O Serviço de Gerenciamento de Fluxo de Tráfego Aéreo (ATFM) estabelece um controle de fluxo seguro, ordenado e eficiente de acordo com a capacidade da infraestrutura e dos serviços de controle. O Gerenciamento ´e realizado com o auxílio de sistemas automatizados. Tais sistemas implementam programas que ajustam a demanda de voos à capacidade do espaço aéreo. Algoritmos simples podem sugerir medidas ATFM para solucionar a saturação em um conjunto restrito de elementos regulados (aeródromos, regiões do espaço aéreo, fixos ou aerovias). A natureza interconectada dos elementos regulados, que compõem o fluxo de tráfego aéreo, demanda uma abordagem mais abrangente para atingir o uso ótimo desses recursos, uma vez que outros problemas podem surgir quando a otimização local é aplicada a um elemento sem levar em conta seus elementos relacionados. Nem sempre há a necessidade do planejamento estratégico ser um ótimo global, uma vez que cenários viáveis e sub-ótimos encontrados com menor custo computacional podem representar soluções satisfatórias. O aumento da demanda do tráfego aéreo, no entanto, tem fomentado a aplicação de programas de geração de medidas ATFM mais complexos. Esta pesquisa implementou um programa de otimização global para a geração de medidas ATFM em cenários de larga escala do mundo real. O problema ´e modelado como um problema de programa¸c~ao inteira e o modelo adotado ´e abrangente, pois prevê atraso em solo, em voo, alteração de velocidade e rerroteamento. O programa é capaz de balancear o fluxo atendendo restrições de capacidade dos aeródromos e dos setores. Além disso, foi desenvolvida uma interface de visualização e edição de dados para os cenários estudados. Dados de voos no espaço aéreo brasileiro foram processados e utilizados para testar a solução implementada e mostraram a viabilidade do método. A utilização de um programa de otimização que leva em conta mais restrições potencialmente irá contribuir com o aumento de eficiência no uso da infraestrutura e do espaço aéreo de forma segura. / The Air Traffic Flow Management Service (ATFM) establishes a secure, orderly and efficient flow control according to the capacity of the infrastructure and control services. The Management is performed with the aid of automated systems. Such systems implement programs that adjust the flight demand to the airspace capacity. Simple algorithms might suggest ATFM measures to resolve saturation in a restricted set of regulated elements (aerodromes, airspace regions, fixes or airways). The interconnected nature of the regulated elements that make up the air traffic flow requires a more comprehensive approach to achieve optimum use of these resources, since other problems can arise when local optimization is applied to an element without regard to its related elements. There is not always a need for strategic planning to be a global optimum, since feasible and sub-optimal scenarios encountered at lower computational cost might represent satisfactory solutions. The increase in air traffic demand, however, has encouraged the application of programs to generate more complex ATFM measures. This research implemented a global optimization program for the generation of ATFM measures in large-scale real-world scenarios. The problem is modeled as an integer programming problem and the adopted model is comprehensive, since it provides ground and airborne delays, change of speed and re-routing. The program is able to balance the flow by meeting capacity constraints of the aerodromes and sectors. In addition, a visualization and data editing interface was developed for the studied scenarios. Flight data in Brazilian airspace were processed and used to test the implemented solution and the viability of the method was shown. The use of an optimization program that takes into account more constraints will potentially contribute to increase the efficiency in use of infrastructure and airspace in a secure manner.

