Mühendislik Hava Trafiği

Materyal Oluşturma (Her ekip için)

Gerekli malzemeler

• internet erişimi
• NASA Uçuş Simülatörü - https://atcsim.nasa.gov/

Tasarım Yarışması

Siz, mevcut Hava Trafik Kontrolü (ATC) teknolojisini - bunu kendiniz kullanarak - değerlendirme ve ATC'yi daha güvenli veya daha verimli hale getirebilecek mühendislik değişiklikleri önermenin zorluğu verilen bir mühendis ekibisiniz.

1. Sınıfı 2-3 kişilik takımlara ayırın.
2. Mühendislik Hava Trafiği çalışma sayfasını dağıtın ve NASA Flight Simulator web sitesini verin https://atcsim.nasa.gov/
3. Arka Plan Kavramları Bölümündeki konuları tartışın. Öğrencilere uçakla seyahat ederken bir hava kontrol kulesi görüp görmediklerini sormayı düşünün. Kontrol kulesindeki insanların endişelenmesi gereken bazı şeyler nelerdir?
4. Mühendislik Tasarım Sürecini ve Tasarım Zorluğunu gözden geçirin.
5. Öğrencilerin Amerika Birleşik Devletleri'nde Sektör 33'te hava trafik kontrolünü sanal olarak devralmak için bir ekip olarak çalışacaklarını açıklayın. Öğrenciler, Modesto, CA'ya (MOD) vardıklarında 3 deniz mili aralıklarla seyahat etmeleri için üç uçağı sıralamak için rota ve / veya hız değişikliklerini planlamak için bir NASA simülasyonu (https://atcsim.nasa.gov/) kullanacaklar.

Ek olarak, zaman kritiktir, bu nedenle son uçak mümkün olan en kısa sürede varmalı ve uçaklar asla birbirine 2 deniz milinden fazla yaklaşmamalıdır.

6. Bir plan geliştirmeleri gereken süreyi duyurun (1 saat önerilir).
7. Zamanında kalmanızı sağlamak için bir zamanlayıcı veya çevrimiçi bir kronometre (geri sayım özelliği) kullanın. www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Öğrencilere, görevde kalmaları için düzenli "zaman kontrolleri" verin. Mücadele ediyorlarsa, onları daha hızlı bir çözüme götürecek sorular sorun.
8. Öğrenciler, uçaklarının yollarını ve hızlarını çözmek için buluşur ve bir plan geliştirir.
9. Takımlar planlarını uygular ve simülatörü dener.
10. Her takım problem için dört denemeyi tamamlamalı ve en hızlı tamamlama hızlarını kaydetmelidir.
11. Her ekip sonuçlarını değerlendirir ve ardından radar ile insan arasındaki mevcut arayüzde tasarlayacakları iyileştirmeleri belirlemek için toplanır. Örneğin, öğrenciler ilk olarak hangi uçağın inmesi gerektiğini seçme kriterlerini düşünebilirler. En fazla insanı olanı, en az yakıtı olanı mı yoksa zamana duyarlı uçuş bağlantıları kuran daha fazla insanı olanı mı önerirler?
12. Sınıf olarak, öğrenci yansıtma sorularını tartışın.
13. Konuyla ilgili daha fazla içerik için "Daha Derin Kazma" bölümüne bakın.

İleri düzey lise öğrencileri için

Microsoft Flight Simulator Yazılımını keşfetmeyi düşünün (www.microsoft.com/en-us/p/avion-flight-simulator2015/9nblggh1p8lq#activetab=pivot:overviewtab)

Öğrenci Yansıması (mühendislik defteri)

