رتینا: تغییر چهره مدیریت کنترل ترافیک هوایی

در نسخه قبلی مجله مقاله‌ای نوشتیم با عنوان «از برج‌های سنتی تا برج‌های دیجیتال» و در آن به‌طور مفصل در مورد لزوم ایجاد تغییراتی اساسی در ساختار برج‌های مراقبت سنتی و فناوری‌هایی که می‌توانند برای رسیدن به اهداف آینده کمک کنند، پرداختیم. در آن مقاله تاکید شد که مفهوم برج‌های مراقبت از راه دور (Remote Towers) و برج‌های دیجیتال (Digital Towers) قوانین آینده ترافیک هوایی را تغییر خواهند داد. دو مفهومی که در ابتدا تنها برای اعمال روی فرودگاه‌های کوچک در نظر گرفته شده بودند، اما قابلیت‌ها و ویژگی‌هایی که ارائه می‌کنند، باعث ‌شده است تا حتی فرودگاه‌هایی با حجم ترافیک بالا نیز نامزد استفاده از آن‌ها شوند. در این مقاله قصد داریم به یک فناوری دیگر که در راستای بکارگیری در نسل آینده برج‌های مراقبت توسعه یافته است، بپردازیم.

یک چالش و نگرانی بزرگ

هزینه‌های بالای ساخت، نگهداری، سرویس و نیروی انسانی یک برج مراقبت در فرودگاه‌های کوچک و منطقه‌ای که معمولا ترافیک هوایی کمی دارند، همیشه یک چالش و نگرانی برای مدیران بوده است. با این حال نیاز به دسترسی سریع به این مناطق، باعث می‌شود همچنان این فرودگاه‌های کوچک فعال باشند. در دنیای امروز برای انسان دشوار است تا ساعت‌ها برای جابه‌جایی از یک منطقه به منطقه دیگر زمان صرف کند. مسائل اقتصادی و اهمیت زمان سبب می‌شود تا با وجود هزینه زیاد، انسان‌ها درخواست‌ انجام سفرهای هوایی به مناطق دور افتاده و با جمعیت کم داشته باشند.

در اروپا جاه‌طلبی فراتر رفته و با تعریف پروژه FlightPath 2050 (چشم انداز اتحادیه اروپا برای شبکه هوایی آینده)، شهروندان قادر خواهند بود طی چهار ساعت بین هر دو نقطه در اتحادیه اروپا حرکت کنند. بنابراین با وجود هزینه‌های بالا، فرودگاه‌های کوچک همچنان رو به افزایش هستند. اما آیا راهکاری برای کاهش هزینه‌های این چنین فرودگاه‌هایی وجود دارد؟

راه‌حلی برای این مشکل

یک دیدگاه منطقی می‌گوید در جوامع کوچک منطقه‌ای (که برای جابجایی افراد و کالاها به مسافرت‌های‌ هوایی متکی هستند) برای رشد اقتصادی لازم است از رویکردهای نوآورانه و مقرون‌به‌صرفه‌‌تر برای ارائه خدمات برج مراقبت استفاده شود. این رویکرد‌ها باید همچنان که ایمنی را در سطح قابل قبولی حفظ می‌کنند، هزینه‌ها را تا مقدار زیادی کاهش دهند.

این نقطه‌ای است که برج‌های مراقبت از راه‌دور و برج‌های دیجیتال وارد می‌شوند. در این سیستم‌ها دوربین‌هایی با کیفیت بالا و حسگرهای مادون قرمز (با قابلیت چرخش و بزرگنمایی)، تصاویر حریم هوایی و محیطی فرودگاه‌ را جمع‌آوری کرده و به‌صورت یکپارچه در اختیار کنترلر‌های ترافیک هوایی که در نقطه‌ای خارج از فرودگاه یا حتی شهر مورد نظر مستقر هستند، قرار می‌دهند. در کنار تصاویر تهیه شده توسط این دوربین‌ها و حسگرها، مجموعه‌ای از فناوری‌ها برای آگاهی بخشی بیشتر به کنترلرها و ایجاد یک پیوند قوی بین تصاویر و اطلاعات هوانوردی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در نهایت یک تصویر پاناروما مشابه آنچه کنترلرها از برج مراقبت واقعی می‌بینند روی نمایشگرهای یکپارچه مقابل کنترلر پخش می‌شود.

