Applications of Formal Languages to Management of Manned and Unmanned Aircraft

En el futuro, la gestión del tráfico aéreo (ATM, del inglés air traffic management) requerirá un cambio de paradigma, de la gestión principalmente táctica de hoy, a las denominadas operaciones basadas en trayectoria. Un incremento en el nivel de automatización liberará al personal de ATM —controladores, tripulación, etc.— de muchas de las tareas que realizan hoy. Las personas seguirán siendo el elemento central en la gestión del tráfico aéreo del futuro, pero lo serán mediante la gestión y toma de decisiones. Se espera que estas dos mejoras traigan un incremento en la eficiencia de la gestión del tráfico aéreo que permita hacer frente al incremento previsto en la demanda de transporte aéreo. Para aplicar el concepto de operaciones basadas en trayectoria, el usuario del espacio aéreo (la aerolínea, piloto, u operador) y el proveedor del servicio de navegación aérea deben negociar las trayectorias mediante un proceso de toma de decisiones colaborativo. En esta negociación, es necesaria una forma adecuada de compartir dichas trayectorias. Compartir la trayectoria completa requeriría un gran ancho de banda, y la trayectoria compartida podría invalidarse si cambiase la predicción meteorológica. En su lugar, podría compartirse una descripción de la trayectoria independiente de las condiciones meteorológicas, de manera que la trayectoria real se pudiese calcular a partir de dicha descripción. Esta descripción de la trayectoria debería ser fácil de procesar usando un programa de ordenador —ya que parte del proceso de toma de decisiones estará automatizado—, pero también fácil de entender para un operador humano —que será el que supervise el proceso y tome las decisiones oportunas—. Esta tesis presenta una serie de lenguajes formales que pueden usarse para este propósito. Estos lenguajes proporcionan los medios para describir trayectorias de aviones durante todas las fases de vuelo, desde la maniobra de push-back (remolcado hasta la calle de rodaje), hasta la llegada a la terminal del aeropuerto de destino. También permiten describir trayectorias tanto de aeronaves tripuladas como no tripuladas, incluyendo aviones de ala fija y cuadricópteros. Algunos de estos lenguajes están estrechamente relacionados entre sí, y organizados en una jerarquía. Uno de los lenguajes fundamentales de esta jerarquía, llamado aircraft intent description language (AIDL), ya había sido desarrollado con anterioridad a esta tesis. Este lenguaje fue derivado de las ecuaciones del movimiento de los aviones de ala fija, y puede utilizarse para describir sin ambigüedad trayectorias de este tipo de aeronaves. Una variante de este lenguaje, denominada quadrotor AIDL (QR-AIDL), ha sido desarrollada en esta tesis para permitir describir trayectorias de cuadricópteros con el mismo nivel de detalle. Seguidamente, otro lenguaje, denominado intent composite description language (ICDL), se apoya en los dos lenguajes anteriores, ofreciendo más flexibilidad para describir algunas partes de la trayectoria y dejar otras sin especificar. El ICDL se usa para proporcionar descripciones genéricas de maniobras comunes, que después se particularizan y combinan para formar descripciones complejas de un vuelo. Otro lenguaje puede construirse a partir del ICDL, denominado flight intent description language (FIDL). El FIDL especifica requisitos de alto nivel sobre las trayectorias —incluyendo restricciones y objetivos—, pero puede utilizar características del ICDL para proporcionar niveles de detalle arbitrarios en las distintas partes de un vuelo. Tanto el ICDL como el FIDL han sido desarrollados en colaboración con Boeing Research & Technology Europe (BR&TE). También se ha desarrollado un lenguaje para definir misiones en las que interactúan varias aeronaves, el mission intent description language (MIDL). Este lenguaje se basa en el FIDL y mantiene todo su poder expresivo, a la vez que proporciona nuevas semánticas para describir tareas, restricciones y objetivos relacionados con la misión. En ATM, los movimientos de un avión en la superficie de aeropuerto también tienen que ser monitorizados y gestionados. Otro lenguaje formal ha sido diseñado con este propósito, llamado surface movement description language (SMDL). Este lenguaje no pertenece a la jerarquía de lenguajes descrita en el párrafo anterior, y se basa en las clearances (autorizaciones del controlador) utilizadas durante las operaciones en superficie de aeropuerto. También proporciona medios para expresar incertidumbre y posibilidad de cambios en las distintas partes de la trayectoria. Finalmente, esta tesis explora las aplicaciones de estos lenguajes a la predicción de trayectorias y a la planificación de misiones. El concepto de trajectory language processing engine (TLPE) se usa en ambas aplicaciones. Un TLPE es una función de ATM cuya principal entrada y salida se expresan en cualquiera de los lenguajes incluidos en la jerarquía descrita en esta tesis. El proceso de predicción de trayectorias puede definirse como una combinación de TLPEs, cada uno de los cuales realiza una pequeña sub-tarea. Se le ha dado especial importancia a uno de estos TLPEs, que se encarga de generar el perfil horizontal, vertical y de configuración de la trayectoria. En particular, esta tesis presenta un método novedoso para la generación del perfil vertical. El proceso de planificar una misión también se puede ver como un TLPE donde la entrada se expresa en MIDL y la salida consiste en cierto número de trayectorias —una por cada aeronave disponible— descritas utilizando FIDL. Se ha formulado este problema utilizando programación entera mixta. Además, dado que encontrar caminos óptimos entre distintos puntos es un problema fundamental en la planificación de misiones, también se propone un algoritmo de búsqueda de caminos. Este algoritmo permite calcular rápidamente caminos cuasi-óptimos que esquivan todos los obstáculos en un entorno urbano. Los diferentes lenguajes formales definidos en esta tesis pueden utilizarse como una especificación estándar para la difusión de información entre distintos actores de la gestión del tráfico aéreo. En conjunto, estos lenguajes permiten describir trayectorias con el nivel de detalle necesario en cada aplicación, y se pueden utilizar para aumentar el nivel de automatización explotando esta información utilizando sistemas de soporte a la toma de decisiones. La aplicación de estos lenguajes a algunas funciones básicas de estos sistemas, como la predicción de trayectorias, han sido analizadas. ABSTRACT Future air traffic management (ATM) will require a paradigm shift from today’s mainly tactical ATM to trajectory-based operations (TBOs). An increase in the level of automation will also relieve humans —air traffic control officers (ATCOs), flight crew, etc.