Wybrane aspekty modelowania ruchu statku powietrznego w rejonie portu lotniczego z uwzględnieniem sytuacji awaryjnych

Transkrypt

1 Paulna Stańczyk 1, Anna Stelmach 2 Poltechnka Warszawska, Wydzał Transportu Wybrane aspekty modelowana ruchu statku powetrznego w rejone portu lotnczego z uwzględnenem sytuacj awaryjnych 1. WPROWADZENIE W dobe dynamcznego rozwoju nauk ścsłych, neprzerwane bezpeczeństwo jest prorytetem każdego z sektorów transportu. Bezpeczeństwo lotów zależy od welu czynnków, które decydują równeż o jakośc lczbe wykonywanych operacj jak funkcjonowana systemu transportu lotnczego mając na uwadze środek transportu jakm jest statek powetrzny. Przez czynnk należy rozumeć dowolne dzałane, przypadek, warunek lub sytuację, których zastnene lub ne zastnene zwększa prawdopodobeństwo nepomyślnego zakończena lotu. Technczna organzacyna złożoność systemu transportu lotnczego, mnogość personelu lotnczego, eksploatacja statku powetrznego w różnych warunkach atmosferycznych są źródłam różnorodnych czynnków wpływających na bezpeczeństwo lotów. Szczegółowe wylczene wszystkch czynnków przy uwzględnenu złożonośc systemu transportu lotnczego jest praktyczne nemożlwe. Stopeń ch szczegółowośc określa sę na tyle, na le skonkretyzowane są warunk funkcjonowana systemu wpływ na powstawane potencjonalnego nebezpeczeństwa dla lotu. Artykuł jest wprowadzenem do badań mających na celu opracowane koncepcj modelu do badań symulacyjnych, wyznaczene mejsca przyzemena statku powetrznego lądującego awaryjne w rejone lotnska z wykorzystanem opracowanego modelu matematycznego. Przedstawono w nm nezbędne elementy, których celem jest zapewnene wymaganego pozomu bezpeczeństwa podczas lotu. Perwszym elementem wpływającym na jakość lotu jest określene przestrzen powetrznej wykonywanego lotu. 2. CHARAKTERYSTYKA PRZESTRZENI POWIETRZNEJ, RUCHU LOTNICZEGO, LOTNISKA ORAZ LOTU W początkowym okrese rozwoju transportu lotnczego, ruch statków powetrznych odbywał sę na wyznaczonych trasach lotnczych w swobodny sposób. W marę wzrostu zateresowana transportem lotnczym, znaczne wzrosło zatłoczene w przestrzen powetrznej. W celu zapewnena odpowednch separacj statków powetrznych powołano stosowne organzacje mające na celu zapewnene bezpeczeństwa lotów. Organzacje te opracowały odpowedne przepsy normy, za pomocą których zostały określone: przestrzene powetrzne ogranczone, strefy nebezpeczne zagrożone, służby kontrol doradcze ruchu lotnczego, kontrole obszarów, rejonów lotnsk portów lotnczych, oraz trasy drog powetrzne. W Polsce wyróżnono przestrzeń powetrzną kontrolowaną nekontrolowaną. 1 paulna.stanczyk@gmal.com 2 ast@wt.pw.edu.pl Logstyka 4/

