novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.22.484-493novtexmech-1047Research ArticleДИНАМИКА, БАЛЛИСТИКА, УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВDYNAMICS, BALLISTICS AND CONTROL OF AIRCRAFTМетод оперативного планирования групповых действий летательных аппаратов в режиме "воздушного такси"The Method of Operational Planning of Group Actions of Aircraft in the "Air Taxi" ModeЛебедевГ. Н.LebedevG. N.

д-р техн. наук, проф.

г. Москва

Moscow, 125993

kaf301@mai.ruГончаренкоВ. И.GoncharenkoV. I.

д-р техн. наук, доц.

г. Москва

Goncharenko Vladimir I., Doctor of Engineering Sciences, Associate Professor

Moscow, 125993Moscow, 117997

goncharenkovi@mai.ruМаксимовН. А.MaximovN. A.

канд. техн. наук, доц.

г. Москва

Moscow, 125993

n-a-maximov47@yandex.ruМихайлинД. А.MikhailinD. A.

канд. техн. наук, доц.

г. Москва

Moscow, 125993

tau_301@mail.ruРумакинаА. В.RumakinaA. V.

ассистент

г. Москва

Moscow, 125993

a_rumakina@mail.ruМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет)РоссияMoscow Aviation Institute (National Research University)Russian FederationМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет); Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова Российской академии наукРоссияMoscow Aviation Institute (National Research University); V. A. Trapeznikov Institute of Control Sciences of Russian Academy of SciencesRussian Federation202102092021229484493Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20212021Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1047

Обсуждается разработка алгоритмов оперативного планирования маршрутов группы летательных аппаратов (ЛА). Рассматриваются групповые действия малой и беспилотной авиации в режиме " воздушного такси" , когда не существует регулярного расписания полетов между пунктами назначения, а заявки поступают " по вызову" на перелеты в пункты, состав которых заранее неизвестен и носит случайный характер. Решается многокритериальная задача планирования группового полета в режиме " воздушного такси" . Предложено решение этой задачи с помощью аппарата теории массового обслуживания, согласно которой рассматриваемая система относится к классу многоканальных систем массового обслуживания с ожиданием. Предложен метод решения задачи оперативного планирования действий ЛА. Разработан алгоритм группового целераспределения новых заявок между ЛА на базе модифицированного минимаксного критерия назначения ближайшего ЛА для объекта с максимальным временем обслуживания. Разработанный алгоритм построен на основе следующих четырех основных операций: первая операция осуществляет выбор первоочередных необслуженных целей по критерию назначения динамического приоритета, вторая операция ранжирует сформированный список по другому критерию, учитывающему важность и суммарную удаленность каждого наземного объекта от группировки ЛА, третья операция выбирает объект с максимальным рангом, и для него решается задача назначения " своего" ЛА по третьему критерию максимальной близости, четвертая операция осуществляет проверку условий непересекаемости маршрутов группового полета. Разработана компьютерная модель системы обслуживания заявок в режиме воздушного такси. Разработанная модель позволяет анализировать различные алгоритмы диспетчеризации, а также определять на каждом шаге число свободных заявок и число свободных и занятых ЛА. Проведено сравнение известного в теории массового обслуживания и предложенного минимаксного подходов. Показано, что по сравнению с известными вариантами диспетчеризации в теории массового обслуживания на основе предложенного подхода достигается оптимальное число используемых ЛА.