1. Ekibinizin hava trafik kontrol problemini çözmedeki en hızlı hızı neydi? Bu, sınıfınızdaki diğer takımların hızıyla nasıl karşılaştırıldı?
2. Ekibiniz, mühendislerin radar arayüzüne eklemeyi düşünmesi gereken hangi geliştirmeleri belirledi? Bu mühendislik ürünü iyileştirmelerin hangi sorunları çözeceğini düşündünüz?
3. Bilgi işlem ve veri sistemlerinde kullanılan yazılım ve donanımlar sıklıkla yeniden yapılandırılır. Son birkaç yılda sınıfınızda veya ekipman okulunuzda değişen birkaç örneği listeleyin. Mühendislerin yeni tasarımlarıyla hangi sorunları çözmeye çalıştığını düşünüyorsunuz?
4. Tüm destekleyici teknoloji ve mühendisliğin ortadan kaldırılması durumunda seyahatin nasıl olacağını düşündüğünüzü ekip olarak tartışın. Ülkenizde bir seyahatin zaman, maliyet ve konfor açısından nasıl değişeceğini açıklayın.
5. Hava trafiği başka nasıl kontrol edilebilir? Global konumlandırma sistemlerinin, basit görsel kontrollerin ve diğer yöntemlerin kullanımını düşünün. Hangi sistem veya mevcut sistemler kombinasyonunun en güvenli olduğunu düşünüyorsunuz?

Ders, daha büyük öğrenciler için 1 ders dönemi kadar kısa bir sürede yapılabilir. Bununla birlikte, öğrencilerin acele hissetmelerine yardımcı olmak ve öğrenci başarısını sağlamak için (özellikle daha genç öğrenciler için) dersi iki döneme ayırın, öğrencilere beyin fırtınası yapmaları, fikirleri test etmeleri ve tasarımlarını tamamlamaları için daha fazla zaman verin. Bir sonraki sınıf döneminde testi ve sorgulamayı gerçekleştirin.

Hava Trafik Kontrol Sistemi Teknolojisi 

ATC Açıklaması 

Hava trafik kontrolü (ATC), uçağı yerde ve havada yönlendiren yer tabanlı kontrolörler tarafından sağlanan bir hizmettir. Bir kontrolörün birincil görevi, belirli uçakları ayırmaktır - yanal, dikey ve uzunlamasına ayırma kullanarak birbirlerine çok yaklaşmalarını önlemek. İkincil görevler arasında düzenli ve hızlı trafik akışını sağlamak ve pilotlara hava durumu, navigasyon bilgileri ve NOTAM'lar (Havacılara Bildirimler) gibi bilgiler sağlamak yer alır.  

Teknoloji Fark Yaratır 

Bazı hava trafiği görsel olarak yönetilirken, hava trafik kontrol sistemlerinde birçok teknoloji kullanılmaktadır. Birincil ve ikincil radar, kendisine atanan hava sahasında bir kontrolörün "durumsal farkındalığını" artırmak için kullanılır, çünkü her türden hava aracı, radar enerjisi derilerinden sıçradığında kontrolörlerin ekranlarına farklı boyutlardaki birincil yankıları geri gönderir ve alıcı-verici donanımlı uçak yanıtı bir kimlik, bir yükseklik ve / veya benzersiz bir çağrı işareti vererek ikincil radar sorgulamalarına. Bazı hava durumu türleri de radar ekranına kaydedilebilir. Diğer radarlardan gelen verilere eklenen bu girdiler, hava durumunu oluşturmak için ilişkilendirilir. Radar izlerinde, yer hızının ve manyetik yönlerin hesaplanması gibi bazı temel işlemler gerçekleşir. Elektronik uçuş planları ile diğer korelasyonlar, modern operasyonel görüntüleme sistemlerindeki kontrolörler için de mevcuttur.  

Radar Nasıl Çalışır? 

Radar, uçak, gemi, motorlu taşıtlar, hava durumu oluşumları ve arazi gibi hareketli ve sabit nesnelerin menzilini, yüksekliğini, yönünü veya hızını belirlemek için elektromanyetik dalgaları kullanan bir sistemdir. Bir verici, hedef tarafından yansıtılan ve bir alıcı tarafından tespit edilen, tipik olarak verici ile aynı konumda bulunan radyo dalgaları yayar. Dönen radyo sinyali genellikle çok zayıf olsa da, radyo sinyalleri kolaylıkla yükseltilebilir. Radar, yağışların meteorolojik tespiti, hava trafik kontrolü, hızlanan trafiğin polis tarafından tespit edilmesi ve ordu dahil olmak üzere birçok bağlamda kullanılmaktadır. RADAR terimi, 1941'de Radio Detection and Ranging'in kısaltması olarak icat edildi. Amerikan kökenli bu kısaltma, daha önce kullanılan İngiliz kısaltması RDF'nin (Radio Direction Finding anlamına gelen) yerini almıştır. 