Nos últimos anos, os países desenvolvidos vêm dedicando crescentes esforços para integrar o Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) no espaço aéreo controlado, visando sua utilização para fins civis. Embora este tema ainda não tenha consenso quanto aos critérios a serem adotados, é de comum acordo na comunidade que, no mínimo, devam ser mantidos os atuais níveis de segurança (\"Safety\") praticados pela aviação civil mundial. Neste cenário, a convivência entre aeronaves comerciais, com cada vez mais passageiros e aeronaves não tripuladas, traz sérias preocupações com relação à capacidade que o sistema atual de navegação, controle, vigilância e de Gerenciamento de Tráfego Aéreo tem para lidar com situações de perigo decorrentes da aproximação entre estas duas categorias de aeronaves. Neste contexto, esta tese propõe uma modelagem de um VANT, tendo-se como ponto de partida os conceitos de robô móvel, cujo modelo de inteligência é fundamentado em Inteligência Artificial Distribuída (IAD), implementável segundo o paradigma de Sistemas Multi-Agentes (SMA) e que leve em consideração os principais requisitos de \"Safety\" exigidos pelo \"Communication Navigation System/Air Traffic Management\" (CNS/ATM), de modo a permitir a futura inserção destas aeronaves no espaço aéreo controlado. / During the last years, developed countries are conducting efforts to integrate Unmanned Aircraft Vehicles (UAVs) to the controlled airspace, aiming at their civilian use. So far, there has been no common consensus on the criteria to be adopted by the community that should, at least, keep the minimum safety levels international aviation has already attained. In this scenario, commercial aircrafts - with more and more passengers - and UAVs will share the same space. There will be a lot of concern related to the actual navigation, control and surveillance system capacity as well as to the air traffic control management ability to handle potentially dangerous situations due to the approximation between aircrafts of these two categories. Based on this scenario, this thesis proposes an UAV modeling having as starting point the mobile robot concept, of which the intelligence model based on Distributed Artificial Intelligence, can be implemented by using the Multi Agent Systems paradigm. This paradigm should take the main safety requirements as an obligation, as defined by the Communication Navigation System/Air Traffic Management (CNS/ATM), as a way of handling the future insertion of UAVs into the controlled airspace.

Historicamente, os sistemas de tráfego aéreo incorporaram níveis de automação nas atividades de controle do espaço aéreo com o intuito de atender à crescente demanda por serviços aéreos e de melhorar os níveis de segurança nos procedimentos de voo. Com o crescimento expressivo previsto para os próximos anos, devido ao aumento nos números de voos e de usuários, as opções tradicionais de expansão da malha aérea e / ou construção de novos aeroportos se tornaram onerosas economicamente, tornando necessária a adoção de alternativas, tais como as técnicas / procedimentos para pousos em pistas paralelas, como forma de aproveitar parte da atual infraestrutura aeroportuária existente, sem a necessidade de enormes aportes financeiros. Para avaliar a viabilidade de projetos de pousos simultâneos em pistas paralelas, um dos fatores importantes a serem analisados é o da avaliação do risco de colisão entre aeronaves associado durante esses procedimentos. Nesse cenário, este trabalho de pesquisa propõe uma extensão no modelo de avaliação de segurança de Ogata para procedimentos de pouso em pistas paralelas, considerando que o modelo original tem o objetivo de medir o nível de risco associado somente para operações de pouso convencionais em pistas paralelas. A extensão deste modelo ocorre no sentido de também permitir a simulação em outros cenários distintos de pouso, o que torna possível tanto a realização de comparativos entre técnicas / procedimentos utilizadas em operações de pouso em pistas paralelas, quanto a avaliação do nível de risco associado. Este modelo estendido de segurança utiliza o método de Monte Carlo, da mesma forma que o original, em que um número elevado de simulações de cenários possíveis de pousos em pistas paralelas é avaliado. Com os resultados obtidos, é analisado o impacto da variação da distância entre as pistas na segurança de pousos em pistas paralelas. / Historically, air traffic control systems have incorporated some levels of automation to manage procedures of airspace control in order to meet the growing demand for air transportation services and to improve levels of safety in flight procedures. With significant growth expected in the coming years due to an increase in numbers of flights and passengers, the traditional options of expanding the air traffic network and / or construction of new airports have become economically burdensome, requiring the adoption of alternatives such as techniques / procedures for landings on parallel runways as a way of taking advantage of part of the current airport infrastructure, without requiring enormous financial contributions. To assess the feasibility of projects of landing in parallel runways, one of the important factors to be analyzed is the evaluation of the risk of collision between aircraft, associated to these procedures. In this scenario, this research proposes to extend the Ogata safety assessment model in procedures for landing on parallel runways, whereas the original model aims to measure the level of risk associated only with conventional landing operations in parallel runways. The extension of this model occurs in order to allow the simulation of different landing scenarios, which makes possible both the conduct of comparative techniques / procedures used in landing operations on parallel runways, such as the risk level assessment. This model uses the Monte Carlo simulation, the same as the original model, in which a large number of simulations of possible scenarios for landings on parallel runways are evaluated. With these results, it studies the impact of the change of distance between lanes on the safety of aircraft landing on parallel runways.

