Controllo del traffico aereo

Gestione dei flussi
di traffico aereo
Daniele Vigo
DEIS – Università di Bologna
1
Trasporto aereo in Europa
• In tutto il mondo sono trasportate per via aerea merci
per un valore di 1500 miliardi di dollari
• Efficienza del settore indispensabile per la prosperità
e la competitività dell’economia di un Paese
• Giro d’affari superiore a 70.000 milioni Euro /anno
• Fornisce occupazione ad oltre 500.000 persone in
Europa
•1
Traffico aereo in Europa
• Dal 1990 crescita traffico aereo: 5% - 8% all’anno
• Dal 1995 incremento superiore ad ogni previsione
6000
5500
lio 5000
vi 4500
da
iai 4000
lgi
M 3500
3000
2500
87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99
Traffico aereo in Europa (2)
• Anche per il futuro si prevede un andamento simile
• 65.000 decolli al giorno nel 2020 (+280%)
Voli più che
raddoppiati
entro il 2015
140%
121%
120%
86%
100%
80%
56%
60%
40%
30%
20%
0%
2000
2005
2010
2015
•2
Ritardi dei voli in Europa
•
•
•
•
Intensificazione del fenomeno:
1998: 27.4 milioni di minuti
1999 46.03 milioni di minuti (+68%) C
Oltre 2000 ore di ritardo al giorno
O
S
T
I
• Domanda: +1%
• Ritardi: +6.5%
• 22 euro per minuto di
permanenza a terra
• Valore medio del ritardo
per i passeggeri:
60 euro/minuto
• Costi totali nel 1999:
oltre 5700 milioni di
euro
Rete di traffico aereo
C
A
D
B
Congestione: aeroporti, aerovie,settori
6
•3
Capacità della rete
• Aeroporti:
• lato terra:
• lato aria:
n. di passeggeri serviti
n. di aerei in partenza e/o arrivo
• partenze più veloci degli arrivi
• “distanza” (tempo) tra due operazioni:
• fisso (dipendente dal tempo meteo)
• dipendente dai tipi di aerei
• sequenziamento “ottimo” delle operazioni
7
Capacità della rete (2)
• Runway capacity envelope
30
departures
25
Good weather
20
Poor weather
15
10
5
0
0
10
20
30
arrivals
8
•4
Capacità della rete (3)
• Aerovie:
n. di aerei per direzione e quota
• separazione verticale delle quote (2000 ft)
• separazione orizzontale delle vie
• separazione orizzontale tra gli aerei
• aumento di capacità:
• riduzione della separazione (strumentazione più
sofisticata)
• creazione di rotte dirette nello spazio aereo superiore
9
Capacità della rete (4)
• Settori:
n. di aerei in transito “monitorabili”
dai controllori di volo
• aumento di capacità:
• ridefinizione dei confini dei settori di spazio aereo
superiore (Europa)
• suddivisione del settore in settori più piccoli
• muro della capacità: 2003 !
10
•5
I “colli di bottiglia”
• Di solito la congestione si osserva in corrispondenza
degli aeroporti in fase di atterraggio
• (piu’ lenta: distanze di sicurezza)
• USA: principalmente negli aeroporti
• Europa:
• molte nazioni
• voli corti
• congestione anche in molti settori
11
Problemi per il trasporto aereo
• Aeroporti
• Settori di spazio aereo
• Aerovie
CAPACITA’ LIMITATA
DI RICEVERE IL
TRAFFICO AEREO
RITARDI
DI TRAFFICO
A
T
F
M
+
FORTE CRESCITA
SOVRACCARICO
DEL SISTEMA
RISCHI PER LA
SICUREZZA DEI VOLI
•6
Gestione flussi di traffico aereo (ATFM)
• Compiti:
•
•
•
•
•
• preservare settori di spazio ed aeroporti dal sovraccarico,
• assicurare un uso efficiente della capacità disponibile,
• fornire flussi di traffico ottimali
USA: ATCSCC (Air Traffic Control System Command Center)
Washington DC
Europa: CFMU (Central Flow Management Unit) Bruxelles:
gestione del traffico di tutta Europa (32 nazioni ECAC)
Costo ATC in Europa (1996): 3.4 M$ (= costo del carburante !!)
