AAA 抽象和应用分析 1687 - 0409 1085 - 3375 Hindawi出版公司 530619年 10.1155 / 2014/530619 530619年 研究文章 Z门和围裙控制管理规范机场 征服者 纳齐尔艾哈迈德 1 Alhumaidan 法赫德 1 汗 谢尔阿夫扎尔 2 伊斯兰教 赛义德 1 计算机科学学院和它 费萨尔国王大学 Alahsa 31982 沙特阿拉伯 kfu.edu.sa 2 计算机科学部门 阿卜杜勒·瓦利汗大学 马尔丹23200 巴基斯坦 awkum.edu.pk 2014年 31日 12 2014年 2014年 04 03 2014年 15 04 2014年 15 04 2014年 31日 12 2014年 2014年 版权©2014纳齐尔·艾哈迈德·征服者et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

造型的空中交通管制(ATC)系统是一个开放的问题,已成为一个具有挑战性的问题由于其复杂性和增加交通在机场和空域。因此,自动ATC系统建议提高效率确保安全标准。据报道,表面碰撞发生在机场的数量三倍领空。此外,可以看出盖茨和围裙机场拥挤造成重大延误;因此,有效的监控和指导机制需要控制地面空中交通。本文正式程序管理空中交通从大门进入活动区域的机场提供了滑行使用Z符号。集成的门和围裙控制器操纵信息描述正确的决策和流程管理。图论是用来表示机场拓扑和适当的线。在静态模型的一部分,安全属性描述的不变量的关键数据类型。在动态模型中,更新状态空间通过定义前置和后置条件确保安全。 Formal specification is analysed using Z/Eves tool.

 1。介绍

空中交通管制(ATC)系统是一个高度复杂和安全关键系统,因为它的失败可能会导致巨大的损失的死亡或财务损失。它需要先进的技术开发ATC系统。由于运动人口的大量增加,因此显著增加空中交通容量( 1),下一代ATC系统提出提高效率不危及安全标准( 2- - - - - - 5]。虽然现在自动化支持ATC系统是可用的,仍然是严重依赖于人机交互造成延误和交通事故由于决策失败的沟通( 6, 7]。因此,开发一个ATC系统使飞机在机场和自由的飞在空中是一个当前的问题( 8]。进一步,我们相信造型安全、高效的空中交通管制系统将保持一个开放的研究问题,因为它的复杂性。

ATC控制可以分为两类,即,空中和机场控制系统。机场地面环境比空域历来更危险。例如,在机场发生的碰撞表面空域的碰撞(多三倍 9]。这意味着我们需要有效的监测和自动导向系统来控制地面空中交通在盖茨,围裙,跑道、和跑道的交叉点上。围裙面积用于起飞前的活动,例如,停车,等待,和维护。门,围裙,为机场地面和地面控制器主要组件管理;然而这些都是非常不太注意科学界对ATC系统( 10]。围裙控制器的目的是分享信息,通信约束和优先级不同运营商之间的飞机和控制器除了提供一个活跃的决策支持功能路径预测( 11]。

本文正式程序管理空中交通从门机场滑行道使用Z符号提供。Z是申请正式的描述系统因为其抽象的数学特性和严格的计算机工具支持( 12]。指出,根据欧洲电工标准,建议使用正式的方法来实现所需的信心水平发展的安全关键系统( 13]。在该算法中,一个门和围裙控制器被定义为共享的集成所需的信息管理空中交通从大门到滑行道。机场地面分为足够小块。图论是用于机场和路径的描述。对现实世界机场图模型的映射,屏蔽表示为节点和连接块之间的表示为优势。安全属性描述的不变量的数据类型的静态模型中的关键信息。例如,它是保证一定出口,最多在机场一架飞机在一个地区防止碰撞表面。更新交通序列通过定义前置/后置条件定义安全属性的动态模型的一部分。使用Z /伊夫斯工具正式规范分析。

造型上存在很多工作的ATC系统;讨论了一些重要的工作部分 2。在大多数的工作安全标准是由测试通过模拟但不幸的是,这种方法缺乏验证ATC系统的正确性。这是因为模拟成指数增加的数量提供所需的复杂系统的信心水平。此外,当需要修改的全套模拟必须reconducted确保变化不妥协与定义的安全性和可靠性。因此,需要正式的方法申请造型ATC系统激励我们开始研究这个方向。

剩下的纸是组织如下。节 2,最相关的工作是批判性分析。节 3、问题的陈述和配方。正式的算法部分中描述 4。模型分析了部分 5。最后,结论和未来的工作进行了部分 6。

