Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Анализ и синтез систем метеорологического обеспечения авиации

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Анализ и синтез систем метеорологического обеспечения авиации"

комитет по гидрометеорологии и мониторингу

окружающей среды министерства экологии и природных ресурсов ■ российской федерации

ордена трудового красного знамени главная геофизическая обсерватория им. а.и.воейкова

на правах рукописи

СОЛОНИН Александр Сергеевич

удк 519.7+551.5:629.7

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВИАЦИИ

04.сю.22—геофизика

автореферат диссертации на соискание ученоп степени доктора физико-математических наук

санкт-петербург 1992

Работа выполнена в Главной геофизической обсерватори им. А. И. Воейкова. .

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Р. Е ЕФРЕМОВ доктор физико-математических наук, профессор А. И. КОЗЛОВ доктор технических наук, профессор Р. М. ЮСУПОВ

Ведущая организация: Академия гражданской авиации

Защита состоится " 19 года в 1

часов на заседании специализированного совета Д 024.06.01 Ордена Трудового Красного Знамени Главной геофизической обсер ватории им. А. И. Воейкова по адресу: 194018, г. Ленинград ул. Карбышева, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Главно геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова.

Автореферат разослан " " 199^ Г.

Учений секретарь специализированного совета,

доктор географических наук — Н. В. Кобышевг

Г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

' Актуальность темы. Современная четырехмерная навигация, пирающаяся на высокоточные навигационные системы, имеет дело погрешностями вывода воздушного судна по отдельным точкам рассы до 20 с и менее. Такие погрешности могут быть достигну-ы только при условии полного учета метеорологических условий, арактеризуемых также с очень машми погрешностями.

В планировании и управлении воздушным движением необходим чет состояния внешней среды в точках и областях пространства, которых воздушное судно будет находиться при полете по рассе, т.е. необходимо иметь прогнозируемые характеристики нешней среды. По существу, при метеообеспечении дело имеют :егда с прогностической информацией. При этом информация о жтической погоде используется в том смысле, что за время, юшедшее после ее получения (срок наблюдений), изменение метрологических величин и условий не превышает допустимых пог-?ишостей. Очевидно, чем выше временная изменчивость метеоро->гических условий (эта изменчивость свойственная большинству 1асных явлений, а также сложным условиям), тем большая роль пшадлежит прогнозам различной заблаговременности. С другой ■ороны, прогнозы с большой заблаговременностью имеют и боль-ге ошибки в прогнозируемых явлениях и величинах, поэтому при [анировании и управлении воздушным движением целесообразно :пользовать минимальные интервалы упреждения.

Оперативное функционирование автоматизированных аэронави-щионных систем приводит к необходимости минимизации времени мерения и обработки информации о параметрах физического 'Стояния атмосферы на воздушных трассах и в районах аэропор-в. При оценке условий взлета, посадки и полетов на эшелонах ъем информации, которую необходимо обрабатывать в авиацион-х метеорологических центрах и станциях, с каяздым годом зна-тельно увеличивается в связи с использованием новых видов формации о физическом состоянии атмосферы, получаемой, нап-мер, системами дйстанциоттого зондирования, а также воз-станием потока метеорологической информации от аэропортов

первой посадки, запасных аэродромов и гидрометеостачций што; мового кольца. В связи с этим проблема непрерывной обрабоп метеорологической информации, поступающей в автоматизирован^ систему планирования и управления воздушным движением станс вится неразрешимой без построения автоматизированных систе метеорологического обеспечения. Именно поэтому в нашей стра* и за рубежом все большее внимание уделяется разработке исследованию автоматизированных систем метеорологическог обеспечения процессов аэронавигации.

Значительный рост интенсивности воздушного движения, уве личение объема воздушных перевозок, широкое развитие сети аг ропортов на магистральных и местных воздушных линиях, появле ние новых типов воздушных судов, имеющих большие скорости грузоподъемность, обуславливают необходимость дальнейших тес ретических и экспериментальных исследований проблемы автомату зации процессов планирования и управления воздушным движение)* Важной составной задачей этой комплексной проблемы являете разработка эффективных физических и математических методе анализа и учета информации о физическом состоянии атмосферы автоматизированных системах аэронавигации. Решение рассматру ваемой задачи значительно способствует выполнению авиационнс метеорологической службой.своих основных функций, состоящих обеспечении безопасности, регулярности и экономической эффен тивности воздушных перевозок.

Цель исследований. Целью диссертационной работы явилос теоретическое обобщение авиационнометеорологических аспекте проблемы четырехмерной аэронавигации, развитие системного пог хода к познанию влияния физического состояния атмосферы на пс леты воздушных судов и разработка на этой основе методов, аг горитмов и автоматизированных технологий анализа и комплексно го использования климатологической, фактической (текущей) прогностической информации о физическом состоянии атмосферы задачах метеорологического обеспечения четырехмерной азронави гации при автоматизации процессов планирования и управлени воздушным движением.

Научная новизна. Рачработаны обоснованы и развиты прин ципы комплексного учета информации о физическом состоянии ат мосферы в моделях четырехмерной аэронавигации. Проведен системные исследования моделей физического состояния атмосфер

■зронавигационные модели движения воздушных судов. Синтези-аны модели взаимодействия атмосферы с воздушными судами, троены координирующие стратегии управления системами класса мосфера-воздушные суда". Синтёзирована теоретико-множест-:ная система стрлстурных отношений "атмосфера-воздушные су-

Разработаны координирующие стратегии оптимальных взаимо-[ствий ее управляющих блоков, образующих иерархическую >уктуру, с учетом информации о физическом состоянии атмосфе-

Развиты теоретические основы теории распознавания опасных . ; авиация явлений погоды. Исследован класс квадратичных мет-юских функций в задачах распознавания и классификации ат-:ферных процессов и явлений.

Предложен и исследован новый класс сингулярных метри-. :ких функций для задач анализа информации о физическом :тоянии атмосферы. Доказана теорема о сходимости порожденных I адаптивных алгоритмов распознавания и классификации. Эф-;тивность построенных алгоритмов подтверждается серией ;ленных экспериментов при распознавании опасных для авиации [ений погоды.

Впервые разработаны принципы учета климатологической ин->мации о сложных метеорологических условиях при оптимизации досрочных планов движения воздушных судов (авиарасписания), лгана теорема об оптимальных сдвигах авиарасписания по ба-1ым контурам.

Построены новые алгоритмы принятия оптимальных решений, ¡опасных в метеорологическом отношении, при оперативном упоении несколькими классами воздушных судов.

Впервые построены и строго математически обоснованы алго-■мы оптимального учета климатологической, фактической и ¡гностической информации о физическом состоянии атмосферы в 1ачах автоматизации процессов долгосрочного планирования и ¡ративного управления полетами воздушных судов с использова-!М методов математической логики.

Разработана автоматизированная интерактивная технология хорологического обеспечения четырехмерной аэронавигации.

Разработана система имитационного моделирования для авто-

матизированиого проектирования перспективных систем метеоро; гического обеспечения процессов планирования и управления вс душным движением.

Таким образом, разработанные теоретические положения я ляются новыми фундаментальными достижениями в развитии тако перспективного направления, как метеорологическое обеспечен аэронавигации при автоматизации планирования и управления во душным движением.

Практическая ценность. Полученные в диссертации результ ты по вопросам анализа и учета климатологической, фактическ и прогностической информации о физическом состоянии атмосфе используются при разработке систем метеорологического обесп! чения автоматизированных систем навигации и управления возду; ним движением разных уровней иерархии. Алгоритмы распознавай: опасных для авиации явлений погоды использованы при разработ! автоматизированной радиолокационной системы штормоповеценш Предложенные принципы учета климатологической информации сложных метеорологических условиях в долгосрочном планирован] движения воздушных судов использованы при соверпенствоваш АСУ "Расписание".

Автоматизированная интерактивная технология метеоролоп чес::ого обеспечения авиации положена в основу проекта техш ческого переоснащения Главного авиационного метеорологически центра

Положения диссертационной работы использовались при раг работке принципов построения единой автоматизированной систеь организации воздушного движения страны, а также в мелщунаро; ком проекте построения комплексной автоматизированной систе). метеорологического обеспечения авиации и других отраслей на родного хозяйства КАС-МЕТЕО.

