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AUTOMATIZACIÓN DEL DISEÑO DE PROCEDIMIENTOS DE ESPERA POR
INSTRUMENTOS A PARTIR DE HERRAMIENTAS DE ANÁLISIS ESPACIAL
ERIKA YINETH CÁRDENAS BAUTISTA
DIEGO FERNANDO CHITIVA GÓMEZ
Proyecto de grado presentado como requisito para optar al
Título de ESPECIALISTA EN SISTEMAS DE INFORMACIÒN
GEOGRÁFICA
DIRECTOR: M.Sc. OSWALDO IBARRA ORTÍZ.
PROYECTO DE GRADO
ESPECIALIZACIÓN EN SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA, SIG.
CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO EN INFORMACIÓN GEOGRÁFICA
BOGOTÁ D.C.
NOVIEMBRE 2019
A nuestras familias por el apoyo,
permanente cariño, comprensión y
espíritu alentador, contribuyendo
incondicionalmente a lograr las
metas y objetivos propuestos.
AGRADECIMIENTOS
Gracias al señor Técnico Segundo Mario Alonso Aranguren Ramírez, Suboficial – Diseñador
de Procedimientos Aeronáuticos de la Fuerza Aérea Colombiana, por su dedicación y constante
aclaración de temas aeronáuticos. Así mismo, queremos agradecer a la señorita Teniente Jenny
Alejandra Caro Martínez por la capacitación impartida en el manejo de herramientas ArcGIS que
no conocíamos y fueron de gran importancia para estructurar gran parte de la automatización.
contribuyendo a mejorar procesos que se realizan actualmente en la Subdirección de Información
Geoespacial y Procedimientos Aeronáuticos en beneficio de la Fuerza Aérea Colombiana.
De igual manera extendemos nuestros agradecimientos al señor M.Sc. Oswaldo Ibarra Ortiz
por su entera disposición, además del asesoramiento en el ambiente de los Sistemas de Información
Geográfica y lenguajes de programación los cuales fueron fundamentales para estructurar y
desarrollar el presente proyecto.
Gracias a ustedes por su conocimiento, amabilidad y habilidad para enseñar, permitiéndonos
apropiar y vincular sus pedagogías a los objetivos propuestos en nuestro proyecto.
RESUMEN
El actual documento corresponde a una propuesta de automatización a un procedimiento
realizado por el personal de Diseñadores de Procedimientos de Vuelo por Instrumentos de la
Fuerza Aérea Colombiana para construir el área protección de los procedimientos de espera,
basado en los criterios establecidos en el documento 8168 en la construcción de procedimientos
de vuelo visual y por instrumentos, Volumen II, Operación de aeronaves (OACI, 2014), mediante
una herramienta que facilita el trabajo de diseño desde la entrada de datos iniciales hasta la salida
gráfica, manteniendo la integridad de los datos y cálculos durante todo el proceso, en menor
tiempo.
Esta herramienta fue desarrollada mediante lenguaje de programación (Python), sistema de
gestión de base de datos (PostgreSQL) y software para Sistemas de Información Geográfica
(ArcGIS), cuyo ingreso de datos se realiza mediante una interfaz gráfica que está ligada a procesos
internos de PostgreSQL y Python, las dimensiones resultantes de los cálculos realizados dependen
de los datos de rendimiento de la aeronave, bajo condiciones atmosféricas específicas,
proporcionadas por el diseñador, obteniendo como resultado un esquema del procedimiento de
espera que cumple con los criterios aplicables a esta fase de vuelo.
Contenido
1 Planteamiento del problema ........................................................................................... 10
2 Justificación .................................................................................................................... 12
3 Objetivos ........................................................................................................................ 13
3.1 Objetivo general ......................................................................................................... 13
3.2 Objetivos específicos .................................................................................................. 13
4 Estado del arte ................................................................................................................ 14
4.1 Marco normativo ........................................................................................................ 14
4.2 Antecedentes ............................................................................................................... 14
4.3 Marco Teórico ............................................................................................................ 17
5 Metodología ................................................................................................................... 24
5.1.1 Recolección de datos ........................................................................................... 24
5.1.2 Almacenamiento de datos ................................................................................... 24
5.1.3 Modelo para automatización del procedimiento de espera ................................. 25
5.1.4 Desarrollo interfaz gráfica ................................................................................... 25
6 Desarrollo Del Proyecto ................................................................................................. 26
6.1 Modelo conceptual ..................................................................................................... 27
6.2 Modelo lógico ............................................................................................................. 28
6.3 Diccionario de datos ................................................................................................... 29
6.4 Programación del método estadístico ......................................................................... 33
6.5 Modelamiento para la construcción de áreas .............................................................. 36
6.6 Interfaz gráfica ............................................................................................................ 41
7 Resultados ...................................................................................................................... 42
7.1 Análisis de resultados gráficos ................................................................................... 55
7.2 Resultados del proyecto .............................................................................................. 55
8 Conclusiones .................................................................................................................. 57
9 Recomendaciones ........................................................................................................... 58
10 Bibliografía..................................................................................................................... 59
6
Glosario
Punto de referencia: Es el lugar geográfico que sirve de referencia para un procedimiento de
espera.
Curso: Dirección prevista del viaje de una aeronave, expresada en grados respecto al norte.
Tramo de acercamiento: Corresponde a la distancia dependiente del tiempo y velocidad de la
aeronave con un curso específico hacia el punto de referencia
Tramo de alejamiento: Corresponde a la distancia dependiente del tiempo y velocidad de la
aeronave con un contra rumbo para el posterior viraje y alineación con el punto de referencia.
Circuito nominal: Corresponde a la trayectoria o derrota que sigue una aeronave que se
encuentra en vuelo, ejecutando un procedimiento de espera aeronáutica.
Derrota: La proyección sobre la superficie terrestre de la trayectoria de una aeronave, cuya
dirección en cualquier punto se expresa generalmente en grados a partir del norte (geográfico,
magnético o de la cuadrícula).
Diseñador de procedimientos de vuelo: Persona responsable del diseño de procedimientos de
vuelo que cumple los requisitos de competencia establecidos por el Estado.
Tramo de aproximación inicial: Fase de un procedimiento de aproximación por instrumentos
entre el punto de referencia de aproximación inicial y el punto de referencia intermedio o, cuando
corresponda, el punto de referencia de aproximación final.
