SISTEMAS DE APOIO À TOMADA DE DECISÃO PARA APLICAÇÕES VANT EM REDE DE TELECOMUNICAÇÃO AERONÁUTICA

Transcrição

1 SISTEMAS DE APOIO À TOMADA DE DECISÃO PARA APLICAÇÕES VANT EM REDE DE TELECOMUNICAÇÃO AERONÁUTICA Magali Andreia Rossi 1 2 Jorge Rady de Almeida Junior 1 Mario Corrêa 1 Escola Politécnica da Universidade de São Paulo 1 Departamento de Sistemas Digitais - Grupo de Análise e Segurança FATEC Carapicuíba Faculdade de Tecnologia do Estado de São Paulo 2 andreiarossi@usp.br; jorge.almeida@poli.usp.br; correa@fdte.org.br RESUMO Os estados atuais e futuros dos Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT) apresentam alguns desafios para a Aviação Mundial. Por exemplo, como pode esta lidar com as mudanças culturais necessárias para otimizar o uso de um veículo aéreo que traga consigo um aumento significativo da capacidade tática e a um custo mais baixo, sem um piloto a bordo? Além disso, que procedimento de segurança Safety' e de seleção de pessoal produzirá o melhor uso dos avançados sistemas VANT?Uma possível resposta a estas questões encontra-se no compartilhamento das decisões que envolvam operações destas aeronaves no espaço aéreo controlado. Para tanto, apresenta-se a utilização de Sistemas de Apoio à Tomada de Decisão, como uma proposta para a implementação de um cenário onde há necessidade e extrema importância no compartilhamento de informações entre organizações e Órgãos de Controle, conforme definido pelo Air Traffic Managment Operational Concept Panel da International Civil Aviation Organization (ICAO). Esse conceito de Sistema de Apoio à Tomada de Decisão conhecido como CDM (Collaborative Decision Making) é composto por aplicativos que trabalham com o compartilhamento de informações, possibilitando a tomada de decisões no processo de gerenciamento de fluxo tráfego aéreo, incluindo-se os VANTs. O conceito CDM está relacionado, de forma direta, às empresas aéreas e aos Órgãos de Controle de Tráfego Aéreo, sendo que informações como falhas em equipamentos, condições meteorológicas ou, alterações emergenciais nos aeródromos, dentre outras, necessitam de agilidade no mecanismo de divulgação. Tendo em vista tal panorama, este trabalho objetiva descrever um estudo sobre um método de implantação do conceito CDM sobre a ATN (Aeronautical Telecommunication Network), que por meio do conceito CNS/ATM, propõe uma gerência integrada dos domínios administrativos da rede. Considera-se a injeção de falhas sobre a rede ATN em um domínio de alto desempenho para gerência dos dados. ABSTRACT The current and future status of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) present some challenges for the Aviation World. For example, how can it deal with the cultural changes needed to optimize the use of aerial vehicle that will bring a significant increase in tactical capability and a lower cost, without a pilot on board? Moreover, what safety procedure and personnel selection will produce the best use of advanced UAV systems? One possible answer to these questions is the sharing of decisions involving operations of these aircraft within the controlled airspace. So, there is a proposal to use Decision Making Systems for the implementation of a scenario where it is necessary and very important the information sharing between organizations and Control Authority, as defined by the Air Traffic Management Operational Concept Panel of the International Civil Aviation Organization (ICAO). This concept of Decision Making Systems known as CDM (Collaborative Decision Making) consists of applications that work with information sharing, enabling the decision making process of Air Traffic Flow Management, including the UAVs. The CDM concept is directly related to airlines and the Governing Agencies of Air Traffic Control, and information such as equipment failures, weather or changes in emergency airfields, among others, requiring agility in the publishing mechanism. Considering such background, this paper has as objective to describe a study on a method of implementing the CDM concept on the ATN (Aeronautical Telecommunication Network), by means of the CNS/ATM concept, proposing an integrated management of network administrative domains. It is considered the fault injection on the ATN network in an area of high performance for the data management. 1. INTRODUÇÃO A comunicação ágil e eficiente traz ao ATFM (Air Traffic Flow Management) um novo conceito relacionado à segurança. Ligado diretamente à elaboração dos novos sistemas de