در نسخه قبلی مجله به‌طور مفصل به فناوری‌‌های مورد استفاده و قابلیت‌های این دو مفهوم پرداختیم. با این حال به‌طور خلاصه از ویژگی‌های برج‌های مراقبت دیجیتال می‌توان به آگاهی بیشتر در شرایط دید کم، ردیابی دقیق اشیاء در هوا و سطح فرودگاه، امکان بزرگنمایی تصاویر فراتر از دید انسان، ارائه هشدار مبتنی بر حرکت اشیاء و افراد و همچنین اطلاعات اضافی در مورد هر پرواز اشاره کرد.

از ایده تا اجرا

در سال 2007 و در اولین برنامه مرکز تحقیقات مدیریت ترافیک هوایی اروپا (SESAR^[1])، امکان جداسازی برج‌های مراقبت از محیط فرودگاه مورد بررسی و بحث قرار داده شد. نتیجه تحقیقات بعدی به پیاده‌سازی یک برج مراقبت از راه دور برای فرودگاه اورنسکولدسویک سوئد منجر شد. داشتن تنها 80000 مسافر سالیانه در این فرودگاه، نمی‌توانست هزینه‌های کارکنان کنترل مراقبت تمام وقت را تامین کند. پس از اجرای این پروژه، کنترل ترافیک هوایی فرودگاه از 150 کیلومتر دورتر و از فرودگاه ساندنوال انجام می‌شود.

کنترل ترافیک فرودگاه اورنسکولدسویک سوئد از مرکز کنترل ترافیک هوایی در شهر ساندنوال

اما این تنها آغاز راه برای ایجاد یک تغییر اساسی در مدیریت ترافیک هوایی بود. در ادامه SESAR تحقیقات گسترده‌ای برای بررسی امکان اجرای طرح‌های مشابه در فرودگاه‌های متوسط و بزرگ آغاز کرد. فرودگاه لندن یک نمونه از فرودگاه‌های بزرگ است که برنامه پیاده‌سازی برج دیجیتال در آن آغاز شده است. در این زمینه تحقیقات گسترده‌ای برنامه‌ریزی شده است. به عنوان مثال بخشی از تحقیقات مربوط به راهکارهای مواجهه با خرابی در سیستم بود و بخشی دیگر به آزمایش زمان انتقال از برج اصلی به برج دیجیتالی جدید اختصاص یافت.

گام بعدی کنترل همزمان چند فرودگاه از یک مرکز بود. بر اساس برنامه فرودگاه آرلاندا سوئد تا پایان سال 2020 احتمالا قادر به مدیریت ترافیک هوایی بیش از 20 فرودگاه محلی دیگر این کشور خواهد بود. همچنین در کشور نروژ نیز پروژه مشابهی در حال اجرا است که در آن یک فرودگاه قادر به کنترل ترافیک برای 15 فرودگاه دیگر خواهد بود. طرح‌های مشابهی در کشورهای آلمان، ایتالیا، مجارستان، ایرلند و لیتوانی در حال اجرا است.

آگاهی بیشتر به کنترلرها

«ایمنی» همیشه شعار اول صنعت هوانوردی بوده است. برنامه برج‌های دیجیتال SESAR نیز باید همزمان با کاهش هزینه‌ها، سطح ایمنی را بالا نگه دارد. در همین راستا آژانس هوانوردی اروپا برنامه‌های تحقیقاتی زیادی برای استفاده از فناوری‌های جدید در راستای افزایش ایمنی برای برج‌های دیجیتالی در نظر گرفته است. یکی از این فناوری‌ها، واقعیت افزوده (^[2]AR) است.

