Strategic Trajectory De-confliction to Enable Seamless Aircraft Conflict Management

Abstract

Actualment, degut a la creixent demanda del transport aeri, que facilita desplaçaments segurs y ràpids, es pot observar una gran densitat de tràfic. Alguns dels sectors de l’actual espai aeri europeu poden congestionar-se en certs períodes, podent arribar inclús a la completa saturació en les hores punta de més confluència. Algunes prediccions fetes per la Unió Europea han pronosticat un augment del número d’operacions de tràfic aeri per la pròxima dècada d’almenys el doble amb respecte als nivells de tràfic actuals. Por això, la Unió Europea va inicià un projecte (el projecto SESAR) per tal de modernitzar la tecnologia i els procediments que actualment s’usen en la gestió del tràfic aeri (ATM, de les sigles en anglès) amb motiu d’incrementar la capacitat del espai aeri. Como contribució tecnològica, este projecte d’investigació introdueix algoritmes de resolució estratègica de conflictes (en anglès “Strategic De-confliction”) que han estat desenvolupats sota el projecte STREAM de EUROCONTROL y llançats sota el paraigües del programa Single European Sky ATM Research (SESAR). El concepte fonamental és la utilització de la informació de qualitat present just abans de l’enlairament i/o durant el vol amb el fi d’assignar rutes/trajectòries lliures de conflicte en la fase de planificació de tràfic, el que en absència d’ incerteses de xarxa i/o de vol hauria de donar lloc de forma efectiva a un escenari lliure de conflictes durant la fase de execució. En aquesta dissertació es presenten els principals mòduls del sistema implementat, és a dir, els mòduls de detecció y de resolució de conflictes. El mòdul de Detecció de Conflictes (CD) fa ús d’Estructures de Dades Espacials (SDS, de les sigles en anglès) com a tecnologia vehicular per crear un entorn micro-escala del ATM en el qual és possible emmagatzemar i gestionar la descripció precisa de gran quantitat de trajectòries (milers de trajectòries), pel que potencialment es possible habilitar una vista completa y centralitzada del espai de estats del sistema en cada moment així com la seva evolució al llarg del temps. Aquesta és una contribució clau de la investigació donat que un model micro-escala permet tindre una representació global en esdeveniments discrets del sistema dinàmic, la utilitat del qual és crucial per obtenir un millor enteniment sobre les complexitats y dinàmiques emergents del sistema que sense una perspectiva (4D/nD) del sistema ATM no seria possible comprendre. El mòdul de Resolució de Conflictes (CR) pot explorar els efectes dominó que poden sorgir per la modificació local de trajectòries durant el procés d’assignació de rutes. Al final del procés, s’identifiquen varis escenaris lliures de conflicte y Paretto-eficients. Diversos indicadors de rendiment poden considerar-se en un procés d’optimització multi-criteri, obtenint d’aquesta manera una eina flexible per una planificació de vols col·laborativa. La implementació s’ha realitzat en C++ y Orientat a Objectes. Diverses simulacions amb tràfic realista (amb i sense incertesa) s’han analitzat per verificar el correcte funcionament dels conceptes. Els resultats de simulació han mostrat que la eina presentada de Strategic De-confliction és excel·lent des del punt de vista computacional i que és capaç d’identificar i gestionar les dinàmiques emergents del sistema.