2 comunicações para navegação e vigilância, em uma escala mais ampla inclui o ATC (Air Traffic Control) e também as próprias operações aéreas (MINISTÉRIO DA AERONÁUTICA, 2002). Os sistemas CNS/ATM favorecem esta comunicação e permitem um maior grau de automação, fazendo com que se tenha um sistema integrado globalmente. Desde o início da história aeronáutica, o controle de tráfego aéreo é feito de forma não homogênea, com muita variação de tecnologia, de acordo com as diversas regiões de espaço aéreo. Visa-se ter um controle unificado do espaço aéreo, permitindo um melhor desempenho no ATC e no auxílio às autoridades na tomada de decisões (ROSSI et al, 2005). 2. ATN AERONAUTICAL TELECOMMUNICATION NETWORKING Em janeiro de 1989 a ANC (Air Navigatin Commission), por meio de estudos desenvolvidos pela SICASP (Secondary Surveillance Radar Improvements and Collision Avoidance System Painel), incluiu os materiais desenvolvidos pela ICAO que tratava das necessidades mínimas requeridas para operações de serviços ATS e operações de serviços por satélites, dando origem à ATN (Aeronautical Telecommunication Networking). No mesmo ano, em maio de 1989, a SICASP desenvolveu uma recomendação sobre a ATN e solicitou a publicação desta recomendação como manual ICAO, tendo feito sua primeira publicação em 1991 e a posteriormente em O SARP (Standards and Recommended Practices) e o material recomendado foram publicados no anexo 10 da ICAO (NETO, 2005). A ATN promove a conexão de sub-redes e diversas tecnologias no ambiente aeronáutico. A interconexão dos sistemas é baseada na comunicação ponto-a-ponto (FEIGHERY et al, 1996). 3. CDM COLLABOTARIVE DECISION MAKING O conceito Collaborative Decision Making (CDM) foi definido pelo Air Traffic Managment Operational Concept Panel da International Civil Aviation Organization (ICAO), tratando-se de aplicativos que trabalham com o compartilhamento de informações, possibilitando a tomada de decisões no processo de gerenciamento de fluxo tráfego aéreo (MENDONÇA, et al 2004). O sistema CDM é uma nova proposta para a implementação de um cenário onde há necessidade e extrema importância no compartilhamento de informações entre organizações e Órgãos de Controle. O CDM está relacionado de forma direta às organizações e Controles de Tráfego Aéreo, onde informações como falhas em equipamentos, condições meteorológicas, alterações emergenciais nos aeródromos, necessitam de agilidade no mecanismo de divulgação (MENDONÇA, et al 2004). A implementação do conceito CDM oferece complexidade quando se trata de Gerenciamento de Fluxo de Tráfego Aéreo, como ilustrado na Figura 1, uma vez que envolve diferentes organizações e infraestrutura para o compartilhamento das informações. Nessa Figura também pode ser observado um fluxo a ser seguido para a implantação do conceito. As atividades representadas por (A) referem-se ao início da proposta onde é feita a especificação de processos a serem implementados. Nesta fase são tratadas de forma detalhada as informações que farão parte da implantação do CDM. As atividades representadas por (B) definem a arquitetura de implementação, ferramentas que deverãos ser utilizadas para execução, testes que deverão ser realizados e quais operações serão contempladas. Nesta fase é detalhado o fluxo que as informações devem seguir para

3 contemplar a proposta do CDM, bem como a definição de ferramentas que devem ser utilizadas para a implementação da arquitetura definida. Finalmente, as atividades representadas por (C), demostram os resultados esperados com a fusão e compartilhamento dos dados, considerando o conceito CNS/ATM, quais as partes envolvidas no processo, a documentação que deve ser produzida com a execução e implantação da arquitetura que foi definida. Figura 1: Conceito CDM (Fonte: MENDONÇA, et al 2004) Para o EUROCONTROL, 2008 os elementos componentes do CDM dividem-se em Compartilhamento de Informações, Abordagem de Entrega, Tempo Variável de Táxi, Sequenciamento de Pré-partida, Condições Adversas, Gestão Colaborativa das Atualizações de Voo. Mendonça et al 2004, define quatro níveis de abstração para implementação do conceito com eficiência: Nível 1: Captação e distribuição inteligente das informações já existentes em algum ponto do sistema para as entidades envolvidas no contexto aeronáutico; Nível 2: Cooperação e melhoria no acesso às hipóteses disponíveis de planejamento de todos os interessados, eliminando a visão parcial que hoje predomina; Nível 3: Modificação do processo de planejamento de tal maneira que o planejador corrente (normalmente o Air Traffic Management ATM) possa levar em consideração as prioridades dos demais envolvidos, conforme comunicação recebida; e