Tramo de aproximación intermedia: Fase de un procedimiento de aproximación por
instrumentos entre, ya sea el punto de referencia intermedio y el punto de referencia de
aproximación final, o el punto de aproximación final; entre el final de un procedimiento de
inversión, o procedimiento de espera o de navegación a estima y el punto de referencia de
aproximación final o el punto de aproximación final.
7
Tramo de aproximación final: Fase de un procedimiento de aproximación por instrumentos
durante la cual se ejecutan la alineación y el descenso para aterrizar.
VOR: Radiofaro omnidireccional VHF (Radioayuda de navegación).
ISA: Atmósfera tipo internacional (International Standard Atmosphere).
TAS: Velocidad verdadera (True Air Speed)
IAS: Velocidad indicada (True Air Speed)
.
8
Introducción
Los procedimientos de vuelo por instrumentos constituyen un componente esencial para el
desarrollo de operaciones aéreas seguras, aun cuando el factor meteorológico no permita que una
tripulación tenga en todas las fases de vuelo condiciones óptimas de visibilidad horizontal y
vertical. Estos procedimientos están compuestos por los segmentos de llegada, inicial, intermedio,
final y de aproximación frustrada.
El presente proyecto se enfoca particularmente en el procedimiento de espera, considerado
como tramo de aproximación inicial, puesto que es allí donde las aeronaves que llegan a un
aeropuerto tienen la posibilidad de permanecer en una zona determinada por un tiempo definido,
debido a factores tales como la afluencia de tránsito, meteorología, contingencias, entre otros.
La Organización de Aviación Civil Internacional (OACI), establece el margen de
franqueamiento de obstáculos como la consideración principal, al construir los procedimientos
para vuelos por instrumentos, teniendo en cuenta factores variables tales como la topografía, las
características de las aeronaves y la pericia de los pilotos. Los márgenes de franqueamiento
indicados se consideran como mínimos de separación con terreno u obstáculos y son el resultado
de métodos estadísticos, cuyos valores no podrían reducirse sin afectar la seguridad operacional.
La construcción de áreas de franqueamiento de obstáculos para procedimientos de espera se
basa en la aplicación directa de los criterios técnicos establecidos en el documento 8168, Operación
de aeronaves, Volumen II (OACI, 2014), los cuales son resultantes de métodos estadísticos y se
explicarán en el contenido de este escrito.
Para el desarrollo del presente proyecto de grado, se realizó una herramienta que permite
automatizar el diseño de las áreas de protección de procedimientos de espera, cuyo fin será la
reducción del tiempo en la realización de cálculos manuales y construcción de las plantillas.
9
Actualmente, la construcción de una plantilla utilizando el método convencional, con sus
respectivos cálculos puede tardar aproximadamente una jornada laboral regular de 8 horas (480
minutos), antes de determinar si el diseño es totalmente funcional y cumple los criterios específicos
de una espera a una altitud y velocidad determinada.
La herramienta permite optimizar los tiempos de elaboración de un circuito de espera,
incrementando la productividad de un diseñador de procedimientos al construir una plantilla
automatizada en aproximadamente 6 minutos, reduciendo hasta en un 98.75% los tiempos de
producción si se utilizara el método manual o convencional.
10
1 Planteamiento del problema
Actualmente los diseñadores de procedimientos de vuelo por instrumentos de la Fuerza Aérea
Colombiana toman alrededor de una jornada laboral regular de 8 horas, realizando la construcción
y el análisis de un circuito de espera. El tiempo varía de acuerdo con las condiciones topográficas,
categorías de aeronave y a la presencia de obstáculos inmersos en la zona, afectando la oportuna
toma de decisiones y asesoramiento a las tripulaciones de vuelo en escenarios donde no existe un
procedimiento publicado que garantice el margen de franqueamiento de obstáculos y así establecer
una altitud mínima de vuelo que permita una operación segura.
El proceso base para la construcción de la plantilla por parte del personal experto en diseño de
procedimientos de vuelo, requiere de cálculos matemáticos asociados al rendimiento de la
aeronave, seguido del diseño mediante el software de dibujo asistido por computador
MicroStation, el cual demanda que el diseñador tenga un nivel de pericia en su manejo y que
además, para que se considere finalmente funcional la construcción de la plantilla, se debe realizar
el análisis del espacio aéreo y que se cumplan en su totalidad los criterios de margen de
franqueamiento de obstáculos, de lo contrario debe iniciarse de nuevo con el proceso.
La construcción de un circuito de espera en un ambiente SIG, que además permita realizar el
análisis del espacio aéreo que será utilizado durante la operación aérea, es una de las grandes
necesidades de los encargados del proceso de diseño de procedimientos de vuelo. La
implementación de un proceso automatizado mediante una herramienta de este tipo satisface esta
necesidad y mejoraría considerablemente los tiempos de producción de nuevas plantillas y el
mantenimiento de las ya existentes.
11
De acuerdo con lo anterior, el propósito del proyecto busca la creación de una herramienta
dinámica y modular que permita reducir los errores por factores humanos, optimización de tiempos
y recursos para la Fuerza Aérea Colombiana.
12
2 Justificación
La Fuerza Aérea Colombiana (FAC) a través de la Subdirección de Información Geoespacial y
Procedimientos Aeronáuticos, es la encargada de realizar la obtención de información geoespacial
requerida como insumo para el diseño y publicación de procedimientos aeronáuticos, en apoyo al
desarrollo seguro de operaciones aéreas, por parte de la aviación de estado.
El diseño de áreas de franqueamiento de obstáculos para procedimientos de espera es
considerado como el factor principal desde el punto de vista de la seguridad operacional, cuando
se trata de construir los procedimientos de vuelo, teniendo en cuenta factores variables como: la
topografía, las características de las aeronaves y la pericia de los pilotos.
La Subdirección de Información Geoespacial y Procedimientos Aeronáuticos, indica que este
proceso de elaboración manual puede llegar a tardar una jornada laboral regular de 8 horas
(480min) utilizando el software de dibujo asistido por computador MicroStation para una
velocidad y altitud determinada, es decir, en caso de presentarse una afectación al área de
protección construida, bien sea por elevación del terreno u obstáculos, se debe realizar nuevamente
el proceso modificando las variables de velocidad y altitud, hasta cumplir con los criterios de
franqueamiento de obstáculos.
