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132 Pages·2010·1.2 MB·French

`
THESE
Envuedel’obtentiondu
´
DOCTORAT DE L’UNIVERSITE DE TOULOUSE
De´livre´ parl’InstitutNationalPolytechniquedeToulouse
Disciplineouspe´cialite´ :Informatique
Pre´sente´eetsoutenueparRaphae¨lDeau
Le2Novembre2010
Optimisation des se´quences de pistes et
des mouvements au sol sur les grands ae´roports
Jury
E´ricFe´ron (Rapporteur)
MarcSchoenauer (Rapporteur)
Herve´ Breton (Membredejury)
Jean-MarcAlliot (Membredujury)
DominiqueColindeVerdie`re (Membredejury)
NicolasDurand (Directeurdethe`se)
Jean-BaptisteGotteland (Co-directeurdethe`se)
E´coledoctorale:Mathe´matiquesInformatiqueTe´le´communicationsdeToulouse
Unite´ derecherche:APO(IRIT)
DirecteurdeThe`se:NicolasDurand

OPTIMISATION DES SE´QUENCES DE PISTES ET DU TRAFIC AU SOL SUR LES GRANDS AE´ROPORTS
Re´sume´:Cesdernie`resanne´es,laphasederoulageausoldesavionsae´te´miseenavantdansl’e´tude
desretardsae´rienssurlesgrandsae´roports.Cependant,lelienentrecettephaseetl’optimisationdes
se´quences d’avions sur les pistes reste encore peu e´tudie´. L’objectif de re´aliser des se´quences opti-
malessurlespistesdoitpourtantpermettredemieuxge´rerletraficausol,pourrespecterlescre´neaux
dede´collageimpose´stoutenre´duisantlesretardsdesavions:danscettethe`se,unalgorithmedecal-
culdese´quencesoptimalesestmisenplaceetinte´gre´ a` lagestiondutraficausol,mode´lise´ecomme
un proble`me de re´solution de conflits entre avions. Deux me´thodes d’optimisation sont alors com-
pare´es:uneme´thodede´terministe(utilisantunalgorithmedetypebranch&bound)etuneme´thode
stochastique (utilisant un algorithme ge´ne´tique). chacune des deux me´thodes pouvant fonctionner
avecetsansconside´rationdesse´quencesoptimalessurlespistes.Lessimulationseffectue´esmontrent
qu’une re´duction significative des retards peut eˆtre espe´re´e lorsque les se´quences sont optimise´es et
anticipe´es. La me´thode stochastique trouve de meilleures solutions, notamment en ce qui concerne
lagestiondesarrive´es,maislame´thodede´terministeresteinte´ressante,graˆcea` sontempsdecalcul
bienplusrapide.
Motscle´s:ae´roport,optimisation,algorithmesge´ne´tiques,branch&bound
RUNWAYS SCHEDULING AND GROUND TRAFFIC OPTIMISATION AT BUSY AIRPORTS
Abstract : In the last few years, many studies concerning air traffic delays have focused on ground
trafficmanagementatbusyairports.However,thelinkbetweentheaircrafttaxiingstageandrunway
schedulingoptimisationisstillrarelyconsidered.Performingoptimalaircraftsequencesonrunways
should allow us to enhance the taxiing stage, while applying calculated take-off slots and reducing
globallytheaircraftmeandelay.Inthisthesis,analgorithmisfirstdefinedtocomputeoptimalaircraft
schedules on runways. It is then integrated into the ground traffic management process, modeled
as a conflict resolution problem between aircraft. A deterministic method (using a branch & bound
algorithm) and a stochastic method (using a genetic algorithm) are both used to try and solve this
problem. Each of these methods can work with and without the consideration of optimal runway
scheduling. The simulations carried out show that the anticipation of the optimal runway schedules
can yield a significant delay reduction for airport ground traffic. The stochastic method provides the
bestsolutions,especiallyforarrivingaircraft,whilethedeterministicmethodremainsaconsiderable
optionbecauseofitsveryfastrunningtime.
Keywords:airport,optimisation,geneticalgorithms,branch&bound
POˆLE POM
PLANIFICATION, OPTIMISATION ET MODE´LISATION DU TRAFIC AE´RIEN
DIRECTION DES SERVICES DE LA NAVIGATION AE´RIENNE
DIRECTION DE LA TECHNIQUE ET DE L’INNOVATION

Remerciements
Je tiens tout d’abord a` remercier les personnes qui m’ont permis d’effectuer cette the`se, qui fut
une expe´rience extreˆmement enrichissante. Je remercie en particulier Jean-Baptiste Gotteland, mon
co-directeur de the`se ainsi que Nicolas Durand, mon directeur de the`se qui ont e´te´ mes premiers
interlocuteursetquim’ontsuivitoutaulongdecestroisanne´es.