4 Nível 4: Redistribuição da tomada de decisão para as outras entidades envolvidas de tal maneira que cada decisão é tomada pelo ator melhor posicionado. A União Européia relata a eficiência que o CDM trará na gerência dos aeroportos, definindo alguns benefícios em seu uso por área, como (CDM LISBOA, 2010): ATC: planejamento flexível em pré-partida, redução no congestionamento do tráfego em taxiamento, uniformização do fluxo de tráfego facilitando o trabalho dos controladores. Companhias: programa diário das operações de voo, possíveis alterações no cronograma previsto, preferências e prioridades, tempo reduzido de taxiamento e economia de combustível. CFMU (Central Flow Management Unit): hora calculada para decolagem, redução de sobrecarga no setor e ótima utilização da capacidade disponível. Operações em Terra: pontualidade nas operações, acordos de nível de serviços de manutenção, otimização da gestão de recursos. Operações Aeroportuárias: pontualidade na chegada e partida com melhor utilização de slots, utilização eficiente da infraestrutura (stands e gates), redução de problemas ambientais como emissão de ruídos Aplicações e Serviços VANT Veículo Aéreo Não Tripulado Sabe-se que a presença de um piloto humano em uma aeronave acarreta numerosas desvantagens em termos de custo e peso, assim como as limitações dos consoles e sistemas de apoio à sobrevivência de uma tripulação. O piloto também restringe a manobrabilidade da aeronave por causa dos limites fisiológicos no que diz respeito à tolerância a força G 1 e, remover o piloto, dá origem a uma liberdade de projeto que pode produzir uma aeronave menor, mais eficiente, mais leve e de preço mais acessível sendo especialmente projetada para as aplicações fim. Dessa forma, as promissoras capacidades do VANT tornaram-no um fenômeno na Aviação cujos investimentos brasileiros em pesquisa tornam-se extremamente necessários, pois nos últimos anos os países desenvolvidos vêm dedicando crescentes esforços para integrar estes Veículos Aéreos não Tripulados ao espaço aéreo controlado, visando sua utilização para fins civis, além dos já consagrados empregos militares (M. Corrêa, 2007). Dado o estado atual de tais pesquisas no âmbito mundial, pode-se deduzir que os fatores tecnológicos já não restringirão, no futuro próximo, o desenvolvimento de aeronaves não tripuladas realmente inteligentes. Contudo, muito do desenvolvimento nesta área está focado no próprio projeto da aeronave, sua manobrabilidade e sua dinâmica de operação, deixando uma ampla lacuna tecnológica no que diz respeito ao emprego de técnicas que permitam aos VANTs agirem de forma verdadeiramente autônoma em relação ao seu contexto. Com exceção dos teatros de operações militares, muitos dos atuais vôos de VANT ao redor do mundo são realizados mediante a técnica de segregação do espaço aéreo, pois é consenso 1 Unidade utilizada para se medir o efeito da aceleração onde 1G é igual à aceleração da gravidade na terra - 9,8 m/s 2

