Contributions to trajectory prediction theory and its application to arrival management for air traffic control

La gestión del tráfico aéreo (Air Traffic Management, ATM) está experimentando un cambio de paradigma hacia las denominadas operaciones basadas trayectoria. Bajo dicho paradigma se modifica el papel de los controladores de tráfico aéreo desde una operativa basada su intervención táctica continuada hacia una labor de supervisión a más largo plazo. Esto se apoya en la creciente confianza en las soluciones aportadas por las herramientas automatizadas de soporte a la decisión más modernas. Para dar soporte a este concepto, se precisa una importante inversión para el desarrollo, junto con la adquisición de nuevos equipos en tierra y embarcados, que permitan la sincronización precisa de la visión de la trayectoria, basada en el intercambio de información entre ambos actores. Durante los últimos 30 a 40 años las aerolíneas han generado uno de los menores retornos de la inversión de entre todas las industrias. Sin beneficios tangibles, la industria aérea tiene dificultades para atraer el capital requerido para su modernización, lo que retrasa la implantación de dichas mejoras. Esta tesis tiene como objetivo responder a la pregunta de si las capacidades actualmente instaladas en las aeronaves comerciales se pueden aplicar para lograr la sincronización de la trayectoria con el nivel de calidad requerido. Además, se analiza en ella si, conjuntamente con mejoras en las herramientas de predicción trayectorias instaladas en tierra en para facilitar la gestión de las arribadas, dichas capacidades permiten obtener los beneficios esperados en el marco de las operaciones basadas en trayectoria. Esto podría proporcionar un incentivo para futuras actualizaciones de la aviónica que podrían llevar a mejoras adicionales. El concepto operacional propuesto en esta tesis tiene como objetivo permitir que los aviones sean pilotados de una manera consistente con las técnicas actuales de vuelo optimizado. Se permite a las aeronaves que desciendan en el denominado “modo de ángulo de descenso gestionado” (path-managed mode), que es el preferido por la mayoría de las compañías aéreas, debido a que conlleva un reducido consumo de combustible. El problema de este modo es que en él no se controla de forma activa el tiempo de llegada al punto de interés. En nuestro concepto operacional, la incertidumbre temporal se gestiona en mediante de la medición del tiempo en puntos estratégicamente escogidos a lo largo de la trayectoria de la aeronave, y permitiendo la modificación por el control de tierra de la velocidad de la aeronave. Aunque la base del concepto es la gestión de las ordenes de velocidad que se proporcionan al piloto, para ser capaces de operar con los niveles de equipamiento típicos actualmente, dicho concepto también constituye un marco en el que la aviónica más avanzada (por ejemplo, que permita el control por el FMS del tiempo de llegada) puede integrarse de forma natural, una vez que esta tecnología este instalada. Además de gestionar la incertidumbre temporal a través de la medición en múltiples puntos, se intenta reducir dicha incertidumbre al mínimo mediante la mejora de las herramienta de predicción de la trayectoria en tierra. En esta tesis se presenta una novedosa descomposición del proceso de predicción de trayectorias en dos etapas. Dicha descomposición permite integrar adecuadamente los datos de la trayectoria de referencia calculada por el Flight Management System (FMS), disponibles usando Futuro Sistema de Navegación Aérea (FANS), en el sistema de predicción de trayectorias en tierra. FANS es un equipo presente en los aviones comerciales de fuselaje ancho actualmente en la producción, e incluso algunos aviones de fuselaje estrecho pueden tener instalada avionica FANS. Además de informar automáticamente de la posición de la aeronave, FANS permite proporcionar (parte de) la trayectoria de referencia en poder de los FMS, pero la explotación de esta capacidad para la mejora de la predicción de trayectorias no se ha estudiado en profundidad en el pasado. La predicción en dos etapas proporciona una solución adecuada al problema de sincronización de trayectorias aire-tierra dado que permite la sincronización de las dimensiones controladas por el sistema de guiado utilizando la información de la trayectoria de referencia proporcionada mediante FANS, y también facilita la mejora en la predicción de las dimensiones abiertas restantes usado un modelo del guiado que explota los modelos meteorológicos mejorados disponibles en tierra. Este proceso de predicción de la trayectoria de dos etapas se aplicó a una muestra de 438 vuelos reales que realizaron un descenso continuo (sin intervención del controlador) con destino Melbourne. Dichos vuelos son de aeronaves del modelo Boeing 737-800, si bien la metodología descrita es extrapolable a otros tipos de aeronave. El método propuesto de predicción de trayectorias permite una mejora en la desviación estándar del error de la estimación del tiempo de llegada al punto de interés, que es un 30% menor que la que obtiene el FMS. Dicha trayectoria prevista mejorada se puede utilizar para establecer la secuencia de arribadas y para la asignación de las franjas horarias para cada aterrizaje (slots). Sobre la base del slot asignado, se determina un perfil de velocidades que permita cumplir con dicho slot con un impacto mínimo en la eficiencia del vuelo. En la tesis se propone un nuevo algoritmo que determina las velocidades requeridas sin necesidad de un proceso iterativo de búsqueda sobre el sistema de predicción de trayectorias. El algoritmo se basa en una