Ölçme Mesafesi 

Bir nesneye olan mesafeyi ölçmenin bir yolu, kısa bir radyo sinyali darbesi (elektromanyetik radyasyon) iletmek ve yansımanın geri dönmesi için geçen süreyi ölçmektir. Mesafe, gidiş dönüş süresinin (çünkü sinyalin hedefe gitmesi ve ardından alıcıya geri dönmesi gerektiğinden) ve sinyalin hızının çarpımının yarısıdır. Radyo dalgaları ışık hızında hareket ettiğinden (saniyede 186,000 mil veya saniyede 300,000,000 metre), doğru mesafe ölçümü yüksek performanslı elektronikler gerektirir. Diğer bir mesafe ölçüm radarı biçimi, frekans modülasyonuna dayanır. İki sinyal arasındaki frekans karşılaştırması, eski elektronik cihazlarda bile sinyali zamanlamadan önemli ölçüde daha doğrudur. Döndürülen sinyalin frekansını değiştirerek ve bunu orijinal ile karşılaştırarak, fark kolaylıkla ölçülebilir. Bu teknik, sürekli dalga radarında kullanılabilir ve genellikle uçak radar altimetrelerinde bulunur.  

Küresel Radar Kapsamı 

Hava trafik merkezleri geniş bir hava sahası alanını kontrol ettikleri için, tipik olarak, uçakları radar anteninin 200 deniz mili (370 km) yakınında görme yeteneğine sahip uzun menzilli radar kullanacaklardır. ABD sisteminde, daha yüksek rakımlarda, ABD hava sahasının% 90'ından fazlası radarla ve genellikle birden çok radar sistemi tarafından kapsanmaktadır. Bir merkez, kendilerine atanan hava sahasını kapsamak için çok sayıda radar sistemine ihtiyaç duyabilir. Bu, denetleyicinin kullanabileceği büyük miktarda veriyle sonuçlanır. Bunu ele almak için, kontrolör için radar verilerini birleştiren otomasyon sistemleri tasarlanmıştır. Bu birleştirme, yinelenen radar dönüşlerini ortadan kaldırmayı, her coğrafi alan için en iyi radarın verileri sağlamasını ve verileri etkili bir formatta görüntülemeyi içerir. Bazı Hava Seyrüsefer Hizmet Sağlayıcıları (örn. Airservices Australia, Alaska Center, vb.), Gözetim yeteneklerinin bir parçası olarak Otomatik bağımlı Gözetim - Yayın (ADS-B) uygulamaktadır. Bu yeni teknoloji radar konseptini tersine çeviriyor. Radar, alıcı-vericiyi sorgulayarak bir hedefi “bulmak” yerine, uçağın konumunu saniyede birkaç kez iletir. ADS ayrıca, uçağın önceden belirlenmiş bir zaman aralığına göre bir pozisyon bildirdiği "sözleşme" modu gibi başka modlara da sahiptir. Bu önemlidir, çünkü bir radar sistemi için altyapının (örneğin su üzerinde) bulunmasının mümkün olmadığı yerlerde kullanılabilir. Bilgisayarlı radar ekranları artık ekranın bir parçası olarak ADS girişlerini kabul edecek şekilde tasarlanmaktadır. Bu teknoloji geliştikçe, okyanus ATC prosedürleri bu teknolojinin sağladığı faydalardan yararlanmak için modernize edilecektir.  

Küresel Hususlar 

Küresel Hava Trafik Yönetimi (GATM), uydu tabanlı iletişim, seyrüsefer, gözetleme ve hava trafiği yönetimi için bir kavramdır. Federal Havacılık İdaresi ve Birleşmiş Milletler'in özel bir ajansı olan Uluslararası Sivil Havacılık Örgütü, dünya çapında giderek kalabalıklaşan hava sahasında hava yolculuğunun güvenli ve etkili olmasını sağlamak için GATM standartlarını oluşturdu. GATM'nin Hava Trafik Kontrolörlerini verimli bir şekilde desteklemesini sağlayacak yeni teknolojileri uygulamak için tüm dünyada çaba gösterilmektedir. Airservices Australia ADS-B girişimi, bu alandaki başlıca uygulama programlarından biridir.