На защиту выносятся:

- принципы комплексного учета информации о физически состоянии атмосферы в моделях четырехмерной аэронавигации, ко ординирующие стратегии управления системами класса "атмосфе ра-воздушные суда"; ■

- новый класс сингулярных метрических функций и адаптив ных алгоритмов распознавания опасных и сложных для авиации йв лений погоды;

- принципы построения диалоговых систем метеорологическо

беспечения четырехмерной аэронавигации и автоматизирован-технология анализа и прогноза погоды для авиации;

- комплекс моделей /чета климатологической, фактической и ностической информации о физическом состоянии атмосферы в .чах планирования и оперативного управления воздушным дви-:ем;

- автоматизированные системы метеорологического обеспече-. авиации разного уровня и их имитационные модели.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и вдались:

- на II, III, IV и У-ой Всесоюзных научно-практических, [еренциях по безопасности полетов в гражданской авиации шнград, 1979, 1982, 1985, 1988);

-на IV Ленинградском симпозиуме по теории адаптивных гем (1979); '

-на Всесоюзной научно-технической конференции по безо-юсти полетов в условиях опасных внешних воздействий (Киев, 1);

-на Всесоюзных конференциях по применению статистических □дов в метеорологии (Алма-Ата, 1981, Казань, 1985);

- на VI Всесоюзном совещании по радиометеорологии (Тал-н, 1982);

■ - на Всесоюзной конференции по статистической радиофизике нск, 1984);

- на Всесоюзных конференциях по авиационной метеорологии сква, 1986, Суздаль', 1990);

- на Всесоюзной конференции по активным воздействиям на ;рометеорологические процессы (Обнинск, 1987);

- на Международной ' конференции по автоматизированным ¡темам управления (Пловдив, 1987);

- на Международном симпозиуме по комплексному обеспечению ¡ударственных органов, народного хозяйства и общественности ■еорологической информацией (Потсдам, 1989);

- на совместном заседании секции N б 25 международной ¡ференции по радиолокационной метеорологии и 4 конференции авиационным метеорологическим системам (Париж, 1991).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы >гбликованы в 45 печатных работах и одной монографии, список горых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит введения, семи глав, заключения и списка цитируемой литерат ив 219 наименований. Общений объем страниц текста - 386, которых 9 таблиц, 46 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается актуальность проблемы, формули] гася цели и задачи работы, дается обоснование системного п( хода к проблемам четырехмерной аэронавигационной метеоролол интерактивным технологиям анализа и комплексного использова} информации о физическом состоянии атмосферы в задачах планзд вания и управления воздушным движением, приводятся основ} положения работы, выносимые на зашиту и кратко излагается с держание диссертации по главам.

В первой главе приводится анализ основных концептуалы-принципов метеорологического обеспечения четырехмерной аэро* вигации.

С одной стороны, современная четырехмерная азронавигаь рассматривается как единая система, обслуживающая все эта полетов воздушных судов всех ведомств и включающая в себя с вокупность средств и систем планирования и управления возду ным движением, средств и систем навигации и посадки, структу воздушного пространства районов и зон управления, а также ле ный и диспетчерский состав, выполнявший установленные прави и процедуры. С другой стороны,. аэронавигационная система явл ется составной частью значительно более широкой "системы во душного пространства", эквивалентной понятию "транспорт!! система воздушных перевозок". Она включает в себя целый р подсистем, в том числе управления воздушным движением, мете рологические службы и другие. Эффективное функционировав большой системы обеспечивается соответствующим уровнем функц онирования входящих в нее всех подсистем.

Важнейшим показателем "системы воздушного пространств; является безопасность. При оценке безопасности обращается вн] мание не на надежность отдельных компонентов, а на без( пасность и эффективность системы в целом. Сама "система без< паснссти" базируется на понятии опасности отказа, в связи

чем возникает вадача распознавания опасности отказа, прогнозирования ' опасности отказа, анализа факторов, формирующих опасность отказа. Опыт эксплуатации больших систем, особенно транспортных, показывает, что именно опасные условия приводят к происшествиям. По этой причине при разработке программ системой безопасности предусматривают этапы распознавания опасных условий, оценки связанного с ними риска, анализа опасности, мер по устранению опасности. Как видно, главная цель состоит в предупреждении и устранении опасности отказа.

Это в полной мэре относится к предупреждению отказов (аварий) по причине воздействий на воздушные суда внешних условий окружающей среды (метеорологических условий) в четырехмерной метеорологической аэронавигационной системе. При этом отмечаются принципиальные трудности математического анализа и синтеза методов обработки и оптимального учета информации о физическом состоянии атмосферы при автоматизации процессов метеорологического обеспечения систем четырехмерной аэронавигации, которые заключаются в следующем:

- система состоит из многих взаимосвязанных подсистем, выполняющих преобразование огромного объема информации (метеорологической, навигационной и др.);

- в структуру системы на разных уровнях иерархии в качестве составляющего элемента входит человеческое звено (авиационные синоптики, диспетчеры управления воздушным движением и др. , работающие в режиме диалога с системой),которое принципиально не дает возможности описать ее в виде системы уравнений:

- если пренебречь присутствием человеческого звена в системе и описать её в виде традиционных моделей теории управления (систем алгебраических, дифференциальных и разностных уравнений), она будет иметь столь громоздкое описание, что практическая работа с ней невозможна (даже на самой мошной и быстродействующей вычислительной машине не решить систему уравнений возникающей здесь размерности).

- цели управления и критерии качества функционирования системы сложно формализуемы и зачастую противоречивы; •

- существует некоторая неопределенность относительно климатологической. фактической и прогностической информации о параметрах физического состояния атмосферы в силу ее статисти-

ческого или вероятностного характера (точность измерения, ] пространственная и временная дискретизация, ошибки обработга анализа и т. д.), что требует введения в систему элементов об: чения и адаптации.

Все эти обстоятельства приводят к тому, что система мет« орологического обеспечения четырехмерной аэронавигации долла быть иерархической и адаптивной.

Иерархическая организация автоматизированной системы ме теорологического обеспечения требует прежде всего распредели ния решаемых задач обработки метеорологической информации и е учета при управлении воздушным движением между отдельные уровнями иерархии и входящими в нее подсистемами. При этс критерии разделения на подзадачи должны быть естествен!: обусловлены, то есть решаемые задачи возможно более независи мы. Независимость подзадач обеспечивается слабой связью v исходных данных, а также доминированием оптимизируемого фуни ционала качества одной задачи над функционалом другой на зе данном уровне иерархии. Таким образом, рассматриваемая диссертации иерархическая структура задач обработки климатолс гической, фактической и прогностической информации о парамет pax физического состояния атмосферы и ее учета в задачах дол госрочного планирования (составления авиарасписания) и опера тивного управления воздушным движением, ' является основой дл использования математических методов системного анализа дл решения задач, входящих в рассматриваемую иерархическую адап тивную систему метеорологического обеспечения четырехмерно аэронавигации.

Во второй главе анализ задач четырехмерной аэронавигаци онной метеорологии приводит к структурному описанию систем отношений в теоретико-множественной модели "атмосфера - воз душные суда". Рассматриваются вопросы учета параметров физи ческого состояния атмосферы в задачах ее координируемости оптимизации управления.

Строится обобщенный класс алгоритмов последовательной об работки климатологической, фактической и прогностической мете орологической информации для автоматизации метеорологическог обеспечения процессов долгосрочного планирования и упраЕлени воздушным движением.

С использованием теоретико-множественного подхода систем

гмосфера-воздушные суда (ЗДС допускает описание в виде адек-атной математической модели:

3 еУ х X х Т х N х С,

«(дг-вс)

це V - {у>, у = (у,.....ут ) - набор характеристик, которые

пределяют положение воздушных судов в процессе их движения по рассам с г С; Х= {х>, х = (х,,..., х„) - комплекс метеорологи-эских параметров; Т = < - время; N - пункты, в которых име^ гея информация о физическом состоянии атмосферы. Следующая Эобщенная диаграмма отображений показывает основные этапы энцептуальных построений модели системы З^^атмосфера-воз->плныесуда:

•и

■ЧМ1)

II""

М1ЙГ)

Синтезируемая модель 3„(лТ.ао с определенной степенью зекватности отражает особенности 5ЛГ.ЙС . При этом в режиме акционирования модель 3*мт.вс) способна на основе непрерывно' вступающей метеорологической и навигационной информации измерь свои параметры, либо свою структуру с тем, чтобы с тече-гем времени более адекватно описывать физические особенности готемы З^т-ос

Контролирует и регулирует процесс движения воздушных су-)в Г е Г , функционирующих в 3<г.йг , система управления воз-шшым движением, структура которой абстрактно представляется виде двухуровневой системы 3:

5 '<11.'. и.......ил ; 5Я(Дг.во >,

;е П. - система управления верхнего уровня (координатор);?/., 1 : ч< п - система оперативного уровня управления; Зм(лт.ве) -[равляемая система, описанная выше; —< - предикат, устанавли-1ющий место каждой управляющей системы в иерархии Б,

Преодоление внутриорганизационных конфликтов между про-ссами управления движением воздушных судов Г е Р в подсисте-

мах системы Злг.вс осуществляется вышестоящей управляю-

щей системой, которая стремится согласовать их взаимодействие с использованием ряда координирующих стратегий (предписыванш взаимодействий, сравнения взаимодействий и. множества взаимодействий).

Целью управления воздушным движением в системе Б являете; решение задач и -1ц. , стоящих перед вышестоящей системо! и. и системами оперативного уровня управления , оптимальным образом. При этом оптимальность понимается в смысле достижения экстремумов для функционалов (V'", V'''), характеризуют«:

экономичность, регулярность и безопасность полетов.

о

Совместное решение оптимизационных задач на вышестоящем уровне управления и Тг1. на оперативном уровне при управ лении системой 3 А1-йс приводит к необходимости модификаци: стратегий согласования взаимодействий для устранения Еозникаю щпх противоречий между оптимальными управляющими воздействиям разных уровней иерархии системы 5.

Поиск оптимальных координирующих и оперативных управляю щпх воздействий производится с Использованием модифицировании стратегий предписывания, сравнения и множества взаимодействий Эти стратегии позволяют построить оптимальное управление все системой и определить оптимальные оперативные управляю

щие воздействия для подсистем , входящих в 5л1.цС .