O presente trabalho propõe uma Abordagem de Monitoramento e Vigilância do Espaço Aéreo para a Região Amazônica. A Amazônia ocupa mais 50% do território brasileiro e possui áreas inóspitas e cobiçadas internacionalmente. As tecnologias de Vigilância, com base nos conceitos de Comunicação, Navegação e Vigilância para o Gerenciamento do Tráfego Aéreo (Communication, Navigation and Surveillance for Air Traffic Management - CNS/ATM), apoiadas por métodos, técnicas, ferramentas e procedimentos de Engenharia de Software, no atual estado da arte, servem de subsídio a este trabalho. Foram pesquisadas informações relacionadas aos sistemas existentes de vigilância, com o objetivo de verificar quais eram as inovações propostas pelo CNS/ATM em relação ao sistema atual, auxiliando na identificação das principais funcionalidades do Sistema Proposto denominado SIMOVE - Sistema de Monitoramento e Vigilância do Espaço Aéreo. Foi utilizado o Processo Unificado da Rational (Rational Unified Process - RUP), de maneira simplificada e adaptada composto pelas seguintes fases: 1 - Iniciação - responsável pela identificação do protótipo a ser desenvolvido, a qual originou-se um Estudo de Caso, e a partir dele levantou-se os requisitos iniciais; 2 - Elaboração - onde detalhou-se as funcionalidades encontradas na fase anterior de iniciação; 3 - Construção - onde coube o desenvolvimento do protótipo do SIMOVE, e algumas funcionalidades foram implementadas; e 4 - Transição - fase em que ocorreram, por fim, alguns testes para verificação, validação e entrega do Protótipo. Ao longo das fases do RUP foi possível aplicar os principais assuntos pesquisados tais como conceitos de novas tecnologias sobre Vigilância Dependente Automática (Automatic Dependent Surveillance - ADS), abrindo-se as portas para aplicações futuras da Vigilância Dependente Automática por Radiodifusão (Automatic Dependent Surveillance - Broadcast - ADS-B). Dentre as contribuições deste trabalho acadêmico destacam-se a metodológica, a documental, a modelagem, a prototipação e a tecnológica. Conclui-se no presente trabalho sobre a importância da utilização de novas tecnologias como ADS e ADS-B para o auxílio na vigilância aérea, adequando-se o Sistema de Vigilância da Amazônia - SIVAM ao sistema CNS/ATM. Para que ele fosse desenvolvido com sucesso foi fundamental a utilização do RUP apoiado nas tecnologias de Engenharia de Software Auxiliada por Computador (Computer Aided Software Engineering - CASE) em conjunto com as tecnologias ADS e ADS-B, que proporcionaram o desenvolvimento do Protótipo de Sistema Software, que representa um apoio adicional para a capacitação dos profissionais que desejam atuar ou já atuam no domínio do conhecimento do CNS/ATM.

Nesta dissertação aplicam-se técnicas de mineração de dados no estudo do perfil de Tráfegos Aéreos Desconhecidos (TAD), registrados em relatórios armazenados em bases de dados do Comando de Defesa Aeroespacial Brasileiro. O objetivo é dotar o Comando da Aeronáutica de um estudo sobre instrumentos que aumentem a eficiência da análise dos Relatórios de Tráfegos Aéreos Desconhecidos, a fim de levantar padrões comportamentais que possam auxiliar no planejamento de operações aéreas do Comando da Aeronáutica ou de operações de fiscalização, executadas por órgãos de repressão policial. Aborda-se o problema sistemática e iterativamente, seguindo-se as etapas do processo KDD (Knowledge Discovery in Databases), que consiste nas fases de Identificação do Problema, Pré-Processamento, Mineração dos Dados e Pós-Processamento. Na fase de Pré-Processamento, foram desenvolvidos algoritmos para agrupar as trajetórias dos TAD, enriquecendo a base de dados original com dados sobre as rotas predominantes e os pontos onde se originam ou desaparecem os tráfegos, possibilitando a identificação de aeródromos clandestinos ou de maior incidência de TAD. Foram realizados experimentos com algoritmos genéticos, extraindo regras por meio de duas funções de avaliação: uma para retornar regras genéricas, na fase de Mineração; e outra para obter regras precisas, centradas nos dados, na fase de Pós-Processamento do KDD. Foram também realizados estudos com o algoritmo APRIORI, para uma tarefa de Associação. Os experimentos constituíram um passo importante para descobrir a necessidade de estabelecer a presença de determinados atributos no antecedente ou no conseqüente das regras geradas, em função das características do domínio de aplicação. Finalmente, foi proposto um algoritmo de mineração de dados denominado Perfil Pré-Fixado (PPF), de maneira a possibilitar a extração de regras a partir de um conjunto de informações conhecidas e a superar as dificuldades impostas pelas particularidades da base de dados dos TAD. As soluções foram então implementadas e validadas por meio de uma interface gráfica desenvolvida em linguagem JAVA.

