Gestione dei flussi di traffico aereo

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1 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 milioni Euro /anno Fornisce occupazione ad oltre persone in Europa 1

2 Traffico aereo in Europa Dal 1990 crescita traffico aereo: 5% - 8% all anno Dal 1995 incremento superiore ad ogni previsione li 5000 o v i d 4500 ia 4000 lia ig M Traffico aereo in Europa (2) Anche per il futuro si prevede un andamento simile decolli al giorno nel 2020 (+280%) 140% 121% 120% 100% 86% 80% 56% 60% 40% 30% 20% 0% Voli più che raddoppiati entro il

3 Ritardi dei voli in Europa Intensificazione del fenomeno: 1998: 27.4 milioni di minuti milioni di minuti (+68%) Oltre 2000 ore di ritardo al giorno Domanda: +1% Ritardi: +6.5% C O S T I 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

4 Capacità della rete Aeroporti: lato terra: n. di passeggeri serviti lato aria: 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 departures Good weather Poor weather arrivals 8 4

5 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

6 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 RITARDI A T F M CAPACITA LIMITATA DI RICEVERE IL TRAFFICO AEREO + FORTE CRESCITA DI TRAFFICO SOVRACCARICO DEL SISTEMA RISCHI PER LA SICUREZZA DEI VOLI 6

7 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

8 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

9 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) f 1 f 2 coda Runway System A e r o p o r to f n 9

10 Ground Holding Problem (2) caso multi airport (z 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) s f, succ(f ) massimo ritardo tra f e succ(f ) r f tempo di arrivo desiderato 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 max = {r f, r f +1,, r f + f } variabili decisionali: x ft = 1 se f arriva in t 0 altrimenti 10

11 Ground Holding Problem (4) min Σ f F c f f =minσ f F c f (Σ t T(f ) t x ft r f ) Σ f F (z,t) x ft K(z,t) Σ t T (f) x ft = 1 z Z, t T f F Σ t T (f) t x ft r f s f, succ(f ) Σ v T (succ(f)) v x fv r succ(f ) f F : succ(f ) 0 x ft {0, 1} f F, t T(f ) 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

12 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 Nodi Archi s1 s4 s5 A1 s2 s6 A2 s3 s7 12

13 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 i n 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 k hi c hi i k ij c ij j Istanza problema MCF k hi k i i h chi c i i i c i j i k i 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

14 Il conflitto in Kossovo (2) Il conflitto in Kossovo (3) Variazione percentuale di traffico giugno 98-giugno 99 14

15 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 > 1ora Italia minuti di ritardo rispetto aprile 98 Applicazione del re-routing Tratta : Roma-Bruxelles Mese di aprile 1999 Una delle rotte più congestionate 272 voli 144 con ritardo Ritardo medio per volo 26,7 minuti 15

16 Applicazione del re-routing (2) Rotta 1 Costo = 6100 euro Tempo di percorrenza Tempo + 5 min Costi di carburante totale minuti di attesa a terra Costi di rotta Rotta 2 Costo parcheggio Costo = 4968 euro 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

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