Ανάπτυξη πιθανοτικών μοντέλων για τη έκβαση των συνομιλιών μεταξύ πιλότων και ελεγκτών εναέριας κυκλοφορίας στα πλαίσια του συστήματος CPDLC (Controller Pilot Data Link Communication)

Abstract

Ο συνεχώς αυξανόμενος αριθμός των συνομιλιών μεταξύ πιλότων και ελεγκτών εναέριας κυκλοφορίας θα οδηγήσουν σύντομα στην πλήρη κατάληψη των ραδιοσυχνοτήτων επικοινωνίας και στην αδυναμία των ελεγκτών να ρυθμίσουν με ασφάλεια την κίνηση των αεροσκαφών στον εναέριο χώρο. Το πεπερασμένο μέγεθος των πολύ υψηλών συχνοτήτων VHF (Very High Frequency) και των λίαν υψηλών συχνοτήτων UHF (Ultra High Frequency) δεν επιτρέπει την περαιτέρω αύξηση των καναλιών επικοινωνίας, με αποτέλεσμα να καθίσταται επιτακτική η ανάγκη για τη σταδιακή μετάβαση από το φωνητικό στο γραπτό σύστημα επικοινωνίας (Controller Pilot Data Link Communication, CPDLC). Η παρούσα διπλωματική εργασία στοχεύει στην ανάπτυξη πιθανοτικών μοντέλων για την έκβαση των συνομιλιών μεταξύ πιλότων και ελεγκτών εναέριας κυκλοφορίας χρησιμοποιώντας δεδομένα από φωνητικές συνομιλίες. Μέσω των μοντέλων αυτών εντοπίζονται οι παράμετροι που επιδρούν στην πρόκληση εσφαλμένων επικοινωνιών ανάμεσα στους πιλότους και τους ελεγκτές εναέριας κυκλοφορίας και ερευνάται η πιθανή έκβαση των εξεταζόμενων συνομιλιών ύστερα από την εφαρμογή του CPDLC. Τα δεδομένα τα οποία επεξεργάζεται η παρούσα διπλωματική εργασία προέρχονται από κασέτες ηχογραφημένων συνομιλιών της MITRE (Massachusetts Institute of Technology Research and Engineering) και της FAA (Federal Aviation Administration). Η βάση δεδομένων περιλαμβάνει 42 τριαντάλεπτα δείγματα ηχογραφημένων φωνητικών συνομιλιών μεταξύ ελεγκτών εναέριας κυκλοφορίας και πιλότων από 33 διαφορετικούς τομείς πέντε κέντρων ελέγχου αεροδιαδρόμων. Συνολικά εξετάζονται 7.965 μηνύματα από τα οποία προέκυψαν ως συνηθέστερες κατηγορίες εσφαλμένων επικοινωνιών οι μη αποκρίσεις και οι εσφαλμένες ακροάσεις του παραλήπτη του μηνύματος. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε περιλαμβάνει αρχικά την κατασκευή δύο ομάδων των τεσσάρων και πέντε μοντέλων αντιστοίχως. Σε κάθε μοντέλο τα μηνύματα αναλύονται σε τρία επίπεδα διάκρισης με βάση την έκβαση της συνομιλίας, τον παραλήπτη και το είδος του σφάλματος. Οι ανεξάρτητες μεταβλητές που εξετάζονται σε κάθε μοντέλο είναι 15 και απεικονίζουν τα χαρακτηριστικά του μηνύματος, της εναέριας κυκλοφορίας και του φόρτου εργασίας των ελεγκτών. Βασικό κριτήριο της επιλογής τους αποτέλεσε η δυνατότητα της χρήσης τους τόσο στο φωνητικό σύστημα επικοινωνίας όσο και στο γραπτό. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκαν τα πιθανοτικά μοντέλα για την έκβαση των συνομιλιών με τη χρήση των μεθόδων της Λογιστικής Παλινδρόμησης και της ανάπτυξης μη παραμετρικών δέντρων ταξινόμησης μέσω της Μεθόδου Αναδρομικού Διαχωρισμού (Recursive Partitioning Methodology, RPM). Η πρώτη μέθοδος πλεονεκτεί στην ποσοτικοποίηση της επίδρασης κάθε μεταβλητής που συμμετέχει στο μοντέλο, η δεύτερη όμως προσφέρει καλύτερα ποσοστά προβλέψεων. Από τα αποτελέσματα προκύπτει πως η έναρξη και η λήξη της επικοινωνίας ενός αεροσκάφους με το κέντρο ελέγχου, καθώς και το ποσοστό κατάληψης της ραδιοσυχνότητας αποτελούν τους πιο σημαντικούς παράγοντες που καθορίζουν την έκβαση μιας συνομιλίας. Η χρήση του CPDLC αναμένεται να μειώσει σε σημαντικό βαθμό τον αριθμό των εσφαλμένων επικοινωνιών

The objective of the present diploma thesis is to model and predict the outcome of voice communications between pilots and air traffic controllers in order to assess the impact of CPDLC on ATC performance. A database of 7,965 voice messages is subjected to statistical analysis and is used for the construction of prediction models by two different statistical methods, the Logistic Regression and the Recursive Partitioning Methodology (RPM). The developed models indicate that the most significant factors, which affect the outcome of communications, are the following: the aircraft entering the sector, the transfer of communication and the radio frequency occupancy time. According to these results, the implementation of CPDLC is expected to enhance communication safety and alleviate radio frequency congestion.