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.

Experimentación radical italiana en torno al night-club. Warhol-MacLuhan-Price y la arquitectura eléctrica de los años 60.

La segunda mitad de los años 60, ese convulso periodo generador de experiencias largamente revisitadas, es testigo también de un curioso fenómeno en Italia que, vinculado al auge de los locales nocturnos en Estados Unidos y a un intenso clima de emancipación social, utiliza estos nuevos “palacios de la diversión” como fuente de inspiración ideológica al ser percibidos entre los jóvenes arquitectos y diseñadores radicales italianos como un laboratorio experimental estilístico y funcional capaz de generar modelos para un nuevo orden social ligado al entretenimiento. La intensidad productiva de estos años da como resultado multitud de propuestas donde la arqui­tectura actúa como catalizadora de una pulsión social que mezcla en el mismo espa­cio la vanguardia cultural y experimental más radical con el fenómeno de masas de la sociedad del espectáculo, permitiendo a la industria del placer ocupar sin complejos una posición clave en el discurso de una nueva generación que traslada intenciona­damente su interés desde la forma construida a la producción de ambientes artificia­les, electrónicamente amplificados, demostrando al mismo tiempo su compromiso con las formas y la lógica de las nuevas tecnologías.

Pulsiones del espacio : Oteiza y la aproximación a la arquitectura como vacío activo