Синтез обобщенного класса алгоритмов А £ Л метеороло гического обеспечения авиапии приводит к рассмотрению се мейства частных классов ■{ Л; ) алгоритмов А; еЛ; , которь связаны с декомпозицией задачи оптимального управления систе мой 5ДГ _йс на ряд подзадач. В это семейство {А; } входят т[ основные класса алгоритмов. Во-первых, класс алгорит мов А,ьЛ, - построения долгосрочных планов движения воздуп ных судов. Во-вторых, класс Л2 алгоритмов /^¿Л* - обработь и анализа информация о физическом состоянии атмосфер1 В-третьих, класс алгоритмов а, Л, - учета фактической прогностической информации о физическом состоянии атмосфе[ при оперативном управлении воздушным движением. Синтезируем! обобщенный алгоритм АеЛ управления системой предста]

ляется композицией А - А, « Ая <- А1 частных алгори: мов А: с Л;,;-".« . При этом каждый частный алгоритм А1 является обобщенным алгоритмом решения задачи, поставленш

д классом алгоритмов Я; , и представляется композицией ..•/{; . где А-а А; - частный алгоритм решения за-I, стоящей перед классом алгоритмов Д. , 1 « 1, 2, 3, ] -ю алгоритмов, необходимых для,синтеза оптимального обоб-юго алгоритма А,- . В последующих главах синтезируются ал-имы для этих классов Л; .

В третьей главе исследуются различные классы метрических {ций в задачах распознавания опасных метеорологических яв-1й с использованием фактической и прогностической информа-о параметрах физического состояния атмосферы. Постановка зчи распознавания метеорологических явлений (опасных для ации), рассматриваемая в работе, имеет геометрическую при-¡г и отвечает эвристическим соображениям о близости в неко-эй метрике сходных метеорологических явлений (данных наблю-нй за физическим состоянием атмосферы). При этом решение ачи распознавания метеорологических явлений определяется из бования минимизации критерия оптимальности:

где {д.(х,г )}*- семейств-о метрических функций, зависящих Еекторного параметра г & И"1 , разбиение {Х: ( г )>£ странства признаков X метеорологических (явлений определяя условиями Х; ( г ) » <х : q.(x, т),<ш!п д С х, ? )}, |г) (х) - характеристическая функция множества Х;(т ), Р -предедение вероятностей, Р(Х) =1. Предполагается, что' ютранство признаков X является евклидовым пространством ¡мерности 1 со скалярным произведением (х, у) элементов х<г и у £ X Критерий оптимальности г ) определяется »йствами метрических функций ч; (х, г ), где х - вектор па-ютров физического состояния атмосферы, определякэдих наблю-шое метеорологическое явление, а т - вектор параметров юсификатора. В работе рассматривается наиболее интересный I приложений случай квадратичных по х метрических функций:

а; (х, г) - +8(0;(г),х) +(Л- (Ох, х),

з (г )},"{/>; (г)} и ( Г; ( -г )} - параметры квадратичной рмы - соответственно скалярные, векторные и матричные вели-

чины, являющиеся функциями векторного аргумента т . Предп гается также, что при каждом г и любом 1 матрицы ^ ( т ) метричны и неотрицательны. Исследуются случаи положительно ределенных и сингулярных метрических функций. Если с1еЬ > О, то положительно определенные функции (х,т ) преде ляются в виде с1; Сх, г ) ■= ( Г ) - ii щ (г )|11 + ( Г; ( г

- и; Г г )),х - и; (г )) , где и; ( г ) - ) /*; (? решение задачи распознавания в этом случае приводит к пост нию квадратичных дискриминантных функций. Если с1е! ¡Г; ( ? = 0, то метрические функции ц (х, г) сингулярны. При рассматриваются метрические функции специального вида:

[(и,;', х) +■ у"']* ц (х< т ) = ->

где г = ({и"'>, {у>), у"'- скалярные величины, и векторные, а - проекционные симметричные матрицы, удов, воряющие условиям (3* - 0; , С^ = 0; ■ (0; и'" , и'" ) < О* - матрица, сопряженная матрице 0; . Минимизация фунта нала V (г ) соответствует в этом случае определению таких перплоскостей Си"' , х) + у"' = 0 ), для классов метеор< гических явлений X ; ( г ), относительно которых "рассея! выборки данных наблюдений наименьшее.

Наиболее важными являются два следующих типа сингуля1 метрических функций. Если 0; - единичная матрица, то я (х,

- [(и , х) + V ] • и и'"н'2 . В этом случае решение за; классификации позволяет выделить независимые признаки: этого следует каждое множество X; ( т) "спроектировать' найденную гиперплоскость и тем самым избавиться от "несущ? венного признака", определяемого вектором и'" .

В случае когда - диадное произведение некоторых не рованных векторов, то процедура классификации является обоС нием метода наименьших квадратов, все пространство призн: разбивается на N подмножеств и в каждом подмножестве наход! своя линейная аппроксимация заданной функции.

Для решения вадач автоматической классификации испол! ются рекуррентные процедуры оценивания оптимального значе параметрам функционала V/ (г) без восстановления неизвестл

>аспределения вероятностей параметров физического состояния ямосферы, которые представляются в следующем виде:

т.., - гп - ^ ^ (Хп , гь),

где а' = (а, , ), - неотрицательные

пела, \7Г х, ) .- градиент функций ц по аргументу г .Такие роцедуры, называемые процедурами стохастической аппроксима-щ, порождают адаптивные алгоритмы распознавания, которые добны в реализации на ЭВМ. Основным условием сходимости сто-астических градиентных процедур является предположение о ипшпцевости по г вектор-функций (х, г ). В случае сингу-ярных метрический функций это условие не выполнено. В связи с тим предлагается процедура оценивания параметров экстремаль-ого разбиения пространства признаков, включающая наряду с спользованием стохастического градиента операцию нормировки, го приводит к новой адаптивной процедуре автоматической лассификации:

С! = С - 1Г.,Г>1(Х ). V.,:, (X. , Т„ ),

к» = • • 0;' и';', г1

где I (х) - характеристическая функция класса метео-элогических'явлений X; С г ), и„., - вектор из представления - (и„„ - , у„„ 1. Эта процедура уже не является стохасти-гски градиентной. Поэтому разработаны новые средства для до-1зательства сходимости процедуры классификации в случае син-глярных метрических функций.

Эффективность предлагаемых алгоритмов автоматической гассификации с рассмотренными выше метрическими функциями до-кзывается сериями численных экспериментов по распознаванию юзовых и ливневых кучево-дождевых облаков, а также зон ат-юферной турбулентности ясного неба, вызывающих болтанку воз-тиных судов.

При построении алгоритмов распознавания грозовых и ливне-' IX кучезо-дождевых облаков используется унифицированный архив' биолокационной метеорологической информации, полученной с ■мощью автоматизированных наблюдений. Данные автоматической работки и представления радиолокационной метеорологической

информации, входящие в архив, представляют собой статистические ряды реализаций, дискретно описывающих вертикальны) профиль отражаемости Ъ (Н) гроз и осадков - Хц («о) -- Н шах 1 отражаемость в слоях высоты 2-4 км (х^ (ю) - Ъх ), 4-6 км (х, («)•= Ъъ ), 6-8 км (х V ) "1ч), 8-10 км (хг(^) ■ = Ъ^ ). По этим данным был построен файл грозовых и ливне вы: СЬ, состоящий из 21 625 случаев. Из них 13 334 грозовых случаев.

Вся радиолокационная информация, входящая в архив, привя зана по времени и пространству к соответствующей информаци: метеорологических станций штормового кольца, а также к аэроло гической и синоптической информации.

Обучение и проверка эффективности предлагаемых адаптивны алгоритмов распознавания грозовых и ливневых СЬ осуществляете на пяти выборках, построенных программно по данным архива, ко торые включают в себя радиолокационную метеорологическую ин формацию о грозах и ливнях в наиболее важной для диспетчерско го состава управления воздушным движением зоне подхода ради усом 150 км. Анализ результатов распознавания показывает, чт при использовании процедур адаптации для оценок параметро дискриминантных функций (линейных и квадратичных) к особен ностям данной обучающей выборки вероятность правильной класси фикации повышается на 5-10% и составляет 90-05%.

Для повышения эффективности алгоритмов распознавания грс зовых и ливневых СЬ построены как линейные, так и квадратичнь решающие правила для прогноза возможности конвекции с исполь зованием аэрологической и синоптической информации, входящей описанный Еыше архив.

Основой численных экспериментов на ЭВМ по распознавай потенциальных зон болтанки воздушных судов при полете в турб! лентной атмосфере является семимерное пространство параметре полей ветра и температуры, вычисленных по данным учащенно1 радиозондирования. Вероятность правильного распознавания д; исследованной выборки зон болтанки составляет 0. 85 при испол! зовании предлагаемых адаптивных алгоритмов построения дискр! минантных функций.

В четвертой главе рассматриваются теоретические вопро<

организации диалогового интерфейса между пользователем и выделительной системой метеорологического обеспечения четырехмерной аэронавигации, в частности, анализируются языковые средства диалогового процесса в системе, описываются требования к программным средствам построения диалога.