2 2.1. Przestrzeń powetrzna kontrolowana Przestrzeń powetrzna kontrolowana jest wydzeloną w rejone nformacj powetrznej, przestrzeną o określonych wymarach, w której służba kontrol ruchu lotnczego zapewnona jest w odnesenu do lotów kontrolowanych. W skład polskej przestrzen kontrolowanej wchodzą: drog lotncze (stałe warunkowe)-awy, wysokośc pozomy przelotowe, strefy kontrolowane lotnsk komunkacyjnych oraz wojskowych udostępnonych dla potrzeb komunkacj lotnczej - CTR, rejony kontrolowane lotnsk komunkacyjnych - TMA. Na rysunku 1 zaprezentowano ww. podzał przestrzen powetrznej. Rys. 1. Podzał przestrzen powetrznej. Źródło: opracowane na podstawe [10] Przestrzeń powetrzna nekontrolowana Przestrzeń powetrzna nekontrolowana to przestrzeń nad obszarem lądowym, wodam wewnętrznym morzem terytoralnym RP, neobejmująca przestrzen powetrznej kontrolowanej. Dzel sę ona na: przestrzeń lotów koordynowanych. Jest to część przestrzen neobejmująca przestrzen lotów swobodnych nnych określonych przestrzen, w której loty cywlnych statków powetrznych, przed ch rozpoczęcem, podlegają koordynacj, przestrzeń lotów swobodnych. Jest to część przestrzen powetrznej sęgająca do wysokośc 400 m od powerzchn zem lub wody, neobejmująca przestrzen lotów koordynowanych nnych określonych przestrzen, w których cywlne statk powetrzne mogą wykonywać loty wg VFR (Vsual Flght Rules loty z wdocznoścą ) z prędkoścą do 300 km/h ne podlegają koordynacj przed ch rozpoczęcem [10]. Kolejnym elementem nezbędnym do zepewnena bezpecznego płynnego lotu jest określene warunków ruchu powetrznego Rych lotnczy Specyfka ruchu lotnczego, wymagana przestrzenne warunek zachowana przez statek powetrzny określonej prędkośc pozomu lotu powoduje, że drog lotncze wymagają specjalnego projektowana. Ruch lotnczy jako ruch wszystkch statków powetrznych wykonujących loty lub poruszających sę na polu manewrowym dzel sę na: 2472 Logstyka 4/2014

3 ruch lotnczy kontrolowany jako ruch statków powetrznych objęty dzałanem służby ruchu lotnczego, odbywający sę w przestrzen powetrznej kontrolowanej na polu manewrowym lotnska kontrolowanego, ruch lotnczy nadzorowany jako ruch statków powetrznych objęty dzałanem służby nadzoru ruchu lotnczego odbywający sę w rejone nadzorowanym lotnska na polu manewrowym lotnska nadzorowanego, a także w każdej nnej przestrzen lub na częśc nnego lotnska, wyznaczonego czasowo do tego ruchu. Każdy lot staku powetrznego rozpoczyna kończy sę na określonym (w różny sposób) lotnsku. Rodzaj lotnska równeż wpływa na przebeg lotu, dlatego stotnym staje sę równeż określene warunków jego realzacj Lotnsko Lotnsko jest powerzchną na zem lub wodze (ewentualne z budynkam, urządzenam wyposażenem) przeznaczoną w całośc lub częśc dla przylotów, odlotów nazemnego ruchu statków powetrznych [4]. Wyróżna sę: lotnska kontrolowane, na których zapewnona jest służba kontrol ruchu lotnczego w odnesenu do ruchu lotnskowego, lotnska nadzorowane, na których zapewnona jest służba nazdoru ruchu lotnczego w odnesenu do ruchu lotnskowego, lotnska zapasowe, lotnska na które statk powetrzne mogą leceć, jeżel ne jest możlwe lub ne jest celowe wykonane lotu do lotnska zamerzonego lądowana lub wykonane na nm lądowana, wyróżna se: o lotnska po starce lotnsko zapasowe, na którym statek powetrzny może lądować, jeżel będze to koneczne wkrótce po starce, a ne jest możlwe wykorzystane lotnska startu, o lotnsko po trase lotnsko, na którym statek powetrzny znajdując sę na trase w warunkach nenormalnych lub nebezpecznych mógłby lądować, oraz o lotnsko docelowe lotnsko zapasowe, na które statek powetrzny może leceć, jeżel lądowane na lotnsku zamerzonego lądowana stane sę nemożlwe lub necelowe Lądowane przymusowe Lądowane przymusowe jest lądowanem neplanowym, dokonanym z przyczyn techncznych, meteorologcznych lub nnych. Przy wyborze lotnska jako lotnska zapasowego szczególną rolę pełną mnma operacyjne danego lotnska. Przewoźnk zobowązany jest ustalć do swojego użytku wg zasad uznanych przez organ państwowego nadzoru lotnczego, mnma operacyjne dla każdego lotnska używanego przez jego samoloty, oraz zatwerdzć metody ustalana tych mnmów. Przy ch wyborze uwzględna sę: skład załog lotnczej, wymary charakterystyk dróg startowych (zgodne z wymaganam dla poszczególnych kategor lotnska), typ, zdolnośc manewrowe osąg danego statku powetrznego, charakterystyk technczne jakość zanstalowanych na lotnsku wzualnych nnych pomocy operacyjnych do zblżana, podejśca do lądowana lądowana, wyposażene na samoloce do nawgacj kontrol toru podczas podchodzena do lądowana procedury po neudanym podejścu do lądowana, przeszkody w strefe startu, podejśca do lądowana odejśca na drug krąg, przeszkody w strefe początkowego wznoszena, środk stosowane do pomaru sposoby podawana warunków meteorologcznych. Wraz z zastnenem sytuacj awaryjnych może dojść do sytuacj, w której faktem stane sę brak możlwośc kontynuowana lotu. Sytuacja ta pocąga za sobą koneczność zapewnena maksymalnego bezpeczeństwa mnmalnego ryzyka dla załog pasażerów statku powetrznego oraz gdy jest to możlwe, do zachowana ntegralnej całośc jego kadłuba. Istneje wele sytuacj awaryjnych, począwszy od Logstyka 4/