 2。相关工作

存在很多工作在ATC系统;最相关的工作是这里讨论。例如,在存在的工作,修改后的最低成本和最大流量遗传算法开发地面机场容量最大化( 14]。工作很有趣的在线调度飞机考虑机场容量测试和分析,但结果没有完全证实。NASA已经开发了表面管理系统,提供信息向联邦航空管理局控制器和管理机场的航空公司( 15]。本文集中于预测未来机场的表面特征,例如,离开跑道滑行,起飞时间分配。在另一个工作,交通限制增强是由高级造型功能模拟机场地面飞机运动为例( 16]。在这项工作中,概率时间自动机模型描述运营商的行为在某些假设。数量有限的系统的属性是用概率表示实时计算树逻辑。出租车操作和实时规划功能开发解决出租车运营基于实际数据的不确定性在 17]。然而,在这项工作中,只有计划的一部分功能是使用基于场景的评估方法。在[ 18),减少不必要的出租车时间减少排队和飞机在跑道上滑行过程不确定性。规划函数为优化开发的交通流实时测序在门口出发的交通。在这个工作,虽然过程描述,没有提供适当的算法。在另一个有趣的和最相关的工作,一个模型估算ramp拥堵延迟是减少用人管理门操作(分别)工具( 19]。再次详细过程描述在这个工作;然而,没有提供确认或验证方法来证明它的正确性。在[ 20.),棱镜工具是用于验证和分析使用时间自动机ATC系统的属性。可替换主体造型方法是应用于空中交通流量管理(ATFM) ( 21]。本研究的目的是显示模拟的适用性。在NASA的另一个工作,一个协作空中交通流是使用可替换主体开发的模拟技术。几个策略被用于选择不同路线增加系统的复杂性( 22]。融合智能计算研究发展的一个新的战术体系ATFM使用元级别控制方法的优势( 23]。在另一个应用程序中,智能计算模型为ATFM声称在[ 24]。由于空中交通密度的增加和相对有限的航空公司,未来解决方案最佳空域和安全提出了空中交通管制 25]。飞机提出解决冲突的协议( 26- - - - - - 28)信息地平线,飞机的通信范围是有限的。可预测系统开发实现自由飞行选择一条最优路径,减少燃料消耗和延迟时间而不是使用预定义的飞行时间表( 29日- - - - - - 31日]。这是很好的发展中自由飞行ATC系统的努力。冲突检测和解决方法的性能提出了( 32在状态空间估计飞机。进一步,基于卫星通信系统已经提出在当前发展需要考虑未来的自由飞行概念ATC系统( 33, 34]。我们研究的初步结果报告( 35- - - - - - 39]。可以找到其他类似的工作在 40- - - - - - 45]。

 3所示。问题陈述和配方

确保安全和提高效率的ATC系统已经成为一个核心问题由于增加空中交通和引进新技术 46]。ATC系统的主要目标是提供一个安全、高效的空中交通流量( 47]。安全操作是通过共享信息和开发有效的沟通通过各种系统保持标准的飞机之间的分离。有各种各样的atc负责监控飞机从门(离开)门(目的地)。

即将离开的飞机从飞机推迟起飞过程开始。在检查围裙的可用性区域,飞机滑行到机场的活跃领域。空中交通控制塔负责给滑行道许可进入从围裙区域。路线序列从大门到滑行道颁发的围裙控制器与塔通信控制器。控制塔负责分配起飞跑道和出租车路线到达指定的跑道。跑道分配决策是基于各种因素,例如,大门,飞行员的偏好,和流量大小。飞机到达跑道后,放入离开队列,然后起飞后最终许可。完成这整个过程表面管理系统从各种来源收集信息,然后飞行计划包括门离开,围裙占领区域,滑行道进入、离开时间,跑道准备作业路线。

有人指出起飞跑道可能会推迟收到请求后分配。这是因为离开跑道只能预测如果我们能够预测之间的时间推迟起飞。各种因素涉及分配离开飞机跑道。例如,机场跑道是如何配置的到达和离开交通完全取决于机场。从大门到起飞,一些主要的原因延误航班如下:(i)实现机场出发计算序列由于各种状态导致状态空间爆炸,(ii)低效推程序,因为在机场动态变化,(3)回顾路线序列由于适应优先级,和(iv)围裙控制器没有全力支持适应航空公司优先因为缺乏自动化功能支持。结果,它会导致一个不规则的围裙和门控制器的操作。