parametrización inteligente del proceso de predicción de la trayectoria, que permite relacionar el tiempo estimado de llegada con una función polinómica. Resolviendo dicho polinomio para el tiempo de llegada deseado, se obtiene de forma natural el perfil de velocidades optimo para cumplir con dicho tiempo de llegada sin comprometer la eficiencia. El diseño de los sistemas de gestión de arribadas propuesto en esta tesis aprovecha la aviónica y los sistemas de comunicación instalados de un modo mucho más eficiente, proporcionando valor añadido para la industria. Por tanto, la solución es compatible con la transición hacia los sistemas de aviónica avanzados que están desarrollándose actualmente. Los beneficios que se obtengan a lo largo de dicha transición son un incentivo para inversiones subsiguientes en la aviónica y en los sistemas de control de tráfico en tierra. ABSTRACT Air traffic management (ATM) is undergoing a paradigm shift towards trajectory based operations where the role of an air traffic controller evolves from that of continuous intervention towards supervision, as decision making is improved based on increased confidence in the solutions provided by advanced automation. To support this concept, significant investment for the development and acquisition of new equipment is required on the ground as well as in the air, to facilitate the high degree of trajectory synchronisation and information exchange required. Over the past 30-40 years the airline industry has generated one of the lowest returns on invested capital among all industries. Without tangible benefits realised, the airline industry may find it difficult to attract the required investment capital and delay acquiring equipment needed to realise the concept of trajectory based operations. In response to these challenges facing the modernisation of ATM, this thesis aims to answer the question whether existing aircraft capabilities can be applied to achieve sufficient trajectory synchronisation and improvements to ground-based trajectory prediction in support of the arrival management process, to realise some of the benefits envisioned under trajectory based operations, and to provide an incentive for further avionics upgrades. The proposed operational concept aims to permit aircraft to operate in a manner consistent with current optimal aircraft operating techniques. It allows aircraft to descend in the fuel efficient path managed mode as preferred by a majority of airlines, with arrival time not actively controlled by the airborne automation. The temporal uncertainty is managed through metering at strategically chosen points along the aircraft’s trajectory with primary use of speed advisories. While the focus is on speed advisories to support all aircraft and different levels of equipage, the concept also constitutes a framework in which advanced avionics as airborne time-of-arrival control can be integrated once this technology is widely available. In addition to managing temporal uncertainty through metering at multiple points, this temporal uncertainty is minimised by improving the supporting trajectory prediction capability. A novel two-stage trajectory prediction process is presented to adequately integrate aircraft trajectory data available through Future Air Navigation Systems (FANS) into the ground-based trajectory predictor. FANS is standard equipment on any wide-body aircraft in production today, and some single-aisle aircraft are easily capable of being fitted with FANS. In addition to automatic position reporting, FANS provides the ability to provide (part of) the reference trajectory held by the aircraft’s Flight Management System (FMS), but this capability has yet been widely overlooked. The two-stage process provides a ‘best of both world’s’ solution to the air-ground synchronisation problem by synchronising with the FMS reference trajectory those dimensions controlled by the guidance mode, and improving on the prediction of the remaining open dimensions by exploiting the high resolution meteorological forecast available to a ground-based system. The two-stage trajectory prediction process was applied to a sample of 438 FANS-equipped Boeing 737-800 flights into Melbourne conducting a continuous descent free from ATC intervention, and can be extrapolated to other types of aircraft. Trajectories predicted through the two-stage approach provided estimated time of arrivals with a 30% reduction in standard deviation of the error compared to estimated time of arrival calculated by the FMS. This improved predicted trajectory can subsequently be used to set the sequence and allocate landing slots. Based on the allocated landing slot, the proposed system calculates a speed schedule for the aircraft to meet this landing slot at minimal flight efficiency impact. A novel algorithm is presented that determines this speed schedule without requiring an iterative process in which multiple calls to a trajectory predictor need to be made. The algorithm is based on parameterisation of the trajectory prediction process, allowing the estimate time of arrival to be represented by a polynomial function of the speed schedule, providing an analytical solution to the speed schedule required to meet a set arrival time. The arrival management solution proposed in this thesis leverages the use of existing avionics and communications systems resulting in new value for industry for current investment. The solution therefore supports a transition concept from mixed equipage towards advanced avionics currently under development. Benefits realised under this transition may provide an incentive for ongoing investment in avionics.