Este trabalho de investigação envolve sistemas de comunicação no campo aeroespacial. Nele, foi desenvolvida uma Estrutura de Comunicação de Dados entre um Órgão de Controle de Tráfego Aéreo e Aeronaves. Ele descreve a necessidade de levantamento e acompanhamento dos mais evidentes e significativos avanços tecnológicos no ambiente de Comunicação, Navegação e Vigilância para o Gerenciamento de Tráfego Aéreo (Communication, Navigation, Surveillance/Air Traffic Management - CNS/ATM) brasileiro, com enfoque nas comunicações por enlace de dados. Ele aborda também as principais dificuldades atuais enfrentadas por controladores de tráfego aéreo e pilotos de aeronaves durante o processo de troca e compreensão de mensagens. Este trabalho pode servir de base para a investigação sobre o desenvolvimento e implementação de aplicativos que diminuam o esforço requerido por controladores e pilotos durante a troca e compreensão de mensagens. Nele, abordou-se tópicos relacionados ao ambiente CNS/ATM, ao controle de tráfego aéreo, aos sistemas de comunicação, à Engenharia de Software, às metodologias para o seu desenvolvimento, às ferramentas de auxílio à criação e às linguagens de programação orientadas a objeto. Nele, foram ainda utilizadas: a Técnica de Modelagem de Objetos (Object Modeling Technique - OMT) adaptada ao padrão da Linguagem de Modelagem Unificada (Unified Modeling Language - UML); e as Ferramentas de Engenharia de Software auxiliadas por computador, propiciando maior agilidade no desenvolvimento. Isso possibilitou a geração dos diagramas e documentação necessários para uma melhor compreensão. A etapa de implementação ocorreu, por meio de ferramentas com recursos visuais para edição e compilação do código, facilitando a geração do Protótipo e a realização de seus testes funcionais. Finalmente, uma Interface Gráfica para o Usuário foi desenvolvida como parte integrante de um Protótipo, para reduzir esforços de comunicação e assegurar o processo de troca e interpretação de mensagens entre Controladores e Pilotos.

Modelos híbridos são uma poderosa abstração utilizada para representar sistemas híbridos, que consistem de uma combinação de sistemas com dinâmica contínua e discreta. A natureza híbrida de um sistema pode ser resultante da atuação de um controle discreto sobre uma unidade de produção de natureza contínua ou da dinâmica da unidade em si. Um sistema híbrido é muito geral, uma vez que contêm tanto sistemas discretos quanto sistemas contínuos como casos particulares. Existem várias propostas de abordagem para a análise e síntese de estratégias de controle para tais sistemas. Podemos encontrá-las na literatura e citamos algumas alternativas no corpo deste trabalho. Este trabalho propicia a avaliação da aplicabilidade e desempenho de técnicas de aprendizado autônomo (baseadas em Aprendizado por Reforço) a um problema tipicamente formalizado como de controle híbrido. É adotado como estudo de caso um problema de Gerenciamento de Tráfego Aéreo (GTA) atuando sobre dois aviões em situação de colisão iminente. O problema em questão é de difícil modelagem no caso mais geral, o que motiva o uso de técnicas model-free tais como Aprendizado por Reforço (AR) para a sua solução. Apresentamos o projeto de um controlador aprendiz com estratégia de aplicação de reforços visando unicamente afastar um avião do outro e a sua atuação sobre: a) a velocidade angular; b) a velocidade linear e c) as velocidades angular e linear em conjunto. Fazemos um estudo sobre a indução de ruídos nas variáveis de controle. Por fim, apresentamos uma modificação do projeto do controlador incluindo uma estratégia de manutenção da rota, e em seguida comparamos os resultados aos obtidos por técnicas de controle híbrido.