واقعیت افزوده یکی از فناوری‌های توانمند برای ایجاد نوآوری‌ در حوزه‌های مختلف صنعتی است. این فناوری به همراه همتای شناخته شده خود (واقعیت مجازی) فرصت‌های زیادی برای طراحی سیستم‌های جدید فراهم می‌کنند. این فرصت‌ها بیشتر به دلیل امکاناتی است که AR برای بهبود دنیای واقعی با بهره‌گیری از اطلاعات مصنوعی و بدون نیاز به جداسازی کاربر از محیط واقعی ارائه می‌دهد.

ابزارهای مدرن در واقعیت افزوده با افزودن لایه‌هایی از اطلاعات به دنیای واقعی باعث افزایش درک کاربر از دنیای اطراف خود شده و امکان بهبود تعامل کاربر با محیط واقعی را فراهم می‌کنند. در نسخه‌های گذشته مجله اشاره کردیم که چطور واقعیت افزوده می‌تواند به صنعت تعمیر و نگهداری هواپیما کمک کند.

استفاده از واقعیت افزوده برای بازرسی و تعمیرات هواپیما

قابلیت‌های این فناوری باعث شد کارشناسان SESAR به محورهای مختلف استفاده از آن در برنامه‌های برج‌های از راه‌دور و برج‌های دیجیتال توجه داشته باشند. اوایل سال 2016 بود که SESAR برنامه‌ای تحقیقاتی با نام ^[3]RETINA (دید مصنوعی ارتجاعی برای ارائه خدمات ناوبری هوایی در برج‌های مراقبت پیشرفته) برای بهره‌گیری از فناوری واقعیت افزوده آغاز کرد.

از مدت‌ها قبل فناوری نمایشگر‌های بالای سر (^[4]HUD) برای ارائه اطلاعات کمکی در کابین هواپیماهای نظامی و مسافری استفاده می‌شود. این نمایشگرها لایه‌ای از اطلاعات را همزمان با دید خلبان از پنجره‌های هواپیما، پیش چشم او قرار می‌دهند. این اطلاعات می‌تواند شامل سرعت، ارتفاع، زاویه نسبت به افق، اهداف نظامی، مسیر بهینه پرواز، موقعیت باند فرود و غیره باشند. اما در روی زمین و بخش کنترل ترافیک هوایی هنوز واقعیت افزوده نتوانسته‌ است تا این سطح مورد استفاده قرار گیرد.

افزایش آگاهی از وضعیت^[5] برای کنترلرها یک دلیل بسیار خوب برای سرمایه‌گذاری صنعت هوایی روی توسعه این فناوری و حضور آن در برج‌های مراقبت است.

مفهوم رتینا

فراتر از بحث برج‌های از راه دور و دیجیتال، مفهوم رتینا به یک فناوری برای قراردادن لایه‌های مصنوعی از اطلاعات روی نمای پنجره برج مراقبت اشاره دارد. این لایه‌ها می‌توانند اطلاعاتی را که در حال حاضر از طریق صفحه نمایش‌های قرار گرفته روی کنسول برج مراقبت ارائه می‌شوند را به صورت واقعیت افزوده نمای پنجره برج قرار دهند.

در مورد برج‌های سنتی سیستم رتینا می‌تواند از طریق کلاه‌ و سیستم HUD یا عینک‌های واقعیت افزوده پیاده‌سازی شود. اما در برج‌های دیجیتالی واقعیت افزوده می‌تواند مستقیما نمایشگرهای پخش‌کننده تصاویر زنده فرودگاه اعمال شود. اطلاعات هر هواپیما متناسب با فاز پرواز به صورت برچسب‌های رنگی در کنار هواپیما نمایش داده می‌شوند.