Actualmente, debido a la creciente demanda del transporte aéreo, que facilita desplazamientos seguros y rápidos, puede observarse una gran densidad de tráfico. Algunos de los sectores del actual espacio aéreo europeo pueden congestionarse en ciertos períodos, llegando incluso a su completa saturación en las horas punta de mayor confluencia. Algunas predicciones elaboradas por la Unión Europea han pronosticado un aumento del número de operaciones de tráfico aéreo para la próxima década de al menos el doble con respecto a los niveles de tráfico actuales. Por ello, la Unión Europea inició un proyecto (el proyecto SESAR) para modernizar la tecnología y los procedimientos que se usan actualmente en la gestión del tráfico aéreo (ATM, de sus siglas en inglés) con el motivo de incrementar la capacidad del espacio aéreo. Como contribución tecnológica, este proyecto de investigación introduce algoritmos de resolución estratégica de conflictos (en inglés “Strategic De-confliction”) que han sido desarrollados bajo el proyecto STREAM de EUROCONTROL y lanzados bajo el paraguas del programa Single European Sky ATM Research (SESAR). El concepto fundamental es la utilización de la información de calidad presente justo antes del despegue y/o durante el vuelo con el fin de asignar rutas/trayectorias libres de conflicto en la fase de planificación de tráfico, lo que en ausencia de incertidumbres de red y/o de vuelo debe dar lugar de forma efectiva a un escenario libre de conflictos durante la fase de ejecución. En esta disertación se presentan los principales módulos del sistema implementado, esto es, los módulos de detección y de resolución de conflictos. El módulo de Detección de Conflictos (CD) hace uso de Estructuras de Datos Espaciales (SDS, de sus siglas en inglés) como tecnología vehicular para crear un entorno micro-escala del ATM en el cual es posible almacenar y gestionar la descripción precisa de gran cantidad de trayectorias (miles de trayectorias), por lo que potencialmente se puede habilitar una vista completa y centralizada del espacio de estados del sistema en cada momento así como su evolución a lo largo del tiempo. Ésta es una contribución clave de la investigación puesto que un modelo micro-escala permite tener una representación global en eventos discretos del sistema dinámico, cuya utilidad es crucial para obtener un mejor entendimiento sobre las complejidades y dinámicas emergentes del sistema que sin una perspectiva (4D/nD) del sistema ATM no se podrían comprender. El módulo de Resolución de Conflictos (CR) puede explorar los efectos dominó que pueden surgir por la modificación local de trayectorias durante el proceso de asignación de rutas. Al final del proceso, se identifican varios escenarios libres de conflicto y Paretto-eficientes. Diversos indicadores de rendimiento pueden considerarse en un proceso de optimización multi-criterio, obteniendo así una herramienta flexible para una planificación de vuelos colaborativa. La implementación se ha realizado en C++ y Orientado a Objetos. Diversas simulaciones con tráfico realista (con y sin incertidumbre) se han analizado para verificar el correcto funcionamiento de los conceptos. Los resultados de simulación han mostrado que la herramienta presentada de Strategic De-confliction es excelente desde el punto de vista computacional y que es capaz de identificar y gestionar las dinámicas emergentes del sistema.

Nowadays, due to the continuously growing demand of the air transportation in Europe, which facilitates fast and safe displacements, a high density of air traffic across the European airspace can be observed. Some sectors of the current European airspace can be notably congested in certain periods, and can be even fully saturated during most confluent peak hours. Some forecasts conducted by the European Union have predicted that the air traffic operations will be in the next decade the double of the current observed traffic volume, therefore the European Union has started a project (i.e., the SESAR project) to modernize the technology and procedures currently used by the air traffic management in order to increase the current airspace capacity. As a technological contribution, this research project introduces a Strategic De-confliction algorithm developed under the EUROCONTROL’s STREAM project and launched under the umbrella of the Single European Sky ATM Research (SESAR) Programme. The underlying fundamental concept is to make use of the enriched information included in the flights prior to take-off and/or while the flights are airborne in order to allocate conflict-free routes/trajectories in a traffic-planning phase that, in the absence of flight and/or network uncertainties, should lead to an actual conflict-free scenario during the flight execution phase. The main modules of the implemented system are presented in this dissertation, i.e., the conflict detection and the conflict resolution modules. The conflict detection (CD) module makes use of Spatial Data Structures as the vehicular technology to create an ATM micro-scale model framework in which it is possible to store and manage the precise micro-scale description of a large amount 4D trajectories in the ATM system (i.e., thousands of trajectories), thus potentially enabling a centralized and complete view of the current state-space of the system and its evolution along the time. This is a key contribution of this research since such micro-scale model framework provides with a global discrete event representation of the dynamic system, which is necessary for a better understanding of the complexities and emerging dynamics that cannot be understood without a global (4D/nD) perspective of the ATM system. The conflict resolution (CR) module is able to explore the potential domino effects generated by the local trajectory amendments during the flight routing allocation process of the entire traffic and, at the end of the process, different conflict-free Pareto-efficient network scenarios can be identified. Various performance indicators can be taken into account in the multi-criteria optimization process, thus offering to the network manager a flexible tool for fostering a collaborative planning process. The implementation of the system has been conducted in C++ with an Object Oriented approach, and several simulations using realistic scenarios (both with and without uncertainties) have been performed and analysed to verify the correct functioning of the concepts. Simulation results have shown that this strategic CD&R tool is excellent from the computational-efficiency point of view and that it is able to identify and manage the emergent dynamics of the system.