ALGORYTMIZACJA PROCESU SPRAWDZANIA GOTOWO CI OPERACYJNEJ PORTU LOTNICZEGO

Transkrypt

1 P R A C E N A U K O W E P O L I T E C H N I K I W A R S Z A W S K I E J z. 102 Transport 2014 Piotr Kawalec Politechnika Warszawska, Wydzia Transportu, Zakad Sterowania Ruchem Micha Kozowski Przedsibiorstwo Pastwowe Porty Lotnicze Mateusz Rudnicki Politechnika Warszawska, Wydzia Transportu, Zakad Inynierii Transportu Lotniczego ALGORYTMIZACJA PROCESU SPRAWDZANIA GOTOWOCI OPERACYJNEJ PORTU LOTNICZEGO Rkopis dostarczono: stycze 2014 Streszczenie: W pracy przedstawiono metod sprawdzania gotowoci operacyjnej portu lotniczego i opisano j za pomoc algorytmu. Uwzgldnione zostay czynniki wpywajce na stan gotowoci operacyjnej, które podzielone zostay na 3 oddzielne obszary: infrastruktur portu lotniczego, procesy eksploatacji portu lotniczego i czynniki zakócajce eksploatacj portu lotniczego. Analiza obszarów uatwia wygenerowanie warunków, jakie port lotniczy musi spenia dla bezpiecznego przeprowadzania operacji startu i ldowania statków powietrznych. Algorytm zosta przedstawiony za pomoc schematu blokowego, do jego specyfikacji wykorzystano graf przej automatu skoczonego. Zostao to uczynione w edytorze FSM pakietu Active-HDL, pozwalajcym na weryfikacje algorytmu w trybie symulacji komputerowej. Symulacje przedstawiay sytuacje, które mog si zdarzy na lotnisku (niektóre z nich wystpuj rzadko z powodu wysokiej niezawodnoci systemów i instalacji portu lotniczego). Ponadto pokazyway, w jaki sposób stworzony automat na nie reaguje. Sowa kluczowe: port lotniczy, gotowo operacyjna, wspomaganie komputerowe 1. WPROWADZENIE Otwieranie nowych portów lotniczych wie si z czstym wykorzystaniem pojcia - osigania gotowoci operacyjnej, które okrela waciwe funkcjonowanie portu lotniczego do prowadzenia dziaalnoci biznesowej. W sensie teorii procesów transportowych port lotniczy to system S={A; R}, gdzie A to zbiór elementów infrastruktury, a R to zbiór

2 48 Piotr Kawalec, Micha Kozowski, Mateusz Rudnicki relacji czcych elementy midzy sob oraz z otoczeniem. Celem jego funkcjonowania jest obsuga operacji lotniczych oraz przewozu lotniczego. Przyjmujc takie podejcie, port lotniczy mona scharakteryzowa poprzez zidentyfikowanie jego infrastruktury, procesów eksploatacji. Uwzgldniajc cel pracy, dokonujc analizy portu lotniczego naley równie uwzgldni czynniki zakócajce funkcjonowanie portu lotniczego. Usystematyzowanie tych cech pozwala utworzy jednolity algorytm, dziki któremu mona sprawdza gotowo operacyjn przez cay czas i szacowa wskanik dyspozycyjnoci portu lotniczego. Uatwia to wykorzystanie jzyka opisu sprztu VHDL, który umoliwia póniejsz weryfikacj wyspecyfikowanego automatu skoczonego (stworzonego na podstawie algorytmu). 2. CZYNNIKI WPYWAJCE NA GOTOWO OPERACYJN PORTU LOTNICZEGO Sprawdzanie gotowoci operacyjnej portu lotniczego jest procesem zoonym, wpyw na niego ma wiele czynników, które mona podzieli na nastpujce grupy: infrastruktur portu lotniczego, procesy eksploatacji portu lotniczego i czynniki zakócajce eksploatacj portu lotniczego INFRASTRUKTURA PORTU LOTNICZEGO Definicja prawna portu lotniczego okrela go, jako lotnisko uytku publicznego wykorzystywane do lotów handlowych. Wynikaj z tego nastpujce prawidowoci: infrastruktura portu lotniczego obejmuje infrastruktur lotniska (na stae przeznaczona jest do wykonywania operacji lotniczych i urzdzenia suce do obsugiwania tego ruchu) i odpowiedzialny jest za ni zarzdzajcy portem lotniczym. Do ldowa i startów statków powietrznych niezbdne jest prawidowe utrzymanie czci lotniczej lotniska jak i pola ruchu naziemnego. Do pola ruchu naziemnego oprócz pola manewrowego zaliczaj si take pyty postojowe, które umoliwiaj zatrzymanie i postój statku powietrznego, przyjmowanie pasaerów na pokad i zaadunek bagau. Pole wzlotów, jako cz pola manewrowego przeznaczone jest do startów i ldowa statków powietrznych. Rozszerzone informacje na ten temat mona znale w pozycji [10]. Obiekty i urzdzenia, które wykorzystywane s do kierowania, kontroli, nadzoru i zabezpieczenia obsugi ruchu lotniczego mona zdefiniowa, jako lotnicze urzdzenia naziemne. Bardzo istotn rol w tej grupie odgrywaj urzdzenia suby staej TWR odpowiadajce za czno radiow. Do lotniczych urzdze naziemnych zalicza si: urzdzenia radiokomunikacyjne, urzdzenia radiolokacyjne, urzdzenia radionawigacyjne, wzrokowe pomoce nawigacyjne i automatyczne systemy pomiarowe parametrów meteorologicznych.

