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Planification stratégique de trajectoires d'avions
No full textAfin de pouvoir satisfaire la demande sans cesse croissante du trafic aérien, le futur système de gestion du trafic aérien utilisera le concept d'opérations basées sur les trajectoires (Trajectory Based Operations), qui augmentera la capacité du trafic aérien, en réduisant la charge de travail du contrôleur. Pour ce faire, les tâches de détection et de résolution de conflits seront transférées depuis la phase tactique vers la phase stratégique de la planification. Dans le cadre de ce nouveau paradigme pour le système de gestion du trafic aérien, nous introduisons dans cette thèse une méthodologie qui permet d'aborder ce problème de planification stratégique de trajectoires d'avion à l'échelle d'un pays ou d'un continent. Le but de la méthodologie proposée est de minimiser l'interaction globale entre les trajectoires d'avion, en affectant de nouveaux créneaux de décollage, de nouvelles routes et de nouveaux niveaux de vols aux trajectoires impliquées dans l'interaction. De plus, afin d'améliorer la robustesse du plan stratégique de vols obtenu, nous prenons en compte l'incertitude de la position de l'avion et de son heure d'arrivée à un point donné de la trajectoire de l'avion. Nous proposons une formulation mathématique de ce problème de planification stratégique conduisant à un problème d'optimisation discrète et un problème d'optimisation en variables mixtes, dont la fonction objectif est basée sur le nouveau concept d'interaction. Un algorithme efficace en termes de temps de calcul pour évaluer l'interaction entre des trajectoires d'avion pour des applications de grande taille est introduit et mis en oeuvre. Des méthodes de résolution basées sur des algorithmes de type métaheuristique et métaheuristique hybride ont été développées pour résoudre ces problèmes d'optimisation de grande taille. Enfin, la méthodologie globale de planification stratégique de trajectoires d'avion est mise en oeuvre et testée sur des données de trafic, prenant en compte des incertitudes, pour l'espace aérien français et l'espace aérien européen, impliquant plus de 30 000 vols. Des plans de vols 4D sans conflits et robustes ont pu être produits avec des temps de calcul acceptables dans un contexte opérationnel, ce qui démontre la viabilité de l'approche proposée.To sustain the continuously increasing air traffic demand, the future air traffic management system will rely on a so-called Trajectory Based Operations (TBO) concept that will increase air traffic capacity by reducing the controllers workload. This will be achieved by transferring tactical conflict detection and resolution tasks to the strategic planning phase. In this future air traffic management paradigm context, this thesis presents a methodology to address such strategic trajectory planning at nation-wide and continent scale. The proposed methodology aims at minimizing the global interaction between aircraft trajectories by allocating alternative departure times, alternative horizontal flight paths, and alternative flight levels to the trajectories involved in the interaction. To improve robustness of the strategic trajectory planning, uncertainty of aircraft position and aircraft arrival time to any given position on the trajectory are considered. This thesis proposes a mathematical formulation of this strategic trajectory planning problem leading to a discrete-optimization and a mixed-integer optimization problem whose objective function relies on the new concept of interaction between trajectories. A computationally efficient algorithm to compute interaction between trajectories for large-scale applications is introduced and implemented. Resolution methods based on metaheuristic and hybrid-metaheuristic algorithms have been developed to solve the above large-scale optimization problems. Finally, the overall methodology is implemented and tested with air traffic data taking into account uncertainty over the French and the European airspaces, involving more than 30,000 trajectories. Conflict-free and robust 4D trajectory planning are produced within computational time acceptable for the operation context, which shows the viability of the approach
Strategic planning of aircraft trajectories
No full textTo sustain the continuously increasing air traffic demand, the future air traffic management system will rely on a so-called Trajectory Based Operations (TBO) concept that will increase air traffic capacity by reducing the controller's workload. This will be achieved by transferring tactical conflict detection and resolution tasks to the strategic planning phase. In this future air traffic management paradigm context, this thesis presents a methodology to address such strategic trajectory planning at nation-wide and continent scale. The proposed methodology aims at minimizing the global interaction between aircraft trajectories by allocating alternative departure times, alternative horizontal flight paths, and alternative flight levels to the trajectories involved in the interaction. To improve robustness of the strategic trajectory planning, uncertainty of aircraft position and aircraft arrival time to any given position on the trajectory are considered. This thesis proposes a mathematical formulation of this strategic trajectory planning problem leading to a discrete-optimization and a mixed-integer optimization problem whose