En virtud de lo expuesto anteriormente, este proyecto pretende desarrollar una solución
alternativa que permita la reducción de errores por factores humanos y la optimización de los
tiempos de construcción de las áreas de franqueamiento de obstáculos en procedimientos de
espera, contribuyendo a la reasignación de recursos humanos a tareas de mayor relevancia y al
posible ahorro financiero que actualmente la Fuerza Aérea emplea para ello.
13
3 Objetivos
3.1 Objetivo general
Automatizar el diseño y construcción de las áreas de protección para los procedimientos de
espera.
3.2 Objetivos específicos
Estructurar una base de datos que permita almacenar variables requeridas para la
construcción de las áreas de protección.
Generar los cálculos asociados a la construcción de un procedimiento de espera mediante
lenguaje de programación.
Desarrollar un modelo que permita la construcción automática de las áreas de protección
de un procedimiento de espera a través de herramientas de ArcGIS.
14
4 Estado del arte
4.1 Marco normativo
La aviación en Colombia está regulada según el Ministerio de Transportes por la Unidad
Administrativa Especial de Aeronáutica Civil y la Fuerza Aérea Colombiana, así:
Mediante el Decreto 260 de 2014 se establece que la Unidad Administrativa Especial de
Aeronáutica Civil “es la autoridad en materia aeronáutica en todo el territorio nacional y le
compete regular, administrar, vigilar y controlar el uso del espacio aéreo colombiano por parte
de la aviación civil "(Ministerio de Transporte, 2004) y mediante el Decreto Nacional 2937 de
2010(Ministerio de Defensa Nacional, 2010), se designa a la Fuerza Aérea Colombiana (FAC)
“como autoridad aeronáutica de la aviación de estado y ente coordinador ante la autoridad
aeronáutica civil colombiana y se constituye el comité interinstitucional de la aviación de estado".
Adicionalmente, según los establecido en la Disposición 030 de 2015, la Fuerza Aérea
Colombiana “…adopta criterios técnicos aeronáuticos establecidos por la Organización de
Aviación Civil Internacional (OACI), para su aplicabilidad a la regulación de algunos aspectos
de la Aviación de Estado Colombiana”(Fuerza Aérea Colombiana, 2015), entre ellos los criterios
de construcción de áreas de franqueamiento de obstáculos para procedimientos de espera, donde
“se utilizan métodos estadísticos para combinar las variables y luego extrapolar distribuciones
para construir las áreas”(Organización de Aviación Civil Internacional, 2014) siendo esta la
normatividad aplicada para desarrollar la herramienta descrita en el presente escrito.
4.2 Antecedentes
La Fuerza Aérea Colombiana establece como una de sus funciones el apoyo de la Fuerza,
entendiéndose que el cumplimiento de todas las actividades permitirá el desarrollo exitoso de las
misiones o tareas encomendadas, adicionalmente la Organización de Aviación Civil Internacional
15
(OACI) tiene como uno de sus objetivos fomentar las artes para diseñar rutas aéreas, aeropuertos
y apoyo para la navegación aérea en la aviación civil internacional; doctrinas que se deben tener
en cuenta para la mejora continua de procesos.
Es por ello que la Fuerza Aérea Colombiana cuenta con un grupo de profesionales encargados
del diseño de procedimientos de vuelo por instrumento, quienes usan el software MicroStation en
lenguaje CAD, es decir, corresponde a un proceso de dibujo manual en un espacio infinito, en
formato DGN, el cual se genera paso a paso aplicando los criterios estadísticos para la construcción
de áreas de franqueamiento de obstáculos. (Ilustración 1)
Ilustración 1: Ejemplo de elaboración manual para la construcción de las áreas de procedimientos de espera.
Esta gráfica corresponde a un trabajo manual elaborado por el señor Técnico Segundo Mario
Alonso Aranguren Ramírez, quien describe que el proceso de elaboración y los cálculos necesarios
para obtener la imagen de la ilustración 1, puede tomar aproximadamente una jornada laboral
regular de 8 horas (480 minutos), puesto que es un trabajo manual en el que las dimensiones en
los polígonos que definen el área de franqueamiento de obstáculos dependen de la velocidad de la
aeronave y la altitud; ya que son el factor significativo en todos los diseños de procedimientos de
vuelo.
16
El tiempo mencionado corresponde a un promedio empleado para la construcción de áreas de
espera por varios diseñadores de procedimientos aeronáuticos, según indicaciones del señor
Técnico Primero Mario Andrés Valencia Gomez, quien lleva 5 años trabajando en la Subdirección
De Información Geoespacial y Procedimientos Aeronáuticos, donde el factor experiencia en el
diseño de procedimientos es determinante para realizar el proceso completo del diseño de una
plantilla de un circuito de espera.
En cuanto a software comercial para el diseño de procedimientos de vuelo existen algunos
como: Global Procedure Designer (GPD 5.2) desarrollado por MDA Systems Ltd, Flight
Procedures Design and Airspace Management (FPDAM) de la empresa IDS S.p.A y GéoTITAN®
desarrollado por CGX AERO (Ilustración 2).
Ilustración 2: Diseño de procedimientos de vuelo por instrumentos GéoTITAN®
Entidades como la Unidad Administrativa Especial de Aeronáutica Civil (UAEAC) de
Colombia, realiza el diseño de procedimientos de vuelo con el software FPDAM cuyo coste supera
los US$163.000 anuales (incluye mantenimiento y capacitación) y también es utilizado por países
como Argentina, España y Francia. El GéoTITAN® y GPD tienen un costo que oscila entre los
US$113.000 y US$146.000 anuales, empleado por países como Estados Unidos, Francia y México.
17
4.3 Marco Teórico
Los procedimientos de espera son maniobras predeterminadas que mantiene a la aeronave
dentro de un espacio aéreo asignado, mientras espera una autorización por afluencia de tránsito
aéreo, meteorología, contingencias, entre otros imprevistos en el aterrizaje y está compuesta por
las siguientes partes: (Ilustración 3)
Punto de referencia: Es el lugar geográfico que sirve de referencia para un procedimiento de
espera.
Curso: Dirección prevista del viaje de una aeronave, expresada en grados respecto al norte.
