Mediterranean Free Flight: verifica sperimentale di concetti e procedure tramite la Real Time Simulation P. Battino, M. Di Marco, P. Scrivani, S. Tiberia DeepBlue s.r.l, Roma {paolo, milena, petra, stefano}@dblue.it ABSTRACT Nella ricerca in ambito di Air Traffic Managment (ATM), uno spazio molto importante è riservato alla simulazione come tecnica per la verifica sperimentale di nuovi concetti e strumenti. In particolare la Real Time Simulation (RTS) è una tecnica molto utilizzata, in quanto permette di ricreare un ambiente piuttosto simile al reale setting lavorativo e, al tempo stesso, permette di manipolare ai fini della verifica sperimentale un ampio spettro di variabili. La RTS, quindi, è una tecnica potente e flessibile, ma al tempo stesso delicata in quanto i suoi risultati dipendono criticamente dall accuratezza con cui le componenti del reale contesto operativo vengono rappresentate e organizzate durante la simulazione. Nell articolo verrà brevemente presentato il lavoro svolto nella preparazione e conduzione di una RTS all interno del programma Mediterranean Free Flight (MFF). MFF è un programma di 5 anni finanziato dalla Comunità Europea e coordinato da ENAV S.p.A. in partnership con un consorzio europeo di aziende e gruppi di ricerca leader nel settore della navigazione aerea, che mira a definire, sviluppare e validare concetti, procedure e applicazioni Free Route e Free Flight con l obiettivo di gestire in modo efficiente la sempre crescente domanda di traffico nello spazio aereo europeo. LA REAL TIME SIMULATION COME TECNICA DI VALIDAZIONE IN ATM L Air Traffic Managment (ATM) è un sistema estremamente complesso, dove risorse, attori, componenti diversi e distribuiti nel tempo e nello spazio concorrono assieme nel realizzare l obiettivo di garantire un sicuro, efficiente ed economico svolgimento del traffico aereo. In un ambiente così complesso ogni modifica, innovazione che si vuole apportare al sistema deve essere estensivamente validata prima della sua applicazione operativa. Tra le tecniche di validazione utilizzate in questo dominio sicuramente un ruolo centrale è costituito dall uso delle simulazioni. Le tecniche di simulazione a cui più frequentemente si fa ricorso in ATM sono quattro. Esse si distinguono essenzialmente per il tipo e il numero di risorse, simulate o reali, coinvolte e per il diverso grado di libertà nella manipolazione di tali risorse durante la verifica sperimentale. La scelta di queste tecniche è strettamente dipendente dagli obiettivi che la validazione vuole raggiungere e dalla fase del ciclo di validazione in cui devono essere utilizzate. La Fast Time Simulation (FTS) è una tecnica di simulazione in cui tutte le risorse utilizzate sono simulate e non vi è un coinvolgimento diretto degli utenti finali. L attività dei controllori e l interazione tra i vari attori sono infatti simulati attraverso l impiego di modelli analitici che descrivono task operativi. Il sistema quindi elabora sulla base di questi modelli l evoluzione del traffico aereo nel tempo. La FTS è in genere utilizzata nelle fasi iniziali del processo di validazione, e, in particolare, è finalizzata al calcolo della stima del carico di lavoro dei controllori. I risultati della FTS forniscono indicazioni utili alla conduzione di una Real Time Simulation (RTS). Quest ultima prevede l interazione degli utenti finali con elementi simulati ed è, infatti, caratterizzata dalla partecipazione di uno o più esperti di dominio (controllori, piloti, etc.) che, in tempo reale, portano a compimento task operativi in un ambiente quasi realistico. La RTS permette di concentrare l attenzione
sul ruolo che le risorse umane giocano nel contesto analizzato e di valutare l impatto di nuovi concetti ATM sugli utenti finali. La Shadow Mode Simulation è, invece, condotta in un reale contesto operativo. Il prototipo oggetto della simulazione (una postazione di lavoro, uno strumento di supporto alle decisioni, etc) è alimentato da dati provenienti dall ambiente reale, ma l operatore non ha la possibilità di influire realmente sullo svolgimento del traffico aereo. Questa tecnica è utilizzata per condurre test incrementali di validazione di un prototipo operativo. Se da un lato permette di collezionare dati molto vicini alla realtà, dall altro non garantisce la