Руководитель направления систем бизнес-аналитики BIA Technologies Станислав Воронин рассказывает о математической оптимизации в сфере авиации, а также о сложностях внедрения новых технологий в масштабах целой страны.
FAA
FAA (Federal Aviation Administration — Федеральное авиационное управление) — агентство в составе Министерства транспорта США, которое отвечает за все вопросы, связанные с областью гражданской авиации в стране. Его полномочия включают управление воздушным движением, обеспечение безопасного и эффективного перемещения пассажиров, сертификацию экипажей и самолетов, а также установление стандартов для аэропортов.
11 января 2023 года FAA попало в новостные сводки со скандалом: более 11 000 рейсов были задержаны в результате внезапной поломки компьютерной системы оповещения пилотов. Вылеты из всех аэропортов были прекращены на период около полутора часов (впервые с 11 сентября 2001 года). Волновой эффект от инцидента привел к транспортному коллапсу, растянувшемуся более чем на сутки. Пассажиры негодуют, Президент Джо Байден призвал провести расследование, а сенаторы обсуждают полномасштабные реформы агентства. Хотя причины поломки до конца не установлены, всё указывает на элементарный отказ устаревшей системы.
Разговоры о необходимости модернизации программного обеспечения FAA ведутся уже давно. Так в чём же проблема? Проблема в том, что невозможно просто взять и одномоментно перевести целое федеральное агентство на новую систему, ни на секунду не прервав при этом его работу. Обновления такого рода требуют очень тщательной подготовки, многомесячного моделирования и гибкой стратегии внедрения.
Впрочем, дела у FAA не всегда обстояли так плохо. В 2008 году математический отдел при агентстве даже был номинирован на престижную Премию Франца Эдельмана в области исследования операций — за оптимизацию планирования авиарейсов при неблагоприятных погодных условиях. Впоследствии команда подробно описала проект в научном журнале Interfaces.
Управление транспортными потоками
В числе ключевых зон ответственности FAA — управление транспортными потоками, которое заключается в предсказании объемов спроса (пассажиропотока) в каждый конкретный момент времени и стратегическом планировании авиарейсов с целью удовлетворения и балансирования спроса с учетом плохо прогнозируемых погодных условий.
В 1990-х годах для реализации этой функции FAA разработало систему ETMS (Enhanced Traffic Management System — Усовершенствованная система управления транспортными потоками). ETMS собирает данные из источников FAA и от авиакомпаний в режиме реального времени, чтобы определять потенциальный спрос и дисбалансы пропускной способности в аэропортах и в воздушном пространстве. Система включает в себя инструменты поддержки принятия решений, которые помогают диспетчерам FAA предотвращать эти дисбалансы за счет перераспределения спроса во времени и пространстве, то есть с помощью задерживания определенных вылетов и перенаправления потоков трафика.
К середине нулевых годов FAA разработало и внедрило эффективные решения на базе ETMS для двух ключевых проблем управления транспортными потоками: (1) контроля высокого спроса в аэропортах с ограниченной пропускной способностью и (2) управления рейсами в условиях локальных гроз. Первую проблему решает инструмент под названием FSM (Flight Schedule Monitor — Монитор расписания полетов), который рассчитывает необходимую продолжительность задержки вылета для того или иного рейса. Для решения второй проблемы был создан инструмент FCA (Flow Constrained Area — Зона ограниченного потока). С его помощью диспетчеры определяют границы грозовых зон и меняют маршруты самолетов, пуская их в обход грозовых туч.
Однако по состоянию на 2005 год у FAA не было эффективного подхода к самой сложной проблеме управления полетами — экстремально неблагоприятным погодным условиям (ураганам и протяженным грозовым фронтам, блокирующим основные авианаправления), типичным для загруженного летнего отпускного сезона. Эта проблема регулярно приводила к транспортным коллапсам и ежегодным издержкам на миллиарды долларов.
В середине нулевых команда по исследованию операций при FAA, которая отвечает за внедрение инноваций в области управления воздушным движением, решила взяться за указанную выше проблему. Команда хотела предложить и внедрить новый подход к управлению полетами, который бы обеспечил более оптимальный контроль при существенном сокращении затрат. Сразу было понятно одно: чтобы преодолеть институциональное сопротивление вмешательству в текущую систему, специалистам придется доказать необходимость изменений и показать, что эффективная альтернатива возможна и реализуема с приемлемым уровнем риска.
Именно поэтому первым этапом проекта стало системное моделирование (как сейчас бы сказали, создание цифровых двойников всех релевантных объектов и процессов «как есть») для наглядной оценки масштабов проблемы управления потоками движения в неблагоприятных погодных условиях и доведения этих масштабов до FAA и авиационной отрасли в целом.
Моделирование помогло провести количественную оценку применяемой на тот момент системы управления, которая заключалась в отмене ряда рейсов в крупных аэропортах по периметру грозовой зоны. Поскольку данный подход исходил не из географии маршрутов, а из местоположения аэропортов, рейсы, не проходящие через ураган, задерживались без необходимости. Модель показала, что объем таких рейсов мог достигать 80%. И наоборот, около 60% самолетов не учитывались в системе, хотя и пересекали грозовую зону, просто потому что вылетали из дальних аэропортов. В сумме всё это набегало на 70 000 минут напрасных простоев в типичный день с грозовым фронтом. Исходя из расчетов «1 минута простоя = $31», получаем лишние затраты на сумму свыше $2 миллионов в пасмурный день.