Tramo de acercamiento: Corresponde a la distancia dependiente del tiempo y velocidad de la
aeronave con un curso específico hacia el punto de referencia
Tramo de alejamiento: Corresponde a la distancia dependiente del tiempo y velocidad de la
aeronave con un contra rumbo para el posterior viraje y alineación con el punto de referencia.
Al hablar de una maniobra estándar, significa que su diseño está claramente definido, así como
también sus áreas de protección necesarias para el análisis previo a una publicación en cartas
aeronáuticas, reglamentado en el método estadístico para la construcción de áreas de
Ilustración 3: Circuito de espera (Elaboración propia)
18
franqueamiento de obstáculos en procedimientos de espera, las cuales tendrán una proporción en
el espacio aéreo que dependerá de la velocidad de las aeronaves y la altitud, además de garantizar
la separación con el terreno u obstáculos.
Para la construcción de procedimientos de vuelo por instrumentos se tiene en cuenta la
clasificación de aeronaves emitida por la Organización de Aviación Civil Internacional,
establecida por rangos de velocidad de aproximación como se muestra a continuación:
Tabla 1: Velocidad indicada (IAS) para el cálculo de procedimientos
Categoría de aeronaves
Velocidad
(km/h)
Velocidad (Kt) =
(Nm/h)
A < 169 < 91
B 169 – 223 91 – 120
C 224 – 260 121 – 140
D 261 – 306 141 – 165
E 307 – 390 166 – 210
Fuente: Documento 6168, Operación de Aeronaves (OACI)
Tabla 2:Ejemplos de aeronave por categorías
Categoría Velocidad (Kt) Ejemplo de aeronave
A < 169
C-208 (Caravan)
19
Categoría Velocidad (Kt) Ejemplo de aeronave
B 169 – 223
C-90
C 224 – 260
BOEING 727-200 (Vulcano)
D 261 – 306
BOEING 767-200 (Jupiter)
20
Categoría Velocidad (Kt) Ejemplo de aeronave
E 307 – 390
C-10 (K-fir)
Adicionalmente, se debe tener en cuenta los factores de conversión que permiten transformar
la velocidad indicada (IAS) en velocidad verdadera (TAS) para altitudes de 0 a 24000 pies, donde
la atmósfera estándar internacional (ISA) corresponde al modelo de atmósfera terrestre que
permite obtener los valores de presión, temperatura, densidad y viscosidad del aire en función de
la altitud, empleada para determinar la diferencia de cálculos en términos de temperatura como se
muestra a continuación:
Tabla 3:Factor de conversión de velocidad indicada (IAS) a velocidad verdadera (TAS)
Altitud ISA + 15
0 1,0257
1000 1,0411
2000 1,0567
3000 1,0728
4000 1,0892
5000 1,1059
21
Altitud ISA + 15
6000 1,1231
7000 1,1406
8000 1,1586
9000 1,1770
10000 1,1958
11000 1,2150
12000 1,2347
13000 1,2549
14000 1,2755
15000 1,2967
16000 1,3184
17000 1,3406
18000 1,3634
19000 1,3868
20000 1,4107
21000 1,4353
22000 1,4605
23000 1,4863
24000 1,5128
Fuente: Documento 8168, Operación de Aeronaves (OACI)
22
Para realizar el cálculo de la velocidad verdadera (TAS), se debe multiplicar la velocidad
indicada (IAS) de la tabla 1 por el factor de conversión correspondiente a la altitud de la tabla 3,
entonces:
TAS = IAS * (ISA + 15 según corresponda a la altitud)
Posteriormente, para generación del área de protección de procedimientos de espera considera
un área básica de procedimiento y un área intermedia. El área básica de procedimiento se realiza
en dos etapas:
La primera etapa consiste en construir una plantilla (Ilustración 3) para los valores
apropiados de tiempo, velocidad y altitud, en la que se tienen en cuenta todos los factores
que pueden hacer que una aeronave se desvié del circuito nominal.
Ilustración 4: Plantilla de espera con los puntos de construcción asociados.
23
La segunda etapa consiste en trazar el área básica obtenida del procedimiento moviendo el
origen de la plantilla entorno al área de tolerancia del punto de referencia como se muestra en la
ilustración 5.
Finalmente, se añade un área intermedia de 5 Nm (Millas náuticas) en torno al área básica
obtenida para un procedimiento de espera (Ilustración 6).
De acuerdo con los pasos anteriores, se obtienen las áreas de franqueamiento de obstáculos para
procedimientos de espera, que permitirán al diseñador, analizar el espacio aéreo comprometido
respecto al terreno u obstáculos, hasta satisfacer los criterios de seguridad en condiciones
operativas.
Ilustración 5: Áreas de tolerancia, puntos de color azul, rojo, cyan y verde. (Elaboración propia)
Ilustración 6:Áreas de protección de un procedimiento de espera
24
5 Metodología
La herramienta se desarrolló empleando una metodología ágil que se caracteriza por ser
adaptable en un entorno cambiante durante tiempos cortos, pero con altos niveles de calidad
empleando el siguiente proceso:
Ilustración 7:Metodología
5.1.1 Recolección de datos
Se apropiaron los criterios estadísticos a tener en cuenta para la construcción de áreas de
procedimientos de espera y comprendiendo el uso de los factores de conversión de velocidad
indicada (IAS) a velocidad verdadera (TAS) variable con la altitud, además de desglosar el paso a
paso para construir un área de franqueamiento de obstáculos insumo para continuar con el
desarrollo del proyecto.
5.1.2 Almacenamiento de datos
Se usó como servidor de base de datos a PostgreSQL, el cual está desarrollado bajo código
abierto y ofrece seguridad de la información, oportunidad de mejoras a procesos actuales de la
Fuerza Aérea Colombiana y por lo tanto puede aprovecharse en desarrollos futuros para hacer un
almacenamiento óptimo de datos, además de ser sencillo de manejar y permitir que esta
información sea leída por cualquier sistema de información geográfica, componente que no
ofrecen todos los gestores de bases de datos.
25
Es por ello que en primer lugar se almacenaron los datos de la tabla de factores de conversión
de velocidad indicada (IAS) a velocidad verdadera (TAS) respecto a las altitudes y posteriormente
en Sublime Text ® con códigos Python® se generan los cálculos correspondientes al método
estadístico cuyos resultados dependerán de las variables iniciales que establezca el diseñador para
la automatización del proceso de construcción de áreas de espera.