3 Piotr Kawalec, Micha Kozowski, Mateusz Rudnicki 49 Dla uzupenienia warto zdefiniowa scentralizowan infrastruktur lotniska, jako elementy infrastruktury i urzdzenia w porcie lotniczym suce do wykonywania obsugi naziemnej, których zoono, koszt lub wpyw na rodowisko nie pozwala na jej podzia bd powielenie. Wicej szczegóów na te tematy mona znale w Aneksie 14 ICAO dotyczcym lotnisk [3] PROCESY EKSPLOATACJI PORTU LOTNICZEGO Tradycyjnie, procesy eksploatacyjne odnosz si do czasów dziaania obiektów, od momentu ich uruchomienia do cakowitego zuycia. W przypadku zoonego systemu technicznego jakim jest port lotniczy wikszo urzdze i instalacji musi dziaa w sposób cigy przy wysokiej niezawodnoci jego obiektów. Naley wic zapobiega sytuacjom, w których mogoby doj do duszych przerw w pracy caego systemu. W ruchu lotniskowym statki powietrzne wykonuj operacje, które umoliwiaj portom lotniczym prowadzenie dziaalnoci biznesowej. Obsug, która pokazuje przejcia, jakie statek powietrzny musi wykona, aby speni swój cel transportowy, mona podzieli na obsug po przylocie i obsug na odlot. Ta pierwsza obejmuje: podejcie do ldowania, ldowanie, koowanie po ldowaniu i obsug naziemn. Obsuga na odlot skada si z: obsugi naziemnej, koowania przed startem, startu i wznoszenia po starcie. Dla gotowoci operacyjnej portu lotniczego najbardziej znaczcymi s operacje ldowania i startu (ich szerszy opis mona znale w [12]). Obowizkiem sub lotniskowych jest waciwe utrzymanie pyty pola naziemnego ruchu lotniczego, podobnie jak i innych elementów infrastruktury lotniska, gdy ma to bezporedni wpyw na bezpieczestwo ruchu lotniskowego oraz na przepustowo lotniska. Zarzdzajcy lotniskiem zobligowany jest do opracowania i wdroenia udokumentowanego programu utrzymania lotniska. Obejmuje on prace konserwacyjne nawierzchni, pomocy wizualnych, ogrodzenia, ukadów kanalizacji i budynków. Ponadto obsuga naziemna musi by wykonywana w sposób efektywny (ale z uwzgldnieniem potrzeb pasaera), gdy moe wpywa na powikszanie opónie lotów, które destabilizuj prace portu lotniczego. Innymi wanymi jej elementami s: obsuga techniczna, administracyjna, zaopatrzeniowa a take transport naziemny pomidzy statkiem powietrznym i dworcem lotniczym. Wicej informacji zawiera pozycja [11] CZYNNIKI ZAKÓCAJCE FUNKCJONOWANIE PORTU LOTNICZEGO Okrelenie gotowoci operacyjnej wymaga wyspecyfikowania czynników, które mog zakóca cigo pracy portu lotniczego. Najbardziej istotny wydaje si by czynnik meteorologiczny, który nie podlega sterowaniu a minimalizowanie jego negatywnych efektów nie musi by skuteczne. Elementy infrastruktury majce swoj niezawodno trzeba monitorowa tak, aby w odpowiednim czasie dochodzio do kontroli i ewentualnych

