Atc Ve Atfm İçin Gerçek Zamanlı Çalışan Karar-destek Ve Otomasyon Sistemlerinin Tasarımı

Abstract

Hava taşımacılığı ulaşım alanında hız ve kat edilebilen mesafeler açısından rakipsiz bir pozisyona sahiptir. Bununla beraber, hava taşımacılığının kapasitesi son 15 yıl içerisinde %300 oranında artarken; havaalanları, ilgili ulaşım ağları, hava trafik kontrolü gibi altyapılar ve yer/uçuş/hava trafik kontrol operasyonları bu artı¸sa hazırlıksız olarak yakalanmıştır. Bu durum hem ekonomi hem de emniyet açısından darboğaz oluşturmuştur. Örneğin A.B.D hava sahasındaki kilitlenmelere müdahale edilmediği taktirde, bu durumun 2022 yılında yıllık 22 Milyar $, 2033 yılında ise yıllık 40 Milyar $ A.B.D ekonomisine yük getireceği tahmin edilmiştir. Bu ekonomik yük dışında hava taşımacılığı operasyonu ile alakalı havada ve yerde ya¸sanan kazalar son 15 yıl içinde yine %140 oranında artmıştır. Havayolu taşımacılığının modernizasyonu amacıyla A.B.D tarafından Nextgen ve Avrupa tarafından SESAR programları başlatılmıştır. Bu programlar ile günümüzden 2025 yılına kadar gerçekleştirilmesi gereken ara¸stırma ve geliştirme projelerinin planlamaları yapılmıştır. SESAR programının hedefi araştırma ve geliştirme faliyetleri sonucu 2020 yılı için; kapasitenin üç kat, güvenlik faktörünün ise on kat arttırılacağı, her bir uçuş için çevresel kirletmenin %10 düşürüleceği ve hava trafik yönetimi maliyetlerinin %50 düşürüleceğidir. Bununla beraber bu yapı içinde dikkat çekici nokta havacılıkta yeni paradigmanın temel taşları belirli olmasına rağmen bu temel donanımsal yeteneklerin ve bilgi ağının uygulamalarda nasıl kullanılacağı ise açık bir araştırma ve geliştirme noktasıdır. Mevcut durumdaki hava taşımacılığına bakıldığında hava trafiği yönetim yapılarının modernizasyonunda otomasyon seviyesinin arttırılmadan hedeflenen sonuçlara ula¸sılamayacağı ve artan trafikle ilgili problemlerin üstesinden gelinemeyeceği algılanabilmektedir. Bu sebeple hem hava trafik kontrolü hem de hava trafik akış yönetimi süreçlerini insanlar açısından işleyişte daha basit ve hem ekonomik hem de çevresel açıdan daha verimli bir hale getirebilecek, alınan kararları hızlandıracak alt sistemlerin tasarlanması gündeme gelmektedir. Tez kapsamında bahsedilen ihtiyaçları karşılayabilecek; yeni hava ulaşımı konsepti ve altyapıları ile uyumlu makro ölçekli ve gerçek zamanda yerde ko¸sabilen yeni hava trafik akış optimizasyonu, hava trafik kontrolü prosedürel algoritmaları ve bunlarla entegre çalışacak operatör karar-destek ve otomasyon mekanizmaları geliştirilmiştir. Tezin ilk kısmında hava trafik yönetiminin hava trafik kontrol kısmına odaklanılmıştır. Artan hava trafiği ile birlikte hava trafik kontrolörlerinin iş yükünün artacağı ve bu yüzden trafiğin kontrolü ile ilgili olu¸sacak sıkıntıların giderilmesi için hava trafik kontrolörlerinin sektördeki uçakları ayırma sürecinin daha hızlı ve güvenli yapabilecek alt sistemler tasarlanmıştır. Bu sayede hava trafik kontrolörlerinin iş yükleri azaltılarak problematik durum çözülebilecektir. Genel olarak, hava sahası kullanımının en temel bariyeri olan hava trafik kontrolörü iş yükü ¸su iki kaynaktan oluşmaktadır; a) koordinasyon, sesli komut ve ileti¸sim, bilgi yönetiminden kaynaklanan rutin görevler, ve b) taktiksel seviyede ayrışma tespiti, durum değerlendirmesi ve ayrışma çözümünden kaynaklanan görevler. Hava Trafiği artışı ile rutin görev yükleri doğru orantılı olarak artarken, taktiksel görev yükleri karşılıklı ilişkilerden dolayı trafik artı¸sının karesi seviyesinde artış göstermektedir. Bu artı¸sla ba¸sa çıkabilmek için kontrolör operasyonlarının rutin çalışma süreçleri belirlenmiş ve iki farklı mod için iki ayrı otomat haline getirilmiştir. Bunun için ayrık durumları ve durumların kendi sürekli uzayları olduğu hibrid modellerden yararlanılmış; Yaklaşma/Kalkış (APP) ve Seyir (ACC) durumları için kontrolör operasyonları modellenmiştir. Oluşturulan bu modeller yazılan algoritmalar