Jesouhaiteadressermagratitudeenverslesmembresdujuryquiontaccepte´ dejugermontravail.
Ce long pe´riple m’a permis de de´couvrir l’ambiance au sein du Poˆle POM (initialement nomme´
LOG) ou` re`gnent la bonne humeur et la convivialite´. Un grand merci a` David Gianazza pour son
soutientetsesconseilsavise´s.Jen’oublieraispasnonplusleslonguesdiscussionsavecCyrilAllignol
a` 8hdumatinalorsquenousn’e´tionsquedeuxdansleslocaux.Mercie´galementa` NicolasSaporito
pour sa bonne humeur, son humour incessant et ses citations aussi philosophiques que cocasses. Je
pense aussi a` Franc¸ois Huchet qui est un compagnon de jeu vide´o exemplaire et qui est capable
de parler de strate´gies de jeu d’e´checs pendant des heures! Dans le meˆme registre : merci a` David
Szymanskipoursonexpe´riencedanslesMMORPG.
Cetteaventurem’ae´galementpermisdefairelaconnaissancedequelquespersonnesdel’ENAC:
Estelle Malavolti, toujours a` l’e´coute et qui fait preuve d’une grande ouverture d’esprit; Nicolas
Barnier, et ses de´bats sur des sujets varie´s : algorithme ge´ne´tique vs programmation par contraintes,
ou simplement politiques; Ke´vin Guittet, initiateur a` Mounty Hall et grand humoriste qui aurait fait
un merveilleux duo sur sce`ne avec Nicolas Saporito. Enfin, j’ai une pense´e particulie`re pour Pascal
Brisset qui e´tait une personne extraordinaire et dont l’e´loge n’est plus a` tisser car de´ja` pre´sente dans
lesme´moiresdechacun.
Le soutient en dehors du cadre du travail fut tout autant appre´ciable. Je tiens donc a` adresser
des remerciements a` De´de´ qui a, entre autres, eu la bonte´ de faire l’aller-retour Lyon-Toulouse en
camionnette pour mon de´me´nagement; a` Alexandre qui me changeait les esprits avec ses aventures
amoureuses; a` Jean-Phi & Laura, qui m’ont rendu accro au Rock et au Boogie; a` Kiki, sans qui le
groupededansen’existeraitplus;eta`touslesautresquejenecitepasmaisquisaventqu’ilscomptent
beaucoup.
Enfin, je ne remercierais jamais assez ma famille : un e´norme merci a` ma me`re pour toutes les
raisons du monde, ainsi qu’a` mes grands-parents et a` ma sœur. J’ai un sentiment particulier envers
monde´funtpe`redontlaseulepense´eresteunsoutientconside´rable.
Je tiens a` adresser un remerciement spe´cial a` ma femme qui a e´te´ d’un soutient inimaginable et
quiacomble´ mavie.
Jede´diecettethe`sea` mafille
E´lyssia
dontlanaissance,lorsdelare´dactiondecerapport,m’aapporte´ unejoieincommensurable.
Table des matie`res
Introduction 1
I Contexte 3
1 Letraficae´roportuaire 5
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Organisationdutraficae´rienenEurope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1 Controˆledutraficae´rien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2 Re´gulationeurope´ennedutraficae´rien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Gestiondutraficausol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.1 Structured’unae´roport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.2 Controˆled’ae´rodrome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.3 Domainesd’e´tudepourlecontroˆled’ae´rodrome. . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4 Difficulte´sidentifie´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 Analysepre´liminaire 11
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Projetspourlecontroˆled’ae´rodrome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1 Optimisationdestempsderoulage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.2 Optimisationdesse´quencesd’avionssurlespistes . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.3 Gestionducheminementdesavions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.4 Proble`mespose´s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Simulateursdetraficae´roportuaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.1 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.2 Exemplesdesimulateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Cadredetravaildelathe`se . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4.1 Questionspose´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4.2 Ordonnancementdesavionssurlespistes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4.3 Lienentregestiondespistesetgestionduroulage . . . . . . . . . . . . . . . 15
II Se´quencementdesavionssurlespistes 17
3 De´finitionduproble`me 19
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2 Analysepre´liminaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
i
ii TABLEDESMATIE`RES
3.2.1 Gestionope´rationnelleactuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.2 Heuresminimumd’acce`sa` lapiste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.3 Re`glesdese´paration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.4 Gestiondescre´neauximpose´sparleCFMU . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3 Mode´lisationduproble`me . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.1 Pre´sentationge´ne´rale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.2 Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.3 Contraintes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.4 Crite`red’optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4 Analyseduproble`me . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4.1 Parame`tres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4.2 Espacederecherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4.3 Re´solutionparfeneˆtreglissante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4.4 Mesuressurletraficre´el . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4 Calculd’unese´quenced’avionssurunepiste 31
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2 Me´thodesdere´solutionenvisageables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2.1 Algorithmesgloutons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2.2 Programmationdynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2.3 Programmationline´aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2.4 Programmationparcontraintes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.3 Re´solutiona` l’aided’unelibrairiedeprogrammationparcontraintes . . . . . . . . . 35
4.3.1 Principesdeslibrairiesdeprogrammationparcontraintes(PPC) . . . . . . . 35
4.3.2 Descriptionge´ne´raledelalibrairieFacile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.3.3 Imple´mentationduproble`medesse´quencesd’avions . . . . . . . . . . . . . 36