اهداف و خروجی‌ها

دو هدف اصلی تعیین شده برای پروژه رتینا عبارت‌اند از:

حذف تاثیرپذیری وظایف کنترلر از شرایط نامساعد دید از جمله آب‌وهوای بد، مه، دود، گردوغبار یا هر نوع انسداد محیطی دیگر
حذف نیاز با تجهیزات دید رو به پایین کنترلر (head-down view) مانند صفحه رادار، نمایشگرهای هواشناسی یا Stripها که منجر به افزایش حجم کاری کنترلر می‌شوند و نمایش اطلاعات فیلتر شده روی تنها یک نمایشگر دید رو به بالا (Head up View)

خروجی‌های پروژه نیز به این صورت تعیین شده‌اند:

یک مدل دیجیتالی و سه‌بعدی از فرودگاه همراه با سیستم رابط انسان-کامپیوتر مبتنی بر واقعیت افزوده برای ارائه خدمات کنترل ترافیک هوایی برج مراقبت. این مدل دیجیتالی موقعیت مکانی دقیق هر شی زمینی و هوایی را در اختیار کنترلر قرار می‌دهد. همچنین اطلاعات را از منابع مختلف مانند شبکه SWIM (در رابطه با این شبکه در نسخه 34 مجله توضیحات کاملی ارائه شده است)، رادارهای اولیه و ثانویه فرودگاه، رادارهای تشخیص حرکت سطحی، برنامه‌های پروازی و غیره دریافت کرده و به‌طور خلاصه و دسته‌بندی شده به کنترلر نمایش می‌دهد. در این مدل دیجیتالی، رویدادهای هواشناسی مانند باد شدید، گردباد، قیچی باد نیز برای افزایش ایمنی و کاهش فاصله بین هواپیماها قابل ارائه هستند.
بررسی تاثیر ابزارهای جدید روی فرایندهای مدیریت ترافیک هوایی در برج‌های کنترل

در نهایت انتظار میرد خروجی این پروژه مزایای قابل توجهی برای حوزه‌های مختلف صنعت هوانوردی از جمله صرفه‌جویی مالی برای شرکت‌های حمل‌ونقل و ANSPها، افزایش ایمنی برای مسافران، کاهش آلودگی‌های زیست محیطی و افزایش کارایی سیستم‌های الکترونیکی و فناوری اطلاعات در برج‌های مراقبت داشته باشد.

استفاده از فناوری رتینا برای ارائه اطلاعات هوانوردی به کنترلرها در قالب واقعیت افزوده

مسیر طراحی

کنترل ترافیک هوایی شامل ترکیبی از وظایف آسان و مشخص با رویدادهای ناشناخته، وقت‌گیر و غیرمنتظره است. در شرایط عادی وظایف یک کنترلر علاوه بر صحبت با خلبانان، شامل استخراج اطلاعات لازم از صفحه رادار، بررسی شرایط آب‌وهوایی، مرور مداوم Stripهای پرواز، تهیه استراتژی‌های بلند مدت، تشخیص تداخل‌های احتمالی در پروازها، اتخاذ تصمیم‌های تاکتیکی، توجه کامل به ترددهای سطح فرودگاه و زمان‌بندی ترافیک هوایی است.

در این شرایط، طراح سیستم تعامل انسان با کامپیوتر نه تنها باید به وضعیت کاربر دقت داشته باشد، بلکه کلیه پیچیدگی‌ها و ارتباطات حوزه کاری را مد نظر قرار دهد. به همین منظور در پروژه رتینا برای طراحی رابط انسان با کامپیوتر از رویکرد طراحی رابط اکولوژیکی (زیست محیطی) یا EID^[6] استفاده شده است. به‌طور کلی EID یک رویکرد طراحی رابط است که به‌طور خاص برای سیستم‌های پیچیده اجتماعی، فنی، واقعی و پویا معرفی شده و در حوزه‌های مختلفی از جمله کنترل فرایند (مثل نیروگاه‌های هسته‌ای ، نیروگاه‌های پتروشیمی)، صنعت هوانوردی و پزشکی کاربرد دارد.

