Algorytmizacja procesu sprawdzania gotowości operacyjnej portu lotniczego Algorithm for verifying the initial operating capability of an airport

Piotr Kawalec

Politechnika Warszawska, WydziaI Transportu, ZakIad Sterowania Ruchem

Micha# Koz#owski

PrzedsiLbiorstwo PaNstwowe „Porty Lotnicze”

Mateusz Rudnicki

Politechnika Warszawska, WydziaI Transportu, ZakIad InQynierii Transportu Lotniczego

ALGORYTMIZACJA PROCESU SPRAWDZANIA

GOTOWO.CI OPERACYJNEJ PORTU

LOTNICZEGO

Streszczenie: W pracy przedstawiono metodL sprawdzania gotowoTci operacyjnej portu lotniczego

i opisano jV za pomocV algorytmu. UwzglLdnione zostaIy czynniki wpIywajVce na stan gotowoTci operacyjnej, które podzielone zostaIy na 3 oddzielne obszary: infrastrukturL portu lotniczego, procesy eksploatacji portu lotniczego i czynniki zakIócajVce eksploatacjL portu lotniczego. Analiza obszarów uIatwiIa wygenerowanie warunków, jakie port lotniczy musi speIniaZ dla bezpiecznego przeprowadzania operacji startu i lVdowania statków powietrznych. Algorytm zostaI przedstawiony za pomocV schematu blokowego, do jego specyfikacji wykorzystano graf przejTZ automatu skoNczonego. ZostaIo to uczynione w edytorze FSM pakietu Active-HDL, pozwalajVcym na weryfikacje algorytmu w trybie symulacji komputerowej. Symulacje przedstawiaIy sytuacje, które mogV siL zdarzyZ na lotnisku (niektóre z nich wystLpujV rzadko z powodu wysokiej niezawodnoTci systemów i instalacji portu lotniczego). Ponadto pokazywaIy, w jaki sposób stworzony automat na nie reaguje.

S#owa kluczowe: port lotniczy, gotowoTZ operacyjna, wspomaganie komputerowe

1. WPROWADZENIE

Otwieranie nowych portów lotniczych wiVQe siL z czLstym wykorzystaniem pojLcia - osiVgania gotowoTci operacyjnej, które okreTla wIaTciwe funkcjonowanie portu lotniczego do prowadzenia dziaIalnoTci biznesowej. W sensie teorii procesów transportowych port lotniczy to system S={A; R}, gdzie A to zbiór elementów infrastruktury, a R to zbiór

relacji IVczVcych elementy miLdzy sobV oraz z otoczeniem. Celem jego funkcjonowania jest obsIuga operacji lotniczych oraz przewozu lotniczego. PrzyjmujVc takie podejTcie, port lotniczy moQna scharakteryzowaZ poprzez zidentyfikowanie jego infrastruktury, procesów eksploatacji. UwzglLdniajVc cel pracy, dokonujVc analizy portu lotniczego naleQy równieQ uwzglLdniZ czynniki zakIócajVce funkcjonowanie portu lotniczego.

Usystematyzowanie tych cech pozwala utworzyZ jednolity algorytm, dziLki któremu moQna sprawdzaZ gotowoTZ operacyjnV przez caIy czas i szacowaZ wskagnik dyspozycyjnoTci portu lotniczego. UIatwia to wykorzystanie jLzyka opisu sprzLtu VHDL, który umoQliwia pógniejszV weryfikacjL wyspecyfikowanego automatu skoNczonego (stworzonego na podstawie algorytmu).

2. CZYNNIKI WP3YWAJ4CE NA GOTOWO.5

OPERACYJN4 PORTU LOTNICZEGO

Sprawdzanie gotowoTci operacyjnej portu lotniczego jest procesem zIoQonym, wpIyw na niego ma wiele czynników, które moQna podzieliZ na nastLpujVce grupy: infrastrukturL portu lotniczego, procesy eksploatacji portu lotniczego i czynniki zakIócajVce eksploatacjL portu lotniczego.