simulazione di un ampio ventaglio di condizioni come ad esempio emergenze, conflitti, situazioni estreme. Una Live Trial Simulation consiste nell adozione di un nuovo sistema o funzione, già estensivamente validato con le precedenti tecniche, in scala ridotta nel reale ambiente operativo. Come per la Shadow Mode Simulation la pianificazione del design sperimentale è strettamente vincolata per la limitatezza delle variabili che possono essere gestite e controllate dal team di validazione. In questo articolo viene presentata l applicazione della tecnica RTS alla verifica sperimentale di nuovi concetti e procedure ATM. La RTS è uno strumento di validazione potente e flessibile in quanto permette di ricreare un ambiente piuttosto simile al reale setting lavorativo e, al tempo stesso, permette di manipolare ai fini della verifica sperimentale un ampio spettro di variabili (tipo di traffico, fattori ambientali e geografici, situazioni di emergenza, etc.). La possibilità di svolgere le attività di simulazione in un contesto molto simile a quello reale incoraggia il controllore a lavorare in modo naturale, consentendo l osservazione di prassi e deviazioni comuni. In particolare, se durante una simulazione, vengono riscontrate sistematiche deviazioni dalle procedure standard, o l emergere di prassi operative non previste, si può dedurre che le procedure standard non sono adeguate all attività che gli operatori devono svolgere. Tali procedure debbono quindi essere riviste o corrette. Il team di validazione ha la possibilità di osservare e analizzare la natura co-operativa delle attività, e di comparare le attività ATM condotte da differenti controllori. Questo porta ad evidenziare comportamenti eterogenei che dipendono da fattori locali (l attitudine del controllore, la densità del traffico, la configurazione geografica dell area, etc.). Lo studio di questo aspetto è di particolare importanza per la valutazione della flessibilità del sistema. Infatti, anche se nell ambiente ATM i compiti dei controllori sono ben definiti e strutturati, nella reale pratica operativa questi possono essere portati avanti in molti modi diversi in relazione alle variabili contestuali che entrano in gioco durante l attività, quali ad esempio l ambiente esterno, le capacità individuali, il livello di confidenza nelle procedure, il tipo di collaborazione tra colleghi, lo stato del sistema, ecc. Uno degli scopi di una RTS è cercare di simulare un contesto che sia quanto più vicino a quello reale, in maniera tale da poter valutare l impatto che la variabilità di nuove situazioni può avere sull attività dei controllori in maniera quanto più vicina alla reale realtà operativa. La RTS, quindi, è anche una tecnica molto delicata, i cui risultati dipendono criticamente dall accuratezza con cui le componenti del reale contesto operativo vengono rappresentate e organizzate durante la simulazione (Marti, 2002). IL PROGRAMMA MEDITERRANEAN FREE FLIGHT A fronte della prevista crescita della domanda di traffico aereo, la comunità dell aviazione commerciale manifesta la necessità dell aumento della capacità dello spazio aereo e il bisogno di rendere più economiche le attività dei fornitori di servizi ATM e delle compagnie. Per ottenere gli incrementi di capacità e di efficacia economica desiderati, si indirizzano le ricerche verso una più efficiente organizzazione e gestione degli spazi
aerei, e la definizione di nuovi concetti e procedure supportati dalle recenti tecnologie di comunicazione, navigazione e sorveglianza (CNS). In quest ambito si colloca il concetto di Free Flight. Ad oggi la navigazione aerea si svolge in massima parte all interno di spazi aerei denominati Managed Airspace (MAS), in cui il servizio di controllo del traffico aereo (ATC) è responsabile della separazione degli aeromobili durante tutte le fasi del volo, il quale si sviluppa attraverso un rigido network di rotte standardizzate (Fixed Route). La visione europea del Free Flight si basa principalmente sul concetto dei cosiddetti Autonomous Aircraft. Con questo termine si indicano quegli aeromobili, adeguatamente equipaggiati, capaci, all interno di uno spazio aereo selezionato, denominato Free Flight Airspace (FFAS), di volare lungo rotte ottimizzate per soddisfare gli obiettivi degli utenti e di provvedere, loro stessi, al