4 neznacznego ogranczena osagów samolotu do (często katastrofcznych) uszkodzeń strukturalnych statku powetrznego, bądź też uszkodzeń zespołów napędowych. Możlwa jest także sytuacja, kedy prędkość podczas której dojdze do pogorszena osagów samolotu będze determnowała rodzaj akcj jaka zostane podjęta. Nemnej jednak wszelke rozważana nad podjęcem odpowednch kroków pownny być wykonane na tyle wcześne, aby samolot mógł wylądować pod pełną (lub też z małym ogranczenam osagów) kontrolą plotów [11]. Podczas nebezpecznej sytuacj awaryjnej, elementem najczęścej awaryjnym statku powetrznego jest napęd, bądź destrukcj ulega struktura samolotu. Sytuacja taka wymusza nezwłoczne lądowane z konecznoścą zapewnena odpowednej orentacj statku powetrznego w przestrzen. Jeżel ne ma możlwośc lądowana na specjalne do tego przeznaczonym terene lub lądowsku znajdującym sę w strefe zasęgu samolotu, to mus on lądować w terene przygodnym. W hstor zdarzały sę lądowana awaryjne ne tylko na lądze, ale równeż na rzecze (np. US Arways Flght 1549, 15 styczna 2009r, z powodu strącena stada gęs kanadyjskch podczas wznoszena, lądowane awaryjne na rzecze Hudson). 3. PRZYCZYNY WYPADKÓW LOTNICZYCH W REJONIE LOTNISKA Wypadk lotncze są następstwem welu przyczyn. Zazwyczaj zdarzają sę na skutek zastnena szeregu powązanych wzajemne ze sobą przyczyn. Każda z tych przyczyn, rozpatrywana nezależne może wydawać se błahą, jednak w połączenu z pozostałym, tworzy cąg pozorne nestotnch zdarzeń, który w sposób neuchronny prowadzą do wypadku [2]. Na bezpeczeństwo lotncze wpływa wzajemna relacja trzech głównych elementów systemu lotnczego (rys. 2): człowek (czynnk ludzk), statek powetrzny (czynnk technczny), otoczene (wpływ środowska naturalnego sztucznego). W wekszośc przypadków, ryzyko zwązane z wykonywanem zadań lotnczych, można przypsać dzałalnośc człoweka pommo nterakcj pozostałych dwóch kategor. Przykładem może być wykonywane pewnego rodzaju zadań, które mogą wyzwalać u plota zwększone napęce lub wzmożoną uwagę, przyczynając sę do popełnena przez nego błędów. Może równeż znaleźć sę w sytuacj, do wyjśca z której ne był odpowedno przygotowany wyszkolony. Prowadz to do wystąpena przedwczesnego zużyca częśc składowych samolotu, co z kole zwększa obcążene plota oraz prawdopodobeństwo popełnena przez nego błędu. Rys. 2. Model systematyczno przyczynowy bezpeczeństwa lotnczego Źródło: opracowane na podstawe [1] Logstyka 4/2014