2.1. INFRASTRUKTURA PORTU LOTNICZEGO

Definicja prawna portu lotniczego okreTla go, jako lotnisko uQytku publicznego wykorzystywane do lotów handlowych. WynikajV z tego nastLpujVce prawidIowoTci: infrastruktura portu lotniczego obejmuje infrastrukturL lotniska (na staIe przeznaczona jest do wykonywania operacji lotniczych i urzVdzenia sIuQVce do obsIugiwania tego ruchu) i odpowiedzialny jest za niV zarzVdzajVcy portem lotniczym. Do lVdowaN i startów statków powietrznych niezbLdne jest prawidIowe utrzymanie cz78ci lotniczej lotniska jak i pola ruchu naziemnego. Do pola ruchu naziemnego oprócz pola manewrowego zaliczajV siL

takQe pIyty postojowe, które umoQliwiajV zatrzymanie i postój statku powietrznego, przyjmowanie pasaQerów na pokIad i zaIadunek bagaQu. Pole wzlotów, jako czLTZ pola manewrowego przeznaczone jest do startów i lVdowaN statków powietrznych. Rozszerzone informacje na ten temat moQna znalegZ w pozycji [10].

Obiekty i urzVdzenia, które wykorzystywane sV do kierowania, kontroli, nadzoru i zabezpieczenia obsIugi ruchu lotniczego moQna zdefiniowaZ, jako lotnicze urz:dzenia naziemne. Bardzo istotnV rolL w tej grupie odgrywajV urzVdzenia sIuQby staIej TWR –

odpowiadajVce za IVcznoTZ radiowV. Do lotniczych urzVdzeN naziemnych zalicza siL: urzVdzenia radiokomunikacyjne, urzVdzenia radiolokacyjne, urzVdzenia radionawigacyjne, wzrokowe pomoce nawigacyjne i automatyczne systemy pomiarowe parametrów meteorologicznych.

Dla uzupeInienia warto zdefiniowaZ scentralizowan: infrastruktur7 lotniska, jako

elementy infrastruktury i urzVdzenia w porcie lotniczym sIuQVce do wykonywania obsIugi naziemnej, których zIoQonoTZ, koszt lub wpIyw na Trodowisko nie pozwala na jej podziaI bVdg powielenie. WiLcej szczegóIów na te tematy moQna znalegZ w Aneksie 14 ICAO dotyczVcym lotnisk [3].

2.2. PROCESY EKSPLOATACJI PORTU LOTNICZEGO

Tradycyjnie, procesy eksploatacyjne odnoszV siL do czasów dziaIania obiektów, od momentu ich uruchomienia do caIkowitego zuQycia. W przypadku zIoQonego systemu technicznego jakim jest port lotniczy wiLkszoTZ urzVdzeN i instalacji musi dziaIaZ w sposób ciVgIy przy wysokiej niezawodnoTci jego obiektów. NaleQy wiLc zapobiegaZ sytuacjom, w których mogIoby dojTZ do dIuQszych przerw w pracy caIego systemu.

W ruchu lotniskowym statki powietrzne wykonujV operacje, które umoQliwiajV portom lotniczym prowadzenie dziaIalnoTci biznesowej. ObsIugL, która pokazuje przejTcia, jakie statek powietrzny musi wykonaZ, aby speIniZ swój cel transportowy, moQna podzieliZ na obsIugL po przylocie i obsIugL na odlot. Ta pierwsza obejmuje: podejTcie do lVdowania, lVdowanie, koIowanie po lVdowaniu i obsIugL naziemnV. ObsIuga na odlot skIada siL z: obsIugi naziemnej, koIowania przed startem, startu i wznoszenia po starcie. Dla gotowoTci operacyjnej portu lotniczego najbardziej znaczVcymi sV operacje l:dowania i startu (ich

szerszy opis moQna znalegZ w [12]).

ObowiVzkiem sIuQb lotniskowych jest wIaTciwe utrzymanie pIyty pola naziemnego

ruchu lotniczego, podobnie jak i innych elementów infrastruktury lotniska, gdyQ ma to bezpoTredni wpIyw na bezpieczeNstwo ruchu lotniskowego oraz na przepustowoTZ lotniska. ZarzVdzajVcy lotniskiem zobligowany jest do opracowania i wdroQenia udokumentowanego programu utrzymania lotniska. Obejmuje on prace konserwacyjne nawierzchni, pomocy wizualnych, ogrodzenia, ukIadów kanalizacji i budynków.