mantenimento della separazione con gli aeromobili circostanti (Airborne Separation Assurance o ASAS). La conduzione da parte dell equipaggio di un volo che segua una rotta arbitraria, non più vincolata ad un sistema di rotte preesistente, è la definizione del concetto di Free Route. Il programma Mediterranean Free Flight (MFF) esplora le possibilità di applicazione dei concetti Free Flight, Free Route e Airborne Separation Assurance nell area Mediterranea, area caratterizzata da uno spazio aereo superiore (en route airspace) a bassa densità di traffico. Finanziato dalla Comunità Europea, MFF è coordinato da ENAV S.p.A., società italiana per i servizi di navigazione aerea, e vede il coinvolgimento di numerosi partner europei. All interno del programma MFF, sulla base delle aspettative degli utenti e dei vincoli di traffico attuali, sono stati definiti requisiti operativi e procedure per la futura implementazione del Free Flight. La verifica sperimentale dei nuovi concetti e delle nuove procedure di MFF è condotta attraverso varie tecniche di simulazione, quali la FTS, la RTS e Live Trial Simulation. APPLICAZIONE DELLA RTS IN MFF All interno del programma MFF sono stati previsti tre cicli di simulazioni Real Time, la prima delle quali si è svolta nei mesi di Aprile e Maggio presso il centro sperimentale ENAV di Roma. L obiettivo di questa prima simulazione era quello di validare se le nuove procedure per il Free Route e i nuovi strumenti sviluppati per supportare tali procedure, fossero efficienti e sicuri ai fini della gestione e del controllo del traffico aereo. Ovvero la validazione mirava a rispondere a domande quali: le nuove procedure supportano i controllori nel pianificare la loro attività / nell individuare situazioni potenzialmente critiche / nel risolvere situazioni potenzialmente critiche? Le nuove procedure e la relativa fraseologia sono chiari, ben strutturati e supportano effettivamente l attività del controllore? I nuovi strumenti sono facili da usare? Il processo di validazione è stato condotto da un team composto da esperti del dominio, di Fattori Umani, del sistema, e analisti attraverso tre fasi: la preparazione del materiale e del setting della simulazione, la conduzione dei test, l analisi dei dati emersi. Una sintetica descrizione di come sono state condotte le varie fasi è riportata di seguito. I Preparazione Spazio aereo simulato Lo spazio aereo simulato è stato controllato da 8 postazioni delle quali solamente 4 sono state poste sotto osservazione (settori misurati), le rimanenti (settori feed) sono state utilizzate per simulare l ingresso/uscita del traffico nei/dai settori misurati. E stata prevista inoltre una postazione a controllo dell Aeronautica Militare che simulasse le interazioni tra traffico di natura civile e traffico di natura militare.
Traffico Simulato Il traffico simulato si basava su campionamenti di traffico reale, opportunamente modificati. In particolare si è fatto riferimento al traffico registrato il 1 settembre 2000, aumentandolo del 35% per simulare la quantità di traffico prevista per il 2005. Sono stati poi scelti i picchi di traffico del mattino e del pomeriggio per ottenere i campioni di base da impiegare nella simulazione. A partire da questi campioni di base, sono stati creati alcuni campioni di traffico più intenso, aumentando ulteriormente del 25% il numero di aeromobili in volo. Organizzazioni Per valutare gli effetti del Free Route sul controllo del traffico aereo, oltre a simulare la nuova realtà operativa è stato necessario svolgere una serie di esercizi in condizioni il più possibile vicine alla normale realtà operativa odierna.e stato quindi possibile notare la differenza tra l attività di controllo del traffico aereo basato sulle procedure attuali e la stessa attività (condotta dalle stesse persone con lo stesso traffico aereo nello stesso settore) condotta secondo le nuove procedure. Dato che queste ultime comprendevano non solo il volo Free Route, ma anche l applicazione dell ASAS e l uso di nuovi strumenti (MTCD: Medium Term Conflict Detection), sono state progettate 5 diverse combinazioni, dette organizzazioni, di queste tre variabili: Free Route/Fixed Route, con e senza MTCD, con e senza ASAS. Nella simulazione sono stati quindi effettuati 35 esercizi ottenuti dalla