Quantifying the possible improvements of new aircraft routing algorithms in airport ground movements

Abstract

Lentoliikenne on kasvanut viimeisten vuosikymmenten ajan tasaisella 5 % vuosivauhdilla, ja ennusteiden mukaan kasvu jatkuu vuoden 2001 syyskuun jälkeisestä notkahduksesta huolimatta. Liikenteen kasvu tuo mukanaan useita ongelmia, joista yhdeksi suurimmista on noussut lentokenttien riittämätön kapasiteetti. Kapasiteettia voidaan vain harvoin lisätä uudella infrastruktuurilla, sillä ympäristönäkökohdat asettavat omat rajoituksensa. Niinpä uusia keinoja tulee löytää olemassa olevan kapasiteetin parempaa hallintaa ja optimointia varten. Eräs mahdollinen menetelmä on uuden tietokonepohjaisen järjestelmän (A-SMGCS) käyttöönotto, jolla pyritään saavuttamaan etuja turvallisuudessa ja operaatioiden tehokkuudessa. A-SMGCS muun muassa suunnittelisi lentokentällä liikkuvien lentokoneiden reitit ja ajoitukset. Koneiden reititys perustuisi erikoistuneisiin algoritmeihin, jotka optimoivat liikenteen tiettyjen kriteerien perusteella.

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia ja määrittää tiettyjen lentokoneiden reititykseen soveltuvien algoritmien hyötyjä. Nämä algoritmiset optimointimenetelmät perustuvat Branch and Bound algoritmiin ja geneettisiin algoritmeihin. Mahdollisten hyötyjen määrittämiseksi luotiin nykytilanneskenaario, jossa lennonjohtajat päättävät lentokoneiden reitit lentokentän pinnalla liikuttaessa. Tätä skenaariota varten rakennettiin simuloitava lentokenttäympäristö käyttäen TAAM-simulaattoria. Tutkittaville algoritmeille oli jo olemassa erillinen simulointiohjelma. Molemmat simulointimallit pyrittiin yhtenäistämään, jotta tulosten välinen vertailu olisi mahdollista. Simuloinnit suoritettiin käyttäen Orlyn lentokenttää (Pariisi) ja sen yhden päivän todellista liikenneaineistoa.

Simulointituloksista kävi ilmi, että käytetyissä kahdessa simulaattorissa ja niiden sisältämissä malleissa oli liian suuria eroja, jotta vertailu tulosten välillä olisi ollut luotettavaa. Tutkittaville algoritmeille käytetyssä simulaattorissa oli piirteitä, jotka synnyttivät epärealistisia tilanteita lentokentälle. Niinpä tuloksia ei voitu käyttää algoritmien mahdollisten hyötyjen osoittamiseksi tieteellisellä tavalla.

Nykytilanneskenaariossa tietyt lentokentän rullaustiet asetettiin todellisuuteen perustuen yksisuuntaisiksi. Työssä luotiin myös toinen, kuvitteellinen skenaario, jossa rullausteiden käytölle ei asetettu mitään rajoituksia. Näitä skenaarioita verrattiin TAAM-simulointituloksiin perustuen. Rajoitukseton liikkuminen lentokentän pinnalla osoittautui tehokkaammaksi, sillä tässä skenaariossa lentokoneiden viivytykset olivat lyhyempiä ja konfiiktitilanteita oli vähemmän. Rullausetäisyydet olivat myös lyhyempiä ja polttoaineen kulutus vähäisempää. Kyseisen skenaarion kaltainen vapaa liikkuminen lentokentällä olisi mahdollista tosin vain automaattisen ohjausjärjestelmän avulla, sillä lennonjohtajien työ muuttuisi todennäköisesti liian vaativaksi tilanteiden monimutkaisuuden vuoksi.