Наиболее важной характеристикой, которая влияет на эффек-гивность и качество функционирования, является ее реактив-гость, то есть время, затрачиваемое на обработку поступающей авиационной метеорологической информации о физическом состоя-таи атмосферы, 1 принятие решения на основе этой информации и ' поведение принятого решения до исполнительных органов системы (Правления воздушным движением. Вот почему одной из основных задач при построении автоматизированных систем метеорологического обеспечения процессов аэронавигации является организа-' да диалогового режима, позволяющего за минимальное время информировать пользователя о состоянии базы данных о фактическом I прогностическом распределении метеовеличин и явлений погоды з контролируемой области воздушного пространства.

Для пользователей, не являющихся специалистами в области' математического обеспечения вычислительных систем и не знакомых в деталях с' конструкцией программных средств обработки авиационной метеорологической информации, необходим интерфейс, соторый обеспечивает управление возможностями автоматизирований системы метеорологического обеспечения аэронавигации, а [•атаке обработку и интерпретацию результатов. Интерактивный интерфейс означает то, что пользователь работает непосредственно : метеоинформацией, располагающейся в базе данных о физическом :остоянии атмосферы, через терминал ввода - вывода

Рассмотрим организацию интерфейса между пользователем и зычислительным комплексом системы метеорологического обеспече-шя аэронавигации как математическое описание некоторого алго-мтмического процесса Введем следующие обозначения:

Т^ - множество текстов языка ЦР) пользователя системы метеорологического обеспечения аэронавигации;

^Цм) множество текстов языка ЦМ) вычислительной-системы метеообеспечения; 2 - множество смыслов языков ЦР) и ЦМ) (считаем, что смысловые множества языков совпадают).

Пусть

<Ч(Р) : ТМ? 3 функция, отображающая в 5, а

йш) г _>

фушшпя, отображающая Б в . функции ¿щ>) и Рц^) бу-

дем считать однозначными. Тогда интерфейс между пользователем и вычислительной системой метеообеспечения аэронавигации можно представить следующей последовательностью действий:

1. Находится значение . Пусть = зеЗ.

2. Находится значение Рц^ (з) = .

3. Процесс повторяется.

Тагам образом, интерфейс должен обеспечивать построение по тексту Ь1' соответствующего машинного текста 1п . Более эффективным, однако, будет алгоритм, который заключается в явном задании процедуры вычисления функции, которая является композицией функций и р '■

Такая функция определяется на множестве Тц^ и прини-

мает значения из множества Тм>,) . Построение функции Т1а{?П) позволяет исключить при описании диалогового интерфейса между пользователем и вычислительной системой' метеорологического обеспечения аэронавигации плохо формализуемое ' множество смыслов 3. Вместе с тем, поскольку ^цм) определена и принимает значения на множествах текстов, легче поддающихся формальному изучению, то и алгоритм вычисления этой функции описывается проще. При разработке этого алгоритма необходимо учитывать семантику языков ЦР) и ЦМ).

Процессы обработки авиационной метеорологической информация, такие как форматно-логический контроль, анализ, классификация,, 'поиск и' извлечение из базы данных системы необходимой' информации о физическом состоянии атмосферы, выполняются интерактивно под управлением 'пользователя системы метеообеспечения с одновременным выполнением процессов корректировки и поддер-

ния в рабочем состоянии информационных массивов с учетом из-нений, возникающих-в процессе обработки. Анализ задач взаи-действия пользователя с автоматизированной системой метеоро-гического обеспечения выдвигает следующие требования к орга-зации диалога:

1. Диалог должен обеспечивать выполнение процессов анали-и представления результатов обработки на терминале вво-

- вывода в форматах, принятых в практике метеорологического еспечения авиации.

2. В режиме диалога должен быть обеспечен эффективный ступ к информационной базе данных о физическом состоянии ат-сферы автоматизированной системы метеорологического обеспе-ния аэронавигации.

3. Необходимо предоставить пользователю средство формиро-ния структуры диалога на языке, близком к профессиональному ыку авиационного синоптика и диспетчера управления воздушным ижением.

Совокупность решаемых в автоматизированной системе метеологического обеспечения аэронавигации задач образует иерар-ческую структуру, которой соответствует иерархия программных дулей, реализующих алгоритмы решения этих задач, и иерархия формационных массивов с данными о физическом'состоянии ат-сферы, для которых формулируются соответствующие задачи и торыми оперируют программные модули. Использование диалого-го режима общения пользователя с вычислительной системой ме-ообеспечения' дает ему возможность доступа к любому уровню рархической системы взаимосвязанных данных и задач, а также зволяет проводить вычислительный процесс на разных уровнях гализации и легко переходить с одного уровня на другой с лью более глубокой оптимизации получаемого результата. При эм пользователь автоматизированной системы метеообеспечения ронавигации имеет возможность найти оптимальное решение дан-й конкретной задачи, выбирая некоторую последовательность цзадач, решение которых предусмотрено в рассматриваемой гтеме.

Программное обеспечение диалогового режима автоматизирб-иной системы метеорологического обеспечения аэронавигации зработано на основе общего программного обеспечения вычисли-льных систем с использованием стандартных операционных

систем и подразделяется на две части: системное программн(| обеспечение, позволяющее■пользователю общаться с вычислитель ной системой метеообеспечения на уровне языка ЦР), .а не н уровне языка программирования, и специальное программно обеспечение, представляющее собой комплекс программ, реализо ванных на одном из алгоритмических языков программирования решающих задачи обработки и представления авиационной метеоро логической информации.

Основой для разработки и создания программного обеспече ния является принцип структурного построения, состоящий в ие рархии компонентов программного обеспечения и их модульной ор ганизации. Иерархия связей мэжду компонентами программног обеспечения заключается в подчиненности всех компонентов прог раммного обеспечения нижних уровней компонентам высших.

Модульное построение программного обеспечения, реализую щего обработку и представление в форматах отображения метеоро логической информации, предполагает деление его на фуикцио нально завершенные части (модули) и .унификацию связей межд: ними. Программные компоненты удовлетворяют следующим требованиям модульности:

1) функциональная завершенность и максимальная независимость компонентов;

2) максимально возможная локализация связей между компонентами и данными;

3) единственность точек входа и выхода;

4) унификация связей по управлению и данным между компонентами;

5), ограниченность размеров компонентов;

6) унификация формы и структуры программных текстов компонентов.

Системное программное обеспечение осуществляет связь между базовым языком программирования ЦМ) и языком пользовател; ЦР) системы метеорологического, обеспечения аэронавигации. Основной частью системного программного обеспечения являет« управляющий блок, называемый монитором. В функции мониторе входят прием команд пользователя, сформулированных на языке ЦР),- интерпретация имеющейся в команде информации в термина? языка ЦЬО, организация и оптимизация связи между оперативно? памятью вычислительной системы и базы авиационных метеорологи-

еских данных на дисках, реализация макрокоманды, соответствующей данной команде пользователя, а также оформление ответных эобщений на языке ЦМ) в терминах языка ЦР), соответствующих эрматам представления метеорологической информации на терми-алах ввода-вывода.

Рассмотренные вопросы организации диалога в автоматизиро-анных системах метеорологического обеспечения аэронавигации асаются как процессов обработки и представления буквенно-циф-эвой метеорологической информации, так и вопросов формировали и преобразования авиационной метеорологической информации графической форме.' Графическая форма представления такой ин-эрмации обладает: наглядностью, емкостью и высокой скоростью эсприятия пользователем системы метеорологического обеспече-1я аэронавигации. Язык диалога с использованием интерактивно-э графического терминала осуществляется с помощью расширения эмандного языка ЦР), которое позволяет при построении каждой [•дельной команды Л ЦР) совместно использовать простые гкстовые сообщения и графические построения на экране дисп-)я. При этом пользователь работает с алфавитно-цифровой и национальной клавиатурами и устройством типа "Мышь", которы-1 оснащаются современные графические дисплеи, входящие в >став рабочего места автоматизированной системы метеорологи-;ского обеспечения аэронавигации.

Организация, графического диалогового режима в автоматизи->ванной технологии метеорологического обеспечения аэронавига-1и позволяет создать автоматизированную технологию анализа и югноза погоды для авиации, которая включает:

1) Ввод необходимой исходной метеорологической информации.

2) Формирование карт барического поля.

3) Комплексный анализ всей исходной информации.

4) Составление прогноза синоптического положения и форми->вание прогностических карт на экране компьютера

5) Проведение расчетных операций:

. ' - прогноз барического поля с различной заблаговремен-ютью;

• - расчет промежуточных прогностических характеристик;

- прогноз метеорологических величин (температуры и точки 'СЫ, облачности, параметров ветра, видимости);

- прогноз ОЯП (грозы, осадков, града, обледенения, голо-

леда, болтанки, тумана, метели, шквала и т. п.).

6) Вывод результатов расчетов на средства отображения.

В пятой главе рассматриваются модели учета физическо! состояния атмосферы в задачах четырехмерной аэронавигацга Описываются математические принципы учета климатологическс информации при построении стратегий автоматизирование)] составления долгосрочных планов движения воздушных судов (ав! арасписания). Предлагается ряд алгоритмов оптимизации функци< нирувдего авиарасписания, учитывающих особенности климатолог; ческой информации. Общая задача составления авиарасписан; формализована на логическом языке исчисления предикатов перв; го порядка

Расписанием называется кортеж трех отношен: < о (В. <0, ¿(В. с, е, с1), <х (д, п> на множествах е х в х С х Т х.О, 6 х Р. определяющих начало каждого рейса и трассы с<С, этапы ее Е, эшелоны сЗ с Б (профиль каждого рейс и тип воздушного судна Г е Р, пригодного для выполнения зада кого рейса е с Б. Задача составления долгосрочного плана дв жечия воздушных судов заключается в построении кортежа с учетом приводимых ниже аксиом начальных условий и аксио задающих некоторые ограничения на движение воздушных судов.