O filtro de Kalman ée uma ferramenta que tem sido o assunto de várias pesquisas e aplicações, particularmente na área de navegação. Isto se deve basicamente a relativa simplicidade e robustez natural do filtro. Será apresentada neste trabalho análise da aplicação do filtro de Kalman à detecção e rastreamento de alvos móveis. O cenário do trabalho ée composto pelo controle de tráfego aéreo que recebe informações em solo de diferentes tipos de aeronaves via datalink. Será estudada a detecção de duas aeronaves no momento do seu cruzamento. Inicialmente será apresentado o estudo da modelagem de uma aeronave, a simulação da dinâmica látero direcional e as equações da trajetória para um e dois alvos. Em seguinda, será utilizado o filtro de Kalman para rastreio e detecção dos alvos, que é, basicamente, um conjunto de equações matemáticas que implementam um algoritmo corretor/preditor. Foi observado como o erro entre a trajetória real e a estimada ée influenciado pela variação de diversos parâmetros. ÉE feita a análise de sensibilidade em relação aos seguintes parâmetros: covariância do processo, covariância do ruído da medida, taxa de atualização do filtro, velocidade das aeronaves, tempo de perda dos sensores e mudança na manobra. Desde que sejam respeitados os limites de operação dos parâmetros citados anteriormente, os bons resultados qualificam o filtro de Kalman como uma potencial ferramenta para rastreamento e detecção de duas aeronaves no momento de cruzamento.

O aumento do tráfego aéreo nos grandes aeroportos brasileiros, aliado a uma configuração de rede de rotas estabelecida por auxílios à navegação aérea convencionais baseados no solo (VOR, DME, NDB), tem gerado constantes congestionamentos nas áreas de controle terminal e respectivas regiões circunvizinhas. A fim de dirimir estas questões, a ICAO instituiu o conceito de Navegação Baseada em Performance (PBN), objetivando aumentar a capacidade do espaço aéreo e diminuir os custos operacionais. Baseado neste conceito, este trabalho visa analisar as rotas ATS de Salvador de acordo com a futura expansão do seu aeroporto internacional, prevista em plano diretor e na qual é considerada a implantação de pistas paralelas. Os efeitos no tráfego aéreo de Salvador são aqui analisados confrontando três cenários modelados: (a) a configuração atual da rede de rotas considerando as pistas convergentes existentes nesse aeroporto; (b) a configuração atual de pistas com uma estrutura de rotas PBN e (c) uma estrutura de rotas PBN numa possível configuração de pistas paralelas. Neste contexto são adotadas métricas de tempo e distância de vôo, resolução de conflito, tempo de atraso nas decolagens e complexidade do espaço aéreo. O RAMS PLUS é utilizado como ferramenta de simulação computacional fast-time para esta análise de espaço aéreo.

In order to increase arrival rates at many of today's heavily congested airports, simultaneous approaches are conducted on parallel runways. For many years, the FAA has permitted simultaneous independent instrument approach operations only for those parallel runways with a minimum separation of 4300 feet. Nowadays, new criteria have been developed to increase the utilization on those runways, where the most recent procedures, called PRM/SOIA (Precision Runway Monitor/Simultaneous Offset Instrument Approach), make simultaneous approaches possible in systems of runways spaced as close as 750 feet. On October 26, 2004, San Francisco International Airport (SFO) implemented this new landing system (PRM/SOIA), allowing the airport to increase the capacity of runways in inclement weather conditions by as much as twenty-five percent. This research analyzes these simultaneous approaches procedures in closely-spaced runways, addressing the potential benefits of the implementation of PRM/SOIA at São Paulo/Guarulhos Aeroporto Internacional Governador André Franco Montoro (GRU) with a computer simulation tool, and also the influence of this implementation at other airports inside the same terminal airspace. The results show that this implementation provides decreases in the total airborne flight delays between 45 and 51%, regarding all the instrumental traffic at the terminal airspace analyzed (i.e. the traffic of three airports inside the São Paulo Terminal Area with IFR procedures). We also find an increase of 18% in the arrivals capacity of the TMA-SP by 18%, approximately. However, isolated analysis shows small increases in delays in departure procedures (ground queue) and also for the airborne flight delays at a specific airport (RAMS Plus and ATM Analyzer utilization in this study is in accordance with the Academic Software License Agreement granted by ISA Software Ltd. to ITA).