Using Buildroot for building Embedded Linux Systems with the Raspberry-PI

This document describes the basic steps to developed and embedded Linux-based system using the Raspberry PI board. The document has been specifically written to use a RaspBerry-PI development system based on the BCM2835 processor. All the software elements used have a GPL license.

Correlación de medidas de diversos sistemas de sensores inalámbricos a través del uso de smartphone

Este Proyecto Fin de Grado se centra en la definición de unos interfaces y el desarrollo de unos módulos que los ofrezcan y que permitan desarrollar un sistema para Smartphone mediante el que se puedan obtener medidas tanto de dispositivos biométricos como de una red inalámbrica de sensores (WSN – Wireless Sensor Network). Estos dos tipos de medidas deben poder ser mostradas de manera que se observe gráficamente su correlación espacio-temporal. Por tanto, estos interfaces ofrecen, principalmente, la posibilidad de gestionar un número indeterminado de dispositivos biométricos y tomar medidas de ellos, además de mecanismos de almacenamiento para dichas medidas. También existe la posibilidad de crear una representación gráfica de dichas medidas. Por último, se desarrolla un interfaz para obtener información proveniente de una red de sensores inalámbricos instalada en un determinado entorno en el cual el usuario estará realizando sus propias medidas. Además, se lleva a cabo la creación de la aplicación comentada, que hace uso de las interfaces especificadas, para realizar la correlación de las medidas. La aplicación permite al usuario mantener una lista de dispositivos, pudiendo consultar los parámetros de configuración de los mismos y tomar las medidas de aquellos que desee. Podrá visualizar en todo momento las medidas que se van realizando, y, por último, podrá representarlas gráficamente en pantalla. Los interfaces están creados de forma que sean flexibles de modo que puedan añadirse nuevas funciones en un futuro y permitan ser utilizados para diferentes aplicaciones. Los módulos que ofrecen estos interfaces están desarrollados para cumplir todas las funcionalidades que esperamos llevar a cabo en la aplicación creada. ABSTRACT. This Final Degree Project is focused on the definition of a set of interfaces, together with the implementation of the modules that comply with them, with the aim of creating a smartphone-based system to obtain measurements from both biometric devices and a wireless sensor network (WSN). These two types of measurements have to be graphically shown in order to observe their spatial and temporal correlation. Thus, the main purpose of the aforementioned interfaces is to manage an indeterminate number of biometric devices in order to obtain and store the measurements provided by them. There is also the possibility of creating a graphical representation of the data. In addition to all this, an interface has been developed for obtaining the information coming from a wireless sensor network deployed in the area where the user is taking his/her measurements. Also as part of the work performed, the smartphone application that utilizes the specified interfaces has been implemented, in order to actually perform the measurements correlation. This application allows the user to maintain the biometric devices list and control their configuration, including the activation of the measurements taking process. These data can be visualized anytime and, moreover, they can be represented graphically in the smartphone screen. The design of the interfaces is flexible in the sense that new functionality may be easily added to them in the future and new applications with different purposes may make use of them. The modules implemented as part of this Final Degree Project have been developed in order to comply with all the requirements of the smartphone system described above.