Ponadto obs#uga naziemna musi byZ wykonywana w sposób efektywny (ale z

uwzglLdnieniem potrzeb pasaQera), gdyQ moQe wpIywaZ na powiLkszanie opógnieN lotów, które destabilizujV prace portu lotniczego. Innymi waQnymi jej elementami sV: obsIuga techniczna, administracyjna, zaopatrzeniowa a takQe transport naziemny pomiLdzy statkiem powietrznym i dworcem lotniczym. WiLcej informacji zawiera pozycja [11].

2.3. CZYNNIKI ZAK3ÓCAJ4CE FUNKCJONOWANIE PORTU

LOTNICZEGO

OkreTlenie gotowoTci operacyjnej wymaga wyspecyfikowania czynników, które mogV zakIócaZ ciVgIoTZ pracy portu lotniczego. Najbardziej istotny wydaje siL byZ czynnik meteorologiczny, który nie podlega sterowaniu a minimalizowanie jego negatywnych efektów nie musi byZ skuteczne. Elementy infrastruktury majVce swojV niezawodnoTZ trzeba monitorowaZ tak, aby w odpowiednim czasie dochodziIo do kontroli i ewentualnych

napraw, które zwiLkszV prawdopodobieNstwo dIuQszej zdatnoTci systemów i instalacji lotniska. InnV kwestiV pozostajV relacje miLdzy zasobami zewnLtrznymi, na które sIuQby lotniska nie majV wpIywu, a których niewIaTciwa koordynacja moQe skutkowaZ problemami z pIynnoTciV ruchu.

Loty wykonywane wedIug przepisów wykonywania lotów z widocznoTciV (VFR) sV najbardziej zaleQne od czynników meteorologicznych, SzczegóIowe przepisy dotyczVce

ich wykonywania znajdujV siL miLdzy innymi w ZaIVczniku 2. do konwencji o miLdzynarodowym lotnictwie cywilnym. Istotne dla gotowoTci operacyjnej sV równieQ wymagania dla lotów IFR, a takQe dopuszczalna wartoTZ skIadowej poprzecznej wiatru.

ZarzVdzajVcy portem lotniczym zobowiVzany jest do ustanowienia i wdroQenia oraz opublikowania w Instrukcji Operacyjnej Lotniska programów obsIugowych – procedur utrzymania i eksploatacji pola wzlotów oraz urzVdzeN i systemów bezpoTrednio wykorzystywanych w kierowaniu ruchem lotniczym; co bardzo mocno wiVQe siL z

niezawodno8ci: elementów infrastruktury. Stan niezdatnoTci któregokolwiek z

elementów wystLpuje bardzo sporadycznie, najczLTciej podczas wykonywania planowej obsIugi technicznej lub kontroli stanu.

Zasoby moQna zdefiniowaZ, jako wszelkie aktywa, ludzie, umiejLtnoTci, informacje,

technologie (w tym zakIady produkcyjne i sprzLt), obiekty oraz materiaIy eksploatacyjne; których dostLpnoTci potrzebuje organizacja w celu prowadzenia dziaIalnoTci i osiVgania celów. Dla portu lotniczego najistotniejsze sV 3 procesy biznesowe: pasaQerska obsIuga lotniskowa, obsIuga bagaQu rejestrowanego i obsIuga samolotu. Brak koordynacji lub niedostLpnoTZ szeroko pojLtych zasobów moQe zdestabilizowaZ system portu lotniczego.

Warto teQ wspomnieZ o sytuacjach krytycznych, które de facto zatrzymujV dziaIanie portu lotniczego. Akty, które kierowane sV przeciwko statkom powietrznym oraz infrastrukturze lotnictwa okreTla siL poprzez prawny termin bezprawnej ingerencji. Dla

wyszczególnienia sytuacji zagraQajVcych bezpieczeNstwu powstaI Aneks 17 ICAO [4].