Аксиомы начальных условий задаются:

- перечислением аэропортов ак 6 А, трасс с■ £ С, этап е^ £ Е, эшелонов Б и их связью, определяемой предиката

• Кя > Кз I К» «Ку » •

- рейсами, определяемыми.предикатом ? ;

- климатологической информацией, задаваемой предикат

•К* ■ .

' Все аксиомы, являвшиеся ограничениями на авиарасписан! подразделяются на два типа. К первому типу относятся аксио), описывающие ограничения, выполнение которых является обяг тельным.

Аксиома 1.1. Описывает возможность выполнения одним вс душным судном рейса г по трассе с мёжду аэропортами а, и а, • Аксиома 1.2. Исключает возможность столкновения воздуш судов в точках пересечения трасс.

Аксиома 1.3. Определяет оптимальное (в смысле удобс: для пассажиров) начало рейса.

Аксиомы ограничений второго типа определяют качество тавляемого расписания движения воздушных судов.

Аксиома 2.1. Определяет оптимальное (в смысле удобства пассажиров) время прибытия воздушных судов в аэропорт наз-;ения.

Аксиома 2. 2. Исключает столкновение воздушных судов при :адке.

Аксиома 2.3. Задает график оборота одного воздушного суд-

Задача составления долгосрочного плана движения воздушных job формулируется как задача доказательства следующей теоре-в исчислении предикатов первого порядка:

rf. => V S 3 с, е, d, t, f : J'(g, t)8K>(g, с, t, d) &,i(g.f)",

з & W; - конъюнкция приведенных выше аксиом. Поиск доказа-льства этой теоремы осуществляется средствами машинно-ориен-рованной логики, основанной на методе резолюции.

В качестве одного из алгоритмов составления расписания едлагается иерархическая оптимальная приоритетная стратегия, основу стратегии положен принцип приоритетности для всех [ементов расписания, базирующийся на упорядоченных по значи-)сти приоритетных уровнях {S: . где каждый уровень S;b свою юредь является упорядоченной структурой (S>. Расписание )ставляется последовательно, начиная с рейсов, обладающих на-5ольшим приоритетным уровнем S; и критериями качества S;j в зответствии с упорядочением этого уровня.

Наряду с задачей учета климатологической информации при эстроении расписания движения воздушных судов рассматривается адача оптимизации Функционирующего авиарасписания. Первый одход к решению этой задачи состоит в корректировке с учетом лиматологической информации внутренней структуры существующих лгоритмов решения основных задач составления авиарасписания "Маршрут", "График", "Прокладка"). А именно введение "стои-юстей" аэропортов С трасс), учитывающих, например, климатоло-ическую информации о сложных и опасных метеорологических 'словиях в аэропортах. Корректировка расписания движения воз-[улшых судов с учетом климатологической информации о сложных и >пасных метеорологических условиях возможна на основе построе-

ния дополнительного модуля учета сложных метеорологичес! условий, как алгоритма оптимизации функционирующего распис ния. Простота этого подхода к корректировке расписания обесг чивает возможность эффективного применения его на практике.

Идея рассматриваемого подхода заключается в жестком сдг ге по времени функционирующего авиарасписания. < |Г(еД б" (е,с,е,<1), А(е,П> в пределах допустимого интервала без изменения его внутренней структуры.

Задача состоит в том, чтобы без изменения его внутренн структуры найти Ь. < (гЛ + Ъ, (е,с,е,с1), л. (г,П> < ^ (дЛ), (е,с,е,сО, -л (д,П>. Экстремальные значени следующих функционалов определяют оптимальные сдвиги ави расписания Ь :

• 1 v

1. profltl (t) = — • Z. i>V a.(0) Ca.(O) - a;(t)],

где S~; - весовые коэффициенты, определяемые значимостью i-i ■ аэропорта согласно принятой системе приоритетов, N - число а; ропортов в сети воздушных трасс, а: (t) = J/tf' P;(t) dt щ t <; C-4 , д ] - выражает среднюю повторяемость сложных метес рологических условий на интервале Бремени [t; + t,- t" + t] 1-ом аэропорту.

Максимизация функционала profitl соответствует сдвигу н t* интервала максимальной загрузки аэропорта в сторону умень шения повторяемости сложных метеорологических условий.

А

2. proflt2 (t) <)■ <J.(M;)[q. (M; ) - q.(M.+ t)3.

где q; - функция загруженности i-го аэропорта. Максимизаци: функционала profit2 означает снижение загрузки аэропортов : моменты М; = arg max Р- (t) при tt [О, ТЗ - максимальной повторяемости сложных метеорологических условий.

у ■ . д .

З.ч profit3 ..(t) « 1'; q_ (Bi;)[q;(m;+ t)-q, (п^)].

Максимизация функционала profit3 соответствует сдвигу авиа-

л ,

5асписания на , при котором увеличивается загрузка азро-юртов в моменты mL= arg min Р ; (t) при t £ СО,ТЗ - миниыаль-юй повторяемости сложных метеорологических условий.

Функционал PROFIT (t) = profiti (t) + profits (t) + >rofít3 (t) обеспечивает оптимальный учет сложных метеорологи-1еских условий, т.е. при сдвиге авиарасписания на t' = arg max ROFIT (t) при t г [-i , д ] интервалы максимальной загружен-остн "на ■большинстве" трасс аэропортов сдвигаются в сторону ыенывения вероятности сложных метеорологических условий на том интервате, в "опасные" моменты времени снижается загрузка эропортов, и, наконец, з "безопасные" моменты Бремени загруз-а аэропортов увеличивается.

При построении оптимальных сдвигов авиарасписания це-эсообразно использовать естественное разбиение сети воздушных расс на базовые контура. Доказана следующая теорема:

PROFIT (t") i Z-t, PROFIT (t"K ), где PROFIT"0 (t'„ ) сужение функционала PROFIT (t ) на к-ом базовом контуре, L -гсло базовых контуров. Таким образом, при независимых сдвигах 13оеых контуров эффективность в смысле функционала качества

А

?0FIT (t) повышается, поскольку осуществить сдвиг отдельного нового контура и на практике намного легче, чем сдвигать все ¡иарасписание, при этом в пределах одного базового гонтура шного точнее учитывается климатологическая информация о южных метеорологических условиях в аэропортах. Рассмотренный |дход предполагает построение системного модуля учета сложных теорологических условий "MOTEO" в АСУ "Расписание".

В шестой главе исследованы алгоритмы оптимального учета ктической и прогностической информации о параметрах физи-ского состояния атмосферы в задачах оперативного управления здушным движением.

Построение оптимальных в метеорологическом отношении рений при оперативном управлении .воздушным движением основыва-ся на использовании метода ветвей и границ.' Синтез-методов гвей и границ и динамического." программирования . позволяет строить алгоритм, который исключает дополнительный перебор риантов решений. Это приводит к значительному сокращению эднего Бремени, необходимого для принятия решения. Рассматг заемые алгоритмы принятия решений имеют вид информацией-

но-нагруженного дерева Алгоритм принятия решений называется оптимальным, если соответствующее ему дерево td . минимизирует функционал:

; m-l

W (td) = У И w (к(£ш))р(пП q(k(/im),tj^)

itS)m) L-) js1

где Мы - множество всех вершин дерева принятия решений td; S(m)cr F - множество допустимых для полета воздушных судов; q (k,j) - вероятность проверки метеорологического критерия безопасности к, соответствующего ребру j; p(f) - частота проверки метеорологических критериев безопасности для воздушного судна ft F; if(k) - стоимость проверки значения метеорологического критерия безопасности к. Для этой задачи оптимизации получено уравнение Р. Беллмана

v(l) - min Мк) + У q(k,j) v (1.)],

*

где-vd) - стоимость поддерева с корневой вершиной 1, {lj> -совокупность дочерних вершин вершины 1 оптимального дерева. С использованием стандартных процедур динамического программирования получен результат, который определяет дерево принятия оптимальных в метеорологическом отношении решений.

В численных экспериментах на ЭВМ построено дерево принятия решений на полет для двух классов воздушных судов и четырех метеорологических критериев безопасности, включающих видимость и высоту нижней границы облаков на аэродромах вылета и посадки. При этой функционал качества V/ на дереве оптимальных решений принимает меньшее значение, чем на дереве, полученном с помощью алгоритма последовательной проверкиЕнполнимости метеорологических критериев безопасности.

Алгоритмы логического анализа на ЭВМ метеорологической v. навигационной информации при решении интеллектуальных зада% оперативного управления воздушным движением основываются не формальных методах логического вывода в исчислении предикато! первого порядка. Используя машинно-ориентированную логику, основанную на принципе резолюций, решается задача о построена оптимального маршрута и профиля полета воздушного судна, с также коррекции движения воздушного судна в соответствии с фактической воздушной обстановкой. Под оптимальными понимаютсг

unís в смысле функционала, качества (минимальное время, миии-ышй расход топлива и т. п.) маршруты и профили полета из ечного набора'возможных маршрутов и профилей. При этом вы-ается оптимальный маршрут и профиль таким образом, чтобы ектория полета не проходила через зоны опасных метеорологи-ких явлений.

