Spatio-Temporal Regions in the Context of Aircraft En-route Tactical Con ict Resolution

Abstract

Es preveu que la Gestió del Trànsit Aeri (ATM) canviï dràsticament. Per a satisfer la creixent demanda d’ús de l’espai aèri, s’esperen canvis dràstics en la present Gestió del Trànsit Aeri (ATM). Per l’horitzó de temps estratègic, que s’estén fins al 2050, Existeixen 2 línies de pensament que agrupen les diferents alternatives per a un horitzó de temps estratègic, que s’estén fins al 2050. Una es basa en un moviment cap a l’espai aeri no controlat i el concepte del vol lliure. L’altre busca moure’s cap a la direcció oposada, la de l’espai aeri totalment automatitzat i controlat. Més enllà de les seves diferències conceptuals, ambdues visions manifesten alguns components comuns. La necessitat d’una detecció i resolució de conflictes tàctica (CD&R) automatitzada en ruta és una d’elles.

Tot i que el tema de CD&R ha estat investigat a fons en les últimes tres dècades, existeixen diferents aspectes que no han estat tractats. En particular, les solucions proposades no mostren cert nivell de resiliència, no proporcionen una identificació completa del tràfic circumdant que podria veure’s afectat per la resolució del conflicte original, no permeten que els usuaris de l’espai aèri participin en la Resolució de Conflictes (CR) de manera realista (per aconseguir resolucions eficients), i no proporcionen els límits de temps de maniobra dins dels quals es poden aconseguir resolucions factibles.

Aquest treball aborda els problemes anteriors de la següent manera.

Es proposa l’ús de regions espacio-temporals en lloc de trajectòries úniques per aconseguir cert nivell de resiliència en la CR. A través del mètode proposat de “coll d’ampolla”, es quantifica el nivell de resiliència de les regions. L’ “ecosistema aeri”, la construcció formal que serveix per aconseguir la identificació completa del tràfic circumdant rellevant, es defineix formalment per dotar al CR de la propietat de sistema completEs realitza una anàlisi del tràfic històric i projectat per a identificar la dimensió dels ecosistemes aeris formats. La detecció de conflictes per parelles s’utilitza per construir un ecosistema aeri complet. Per a tractar casos en els quals coexisteixen diferents conflictes parells en el temps amb estreta dependencia espacial, s’amplia el concepte “d’ecosistema aeri” i es defineix l’ “ecosistema compost”. A més, es proposen algunes estratègies per a mitigar la dependència entre els conflictes per parelles dins de l’ecosistema compost. Es realitza una anàlisis del tràfic històric i sintètic per a identificar els ecosistemes compostos que es formen i provar l’efectivitat de les estratègies de mitigació proposades. S’adopta un mecanisme de negociació automatitzat, a través del qual els usuaris de l’espai aèri poden participar activament en el procés de CR. El mecanisme proposat és descentralitzat, proporciona la integritat del procés d’identificació i ofereix cert nivell de resiliència. D’aquesta manera, els usuaris de l’espai aèri poden participar en el CR amb el propòsit d’augmentar l’eficiència sense revelar les seves preferències respecte dels seus costos i estratègies. El mecanisme de negociació automatitzat s’enriqueix amb un enfocament inicial per a identificar els límits temporals del marc de resolució de conflictes per parelles de l’aeronau delegada. Aquesta informació s’utilitza per a determinar el límit temporal per al procediment de negociació automatitzat.

Para hacer frente a la creciente demanda de uso del espacio aéreo, se esperan cambios drásticos en la presente Gestión del Tránsito Aéreo (ATM). Existen 2 líneas de pensamiento que agrupan las diferentes alternativas para un horizonte de tiempo estratégico, que se extiende hasta 2050. Una se basa en un movimiento hacia el espacio aéreo no controlado y el concepto de vuelo libre. La otra busca moverse hacia la dirección opuesta, la del espacio aéreo totalmente automatizado y controlado. Más allá de sus diferencias conceptuales, ambas visiones manifiestan algunos componentes comunes. La necesidad de una detección y resolución de conflictos táctica (CD&R) automatizada en ruta es una de ellas.

Aunque el tema de CD&R ha sido investigado a fondo en las últimas tres décadas, existen varios aspectos que no han sido tratados. En particular, las soluciones propuestas no exhiben cierto nivel de resiliencia, no proporcionan una identificación completa del tráfico circundante que podría verse afectado por la resolución del conflicto original, no permiten que los usuarios del espacio aéreo participen en la Resolución de Conflictos (CR) de manera realista (para lograr resoluciones eficientes), y no proporcionan los límites de tiempo de maniobra dentro de los cuales se pueden lograr resoluciones factibles.