5 Czynnk awaryjnośc w lotnctwe zawsze stwarzają lczne problemy, szczególne gdy ch mejsce leży na styku wyżej wspomnanych elementów. W zwązku z tym, ż człowek ma udzały w każdym z tych trzech elementów, zachodz podejrzene, że wśród przyczyn wększośc wypadków lotnczych przesłanek kryją sę zawsze różne błędy człoweka. W celu łatwejszej klasyfkacj przyczyn wypadków lotnczych, Zrzeszene Mędzynarodowego Transportu Lotnczego IATA ustanowło następujący podzał, obejmujący pęć głównych kategor przyczyn wypadków lotnczych: kategora I (HUM) z udzałem czynnka ludzkego. Obejmuje jedyne wypadk, których główną przyczyną jest błąd załog wykonujacej lot, kategora II (TEC) technczne. Obejmują usterk samolotu - złe funkcjonowane nstalacj systemów, błędy w nstrukcjach operacyjnych, błędy producenta, błędy obsług okresowej, startowej oraz podczas usuwana usterek, kategora III (ENV) uwarunkowana zewnętrzne. Obejmują całokształt uwarunkowań, w obrębe których pracuje załoga, takch jak: o warunk meteorologczne, o kontrola ruchu lotnczego, o udogodnena lotnskowe, o zderzena z ptakam, o komunkacja: załoga-personel pokładowy, załoga-kontroler ATC, załoga-personel nazemny tp., kategora IV (ORG) organzacyjne. Obejmują wypadk, których przyczyną była: o newłaścwa selekcja lub trenng załog, o błędy w zarządzanu admnstrowanu organzacj lotnczej, o neodpowedna kontrola, o zły przepływ nformacj lub newłaścwe cele, kategora V (I) nne. Dodatkową gupę wypadków stanową, te wobec których ne udało sę ustalć wystarczającej lośc faktów [1]. Nezależne od przyczyny powodującej zastnene wypadku lotnczego, jak równeż rodzaju statku powetrznego, podstawowym źródłem nformacj są dane pochodzące z zapsów pokładowych rejestratorów lotów. Na podstawe tych danych, uzyskanych od przewoźnków lotnczych można zamodelować przebeg lotu wykorzystując metody komputerowej dentyfkacj bądź modelowane za pomocą sztucznej sec neuronowej. Przykładowe modelowana zostały zaprezentowane w pracach [6-7] [9-10]. Istotnym faktem zaprezentowanych metod jest koneczność weryfkacj oraz analzy dokładnośc odwzorowana lotu rzeczywstego nezależne dla każdej fazy lotu. 4. OPRACOWANIE KONCEPCJI MODELU DO BADAŃ SYMULACYJNYCH Jednym z stotnych elementów badań z użycem modelu technk symulacyjnej będze wyznaczene knematycznych równań ruchu. Równana te będą opsywały tor lotu, który charakteryzuje zachowane sę samolotu w przestrzen powetrznej, w zależnośc od rodzaju danej przestrzen (opsanej w rozdzale 2) jak równeż od rodzaju współrzędnych geografcznych lotnska docelowego. Przygotowany zostane algorytm programu komputerowego do wyznaczana współrzędnych toru lotu z wykorzystanem model opracowanych metodam komputerowej dentyfkacj w postac sztucznej sec neuronowej przedstawony na rys. 6. Elementem decydującym o dokładnośc odwzorowana lotu rzeczywstego przez model jest dobór odpowednej postac modelu matematycznego. Uprzedzając wynk modelowana, przyjęto postać modelu jako następującą (rys. 3): Logstyka 4/