Overall vs. local mechanical behaviour of ferritic austenitic steel joints made by laser welding

The present investigation addresses the overall and local mechanical performance of dissimilar joints of low carbon steel (CS) and stainless Steel (SS) thin sheets achieved by laser welding in case of heat source displacement from the weld gap centreline towards CS. Welding was performed on a Nd:YAG laser DY033 (3300 W) in a continuos wave (CW), keyhole mode. The tensile behavior of the joint different zones assessed by using a video-image based system (VIC-2D) reveals that the residual stress field, together with the positive difference in yield between the weld metal and the base materials protects the joint from being plastically deformed. The tensile loadings of flat transverse specimens generate the strain localization and failure in CS, far away from the weld.

Caracterización de un descodificador HEVC ejecutándose en un DSP

HEVC es el nuevo estándar de codificación de vídeo que está siendo desarrollado conjuntamente por las organizaciones ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG) e ISO/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG). Su objetivo principal es mejorar la compresión de vídeo, en relación a los actuales estándares. Es común hoy en día, debido a su flexibilidad para aplicaciones de bajo consumo, diseñar sistemas de descodificación de vídeo basados en un procesador digital de señal (DSP). En la mayoría de las veces, los diseños parten de un código creado para ser ejecutado en un ordenador personal y posteriormente se optimizan para tecnología DSP. El objetivo principal de este proyecto es caracterizar el rendimiento de un sistema basado en DSP que ejecute el código de un descodificador de video HEVC. ABSTRACT. HEVC is a new video coding standard which is being developed by both ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG) and ISO/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG). Its main goal is to improve video compression, compared with the actual standards. It is common practice, because of the flexibility in low power applications, to design video decoding systems using digital signal processors (DSP). Most of the time, these designs start with a code suitable to be executed in personal computers and then it is optimized forDSP technology. The main goal in this final degree project is to characterize the performance of a DSP based system executing an HEVC video decoder.