Este trabajo aborda los problemas anteriores de la siguiente manera.

Se propone el uso de regiones espacio-temporales en lugar de trayectorias únicas para lograr cierto nivel de resiliencia en la CR. A través del método propuesto de “cuello de botella”, se cuantifica el nivel de resiliencia de las regiones.

El “ecosistema aéreo”, la construcción formal que sirve para lograr la identificación completa del tráfico circundante relevante, se define formalmente, para dotar al CR de la propiedad de sistema completo. Se realiza un análisis del tráfico histórico y proyectado para identificar el tamaño de los ecosistemas aéreos formados.

La detección de conflictos por parejas se utiliza para construir un ecosistema aéreo completo. Para tratar casos en los que coexisten varios conflictos pares en el tiempo con estrecha dependencia espacial, se amplía el concepto de “ecosistema aéreo” y se define el “ecosistema compuesto”. Además, se proponen algunas estrategias para mitigar la dependencia entre los conflictos por parejas dentro del ecosistema compuesto. Se realiza un análisis del tráfico histórico y sintético para identificar los ecosistemas compuestos que se forman y probar la efectividad de las estrategias de mitigación propuestas.

Se adopta un mecanismo de negociación automatizado, a través del cual los usuarios del espacio aéreo pueden participar activamente en el proceso de CR. El mecanismo propuesto es descentralizado, proporciona la integridad del proceso de identificación y ofrece cierto nivel de resiliencia. De esta manera, los usuarios pueden participar en el CR con el propósito de aumentar la eficiencia sin revelar sus preferencias con respecto a sus costes y estrategias.

El mecanismo de negociación automatizado se enriquece con un enfoque inicial para identificar los límites temporales del marco de resolución de conflictos por parejas de la aeronave delegada. Esta información se utiliza para determinar el límite temporal para el procedimiento de negociación automatizado.

Air Traffic Management (ATM) is envisioned to change drastically in order to accommodate the increasing demand. For the strategic time horizon, that spans up to 2050, two lines of thoughts are presented. One of them supports a move towards non-controlled airspace and the concept of free flight. The other one seeks to move towards the opposite direction, that of fully automated, controlled airspace. Beyond their conceptual differences, both visions manifest some common components. The necessity for automatic tactical, en-route Conflict Detection & Resolution (CD&R) is one of them. Although the topic of CD&R has been heavily investigated the last three decades, several issues have not been treated by the literature. In particular, the proposed solvers do not exhibit some level of resilience, they do not provide a complete identification of the surrounding traffic that might be affected by the resolution of the original conflict, they do not allow airspace users to be involved in the Conflict Resolution (CR) in a realistic way in order to achieve efficient resolutions, and they do not provide the maneuver time limits within which feasible resolutions can be achieved. This work addresses the above issues in the following manner. The use of spatio-temporal regions instead of unique trajectories is proposed in order to achieve some level of resilience in the CR. Through the proposed “bottleneck” method, the regions’ level of resilience is quantified.

The so called “aerial ecosystem”, the formal construct that serves to achieve complete identification of the relevant surrounding traffic, is formally defined in order to extend the CR with the completeness property. An analysis of historical and projected traffic in order to identify the size of the formed aerial ecosystems is performed.

Pairwise conflict detection is used to construct a full aerial ecosystem. In order to treat cases when several pairwise conflicts co-exist in time with tight spatial bounds, the “aerial ecosystem” concept is extended and the “compound ecosystem” is defined. Moreover, some strategies to mitigate the dependence between the pairwise conflicts within the compound ecosystem are proposed. An analysis of historical and synthetic traffic is performed in order to identify the compound ecosystems that are formed and test the effectivity of the proposed mitigation strategies.

An automated negotiation mechanism, through which airspace users can actively participate in the CR process is adopted. The proposed mechanism is decentralized, provides completeness of the identification process, and offers some level of resilience. In such a manner, airlines can participate in the CR with the purpose of increasing efficiency without revealing their preferences regarding their costs and strategies.

The automated negotiation mechanism is enriched by an initial approach to identify the temporal fences of the delegated aircraft pairwise conflict resolution framework. This information is used to determine the deadline for the automated negotiation procedure.