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.

An Analysis of National Park Service Policy Regarding Management of White-Tailed Deer at Mammoth Cave National Park, Kentucky

The population of white-tailed deer (Odocoileus virginianus) occupying Mammoth Cave National Park, Kentucky is unknown. The population is uncontrolled, unmanaged, and suspected to be high. When uncontrolled, white-tailed deer tend to overpopulate and inflict negative impacts to vegetation through increased herbivory. The goal of this project is to demonstrate that the status of white-tailed deer at Mammoth Cave merits a policy formulation, and to provide suggestions as to what such a policy should contain. Three similar national parks have previously developed policies to manage white-tailed deer. These policies are analyzed, and common elements are identified that can transpose into a comparable policy at Mammoth Cave. Recommendations for a white-tailed deer management policy at Mammoth Cave National Park are given.

Internalization of quality management in service organizations

Purpose – The purpose of this paper is to analyze the internalization of quality management (QM) on the basis of quality certifiable standards – also referred to as meta-standards – in service organizations. More specifically, the paper analyzes the case of the internalization of a quality standard in the Spanish hotel industry. Design/methodology/approach – The paper examines the relationships between the measures of internalization, benefit, QM tools and motivation, using partial least squares in the framework of the structural equation modeling technique. Findings – The results show that the hotels that have internalized the standard to a greater extent are more likely to be driven by internal motivation, develop more QM tools and achieve greater benefits than the hotels with a lower degree of internalization. Originality/value – As previous studies have examined these issues in relation to the internalization of ISO standards, the present study adds to this important stream of research and contributes by advancing the understanding of these issues through the case of a specific standard for the hotel industry.

Smart Monitoring Embedded Service for Energy-Efficient and Sustainable Management in Data Centers

Information technologies (IT) currently represent 2% of CO2 emissions. In recent years, a wide variety of IT solutions have been proposed, focused on increasing the energy efficiency of network data centers. Monitoring is one of the fundamental pillars of these systems, providing the information necessary for adequate decision making. However, today’s monitoring systems (MSs) are partial, specific and highly coupled solutions. This study proposes a model for monitoring data centers that serves as a basis for energy saving systems, offered as a value-added service embedded in a device with low cost and power consumption. The proposal is general in nature, comprehensive, scalable and focused on heterogeneous environments, and it allows quick adaptation to the needs of changing and dynamic environments. Further, a prototype of the system has been implemented in several devices, which has allowed validation of the proposal in addition to identification of the minimum hardware profile required to support the model.

Les pratiques d’intervention policières auprès des personnes en crise ou atteintes de troubles mentaux : le cas des agents de réponse en intervention de crise du Service de police de la Ville de Montréal