В соответствии со спецификой задачи формулируются следую-группы аксиом:

- аксиомы начальных условий;

- аксиомы оптимизации эшелонов на этапе;

- аксиомы проверки допустимости маршрута на этапе и смена пов;

- аксиомы смены маршрутов; .

- аксиомы оптимизации маршрутов;

- аксиомы маневра в процессе полета. Дель управления лсывается в виде правильно построенной формулы : 3 s R (c.s.cj, где са - имя маршрута, последнего при их эчислении в аксиомах начальных условий. Эта формула означа-зледующее: найти маршрут с и его оптимальную последователь-гь эшелонов (s) по этапам, который является наилучшим (R) зсительно выбранного функционала 'качества. По заданным юыам начальных условий теорема доказывается методов резо-ш и одновременно формируются с и s. При -выводе формулы вы-

двух очередных дизъюнкций для применения правила резоль-цш определяется стратегией "лозы". Алгоритм принципа резо-1й, использующего стратегию "лозы'', реализован на языке ■раммированш РЕФАЛ. На вход программы поиска логического >да поступает система приведенных выше аксиом, записанная в í правильно построенных формул исчисления предикатов перво-юрядка и отрицание логической формулы, логическую выводи-■ь которой из данной системы аксиом требуется лолучить. В гльтате работы алгоритма выдается список подстановок и по-iK их выполнения для доказательства .заданной логической [улы. В силу структуры алгоритма метода резолюций программа ка логического вывода включает в себя: процедуру унифика-процедуры подстановок, процедуры приведения, процедуру дизации дерева поиска вывода Проверка эффективности прог-:ы поиска логического Еывода при учете сложных метеорологи-ж условий в моделях оперативного управления воздушным

движением показали эффективность применения этого метода.

В седьмой главе приведено описание конкретных систем I. теорологического обеспечения авиации. Рассмотрена система ь теорологического обеспечения в Главном авиационном метеоро: гическом центре и аэропортах МЕЗ на основе автоматизации \ формационного обмена, широкого использования ьычислителм средств в форме сетей персональных ЭВМ, интерактивных тех} логий обработки и анализа информации, а также автоматизм ванного доведения ее потребителям Гражданской авиации.

Автоматизация процедур метеорологического обеспече! МВЗ затрагивает Есе процедуры получения, обработки, передг и доведения информации до потребителей (руководителей по: тов, диспетчеров, летного состава). Высокий уровень автомат зации позволил начать переход к безлюдной технологии ыетес беспечения. Эта технология базируется на использовании перс нальных компьютеров и принтеров, включенных в информациош сети аэроузлов и структур более высокого ранга. Пилот с 1 мощью персонального компьютера может получить информацю фактической погоде и прогнозе по интересующим его аэродром, а также по трассам, а на принтере - документ с изображен) зон опасных явлений,' полученным на основе обработки дан; радиолокационных наблюдений. Данные о фактической погоде < родрома получаются с помощью автоматических метеорологичес] станций, информация которых в формализованной и речевой ф мах передается различным потребителям, в том числе на 61 самолета Эта информация имеет высокую повторяемость обнов, ния (до 60 с). Прогнозы по аэродромам составляются аэроуз, выми метеорологическими подразделениями С ГАМЦ) и доводятся аэродромов и бортов самолетов как по запросам, так и цир; лярно.

Рассматриваются принципы построения и техничес средства автоматизированных систем метеорологического обес чения авиации на примере комплексной автоматизирован системы КАС-МЕТЕО. Приведены результаты разработки основ ее подсистем, входящих в состав КАС-МЕТЕО: подсистемы полу ния наземной метеоинформации, радиолокационной подсисте спутниковой и центральной подсистем. Последовательно рассм ривается технология получения, сбора, обработки, интерпре

шнородной метеорологической информации в КАС-МЕТЕО. Совершенствование общегосударственной системы плакирова-1 управления воздушным движением в настоящее время связа-разработкой и внедрением автоматизированной системы ре-эго времени , позволяющей повысить безопасность, регуляр-ь и экономическую эффективность воздушных перевозок. Важной задачей при разработке этой системы является соэ-е программных средств, в частности, программного обеспе-я обработки авиационной метеорологической информации. При разработке программного обеспечения этой системы ывается, что оно построено на принципах мультипрограмми-яия и эффективность работы всей системы в значительной ! определяется построением управляющей программы (цент->ного диспетчера) реального времени, которая обеспечивает )йчивое'функционирование системы в любых условиях, в том не при ее полной загрузке.

В соответствии с делением системы на комплекс средств уп-ления и комплекс средств развития ее программное обеспече-состоит из системы программ комплекса средств управления и вития соответственно. Система программ комплекса средств авления выполняет целевые задачи системы. Она состоит из плекса программ общего программного обеспечения и комплекса грамм специального программного обеспечения, в который ;ючается и комплекс программ обработки авиационной метеоро-'ическои информации. Система программ комплекса средств раз-■ия обеспечивает разработку, отладку и проверку вновь вводи: или модифицируемых задач системы, что позволяет непрерывно зершенствовать функционирование всей системы, _ в частности, зашивать и развивать комплекс программ обработки авиационной георологической информации.

Каждый комплекс программ, входящий в состав системы эграммного обеспечения, состоит из совокупности групп прог-мм л информационных модулей, содержащих множество функцио-льно связанных данных, которые могут быть общими для двух и лее групп программ данного комплекса.

С точки зрения организации вычислительного процесса все ограммы делятся на приоритетные группы, включающие совокуп-/ :сть частных программ одной или нескольких групп или комл-, :ксов программ, которые подключаются от программы центрально-

го диспетчера в качестве отдельного абонента диспетчериз; Каждая частная программа может входить в состав одной нескольких приоритетных групп.

В оперативной памяти вычислительной системы все час программы, входящие в один комплекс программ, представляют Сой абсолютные программы или абсолютные программные мох т. е. загруженные и готовые к исполнению программы вычислит ной машины. Информационные модули размещаются в операти памяти как статически при выполнении начальной загрузки си мы, так и динамически по запросу из частной программы.

Взаимодействие частных программ по управлению и дан (передача управления вызываемым частным программам, базиро. ние информационных модулей) осуществляется только че; системные макрокоманды.

В качестве языка программирования при разработке пр( раммного обеспечения системы использовался язык ассемблер ЕС ЭВМ, расширенный разрабатываемыми системными макрокома! ми. Программирование на языке ассемблера в полной мере уч! вает особенности конкретной системы реального времени и пое ляет получать наиболее эффективные программы.

Проектирование и создание единой системы метеоролс ческого обеспечения авиации на базе вычислительной сети при дит к необходимости создания системы интерактивного синтеза оптимизации топологии информационных сетей древовидной стр туры по сбору и обработке информации о физическом состоя атмосферы, а также построения имитационной модели синтези ванной сети на языке SPSS.

Проектируемые алгоритмы генерации имитационных моделей данным диалоговой системы проектирования и оптимизации ci автоматизированной системы метеорологического обеспечения д; возможность непрерывного исследования сети в диалоговом ре; ме, позволяя установить связь между решением задачи сшт оптимальной структуры автоматизированной системы метеороло! ческого обеспечения авиации и созданием ее имитационных моде синтезированной структуры.

При этом пользователь освобождается от необходимости ка дый раз при изменении структуры автоматизированной системы к теорологического обеспечения авиации и исходник данных об эл ментах сети составлять имитационную модель. Генерация моде

исходит автоматически на основании синтезированной структу-модели и данных, получаемых при диалоге с пользователем.

Пользователь-разработчик, работая в режиме диалога, имеет можность проводить исследования автоматизированной системы •еорологического обеспечения авиации в последовательности:

1) синтез оптимальной структуры автоматизированной систе-метеорологического обеспечения авиации;

2) генерация имитационных моделей, согласно полученной структуре;

3) имитационное моделирование и анализ результатов.

Генерация программных моделей на языке GPS3 происходят в

висимости от особенностей записи операторов языка моделиро-ния и влияния изменения входных данных о моделируемой сети структуру генерируемой программы.

Газработаны алгоритмы генерации для:

1) модели функционирования автоматизированной системы ме~ орологического обеспечения авиации для одного узла обработки;

2) модели многоуровневой автоматизированной системы метеологического обеспечения авиации.

Рассмотрим особенности генерации создаваемых моделей, штаиионная модель функционирования автоматизированной систе-I метеорологического обеспечения авиации для одного обрабаты-вдего узла генерируется с учетом того, что создаваемая )следовательность операторов на GPSS будет сохраняться. Изме-шия будут происходить взамен операторов в зависимости от :ходных данных о количестве источников, интенсивности поступ-зния заявок различных типов, времени обработки заявок различии типов, их приоритетов.

Оператор генерации поступления различных типов сообщений меет следующий вид:

GENERATE A,B,C,D,E,F де А - средний интервал времени между сообщениями;

В - модификатор А;

С - интервал времени до момента выдачи первого сообщения;

D - количество генерируемых сообщений;

Е - приоритет генерируемых сообщений;

F - количество параметров.

В модели используется оператор в двух формах в зависи-юсти от того, обладает ли данный тип сообщений относительным

приоритетом ил;; нет:

1) GENERATE 1/Х ,

2) GENERATE 1Л,,,,рг,

где л - интенсивность поступления заявок данного типа от ра; них источников;

рг - приоритет заявок данного типа (О ..... 127);

1/л - периодичность поступления заявок.