objective function relies on the new concept of interaction between trajectories. A computationally efficient algorithm to compute interaction between trajectories for large-scale applications is introduced and implemented. Resolution methods based on metaheuristic and hybrid-metaheuristic algorithms have been developed to solve the above large-scale optimization problems. Finally, the overall methodology is implemented and tested with air traffic data taking into account uncertainty over the French and the European airspaces, involving more than 30,000 trajectories. Conflict-free and robust 4D trajectory planning are produced within computational time acceptable for the operation context, which shows the viability of the approach.; Afin de pouvoir satisfaire la demande sans cesse croissante du trafic aérien, le futur système de gestion du trafic aérien utilisera le concept d'opérations basées sur les trajectoires (Trajectory Based Operations), qui augmentera la capacité du trafic aérien, en réduisant la charge de travail du contrôleur. Pour ce faire, les tâches de détection et de résolution de conflits seront transférées depuis la phase tactique vers la phase stratégique de la planification. Dans le cadre de ce nouveau paradigme pour le système de gestion du trafic aérien, nous introduisons dans cette thèse une méthodologie qui permet d'aborder ce problème de planification stratégique de trajectoires d'avion à l'échelle d'un pays ou d'un continent. Le but de la méthodologie proposée est de minimiser l'interaction globale entre les trajectoires d'avion, en affectant de nouveaux créneaux de décollage, de nouvelles routes et de nouveaux niveaux de vols aux trajectoires impliquées dans l'interaction. De plus, afin d'améliorer la robustesse du plan stratégique de vols obtenu, nous prenons en compte l'incertitude de la position de l'avion et de son heure d'arrivée à un point donné de la trajectoire de l'avion. Nous proposons une formulation mathématique de ce problème de planification stratégique conduisant à un problème d'optimisation discrète et un problème d'optimisation en variables mixtes, dont la fonction objectif est basée sur le nouveau concept d'interaction. Un algorithme efficace en termes de temps de calcul pour évaluer l'interaction entre des trajectoires d'avion pour des applications de grande taille est introduit et mis en œuvre. Des méthodes de résolution basées sur des algorithmes de type métaheuristique et métaheuristique hybride ont été développées pour résoudre ces problèmes d'optimisation de grande taille. Enfin, la méthodologie globale de planification stratégique de trajectoires d'avion est mise en œuvre et testée sur des données de trafic, prenant en compte des incertitudes, pour l'espace aérien français et l'espace aérien européen, impliquant plus de 30000 vols. Des plans de vols 4D sans conflits et robustes ont pu être produits avec des temps de calcul acceptables dans un contexte opérationnel, ce qui démontre la viabilité de l'approche proposée
Planification stratégique de trajectoires d'avions
No full textTo sustain the continuously increasing air traffic demand, the future air traffic management system will rely on a so-called Trajectory Based Operations (TBO) concept that will increase air traffic capacity by reducing the controller's workload. This will be achieved by transferring tactical conflict detection and resolution tasks to the strategic planning phase. In this future air traffic management paradigm context, this thesis presents a methodology to address such strategic trajectory planning at nation-wide and continent scale. The proposed methodology aims at minimizing the global interaction between aircraft trajectories by allocating alternative departure times, alternative horizontal flight paths, and alternative flight levels to the trajectories involved in the interaction. To improve robustness of the strategic trajectory planning, uncertainty of aircraft position and aircraft arrival time to any given position on the trajectory are considered. This thesis proposes a mathematical formulation of this strategic trajectory planning problem leading to a discrete-optimization and a mixed-integer optimization problem whose objective function relies on the new concept of interaction between trajectories. A computationally efficient algorithm to compute interaction between trajectories for large-scale applications is introduced and implemented. Resolution methods based on metaheuristic and hybrid-metaheuristic algorithms have been developed to solve the above large-scale optimization problems. Finally, the overall methodology is implemented and tested with air traffic data taking into account uncertainty over the French and the European airspaces, involving more than 30,000 trajectories. Conflict-free and robust 4D trajectory planning are produced within computational time acceptable for the operation context, which shows the viability of the approach.Afin de pouvoir satisfaire la demande sans cesse croissante du trafic aérien, le futur système de gestion du trafic aérien utilisera le concept d'opérations basées sur les trajectoires (Trajectory Based Operations), qui augmentera la capacité du trafic aérien, en réduisant la charge de travail du contrôleur. Pour ce faire, les tâches de détection et de résolution de conflits seront transférées depuis la phase tactique vers la phase stratégique de la planification. Dans le cadre de ce nouveau paradigme pour le