在我们的模型中,一个正式的方法是开发加快机场交通从大门到围裙和滑行道通过集成各种控制器。指出详细的信息,例如,天气条件下,风速和方向,这可能改变跑道配置在现实中是不被认为是在我们的模型中定义路线序列。此外,飞机类型和重量也不考虑。这样,相同长度的路线被认为对任何类型的飞机在我们的模型中。维护两个独立队列模型,每一个进入停机坪范围和跑道。飞机位置、滑行道位置和跑道表面提供了监测系统通常与GIS集成。这样的集成问题也是本研究的范围。

在静态模型的一部分,机场地面分为不同区域,然后转换成一个图形。在转换中,一个小单元(块)的机场地面都被表示为一个节点和连接两个街区之间的假设作为一个边缘图。我们应该不同的航线起飞和降落过程在我们的模型中,因此,合成模型是一个有向图的关系。然而,门可以为传入和航班使用。目标是找到并分配一个适当的从门滑行的飞机。盖茨分配和定义从围裙围裙和连接到活动区域滑行是解决三个主要活动的动态系统的一部分。

在操作系统中,一开始飞机门控制器发送一个阻力请求。阻力操作执行后的间隙围裙控制器。接下来,出租车间隙的飞机发送一个请求。间隙是授予围裙的飞机滑行后通信控制器和空中交通控制塔。

 4所示。正式的建模使用Z符号

安全和效率是两个核心需求在ATC系统的安全正常运行。安全需要一个定义良好的序列模式而效率需要快速的飞机。在本节中,正式程序滑行的飞机运动从大门到活动区域。正式规则定义,防止碰撞和加快交通流量通过维护一个队列的飞机使用Z符号。

4.1。静态模型

首先,正式规范的机场地面描述基于图的关系。最小的表面由单位的机场 块这是图中节点的关系。两个街区的连接是由链接图中这是一个优势。命令对 ( u , v ) 在边集意味着飞机可以从节点 u 到节点 v :

( 块]; l 我 n k 年代 = = x , y : B l o c k ∣ x ≠ y • x , y 。

正式规范所描述的图的关系模式 图。模式包含两个部分分为水平形式,定义,和谓语部分。在第一部分的模式、变量定义给出了和不变量在谓词描述模式的一部分。模式包含两个组件,模块库和链接。模块被定义为一组有限的权力 块。链路群是一套有限的权力 链接这是事实上的集合所有可能的边缘图的关系。

在谓词部分,指出,两端的边缘节点,是一个自然约束图的关系。此外,每个街区是一个优势;也就是说,没有孤立的块。最后,对于任何两个街区,图中有一个路径关系,因为它应该是可以从一个块移动到其他机场的块面。

乘客门的表示 门模式由两部分组成,即标识符和登机口的状态。状态变量值,明确或占领。盖茨的集合定义的部分功能 盖茨从门的标识符 门模式。的 盖茨模式是一组所有盖茨在机场可以分配到一架飞机。

围裙用于起飞前的活动包括停车区域,等待,和维护。作为有一个协会围裙区域和门之间的关系,因此,围裙是需要被定义为一个单独的实体由围裙标识符和它的状态。作为一个整体被认为的标识符。从围裙围裙的集合是一个局部函数标识符围裙模式。在谓词部分,指出,每一个围裙标识符 apid和模式 围裙命令对 (apid围裙)在的领域 围裙函数。

在机场滑行道是一个路径连接围裙跑道通过各种其他服务领域。在我们的模型中,滑行道被定义为一个模式组成的滑行道标识符和一个块序列定义一个明确的路径。

的 滑行道的模式包含两个部分,即 滑行道的和 taxiingA。第一个, 跑道、从滑行道标识符是一个函数 滑行道。第二个, taxiingA,是一个偏函数对飞机滑行道标识符标识符占领滑行道。在谓词部分,说的领域 taxiingA包含在域的 滑行道的函数。

机场的拓扑结构由四个模式定义图,盖茨,围裙,跑道。在谓词部分,它是说,每一块盖茨和围裙函数的域属于节点集。盖茨和围裙函数的域的交集为空。进一步,它是说,每一块门和围裙区域是连接到一个滑行道。的路径在滑行道被表示为一个序列块满足不变量的连接关系。表示,每个元素的路径序列是一块图的关系。任何两个连续的元素在路径序列构成的边缘图的关系。

飞机是指定的模式 飞机由两部分组成,即飞机标识符和它的安全区域。所有允许飞机在机场的集合定义为飞机标识符的映射 飞机。在谓词的一部分 飞机模式,它是说,一个十字路口的安全区域的任意两个飞机总是空的。