Modelo de diseño orientado a marcos para sistemas basados en el conocimiento

El objetivo de esta Tesis es crear un Modelo de Diseño Orientado a Marcos que, intermedio entre el Mundo Externo y el Modelo Interno del Mundo que supone el sistema ímplementado, disminuya la pérdida de conocimiento que se produce al formalizar la realidad en Bases de Conocimientos. El modelo disminuye la pérdida de conocimiento al formalizar Bases de Conocimiento, acercando el formalismo de Marcos al Mundo Externo, porque: 1. Crea una base teórica que uniformiza el concepto de Marco en el plano de la Formalización, estableciendo un conjunto de restricciones sintácticas y semánticas que impedirán, al Ingeniero del Conocimiento (IC) cuando formaliza, definir elementos no permitidos o el uso indebido de ellos. 2. Se incrementa la expresividad del formalismo al asociar a cada una de las propiedades de un marco clase un parámetro adicional que simboliza la representatividad de la propiedad en el concepto. Este parámetro, y las técnicas de inferencia que trabajan con él, permitirán al IC introducir en el Modelo Formalizado conocimiento que antes no introducía al construir la base de conocimientos y que, sin embargo, sí existía en la realidad. 3. Se propone una técnica de equiparación que trabaja con el conocimiento incierto presente en el dominio. Esta técnica de equiparación, utiliza la representatividad de las propiedades en los marcos clase y el grado de certeza de las propiedades de las entidades para calcular el valor de equiparación y, así, determinar en qué medida los marcos clase seleccionados son consistentes con la descripción de la situación actual dada por una entidad. 4. Proporciona nuevas técnicas de inferencia basadas en la transferencia de propiedades y modifica las ya existentes. Las transferencias de propiedades realizadas sobre relaciones "ad hoc" definidas por el IC al construir el sistema, es una nueva técnica de inferencia independiente y complementaria a la transferencia de propiedades llamada tradicionalmente Herencia (cesión de propiedades entre padres e hijos). A esta nueva técnica, se le ha llamado Donación, es decir, cesión de propiedades entre marcos sin parentesco. Como aportación práctica, se ha construido un entorno de construcción de Sistemas Basados en el Conocimiento formalizados en Marcos, donde se han introducido todos los nuevos conceptos del Modelo Teórico de la Tesis. Se trata de una cierta anidación. Es decir, son marcos que permiten formalizar cualquier SBC en marcos. El entorno permitirá al IC formalizar bases de conocimientos automáticamente y éste podrá validar el conocimiento del dominio en la fase de formalización en lugar de tener que esperar a que la BC esté implementada. Todo ello lleva a describir el Modelo de Diseño Orientado a Marcos como un puente que aproxima y comunica el Mundo Externo con el Modelo Interno asociado a la realidad e implementado en una computadora, disminuyendo así las diversas pérdidas de conocimiento que si bien no ocurren simultáneamente al construir Sistemas Basados en el Conocimiento, sí coexisten en él.---ABSTRACT---The goal of this thesis is to créate a Frame-Orlented Deslgn Model that, bridging the Outside World and the implemented system's Internal Model of the World, reduces the amount of knowledge lost when reality is formalized in Knowledge Bases (KB). The model diminishes the loss of knowledge when formalizing a KB and brings the Frame-formalized Model closer to the Outside World because: 1. It creates a theory that standardizes the concept of trame at the formalization level to establish a set of syntactic and semantic constraints that will prevent the Knowledge Engineer (KE) from defining forbidden elements or their undue use in the formalization process. 2. The formalism's expressiveness is increased by associating an additional parameter to each of the properties of a class frame to symbolize the representativeness of the concept property. This parameter and the related inference techniques will allow the KE to enter knowledge into the Formalized Model that actually existed but that was not used previously when building the KB. 3. The proposed technique involves matching and works with uncertain knowledge present in the domain. This matching technique takes the representativeness of the properties in the class frame and the degree of certainty of the properties of the entities to calcúlate the matching valué and thus determine to what extent the class frames selected are consistent with the description of the present situation given by an entity. 4. It offers new inference techniques based on property transfer and alters existing ones. Property transfer on ad hoc relations defined by the KE when building a system is a new inference technique independent of and complementary to property transfer traditionally termed Inheritance (transfer of properties between parents and children). This new technique has been callad Donation (transfer of properties between trames without relationships). 5. It improves control of the procedural knowledge defined in the trames by introducing OO concepta. A frame-formalized KBS building environment has been constructed, incorporating all the new concepts of the theoretical model set out in the thesis. There is some embedding, that is, they are trames that provide for any KBS to be formalizad in trames. The environment will enable the KE to formaliza KB automatically, and he will be able to valídate the domain knowledge in the formalization stage instead of havíng to wait until the KB has been implemented. This is a description of the Frame-oriented Design Model, a bridge that brings closer and communicates the Outside World with the Interna! Model associated to reality and implemented on a computar, thus reducing the different losses in knowledge that, though they do not occur simultaneosly when building a Knowledge-based System, coexist within it.

Territorial cohesion impacts of high-speed rail under different zoning systems

Large-scale transport infrastructure projects such as high-speed rail (HSR) produce significant effects on the spatial distribution of accessibility. These effects, commonly known as territorial cohesion effects, are receiving increasing attention in the research literature. However, there is little empirical research into the sensitivity of these cohesion results to methodological issues such as the definition of the limits of the study area or the zoning system. In a previous paper (Ortega et al., 2012), we investigated the influence of scale issues, comparing the cohesion results obtained at four different planning levels. This paper makes an additional contribution to our research with the investigation of the influence of zoning issues. We analyze the extent to which changes in the size of the units of analysis influence the measurement of spatial inequalities. The methodology is tested by application to the Galician (north-western) HSR corridor, with a length of nearly 670 km, included in the Spanish PEIT (Strategic Transport and Infrastructure Plan) 2005-2020. We calculated the accessibility indicators for the Galician HSR corridor and assessed their corresponding territorial distribution. We used five alternative zoning systems depending on the method of data representation used (vector or raster), and the level of detail (cartographic accuracy or cell size). Our results suggest that the choice between a vector-based and raster-based system has important implications. The vector system produces a higher mean accessibility value and a more polarized accessibility distribution than raster systems. The increased pixel size of raster-based systems tends to give rise to higher mean accessibility values and a more balanced accessibility distribution. Our findings strongly encourage spatial analysts to acknowledge that the results of their analyses may vary widely according to the definition of the units of analysis.