The article is devoted to the development of algorithms for operational planning of routes for a group of aircraft (AC). We consider group actions of small and unmanned aircraft in the "air taxi" mode, when there is no regular flight schedule between the points of destination, and requests are received "on call" for flights to points whose composition is unknown in advance and is of a random nature. The multicriteria task of planning a group flight in the "air taxi" mode is being solved. The solution to this problem is proposed using the apparatus of the queuing theory, according to which the system under consideration belongs to the class of multichannel queuing systems with waiting. A method for solving the problem of operational planning of aircraft actions is proposed. An algorithm for group target distribution of new claims between aircraft is developed on the basis of a modified minimax criterion for assigning the nearest aircraft for an object with a maximum service time. The developed algorithm is based on the following four main operations: in the first operation, priority unserved targets are selected according to the criterion of assigning a dynamic priority; in the second operation, the formed list is ranked according to another criterion, taking into account the importance and total distance of each ground object from the aircraft group, in three this operation selects the object with the maximum rank, and for it the task of assigning "own" aircraft is solved according to the third criterion of maximum proximity, in the fourth operation the conditions of non-intersection of the group flight routes are checked. A computer model of the system for servicing requests in the air taxi mode has been developed. The developed model makes it possible to analyze various scheduling algorithms, as well as to determine at each step the number of free claims and the number of free and busy aircraft. A comparison is made between the well-known in the theory of queuing and the proposed minimax approaches. It is shown that, in comparison with the known variants of scheduling in the queuing theory, on the basis of the proposed approach, the optimal number of used aircraft is achieved.