combinazione di 6 diversi campioni di traffico con le 5 organizzazioni. Scenari Oltre agli esercizi misurati di cui si è accennato sopra, progettati per condurre un indagine a carattere più espressamente statistica, sono stati previsti 6 esercizi basati su scenari (Carroll, 1995), dedicati specificatamente all analisi qualitativa. A differenza degli esercizi misurati, gli scenari prevedevano un campione di traffico modificato ad-hoc al fine di valutare un particolare evento o situazione (condizioni metereologiche avverse, intercettazioni militari, etc). Gli scenari simulati sono il risultato di un lavoro di progettazione condotto dagli esperti Human Factor insieme ad esperti del dominio ed esperti del sistema che si è articolato in 5 fasi: Raccolta di eventi potenzialmente significativi per gli obiettivi della simulazione, attraverso interviste con i controllori operativi (sia civili che militari), dati provenienti da altre simulazioni e dalla letteratura; Rating degli eventi: ovvero una classificazione della lista di eventi sulla base della loro frequenza, rappresentatività, criticità ed implementabilità nel simulatore condotta attraverso una sessione di brainstorming con 4 controllori esperti sui nuovi concetti e procedure Free Route; Contestualizzazione degli eventi: ovvero la creazione di microscenari. Gli eventi sono messi in relazione alle specifiche della simulazione e quindi valuati rispetto ai diversi settori, traffici, concomitanza di altri eventi; Creazione degli scenari: a partire dai microscenari è stato creato un primo set di 7 scenari. Gli scenari sono stati sottoposti alla valutazione di controllori esperti, revisionati e modificati anche sulla base delle esigenze tecniche della simulazione; Implementazione degli scenari: sei scenari sono stati implemetati ed utilizzati per la simulazione. Di seguito riportiamo uno schema riassuntivo dei 6 scenari. 1 2 3 Descrizione ASAS con cambio turno. Radioavaria. ASAS, voli non-rvsm, intercettazione di volo non identificato. Condizioni meteo avverse. Un aereo non- RVSM per avaria. Obiettivi Valutare le procedure ASAS: identificazione e merging, trasferimento, fine ASAS. Valutare il Free Route e l ASAS in situazioni inaspettate. Valutare situazioni di rerouting, con voli non- RVSM inaspettati.
4 5 6 Turbolenze e attivazione di zone militari in spazi trafficati. ASAS disturbato da un emergenza militare con possibile STCA. Condizioni meteo avverse vicino al limite col Fixed Route, attivazione di area militare a metà esercizio. Valutare l impatto di condizioni meteo avverse vicino al limite di settore con attività militare in corso. Valutare procedure ASAS in presenza di evento militare inaspettato. Valutare l impatto di condizioni meteo avverse vicino al limite di settore con attività militare in corso. di mettere a disposizione del controllore una postazione di lavoro che riflettesse la realtà operativa, e quindi ne riprendesse oltre che le funzionalità anche l aspetto. Il ruolo dello pseudo-pilota è stato sostanzialmente quello di adempiere alle istruzioni ricevute dal controllore, per tale motivo si è deciso di configurare le postazioni PWP con un interfaccia che fosse essenzialmente funzionale all inserimento delle istruzioni ricevute dai controllori. Supporto Tecnico La piattaforma utilizzata per la conduzione della RTS è ESCAPE (Eurocontrol Simulation Capability And Platform for Experimentation) sviluppata da Eurocontrol ed installata presso il centro sperimentale ENAV di Roma. ESCAPE integra moduli dedicati alla preparazione della simulazione (off-line simulation facilities) e al suo svolgimento (on-line simulation facilities). La preparazione della simulazione consiste essenzialmente nella creazione degli esercizi, nella realizzazione delle interfacce e funzionalità delle postazioni di lavoro, e nella configurazione dell intera piattaforma, in termini di installazione e configurazione dei moduli richiesti dalle specifiche dipendenti dalla simulazione in esame. Il modulo integrato nella piattaforma per la creazione degli esercizi è IPAS (Integrated data Preparation and Analysis System). IPAS permette di definire lo spazio aereo da simulare e la sua organizzazione in termini di servizio ATC, ed offre una serie di funzionalità utili alla creazione del traffico aereo che andrà ad alimentare