• Hava Trafik Kontrol Sistemi: Uçakları yerde ve havada yönlendiren yer tabanlı kontrolörler tarafından sağlanan bir hizmet.
• Rakım: Yerden veya deniz seviyesinden yükseklik.
• Kısıtlamalar: Malzeme, zaman, ekibin büyüklüğü vb. ile ilgili sınırlamalar.
• Kriterler: Tasarımın genel boyutu vb. gibi karşılaması gereken koşullar.
• Mühendisler: Dünyanın mucitleri ve problem çözücüleri. Mühendislikte yirmi beş ana uzmanlık tanınır (infografiklere bakın).
• Mühendislik Tasarım Süreci: Süreç mühendisleri sorunları çözmek için kullanır. 
• Mühendislik Zihni Alışkanlıkları (EHM): Mühendislerin düşündüğü altı benzersiz yol.
• Yineleme: Test ve yeniden tasarım bir yinelemedir. Tekrarla (birden çok yineleme).
• Prototip: Test edilecek çözümün çalışan bir modeli.
• Radar (Radyo Algılama ve Menzil): Uçak, gemi, motorlu taşıtlar, hava oluşumları ve arazi gibi hem hareketli hem de sabit nesnelerin menzilini, irtifasını, yönünü veya hızını belirlemek için elektromanyetik dalgalar kullanan bir sistem.

İnternet Bağlantıları

Hava Trafik Simülatörü
NASA Geleceğin Uçuş Tasarımı
Hava Trafik Kontrol Sistemi Komuta Merkezi
Canlı hava trafik kontrolörlerini dinleyin
Uluslararası sivil havacılık organizasyonu

Önerilen Kaynaklar

Hava Trafik Kontrolünün Temelleri (ISBN: 0534393888)
Örgütsel Simülasyon (Sistem Mühendisliği ve Yönetiminde Wiley Serisi) (ISBN: 0471681636) 

Yazma aktivitesi

Hava trafik kontrolündeki mühendislik gelişmelerinin küresel ekonomiyi nasıl etkilediğini düşündüğünüz hakkında bir makale veya paragraf yazın. Daha fazla insan ve eşyanın daha verimli seyahat etme yeteneğini düşünün.

Müfredat Çerçevelerine Uyum

Not: Bu serideki ders planları, aşağıdaki standartlardan bir veya daha fazlasıyla uyumludur:  

• ABD Bilim Eğitimi Standartları (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• ABD Yeni Nesil Bilim Standartları (http://www.nextgenscience.org/) 
• Uluslararası Teknoloji Eğitimi Derneği'nin Teknolojik Okuryazarlık Standartları (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• ABD Ulusal Matematik Öğretmenleri Konseyi'nin Okul Matematiği İlkeleri ve Standartları (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• Matematik için ABD Ortak Çekirdek Eyalet Standartları (http://www.corestandards.org/Math)
• Bilgisayar Bilimleri Öğretmenleri Derneği K-12 Bilgisayar Bilimleri Standartları (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Ulusal Bilim Eğitimi Standartları 5-8. Sınıflar (10-14 yaş)

İÇERİK STANDART A: Araştırma Olarak Bilim

Aktiviteler sonucunda tüm öğrenciler gelişmelidir

• Bilimsel araştırma yapmak için gerekli yetenekler 
• Bilimsel sorgulama ile ilgili anlayışlar 

İÇERİK STANDART B: Fiziksel Bilimler

Faaliyetlerinin bir sonucu olarak, tüm öğrenciler bir anlayış geliştirmelidir.

• Hareketler ve kuvvetler 

İÇERİK STANDART E: Bilim ve Teknoloji

5-8. Sınıflardaki aktiviteler sonucunda tüm öğrenciler gelişmelidir.