объекты наблюдениябеспилотный летательный аппаратпоток заявокмногокритериальная оптимизацияobjects of observationunmanned aerial vehicleapplication flowmulti-criteria optimizationСтатья подготовлена при финансовой поддержке РФФИ, проекты № 19-08-00010 и № 20-08-00652.This work was supported by the Russian Foundation for Basic Research, project no. 19-08-00010 and 20-08-00652 a.ReferencesШибитов А. Б. Городская аэромобильность // Пленарные доклады 1-й Международной конференции "Беспилотные летательные аппараты" в рамках 19-й Международной конференции "Авиация и космонавтика" (24 ноября 2020 г., Москва). URL: http://aik.mai.ru (дата обращения: 03.02.2021).Shibitov A. B. Urban airmobility, Plenary reports of the 1st International Conference "Unmanned Aerial Vehicles" in the framework of the 19th International Conference "Aviation and Cosmonautics" , Moscow, available at: http://aik.mai.ru (date of access: 03.02.2021) (in Russian).Саати Т. Л. Элементы теории массового обслуживания и ее приложения / Пер. с английского Е. Г. Коваленко. Под ред. И. Н. Коваленко и Р. Д. Когана. М.: Советское радио, 1965. 510 с.Saaty T. L. Elements of Queueing Theory: With Applications, McGraw-Hill, New York, 1961, 423 p.Вентцель Е. С. Исследование операций. М.: Сов. радио, 1972. 552 с.Wentzel E. S. Operations research. Moscow, Soviet radio, 1972, 552 p. (in Russian).Алиев Т. И. Основы моделирования дискретных систем. СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. 363 с.Aliev T. I. Basics of modeling discrete systems. SPb: SPbGU ITMO, 2009, 363 p. (in Russian).Ким Н. В., Крылов И. Г. Групповое применение беспилотного летательного аппарата в задачах наблюдения // Труды МАИ. 2012. № 62. URL: http://mai.ru//upload/iblock/bbb/gruppovoe-primenenie-bespilotnogo-letatelnogo-apparata-v-zadachakh-nablyudeniya.pdf (дата обращения: 03.02.2021).Kim N. V., Krylov I. G. Group use of an unmanned aerial vehicle in observation tasks, Proceedings of the MAI, 2012, no. 62, available at: http://mai.ru//upload/iblock/bbb/gruppovoe-primenenie-bespilotnogo-letatelnogo-apparata-v-zadachakh-nablyudeniya.pdf (date of access: 03.02.2021) (in Russian).Ребров В. А., Рудельсон Л. Е., Черникова М. А. Модель сбора и обработки заявок на полеты в задаче планирования авиарейсов // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2007. № 3. С. 97—111.Rebrov V. A., Rudel’son L. E., Chernikova M. A. A model of flight request collection and processing in the flight scheduling problem, Journal of Computer and Systems Sciences International, 2007, vol. 46, no. 3, pp. 429—443.Нечаев Е. Е., Суринт П. С. Анализ организации воздушного движения на аэродромах с низкой интенсивностью полетов в зарубежных странах // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. 2017. Т. 20, № 4. С. 59—68.Nechaev E.E, Surint P. S. Analysis of the organization of air traffic at airfields with low flight intensity in foreign countries, Scientific Bulletin of the Moscow State Technical University of Civil Aviation, 2017, vol. 20, no. 4, pp. 59—68 (in Russian).Evdokimenkov V. N., Krasilshchikov M. N., Kozorez D. A. Development of pre-flight planning algorithms for the functional-program prototype of a distributed intellectual control system of unmanned flying vehicle groups // INCAS Bulletin. 2019. Vol. 11, N. 1. P. 75—88. DOI: 10.13111/2066-8201.2019.11.S.8.Evdokimenkov V. N., Krasilshchikov M. N., Kozorez D. A. Development of pre-flight planning algorithms for the functionalprogram prototype of a distributed intellectual control system of unmanned flying vehicle groups, INCAS Bulletin, 2019, vol. 11, no 1, pp. 75—88, DOI: 10.13111/2066-8201.2019.11.S.8.Ozlem Sahin Meric. Optimum Arrival Routes for Flight Efficiency // Journal of Power and Energy Engineering. 2015. N. 3. P. 449—452.Ozlem Sahin Meric. Optimum Arrival Routes for Flight Efficiency, Journal of Power and Energy Engineering, 2015, no 3, pp. 449—452.Kon’kova E. Yu., Rudel’son L. E., Chernikov P. E. Operative flow regulation in an automated system of air traffic management // Journal of Computer and Systems Sciences International. 2006. Vol. 45, N. 4. P. 646—657.Kon’kova E. Yu., Rudel’son L. E., Chernikov P. E. Operative flow regulation in an automated system of air traffic management, Journal of Computer and Systems Sciences International, 2006, vol. 45, no 4, pp. 646—657.Schouwenaars T., Moor B. D., Feron E., How J. Mixed integer programming for multi-vehicle path planning // Proc. of the European Control Conf. 2001. P. 2603—2608.Schouwenaars T., Moor B. D., Feron E., How J. Mixed integer programming for multi-vehicle path planning, Proc. of the European Control Conf., 2001, pp. 2603—2608.Rong Zhu, Dong Sun, Zhaoуing Zhou. Cooperаtion Strаtegy of Unmаnned Air Vehicles for Multitаrget Interception // J. Guidаnce. 