système de gestion du trafic aérien, nous introduisons dans cette thèse une méthodologie qui permet d'aborder ce problème de planification stratégique de trajectoires d'avion à l'échelle d'un pays ou d'un continent. Le but de la méthodologie proposée est de minimiser l'interaction globale entre les trajectoires d'avion, en affectant de nouveaux créneaux de décollage, de nouvelles routes et de nouveaux niveaux de vols aux trajectoires impliquées dans l'interaction. De plus, afin d'améliorer la robustesse du plan stratégique de vols obtenu, nous prenons en compte l'incertitude de la position de l'avion et de son heure d'arrivée à un point donné de la trajectoire de l'avion. Nous proposons une formulation mathématique de ce problème de planification stratégique conduisant à un problème d'optimisation discrète et un problème d'optimisation en variables mixtes, dont la fonction objectif est basée sur le nouveau concept d'interaction. Un algorithme efficace en termes de temps de calcul pour évaluer l'interaction entre des trajectoires d'avion pour des applications de grande taille est introduit et mis en œuvre. Des méthodes de résolution basées sur des algorithmes de type métaheuristique et métaheuristique hybride ont été développées pour résoudre ces problèmes d'optimisation de grande taille. Enfin, la méthodologie globale de planification stratégique de trajectoires d'avion est mise en œuvre et testée sur des données de trafic, prenant en compte des incertitudes, pour l'espace aérien français et l'espace aérien européen, impliquant plus de 30000 vols. Des plans de vols 4D sans conflits et robustes ont pu être produits avec des temps de calcul acceptables dans un contexte opérationnel, ce qui démontre la viabilité de l'approche proposée
Automated conflict solving by time separation
No full textJournée de la Recherche ENAC 2014 To handle the increasing air-traffic demand, the world's major air traffic management systems are being transformed towards the trajectory-based operation concept that enables us to shift the conflict detection and resolution task to the strategic planning level. In this work, we present an efficient methodology to address such strategic 4D trajectory planning. In reality, when an aircraft flies on its trajectory, there can be uncertainty on the curvilinear abscissa due to external events (wind, connected passenger delay, etc.). Therefore, in addition to ensuring the separation of aircraft in the 3D space domain, the minimum time separation between trajectories must be also taken into account. To ensure such a separation between trajectories, the approach proposed in this work allocates an alternative route, an alternative departure time, and an alternative flight level to each participating flight. This route / departure-time / flight level allocation problem is formulated under the form of mixed-integer optimization problem. The objective is to minimize the total number of interactions (occuring when multiple trajectories occupy the same space at the same period of time) between trajectories during a full day of traffic over France. A hybrid-metaheuristic optimization algorithm is developed in order to solve this high combinatorics problem (national-scale context, involving more than 8,000 flights) The proposed methodology is successfully implemented and tested on a full-day simulated air traffic over the French airspace, yielding to an interaction-free trajectory plan
4D Trajectories Strategic Planning under Uncertainties
No full textPour soutenir la demande de trafic aérien en constante augmentation, le futur système de gestion du trafic aérien s'appuiera sur un concept basé sur les trajectoire (TBO) qui augmentera la capacité du trafic aérien en réduisant la charge de travail des contrôleurs. Cet objectif sera atteint en transférant les tâches tactiques de détection et de résolution des conflits à la phase de planification pré-tactique. Dans ce futur contexte de gestion du trafic aérien, cette thèse présente une méthodologie permettant de planifier le traffic pré-tactique à l'échelle nationale et continentale. La méthodologie proposée vise à minimiser l'interaction globale entre les trajectoires des aéronefs en allouant des heures de départ alternatives, des profiles de vol horizontales et des niveaux de vol alternatifs aux avions impliquées dans l'interaction. Pour améliorer la robustesse de la planification de trajectoire pré-tactique, l'incertitude de la position et de l'heure d'arrivée de l'aéronef à une position donnée sur la trajectoire est prise en compte. En outre, la thèse aborde également le problème de la planification de la mission militaire dans le trafic civil afin de réduire l'impact associé.To sustain the continuously increasing air traffic demand, the future air traffic management system will rely on a so-called Trajectory Based Operations (TBO) concept that will increase air traffic capacity by reducing the controllers workload. This will be achieved by transferring tactical conflict detection and resolution tasks to the pre-tactical planning phase. In this future air traffic management paradigm context, this theis presents a methodology to address such pre-tactical trajectory planning at nation-wide and continent scale. The proposed methodology aims at minimizing the global interaction between aircraft trajectories by allocating alternative departure times, alternative horizontal flight paths, and alternative flight levels to the trajectories involved in the interaction. To improve robustness of the pre-tactical trajectory planning, uncertainty of aircraft position and aircraft arrival time to any given position on the trajectory are considered. In addition, the thesis addresses also the problem of planning of military mission in the civilian traffic in order to reduce the associated inpact