• Teknolojik tasarım yetenekleri 
• Bilim ve teknoloji ile ilgili anlayışlar 

İÇERİK STANDART F: Kişisel ve Sosyal Perspektiflerde Bilim

Aktivitelerin bir sonucu olarak, tüm öğrenciler,

• Toplumda bilim ve teknoloji

Ulusal Bilim Eğitimi Standartları 9-12. Sınıflar (14-18 yaş)

İÇERİK STANDART A: Araştırma Olarak Bilim

Aktiviteler sonucunda tüm öğrenciler gelişmelidir

• Bilimsel araştırma yapmak için gerekli yetenekler 
• Bilimsel sorgulama ile ilgili anlayışlar 

İÇERİK STANDART E: Bilim ve Teknoloji

Aktiviteler sonucunda tüm öğrenciler gelişmelidir

• Teknolojik tasarım yetenekleri 
• Bilim ve teknoloji ile ilgili anlayışlar 

İÇERİK STANDART F: Kişisel ve Sosyal Perspektiflerde Bilim

Aktivitelerin bir sonucu olarak, tüm öğrenciler,

• Yerel, ulusal ve küresel zorluklarda bilim ve teknoloji 

Yeni Nesil Bilim Standartları 3-5. Sınıflar (8-11 Yaş)

Enerji

Anladıklarını gösteren öğrenciler şunları yapabilir:

• 4-PS3-1. Bir nesnenin hızı ile o nesnenin enerjisini ilişkilendiren bir açıklama oluşturmak için kanıt kullanın.

Yeni Nesil Bilim Standartları 3-5. Sınıflar (8-11 Yaş)

Mühendislik tasarımı 

Anladıklarını gösteren öğrenciler şunları yapabilir:

• 3-5-ETS1-1. Başarı için belirlenmiş kriterler ve malzemeler, zaman veya maliyet üzerindeki kısıtlamaları içeren bir ihtiyacı veya isteği yansıtan basit bir tasarım problemi tanımlayın.
• 3-5-ETS1-2. Sorunun kriterlerini ve kısıtlamalarını her birinin ne kadar iyi karşılayacağına bağlı olarak bir soruna birden çok olası çözüm üretin ve karşılaştırın.
• 3-5-ETS1-3. Bir modelin veya prototipin iyileştirilebilecek yönlerini belirlemek için değişkenlerin kontrol edildiği ve başarısızlık noktalarının dikkate alındığı adil testler planlayın ve uygulayın.

Yeni Nesil Bilim Standartları 6-8. Sınıflar (11-14 Yaş)

Mühendislik tasarımı 

Anladıklarını gösteren öğrenciler şunları yapabilir:

• MS-ETS1-2, problemin kriterlerini ve kısıtlamalarını ne kadar iyi karşıladıklarını belirlemek için sistematik bir süreç kullanarak rakip tasarım çözümlerini değerlendirin.

Yeni Nesil Bilim Standartları 9-12. Sınıflar (14-18 Yaş)

Mühendislik tasarımı

• HS-ETS1-4. Önerilen çözümlerin karmaşık bir gerçek dünya problemine etkisini, problemle ilgili sistemler içindeki ve sistemler arasındaki etkileşimler üzerindeki çok sayıda kriter ve kısıtlama ile modellemek için bir bilgisayar simülasyonu kullanın.

Okul Matematiği İlkeleri ve Standartları (11 - 14 yaş)

Sayılar ve İşlemler   

• Akıcı bir şekilde hesaplayın ve makul tahminlerde bulunun   
• Ölçeklendirme ve eşdeğer oranlar bulma gibi oranlarla ilgili problemleri çözmek için yöntemler geliştirin, analiz edin ve açıklayın.

Cebir   

• Nicel ilişkileri temsil etmek ve anlamak için matematiksel modeller kullanın.   
• Grafikler, tablolar ve denklemler gibi çeşitli temsilleri kullanarak bağlamsal problemleri modelleyin ve çözün.

Ölçüm   

• Ölçüleri belirlemek için uygun teknikleri, araçları ve formülleri uygulayın.
• Hız ve yoğunluk gibi özellikler için hızları ve türetilmiş ölçümleri içeren basit problemleri çözün.