3. ZDEFINIOWANIE GOTOWO.CI OPERACYJNEJ PORTU

LOTNICZEGO

Gotowo8ci: obiektu technicznego jest zdolnoTZ tego obiektu do terminowego

przystVpienia do realizacji zadania oraz realizacji zadaN w zadanym czasie T. Miarami gotowoTci sV funkcje utworzone na zbiorze stanów eksploatacyjnych. W procesie eksploatacji obiektu technicznego wyróQnianych jest n stanów eksploatacyjnych np. realizacja zadania, zaopatrywanie, kontrola przed realizacjV zadania, kontrola po zrealizowaniu zadania, okresowe techniczne obsIugi profilaktyczne. Poszczególne stany eksploatacyjne Si charakteryzowane sV wartoTciV oczekiwanV czasu przebywania obiektu w

stanie eksploatacyjnym Ti oraz sumarycznym czasem przebywania obiektu w okreTlonym

stanie eksploatacyjnym w zadanym czasie T.

Stan gotowo8ci operacyjnej portu lotniczego to stan eksploatacyjny, w którym [12]:

! moQliwe jest podejTcie do lVdowania i lVdowanie,

w sposób zgodny z planem, procedurami i przepisami ruchu lotniczego

Port lotniczy ma szeregowo – równolegIV strukturL niezawodnoTciowV i jest w stanie gotowoTci operacyjnej, jeQeli w czasie wykonywania operacji lotniczej bLdzie istniaIa co najmniej jedna minimalna TcieQka zdatnoTci umoQliwiajVca jej realizacjL.

4. BUDOWA I SPECYFIKACJA ALGORYTMU

SPRAWDZAJ4CEGO GOTOWO.5 OPERACYJN4 PORTU

LOTNICZEGO

Stworzenie algorytmu wymaga sformowania sekwencji zdarzeN, których wynikiem bLdzie bezpieczne wykonanie operacji startu i lVdowania statku powietrznego. Pierwszym krokiem jest zgIoszenie danej operacji lotniczej, po czym nastLpuje sprawdzenie warunków umoQliwiajVcych jej wykonanie. JeQeli dany warunek nie bLdzie speIniony – dla czynników sterowalnych moQna zastosowaZ opcjL „obsIugi”, natomiast dla czynników meteorologicznych opcjL „czekania”. Na podstawie takiej weryfikacji sIuQba ATC decyduje o wydaniu zgody na wykonanie operacji lotniczej. Formalny zapis algorytmu zostaI przedstawiony w postaci schematu blokowego (rys. 1).

Reprezentacja stanów (zdefiniowane wejTcie):

S1 – ZgIoszenie operacji lotniczej Startu lub LVdowania

S2 – stan zdatnoTci sIuQby staIej TWR zgodny z wymaganiami (X1) S3 – ObsIuga doragna prowadzona przy sIuQbie staIej TWR (X2) S4 – Wybór kierunku drogi startowej

S5 – PrLdkoTZ i kierunek wiatru przyziemnego zgodna z wymaganiami (X3) S6 – Czekanie na poprawL warunków wiatrowych (X4)

S7 – TORA lub LDA zgodne z wymaganiami (X5)

S8 – WartoTZ wspóIczynnika tarcia nawierzchni drogi startowej zgodna z wymogami (X6) S9 – ObsIuga doragna prowadzona przy nawierzchni drogi startowej (X7)

S10 – WartoTci RVR i DH, warunki widzialnoTci zgodne z wymaganiami (X8) S11 – Czekanie na poprawL warunków widzialnoTci (X9)

S12 – Lot typu VFR/IFR (X10)

S13 – Stan zdatnoTci TwiateI podejTcia do progu APP zgodny z wymaganiami (X13) S14 – Stany zdatnoTci ILS, VOR/DME zgodne z wymaganiami (X11)

S15 – ObsIuga doragna systemów ILS, VOR/DME (X12)

S16 – ObsIuga doragna przy TwiatIach podejTcia do progu APP (X14)