— from many of the tasks they perform today. Humans will still be central in this future ATM, as decision-makers and managers. These two improvements (TBOs and increased automation) are expected to provide the increase in ATM performance that will allow coping with the expected increase in air transport demand. Under TBOs, trajectories are negotiated between the airspace user (an airline, pilot, or operator) and the air navigation service provider (ANSP) using a collaborative decision making (CDM) process. A suitable method for sharing aircraft trajectories is necessary for this negotiation. Sharing a whole trajectory would require a high amount of bandwidth, and the shared trajectory might become invalid if the weather forecast changed. Instead, a description of the trajectory, decoupled from the weather conditions, could be shared, so that the actual trajectory could be computed from this trajectory description. This trajectory description should be easy to process using a computing program —as some of the CDM processes will be automated— but also easy to understand for a human operator —who will be supervising the process and making decisions. This thesis presents a series of formal languages that can be used for this purpose. These languages provide the means to describe aircraft trajectories during all phases of flight, from push back to arrival at the gate. They can also describe trajectories of both manned and unmanned aircraft, including fixedwing and some rotary-wing aircraft (quadrotors). Some of these languages are tightly interrelated and organized in a language hierarchy. One of the key languages in this hierarchy, the aircraft intent description language (AIDL), had already been developed prior to this thesis. This language was derived from the equations of motion of fixed-wing aircraft, and can provide an unambiguous description of fixed-wing aircraft trajectories. A variant of this language, the quadrotor AIDL (QR-AIDL), is developed in this thesis to allow describing a quadrotor aircraft trajectory with the same level of detail. Then, the intent composite description language (ICDL) is built on top of these two languages, providing more flexibility to describe some parts of the trajectory while leaving others unspecified. The ICDL is used to provide generic descriptions of common aircraft manoeuvres, which can be particularized and combined to form complex descriptions of flight. Another language is built on top of the ICDL, the flight intent description language (FIDL). The FIDL specifies high-level requirements on trajectories —including constraints and objectives—, but can use features of the ICDL to provide arbitrary levels of detail in different parts of the flight. The ICDL and FIDL have been developed in collaboration with Boeing Research & Technology Europe (BR&TE). Also, the mission intent description language (MIDL) has been developed to allow describing missions involving multiple aircraft. This language is based on the FIDL and keeps all its expressive power, while it also provides new semantics for describing mission tasks, mission objectives, and constraints involving several aircraft. In ATM, the movement of aircraft while on the airport surface also has to be monitored and managed. Another formal language has been designed for this purpose, denoted surface movement description language (SMDL). This language does not belong to the language hierarchy described above, and it is based on the clearances used in airport surface operations. Means to express uncertainty and mutability of different parts of the trajectory are also provided. Finally, the applications of these languages to trajectory prediction and mission planning are explored in this thesis. The concept of trajectory language processing engine (TLPE) is used in these two applications. A TLPE is an ATM function whose main input and output are expressed in any of the languages in the hierarchy described in this thesis. A modular trajectory predictor is defined as a combination of multiple TLPEs, each of them performing a small subtask. Special attention is given to the TLPE that builds the horizontal, vertical, and configuration profiles of the trajectory. In particular, a novel method for the generation of the vertical profile is presented. The process of planning a mission can also be seen as a TLPE, where the main input is expressed in the MIDL and the output consists of a number of trajectory descriptions —one for each aircraft available in the mission— expressed in the FIDL. A mixed integer linear programming (MILP) formulation for the problem of assigning mission tasks to the available aircraft is provided. In addition, since finding optimal paths between locations is a key problem to mission planning, a novel path finding algorithm is presented. This algorithm can compute near-shortest paths avoiding all obstacles in an urban environment in very short times. The several formal languages described in this thesis can serve as a standard specification to share trajectory information among different actors in ATM. In combination, these languages can describe trajectories with the necessary level of detail for any application, and can be used to increase automation by exploiting this information using decision support tools (DSTs). Their applications to some basic functions of DSTs, such as trajectory prediction, have been analized.