6 Rys. 3. Postać modelu odwzorowującego trajektorę lotu Źródło: opracowane własne. W perwszej kolejnośc przyjmowany będze typ samolotu. Następne wyznaczane będą warunk początkowe lotu tj.: fl faza lotu, s segment lotu, T czas trwana fazy lotu, a typ awar, V prędkość lotu (V = V 0 ), gdze V 0 oznacza prędkość w chwl =0, ψ kurs (ψ =ψ 0), X, Y, Z współrzędne położena samolotu (X = X 0, Y = Y 0, H = Z = Z 0 ). Następne wczytywane będą parametry sterowana samolotu w chwl + 1, tj. faza lotu (fl ), segment lotu (s ), prędkość zmany kursu ( ψɺ ) oraz ponowa prędkość wznoszena W. Kolejnym etapem algorytmu będze wyznaczene czasu trwana lotu w -tej chwl, oraz kursu z zależnośc ψ =ψ -1 +ψ ɺ t jak równeż wysokośc lotu Z = H -1 +W t. Następne wyznaczana będze prędkość w -tej chwl z modelu matematycznego opracowanego metodam komputerowej dentyfkacj [9] lub też opcjonalne ze sztucznej sec neuronowej [10] - V = f (t, s, a, V -2, V -1 ). Współrzędne położena samolotu będą określane z zależnośc X = X -1 + V t cosψ snϑ, Y = Y -1 + V t snψ snϑ, Z = H przy czym prędkość z uwzględnenem zakłóceń V ZAK V W ϑ = arcsn. W kolejnym etape wyznaczana będze V = V + e. Przy czym e V oblczane będze z modelu zakłóceń [10]. Wykorzystując opsany algorytm oblczeń opracowany zostane program komputerowy TL, który posłuży do oblczeń grafcznego przedstawena trajektor lotu. Na rys. 4 przedstawono przykładowe trajektore z dwóch lotów dla fazy lądowana Logstyka 4/2014

7 Rys.4. Przykładowe tory lotu samolotu w faze lądowana Źródło: opracowane własne [10]. Z kole na rys. 5 przedstawono przykładowy przebeg czasowy lotu samolotu począwszy od fazy startu a skończywszy na faze lądowana. Na rysunku tym pokazano zmany w czase prędkośc, kursu wysokośc. Rys. 5. Przykładowy przebeg czasowy lotu samolotu począwszy od fazy startu a skończywszy na faze lądowana Źródło: opracowane własne [10]. Logstyka 4/