4.4 E´laborationd’unalgorithmespe´cifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.4.1 Principes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.4.2 Premie`remiseenœuvredel’algorithme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.4.3 Ame´liorationdel’algorithme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4.4 Versionfinaledel’algorithme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5 Applicationsetre´sultats 43
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.2 Exemplesdecalculsdese´quences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.2.1 Pre´sentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.2.2 Comparaisondesdeuxme´thodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.2.3 Influenceducrite`re . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.2.4 Influencedelaflexibilite´ etdelamarge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.3 Calculd’unese´quencesurunejourne´ecomple`te . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.3.1 Principes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.3.2 Influencedel’horizon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.3.3 Influencedesdiffe´rentscrite`res . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.3.4 Influencedelaflexibilite´ etdelamarge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
TABLEDESMATIE`RES iii
III Re´solutiondutraficausol 55
6 Formulationduproble`me 57
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.2 Pre´visiondetrajectoiresauroulage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.2.1 Affectationdechemins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.2.2 Mode´lisationdesincertitudes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.3 De´tectiondeconflits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.3.1 De´finitiond’unconflit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.3.2 Conflitslie´sa` l’horizondepre´dictionlimite´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.3.3 Conflitsavecincertitudesurlesvitesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.3.4 Groupesd’avionsenconflit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.4 Simulationdutraficausol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.4.1 Principes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.4.2 Heuresminimalesdede´collage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.4.3 Notionsdede´touretdede´lai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.4.4 Attentestrate´gique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.4.5 Boucledesimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.5 Formulationenproble`med’optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.5.1 Pre´sentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.5.2 Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.5.3 Contraintes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.5.4 Crite`resansse´quenced’avionsa` re´alisersurlespistes . . . . . . . . . . . . 69
6.5.5 Crite`revisanta` re´aliserdesse´quencesd’avionssurlespistes . . . . . . . . . 70
6.5.6 Tailledel’espacederecherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7 Re´solutiondesconflitsauroulage 75
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.2 Re´solutionparuneme´thodede´terministe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.2.1 Classementdesavions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.2.2 Calculdelatrajectoired’unavionsurl’undeseschemins . . . . . . . . . . 77
7.2.3 Re´solutiondesconflitsd’ungrouped’avions . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
7.3 Algorithmese´volutionnaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
7.3.1 Principes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
7.3.2 Cycled’e´volution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7.3.3 Ope´rateursdevariation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7.3.4 Fonctiond’e´valuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
7.3.5 Ame´liorationsclassiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
7.3.6 Proble`mespartiellementse´parables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
7.4 Algorithmege´ne´tiquepourlare´solutiondesconflitsauroulage . . . . . . . . . . . . 85
7.4.1 Codagedesdonne´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
7.4.2 Populationetge´ne´rationinitiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.4.3 Fonctiond’e´valuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.4.4 Reproductiondesindividus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.4.5 Ame´liorationsclassiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
iv TABLEDESMATIE`RES
8 Re´sultats 91
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
8.2 E´talonnagedel’algorithmege´ne´tique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
8.2.1 Pre´sentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
8.2.2 Tauxdecroisementetdemutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
8.2.3 Tailledepopulationetnombredege´ne´rations . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
8.2.4 Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
8.3 Comparaisondesdeuxme´thodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
8.3.1 Tempsdecalcul. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
8.3.2 Comparaisondesde´laisetdurespectdescre´neaux . . . . . . . . . . . . . . 96
8.3.3 Pertinencedesse´quencesd’avionspre´vuessurlespistes . . . . . . . . . . . 98
8.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
IV Applications 101
9 Influencedesprincipauxparame`tres 103
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
9.2 Horizondepre´dictiondesse´quencesd’avionssurlespistes . . . . . . . . . . . . . . 104
9.2.1 Pre´sentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
9.2.2 Re´sultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
9.3 Tauxd’incertitudeetpasderafraˆıchissement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
9.3.1 Pre´sentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
9.3.2 Re´sultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
9.4 Niveaudepriorite´ entrede´partsetarrive´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
9.4.1 Pre´sentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
9.4.2 Re´sultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
9.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Conclusionsetperspectives 111
Glossaire 113
Bibliographie 115