Diffuse illuminance availability on horizontal and vertical surfaces at Madrid, Spain

The overall objective of this work is to provide diffuse illuminance availability at Madrid (Spain) through a statistical analysis of illuminance values corresponding to a long-term data series. The illuminance values are obtained from irradiance measurements by means of different empirical models for luminous efficacy. The values of diffuse illuminance on a horizontal and on vertical surfaces facing the four cardinal points are estimated and the different aspects related to daylight availability in an area with specific climatic conditions are analyzed. The experimental data consist of global and diffuse irradiance measurements on a horizontal surface provided by the National Meteorological Agency in Spain (AEMET) for Madrid. These data consist of hourly values measured in the period of 1980–2005. The statistical results derived correspond to a daylight typical year for the five surfaces considered. This information will be useful to building experts to estimate natural illumination availability when daylighting techniques are applied in building design with the main aim of electric energy savings.

Horizontal to vertical spectral ratio measurements in Port-au-Prince (Haiti) area damaged by the 2010 Haiti earthquake

In order to evaluate ground shaking characteristics due to surface soil layers in the urban area of Port-au-Prince, short-period ambient noise observation has been performed approximately in a 500x500m grid. The HVSR method was applied to this set of 36 ambient noise measurement points to determine a distribution map of soil predominant periods. This map reveals a general increasing trend in the period values, from the Miocene conglomerates in the northern and southern parts of the town to the central and western zones formed of Pleistocene and Holocene alluvial deposits respectively, where the shallow geological materials that cover the basement increase in thickness. Shorter predominant periods (less than 0.3 s) were found in mountainous and neighbouring zones, where the thickness of sediments is smaller whereas longer periods (greater than 0.5 s) appear in Holocene alluvial fans, where the thickness of sediments is larger. The shallow shear-wave velocity structure have been estimated by means of inversion of Rayleigh wave dispersion data obtained from vertical-component array records of ambient noise. The measurements were carried out at one open space located in Holocene alluvial deposits, using 3 regular pentagonal arrays with 5, 10 and 20m respectively. Reliable dispersion curves were retrieved for frequencies between 4.0 and 14 Hz, with phase velocity values ranging from 420m/s down to 270 m/s. Finally, the average shear-wave velocity of the upper 30 m (VS30) was inverted for characterization of this geological unit.

