Rys. 50. Fragment modelu przedstawiający działanie obiektów typu Server 159
Rys. 51. Schemat procedury STAR wraz ze skrótami dla drogi startowej RWY33 Lotniska
Chopina 160
Rys. 52. Schemat procesu regulującego prędkości statków powietrznych 161
Rys. 53. Ustawienie źródła na bramach wlotowych 161
Rys. 54. Fragment danych wejściowych zaimplementowanych do modelu 162
Rys. 55. Schemat modelu odzwierciedlający pełną procedurę STAR 162
Rys. 56. Wykres kwantylowy. 163
Rys. 57. Histogram częstości występowania obserwacji dla badanych prób 164
Rys. 58. Funkcja gęstości prawdopodobieństwa dla badanych prób 164
Rys. 59. Fragment tabeli z wynikami symulacji 165
Rys. 60. Fragment tabeli z wynikami symulacji dotyczącymi uzyskanej przepustowości 165
Rys. 61. Histogram liczby sytuacji wymagającej korekty prędkości statków powietrznych 166
Rys. 62. Wyniki symulacji dla przyjętych scenariuszy 167
Rys. 63. Schemat typowego systemu masowej obsługi 169
Rys. 64. Średnie czasy trwania wybranych czynności obsługi statku powietrznego. 176
Rys. 65. Model procesu obsługi naziemnej w Simio 179
Rys. 66. Weryfikacja modelu na przykładzie wybranych czynności obsługi naziemnej 182
Rys. 67. Fragment wyników symulacji modelu z zakłóceniami 184
Rys. 68. Fragment wyników symulacji modelu z zakłóceniami dla wariantu random 186
Rys. 69. Schemat istotnych momentów podczas planowania operacji startu 188
Rys. 70. Graf odzwierciedlający ruch naziemny lotniska wraz z punktami charakterystycznymi 191
Rys. 71. Możliwe sekwencje przedstartowe 197