4 50 Piotr Kawalec, Micha Kozowski, Mateusz Rudnicki napraw, które zwiksz prawdopodobiestwo duszej zdatnoci systemów i instalacji lotniska. Inn kwesti pozostaj relacje midzy zasobami zewntrznymi, na które suby lotniska nie maj wpywu, a których niewaciwa koordynacja moe skutkowa problemami z pynnoci ruchu. Loty wykonywane wedug przepisów wykonywania lotów z widocznoci (VFR) s najbardziej zalene od czynników meteorologicznych, Szczegóowe przepisy dotyczce ich wykonywania znajduj si midzy innymi w Zaczniku 2. do konwencji o midzynarodowym lotnictwie cywilnym. Istotne dla gotowoci operacyjnej s równie wymagania dla lotów IFR, a take dopuszczalna warto skadowej poprzecznej wiatru. Zarzdzajcy portem lotniczym zobowizany jest do ustanowienia i wdroenia oraz opublikowania w Instrukcji Operacyjnej Lotniska programów obsugowych procedur utrzymania i eksploatacji pola wzlotów oraz urzdze i systemów bezporednio wykorzystywanych w kierowaniu ruchem lotniczym; co bardzo mocno wie si z niezawodnoci elementów infrastruktury. Stan niezdatnoci któregokolwiek z elementów wystpuje bardzo sporadycznie, najczciej podczas wykonywania planowej obsugi technicznej lub kontroli stanu. Zasoby mona zdefiniowa, jako wszelkie aktywa, ludzie, umiejtnoci, informacje, technologie (w tym zakady produkcyjne i sprzt), obiekty oraz materiay eksploatacyjne; których dostpnoci potrzebuje organizacja w celu prowadzenia dziaalnoci i osigania celów. Dla portu lotniczego najistotniejsze s 3 procesy biznesowe: pasaerska obsuga lotniskowa, obsuga bagau rejestrowanego i obsuga samolotu. Brak koordynacji lub niedostpno szeroko pojtych zasobów moe zdestabilizowa system portu lotniczego. Warto te wspomnie o sytuacjach krytycznych, które de facto zatrzymuj dziaanie portu lotniczego. Akty, które kierowane s przeciwko statkom powietrznym oraz infrastrukturze lotnictwa okrela si poprzez prawny termin bezprawnej ingerencji. Dla wyszczególnienia sytuacji zagraajcych bezpieczestwu powsta Aneks 17 ICAO [4]. 3. ZDEFINIOWANIE GOTOWOCI OPERACYJNEJ PORTU LOTNICZEGO Gotowoci obiektu technicznego jest zdolno tego obiektu do terminowego przystpienia do realizacji zadania oraz realizacji zada w zadanym czasie T. Miarami gotowoci s funkcje utworzone na zbiorze stanów eksploatacyjnych. W procesie eksploatacji obiektu technicznego wyrónianych jest n stanów eksploatacyjnych np. realizacja zadania, zaopatrywanie, kontrola przed realizacj zadania, kontrola po zrealizowaniu zadania, okresowe techniczne obsugi profilaktyczne. Poszczególne stany eksploatacyjne S i charakteryzowane s wartoci oczekiwan czasu przebywania obiektu w stanie eksploatacyjnym T i oraz sumarycznym czasem przebywania obiektu w okrelonym stanie eksploatacyjnym w zadanym czasie T. Stan gotowoci operacyjnej portu lotniczego to stan eksploatacyjny, w którym [12]: moliwe jest podejcie do ldowania i ldowanie, moliwe jest wykonanie operacji odlotu po zakoczeniu obsugi naziemnej,