Air Traffic Structuration based on Linear Dynamical Systems
No full textInternational audienceThis paper presents a novel air traffic structuration approach to maintain flows of air traffic and to adapt traffic situations, which can reduce the mental workload of air traffic controllers. We reformulate the optimization problem by reorganizing the aircraft trajectories in space (e.g. aircraft rerouting) or time dimension (e.g. rescheduling time of departure, flow crossing, time based metering) or both in some areas where the system identifies a high level of disorder in the traffic structure. To structure the traffic, an air traffic complexity metric based on linear dynamical systems is used for this optimization problem. To minimize the impact of traffic structure, we propose an adaptive metaheuristic approach with the integration of reinforcement learning for our resolution algorithm. The resolution algorithm is applied for short-term (flow crossing, time-based metering, and traffic encounters) trajectory planning applications and national scale planning under time uncertainty in French airspace. For short-term scenarios, our approach can restructure the traffic which allows controllers to take less effort for managing traffic situations. Our solution also improves the traffic structure with approximately 50 % reduction of air traffic complexity at national scale. Our re earch findings introduce further steps toward taking other trajectory structuration techniques into account and developing new search strategies to our resolution algorithm
Strategic deconfliction of aircraft trajectories
No full textInternational audienceIn this work, we present a methodology to minimize the number of potential conflicts between aircraft trajectories based on route-slot allocation techniques. The traffic assignment problem is modeled as a combinatorial optimization problem for which two metaheuristic optimization algorithms are developed and implemented. The first algorithm relies on a standard simulated annealing, while the second algorithm uses a hybrid-metaheuristic method. The proposed algorithms were implemented and tested on real air-traffic data for which an optimal solution for every trajectory is obtained within affordable computation time
Aircraft 4D trajectories planning under uncertainties
No full textInternational audience; To sustain the rapidly increasing air traffic demand, the future air traffic management system will rely on a concept, called Trajectory-Based Operations (TBO), that will require aircraft to follow an assigned 4D trajectory (time-constrained trajectory) with high precision. TBO involves separating aircraft via strategic (long-term) trajectory deconfliction rather than the currently-practicing tactical (short-term) conflict resolution. In this context, this paper presents a strategic 4D aircraft trajectory planning approach aiming at minimizing interaction between aircraft trajectories for a given day. The proposed methodology allocates an alternative departure time, a horizontal flight path, and a flight level to each flight at a country and a continent scale. Uncertainties of aircraft position and arrival time on its curvilinear abscissa are taken into account in the trajectory planning process. The proposed approach optimizes the 4D trajectory of each aircraft so as to minimize the interaction between trajectories. A hybrid-metaheuristic optimization algorithm has been developed to solve this large-scale mixed-variable optimization problem. The algorithm is implemented and tested with real air traffic data taking into account uncertainty over the French and the European airspace for which a conflict-free and robust 4D trajectory plan is produced
A methodology for strategic planning of aircraft trajectories using simulated annealing
No full textGlobal air traffic demand is continuously increasing and it is predicted to be doubled in the near future. In order to sustain such tremendous traffic volume, Air Traffic Management System (ATMS) has to reform its architecture and improve its performance. Since one of the airspace capacity limitations is the air traffic controllers' workload which is strongly related to the traffic situation in the control sector. A possible way to increase the airspace capacity is by mitigating the traffic situation by structuring the aircraft trajectories. This article presents an optimization formulation of the strategic air traffic conflict reduction problem together with a methodology to structure the 4 dimensional aircraft trajectories (3 spatial dimensions and time). The number of interactions (potential conflicts) between aircraft trajectories are minimized using route-slot allocation techniques. We introduce a methodology that uses a Simulated Annealing (SA) algorithm combined with a local heuristic search method. Our preliminary results show that this approach can effectively reduce the interactions between aircraft trajectories, thereby decreasing the need of tactical intervention. Therefore reducing the controller's task load
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