sayesinde tüm sektör içerisindeki çatı¸smaları tespit edip ayırmaları sağlayacak şekilde genişletilmiştir. Algoritmalar sayesinde iki moddaki kontrol operasyonları otonomlaştırılmıştır. Bu modellerin ALLFT+ Avrupa Hava Sahası Uçuş Bilgileri verileri ile validasyonu yapılmış ve başarımı de˘gerlendirilmiştir. Sürecin tasarlanan alt sistemlerle çok daha hızlı bir şekilde gerçekleştirilebileceği ve ayırmaların sağlanabileceği gösterilmiştir. Tasarlanan algoritmaların hesaplama zamanlarının polinomsal olduğu gösterilmiştir, bu durum literatürde bulunan çalışmaların çoğuna göre bir avantaj sağlamaktadır. Yüksek yoğunluktaki trafiklerde dahi hesaplama zamanı çok düşük olduğu için tasarımın gerçek hayatta kullanımı kolaylaşmaktadır. Ardından mevcut sistemde kullanılan radar ekranlarının benzeri olan bir simülasyon ekranı tasarlanarak algoritmalar bu sistemin içerisine gömülmüştür. Bu sayede algoritmaların gerçek dünyadaki aviyoniklerle entegre kullanılabilmesine imkan tanınmıştır. Tasarlanan simülasyon ekranın mevcut durumda hava trafik kontrolörlerinin kullandıkları radar ekranları temel alınarak tasarlanmış ve gerektiğinde radar ekranı olarak kullanılabilecek şekilde yazılıma dönüştürülmüştür. Ayrıca simülasyon ekranının mevcut durumda kullanılan ekranlarla benzer olması hava trafik kontrolörleri açısından alışkanlıklarını değiştirmeden kullanımına imkan sağlamaktadır, bu durum tasarımın gerçek süreçlerde kullanıla- bilirliğini kolayla¸stırmaktadır. Bunlara ek olarak, tasarımın kullanıcı tarafından iki ayrı modda kullanılabilmesi bir seçenek olarak sunulmuştur. Tasarım istenildiği taktirde tam otomatik istenildiğinde yarı otomatik olarak kullanılabilmektedir. Bu durum otomasyon seviyesinin kullanıcı yani istenilen prosedür ile belirlenmesine olanak sağlamaktadır. Son olarak, tasarlanan simülasyon ekranı ile oluşturulan otonom sistemin entegrasyonunun ardından; simülasyon ekranı ve oluşturulan trafiğe B737-800 kokpit simülatörü entegre edilerek sahada uçan bir uçak olarak eklenmiştir ve gerçek zamanlı simulasyon sonuçları sunulmuştur. Kokpit simülatorünün sisteme entegre edilme işlemi gerçek uçakların radardan aldıkları verilerin radar ekranına yansıtılmasına benzer bir süreç olduğu için yapılan son çalışmayla tasarlanan alt sistemin gerçek süreçte çalışabilir bir yapıya dönüştürülme işlemi tamamlanmıştır. Tezin ikinci kısmında hava trafik yönetiminin hava trafik akış yönetimi kısmına odaklanılmıştır. Avrupa hava trafik akı¸sının anlaşılabilmesi için ALLFT+ veri seti üzerinden analiz yapılmıştır. Yapılan analizler sonucunda Avrupa Hava Trafiğindeki uçuşların birbirini nasıl etkilediklerinin havaalanı bazlı farklı sezonlara göre çıkarılan ağ modelleri ile modellenebileceği sonucuna varılmıştır. Uçuş fazları düşünüldüğünde, uçuş boyunca en çok problemin yaklaşmada yaşandığı ve bunun da havaalanlarının pist kapasite kısıtlamalarından dolayı olduğu görülmektedir. Bu durum havaalanı bazlı bir ağ modelinin modelleme açısından gerçekçiliğini ortaya koymaktadır. Veri seti incelendiğinde, uçuşların büyük bir bölümünün azınlıktaki bir havaalanı kümesi arasında gerçekleştiği, havaalanlarının büyük bir çoğunluğunda ise saatlik dört uçuştan daha az bir uçuş gerçekleştiği görülmektedir. Bu çıkarım küçük havaalanı tanımlamasını gündeme getirmekte ve bölgesel küçük havaalanlarının modellemede birleştirilerek tek bir birle¸sik havaalanı olarak sunulması basitle¸stirmesine olanak sağlamaktadır. Bu yaklaşımla, Avrupa havaalanı ağ modeli 304 havaalanından oluşacak şekilde modellenmiştir. Ardından, havaalanlarının kalkış ve iniş kapasite-talep dengesini göz önünde bulundurarak tüm ağdaki uçuşların kalkış zamanlarını düzenleyen bir algoritma yazılmıştır. Bu sayede uçuş öncesinde uçaklara müdahale edilip geçikmeler verilerek kontrolörlerin iş yükleri azaltılabilmekte ve gereksiz yakıt tüketiminin önüne geçilebilmektedir. Son olarak, bir durum senaryosu üzerinden algoritmanın doğruluğu ve çalışma şekli denenmiştir. Heatrow Havaalanının kapasitesi yarıya düşürülerek bu kapasite düşümünün diğer havalimanlarında ne kadarlık rotarlara sebep olacağı ALLFT+ uçuş verileri üzerinden incelenmiştir. Algoritmanın kapasite düşümlerinde uçakları yerde tutarak gereksiz yakıt tüketimini ve iş yükü artımını engelleyebileceği ortaya konulmuştur.

