Abstract

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2010 Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2010 Günümüzde ki Hava Trafik Kontrol sistemi, hava trafiğini kontrol etmek ve yönlendirmek için fazlasıyla merkezileşmiş durumdadır. Bu karmaşık durumun üstesinden gelebilmek için mevcut sistemin daha dağıtılmış bir kontrol sistemine doğru evrilmesi gerekmektedir. Bu evrimin “serbest uçuş” kavramıyla yapılması düşünülmektedir. Hava Trafik Kontrolü’nde “serbest uçuş” kavramının uygulanmasında ki en büyük problem ise çarpışmaların çözümlenmesi problemidir. Bu çalışmada yeni bir çarpışma çözümlenmesi yöntemi, potansiyel alan yöntemi, geliştirilmiş ve benzetimleri gerçekleştirilmiştir. Potansiyel alan yöntemi robotlar için rota planlamasında yeni bir yöntem olmamakla birlikte, uçakların çarpışma problemlerine uygulanması yenidir. Bu yöntemin uyarlanmış bir uygulaması uçakların çarpışma problemini çözmek için kullanılmıştır. Üç ayrı çarpışma senaryosu çalışılmış ve benzetimleri MATLAB üzerinde koşturulmuştur. Ancak, bu yöntem robotlar için geliştirildiği için, örneklerde uçakların gerçekleştiremeyecekleri hareketler ortaya çıkmaktadır. Bunu önlemek amacı ile iki yeni uygulama geliştirilmiştir. Bunlar; açı sınırlama yöntemi ve gelecek tahmini yöntemidir. Her iki yöntem içinde senaryolar üzerinde çalışılmış ve görülmüştür ki yeni yöntemler daha uygulanabilir ve uçuş rotası ve zaman açışından daha iyi sonuçlar vermektedir. Bu çalışmanın ana amacı “serbest uçuş” kavramını vurgulamak ve bu kavramın uygulanabilmesi için çalışmalar yapmaktır. Serbest uçuş tabanlı Hava Trafik Kontrol sistemi daha gelecekte uygulanması düşünülen bir seviyededir. Onun için bir uçuş sisteminin uçuş ve çarpışma çözümlemeleri hakkında özellikleri henüz net tanımlanmamıştır. Bu çalışma gelecekte oluşturulacak gerçek bir çarpışma çözümleme tekniğine fikir oluşturma amaçlı bir çalışma olarak da değerlendirilebilir. Current ATC system is more centralized to control and direct the air traffic, however to overcome this complex situation the system should be evolved towards more decentralized control systems. This evolution thought out to be made by “free flight” (FF) concept. The most important problem that should be resolved to implement FF concept in ATC is conflict resolution problem. In this study a new conflict resolution algorithm, potential field method, is developed and simulations are performed. Potential field method is not newly method for the robot path planning, however implementation of this method to aircraft conflict problems is quitely new. A modified application of this method is carried out to resolve conflicts in ATC. Three conflict scenarios are studied and their simulations are runned with MATLAB. However, because of this method developed for robot path planning, there are some unexpected movements, that aircraft can not perform, in examples. To avoid this two improved applications are developed which are angle restriction method and future estimation method. For both improved methods, scenarios are studied and it is depiceted that new methods are more applicable and have better solutions in flight trajectory and time perspective. The main aim of this study is to emphasize the “free fligt” concept and try to enable the implementation of FF. FF based ATM is yet in the level of a thought to be applied in the future. Therefore the flight and conflict resolution specifications of this kind of a flight system are not yet well defined. This research should be considered as a study of a conflict resolution technique that may give ideas for constructing the actual ones in the future. Yüksek Lisans M.Sc.