Cette recherche porte sur les pratiques d’intervention des agents de réponse en intervention de crise (RIC), de leur partenaire fixe et des agents en attente de la formation du Service de police de la Ville de Montréal (SPVM) auprès des personnes en crise ou atteintes de troubles mentaux. Les agents RIC sont des patrouilleurs de première ligne qui ont reçu une formation complète sur les principes d’intervention en contexte de crise ou de santé mentale. Ce modèle de réponse spécialisée est une solution proactive qui a pour but d’améliorer l’action policière en situation de crise et de veiller à une meilleure prise en charge de ces personnes par les ressources institutionnelles. La désinstitutionnalisation des soins et des services psychiatriques a eu pour effet une augmentation du nombre de personnes atteintes de troubles mentaux dans la communauté. Par conséquent, cet accroissement a engendré des rapports plus fréquents entre les services policiers et cette clientèle. Les interventions en contexte de crise ou de santé mentale sont particulières et complexes, de même qu’elles requièrent un niveau supérieur de compréhension des crises humaines. Les autorités policières ont admis que ces interventions représentent une part significative de leur travail et que la formation policière traditionnelle ne les prépare pas suffisamment pour intervenir adéquatement auprès de cette population. En réponse à ces considérations et dans l’objectif d’améliorer leur capacité d’agir, les forces policières se sont dotées de modèles de réponse policière spécialisée en intervention de crise. L’approche la plus répandue est l’équipe d’intervention de crise (« crisis intervention team » ou « CIT »), aussi appelée le modèle de Memphis. Il existe plusieurs variantes de ce modèle, mais les composantes principales, c’est-à-dire la formation avancée et la consolidation d’un partenariat avec le système de santé demeurent dans l’ensemble de ces structures. L’objectif de cette recherche consiste à sonder les perceptions des agents RIC, de leur partenaire fixe et des agents en attente de la formation afin de comprendre et de contraster leurs visions et leurs pratiques d’intervention en contexte de crise ou de santé mentale. Chaque groupe a apporté des précisions intéressantes. Nous avons conduit 12 entrevues qualitatives avec des policiers du SPVM. De façon générale, les participants rapportent que leurs pratiques d’intervention auprès des personnes en crise ou atteintes de troubles mentaux sont davantage ancrées dans une perspective de relation d’aide. Ils mentionnent également que la communication, l’écoute et la confiance doivent être privilégiées avant tout autre stratégie dans les situations qui les permettent et que la force doit être employée seulement lorsqu’elle est nécessaire, c’est-à-dire lorsque leur sécurité ou celle d’autrui est en péril ou lorsque la communication n’est pas possible. Puis, ils admettent que le recours à l’expertise des intervenants en santé mentale permet une analyse plus approfondie de la situation et de l’état mental de la personne visée par l’intervention. D’autre part, en ce qui concerne les limites de la formation policière traditionnelle, les candidats ont soulevé qu’il y a un manque de connaissances en matière de santé mentale ainsi qu’une difficulté associée à l’évaluation de l’état de la personne et du besoin de transport ont été soulevés. Sur le plan des apprentissages, les agents RIC disent avoir une compréhension plus globale de la problématique de santé mentale, de meilleures habiletés communicationnelles, une analyse plus approfondie de la situation, de plus grandes connaissances juridiques, une compréhension du fonctionnement des services hospitaliers ainsi qu’une appréciation particulière pour le partage de savoirs et les principes d’endiguement. Ils font part également de l’importance des rapports pour documenter l’évolution de l’état mental d’une personne et ils ajoutent que la dimension temporelle joue un rôle clé dans la résolution définitive de la problématique. Au sujet des partenaires, ils évoquent des retombées similaires. Toutefois, à la suite de la formation, ils reconnaissent davantage l’importance de leur rôle dans la sécurité de leur partenaire et ils y accordent dorénavant une attention marquée lors de ces interventions. Enfin, les agents non formés formulent des attentes relatives au développement d’outils et de compétences, ce qui leur sera rendu dans la formation RIC. Globalement, les agents RIC et les partenaires interviewés ont modifié leurs pratiques pour les arrimer avec la philosophie des interventions en contexte de crise ou de santé mentale. Ils ont également davantage confiance en leurs capacités et habiletés d’intervention auprès des personnes en crise ou atteintes de troubles mentaux grâce aux connaissances acquises dans la formation.

The next step after Japan? (Virtual reality, training and crisis management). Transatlantic Security Paper No. 2, June 2012

The recent crisis in Japan, which combined tsunami and technological events, shows that any crisis, especially those in developed and developing countries, is from here out a hybrid crisis, mixing natural factors and human/technological (NATECH). Faced with such dramatic events, which exceed any means available for emergency rescue service, it is necessary a) to remain prudent and b) to prepare. One of the means for preparing is unquestionably training. However, here, undoubtedly there are important constraints: How to train, for example, while reproducing vividly and realistically, an event? How to exceed the admittedly useful, although very limited, level of the table-top exercise? How also to avoid the unnecessary mobilization of dozens, even hundreds, of field and operation staffers to take part in an exercise which could lead to a disappointing outcome? A major crisis, a major exercise, in effect. The solution of virtual reality has emerged, in Europe and in the United States. It is also sometimes called “serious game”.