Air transportation has an unrivalled position in the world transportation sector, both in the terms of transportation speed and transportation distance. In this context, while the capacity of the aerial transportation have been increased by 300 per cent in the last 15 years, a) infrastructures (airports and connected land-sea-railway transportation networks, and air traffic control systems), and b) land/flight/air traffic control operations, both of which were caught unprepared to that increase, created a bottleneck in terms of both financial and safety. For example, if no intervention is done to the jams in the US aerial domain, it is thought that it will place a burden of 22 billion $ in 2011, and 40 billion $ annually in 2033 to US economy. Concerning the modernization of aerial transportation, US and Europe, which has the biggest aerial domain in the world in terms of capacity, made all of the research and development programs from present day to 2025 with their NextGen and SESAR programs respectively. Research and development results of the SESAR program foresees that by 2020, the capacity and safety will increase by a factor of three and ten respectively, and environmental pollution per flight and air traffic management costs will decrease by 10 and 50 per cent respectively. At the same time, a remarkable point is that, although the basic concept of the aviation is clear, how to use these hardware skills and information networks at the implementations are a clear research and development area. In this scope, the mechanisms, which is compatible with new aviation concept and its infrastructure has been designed. Air traffic flow optimization and air traffic control procedural algorithms that can run on macro scale and real time on the ground, and operator decision-support and automation mechanisms that can work synergistically with these algorithms are topic of this thesis. The first part of thesis focuses to Air Traffic Control part of Air Traffic Management. In this part, a new hybrid system description of modelling the decision process of the air traffic controllers in en-route and approach operations are presented. The model is based on the domain expertise provided by the state airport authority of Turkey. The emulation of air traffic controller decision process in the hybrid model provides realistic conflict resolution maneuvers and separation assurance in 3D, while being computationally tractable. The algorithm has polynomial iteration complexity in the number of waypoints of the aircraft, which makes it scalable to large-scale ATM scenarios with more than 100 aircrafts. The algorithm is validated on the real air traffic data over Istanbul region extracted from the ALLFT+ dataset provided by EUROCONTROL, which includes over 1000 flights in a 24-hour period. The developed algorithm is also integrated into a Boeing 737-800 flight deck simulator with a custom radar display to demonstrate the applicability to existing avionics systems. The second part of thesis focuses to Air Traffic Flow Management part of Air Traffic Management. Firstly, the air traffic flow in Europe is analysed under cover of ALLFT+ data. And then, airport based network model of Europe is constructed. After that, a slot allocation algorithm is presented for determination of slots of flights in airports in Europe with arrival and departure demand-capacity balances. With this algorithm, aircrafts will take ground delay if capacities are exceeded. This means that, the workload of ATCO will be decreased and unnecessary fuel consumptions will be prevented at the beginning of flight.