Este trabajo se centra en el estudio de las investigaciones de Jorge Oteiza en torno a la funcionalidad estética del espacio, en especial, en la actividad artística que desarrolló en el año 1958, un año decisivo en la vida del escultor en el que dio por finalizado su proceso de experimentación sobre la naturaleza espacial de la estatua. En este desenlace tuvo un papel fundamental la relación funcional que planteó, a la hora de retomar su trabajo después de su triunfo en la IV Bienal de São Paulo de 1957, entre la escultura y la arquitectura. La primera, entendida como organismo puramente espacial, debía de responder a las condiciones de su mundo circundante, el espacio arquitectónico. Su función: acondicionarlo estéticamente para satisfacer las necesidades espirituales del habitante. Siguiendo el canon estético que para la escultura acababa de anunciar en Brasil, la desocupación espacial (la liberación de la energía espacial de la estatua, el rompimiento de la neutralidad del espacio libre) no se trataba de embellecer superficialmente la arquitectura sino de activar su vacío interior. Oteiza, que siempre estuvo muy interesado por la arquitectura y que había colaborado con anterioridad en numerosas ocasiones con los mejores arquitectos del país, fue durante este año cuando profundizó de manera más sistemática (teórica y prácticamente) sobre la relación arte-arquitectura. De hecho, él mismo nombraba como el último trabajo de su línea de experimentación en escultura a su propuesta para el concurso del Monumento a José Batlle en Montevideo, que junto al arquitecto Roberto Puig acabaron a finales de año. En el proyecto se planteaba a escala urbana, y como ejemplo concreto, el modelo teórico de integración arquitectura + (arte=0) que había elaborado los meses anteriores, la integración vacía. En el texto explicativo que acompañaba al proyecto (un texto que desbordaba los límites de una memoria al uso) demandaba la necesidad de la toma de conciencia estética del espacio, como acto de libertad individual, y declaraba el fin del rol de espectador del hombre frente a la obra de arte, reclamando su participación activa en la misma. Para él, la noción del espacio estético no era una condición innata en el hombre, se descubría, se aprendía, evolucionaba y se olvidaba (una vez convertido en hábito). Frente a la ceguera de la sensibilidad espacial del hombre, proponía la educación de la percepción espacial, condicionar emocionalmente la reflexión espontánea ante el juego espacial de las formas en la naturaleza y el espectáculo natural de la ciudad. Aprender a leer el lenguaje emocional del espacio, a pensar visualmente. La obra de arte era así un catalizador espiritual del contorno del mundo, modificador de la vida espacial circundante que corregía hábitos visuales y condicionaba estímulos y reflejos. Desde una resonancia afectiva con la definición psicológica del término (como energía psíquica profunda que invita o incita a pasar a la acción), a diferencia del instinto, la pulsión (siendo la fuente de toda conducta espontánea) es susceptible de ser modificada por la experiencia, por la educación, por la cultura, por el deseo. Es desde esta aproximación en términos de energía desde la que se propone la noción pulsiones del espacio como fórmula (reversible) entre la energía espacial liberada en el proceso de desocupación definido por Oteiza y caracterizadora de la obra como vacío activo (en escultura, en arquitectura), y la energía psíquica profunda que invita o incita a la toma de posesión del espacio (la voluntad espacial absoluta con la que Oteiza definía su modelo de arte=0, cero como expresión formal). Si el hombre modifica su entorno al mismo tiempo que es condicionado por él, es indispensable una conciencia estética del espacio que le enseñe, de entre todas las posibilidades que este le ofrece, qué es lo que necesita (qué es lo que le falta), para tomar posesión de él, para un efectivo ser o existir en el espacio. Es desde esta caracterización como energía por lo que las pulsiones del espacio se sitúan entre el hombre y su entorno (construido) y permiten la transformación entre energía espacial y energía psíquica; entre su hábitat y sus hábitos. Por estas mismas fechas, Oteiza definía una casa como un conjunto articulado de vacíos activos, como una obra de plástica pura que no es arte sino en función del habitante. Es este habitante, educado en la toma de conciencia estética del espacio, el que participando activamente en la interpretación de los espacios previstos por el arquitecto, sintiendo y movido por las pulsiones del espacio, hará uso adecuado de la arquitectura; pasando de un arte como objeto a un arte como comportamiento, transformará su habitar en un arte, el arte de habitar. ABSTRACT This work focuses on the study of Jorge Oteiza’s investigations on the aesthetic functionality of space, especially on his artistic activity developed in 1958, a decisive year in the life of the sculptor, in which he gave end to his process of experimentation on the spatial nature of the statue. In this outcome it was fundamental the functional relationship that he propounded, at the time of returning to work after his triumph in the IV Bienal de São Paulo in 1957, between sculpture and architecture. The first, understood as a purely spatial organism, should respond to the conditions of its environment (umwelt), the architectonic space. Its function: set it up aesthetically to meet the spiritual needs of the inhabitant. Following the aesthetic canon that he had just announced in Brazil for sculpture, the spatial disoccupation (the liberation of the spatial energy of the statue, the breaking of the neutrality of the free space) the aim was not to superficially beautify architecture but to activate its inner void. Oteiza, who had always been very interested in architecture and who had previously collaborated on numerous occasions with the best architects in the country, was in this year when he deepened in a more systematic way (theoretically and practically) about the art-architecture relationship. In fact, he named as the last work of his line of experimentation in sculpture to his proposal for the competition of the Monument to José Batlle in Montevideo, which, developed together with the architect Roberto Puig, was ended at the end of the year. The project proposed on an urban scale, and as a concrete example, the theoretical model of integration architecture + (art = 0) which he had elaborated the previous months, the empty integration. In the explanatory text accompanying the project (a text that exceeded the normal extents of a competition statement) he demanded the need of the aesthetic awareness of space, as an act of individual freedom, and it declared the end of the role of man as passive spectator in front of the work of art, claiming his actively participation in it. For him, the notion of the aesthetic space was not an inborn condition in man; first it was discovered, then learned, evolved and finally forgotten (once converted into a habit). To counteract blindness of the spatial sensitivity of man, he proposed the education of spatial perception, to emotionally influence the spontaneous reflection in front of the spatial game of forms in nature and the natural spectacle of the city. Learn to read the emotional language of space, to think visually. The work of art was thus a spiritual catalyst of the world’s contour, a modifier of the surrounding spatial life that corrected visual habits and conditioned stimuli and reflexes. From an emotional resonance with the psychological definition of the term (such as deep psychic power that invites or urges action), as opposed to instinct, drive (being the source of all spontaneous behavior) is likely to be modified by experience, by education, by culture, by desire. It is from this approach in terms of energy from which the notion drives of space is proposed, as a (reversible) formula between the spatial energy released in the process of disoccupation defined by Oteiza and characterizing of the work as a charged void (in sculpture, in architecture), and the deep psychic energy that invites or encourages the taking possession of the space (the absolute spatial will with which Oteiza defined its model of Art = 0, zero as a formal expression). If man changes his environment at the same time that is conditioned by it, it is essential an aesthetic awareness of space that shows him, among all the possibilities that it offers, what he needs (what is what he lacks), in order to take possession of it, for an effective being or existing in space. It is this characterization as energy by what drives of space lie between man and his (built) environment and allow the transformation between spatial and psychological energy; between his habitat and his habits. Around this same time, Oteiza defined a House as an articulated set of charged voids, as a work of pure plastic that is not art but according to the inhabitant. It is this inhabitant, educated in aesthetic awareness of space, who actively participating in the interpretation of the spaces provided by the architect, feeling and moved by the drives of the space, will make proper use of the architecture; from an art as object to an art as behavior, he will transform his inhabitation into an art, the art of inhabitation.