8 Rys. 6. Algorytm wyznaczana współrzędnych toru lotu samolotu Źródło: opracowane na podstawe [10] Logstyka 4/2014

9 5. PODSUMOWANIE Problem awaryjnego lądowana statku powetrznego pojawł sę wraz z początkem rozwoju lotnctwa. Dlatego właśne problem awaryjnego lądowana staku powetrznego jest przedmotem badań welu ośrodków. W artykule wskazano podstawowe elementy ruchu lotnczego mające wpływ na bezpeczeństwo lotu, główne przyczyny wypadków lotnczych, jak równeż zaprezentowano podstawowe elementy mające wpływ na tor lotu statku powetrznego. Celem artykułu było opracowane wstępnej koncepcj modelu badań symulacyjnych fazy lądowana awaryjnego samolotu w rejone lotnska, wskazane wybranych parametrów lotu mających bezpośredn wpływ na płynność ruchu, co w efekce pozwolło stworzyć algorytm wyznaczana współrzędnych toru lotu statku powetrznego. Streszczene W zwązku ze stale zwększającym sę ruchem lotnczym, problem doboru odpowednego mejsca lądowana statku powetrznego w sytuacj braku możlwośc przyzemena na lotnsku docelowym staje sę coraz bardzej stotny. Artykuł przedstawa wynk analzy elementów mających wpływ na bezpeczeństwo płynność ruchu podczas wykonywana operacj awaryjnego lądowana statku powetrznego w rejone lotnska. W artykule zaprezentowano nezbędne elementy nfrastruktury lotnskowej mające wpływ na bezpeczne przyzemene samolotu, jak równeż zaprezentowano podstawowe elementy mające wpływ na wystąpene awaryjnego lądowana. Słowa kluczowe: rejon lotnska, awaryjne lądowane, wypadek lotnczy. Selected aspects of modelng the movement of arcraft n the vcnty of the arport wth regard to emergency stuatons Abstract Due to the steadly ncreasng ar traffc, the problem of selecton of the approprate landng of the arcraft n the absence of the possblty of a touchdown at the destnaton arport s becomng ncreasngly mportant. The artcle presents the results of the analyss of elements affectng safety and traffc flow durng the operaton of an arcraft emergency landng at the arport. The artcle presents the essental elements of arport nfrastructure affectng the safe touchdown the arcraft, as well as presents the basc elements that affect the occurrence of an emergency landng. Key words: arport area, emergency landng, arcraft crash. LITERATURA [1] Accdent Preventon Manual Doc 9422-AN/923 ICAO. [2] JAA Arlne Transport Lcence Theoretcal Knowledge Manual, Oxford Avaton Servces Lmted [3] Chuang, C., Su, S., Hsao C.: The Annealng Robust Backpropagaton (ARBP) Learnng Algorthm, IEEE Transactons on Neural Networks, vol. 11, September 2000 [4] Ceślak G.: Infrastruktura krytyczna lotnsk kuracja ze skutkam ubocznym, Terroryzm, 2010, nr 1 [5] Informacja o stane bezpeczeństwa lotów skoków spadochronowych w lotnctwe cywlnym RP w 2009 roku, Urząd Lotnctwa Cywlnego, Kweceń 2010 [6] Stańczyk P., Stelmach A.: Modelowane ruchu samolotu podczas operacj startu lądowana z wykorzystanem sztucznych sec neuronowych, red. Skorupsk J.: Współczesne problemy nżyner ruchu lotnczego - modele metody, p , Ofcyna Wydawncza Poltechnk Warszawskej, Warszawa [7] Stańczyk P., Stelmach A.: Artfcal Neural Networks Appled to the Modelng of Arcraft Landng Phase, 10-th European Conference of Young Research and Scentsts - Proceedngs, ISBN: , Zlna 2013, pp [8] Stańczyk P., Stelmach A.: Analza wpływu elementów nfrastruktury krytycznej na gotowość operacyjną portu lotnczego, Prace Naukowe Poltechnk Warszawskej - Transport, zeszyt nr 92, str , Warszawa Logstyka 4/

10 [9] Stelmach A.: Modelng of the selected arcraft flght phase usng data from Flght Data Recorder, Archves of Transport, vol. XXIII, NO 4, pp , Warszawa [10] Stelmach A.: Identyfkacja model matematycznych faz lotu samolotu, Ofcyna Wydawncza Poltechnk Warszawskej, Warszawa [11] Załącznk 2 ICAO Przepsy ruchu lotnczego. [12] Załącznk 14 ICAO Lotnska, Tom 1 Projektowane eksploatacja lotnsk Logstyka 4/2014