5 Piotr Kawalec, Micha Kozowski, Mateusz Rudnicki 51 w sposób zgodny z planem, procedurami i przepisami ruchu lotniczego Port lotniczy ma szeregowo równoleg struktur niezawodnociow i jest w stanie gotowoci operacyjnej, jeeli w czasie wykonywania operacji lotniczej bdzie istniaa co najmniej jedna minimalna cieka zdatnoci umoliwiajca jej realizacj. 4. BUDOWA I SPECYFIKACJA ALGORYTMU SPRAWDZAJCEGO GOTOWO OPERACYJN PORTU LOTNICZEGO Stworzenie algorytmu wymaga sformowania sekwencji zdarze, których wynikiem bdzie bezpieczne wykonanie operacji startu i ldowania statku powietrznego. Pierwszym krokiem jest zgoszenie danej operacji lotniczej, po czym nastpuje sprawdzenie warunków umoliwiajcych jej wykonanie. Jeeli dany warunek nie bdzie speniony dla czynników sterowalnych mona zastosowa opcj obsugi, natomiast dla czynników meteorologicznych opcj czekania. Na podstawie takiej weryfikacji suba ATC decyduje o wydaniu zgody na wykonanie operacji lotniczej. Formalny zapis algorytmu zosta przedstawiony w postaci schematu blokowego (rys. 1). Reprezentacja stanów (zdefiniowane wejcie): S1 Zgoszenie operacji lotniczej Startu lub Ldowania S2 stan zdatnoci suby staej TWR zgodny z wymaganiami (X1) S3 Obsuga dorana prowadzona przy subie staej TWR (X2) S4 Wybór kierunku drogi startowej S5 Prdko i kierunek wiatru przyziemnego zgodna z wymaganiami (X3) S6 Czekanie na popraw warunków wiatrowych (X4) S7 TORA lub LDA zgodne z wymaganiami (X5) S8 Warto wspóczynnika tarcia nawierzchni drogi startowej zgodna z wymogami (X6) S9 Obsuga dorana prowadzona przy nawierzchni drogi startowej (X7) S10 Wartoci RVR i DH, warunki widzialnoci zgodne z wymaganiami (X8) S11 Czekanie na popraw warunków widzialnoci (X9) S12 Lot typu VFR/IFR (X10) S13 Stan zdatnoci wiate podejcia do progu APP zgodny z wymaganiami (X13) S14 Stany zdatnoci ILS, VOR/DME zgodne z wymaganiami (X11) S15 Obsuga dorana systemów ILS, VOR/DME (X12) S16 Obsuga dorana przy wiatach podejcia do progu APP (X14) S17 Stan zdatnoci wiate drogi startowej RWY zgodny z wymaganiami (X15) S18 Obsuga dorana przy wiatach drogi startowej RWY (X16) S19 Stan zdatnoci wiate kta cieki schodzenia PAPI zgodny z wymaganiami (X17) S20 Obsuga dorana przy wiatach kta cieki schodzenia PAPI (X18) S21 Osignicie stanu gotowoci operacyjnej w danym czasie, zgoda ATC na operacj S22 Nieosignicie stanu gotowoci operacyjnej, brak zgody ATC na operacj

6 52 Piotr Kawalec, Micha Kozowski, Mateusz Rudnicki Rys. 1. Formalny zapis algorytmu sprawdzania gotowoci operacyjnej portu lotniczego (opis zgodny z zasadami obowizujcymi dla automatu Mealy ego) [12]