Análisis de los criterios de construcción y diseño para minimizar el riesgo de figuración de particiones interiores por excesiva deformabilidad de la estructura horizontal

La Cátedra de Edificación de la Universidad Politécnica de Madrid, en colaboración con el instituto Técnico de Materiales y Construcciones (iNTEMAC), está llevando a cabo una investigación sobre las distintas variables que pueden influir en ia aparición de fisuras en tabiques y cerramientos de edificios con estructura de hormigón armado debido a la flecha vertical de la estructura horizontal, problema que aún no ha sido resuelto de forma totalmente satisfactoria con los criterios de las normativas, en particular las vigentes en España. De un primer análisis de de los casos analizados se deduce la importante influencia de otras variables no contempladas por la normativa en la aparición de daños y en la intensidad de estos. En la presente comunicación se exponen los principales resultados obtenidos en dichos análisis

Convective instabilities in two superposed horizontal liquid layers heated laterally.

This work is devoted to the theoretical study of the stability of two superposed horizontal liquid layers bounded by two solid planes and subjected to a horizontal temperature gradient. The liquids are supposed to be immiscible with a nondeformable interface. The forces acting on the system are buoyancy and interfacial tension. Four different flow patterns and temperature profiles are found for the basic state. A linear perturbative analysis with respect to two- and three-dimensional perturbations reveals the existence of three kinds of patterns. Depending on the relative height of both liquids several situations are predicted: either wave propa- gation from cold to the hot regions, or waves propagating in the opposite direction or still stationary longitu- dinal rolls. The behavior of three different pairs of liquids which have been used in experiments on bilayers under vertical gradient by other authors have been examined. The instability mechanisms are discussed and a qualitative interpretation of the different behaviors exhibited by the system is provided. In some configurations it is possible to find a codimension-two point created by the interaction of two Hopf modes with different frequencies and wave numbers. These results suggest to consider two liquid layers as an interesting prototype ? nard-Marangoni problem.

Viabilidad de la instalación de un aerogenerador de eje vertical en un edificio de viviendas

Este proyecto trata de completar un estudio sobre la viabilidad de una instalación de turbina de eje vertical, en una azotea de un edificio de 6 plantas en el centro de la ciudad de Madrid. Está basado en la comunidad de vecinos de la calle de Lagasca 106 de Madrid, y se realiza de forma global, con objeto de que sirva como ejemplo a futuros estudios a realizar en esta área, incluyendo todas las dificultades y problemas que este tipo de proyectos muestran en su viabilidad. Los aspectos que vamos a abordar son: Demostración de que una turbina de eje vertical es más indicada e idónea para estos casos que una turbina de eje horizontal. Capacidad de generación eléctrica de la instalación que proponemos. Problemas asociados con la actual legislación. Problemas relacionados con la instalación eléctrica: el inversor de corriente, la decisión de utilizar un sistema de baterías, conectar el aerogenerador a la red o buscar un sistema mixto. La viabilidad económica de la instalación. ABSTRACT This project tries to complete a study on the viability of a vertical axis turbines installation in the roof of a “standard” 6 floors building in the center of Madrid. Besides, the project is based on the building situated in Lagasca 106, it pretends to be done in a “global” mode, in order to be an example of future projects, and include as many usual problems and items that this kind of projects could have to afford. These problems and issues are: the substantiation of the choice of the vertical axis turbine instead of a usual horizontal axis turbine, the model and the power capacity of this turbine. The turbines installation energy saving capacity. Problems associated to the legislation that we may to afford. And problems related to the electric installation, such us, transformer associated to the turbine, the decision of link the turbine with batteries or joining it directly to the building electric system. Also we have to set a programming system in order to monitor the different situations that the turbine has to work

Differences brick facade design to horizontal loads between the Spanish and European standards

Brick facades are a construction type, strongly linked to local construction characteristics and methods. In Spain, particularly in Castilla, the facades have been built since the '80s with Castilian half foot (11.5 cm), resting on the edge of slabs. The design of these facades, to horizontal loads from wind, depending on the codes used, can lead to completely different valid solutions. Applying same loads, the facades studied with current European standard (Eurocode 6), have a maximum length of 7.1 m between supports, while the Spanish code, Technical Building Code - Structural Safety Masonry, (CTE SE-F), 8.4 m can be achieved. This represents an increase of flexural strength, depending on the calculation model used, which can reach until 8 times. This is due to the difference of the calculation method and the structural model in one and another standard, depending on if this facade is analyzed as a vertical or horizontal beam or by formation of a vertical or horizontal archh. This paper analyzes the constructive solution of the brick facades that results from applying Spanish or European standards and how it affects the model applied in the safety of the resulting facade.