S17 – Stan zdatnoTci TwiateI drogi startowej RWY zgodny z wymaganiami (X15) S18 – ObsIuga doragna przy TwiatIach drogi startowej RWY (X16)

S19 – Stan zdatnoTci TwiateI kVta TcieQki schodzenia PAPI zgodny z wymaganiami (X17) S20 – ObsIuga doragna przy TwiatIach kVta TcieQki schodzenia PAPI (X18)

S21 – OsiVgniLcie stanu gotowoTci operacyjnej w danym czasie, zgoda ATC na operacjL S22 – NieosiVgniLcie stanu gotowoTci operacyjnej, brak zgody ATC na operacjL

Rys. 1. Formalny zapis algorytmu sprawdzania gotowoTci operacyjnej portu lotniczego (opis zgodny z zasadami obowiVzujVcymi dla automatu Mealy’ego) [12]

UkIady cyfrowe sekwencyjne najczLTciej opisuje siL za pomocV grafów przejTZ automatów skoNczonych (rys. 2). Edytor FSM z pakietu Active-HDL jest pomocnym narzLdziem dla tej czynnoTci. Pozwala on specyfikowaZ, w postaci przyjLtej w teorii automatów, synchroniczne ukIady sekwencyjne jako automaty Mealy’ego i Moore’a [7].

5. WERYFIKACJA I PRZYK3AD BADANIA

SYMULACYJNEGO OPRACOWANEGO ALGORYTMU

Rys. 3. Standardowy lot VFR [12]

W symulacji pierwszej (rys. 3) przeprowadzono nastLpujVce zestawienie zdarzeN. Wybrany zostaI lot VFR, osiVgniLte zostaIy odpowiednie stany zdatnoTci sIuQby staIej TWR i TwiateI (APP, RWY i PAPI); wartoTci TORA/LDA, wspóIczynnika tarcia, warunków widzialnoTci (RVR i DH) byIy zgodne z wymaganiami. PrzejTcie przez wszystkie stworzone stany spowodowaIo pojawienie siL jedynki na wyjTciu ukIadu, wynik symulacji jest poprawny.

W drugiej symulacji (rys. 4) wybrano alternatywny lot – IFR; stany zdatnoTci ILS, VOR/DME byIy zgodne z wymaganiami. Taka sytuacja przy speInionych wczeTniejszych wymaganiach umoQliwia wykonanie operacji lVdowania bVdg startu statku powietrznego. Na wyjTciu pojawia siL wartoTZ 1, co oznacza prawidIowe funkcjonowanie ukIadu.

Przyk#ad badania symulacyjnego

Rozpatrywana jest sytuacja, w której wartoTZ wspóIczynnika tarcia nawierzchni drogi startowej jest niezgodna z wymaganiami (rys. 5).

Rys. 5. Badanie wpIywu wspóIczynnika tarcia na gotowoTZ operacyjnV [12]

Na poczVtku symulacja odwzorowuje sytuacjL, w której wartoTZ wspóIczynnika tarcia nawierzchni drogi startowej nie jest zgodna z wymaganiami (0 na wyjTciu). W drugim etapie sIuQba, której obowiVzkiem jest zmiana wspóIczynnika tarcia dokonuje odpowiednich dziaIaN, co prowadzi do osiVgniLcia stanu gotowoTci operacyjnej. Ostatecznie, gdy wspóIczynnik tarcia osiVga wymaganV wartoTZ (obsIuga nie jest juQ wymagana), statki powietrzne mogV ponownie wykonywaZ operacje startu i lVdowania.

6. PODSUMOWANIE

Stworzony algorytm sprawdzania gotowoTci operacyjnej rozpatruje zaIoQone warunki, jakie port lotniczy musi speIniZ, aby umoQliwiZ statkom powietrznym: podejTcie do lVdowania i lVdowanie oraz wykonanie odlotów po zakoNczeniu obsIugi naziemnej, w sposób zgodny z planem, procedurami i przepisami ruchu lotniczego (co potwierdza weryfikacja wykonana w programie Active-HDL). Stworzone zostaIy stany oczekiwania i obsIugi doragnej, które sV niejako wyjTciem poTrednim w przypadku niespeIniania wymagaN któregoT z warunków. Algorytm wymaga przejrzystej wspóIpracy pracowników portu lotniczego, którzy musieliby przekazywaZ do systemu: niespeInione wymagania lub

niezdatnoTci elementów decydujVcych 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 18. 2. Aneks 9 ICAO „UIatwienia”, Dz. Urz. ULC z 2009 r., Nr 16.