Integration of embedded data processing algorithms inside PAMELA devices

PAMELA (Phased Array Monitoring for Enhanced Life Assessment) SHMTM System is an integrated embedded ultrasonic guided waves based system consisting of several electronic devices and one system manager controller. The data collected by all PAMELA devices in the system must be transmitted to the controller, who will be responsible for carrying out the advanced signal processing to obtain SHM maps. PAMELA devices consist of hardware based on a Virtex 5 FPGA with a PowerPC 440 running an embedded Linux distribution. Therefore, PAMELA devices, in addition to the capability of performing tests and transmitting the collected data to the controller, have the capability of perform local data processing or pre-processing (reduction, normalization, pattern recognition, feature extraction, etc.). Local data processing decreases the data traffic over the network and allows CPU load of the external computer to be reduced. Even it is possible that PAMELA devices are running autonomously performing scheduled tests, and only communicates with the controller in case of detection of structural damages or when programmed. Each PAMELA device integrates a software management application (SMA) that allows to the developer downloading his own algorithm code and adding the new data processing algorithm to the device. The development of the SMA is done in a virtual machine with an Ubuntu Linux distribution including all necessary software tools to perform the entire cycle of development. Eclipse IDE (Integrated Development Environment) is used to develop the SMA project and to write the code of each data processing algorithm. This paper presents the developed software architecture and describes the necessary steps to add new data processing algorithms to SMA in order to increase the processing capabilities of PAMELA devices.An example of basic damage index estimation using delay and sum algorithm is provided.

Image Segmentation Using Ant System-based Clustering Algorithm

Industrial applications of computer vision sometimes require detection of atypical objects that occur as small groups of pixels in digital images. These objects are difficult to single out because they are small and randomly distributed. In this work we propose an image segmentation method using the novel Ant System-based Clustering Algorithm (ASCA). ASCA models the foraging behaviour of ants, which move through the data space searching for high data-density regions, and leave pheromone trails on their path. The pheromone map is used to identify the exact number of clusters, and assign the pixels to these clusters using the pheromone gradient. We applied ASCA to detection of microcalcifications in digital mammograms and compared its performance with state-of-the-art clustering algorithms such as 1D Self-Organizing Map, k-Means, Fuzzy c-Means and Possibilistic Fuzzy c-Means. The main advantage of ASCA is that the number of clusters needs not to be known a priori. The experimental results show that ASCA is more efficient than the other algorithms in detecting small clusters of atypical data.

Automatic expert system based on images for accuracy crop row detection in maize fields

This paper proposes an automatic expert system for accuracy crop row detection in maize fields based on images acquired from a vision system. Different applications in maize, particularly those based on site specific treatments, require the identification of the crop rows. The vision system is designed with a defined geometry and installed onboard a mobile agricultural vehicle, i.e. submitted to vibrations, gyros or uncontrolled movements. Crop rows can be estimated by applying geometrical parameters under image perspective projection. Because of the above undesired effects, most often, the estimation results inaccurate as compared to the real crop rows. The proposed expert system exploits the human knowledge which is mapped into two modules based on image processing techniques. The first one is intended for separating green plants (crops and weeds) from the rest (soil, stones and others). The second one is based on the system geometry where the expected crop lines are mapped onto the image and then a correction is applied through the well-tested and robust Theil–Sen estimator in order to adjust them to the real ones. Its performance is favorably compared against the classical Pearson product–moment correlation coefficient.