Abstract

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015 Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2015 AUTOFLY-Aid olarak adlandırılan bu tez çalışması, dinamik 4-Boyutlu rota yönetimi ile çarpışmadan kaçınma ve verimli uçuş rotaları planlamaya yarayan yeni nesil uçuş karar destek algoritma ve cihazlarının geliştirilmesi ve kavramsal tasarımının gerçekleştirilmesini amaçlamıştır. Geliştirilen karar destek sistemleri halihazırda var olan kokpit içi çarpışmadan kaçınma sistemlerinin (bknz. TCAS) eksikliklerini gidermeyi vizyonlamanın ötesinde, uçuşta veri değişimi, sanal gerçeklik tabanlı karar destek, hızla değişen durumlar için otonom uçuş kontrolü sağlama gibi fonksiyonlara olanak sağlayan ek kavramsal aviyonikler ve prosedürler geliştirilmesi de amaçlanmıştır. AUTOFLY-Aid’in ana konseptleri; a) SESAR ve NextGen modernizasyonlarının 2020+ vizyonları ve ötesindeki havasahasının kokpit içerisinden algısının matematiksel olarak modellenmesi, b) anlık ve orta-mesafede kompozit bir hava sahasında hızla değişen durumlara karşı alternatifleriyle beraber uçulabilir rotalar ve manevralar üreten 4-boyutlu rota planlama algoritmalarının geliştirilmesi, c) değişen  durumlarda pilota görsel anlama ve durumsal farkındalık kazandıracak sanal gerçeklik karar destek sistemleri, otonom uçuş kontrolü sağlama ve bunun gibi yenilikçi prosedürler içeren bu uçuş otomasyonu sistemlerinin Boeing 737-800 Uçuş Simülatörü içerisine entegrasyonu ve testlerinin yapılmasıdır.  Tamamen merkezi olarak taktiksel seviyede uçuşa müdahale modelinden, daha etkin stratejik seviyede planlama yapma ve daha fazla otomasyon destekli ve daha aktif arayüzler içeren merkezcil olmaktan uzak taktik operasyonlar hem SESAR hem de NextGen gelecek paradigma değişimlerinde ana mesele olarak durmaktadır. Bu yeni nesil Hava Trafik Yönetimi (ATM) konseptleri “en iyi karar noktası”, “en iyi karar zamanı” ve “en iyi karar vericiyi” değerlendirilmesiyle insanın ATM sistemi içerisindeki rolünü ciddi şekilde değiştirecektir. Bu amaçlar doğrultusunda, AUTOFLY-Aid yerdeki hava trafik kontrolörünün bir takım iş yükü ve sorumluluklarını etkin bir şekilde kokpit içerisine taşımayı amaçlamıştır. Geliştirilmiş olan otomasyon sistemi sürekli olarak dinamik çevresel ve operasyonel değişkenleri izleyerek ya da yer sistemlerinden veri linkleri aracılığıyla toplayarak uçuş güvenliğini ve verimliliğini gözlemler ve dinamik uçuş rotası planlaması yapar. Bu sistem gerekli otomasyon seviyesini gerekli aksiyon sürelerini değerlendirerek  “en iyi karar vericiyi”, “nerede insan iyi, nerede makina iyi” sorgusu yaparak belirler. Orta seviye güvenlik modunda, pilot görsel karar destek sistemlerini kullanarak (örneğin sanal tünel içerisinde uçuş) en üst seviye durumsal farkındalık ile güvenli ve verimli uçuşunu gerçekleştirebilmektedir. Bu görsel karar destek sunumları kokpitin kendi duyargaları ve yer-hava arası veri paylaşımları ile edindiği bilgilerin bileşkesinden elde edilmektedir. Eğer gerekli reaksiyon süresi izin verir ise, pilot bu göstergeler üzerinden alternatif rota planları üretebilir, sonuçları değerlendirebilir, tekrar planlama talep edebilir. Anlık bir tehdit algısı oluştuğunda (anlık reaksiyon gerekli olduğu ya da geç kalınan reaksiyon tespiti olduğunda) otomasyon sistemi potansiyel kritik problemi (havada çarpışma, yere çarpma vb.) çözmek amacıyla uçuş kontrolünü ele geçirebilmektedir. Bu hibrid yaklaşım gerekli aksiyon zamanları değerlendirmesi yaparak bu şekilde bir otonomi seviyesi geçişlerini kontrol edebilmektedir. This thesis, namely, AUTOFLY-Aid Project, aims to develop and demonstrate novel flight deck automation support algorithms and tools for potential conflict avoidance and performance-optimal flight using "dynamic 4D trajectory management". The developed automation support system is envisioned not only to improve the primary shortcomings of existing on-board traffic collision avoidance systems (e.g. TCAS), but also to develop new conceptual add-on avionics and procedures enabling intent data exchange, decision support systems with augmented reality and flight control hand-over implementation in dynamically evolving scenarios. The main concepts which has been developed in AUTOFLY-Aid project are a) design and development of the mathematical models of the full composite airspace picture from the flight deck perspective, as seen/measured/informed by the aircraft flying in the sky of the SESAR and NextGen 2020+ vision and beyond, b) design and development of a dynamic 4D trajectory planning algorithm can generate at real-time flyable (i.e. dynamically and performance-wise feasible) alternative trajectories for both short-term and mid-term scale across the evolving stochastic composite airspace picture and c) development and testing of the automation support system on a Boeing 737-800 Flight Simulator with conceptual procedures, automated flight control implementations, and reality augmented based decision support demonstrations providing the flight crew with quantified and visual understanding of evolving situation. Evaluation from a purely centralized tactical intervention model towards a more strategic planning and progressive introduction of more autonomous and decentralized tactical operation with more proactive systems are key concepts in both NextGen and SESAR future ATM paradigm shift vision. Implementing of these new-generation ATM concepts will significantly change the human role in the ATM system by considering "best decision place", "best decision time" and "the best decision player". Through these objectives, AUTOFLY-Aid envisions to take some of the work off the controller by delegating some responsibility to flight decks in an efficient manner. The developed automation system offers persistent in-flight hazard and flight efficiency monitoring and tactical flight trajectory planning as a function of look-ahead time and dynamically changing environmental/operational conditions (and with uncertainty reduction in a feedback loop) obtained via both in-flight sense and ground-air data link. The automation system switches autonomy level according to the required response time in order to find "the best decision player" through asking "where are men better at, where are machines better at". In mid-term safety assurance mode, it is expected that pilot uses a visual decision support tools (e.g. tunnel-in-the-sky visualization) with fully situational awareness for safe and performance optimal flight. These visual advisories are generated by fusing all tactical level information feed from both on-board sensing and ground-air data/information exchange. If the reaction time permits, the system allows pilots to freely switch between the generated alternative plans, modify the solution or request re-planning. In any case of the immediate potential threat is detected (i.e. immediate response is required or late response is detected), the autonomous system may take over the flight control to solve safety-critical situation happening "almost surely" (e.g. midair collision, terrain collision etc.). This hybrid approach allows dynamic role assignment by switching between defined autonomy level modes in terms of the "required response time". Doktora PhD