Новый подход и его преимущества
Необходимость оптимизации планирования стала очевидной, и команда перешла к разработке нового подхода к управлению воздушным движением. Так была придумана концепция системы AFP (Airspace Flow Program — Программа транспортного потока в воздушном пространстве).
При этом разработчики сразу понимали, что такая огромная и сложная система как национальная гражданская авиация может «переварить» только ограниченный объем изменений за раз. Чтобы новое решение было принято и успешно развернуто в производственную среду за короткий срок, оно должно представлять собой минимум концептуальных и программных изменений. Поэтому при создании AFP команда по максимуму опиралась на существующие инструменты и практики, добавляя и изменяя установленные методы только в той мере, в какой это было реально необходимо.
Логика системы довольно проста: при появлении масштабного грозового фронта диспетчеры обозначают зону тяжелых погодных условий с помощью уже знакомого им инструмента FCA, после чего ETMS автоматически определяет рейсы, проходящие через эту зону; эти — и только эти — рейсы задерживаются в аэропортах вылета. Самолетам, чьи маршруты проходят опасную зону по касательной, могут назначаться слегка измененные маршруты в обход, благодаря чему эти рейсы не задерживаются, а самолеты не простаивают часами в аэропорту.
В феврале 2005 года проектная команда презентовала решение и результаты моделирования на общем собрании с руководителями FAA и представителями различных авиакомпаний. Представленные цифры произвели впечатление. В апреле того же года FAA утвердило план по разработке и внедрению новой системы.
Проектная команда приступила к следующей задаче — создать интерактивную систему моделирования, которая позволит усовершенствовать и отшлифовать политику применения новой системы поддержки принятия решений (какого масштаба должна быть гроза, чтобы планирование передавалось на откуп новой системе; что делать с непредвиденными добавленными рейсами в течение дня и т. д.) до ее официального развертывания в производственной среде.
Отдельной проблемой для разработчиков стали крайне сжатые сроки: в соответствии с установленными FAA дедлайнами, финальная итерация системы AFP должна была быть введена в эксплуатацию в мае 2006 года. Это означало, что все требования к программному обеспечению должны были быть окончательно определены в течение пяти месяцев, так как оставшееся время нужно было заложить на разработку и тестирование, а также на переобучение диспетчеров.
Чтобы оценить масштаб поставленной задачи, необходимо представлять себе сложность и значимость всей авиационной системы. Национальное воздушное пространство США задействует десятки тысяч рейсов в день, сотни диспетчеров, десятки операционных центров авиакомпаний и группу диспетчеров-планировщиков FAA, работающих в командном центре по управлению воздушным движением в Херндоне, штат Вирджиния, и 20 транспортных центрах по всей стране.
Чтобы новая система оказалось успешной и не внесла хаос в текущее управление полетами, она должна учитывать возможность изменений в планах диспетчеров (отмена рейсов, перенаправление рейсов в другие аэропорты, изменение маршрутов или времени вылета и т. д.), оперативно реагировать на неожиданные смены прогноза погоды и быстро сообщать всю необходимую информацию заинтересованным сторонам, в первую очередь — пилотам и авиадиспетчерам.
Очевидно, что тестировать подобную систему в реальной среде невозможно, так как это может подвергнуть опасности экипаж и пассажиров или привести к транспортному коллапсу. Поэтому к августу 2005 года была создана реалистичная имитационная среда, которая позволила смоделировать национальное воздушное пространство и проверить эффект от принятия тех или иных операционных решений.
К тестированию были привлечены не только опытные диспетчеры FAA, но и эксперты по управлению полетами со стороны авиакомпаний. Они начали использовать эту среду, чтобы превратить общую расплывчатую концепцию в четкие требования к программному обеспечению и переосмыслить текущие бизнес-процессы. На протяжении полугода десятки специалистов проводили по 8–10 дней в месяц в Херндоне, чтобы работать над проблемами и находить решения для будущего успешного развертывания системы.
Результаты
К июню 2006 года система AFP была полностью внедрена и широко приветствовалась как FAA, так и авиационным сообществом в целом. Оценка воздействия после развертывания показала, что выгоды для индустрии и для пассажиров в первые два года использования системы составили почти $190 миллионов, что с лихвой покрыло стоимость проектирования, тестирования и внедрения системы (менее $5 миллионов).
Диспетчерам FAA система предоставила больший контроль над транспортными потоками. Авиакомпании оценили сокращение эксплуатационных расходов более чем на $2,7 миллиона в каждый грозовой день за счет уменьшения числа задержек вылетов, а также повышение гибкости и предсказуемости расписания. Что же касается пассажиров, система существенно повысила вероятность того, что рейсы в конечном итоге будут выполнены, и сэкономила более миллиона часов пустого ожидания задержанных рейсов в год. Таким образом была решена одна из главных проблем управления полетами — планирование рейсов в ситуации экстремальных грозовых фронтов.
Извините, не удержалась :)
мне кажется нереально избежать того самого коллапса