Problem çözme   

•   Matematikte ve diğer bağlamlarda ortaya çıkan problemleri çözün. 
•   Sorunları çözmek için çeşitli stratejiler uygulayın ve uyarlayın. 

Okul Matematiği İlkeleri ve Standartları (11 - 14 yaş) (devam)

Bağlantılar   

• Matematiği matematiğin dışındaki bağlamlarda tanır ve uygular.

Temsil   

• Problemleri çözmek için matematiksel temsilleri seçin, uygulayın ve çevirin.
• Temsili fiziksel, sosyal ve matematiksel olayları modellemek ve yorumlamak için kullanın.

Cebir   

• Çeşitli bağlamlardaki değişikliği analiz edin.
• Grafiksel ve sayısal verilerden değişim oranlarını yaklaşık olarak değerlendirin ve yorumlayın. 

Problem çözme   

• Matematikte ve diğer bağlamlarda ortaya çıkan problemleri çözün.
• Sorunları çözmek için çeşitli stratejiler uygulayın ve uyarlayın.

Bağlantılar   

• Matematiği matematiğin dışındaki bağlamlarda tanır ve uygular. 

Temsil   

• Problemleri çözmek için matematiksel temsilleri seçin, uygulayın ve çevirin. 

Okul Matematiği için Ortak Çekirdek Eyalet Standartları: İçerik (10-14 yaş)

Oranlar ve Orantılı İlişkiler

• Orantılı ilişkileri analiz edin ve bunları gerçek dünya ve matematiksel problemleri çözmek için kullanın.
• CCSS.Math.Content.7.RP.A.1 Uzunluk oranları, alanlar ve benzer veya farklı birimlerle ölçülen diğer miktarlar dahil olmak üzere kesir oranlarıyla ilişkili birim oranları hesaplayın. Örneğin, bir kişi her 1/2 saatte 1/4 mil yürürse, birim hızı saatte 1/2/1/4 mil karmaşık kesir olarak hesaplayın, eşit olarak saatte 2 mil.

Teknolojik Okuryazarlık Standartları - Tüm Yaşlar

Teknolojinin Doğası

• Standart 1: Öğrenciler teknolojinin özellikleri ve kapsamı hakkında bir anlayış geliştireceklerdir.
• Standart 2: Öğrenciler teknolojinin temel kavramları hakkında bir anlayış geliştireceklerdir.
• Standart 3: Öğrenciler, teknolojiler arasındaki ilişkiler ve teknoloji ile diğer çalışma alanları arasındaki bağlantılar hakkında bir anlayış geliştireceklerdir.

Teknoloji ve Toplum

• Standart 4: Öğrenciler teknolojinin kültürel, sosyal, ekonomik ve politik etkilerine ilişkin bir anlayış geliştireceklerdir.
• Standart 6: Öğrenciler, teknolojinin geliştirilmesi ve kullanımında toplumun rolüne ilişkin bir anlayış geliştireceklerdir.

Dizayn

• Standart 9: Öğrenciler bir mühendislik tasarımı anlayışı geliştireceklerdir.
• Standart 10: Öğrenciler sorun giderme, araştırma ve geliştirme, icat ve yenilik ve problem çözmede deney yapmanın rolüne ilişkin bir anlayış geliştireceklerdir.

Teknolojik Bir Dünya İçin Yetenekler

• Standart 12: Öğrenciler teknolojik ürün ve sistemleri kullanma ve sürdürme becerilerini geliştireceklerdir.
• Standart 13: Öğrenciler, ürünlerin ve sistemlerin etkisini değerlendirme becerilerini geliştireceklerdir.

Tasarlanmış Dünya

• Standart 17: Öğrenciler, bilgi ve iletişim teknolojileri hakkında bir anlayış geliştirecek ve bunları seçebilecek ve kullanabilecektir.
• Standart 18: Öğrenciler ulaşım teknolojileri hakkında bir anlayış geliştirecek ve bunları seçebilecek ve kullanabilecektir.

• Arapça
• Çince
• Fransızca
• Almanca
• Japonca
• Rusça
• İspanyolca