A decision support system based on constraint programming and airspace digitalization for cooperative flight departures to improve ATM network service competitiveness

Abstract

El treball de recerca dut a terme en aquesta tesi proposa un nou mecanisme per aplicar un desplaçament estratègic dels temps estimats de despegues dins del seu temps de despalança calculat Windows per reduir la probabilitat d'intervencions de controladors de trànsit aeri. Aquesta tesi es centra en la millora del saldo dinàmic de la demanda de trànsit aeri mitjançant l'ús de la identificació ràpida d'esdeveniments concurrents a nivell de xarxa, l'anàlisi de les interdependències espai-temporals i la mitigació dels esdeveniments de concurrència detectats. Aquestes mesures es poden considerar com a mesures a curt termini per a l'administració de cabal i de capacitat de trànsit aeri (ATFCM), que podrien aplicar-se a nivell local que podria reduir els pics de trànsit de tot l'espai aeri europeu. La filosofia subjacent és aprofitar els graus de llibertat actual entre les eines de planificació de la gestió del trànsit aeri (capes aeronàutiques) en capes que ordenen sortides als aeroports. El treball contribueix al tema de recerca ben acceptat i àmpliament difós Trajectòria basada en l'operació (TBO) que millora el disseny de noves eines de suport a la decisió (DST). La dissertació està alineada amb un projecte europeu H2020 Research anomenat "Participació". Les principals contribucions de la tesi doctoral són el desenvolupament i implementació d'una metodologia consecutiva per detectar esdeveniments de concurrència, analitzar les interdependències de la trajectòria i utilitzar un mètode de mitigació basat en la Programació de restriccions per determinar els desplaçaments estimats del temps d'eliminació. A més, la tesi doctoral inclou un fort component experimental que es centra en validar el conjunt d'eines i la seva aplicació a un escenari realista ubicat a l'àrea de maniobra de Terminal de Londres. Aquest tema de recerca segueix una mica més el meu fons d'estudis de logística perquè el sistema European Air Traffic Management (ATM) ha de ser competitiu en la manera de donar suport a les demandes de l'usuari de l'espai aeri (UA) fins a un cert punt, p. satisfent el moment adequat (per exemple, tragamonedas de sortida), els costos correctes (per exemple, el nivell adequat del servei de control de trànsit aeri (ATC), el lloc adequat (per exemple, les trajectòries preferides de l'AU) i la qualitat del servei adequada (per exemple, seguretat) sense inversions addicionals. eliminant les operacions de valor no agregat d'ATM que afecten indirectament la capacitat actual de l'ATM. A més, quan es mira el problema de sincronització explicat, segueix un enfocament similar al Problema de programació de la botiga de treball que representa un problema d'optimització conegut en el camp de la informàtica, la investigació operativa i la logística, considerant les cel·les de l'espai aeri disponibles com a recurs existent i l'avió com els llocs de treball que s'han de realitzar amb aquest recurs.

El trabajo de investigación llevado a cabo en esta disertación propone un nuevo mecanismo para aplicar un cambio estratégico de tiempos estimados de despegue dentro de su tiempo de despegue calculado para reducir la probabilidad de intervenciones de los controladores de tránsito aéreo. Esta disertación se centra en mejorar el equilibrio de la capacidad de demanda dinámica del tráfico aéreo mediante la identificación rápida de eventos de concurrencia a nivel de red, el análisis de las interdependencias espacio-temporales y la mitigación de los eventos concurrentes detectados. Estas medidas pueden considerarse como medidas a corto plazo de flujo de tráfico aéreo y gestión de la capacidad (ATFCM), que podrían aplicarse a nivel local y podrían reducir los picos de tráfico en todo el espacio aéreo europeo. La filosofía subyacente es capitalizar los grados de libertad presentes entre las herramientas de planificación de la gestión del tráfico aéreo (ATM) estratificadas que ordenan las salidas en los aeropuertos. El trabajo contribuye al tema de investigación bien aceptado y ampliamente difundido Trajectory Based Operation (TBO) que mejora el diseño de nuevas herramientas de soporte de decisiones (DST). La disertación está alineada con un proyecto europeo de investigación H2020 llamado "Partake". Las principales contribuciones de la Tesis Doctoral es el desarrollo y la implementación de una metodología consecutiva para detectar eventos de concurrencia, analizar las interdependencias de la trayectoria y utilizar un método de mitigación basado en la Programación de Restricciones para determinar los turnos estimados del tiempo de despegue. Además, la tesis doctoral incluye un fuerte componente experimental centrado en la validación del conjunto de herramientas y su aplicación a un escenario realista ubicado en el Área de maniobras del terminal de Londres. Este tema de investigación sigue en cierta medida mi historial de estudios Logística porque el sistema de Gestión del tránsito aéreo europeo (ATM) tiene que ser competitivo en el camino para apoyar las demandas del usuario del espacio aéreo (AU) hasta cierto punto, p. satisfacer el tiempo correcto (por ejemplo, ranuras de salida), los costos correctos (por ejemplo, nivel adecuado del servicio de control de tránsito aéreo), el lugar correcto (por ejemplo, las trayectorias preferidas de AU) y la calidad de servicio adecuada (por ejemplo, seguridad) sin inversiones eliminando las operaciones de valor agregado sin cajero automático que tienen un impacto indirecto en la capacidad actual del cajero automático. Además, al analizar el problema de sincronización explicado, sigue un enfoque similar al problema de programación de taller que representa un problema de optimización bien conocido en el campo de la informática, la investigación operativa y la logística considerando las celdas de espacio aéreo disponibles como el recurso existente y el avión como los trabajos que se deben realizar que requieren este recurso.

The research work carried out in this dissertation proposes a new mechanism to apply a strategic shifting of Estimated Take-Off Times within their Calculated Take-Off Time Windows to reduce the probability of Air Traffic Controllers interventions. This dissertation focuses on improving the air traffic dynamic demand capacity balance by using means of the prompt identification of concurrence events at network level, the analysis of spatio-temporal interdependencies and the mitigation of the detected concurrence events. These measures can be considered as short-term Air Traffic Flow and Capacity Management (ATFCM) measures, that could be applied at local level that could reducing traffic peaks for the whole European airspace. The underlying philosophy is to capitalise present freedom degrees between layered Air Traffic Management (ATM) planning tools that sequence departures at airports. The work contributes to the well-accepted and widely spread research topic Trajectory Based Operation (TBO) that enhances the design of new Decision Support Tools (DST). The dissertation is aligned with a European H2020 Research project called “Partake”. The main contributions of the Doctoral Thesis is the development and implementation of a consecutive methodology for detecting concurrence events, analyzing the trajectory interdependencies and using a mitigation method based on Constraint Programming to determine the Estimated Take-Off Time shifts. Furthermore, the doctoral thesis includes a strong experimental component focusing on validating the set of tools and its application to a realistic scenario located in the London Terminal Maneuvering Area. This research topic follows to some extend my study background Logistics because the European Air Traffic Management (ATM) system has to be competitive in the way to support the Airspace User (AU’s) demands up to a certain point e.g. satisfying the right time (e.g. departure slots), the right costs (e.g. suitable level of Air Traffic Control (ATC) service), the right place (e.g. AU’s preferred trajectories) and the right service quality (e.g. safety) without extra investments, just by removing the ATM non-added-value operations that indirectly impact on present ATM capacity. Furthermore, when looking at the explained synchronization problem it follows a similar approach as the Job Shop Scheduling Problem that represents a well-known optimization problem in the field of computer science, operation research and logistics by considering the available airspace cells as the existing resource and the aircraft as the jobs that should be performed requiring this resource.