下面的门控制器定义由四部分组成。第一个是 盖茨模式已定义。第二个组件是 gatesR代表的飞机要求门。的 gatesR组件被定义为一个序列类型提供服务根据先来先得。的 gatesA是第三个组件代表从飞机标识符映射到门。最后一个是 pushbackR这是飞机的设置要求推迟从大门。

提到关系所有门控制器的组件中定义的属性。捕捉不变量的完整规范,每个组件的门控制器被选中,然后确定任何关系,如果存在,与其他组件。

不变量如下:(i)如果一个门被分配到一个飞机,否则必须在其占领的状态在清晰的状态;(2)如果一个门被分配到一个飞机,该飞机的飞机不能在列表中要求一个门。如果飞机要求门,它不能在列表中指定的飞机门;(3)如果飞机要求推迟,然后飞机的飞机必须在列表中指定的大门。

可以指定门和围裙控制器使用相同的模式;然而,我们已经分别定义它,因为模型的简单性。围裙控制器组成 围裙,飞机的阻力间隙要求 pushbackC围裙地区、序列的飞机 apronQ,和滑行的飞机已请求序列 taxiingR。正式规范的围裙下面描述控制器是不变量。

不变量如下:(i)的任何飞机要求推迟间隙不能在飞机在停机坪区域的列表;(2)如果飞机在停机坪区域,它没有要求推迟间隙;(3)如果飞机要求滑行,在停机坪范围列表中但不是飞机的要求推迟间隙。

 4.2。动态模型

正式规范的操作要求将飞机从大门滑行道的在这一节中描述。起飞过程的模型是一个部分从门到机场滑行的更新状态空间。有三个主要设施,即盖茨,围裙,和跑道、由门和围裙控制器。起初,一架飞机从大门进入沟通的大门和围裙围裙区域控制器。后飞机滑行道进入从围裙区域,它由本地控制器控制。

首先,一个操作门请求如下定义。一架飞机为门到门控制器发送一个请求,显示其身份。验证身份后,门控制器接受请求并添加了飞机在等待列表中 gatesR。所描述的操作模式 RequestGate它包含 Ξ ApronController, Δ GateController,和飞机的标识符 援助?作为输入。门的状态更新控制器通过验证的属性作为前置和后置条件。指出,后置条件是必须满足成功执行后的操作。符号 Ξ 使用的模式表明,围裙控制器的状态没有改变。符号 Δ 显示门控制器的状态改变。符号 吗?后 援助变量代表一个输入变量。模式组件放在第一部分和前置/后置条件第二部分中描述的模式。

前置/后置条件如下:(i)请求飞机必须在停机坪区域( apronQ);(2)飞机不是在名单列表中( gatesR);(3)如果满足以上条件,然后飞机被添加到等待名单;(iv)门控制器的另两个变量不变。符号“”装饰一个变量用于它的新状态。

门的正式定义任务所提供的操作 AssignGate模式。模式包含三个部分,即 Δ GateController、飞机标识符,和门,第一部分作为输入的模式。指定的登机口的控制器的前置和后置条件谓词的模式的一部分。

前置/后置条件如下:(i)飞机必须在飞机的等待名单;(2)飞机不是分配一个门;(3)输入门属于盖茨的有效名单;(iv)门口没有分配到任何其他飞机;(v)如果满足以上条件,然后分配飞机门;(vi)另外两个变量 盖特和 pushbackR门控制器都不变。

飞机推迟起飞请求程序用 PushbackRequest模式。该模式包括 Δ ApronController, Δ GateController,和飞机标识符。下面的模式定义给出了前置/后置条件后更新状态空间的大门。

前置/后置条件如下:(i)飞机发送推迟请求之前必须分配一个门;(2)飞机既不要求推迟一个阻力也没有间隙;(3)飞机的阻力请求添加门控制器和阻力间隙的围裙控制器列表;(四)其他变量 gatesA和 gatesR盖茨的控制器和 apronQ和 taxiingR围裙的控制器不变。

飞机推迟起飞过程用 飞机推迟起飞五个组件构成的模式,即 Δ GateController, Δ ApronController、飞机标识符,围裙标识符,围裙,下面给出。后的模式定义下面前置/后置条件。

前置/后置条件如下:(i)飞机必须分配一个门;(2)在阻力请求的列表和阻力间隙;(3)飞机从门列表中删除;(iv)飞机从阻力和清除列表中删除;(v)飞机允许进入停机坪区域;(vi)的门和围裙控制器的变量不变。