5.1.3 Modelo para automatización del procedimiento de espera
Posterior al almacenamiento de datos se genera un modelo lógico en Model Builder del
Software ArcGIS, tomando como datos iniciales lo almacenado en PostgreSQL, como lo son:
punto geográfico, curso, altitud, tiempo, velocidad y los cálculos mencionados que fueron
programados en Python®, que al ser empleados en el modelo permiten la interacción de estos
resultados con el uso de herramientas de ArcGIS para generar automáticamente el área básica del
procedimiento, circuito nominal y área intermedia.
5.1.4 Desarrollo interfaz gráfica
El desarrollo de la interfaz gráfica se realizó para presentar de forma amigable e intuitiva la
solicitud de datos iniciales que deberá suministrar el diseñador de procedimientos aeronáuticos
como característica principal en la automatización del proceso, evitando que este ingrese
directamente a PostgreSQL, para garantizar el control de usuario y estructura sólida del buen
funcionamiento de la base de datos
26
6 Desarrollo Del Proyecto
Se identificó la necesidad de almacenamiento de una base de bases de datos con componente
geográfico que permita tomar los datos allí almacenados para interactuar con ArcGIS asignándole
el nombre de “bd_espera” (Ilustración 8), cuyos datos recopilados en la tabla
factor_de_conversion_ISA_a_TAS (tabla1) es estándar, en punto_de_referencia (punto_a) se aloja
la información geográfica del punto inicial para la construcción de las áreas y cálculos_espera
(c_espera) y transformaciones_de_velocidad (tabla2) son tablas dinámicas que resultan de la
programación en Python®. Las demás tablas que se pueden visualizar corresponden a los sistemas
de referencia espacial.
Ilustración 8:Arquitectura base de datos (Extraída de PostgreSQL, elaboración propia)
27
Obtener el diseño físico de una base de datos sólida requirió de la identificación de entidades y
relación de estos objetos mediante modelos conceptuales y lógicos que se explican en este
documento.
6.1 Modelo conceptual
Este modelo obedece a la necesidad de identificar las entidades que interactúan en el proyecto
y lograr una compatibilidad de información para representar datos geográficos en la
automatización del diseño de procedimientos de espera. (Ilustración 9)
Ilustración 9:Modelo conceptual (Elaboración propia)
Los nombres de atributos que se relacionan en cada entidad del modelo conceptual se describen
en (6.3 Diccionario de datos) y obedecen a la estandarización que la Fuerza Aérea Colombiana
acoge de la Organización de Aviación Civil Internacional, mediante el marco normativo descrito.
28
6.2 Modelo lógico
Con base al modelo conceptual se hace una transformación a un esquema lógico para garantizar
el correcto funcionamiento y aplicación al integrar la base de datos de postgreSQL con ArcGIS.
(Ilustración 10).
Ilustración 10:Modelo lógico (Elaboración propia)
La descripción de parámetros empleados se encuentra a continuación en el titulo 6.3
29
6.3 Diccionario de datos
Esta parte del documento tiene como finalidad proporcionar información de los objetos que se
encuentran en la base de datos, los cuales se establecieron siguiendo lo señalado por la
Organización de Aviación Civil Internacional en el método estadístico para la construcción de
áreas de procedimientos de espera (Ilustración 10), entre otros que surgieron en la fase del diseño
conceptual.
Tabla 4: Diccionario de datos: Punto de referencia
PUNTO DE REFERENCIA
Nombre en database: punto_a
Atributo Tipo de
dato Longitud Descripción
ID Integer [PK] Identificación del atributo
Pespera Character
varying 30
Punto de referencia de espera: Lugar geográfico que sirve
de referencia para un procedimiento de espera.
Curso Numeric
Dirección prevista del viaje de una aeronave, expresada en
grados respecto al norte (geográfico, magnético o de la
cuadrícula)
Coordx Double
precision
Coordenada geográfica para X del sistema geodésico WGS
84
Coordy Double
precision
Coordenada geográfica para Y del sistema geodésico WGS
84
30
Tabla 5: Diccionario de datos: Factor de conversión de velocidad indicada IAS a velocidad verdadera TAS
FACTOR DE CONVERSIÓN DE VELOCIDAD INDICADA (IAS) A VELOCIDAD
VERDADERA (TAS)
Nombre en database: tabla 1
Atributo Tipo de dato Longitud Descripción
fts Integer [PK] Identificación del atributo
Altitud Numeric
Distancia vertical entre un nivel, punto u objeto
considerado como punto, y el nivel medio del mar
(MSL).
ISA 15 Double
precision
(International Standard Atmosphere) Atmósfera tipo
internacional
Tabla 6: Diccionario de datos: Transformaciones de la velocidad
TRANSFORMACIONES DE LA VELOCIDAD
Nombre en database: tabla 2
Atributo Tipo de dato Longitud Descripción
fts Integer [PK] Identificación del atributo
TAS Double
precision
Velocidad verdadera resultante de multiplicar la
velocidad indicada por el factor de conversion a una
altitud.
W Integer Velocidad del viento dependiente de la altitud.
GS Double
precision
Ground speed:Sumatoria de velocidad verdadera y
velocidad del viento.
31
Tabla 7: Diccionario de datos: Cálculos de espera
CÁLCULOS DE ESPERA
Nombre en database: c espera
Atributo Tipo de
dato Longitud Descripción
cons Integer
[PK]
Identificación del atributo
K Double
precision
Factor de conversión: para transformar la velocidad indicada en
velocidad verdadera para altitudes de 0 a 24.000 pies y
temperaturas de atmosfera estándar.