la simulazione. EONS (Eurocontrol Open and Generic ATC Graphics System) è, invece, il modulo preposto alla realizzazione delle postazioni di lavoro dei controllori, CWP (Controller Working Position) e degli pseudopiloti, PWP (Pseudo-pilot Working Position). L attenzione è stata rivolta al design dell interfaccia uomo macchina (HMI) della CWP in quanto, data la natura della simulazione, l esigenza primaria era quella La piattaforma, disegnata secondo un architettura Client-Server, è caratterizzata da una struttura modulare che la rende estremamente flessibile ed integrabile con nuovi moduli per l acquisizione di nuove funzionalità ATM. Il motore della piattaforma, al di là delle possibili personalizzazioni di ciascuna simulazione, è costituito essenzialmente dai moduli MASS, simulatore delle azioni fisiche intraprese dall aeromobile, e GROUND, insieme di moduli cooperanti per l elaborazione e la giusta distribuzione di tutte le informazioni. Questi due moduli costituiscono, insieme alle CWP e PWP, il core della piattaforma e ad essi possono essere aggiunti componenti hardware o software per il completamento della realtà da simulare. MASS (Multiaircraft Simplified Simulator) provvede alla generazione in tempo reale dei cosiddetti Aircraft State Vectors, ovvero informazioni riguardanti la posizione nello spazio, calcolati sulla base degli input forniti dagli pseudo-piloti tramite PWP. MASS è anche in grado di generare automaticamente l evoluzione spazio/temporale di un aeromobile, rispettando il suo piano di volo, precedentemente definito per mezzo di IPAS, e di eseguire applicazioni ASAS. Alcune informazioni elaborate da MASS rappresentano dati di input di GROUND, a partire dai quali è ricostruita la rappresentazione radar delle tracce degli aeromobili sulle CWP. GROUND svolge inoltre funzioni di flight plan data processing, gestisce, cioè, l evoluzione del traffico. A seguito dell elaborazione dei dati collezionati in tempo reale e mediante
l esecuzione di algoritmi dedicati GROUND fornisce al controllore le informazioni di aiuto per una corretta gestione del traffico aereo, fra le quali le predizioni sulla possibilità di collisioni nel medio termine (MTCD) o allarmi visivi nel caso di infrangimento della minima separazione tra aeromobili (STCA) o di deviazione dal piano di volo stabilito. La presentazione grafica dei dati e dei messaggi rispetta le specifiche derivanti da studi precedenti la realizzazione dei vari tool, sulla fattibilità e correttezza dell esposizione delle informazioni in essi. In particolare durante la RTS sono stati utilizzati due moduli aggiuntivi: l Audiolan Voice Communication System, in grado di gestire le comunicazioni radio tra controllori e piloti e quelle telefoniche tra controllori di diversi settori, e ERGO, componente usato per la raccolta in intervalli di tempo regolari di dati per la valutazione del carico del lavoro dei controllori. Come già posto in evidenza molte risorse sono state impiegate per la realizzazione delle CWP. L interfaccia sulla quale le postazioni sono state basate è ITI (Italian Interface), già validata in un precedente progetto. Per MFF l interfaccia ITI ha subito parziali modifiche sia a seguito di nuove proposte provenienti dalla comunità dell ATM per una migliore utilizzazione, sia per rendere compatibile l integrazione di nuove funzionalità che supportassero il controllore in un organizzazione Free Route e lo assistessero nell applicazione di operazioni ASAS. II - Conduzione La simulazione ha avuto luogo nei mesi di aprile e maggio 2002, per una durata complessiva di 14 giorni lavorativi, durante i quali venivano svolti in media tre esercizi al giorno. A causa di problemi tecnici, gli esercizi svolti sono stati in totale 36, rispetto ai 42 previsti. Il periodo di simulazione è stato preceduto da alcuni giorni di debug del sistema e da 5 giorni di addestramento, durante i quali i controllori hanno preso familiarità con la piattaforma in uso, coi nuovi tool e con le nuove procedure. I controllori coinvolti sono stati in totale 27, provenienti dalle ACC di Roma, Brindisi, Malta, Atene, Malmo e dal personale di Eurocontrol. Di questi, 10 controllori hanno coperto a rotazione i settori misurati durante tutta la simulazione, mentre i restanti hanno partecipato per periodi più brevi coprendo