Интенсивность поступления заявок данного типа от различных источников:

у

-Я > i ,

где -Xi- иктенсиБность поступления заявок данного типа от i-ro источника;

п - количество источников.

В зависимости от производительности узла обработки, а следовательно, от Бремени обработки сообщений комплексом обрабатывающих программ изменяются значения в записи оператора FUNCTION:

1 FUNCTION P1.D13

l,t.}>i /2, t„v /3,tbffi /____/13, t с?? i3

где tc^i - время обработки сообщения 1-го типа комплексо) программ.

Имитационная модель многоуровневой автоматизированной системы метеорологического обеспечения авиации генерируется в соответствии с синтезированной оптимальной структурой. Генерация осуществляется от низших уровней к высшим с учетом существования либо отсутствия необходимости рассмотрения каналов связи.

Алгоритмы генерации предусматривают веод данных в режиме диалога, что влечет за собой необходимость Программного контроля правильности всех вводимых данных, а также предварительной оценки сети автоматизированной системы метеорологического обеспечения авиации с помощью аналитических формул.

При генерации реальных программных моделей на языке GPSS необходимо учитывать формат записи операторов и форму представления их компонентов. Некоторые операторы допускают в

качестве операндов только целые числа (0____99399), поэтому

'ПЗсде Евода и преобразования исходных данных проводится их

сштабирование для преобразования к допустимому виду.

Входной информацией для генерации имитационных моделей на ыке йРЗЗ, согласно вышеописанной логической последовательней исследования автоматизированной системы метеорологи-юкого обеспечения авиации, является таблица, содержащая сзе-¡ния о структуре сети автоматизированной системы метеорологи-юкого обеспечения авиации, синтезированной в результате ра->ты диалоговой системы проектирования я оптимизации информа-гонной сети. Данные о структуре сети передаются в виде файлов I диске, каждая запись которого содержит в себе описание свя-;й элементов сети, информацию об источнике и приемнике мете-юобщений, о предшествующем и последующем звеньях, типе кана-I передачи.

Данные о различных источниках сообщений, интенсивности >ступления от них разных типов сообщений, приоритетах сообщена, , времени обработки на обрабатывающих центрах, необходимые ^посредственно для создания имитационных моделей, программа >лучает в результате опроса пользователя в диалоговом режиме.

Выходной информацией для программ генерации имитационных >делей является программа-модель на языке моделирования 6РЗЗ, сдаваемая в виде файла на диске.

В результате пропуска сгенерированной либо написанной на ЗМ программной имитационной модели пользователь получает ре-'льтаты имитационного моделирования, которые вшючагат в себя ¡формацию о загрузке различных устройств-элементов сети авто-низированной системы метеорологического обеспечения авиации, шичии очередей к устройствам, времени ожидания в очередях, юдней и максимальной длине очереди, количестве нулевых вхо->в и т. д.

Программа автоматизации имитационного моделирования разматывалась таким образом! чтобы построение моделей логически юдогало за процессом_оптимизации структуры системы . В прочее варьирования различных вариантов структуры сети авгома-13ированной системы метеорологического обеспечения авиации оперируются имитационные модели на 6Р53. .

В явключении сформулированы следующие основные ревульта-полученные в диссертационной работе:

1. Построена теоретико-множественная система структурных 'ношений "атмосфера-воздушные суда". Исследованы вопросы ко-

ординации оптимальных взаимодействий ее управляющих блоко: образующих иерархическую структуру, с учетом метеоролог! ческой информации о параметрах физического состояния атмосфе ры. Синтезирован обобщенный класс алгоритмов оптимально! учета климатологической, фактической и прогностической инфог нации при автоматизации процессов долгосрочного планировал; движения воздушных судов и управления воздушны!.! движением.

2. Исследован класс положительно определенных метр! ческих функций, а также предложен новый класс сингулярш метрических функций, которые имеют большое значение при анг лизе реальной информации о физическом состоянии атмосферь Построены адаптивные алгоритмы автоматической классификащ метеорологических явлений, порожденные этими классами метр! ческих функций. Разработан новый класс адаптивных алгоритме автоматической классификации в случае использования сингуля! них метрических функций и"доказана теорема об их сходимости.

3. Результаты серий численных экспериментов по распознаванию грозовых и ливневых кучево-дождевых облаков с использ'с ванием архива радиолокационной метеорологической инфэрмацга а также по распознаванию вон атмосферной турбулентности, В1 зывакицих болтанку воздушных судов, по данным радиоаондиров; ния показывают, что предложенные адаптивные алгоритмы автом; тической классификации позволяю!' повысить вероятность пр; вильной классификации на 5-10% и производить ее в реаль» масштабе времени.

4. Разработаны принципы построения диалоговых систем м< теорологического обеспечения четырехмерной аэронавигаци; Специфицировано информационное, математическое и- программ» обеспечение, создана автоматизированная технология авиацио: ного прогноза погоды.

5. Разработаны общие принципы учета климатологичесю информации в задачах долгосрочного планирования движения во: душных судов, использующие применение ыашинно-ориентированн' логики, основанной на поиске логического вывода в исчислен: предикатов первого порядка. Предложена иерархическая опт: мальная приоритетная стратегия построения авиарасписания , учетом климатологической информации.

' 6. Исследована возможность использования климатолог ческой информации при оптимизации функционирующего ави

асписания. Построены функционалы качества для оптимального двига авиарасписания, учитываете суточный ход сложных мзте-рологических условий в аэропортах. Доказана теорема об опти-альных сдвигах авиарасписания по базовым контурам, учитываю-лх климатологические особенности сети воздушных трасс.

7. Синтезированы алгоритмы принятия оптимальных в метео-ологическом отношении решений при оперативном управлении есколькими классами воздушных судов , которые спользуют синтез методов ветвей и границ, и динамического рограммирования.

8. Решена задача логического анализа на ЭВМ мет;еррологи-эской информации при построении оптимальной трассы.и.профиля элета воздушного судна, а также коррекции его : движения в эоцессе полета в соответствии с фактической и прогности-;ской информацией о физическом состоянии атмосферы с исполь-)ванием машинно-ориентированной логики, основанной на мето-же резолюций.

9. Созданы программно-аппаратные комплексы в различных юрационных средах по сбору, обработке и¡представлению авиа-юнной метеорологической информации в . автоматизированных ютемах планирования и управления зоздушным движением разных ювней.

10. Разработана интерактивная система автоматизированного юектирования перспективных систем метеорологического обеспе-ния единой автоматизированной системы организации воздушного ■ижения страны на основе комплексных имитационных моделей.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих ботых:

1. Алгоритмы принятия безопасных решений на полет воздуш-х судов. - В сб.: Проблемы авиационной метеорологии, ДЛИ, 76, вып. 1.

2. Решение одной задачи управления воздушным движением с именением машинно-ориентированной логк и, основанной на инципе резолюции. - В сб.: Проблемы авиационной ыетеороло-я. ЛПИ, 1976, нып. 61'. В соавторстве с А. Е. Барабановым.

3. О принципах составления расписания движения воздушных цов с учетом метеорологических условий. В кн.: Авиационная и

космическая метеорология. ЛГМИ, 1977, вып. 64. В соавторстве С. В. Солониным, А. Е. Барабановым.

4. О сходимости рекурснтного алгоритма в одной задаче с мообучения. - Еестник Ленинградского университета, сер. : Mai мех., астрономия, 1978, N 13. В соавторстве с В. tt Лиховидовь а Н. Соыиным.

5. Использование динамического программирования и мете ветвей и границ при реализации подсистемы принятия оптималы решений на полет воздушных судов. В кн. : Авиационная и кос] ческаа метеорология. ЛГМИ, 1979, вып. 70. В соавторств! А. Е. Барабановым, Е В. Солониной.

6. Оптимальный учет опасных метеорологических условий составлении авиарасписания. - Тезисы Всесоюзной конференции безопасности полетов в гражданской авиации. Л., ОЛАГА, 1979

7. К вопросу применения теории распознавания образов анализа радиолокационной метеорологической информации. Гидроыетеоиздат. Труды ГГО, вып. 430, 1979.

8. Алгоритмы объективной классификации опасных для аЕ ции метеорологических явлений. В сб. : Вопросы совершенстве ния метеообеспечения безопасности полетов. Л.", ОЛАГА, 1980.

9. Об использовании деревьев вывода в одной задаче раг метеорологии. В кн. : Радиолокационная метеорология. Матер; методического центра по радиолокационной метеорологии coi диетических стран. Л., Гидрометеоиздат, 1981.

10. Об оптимальных алгоритмах распознавания гроз по ; ным радиолокационной метеорологической информации. - Те. докладов 1 Всесоюзной научно-технической конференции "Б пасность полетов в условиях опасных внешних воздействий". ГА. 1981. В соавторстве с Г. Б. Брылевым, С. Б. Гашиной, А. Г. Л вым.

11. Поиск логического вывода при оптимальном управл воздушным движением в районах грозовой деятельности. - Те докладов 1 Всесоюзной научно-технической конференции "Е пасность полетов в условиях опасных внешних воздействий". ГА, 1S81.

12. Об одном классе метрических функций в физико-тистических схемах прогноза погоды. - Тезисы докладов Всес ной конференции: "Исследование взаимодействия мезо- и ро-масштабных процессов в атмосфере и применение стат!