In USA l’ATC è pagato dal contribuente
In Europa dalle è pagato dalle compagnie (dai viaggiatori)
Pianificazione dei voli
• Strategica:
• USA: piani di volo elaborati poche ore prima
• EUROPA: circa 6 mesi prima del volo (molte nazioni)
• pre-tattica: riaggiornata un paio di giorni prima del volo
• Tattica:
• USA: dopo la partenza
• EUROPA: poche ore prima del volo
• Le zone congestionate sono identificate
poco prima della partenza
•7
Regolazioni del traffico (ATFM)
• In presenza di congestione i responsabili del traffico
aereo ricorrono a regolazioni ATFM
Azioni di regolazione più diffuse:
• spostamento nel tempo:
slot allocation (allocazione dell’istante di arrivo)
ground holding (imposizione di un ritardo a terra)
holding (imposizione di un ritardo in volo)
• spostamento nello spazio: re–routing
Free–flight:
• possibilità di scegliere rotta, velocità ed instante di arrivo
• controllo per garantire separazione e capacità
Politica di Slot Allocation
Mantenere gli aeromobili in volo a
velocità ridotta in zone di attesa ad
alta densità di traffico
• Gli aeromobili il cui piano di volo prevede il transito
attraverso aree congestionate scontano un periodo di attesa a
terra
• Si evita di accumulare ritardi in volo
• Il personale del CFMU concorda con gli operatori delle
compagnie aeree un nuovo orario (slot) di decollo/arrivo.
• Algoritmo CASA (Computer Assisted Slot Allocation)
•8
Ground Holding Problem
• assorbimento a terra dei ritardi dovuti alla
congestione
• maggior sicurezza,
• minor costo
• Per un rete di aeroporti sono dati:
• capacità (in partenza/arrivo) degli aeroporti
• orari programmati dei voli
• “costi” dei ritardi …
• Determinare per ciascun volo l’istante di partenza
minimizzando i costi complessivi dei ritardi
Ground Holding Problem
• Modello di Vranas, Bertsimas, Odoni (1994)
f1
f2
fn
coda
Runway System
Ae
ro
po
rto
•9
Ground Holding Problem (2)
(z
• caso multi–airport
∈ Z)
• Ipotesi:
•
•
•
•
•
tempo discretizzato (5–15 min)
(t ∈ T)
capacità nota e deterministica
K(z,t)
congestione solo in prossimità degli aeroporti di arrivo
settori ed aeroporti in partenza non congestionati
presenza di voli in cascata (multi airport):
• volo f ∈ F : succ(f ) volo che segue f, (ev. =0)
massimo ritardo tra f e succ(f )
•s
• r tempo di arrivo desiderato
f,
succ(f )
f
Ground Holding Problem (3)
• Modello: min (costi dovuti ai ritardi)
• vincoli di capacità degli aeroporti
• vincoli di assegnamento (tutti i voli serviti)
• vincoli di accoppiamento (tra f e succ(f ))
F(z,t)
insieme dei voli che arrivano in z nell’intervallo t
T(f )
insieme degli intervalli di arrivo per il volo f
}
= {r r +1, …, r +∆
f ,
f
f
• variabili decisionali:
max
f
xft =
1 se f arriva in t
0 altrimenti
•10
Ground Holding Problem (4)
Σ
Σ
Σ
f
Σ
f
∈F
cf ∆f = min
∈ F (z,t)
xft
≤ K(z,t)
min
f
∈F
cf
(Σ ∈
t
T(f
)
t xft – rf)
∀ z ∈ Z ,∀ t ∈ T
∀f∈F
∈T (f)
xft = 1
∈T (f)
t xft – rf – sf, succ(f ) ≤