7 Piotr Kawalec, Micha Kozowski, Mateusz Rudnicki 53 Ukady cyfrowe sekwencyjne najczciej opisuje si za pomoc grafów przej automatów skoczonych (rys. 2). Edytor FSM z pakietu Active-HDL jest pomocnym narzdziem dla tej czynnoci. Pozwala on specyfikowa, w postaci przyjtej w teorii automatów, synchroniczne ukady sekwencyjne jako automaty Mealy ego i Moore a [7]. Rys. 2. Specyfikacja algorytmu sprawdzania gotowoci operacyjnej w edytorze FSM [12]

8 54 Piotr Kawalec, Micha Kozowski, Mateusz Rudnicki 5. WERYFIKACJA I PRZYKAD BADANIA SYMULACYJNEGO OPRACOWANEGO ALGORYTMU Wyspecyfikowany algorytm zosta zweryfikowany dla przypadków lotów VFR (zasady dla lotów z widocznoci) i IFR (zasady dla lotów wedug wskaza przyrzdów). Rys. 3. Standardowy lot VFR [12] W symulacji pierwszej (rys. 3) przeprowadzono nastpujce zestawienie zdarze. Wybrany zosta lot VFR, osignite zostay odpowiednie stany zdatnoci suby staej TWR i wiate (APP, RWY i PAPI); wartoci TORA/LDA, wspóczynnika tarcia, warunków widzialnoci (RVR i DH) byy zgodne z wymaganiami. Przejcie przez wszystkie stworzone stany spowodowao pojawienie si jedynki na wyjciu ukadu, wynik symulacji jest poprawny. Rys. 4. Standardowy lot IFR [12]

9 Piotr Kawalec, Micha Kozowski, Mateusz Rudnicki 55 W drugiej symulacji (rys. 4) wybrano alternatywny lot IFR; stany zdatnoci ILS, VOR/DME byy zgodne z wymaganiami. Taka sytuacja przy spenionych wczeniejszych wymaganiach umoliwia wykonanie operacji ldowania bd startu statku powietrznego. Na wyjciu pojawia si warto 1, co oznacza prawidowe funkcjonowanie ukadu. Przykad badania symulacyjnego Rozpatrywana jest sytuacja, w której warto wspóczynnika tarcia nawierzchni drogi startowej jest niezgodna z wymaganiami (rys. 5). Rys. 5. Badanie wpywu wspóczynnika tarcia na gotowo operacyjn [12] Na pocztku symulacja odwzorowuje sytuacj, w której warto wspóczynnika tarcia nawierzchni drogi startowej nie jest zgodna z wymaganiami (0 na wyjciu). W drugim etapie suba, której obowizkiem jest zmiana wspóczynnika tarcia dokonuje odpowiednich dziaa, co prowadzi do osignicia stanu gotowoci operacyjnej. Ostatecznie, gdy wspóczynnik tarcia osiga wymagan warto (obsuga nie jest ju wymagana), statki powietrzne mog ponownie wykonywa operacje startu i ldowania. 6. PODSUMOWANIE Stworzony algorytm sprawdzania gotowoci operacyjnej rozpatruje zaoone warunki, jakie port lotniczy musi speni, aby umoliwi statkom powietrznym: podejcie do ldowania i ldowanie oraz wykonanie odlotów po zakoczeniu obsugi naziemnej, w sposób zgodny z planem, procedurami i przepisami ruchu lotniczego (co potwierdza weryfikacja wykonana w programie Active-HDL). Stworzone zostay stany oczekiwania i obsugi doranej, które s niejako wyjciem porednim w przypadku niespeniania wymaga którego z warunków. Algorytm wymaga przejrzystej wspópracy pracowników portu lotniczego, którzy musieliby przekazywa do systemu: niespenione wymagania lub