Abstract

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013 Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2013 Bu çalışmada iki farklı veri seti kullanılarak, Avrupa Hava Sahası üzerinde bir takım analizler gerçekleştirilmiş ve bu hava sahasını modelleme yöntemlerinin verimliliği üzerinde durulmuştur. Öncelikle, Hava Trafiği modellerine ön ayak olması amacı ile Avrupa Hava Sahası üzerinde bulunan hava alanlarının ve hava limanlarının ayrı ayrı bağlantı grafları analizler için kullanılan veri setleri üzerinden oluşturulmuş ve trafik akışının karakteristikleri hakkında bilgi edinmek amacı ile Fransa Hava Sahası incelenmiştir. Bu noktadan sonra gecikme analizlerine geçilmiş ve yaşanan gecikmeler iki farklı bakış açısı ile incelenmiştir. İlk olarak her uçuş için uçuşun geçtiği tüm hava alanları üzerinde yaşadığı gecikmeler gerçek uçulan ve planlanan sürelerin farkı ile hesaplanmış ve uçuşun bütün fazlarındaki yaşadığı gecikmeler elde edilmiştir. Bütün uçuşların sonuçlarının birleştirilmesi üzerine, Avrupa hava sahası üzerindeki gecikme üretim dağılımları ve bu dağılımların zamanla nasıl ilerlediği elde edilmiş, gecikme üretimi açısından sorunlu bölgeler saptanmıştır. İkinci bir yaklaşım olarak hava limanları ağı üzerinde gecikmelerin nasıl ilerlediği araştırılmış ve farklı bir modelleme yöntemi önerilmiştir. Bu metodun hava limanları arasında gerçekleşen tüm uçuşları ayrı ayrı incelemesi nedeni ile temsil etme kapasitesi daha yüksek bir modelleme yöntemi olduğu sonucuna varılmıştır. In this study by using two different sets of data, analyses have been conducted over European Airspace and the efficiencies for modelling techniques of European Air Traffic Network are investigated. Before all else, in order to be the initiator of an air traffic model of European Airspace, connectivity graphs of both airspaces and airports have been generated directly via utilization of data sets. To be able to have an insight about air traffic flow patterns and characteristics France Airspaces have been analyzed. From that point on, delay propagation analyses have been conducted and delays have been investigated with two different approach. Firstly, for every flight, delay of each crossed airspace has been calculated by seeking the difference between planned and actual data. Aggregation of all these delay data from every flight resulted with the distribution of delay generations across the whole European Airspace. Moreover, utilizing this method in a long time interval yielded the propagation of delays through time and gathering all these results together pointed out the congested regions with generally and/or highly delay generating regions. As a secondary modelling approach, analyses have been conducted over the connectivity graph of airports. All flights between each airport pair have been investigated along with airport analyses implemented with all flights regarding those airports. It has been observed that the second approach provides a more representative modelling method because it compares the flights between airport pairs with all other flights which gives more inferences for the reasons of delays and their propagations. Yüksek Lisans M.Sc.