3. Aneks 14 ICAO „Lotniska”, Tom I. - Projektowanie i eksploatacja lotnisk, Dz. Urz. ULC z 2011 r., Nr 4. 4. Aneks 17 ICAO “Ochrona miLdzynarodowego lotnictwa cywilnego przed aktami bezprawnej

ingerencji”, Dz. Urz. ULC z 2011 r., Nr 9.

5. BorgoN J., JagwiNski J.: NiezawodnoTZ eksploatacyjna i bezpieczeNstwo lotów”, WKiv, Warszawa 1989. 6. Kawalec P.: Analiza i synteza specjalizowanych ukIadów modelowania i sterowania ruchem w transporcie. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Prace Naukowe-Transport, z. 68, Warszawa 2009.

7. Kawalec P.: JLzyk VHDL i jego zastosowanie do projektowania cyfrowych urzVdzeN sterowania ruchem w transporcie. MateriaIy IV Konferencji „Komputerowe systemy wspomagania nauki, przemysIu i transportu TRANSCOMP”, Zakopane, 2000.

8. KozIowski M.: „GotowoTZ operacyjna portu lotniczego dla róQnej struktury potoku obsIugiwanych statków powietrznych”, MiLdzynarodowa Konferencja Naukowa „Transport XXI Wieku”, Warszawa 2004.

9. KozIowski M., Skorupski J., Stelmach A.: „WpIyw gotowoTci operacyjnej na przepustowoTZ portu lotniczego”, XXXVI Zimowa SzkoIa NiezawodnoTci „Metody utrzymywania gotowoTci systemów”, Polska Akademia Nauk, Szczyrk 2008.

10. KozIowski M., Malarski M.: „Wyznaczanie zdatnoTci operacyjnej portu lotniczego”, Prace naukowe Politechniki Radomskiej – Transport nr 1 (17) 2003, Radom 2003.

11. Malarski M.: „InQynieria ruchu lotniczego”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2006.

12. Rudnicki M.: „Algorytmizacja procesu sprawdzania gotowoTci operacyjnej portu lotniczego”, Praca Dyplomowa InQynierska, Politechnika Warszawska, Warszawa 2013.

13. IATA “Airport Handling Manual”, IATA AHM 27th Edition, 2007.

14. Procedury SIuQb xeglugi Powietrznej – ZarzVdzanie Ruchem Lotniczym (Doc 4444).

15. RozporzVdzenie Ministra Infrastruktury z dnia 17 maja 2004 r. w sprawie lotniczych urzVdzeN naziemnych, Dz.U. z 2004 r. Nr 135, poz. 1444 (z pógn. zm.).

16. RozporzVdzenie Ministra Infrastruktury z dnia 25 maja 2009 r. w sprawie obsIugi naziemnej w portach lotniczych, Dz.U. z 2009 r. Nr 83, poz. 695 (z pógn. zm.).

17. RozporzVdzenie Rady Ministrów z dnia 19 czerwca 2007 w sprawie Krajowego Programu Ochrony Lotnictwa Cywilnego realizujVcego zasady ochrony lotnictwa.

18. RozporzVdzenie Rady Ministrów z dnia 10 sierpnia 2012 w sprawie Krajowego Programu Ochrony Lotnictwa Cywilnego realizujVcego zasady ochrony lotnictwa.

19. Strona internetowa www.iso.org.pl.

20. Systemy ZarzVdzania JakoTciV – Wymagania, PN-EN ISO 9001:2009. 21. Ustawa z dnia 3 lipca 2002 r. Prawo lotnicze, Dz.U. z 2012 r. Nr 0, poz. 933.

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

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.