i settori feed e/o partecipando all analisi qualitativa come osservatori esperti del dominio. Ogni esercizio era preceduto da una breve spiegazione, aveva una durata di 75 minuti ed era seguito da un debriefing. Il team di analisi Human Factor ha osservato direttamente i controllori al lavoro durante ogni esercizio, seguendo uno o due settori alla volta. Per comprendere al meglio gli aspetti più significativi dell attività dei controllori, durante le osservazioni gli analisti sono stati affiancati da osservatori esperti del dominio, cioè da controllori operativi appositamente istruiti per seguire gli esercizi e prendere nota degli aspetti ritenuti di maggiore interesse dal punto di vista Human Factor. Alla fine di ogni esercizio, gli analisti hanno condotto un breve debriefing con i controllori del settore osservato e gli osservatori esperti di dominio. Sono stati condotti anche debriefing collettivi, sia durante che alla fine della simulazione, ai quali partecipavano i controllori di tutti i settori e gli osservatori esperti del dominio. Sono stati inoltre distribuiti questionari post-esercizio a tutti i controllori dei settori misurati dopo ogni esercizio, oltre a un questionario più dettagliato di fine simulazione. III - Analisi L analisi dei dati raccolti durante la simulazione è stata condotta attraverso l applicazione di metodologie sia quantitative che qualitative, in modo da bilanciare le carenze relative alle rispettive metodologie: se da un lato l analisi statistica può fornire misurazioni consistenti ed attendibili sulle performance dei controllori nell uso delle nuove procedure e dei nuovi tool, dall altro è carente nel porre tali rilevazioni in relazione a fattori contestuali, legati all attività svolta dal controllore. D altra parte le osservazioni compiute
sul campo, i commenti dei controllori, l analisi eseguita post-simulazione sulla base delle videoregistrazioni può trovare un confronto e quindi un supporto nei dati forniti dall analisi statistica. L analisi quantitativa è stata condotta utilizzando metodi e strumenti propri dell analisi statistica. Il fine è stato quello di valutare se tra le varie organizzazioni, e rispetto ai criteri impiegati, vi fossero differenze significative dal punto di vista statistico, dato un livello di significatività del 5%. I metodi utilizzati per condurre le comparazioni sono stati il Wilcoxon Signed Ranks e il Mann-Whitney, test standard efficienti per il trattamento di dati non parametrici. I dati utilizzati sono stati estratti direttamente dai data logs del sistema. le risorse coinvolte nelle attività reali di gestione e controllo si possono ottenere dati che siano realmente significativi rispetto alla variabilità ed alla complessità di un contesto come quello dell ATM. BIBLIOGRAFIA Marti P., Scrivani P., The representation of the context in the simulation of complex systems, Cognitive Technologies, 2002 (in press) Carroll J.M. (Ed.), Scenario-based design: envisioning work and technology in system development, New York: Wiley, 1995 MFF, Real-Time Simulation N 1 Description and Plan, DMFF441A-TS001, 2001 L analisti qualitativa è stata realizzata dal team degli esperti di Human Factor e si è basata sull analisi delle registrazioni audio e video, sulle note delle osservazioni condotte durante gli esercizi, sulle opinioni e i commenti dei controllori raccolti duranti i debriefing, sulle risposte date dai controllori ai questionari. CONCLUSIONI La prima RTS in MFF ha permesso di ottenere risultati molto interessanti rispetto alla performance dei controllori nell applicazione delle nuove procedure e nell utilizzo dei nuovi strumenti. Sulla base di questi risultati è stato svolto un processo di revisione e di redesign volto ad eliminare i problemi emersi durante la simulazione e a rendere il sistema più efficace e sicuro nel suo complesso. Le nuove procedure ed i nuovi strumenti così revisionati, saranno alla base della seconda RTS. In conclusione, la Real Time Simulation è uno strumento potente per la validazione di nuovi concetti, procedure e strumenti in ambienti complessi come l ATM. Ma l affidabilità dei risultati è strettamente collegata alle modalità di organizzazione e conduzione del test. Solo attraverso una pianificazione e una conduzione del test che prenda in considerazione tutte