5 entre as autoridades no assunto de que a falta de um piloto a bordo é considerado um risco potencial para outros usuários do espaço aéreo. O Brasil segue a Convenção de Aviação Civil Internacional, que só cita aeronaves não tripuladas no Artigo 8, onde é dito que nenhuma aeronave capaz de ser voada sem um piloto não pode ser voada sem piloto sobre um Estado signatário da Convenção sem uma autorização especial do referido Estado''. Os Anexos à Convenção sequer tocam no termo aeronaves não tripuladas. Como não existe base nos padrões internacionais para utilizar a expressão aeronave não tripulada, a exemplo do que ocorre nos países com maior experiência no assunto, a ANAC resolveu adotar a expressão veículo aéreo não tripulado, ou VANT, significando um veículo capaz de voar na atmosfera, fora do efeito de solo, que foi projetado ou modificado para não transportar um piloto humano e que é operado por controle remoto ou autônomo. A ANAC designa ainda Sistema Aéreo Não Tripulado, SANT significando o conjunto veículo aéreo não tripulado, seus controles de vôo e seu sistema de operação. Inclui qualquer estação de solo e enlace de dados utilizado, assim como qualquer processo dedicado de comunicações com órgãos de Controle de Tráfego Aéreo. Devido aos aspectos de segurança, a legislação vigente restringe que a operação de um VANT deva ser realizada em local suficientemente distante de áreas densamente povoadas, de zonas de tráfego de aeródromos e de áreas sensíveis a ruído como escolas, parques, hospitais, igrejas, entre outros. Outro ponto importante é que, a menos que especificamente autorizada por uma autoridade aeronáutica com jurisdição sobre a área, a operação deve ser realizada a uma altura máxima de 400 pés acima da superfície e, na eventualidade de conflito de tráfego com aeronaves tripuladas, o VANT deve ceder o direito imediato de passagem, mesmo que para tanto o precise ser danificado ou mesmo destruído (M. Corrêa, 2006) Conceito CDM em Serviços VANT A utilização do conceito CDM para aplicações VANT pode auxiliar na inserção destas aeronaves no espaço aéreo, considerando a troca de informações utilizando-se do padrão IPS (Internet Suíte Protocol) para ATN. Tendo, estas aeronaves, de se adequarem às regras e sistemas existentes não recebendo tratamento especial por parte dos Órgãos de Controle de Tráfego Aéreo (MINISTÉRIO DA AERONÁUTICA, 2010). Apesar de muitos anos de desenvolvimento ainda há o impasse na falta de suporte em hardware, software e políticas para o desenvolvimento do completo potencial para os serviços e aplicações (GIL et al, 2009). 4. METODOLOGIA DA PESQUISA Neste trabalho, a metodologia da pesquisa aborda a inserção dos VANTs no Espaço Aéreo Brasileiro. Para testes será utilizada a plataforma de ensaios PIpE-SEC - Plataforma Integrada para Ensaios de Sistemas Embarcados Críticos, onde estuda-se o comportamento destas aeronaves quando em missões utilizando a ATN. A plataforma PIpE-SEC, permite modelar e simular operações em tempo real considerando as características estruturais e comportamentais do Sistema de Controle de Tráfego Aéreo (ATC), aeronaves e os Controladores de Tráfego Aéreo (ATCo's) (GIL et al, 2009). Por meio deste ambiente simulado é possível avaliar o comportamento de um VANT considerando os seus modelos computacionais e protótipos físicos reais. Utiliza-se o conceito Hardware In the Loop (HIL) para o ambiente computacionalmente modelado e simulado. A

6 plataforma é composta pelo núcleo de Gerenciamento de Ensaios para controle de exclusão de testes e coleta de dados, núcleo de Modelagem e Simulação do Espaço Aéreo e por Modelos dos Agentes que são implementados diretamente em software ou em hardware (GIL et al, 2009). A Figura 2 ilustra a arquitetura preliminar da Plataforma Integrada para Ensaios de Sistemas Embarcados Críticos. A arquitetura compõe-se pelo Núcleo de Gerenciamento de Ensaios que possui conexão com os demais módulos da plataforma e permite a configuração do ambiente para executar os ensaios e coleta de dados. Os módulos Controlador de Tráfego Aéreo (ATCo j ) e Aeronave(A i ), representarão os agentes que são inseridos no modelo de espaço aéreo representado pelo Servidor de Espaço Aéreo (GIL et al, 2009). Servidor de Comunicação Núcleo de Gerenciamento de Ensaios Configuração de Ensaios Dados do ambiente Interface A i ATCo m F n... F i ATCo j Condições Meteorológicas Regionais Dados de Vigilância Interface Condições Meteorológicas Locais Sistema de Navegação Modelo de Aeronave Operador Interface... A n S j Servidor de Espaço Aéreo E i E n S m S i Sn Figura 2: Arquitetura PIpE-SEC (Fonte: GIL, et al 2009) Seguindo o arcabouço conceitual, a pesquisa apresenta as diretrizes para o desenvolvimento do trabalho, sendo: Estudo do espaço aéreo para inserção destas aeronaves, considerando as normas existentes produzidas por órgãos oficiais. Considerando que estas aeronaves não voarão em rota e sim em operações específicas, utilizando um plano de voo em abrangência geográfica determinada.

