Metaheuristics for Air Traffic Management

215 Pages·2016·8.578 MB·English

by  Nicolas Durand, David Gianazza, Jean-Baptiste Gotteland, Jean-Marc Alliot

Metaheuristics for Air Traffic Management

Metaheuristics Set
coordinated by
Nicolas Monmarché and Patrick Siarry
Volume 2
Metaheuristics for
Air Traffic Management

Nicolas Durand
David Gianazza
Jean-Baptiste Gotteland
Jean-Marc Alliot
First published 2016 in Great Britain and the United States by ISTE Ltd and John Wiley & Sons, Inc.
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© ISTE Ltd 2016
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Library of Congress Control Number: 2015955801

British Library Cataloguing-in-Publication Data
A CIP record for this book is available from the British Library
ISBN 978-1-84821-810-9
Contents
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
Chapter1.TheContextofAirTrafficManagement . . . . . . . . . . . 1
1.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.Vocabularyandunits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3.Missionsandactorsoftheairtrafficmanagementsystem . . . . . . . . 3
1.4.Visualflightrulesandinstrumentalflightrules . . . . . . . . . . . . . . 4
1.5.Airspaceclasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.6.Airspaceorganizationandmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.6.1.Flightinformationregionsandfunctionalairspaceblocks . . . . . 5
1.6.2.Lowerandupperairspace. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.6.3.Controlledairspace: enroute,approachorairportcontrol. . . . . . 7
1.6.4.Airroutenetworkandairspacesectoring . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.7.Trafficseparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.7.1.Separationstandard,lossofseparation . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.7.2.Conflictdetectionandresolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.7.3.Thedistributionoftasksamongcontrollers . . . . . . . . . . . . . . 12
1.7.4.Thecontrollertools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.8.Trafficregulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.8.1.Capacityanddemand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.8.2.Workloadandairtrafficcontrolcomplexity . . . . . . . . . . . . . 15
1.9.Airspacemanagementinenrouteairtrafficcontrolcenters . . . . . . . 16
1.9.1.Operatingairtrafficcontrolsectorsinrealtime . . . . . . . . . . . 16
1.9.2.Anticipatingsectoropenings(FranceandEurope) . . . . . . . . . . 17
1.10.Airtrafficflowmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.11.Researchinairtrafficmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.11.1.Theinternationalcontext . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.11.2.Researchtopics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
vi MetaheuristicsforATM
Chapter2.AirRouteOptimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.2D-routenetwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.1.Optimalpositioningofnodesandedges
usinggeometricalgorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.2.Nodepositioning,withfixedtopology,usingasimulated
annealingoraparticleswarmoptimizationalgorithm . . . . . . . . 28
2.2.3.Defining2D-corridorswithaclustering
methodandageneticalgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.Anetworkofseparate3D-tubesforthemaintrafficflows. . . . . . . . 31
2.3.1.Asimplified3D-trajectorymodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.2.Problemformulationsandpossiblestrategies. . . . . . . . . . . . . 34
2.3.3.AnA∗algorithmforthe“1versusn”problem . . . . . . . . . . . . 35
2.3.4.Ahybridevolutionaryalgorithmfortheglobalproblem . . . . . . 41
2.3.5.Resultsonatoyproblem,withthe
simplified3D-trajectorymodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.6.Applicationtorealdata,usingamorerealistic3D-tubemodel . . . 57
2.4.Conclusiononairrouteoptimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Chapter3.AirspaceManagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.Airspacesectordesign. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.Functionalairspaceblockdefinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2.1.Simulatedannealingalgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.2.Antcolonyalgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.3.Afusion–fissionmethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.4.Comparisonoffusion–fissionandclassicalgraph
partitioningmethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.Predictionofairtrafficcontrolsectoropenings . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.1.Problemdifficultyandpossibleapproaches. . . . . . . . . . . . . . 78
3.3.2.Usingageneticalgorithm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3.3.Tree-searchmethods,constraintprogramming . . . . . . . . . . . . 79
3.3.4.Aneuralnetworkforworkloadprediction . . . . . . . . . . . . . . 80
3.3.5.Conclusiononthepredictionofsectoropenings . . . . . . . . . . . 83
Chapter4.DepartureSlotAllocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2.Contextandrelatedworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.2.1.Groundholding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.Conflict-freeslotallocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3.1.Conflictdetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3.2.Slidingforecasttimewindow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3.3.Evolutionaryalgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Contents vii
4.4.Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.4.1.Evolutionoftheproblemsize . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.4.2.Numericalresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.5.Concludingremarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Chapter5.AirportTrafficManagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.1.1.Airports’mainchallenges. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.1.2.Knowndifficulties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.1.3.Optimizationproblemsinairporttrafficmanagement . . . . . . . . 103
5.2.Gateassignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.2.1.Problemdescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.2.2.Resolutionmethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.3.Runwayscheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.3.1.Problemdescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.3.2.Anexampleofproblemformulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.3.3.Resolutionmethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.4.Surfacerouting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.4.1.Problemdescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.4.2.Relatedwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.5.Globalairporttrafficoptimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.5.1.Problemdescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.5.2.Coordinationschemebetweenthedifferentpredictivesystems. . . 116
5.5.3.Simulationresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.6.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Chapter6.ConflictDetectionandResolution . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.2.Conflictresolutioncomplexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.3.Free-flightapproaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.3.1.Reactivetechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.3.2.Iterativeapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.3.3.Anexampleofreactiveapproach: neural
networktrainedbyevolutionaryalgorithms . . . . . . . . . . . . . 130
6.3.4.Alimittoautonomousapproaches: thespeedconstraint . . . . . . 137
6.4.Iterativeapproaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.5.Globalapproaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.6.Aglobalapproachusingevolutionarycomputation . . . . . . . . . . . 140
6.6.1.Maneuvermodeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.6.2.Uncertaintymodeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.6.3.Real-timemanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.6.4.Evolutionaryalgorithmimplementation. . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.6.5.Alternativemodeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
viii MetaheuristicsforATM
6.6.6.One-daytrafficstatistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
6.6.7.Introducingautomationintheexistingsystem . . . . . . . . . . . . 153
6.7.Aglobalapproachusingantcolonyoptimization . . . . . . . . . . . . 155
6.7.1.Problemmodeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.7.2.Algorithmdescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
6.7.3.Algorithmimprovement: constraintrelaxation . . . . . . . . . . . . 159
6.7.4.Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.7.5.Conclusionandfurtherwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.8.Anewframeworkforcomparingapproaches . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.8.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.8.2.Trajectorypredictionmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.8.3.Conflictdetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.8.4.Benchmarkgeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.8.5.Conflictresolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.9.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193