V Double
precision
Velocidad verdadera: producto de la multiplicación de velocidad
indicada por el factor de conversión (km/h o Kt)
v Double
precision
Velocidad en km por segundo o Nm por segundo
R Double
precision
Régimen de viraje en grados por segundo (no superior a tres grados
por segundo)
r Numeric
Radio de viraje a un ángulo de inclinación lateral designado con
aire en calma según corresponda.
h Integer Altitud en miles de pies o metros
w Integer Viento normalizado por la OACI en km/h o Kt
w’ Numeric Viento normalizado por la OACI en km/s o Nm/s
E45 Numeric
Efecto del viento durante el tiempo empleado para cambiar el
rumbo en 45°
t Integer Tiempo en segundos de los tramos de alejamiento y acercamiento
L Numeric
Distancia en km o Nm recorrida a velocidad determinada por
tiempo especifico
32
CÁLCULOS DE ESPERA
ab Numeric
Distancia entre los puntos a y b correspondientes a 5 segundos por
la velocidad en segundos
ac Numeric
Distancia entre los puntos a y c correspondientes a 11 segundos por
la velocidad en segundos
gi1 = gi3 Numeric
Distancia correspondiente a 5 segundos menos del tiempo de
alejamiento por la velocidad en segundos
gi2 = gi4 Numeric
Distancia correspondiente a 21 segundos adicionales al tiempo de
alejamiento por la velocidad en segundos
W b Numeric
Longitud del radio desde el punto b (5 segundos por la velocidad
del viento normalizado por la OACI en km/s o Nm/s)
Wc Numeric
Longitud del radio desde el punto c (11 segundos por la velocidad
del viento normalizado por la OACI en km/s o Nm/s)
Wd Numeric
Longitud del radio de Wc más el efecto del viento durante el
tiempo empleado para cambiar el rumbo en 45°
We Numeric
Longitud del radio de Wc más 2 veces el efecto del viento durante
el tiempo empleado para cambiar el rumbo en 45°
Wf Numeric
Longitud del radio de Wc más 3 veces el efecto del viento durante
el tiempo empleado para cambiar el rumbo en 45°
Wg Numeric
Longitud del radio de Wc más 4 veces el efecto del viento durante
el tiempo empleado para cambiar el rumbo en 45°
Wh Numeric
Longitud del radio de Wb más 4 veces el efecto del viento durante
el tiempo empleado para cambiar el rumbo en 45°
33
CÁLCULOS DE ESPERA
Wo Numeric
Longitud del radio de Wb más 5 veces el efecto del viento durante
el tiempo empleado para cambiar el rumbo en 45°
Wp Numeric
Longitud del radio de Wb más 6 veces el efecto del viento durante
el tiempo empleado para cambiar el rumbo en 45°
Wi1 =
Wi3 Numeric
Longitud del radio de un círculo con centros en el punto i1 e i3
Wi2 =
Wi4 Numeric
Longitud del radio de un círculo con centros en el punto i2 e i4
Wj Numeric Longitud del radio de un círculo con centro en el punto j
Wk =
W1 Numeric
Longitud del radio de un círculo con centros en el punto k y l
Wm Numeric Longitud del radio de un círculo con centro en el punto m
Wn3 Numeric Longitud del radio de un círculo con centro en el punto n3
Wn4 Numeric Longitud del radio de un círculo con centro en el punto n4
XE Numeric
Desplazamiento mayor de una aeronave a lo largo de la nominal
correspondiente al Eje X
YE Numeric
Desplazamiento mayor de una aeronave a lo largo de la
perpendicular a la nominal correspondiente al eje Y
Lo anterior para comprensión de términos durante la construcción automatizada de las áreas del
procedimiento de espera.
6.4 Programación del método estadístico
Para estructuras el método estadístico se usó lenguaje Python, importando incialmente las
librerías math para cálculos matemáticos y psycopg2 para la interacción con la base de datos
asociada en la construcción de procedimientos de espera para lograr un resultado.
34
En la ilustraciòn 11 se encuentra un ejemplo de los cálculos realizados para un caso en
específico en el que se tienen uno datos de entrada y, en las ilustraciones 12-13 está el método
estadístico que define las dimensiones resultantes de un caso específico, para la posterior
construcciòn de la plantilla para un procedimiento de espera como se ve en la ilustración 4.
Ilustración 11:Ejemplo de datos iniciales para el cálculo de áreas de procedimientos de espera
Ilustración 12:Ejemplo de método estadístico para el cálculo de áreas de procedimientos de espera, parte 1.
35
Ilustración 13: Ejemplo de método estadístico para el cálculo de áreas de procedimientos de espera, parte 2.
Con base en las fórmulas vistas en este ejemplo se generan las líneas de código pertinentes para
la creación de las variables iniciales de la herramienta tales como: velocidad, altitud, tiempo, curso,
coordenadas y así mismo las líneas correspondientes a cada uno de los 33 procesos matemáticos
cuyos resultados serán el insumo para la construcción de la plantilla de procedimientos de espera
y a su vez se almacenarán en la base de datos, permitiendo que al ingresar nuevos valores todas
estas operaciones se efectúen automáticamente: (ilustración 14)
Ilustración 14: Líneas de código Python para cálculos automatizados. (Elaboración propia)
36
6.5 Modelamiento para la construcción de áreas
Se realizó la construcción manual de la plantilla a fin de comprender el proceso de elaboración
de la primera parte de esta (Ilustración 15), donde el punto ‘a’ corresponde al punto de referencia
del procedimiento.
Ilustración 15: Construcción manual de plantilla en ArcGIS (Elaboración propia)
La construcción automática de las áreas de procedimientos de espera se enmarca en el siguiente
proceso (Ilustración 16):
Ilustración 16: Explicación del proceso de construcción (Elaboración propia)
37
Para ello, en Model Builder, que establece la conexión a la base de datos para traer los datos
almacenados en la base de datos así: (ilustración 17)
Posteriormente se traen los datos ingresados por el usuario correspondientes a las coordenadas
en WGS84 del punto de referencia conocido como punto inicial (a) (Ilustración 18), el cual debe
ser proyectado a coordenadas planas y generar nuevamente los valores de esta coordenada para los
ejes X e Y.
Ilustración 18:Punto de referencia (Elaboración propia)
A continuación, se integran todos los datos asociados
(Ilustración 19), es decir los 33 resultados matemáticos
con el punto a, para ejecutar con base en ellos las
herramientas que se mencionan a continuación con las
dimensiones que corresponderán a uno de los campos de
esta capa resultante.