t
t
Σ
Σ
v
∈T (succ(f))
v xfv – rsucc(f )
∀ f ∈ F : succ(f ) ≠ 0
∀ f ∈ F ,∀ t ∈ T(f )
xft ∈ {0, 1}
Algoritmi per GHP
• algoritmi esatti basati su formulazioni ILP :
• in grado di affrontare problemi con migliaia di voli ed
alcuni aeroporti
• alcune ore di tempo di calcolo
• algoritmi euristici:
• problemi reali (65000 voli) risolti in pochi secondi
entro circa il 2% dall’ottimo
• metodi esatti “ibridi”
• soluzione iniziale determinata con euristici
22
•11
Re-routing
• Offrire agli utenti dello spazio aereo una valida
alternativa alla tecnica di slot allocation
• non traslare i voli nel tempo, ma spostarli nello spazio
• Fornire alle compagnie aeree la possibilità di seguire una
rotta diversa da quella del piano di volo
• Scegliere un percorso che garantisca il rispetto dei requisiti
di sicurezza e consenta di aggirare le aree congestionate
• Da applicare anche pochi minuti prima del decollo
• Tecnica fino ad ora usata solo per qualche volo
• Mancano algoritmi per valutare la rotta ottimale
Trattazione matematica del problema
•
Ricondurre la ricerca della rotta migliore ad un problema
di ottimizzazione su reti
• Schematizzare la rete di traffico con un grafo
Settori ed aeroporti
Aerovie
s1
A1
s2
s3
s4
Nodi
Archi
s5
s6
s7
A2
•12
Problema MCF
•
Problema di flusso a più sorgenti-destinazioni (Multicommodity intero)
•
Per la sua soluzione non esistono algoritmi esatti
•
Considerare un gruppo di voli alla volta
•
Determinare il flusso a costo minimo, ovvero applicare in modo iterativo un algoritmo
risolutivo del problema MCF
• Codice RELAX-IV sviluppato da Bertsekas e Tseng che sfrutta
l’inizializzazione ottenuta con un algoritmo euristico
h
h
khi
chi
khi’
chi’
i
i’
kij
cij
j
ki’i’
c’ i’i’
i’’
’
Istanza problema
MCF
ki’’j
ci’’j
j
Istanza modificata
Il conflitto in Kossovo
• Dal 24 marzo al 21giugno 1999 lo spazio aereo
dell’Europa sud-orientale è stato precluso ai voli
civili
• Drastica caduta di capacità del sistema
• Aumento del traffico dovuto ai voli militari ed
umanitari
•13
Il conflitto in Kossovo (2)
Il conflitto in Kossovo (3)
Variazione percentuale di traffico giugno 98-giugno 99
•14
Effetto del conflitto in Kossovo
Mese di aprile 1999:
• Ritardi
+150% rispetto allo stesso mese del ‘98
• 1 aeromobile su 50 soggetto a ritardo a terra >
• Italia
1ora
+1.000.000 minuti di ritardo rispetto aprile ‘98
Applicazione del re-routing
• 272 voli
• Tratta : Roma-Bruxelles
• 144 con
• Mese di aprile 1999
• Una delle rotte più
congestionate
ritardo
• Ritardo
medio per
volo 26,7
minuti
•15
Applicazione del re-routing (2)
Rotta 1
Costo = 6100 euro
•Tempo di percorrenzaTempo
+ 5 min
totale 157
•Costi di carburante
•9 minuti di attesa a terra
Rotta 2
•Costi di rotta
Costo = 4968 euro
•Costo parcheggio
•27 minuti di attesa a terra
•Costo ritardo passeggeri Tempo totale 144
Rotta 3
Costo = 6469 euro
Tempo totale 157
Rotta 4
Costo = 7399 euro
Tempo totale 167
•16