методов в метеорологии. Алма-Ата, 1981. 3. Иерархические алгоритмы распознавания гроз и ливней ным радиолокационной метеорологической информации. У1 Всесоюзного совещания по радиолокационной метеороло-Таллин, 1982. В соавторстве с Г. К Брылевым, С. В. Гашиной, шевым.

.4. Использование радиолокационной метеорологической ин-щи в логических моделях управления воздушным движением. 1.: Радиолокационная метеорология. Материалы методическо-гнтра по радиолокационной метеорологии социалистических Л. , Гидрометеоиздат, 1982.

15. Синтез адаптивных алгоритмов анализа радиолокационной рологической информации. - В кн.: Радиолокационная метео-ия. Материалы методического центра по радиолокационной рологии социалистических стран. Л., Гидрометеоиздат,

16. Оптимизация алгоритмов распознавания гроз по данным локационной метеорологической информации. - Тезисы Ш 1Юзной научно-практической конференции по безопасности по). МГА. ОЛАГА, 1982, с. 194. В соавторстве с Г. Е Брылевым., 'ашиной, А. Г. Линевым.

17. Логические алгоритмы учета метеорологической информа-з задачах принятия оптимальных решений при оперативном уп-знии воздушным движением. - Тезисы Ш Всесоюзной науч-рактической конференции по безопасности полетов. МГА. ОЛА-1982, с. 207.

18. Об использовании климатологической информации при оп-зации авиарасписания. - В сб.: Вопросы совершенствования ообеспечения безопасности полетов. Межвузовский сб. ОЛАГА.

. В соавторстве с ЕЕ Солониной.

19. Об обучаемых опознающих алгоритмах в задачах радиоло-юнной метеорологии. - 3 кн.: Радиолокационная метеороло-

Материалы методического центра по радиолокационной метео->гии социалистических стран. Л. , Гидрометеоиздат, 1983.

20. Об использовании одного' класса сингулярных метритах функций при синтезе адаптивных алгоритмов анализа радиационной метеорологической информации. - Д , Гидрометеоиз-. Труды ГГО, вып. 490, 1983.

21. Об адаптации решающего правила с сингулярной особен-

ностью при радиолокационном распознавании гроз. В кн..: Опг для полетов метеорологические явления и безопасность по; ВС. Межвузовский тематический сборник научных трудов. Л,, РА. 1934, с. 28 -31.

22. Об одном физико-статистическом методе классифик опасных явлений погоды. - Тезисы докладов У Всесоюзного с цания по применению статистических методов в метеорологии, зань. 1985, 11 с. В соавторстве с Т. Е Ивановой, КЕБочарн вым.

23. Об одном способе прогноза ливневых осадков на < аэрологических и радиолокационных данных. - Межвузовский ОЛАГА. 1985. В соавторстве с Н. В, Бочарниковым.

24. Концептуальная модель интерактивной системы мете< логического обеспечения центров УВД. - Тезисы Всесоюзной 1 ференции по безопасности полетов. Л., 1985. 38 с. В сс торстве с Ю. Е Виноградовым, Н. А. Петровым.

25. Комплекс программ распознавания радиолокацио? изображений гроз и ливней. - Аннотированный перечень не поступлений в ОФАП Госкомгидроме!а ВШШГМИ-ЩЦ. 1986, виг с. 24.

26. Особенности • метеорологического обеспечения автома зированных систем управления воздушным движением ГА. - Тез докладов Всесоюзной конференции по авиационной метеоролог М. 1986, с. 97. В соавторстве с А. А. Боровиковым, Г. Б. Брыле в ¡й Е Виноградовым, Е Ф. Лалетиной, II Л. Петровым.

27. Использование интерактивной одномерной модели обл. для прогноза гроз в оперативном режиме работы автоматизиров: ных метеорологических радиолокаторов. - Тезисы докла, •Всесоюзной конференции по активным воздействиям на гидромет« рологические процессы. Обнинск. 1987. с. 80. В соавторстве Е Е Бочарниковым, Г. Б. Брылевым.

28. Метод прогноза гроз с использованием модели канве тивнаго облака и радиолокационной метеорологической инфор!, ции. - В кн.: Радиолокационная метеорология. Материалы мети ческого центра по радиолокационной метеорологии социалист ческих стран. Л., • Гидрометеоиздат. 1987. В соавторстве ,Е Е Бочарниковым, Г. Б. Брылевим, Т. В. Ивановой.

29. Применение линейной квадратичной оптимизации в зад чах автоматизированного управления антенной МРЛ. В кн.: Ради

зционная метеорология. Материалы методического центра по иолокационной метеорологии социалистических стран. Л., Глд-этеоиздат. 1987. В соавторстве с С. А. Маланичевым, А. А. Федо-

д!м.

30. Учет макромасштабных условия в методе прогноза ливней роз. - В кн.: Радиолокационная метеорология. Материалы ме-дческого центра по радиолокационной метеорологии социа-гических стран. Л., Гидрометеоиздат. 1988. 'В соавторстве с

Еочарниковым, Г. В. Брылевым.

31. Численный метод прогноза гроз для авиации. - Тезисы яадов У Всесоюзной научно-практической конференции по безо-юсти полетов. Л. , ОЛАГА. 1988. 12 с. В соавторстве с Еочарниковым, Г. Б. Брылевым.

32. О процедурах усвоения метеорологической информации, ^чаемой с бортов воздушных судов. - Тезисы докладов У союзной научно-практической конференции по безопасности по-зв. Л., ОЛАГА. 1988. И с. В соавторстве с С. К. Каменевым.

33. Перспективная технология метеообеспечения авиации с .генением ЗЕМ в Главном авиационно-метеорологическом центре. Симпозиум по комплексному обеспечению государственных орга-, народного хозяйства и общественности метеорологической зрмацией. 5-7 декабря 1989 г. - ГДР. - Потсдам. - 1989. -5-88. В соавторстве с Г. Г. Щукиным, С. М. Персиным.

34. О координирующих стратегиях в иерархических системах юления воздушным движением с учетом метеорологических звий. - Труды ГГО, Л., Гидрометеоиздат, 1989, вып.523, 3-39.

35. Об анализе и синтезе систем метеорологического ¡печения авиации. - Труды ГГО, Л., Гидрометеоиздат', 1989, 523, с. 26- 32.

36. Автоматизированная технология метеообеспечения аэронов Московской зоны. -Тезисы докладов Ш Всесоюзной конфе-1ии по авиационной метеорологии. М. Гидрометеоиздат, 1990.

В соавторстве с Г. Г. Щукиным, а Д. Нупановым, Г. А. Сыркиным, Харитоновым, А. К. Князевым, Л. Е. Безруком, Ю. В. Мэльничуком.

37. Экспертные системы в процессах метеообеспечения авиа- Тезисы докладов Ш Всесоюзной конференции по авиационной

юрологии. Ы. Гидрометеоиздат. 1990. 11 с. В соавторстве с Пузаковым.

38. Автоматизированные процедуры составления авиационно прогноза погоды. - Тезисы докладов Ш Есесоюзной конференции авиационной метеорологии. М. Гидрометеоиздат. 1990. 12 с. соавторстве с Ей. Петровым, А. А. Чулковым.

39. Технология- работы метеоспециалистов в автоматизир Банных системах управления воздушным движением. - Тезисы до: ладов Ш Всесоюзной конференции по авиационной метеорологии. ] Гидрометеоиздат. 1990. 13 с. В соавторстве с Ю. В. Виноградовы: ¡0. Ф. Моисеевым, Н. А. Петровым.

40. Численный метод прогноза гроз для автоматизирована системы радиолокационного штормпредупреждения. - Тезисы докл; дое Ш Всесоюзной конференции по авиационной метеорологии. 1 Гидрометеоиздат. 1990. 53 с. В соавторстве с К В. Бочарниковьп Г. Б. Брылевым.

41. Программный комплекс обработки авиационной метеоинформации для ПЭВМ. - В сб.: Передовой производственный опыт нзучно-технические достижения, рекомендуемые министерством д.; внедрения в гражданской авиации. М. , МГА, вып. 3, 1991, с. 55. соавторстве с АД Ольшевским, Ю. Н. ¡Лайдуровым.

42. Интерактивная иерархическая система проектирован! информационной сети по сбору и обработке авиационной метеош формации. - В сб.: Передовой производственный опыт и нау-но-технкческие достижения, рекомендуемые министерством дj внедрения в гражданской авиации. М., МГА, вып. 3. 1991. с. 55. соавторстве с А. И. Ольшевским, Е Ф. Лалетиной.

43. Программа контроля авиационных метеосообщений на нег ротиворечивость. - В сб.: Передовой производственный опыт научно-технические достижения, рекомендуеше министерством д: внедрения в гражданской авиации. М., МГА, вып. 3. 1991

44. Принципы построения автоматизированных систем метес рологического обеспечения авиации. Под 'редакцией Г. Г. Щукина Л. , Гидрометеоиздат. 1991. Гл. 1-3, 6, 7, 9, 12.

45. Meteorological radars in the USSR . avlatlc meteorological supply system (6. B. Brylyov, A. S. Solonir 6. G. Shchukin). - 25th International Conference on radc meteorology. Preprints. Paris. France. 24-28 June 1891. AM: p. 149-150. ■

Ртп.ГГО.28.04.92.Зак.295.Т.100.Бесплатно.