出租车请求程序通过使用以下定义 TaxiRequest模式组成的 Δ ApronController和飞机标识符。后的模式定义下面非正式的描述。

前置/后置条件如下:(i)滑行的飞机已请求队列中第一个围裙地区;(2)飞机不属于飞机等待滑行的列表;(3)添加了飞机在滑行的飞机等待列表;(四)其他两个变量 apronQ和 pushbackC围裙控制器保持不变。

最后,正式程序把围裙一架飞机和进入滑行道使用描述 EnterTaxi模式包括 Δ ApronController, Δ 跑道、飞机、滑行道标识符和滑行道。飞机从名单中删除的飞机使用过滤” ↿ ”操作。

前置/后置条件如下:(i)飞机必须滑行许可;(2)滑行的飞机已请求队列中第一个围裙地区;(3)在飞机滑行,它从列表中删除滑行的飞机有许可和从停机坪区域;(iv)围裙控制器的其他变量保持不变。

 5。模型分析

在本节中,正式规范的分析提供了使用Z /伊夫斯工具集。正如我们所知,并不存在任何真正的计算机工具可以保证完成正式规范的正确性。这意味着即使正式规范书写的很好,它可能会导致潜在的错误。因此,写作的艺术正式规范没有提供任何保证模型的正确性。如果一个系统的正式规范分析与计算机工具,它提高了信心通过识别模型中如果存在错误。

Z /伊夫斯是一个强大的工具来分析正式规范的空中交通管制系统的一部分,负责飞机滑行运动从大门到活动区域。检查一些正式的模型的模式是正确的而其余的是证明了降低技术可用的工具。

总结在表提供的结果 1。在表的第一列,提供模式的名称。第二列是用于语法和类型检查。域检查证明的工具保证一致性公理声明的正式规范。域检查在第三列。减少证明是一个等价的简单组合技术在战术被替换。降低和减少证明在列4和5,分别。表中符号“Y”表明,自动模式都证明是正确的。象征“Y”注释与“*“显示模式被还原技术证明是正确的。象征“NA”第四列是用来减少意味着谓词和不是必需的,因此,正式的规范是被证明是写好,有意义。

模型分析的结果。

模式名 语法类型检查 域检查 减少 减少证明
图 Y Y Y* Y
门,门 Y Y NA Y
围裙,围裙 Y Y NA Y
滑行道, 滑行道的 Y Y NA Y
AirportTopology Y Y Y* Y
飞机,飞机 Y Y NA Y
GateController Y Y NA Y
ApronController Y Y NA Y
RequestGate Y Y Y* Y
AssignGate Y Y NA Y
PushbackRequest Y Y NA Y
飞机推迟起飞 Y Y Y* Y
TaxiRequest Y Y Y* Y
EnterTaxi Y Y Y* Y

6。结论

在这篇文章中,我们已经描述了一个正式的空中交通流量管理过程从大门到滑行在空中交通管制(ATC)系统。最初,我们已经描述了基本组件的描述所需的系统。机场表面使用图论表示为静态模型的一部分。我们观察到图模型是一种有效的用于定义一个连接关系和适当的征税暴跌。动态模型描述操纵基于静态模型的关键信息。安全属性描述的不变量静态模型中的组件。前置和后置条件用于定义安全标准操作系统,以避免任何不必要的情况。Z符号应用,因其严格的和抽象的自然,正式这个关键系统的分析。

我们观察到ATC系统的复杂性减少分解成它的组件。Z模式结构符号的使用促进了在模型的静态部分和动态部分。系统的开发从抽象到具体的模型便于提出一个简单的和抽象的模型。

造型上存在很多工作的ATC系统;但是它需要更多的研究来解决新一代自动化系统实现所需的安全水平和效率。迈克尔和史蒂文的工作是接近这个门管理和坡道业务分析减少延迟时间,燃料燃烧,和其他成本 48]。在他们的工作,是相当保守的方法基于观察和结果不能完全验证,建立了。

各种福利描述观察系统的正式规范。例如,基于组件的系统为我们提供了一个完整的造型特征在更高层次的抽象。另一方面,如果系统被指定在更详细的级别,直觉可能已经丢失。复合的方法使我们给推理组件和随后的整个系统。进一步的优势改进后可以观察到一个正式的模型。详细的模型可以实现经过一系列的改进,同时保证语法和语义规则的变换。

一套清晰的范围和假设被定义在生产系统的数学模型。提到这个正式的模型可以应用到ATC系统后进一步细化和分析。这是因为我们已经定义了属性基于一个真正的ATC系统的要求。

 利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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