10 56 Piotr Kawalec, Micha Kozowski, Mateusz Rudnicki niezdatnoci elementów decydujcych o poprawnym wykonywaniu operacji lotniczych, raporty z warunków meteorologicznych lub inne informacje. Bibliografia 1. Aneks 6 ICAO Eksploatacja statków powietrznych, Dz. Urz. ULC z 2009 r., Nr Aneks 9 ICAO Uatwienia, Dz. Urz. ULC z 2009 r., Nr Aneks 14 ICAO Lotniska, Tom I. - Projektowanie i eksploatacja lotnisk, Dz. Urz. ULC z 2011 r., Nr Aneks 17 ICAO Ochrona midzynarodowego lotnictwa cywilnego przed aktami bezprawnej ingerencji, Dz. Urz. ULC z 2011 r., Nr Borgo J., Jawiski J.: Niezawodno eksploatacyjna i bezpieczestwo lotów, WKi, Warszawa Kawalec P.: Analiza i synteza specjalizowanych ukadów modelowania i sterowania ruchem w transporcie. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Prace Naukowe-Transport, z. 68, Warszawa Kawalec P.: Jzyk VHDL i jego zastosowanie do projektowania cyfrowych urzdze sterowania ruchem w transporcie. Materiay IV Konferencji Komputerowe systemy wspomagania nauki, przemysu i transportu TRANSCOMP, Zakopane, Kozowski M.: Gotowo operacyjna portu lotniczego dla rónej struktury potoku obsugiwanych statków powietrznych, Midzynarodowa Konferencja Naukowa Transport XXI Wieku, Warszawa Kozowski M., Skorupski J., Stelmach A.: Wpyw gotowoci operacyjnej na przepustowo portu lotniczego, XXXVI Zimowa Szkoa Niezawodnoci Metody utrzymywania gotowoci systemów, Polska Akademia Nauk, Szczyrk Kozowski M., Malarski M.: Wyznaczanie zdatnoci operacyjnej portu lotniczego, Prace naukowe Politechniki Radomskiej Transport nr 1 (17) 2003, Radom Malarski M.: Inynieria ruchu lotniczego, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa Rudnicki M.: Algorytmizacja procesu sprawdzania gotowoci operacyjnej portu lotniczego, Praca Dyplomowa Inynierska, Politechnika Warszawska, Warszawa IATA Airport Handling Manual, IATA AHM 27th Edition, Procedury Sub eglugi Powietrznej Zarzdzanie Ruchem Lotniczym (Doc 4444). 15. Rozporzdzenie Ministra Infrastruktury z dnia 17 maja 2004 r. w sprawie lotniczych urzdze naziemnych, Dz.U. z 2004 r. Nr 135, poz (z pón. zm.). 16. Rozporzdzenie Ministra Infrastruktury z dnia 25 maja 2009 r. w sprawie obsugi naziemnej w portach lotniczych, Dz.U. z 2009 r. Nr 83, poz. 695 (z pón. zm.). 17. Rozporzdzenie Rady Ministrów z dnia 19 czerwca 2007 w sprawie Krajowego Programu Ochrony Lotnictwa Cywilnego realizujcego zasady ochrony lotnictwa. 18. Rozporzdzenie Rady Ministrów z dnia 10 sierpnia 2012 w sprawie Krajowego Programu Ochrony Lotnictwa Cywilnego realizujcego zasady ochrony lotnictwa. 19. Strona internetowa Systemy Zarzdzania Jakoci Wymagania, PN-EN ISO 9001: Ustawa z dnia 3 lipca 2002 r. Prawo lotnicze, Dz.U. z 2012 r. Nr 0, poz ALGORITHM FOR VERIFYING THE INITIAL OPERATING CAPABILITY OF AN AIRPORT Summary: The paper illustrates the method of verifying the initial operating capability of an Airport with an algorithm. The factors that influence this process were divided into three groups: the infrastructure of an airport, the processes of the airport exploitation and the factors that perturb the airport exploitation. The analysis of these sectors was helpful to generate the conditions that an airport has to fulfill in order to safely carry out the aircraft operations of takeoff and landing. The algorithm was presented with a block diagram

11 Piotr Kawalec, Micha Kozowski, Mateusz Rudnicki 57 and was specified with a finite-state machine graph. This was accomplished with the FSM editor of the Active-HDL software, which allows the user to verify the algorithm by functional simulation. The simulations present the situations that can happen at the airport (some of them are very rare due to the high reliability of the systems and installations of the airport) and the reaction of the created machine. Keywords: airport, initial operating capability, computer assistance

12