7 Produzir metodologia para utilização da ATN, considerando o comportamento desta rede em casos de compartilhamento do espaço aéreo. Tendo em vista a utilização do espaço aéreo em operações específicas, a rede necessita oferecer suporte na comunicação de dados em casos de inserção imediata destas aeronaves. Considerar o compartilhamento das informações em sistemas tolerantes a falhas e de alto desempenho. A intensa troca de informações entre ar-solo que será gerada por estas aeronaves durante suas operações, exigirá destes sistemas críticos a disponibilidade constante de serviços e tratamento de falhas. Produzir contribuições viáveis e objetivas que tragam resultados aplicados para o assunto. 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS A preocupação constante nos estudos envolvendo a segurança para a inserção dos VANTs no espaço aéreo vem reforçando as discussões sobre sua normatização. Preocupação esta que se baseia no comportamento dos sistemas embarcados, sendo ou não aeronaves autônomas, utilizadas para aplicações militares ou civis. Segundo GIL et al 2009, a utilização do espaço aéreo por estas aeronaves ainda precisa responder alguns questionamentos, como: a. Quais requisitos e procedimentos deverão ser adotados, tanto pelos VANT, quanto pelos demais elementos que compartilham o espaço aéreo, para que um veículo autônomo, estando sujeito às regras do controle de tráfego aéreo, cumpra sua missão de forma eficiente e segura? b. Como um VANT deverá reagir, de forma a não expor o ambiente a riscos indesejáveis, quando se confrontar com situações perigosas inesperadas, tais como eventos de quase colisões ou fenômenos meteorológicos adversos? c. Quais ferramentas e procedimentos deverão estar disponíveis aos controladores de tráfego aéreo (Air Traffic Controllers ATCo's) para que estes interajam, de forma eficiente e segura, com veículos autônomos? d. Os requisitos utilizados para validação e certificação de VANTs poderão ser os mesmos atualmente utilizados para os veículos aéreos tripulados (aeronaves)? Se não, quais pontos principais deverão ser avaliados para se garantir uma operação segura e confiável dos VANTs no espaço aéreo? Diante do panorama de questionamentos, nota-se que os estudos para estas aplicações ainda são consideradas iniciais. Tornando, assim, relevante considerar a integração com os conceitos CDM e a ATN, visando uma melhor utilização de tecnologias existentes que possam favorecer as implantações e utilizações destas novas tecnologias.

8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS EUROCONTROL. Airport CDM Implementation GIL, Fernando et al. PipE-Sec: Plataforma para Ensaios e Validação da Operação de Veículos Aéreos não Tripulados (VANTS) no Espaço Aéreo Controlado. Simpósio de Transporte Aéreo, 2009, São Paulo. Anais do VIII SITRAER/II RIDITA. São Paulo. p NETO, João Evangelista; Segurança em Redes de Telecomunicações Aeronáuticas e seu desempenho em canal VDL modo p. Dissertação (Mestrado) - Instituto Tecnológico de Aeronáutica. São José dos Campos. FEIGHERY, Patrick et al. The Aeronautical Telecomunications Network (ATN) Testbed. IEEE Digital Avionics Systems Conference. 15th AIAA/IEEE, p187 a 122, MINISTÉRIO DA AERONÁUTICA. Plano Nacional de Implantação dos Sistemas CNS/ATM - PCA ROSSI, Magali A. et al. Um Novo Conceito para Redes de Telecomunicações Aeronáuticas e a Aviação Civil Brasileira. IV Simpósio de Transporte Aéreo, São José dos Campos, Brasil, p307, MINISTÉRIO DA AERONÁUTICA. Veículos Aéreos não Tripulados - AIC M. Corrêa; J. B. Camargo. Introducing uav in the cns/atm using cooperative multiagent negotiation. in: STAVANGER, U. of (Ed.). Safety and Reliability Conference - ESREL. Norway: [s.n.], June M. Corrêa; J. B. Camargo. Introducing uav in the cns/atm using cooperative multiagent negotiation. in: STAVANGER, U. of (Ed.). Safety and Reliability Conference - ESREL. Norway: [s.n.], June M. Corrêa; J. B. Camargo., J. B.; R. A. Gimenes. Integration uav in to controlated air space using cooperative multiagent negotiation. in: V SITRAER - Simpósio de Transporte Aéreo. [S.l.: s.n.], November 2006.