Ilustración 17:Conexion a base de datos (Elaboración propia)
Ilustración 19:Ilustración 13: Unión con cálculos
asociados (Elaboración propia)
38
Para la automatización de todo el modelo, cuando era requerido realizar una línea se usó la
herramienta Bearing Distance To Line, garantizando en la capa de entrada que estuvieran los
campos del curso al que iba dirigido la línea, coordenadas iniciales de la línea y distancia. Para
esto, se agrega un Join con la tabla de datos principales cuando se requiere llamar alguna de las
distancias generadas automáticamente, además de usar Feature Vertice To Points para determinar
el punto final de la línea y sus coordenadas, ya que serán el punto de partida para una nueva línea
o polígono: (ilustración 20)
Ilustración 20: Herramientas empleadas para la automatización de líneas, puntos y coordenadas (Elaboración propia)
El uso adecuado y repetitivo de estas herramientas permitió generar puntos de referencia con
base en la velocidad, radio de viraje y altitud, que contienen el área inicial, considerando un
escenario en condiciones de aire en calma para la utilización de un sistema de navegación como
se muestra en la Ilustración 21.
Ilustración 21:Influencia de las tolerancias de navegación (Elaboración propia)
39
En seguida de este proceso cada uno de estos puntos se toman como centro y se generan buffers
que representan el efecto del viento en cada tramo del circuito de espera considerando la velocidad
del viento por el tiempo de vuelo desde el punto de referencia hasta cada uno de los puntos
subsiguientes cuyas dimensiones también están como resultados de los cálculos realizados en
Python, hasta obtener el resultado de la ilustración 22.
Ilustración 22:Influencia del viento en cada punto (Elaboración propia)
Como última parte de la primera fase se realiza el trazado de la plantilla como lo indica la
ilustración 3 del presente documento generando la envolvente de las áreas resultantes del paso
anterior, uniendo los buffers y empleando la herramienta minimum bounding geometry se obtiene
como resultado el área básica de procedimiento (Ilustración 23).
40
Ilustración 23: Área básica del procedimiento (Elaboración propia)
A continuación, se define el circuito nominal con el uso de las herramientas de la ilustración
20 iniciando en el punto de referencia ‘a’. Este circuito corresponde a la trayectoria que sigue un
piloto en una espera aeronáutica realizando virajes con distancia ‘r’, tramos de alejamiento y
acercamiento ‘L’ cuyas dimensiones dependerán de los cálculos resultantes de Python según los
datos de entrada que suministre el diseñador de procedimientos y visualmente está reflejado en la
Ilustración 24.
Ilustración 24: Circuito nominal (Elaboración propia)
41
A continuación, para generar el área intermedia de 5 Nm en torno al área básica de
procedimiento (Ilustración 23) se usa la herramienta buffer con distancias de una milla para
obtener como resultado la ilustración 25.
Ilustración 25: Área intermedia del procedimiento de espera (Elaboración propia)
6.6 Interfaz gráfica
Usando la librería de PyQT Designer se desarrolló una interfaz gráfica sencilla, práctica y
entendible para el ingreso de características con las que se va a diseñar el procedimiento de espera
para cualquier punto de referencia (ilustración 26).
Ilustración 266:Interfaz gráfica, para ingresar datos (Elaboración propia)
42
7 Resultados
Los resultados presentados a continuación corresponden a diferentes escenarios y aeronaves en
donde se tiene en cuenta factores como la velocidad y la altitud del procedimiento con el fin de
calcular la afectación en el rendimiento de las aeronaves, que puede visualizarse en la salida gráfica
como resultados de los cálculos efectuados de manera automática según lo establecido para la
construcción de áreas de espera. (Ilustración 27,28)
Ilustración 27: Ejemplo de resultados del ingreso de variables para determinada aeronave (Elaboración propia)
Ilustración 27:Ejemplo de resultados gráfico para las variables ingresadas (Elaboración propia)
43
Se realizaron pruebas con varias aeronaves evidenciando el comportamiento o proporción del
espacio aéreo que protege un procedimiento de espera cómo en cada caso se indica. Para ello se
usó simbología aeronáutica y BaseMap para análisis básico respecto al terreno.
ÁREAS DE FRANQUEAMIENTO DE OBSTÁCULOS
PARA PROCEDIIENTOS DE ESPERA
AERONAVE (Cat. A) VARIABLES
C-208 Caravan IAS: 175 Kt
Altitud: 8.000
Tiempo: 1 Min
Curso: 076
Punto de
espera: VOR Ambalema
Coordenadas: N: -74,7675
W: 4,78388889
44
ÁREAS DE FRANQUEAMIENTO DE OBSTÁCULOS
PARA PROCEDIIENTOS DE ESPERA
AERONAVE (Cat. A) VARIABLES
C-208 Caravan IAS: 175 Kt
Altitud: 8.000
Tiempo: 3 Min
Curso: 076
Punto de
espera:
VOR
Ambalema
Coordenadas: N: -74,7675
W: 4,78388889
45
ÁREAS DE FRANQUEAMIENTO DE OBSTÁCULOS
PARA PROCEDIIENTOS DE ESPERA
AERONAVE (Cat. B) VARIABLES
C-90 IAS: 140 Kt
Altitud: 17.000
Tiempo: 1 Min
Curso: 142
Punto de
espera:
VOR
Mariquita
Coordenadas: N: -74,92416677
W: 5.207222
46
ÁREAS DE FRANQUEAMIENTO DE OBSTÁCULOS
PARA PROCEDIIENTOS DE ESPERA
AERONAVE (Cat. B) VARIABLES
C-90 IAS: 180 Kt
Altitud: 19.000
Tiempo: 3 Min
Curso: 142
Punto de
espera:
VOR
Mariquita
Coordenadas: N: -74,92416677
W: 5.207222
47
ÁREAS DE FRANQUEAMIENTO DE OBSTÁCULOS
PARA PROCEDIIENTOS DE ESPERA
AERONAVE (Cat. C) VARIABLES
Boeing 727 – 200 Vulcano IAS: 180 Kt
Altitud: 11.000
Tiempo: 1 Min
Curso: 41
Punto de
espera: VOR Soacha
Coordenadas: N: -74,277222
W: 4,6050
48
ÁREAS DE FRANQUEAMIENTO DE OBSTÁCULOS
PARA PROCEDIIENTOS DE ESPERA