هدف از EID ایجاد محدودیت‌ها و روابط پیچیده در شواهد ادراکی محیط کار (مثل شنیداری و دیداری) برای کاربران است. این امر باعث می‌شود تا کاربر بتواند تمرکز بیشتری روی فرایندهایی با اولویت بالاتر مانند حل مسئله و تصمیم‌گیری داشته باشد. یکی از اصول مهم طراحی رابط اکولوژیکی مفهوم چارچوب «مهارت‌ها، قوانین، دانش» یا (SRK) است. در پروژه رتینا این مفهوم اساس طراحی را تشکیل می‌دهد.

انتخاب سخت‌افزار برای رتینا

برای مرحله صحت‌سنجی طراحی‌های انجام شده، کارشناسان پروژه رتینا نیاز به یک نمایشگر نصب شونده روی سر (^[7]HMD) داشتند. سخت‌افزار مورد نظر باید دارای نمایشگرهایی با رزولوشن بالا، شفافیت مناسب، وزن کم و البته مجهز به حسگرهای حرکتی با دقت زیاد به منظور ردگیری برای دید کنترلر باشد. آنها پس از بررسی نیازمندی‌های خود و تحقیق محصولات موجود در بازار، HoloLens محصول شرکت مایکروسافت را برای پروژه خود انتخاب کردند. این محصول دارای یک واحد اندازه‌گیری اینرسی (IMU) چهار دوربین تصویربرداری، یک دوربین عمق (ایجاد عمق میدان 120°×120°)، یک دوربین فیلم‌برداری، دو بلندگو، چهار عدد آرایه میکروفن و یک حسگر نور محیط است.

نصب شونده روی سر HoloLens محصول شرکت مایکروسافت

برای این سخت‌افزار می‌توان منوهای مختلف تعریف و اطلاعات را دسته‌بندی کرد. کاربر می‌تواند هنگام استفاده گزینه‌های مختلف را با حرکت دست کلیک کرده و انتخاب کند. همچنین امکان دریافت دستورات صوتی یا حرکتی نیز برای آن پیش‌بینی شده است.

اطلاعات نمایش داده شده برای کنترلر قابل کلیک و انتخاب شدن هستند.

در مورد برج‌های دیجیتال علاوه بر HMDها، اطلاعات می‌تواند مستقیما روی تصاویر زنده فرودگاه در نمایشگرهای بزرگ نگاشت داده شود. در هر دو حالت کنترلر می‌تواند بدون نیاز به از دست دادن دید محیط فرودگاه و حریم هوایی اطراف آن، اطلاعات لازم را به‌صورت متن یا اسمبل‌های گرافیکی در اختیار داشته باشد.

مسیر حرکت هواپیماها روی محیط باند، مسیر تاکسی و اپرون می‌تواند به‌صورت گرافیکی و واقعیت افزوده به تصاویر فرودگاه اضافه شوند. شیب فرود صحیح باند فرود نیز می‌تواند درصورت لزوم هنگام نشستن هواپیماها ظاهر می‌شود و کنترلر از رعایت محدودیت‌ها اطمینان حاصل کند. عدم رعایت هر یک از محدودیت‌ها و قوانین تعیین شده برای سیستم می‌تواند به‌صورت یک هشدار صوتی به کنترلر اعلام شده و یک علامت هشدار در کنار هواپیما، شخص یا شی مورد نظر ظاهر می‌شود.

پروژه رتینا با بودجه یک میلیون یورو از مارس 2016 تا فوریه 2018 اجرا و نتایج آن برای ارزیابی به SESAR ارجاع داده شد. این پروژه به‌صورت یک کنسرسیوم با رهبری دانشگاه بولونیا و مشارکت 3 شرکت از کشورهای اسپانیا، ایتالیا و فرانسه اجرا شده است.

[1] Single European Sky ATM Research

[2] Augmented Reality

[3] Resilient Synthetic Vision for Advanced Control Tower Air Navigation Service Provision

[4] Head Up Displays

[5] Situation Awareness

[6] Ecological Interface Design

[7] head-mounted display