2005. Vol. 28, N. 5. P. 1068—1076. DOI: 10.2514/1.14412.Rong Zhu, Dong Sun, Zhaoуing Zhou. Cooperаtion Strаtegy of Unmаnned Air Vehicles for Multitаrget Interception, J Guidаnce, 2005, vol. 28, no 5, pp. 1068—1076, DOI: 10.2514/1.14412.Меркулов В. И., Миляков Д. А., Самодов И. О. Оптимизация алгоритма группового управления БЛА в составе локальной сети // Известия ЮФУ. Технические науки. 2013. № 3. С. 157—166.Merkulov V. I., Milyakov D. A., Samodov I. O. Optimization of the group control algorithm for UAVs as part of a local network, Izvestiya SFedU. Technical science, 2013, no. 3, pp. 157—166 (in Russian).Моисеев В. С. Групповое применение беспилотных летательных аппаратов: монография. Казань: РИЦ "Школа", 2017. 572 с.Moiseev V. S. Group application of unmanned aerial vehicles: monograph. — Kazan: Shkola Editorial and Publishing Center, 2017, 572 p. (in Russian).Лебедев Г. Н., Гончаренко В. И., Царева О. Ю., Михайлин Д. А. Выбор множества приоритетных наземных объектов наблюдения с помощью беспилотных летательных аппаратов и маршрутизация их полета // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2019. № 2. С. 3—12. DOI: 10.14489/vkit.2019.02.pp.003-012.Lebedev G. N., Goncharenko V. I., Tsareva O. Yu., Mikhailin D. A. Selection of a set of priority ground objects of observation with the help of unmanned aerial vehicles and routing of their flight, Bulletin of computer and information technologies, 2019, no. 2, pp. 3—12. DOI: 10.14489/vkit.2019.02.pp.003-012 (in Russian).Соболь И. М., Статников Р. Б. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями. М.: Наука, 1981. 112 с.Sobol I. M., Statnikov R. B. The choice of optimal parameters in problems with many criteria, Moscow, Nauka, 1981, 112 p.Гончаренко В. И., Лебедев Г. Н., Мартынкевич Д. С., Румакина А. В. Постановка задачи планирования маршрутов летательных аппаратов при обслуживании случайного потока поступающих в полете заявок // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2021. Т. 18, № 1. С. 17—27. DOI: 10.14489/vkit.2021.01.pp.017-027.Goncharenko V. I., Lebedev G. N., Martynkevich D. S., Rumakina A. V. Formulation of the problem of planning the routes of aircraft when servicing a random flow of incoming requests in flight, Bulletin of computer and information technologies, 2021, vol. 18, no. 1, pp. 17—27. DOI: 10.14489/vkit.2021.01.pp.017-027 (in Russian).Левитин А. В. Жадные методы: Алгоритм Дейкстры // Алгоритмы. Введение в разработку и анализ = Introduction to The Design and Analysis of Aigorithms. М.: Вильямс, 2006. С. 189—195.Levitin A. V. Greedy methods: Dijkstra’s algorithm, Algorithms. Introduction to The Design and Analysis of Aigorithms, Moscow, Williams, 2006, pp. 189—195 (in Russian).Гончаренко В. И., Желтов С. Ю., Князь В. А., Лебедев Г. Н., Михайлин Д. А., Царева О. Ю. Интеллектуальная система планирования групповых действий беспилотных летательных аппаратов при наблюдении наземных мобильных объектов на заданной территории // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2021. № 3. С. 64—81. DOI: 10.31857/S0002338821030057.Goncharenko V. I., Zheltov S. Yu., Prince V. A., Lebedev G. N., Mi-khaylin D. A., Tsareva O. Yu. Intelligent system for planning group actions of unmanned aerial vehicles when observing ground mobile objects in a given territory, Journal of Computer and Systems Sciences International, 2021, vol. 60, no 3, pp. 379—395. DOI: 10.1134/S1064230721030047.Лебедев Г. Н., Михайлин Д. А., Царева О. Ю., Чернякова М. Е. Многокритериальная оценка эффективности группового полета летательных аппаратов с помощью мультипликативной формы // Вестник ВГУ. Серия: Системный анализ и информационные технологии. 2020. № 2. С. 25—36.Lebedev G. N., Mikhailin D. A., Tsareva O. Yu., Chernyakova M. E. Multi-criteria evaluation of efficiency of group flight of aircraft using multiplicative form. vestnik vguit [Proceedings of VSUET], 2020, vol. 82, no. 2, pp. 25—6, doi:10.20914/2310-1202-2020-1-1-6 (in Russian).Goncharenko V. I., Lebedev G. N., Mikhailin D. A. Online Two-Dimensional Route Planning for a Group of Unmanned Aerial Vehicles // Journal of Computer and Systems Sciences International. 2019. Vol. 58, Iss. 1. P. 147—158. https://doi.org/10.1134/S1064230719010076.Goncharenko V. I., Lebedev G. N., Mikhailin D. A. Online Two-Dimensional Route Planning for a Group of Unmanned Aerial Vehicles, Journal of Computer and Systems Sciences International, 2019, vol. 58, iss.1, pp. 147—158. https://doi.org/10.1134/S1064230719010076.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.