AERONAVE (Cat. C) VARIABLES
Boeing 727 – 200 Vulcano IAS: 180 Kt
Altitud: 11.000
Tiempo: 2 Min
Curso: 41
Punto de espera: VOR Soacha
Coordenadas: N: -74,277222
W: 4,6050
49
ÁREAS DE FRANQUEAMIENTO DE OBSTÁCULOS
PARA PROCEDIIENTOS DE ESPERA
AERONAVE (Cat. C) VARIABLES
Boeing 727 – 200 Vulcano IAS: 180 Kt
Altitud: 11.000
Tiempo: 3 Min
Curso: 41
Punto de espera: VOR Soacha
Coordenadas: N: -74,277222
W: 4,6050
50
ÁREAS DE FRANQUEAMIENTO DE OBSTÁCULOS
PARA PROCEDIIENTOS DE ESPERA
AERONAVE (Cat. C) VARIABLES
Boeing 727 – 200 Vulcano IAS: 180 Kt
Altitud: 14.000
Tiempo: 1 Min
Curso: 41
Punto de
espera: VOR Soacha
Coordenadas: N: -74,277222
W: 4,6050
51
ÁREAS DE FRANQUEAMIENTO DE OBSTÁCULOS
PARA PROCEDIIENTOS DE ESPERA
AERONAVE (Cat. C) VARIABLES
Boeing 727 – 200 Vulcano IAS: 180 Kt
Altitud: 14.000
Tiempo: 2 Min
Curso: 41
Punto de
espera: VOR Soacha
Coordenadas: N: -74,277222
W: 4,6050
52
ÁREAS DE FRANQUEAMIENTO DE OBSTÁCULOS
PARA PROCEDIIENTOS DE ESPERA
AERONAVE (Cat. C) VARIABLES
Boeing 727 – 200 Vulcano IAS: 180 Kt
Altitud: 14.000
Tiempo: 3 Min
Curso: 41
Punto de
espera: VOR Soacha
Coordenadas: N: -74,277222
W: 4,6050
53
ÁREAS DE FRANQUEAMIENTO DE OBSTÁCULOS
PARA PROCEDIIENTOS DE ESPERA
AERONAVE (Cat. D) VARIABLES
Boeing 767 – 200 Jupiter IAS: 230 Kt
Altitud: 12.000
Tiempo: 1.5 Min
Curso: 6
Punto de
espera: FIX GEML
Coordenadas: N: -75.4221444
W: 5.87557500
54
ÁREAS DE FRANQUEAMIENTO DE OBSTÁCULOS
PARA PROCEDIIENTOS DE ESPERA
AERONAVE (Cat. E) VARIABLES
Kfir C – 10 IAS: 280 Kt
Altitud: 14.000
Tiempo: 1 Min
Curso: 158
Punto de
espera: TANGO 1
Coordenadas: N: -74.43805556
W: 4.90055556
55
7.1 Análisis de resultados gráficos
Las dimensiones de las áreas anteriores presentan variaciones tales como:
Los tramos de alejamiento y acercamiento tienen mayor longitud por el tiempo que se le
definió a la espera aeronáutica, ya que, a mayor tiempo, mayor distancia recorrida por la
velocidad que lleve la aeronave.
El radio de viraje también en algunos casos es más amplio que otros y también está
directamente ligado a la velocidad de la aeronave en términos de altitud.
Los factores de cálculo como la velocidad y el ángulo de viraje o inclinación lateral, además
de los factores externos como la temperatura exterior, la altitud, la presión atmosférica y el viento,
son los que definen la proporción que tendrá el área de espera, es por ello que el análisis respecto
al terreno y obstáculos presentes en la zona, posterior a la construcción del área se podrá realizar
con mayor eficiencia.
7.2 Resultados del proyecto
De acuerdo con lo expuesto consideramos que se cumplió con el objetivo principal de este
proyecto, al automatizar el diseño de procedimientos de espera por instrumentos a partir de
herramientas de análisis espacial, optimizando los tiempos de elaboración de una sola plantilla que
requería de una jornada de trabajo regular de 8 horas a 6 minutos aproximadamente.
Adicionalmente se propone al personal responsable del diseño de procedimientos de vuelo una
herramienta automatizada para la construcción de procedimientos de espera con el potencial de
reducir en un gran número los errores, ahorrar tiempo y mantenerse dentro de los parámetros
requeridos, además de estar a la vanguardia con los avances tecnológicos en materia de aviación,
56
tales como la implementación de nuevos sistemas de navegación y optimización del uso de
espacios aéreos.
Adicionalmente es una herramienta que abre las puertas a un desarrollo acorde a las necesidades
de los diseñadores de procedimientos de vuelo, logrando obtener algunas de las capacidades que
ofrecen softwares como EFPDAM, GPD o GeoTITÁN, que por sus altos costos de compra y
mantenimiento a la fecha no se han podido adquirir.
57
8 Conclusiones
1. Se logró automatizar el proceso de construcción de áreas procedimientos de espera,
reduciendo los tiempos de producción aproximadamente en un 98% para una sola
plantilla, mediante una herramienta fácil, dinámica y de uso sencillo.
2. Esta herramienta favorece la oportuna toma de decisiones para los diseñadores de
procedimientos, controladores aéreos y comandantes de Unidad para la aplicación de
este producto en ejercicios como revistas aéreas, operaciones, además de reducir costos
operacionales y aumentando la productividad del personal.
3. El desarrollo de cálculos a través del lenguaje de programación garantiza un estándar de
calidad reduciendo el error humano que puede presentarse al ejecutar este proceso de
forma manual.
4. Se logró construir una base de datos sólida en PostgreSQL que puede ser empleada
para procesos futuros de automatización en la Fuerza Aérea Colombiana por ser
confiable, libre y asociado con cualquier sistema de información geográfica.
58
9 Recomendaciones
Se recomienda continuar con la aplicación y mejoras al código de programación a fin de
garantizar austeridad, simplicidad de líneas, además de permitir la vinculación de futuras
alternativas al diseño de procedimientos aeronáuticos.
Así mismo consideramos importante que se continúe con el uso de la base de datos PostgreSQL
en futuras automatizaciones del diseño de procedimientos de vuelo.
59
10 Bibliografía
Fuerza Aérea Colombiana. Disposición 030 de 2015. , (2015).
Ministerio de Defensa Nacional. Decreto 2937 de 2010. , Pub. L. No. Decreto 2937, 5 de agosto
de 2010 4 (2010).
Ministerio de Transporte. Decreto 260 de 2004. , Pub. L. No. Decreto 260 de 2004, Ministerio de
Transporte 18 (2004).
Organización de Aviación Civil Internacional. (2014). Operación de aeronaves (Sexta; OACI,
ed.). Recuperado de www.icao.int