Systèmes de circulation aérienne et régulation
Responsables de la thématique : Rémy Fondacci, Sophie Constans
Contributeurs : Nour-Eddin El Faouzi, Norbert Fouemkeu, David Rey
Les objectifs principaux sont de proposer des solutions pour faire face à l’augmentation prévue du trafic, soit un doublement du nombre de vols opérés d’ici 2030, en toute sécurité et de manière respectueuse de l’environnement. Ils sont également d’évaluer ces solutions selon leur efficacité et leur applicabilité dans différents contextes de trafic. Les activités de cette thématique se sont placées en cohérence avec le projet SESAR (Single European Sky ATM Research, Union Européenne et EUROCONTROL) de définition et mise en place de solutions pour le trafic aérien à l’horizon 2020 et au-delà, dès le lancement de celui-ci. Les solutions examinées traitent les problèmes de conflits entre appareils et de saturation de l’espace selon divers horizons d’action, et sont complétées par une activité de modélisation de l’incertitude sur les trajectoires des appareils. Les solutions à long terme se tournent vers une nouvelle définition du système de trafic, conduisant à des taux de conflits faibles et une consommation énergétique réduite ; les solutions à court ou moyen terme se rapprochent des objectifs du projet ERASMUS (En Route Air traffic Soft Management Ultimate System) devant apporter des fonctions de déconfliction et de gestion des séparations dans le cadre de SESAR.
Nouveau paradigme de circulation aérienne
Ce thème s’attache à la définition de futurs systèmes de trafic aérien. Le système vers lequel s’oriente actuellement cette activité est caractérisé par un haut degré d’organisation où les appareils doivent, pendant la totalité ou une grande partie de leur trajet, suivre avec précision des trajectoires 4D, représentées par un ensemble de points mobiles. Ces points mobiles pouvant se trouver en conflit aux intersections, un statut autorisé ou interdit leur est affecté de façon à obtenir un nombre de conflits fortement réduit (idéalement nul) et une densité satisfaisante de trafic. En outre, les trajets les plus proches possible des lignes directes sont privilégiés, réduisant ainsi les distances parcourues par les appareils et la consommation de carburant. Les principaux verrous dans la caractérisation des solutions et l’affectation optimale des statuts aux points mobiles font notamment intervenir la théorie des graphes ; ils ont été levés, en bonne partie, notamment dans la thèse consacrée à ce sujet. Les résultats obtenus jusqu’à présent caractérisent entre autres l’influence des configurations des intersections sur la répartition des conflits potentiels ou des bornes maximum et minimum sur la densité de trafic pour une configuration donnée. L’affectation des statuts aux points mobiles se fait par résolution d’un problème de stable maximum sur des instances correspondant à des journées de trafic réelles. Une diminution de 60% du nombre total de conflits et de 1,5% de la consommation totale de carburant peut alors être obtenue sur une journée de vol type. Les développements futurs sur ce thème s’attachent d’une part à l’amélioration des méthodes de résolution mises en œuvre en cherchant à exploiter de façon explicite les caractéristiques spécifiques des graphes introduits et d'autre part à la prise en compte opérationnelle des disparités en termes de fréquentation des différentes origines-destinations. A plus long terme, la manière de modéliser ce système pourra être revisitée, ainsi que sa définition même.
Régulation du trafic
A l’heure actuelle, les créneaux de décollage sont attribués aux avions par la couche, ou "filtre", ATFM tactique de la CFMU (Central Flow Management Unit) de façon à éviter les surcharges de secteurs. Cette opération est faite a priori et ne peut pas tenir compte pleinement des conditions, notamment météorologiques, que rencontrent les vols pendant leur trajet. La gestion temps-réel des saturations ou des conflits est ensuite effectuée par le filtre ATC, c’est-à-dire par les contrôleurs. Ce fonctionnement repose sur des prévisions de trafic par nature approximatives et n’offre pas aux contrôleurs de véritable protection contre la surcharge de travail. Nous proposons d’insérer un filtre supplémentaire, de régulation du trafic, entre les filtres ATFM et ATC pour modifier les trajectoires des appareils de façon à limiter les surcharges ou les conflits que les contrôleurs ont à gérer. Concrètement, ce filtre implémente le principe de la commande à horizon glissant, qui permet de corriger les dérives dues aux erreurs de prévision, aux incertitudes ou à la non application de certaines actions. Chaque itération procède à une mise à jour des conditions de trafic, à la résolution d’un problème d’optimisation donnant des trajectoires actualisées pour les vols, et à l’application de ces consignes par les appareils. Ce principe est appliqué d’une part à la régulation de la charge par affectation de trajectoires 4D, où un problème linéaire mixte de grande taille est résolu grâce à la méthode de génération de colonnes [+]. Un autre cas a par ailleurs été étudié, où l’on cherche à éviter les conflits entre appareils grâce à des modulations de vitesse, ce qui correspond aux objectifs d’ERASMUS. Un problème d’optimisation non convexe est alors résolu de manière heuristique, apportant entre 6 et 20% d’amélioration de la fonction objectif sur une itération lors du traitement d’une journée type de trafic. Les verrous scientifiques à lever concernent l’étude des propriétés théoriques des solutions obtenues, notamment pour établir les limites de cette approche.
Planification du trafic
Ce thème s’intéresse à l’introduction d’un complément au filtre ATFM, où il s’agit d’allouer des niveaux de vol aux appareils de façon à minimiser les risques de conflit. L'horizon d'action cosidéré est de plusieurs heures. Parallèlement, la surconsommation de carburant provoquée par une affectation sur un niveau sous-optimal pour ce critère est limitée par la définition de l’ensemble des niveaux admissibles pour chaque vol. Plusieurs heuristiques ont été déterminées, permettant une diminution de l’indicateur de conflit d’environ 50%. Une perspective possible de ce travail est une diminution de l’horizon d’action pour un couplage avec les actions de régulation.
Modélisation de l’incertitude
Les thèmes présentés ci-dessus se sont fondés jusqu'à présent sur une représentation déterministe des progressions des appareils. Pour les faire évoluer vers une représentation probabiliste, les grandeurs principales dont dépend la progression de vols ainsi que les grandeurs induites comme la charge de l’espace aérien ou la densité de conflits doivent être modélisées de façon probabiliste. Cette représentation pourra être mise à profit pour élaborer des versions stochastiques des algorithmes d’optimisation du trafic. Les verrous actuels sont l’intégration des représentations probabilistes pour l’élaboration de versions stochastiques des algorithmes de planification et de régulation du trafic aérien et la possibilité d’introduire un bruitage réaliste dans la simulation de trafic permettant l’évaluation des algorithmes. Ce travail s’appuie sur des données d’archives du trafic réel et de conditions météorologiques.
Il est à noter que dans toutes les applications on considère des jeux de données d’origine opérationnelle et de taille réelle, correspondant à une ou des journées de trafic complètes au dessus de l’Europe. Enfin, une plateforme de simulation [+] nous permet de tester nos algorithmes.
Partenaires principaux :
[+] Laboratoire G-Scop (Grenoble INP)
[+] laboratoire LMFA (Université Lyon I)
[+] EUROCONTROL (Innovative Research, partenariat scientifique 2003-2005)
[dernière mise à jour : 29/10/2009]
