A concept for multi-criteria environmental assessment of aircraft trajectories

Comprehensive assessment of the environmental aspects of flight movements is of increasing interest to the aviation sector as a potential input for developing sustainable aviation strategies that consider climate impact, air quality and noise issues simultaneously. However, comprehensive assessments of all three environmental aspects do not yet exist and are in particular not yet operational practice in flight planning. The purpose of this study is to present a methodology which allows to establish a multi-criteria environmental impact assessment directly in the flight planning process. The method expands a concept developed for climate optimisation of aircraft trajectories, by representing additionally air quality and noise impacts as additional criteria or dimensions, together with climate impact of aircraft trajectory. We present the mathematical framework for environmental assessment and optimisation of aircraft trajectories. In that context we present ideas on future implementation of such advanced meteorological services into air traffic management and trajectory planning by relying on environmental change functions (ECFs). These ECFs represent environmental impact due to changes in air quality, noise and climate impact. In a case study for Europe prototype ECFs are implemented and a performance assessment of aircraft trajectories is performed for a one-day traffic sample. For a single flight fuel-optimal versus climate-optimized trajectory solution is evaluated using prototypic ECFs and identifying mitigation potential. The ultimate goal of such a concept is to make available a comprehensive assessment framework for environmental performance of aircraft operations, by providing key performance indicators on climate impact, air quality and noise, as well as a tool for environmental optimisation of aircraft trajectories. This framework would allow studying and characterising changes in traffic flows due to environmental optimisation, as well as studying trade-offs between distinct strategic measure

Contributions to the Optimisation of aircraft noise abatement procedures

Tot i que en les últimes dècades la reducció del soroll emès pels avions ha estat substancial, el seu impacte a la població ubicada a prop dels aeroports és un problema que encara persisteix. Contenir el soroll generat per les operacions d'aeronaus, tot assumint al mateix temps la creixent demanda de vols, és un dels principals desafiaments a que s'enfronten les autoritats aeroportuàries, els proveïdors de serveis per a la navegació aèria i els operadors de les aeronaus. A part de millorar l'aerodinàmica o les emissions sonores de les aeronaus, l'impacte acústic de les seves operacions es pot reduir també gràcies a la definició de nous procediments de vol més òptims. Aquests procediments s'anomenen generalment Procediments d'Atenuació de Soroll (PAS) i poden incloure rutes preferencials de vol (a fi d'evitar les zones poblades) i també perfils de vol verticals optimitzats. Els procediments actuals per a la reducció de soroll estan molt lluny de ser els òptims. En general, la seva optimització no és possible a causa de les limitacions d'avui en dia en els mètodes de navegació, els equips d'aviònica i la complexitat present en alguns espais aeris. D'altra banda, molts PAS s'han dissenyat de forma manual per un grup d'experts i amb l'ajuda de diverses iteracions. Tot i això, en els propers anys s'esperen nous sistemes d'aviònica i conceptes de gestió del trànsit aeri que permetin millorar el disseny d'aquests procediments, fent que siguin més flexibles. En els pocs casos on s'optimitzen PAS, se sol utilitzar una mètrica acústica en l'elaboració de les diferents funcions objectiu i per tant, no es tenen en compte les molèsties sonores reals. La molèstia és un concepte subjectiu, complexe i que depèn del context en que s'usa i la seva integració en l'optimització de trajectòries segueix essent un aspecte a estudiar.La present tesi doctoral es basa en el fet que en el futur serà possible definir trajectòries més flexibles i precises. D'aquesta manera es permetrà la definició de procediments de vol òptims des d'un punt de vista de molèsties acústiques. Així doncs, es considera una situació en que aquest tipus de procediments poden ser dissenyats de forma automàtica o semi-automàtica per un sistema expert basat en tècniques d'optimització i de raonament aproximat. Això serviria com una eina de presa de decisions per planificadors de l'espai aeri i dissenyadors de procediments. En aquest treball es desenvolupa una eina completa pel càlcul de PAS òptims. Això inclou un conjunt de models no lineals que tinguin en compte la dinàmica de les aeronaus, les limitacions de la trajectòria i les funcions objectiu. La molèstia del soroll es modela utilitzant tècniques de lògica difusa en funció del nivell màxim de so percebut, l'hora del dia i el tipus de zona a sobrevolar. Llavors, s'identifica i es formula formalment el problema com a un problema de control òptim multi-criteri. Per resoldre'l es proposa un mètode de transcripció directa per tal de transformar-lo en un problema de programació no lineal. A continuació s'avaluen una sèrie de tècniques d'optimització multi-objectiu i entre elles es destaca el mètode d'escalarització, el més utilitzat en la literatura. No obstant això, s'exploren diverses tècniques alternatives que permeten superar certs inconvenients que l'escalarització presenta. En aquest context, es presenten i proven tècniques d'optimització lexicogràfica, jeràrquica, igualitària (o min-max) i per objectius. D'aquest anàlisi es desprenen certes conclusions que permeten aprofitar les millors característiques de cada tècnica i formar finalment una tècnica composta d'optimització multi-objectiu. Aquesta última estratègia s'aplica amb èxit a un escenari real i complex, on s'optimitzen les sortides cap a l'Est de la pista 02 de l'aeroport de Girona. En aquest exemple, dos tipus diferents d'aeronaus volant a diferents períodes del dia són simulats obtenint, conseqüentment, diferents trajectòries òptimes.Aunque en las últimas décadas la reducción del ruido emitido por los aviones ha sido sustancial, su impacto en la población ubicada cerca de los aeropuertos es un problema persistente. Contener este ruido, asumiendo al mismo tiempo la creciente demanda de vuelos, es uno de los principales desafíos a que se enfrentan las autoridades aeroportuarias, los proveedores de servicios para la navegación y los operadores. Aparte de mejorar la aerodinámica o las emisiones sonoras de las aeronaves, su impacto acústico se puede reducir también gracias a la definición de nuevos procedimientos de vuelo optimizados. Éstos, se denominan generalmente Procedimientos de Atenuación de Ruido (PAR) y pueden incluir rutas preferenciales de vuelo (a fin de evitar las zonas pobladas) y también perfiles de vuelo optimizados.Los procedimientos actuales para la reducción de ruido están muy lejos de ser los óptimos. En general, su optimización no es posible debido a las limitaciones de hoy en día en los métodos de navegación, los equipos de aviónica y la complejidad presente en algunos espacios aéreos. Por otra parte, muchos PAR se han diseñado de forma manual por un grupo de expertos y con la ayuda de varias iteraciones. Sin embargo, en los próximos años se esperan nuevos sistemas de aviónica y conceptos de gestión del tráfico aéreo que permitan mejorar el diseño de estos procedimientos, haciendo que sean más flexibles. En los pocos casos donde se optimizan PAR, se suele utilizar una métrica acústica en la elaboración de las diferentes funciones objetivo y por lo tanto, no se tienen en cuenta las molestias sonoras reales. La molestia es un concepto subjetivo, complejo y que depende del contexto en que se usa y su integración en la optimización de trayectorias sigue siendo un aspecto a estudiar. La presente tesis doctoral se basa en el hecho de que en el futuro será posible definir trayectorias más flexibles y precisas. De esta manera se permitirá la definición de procedimientos de vuelo óptimos desde un punto de vista de molestias acústicas. Se considera una situación en que este tipo de procedimientos pueden ser diseñados de forma automática o semi-automática por un sistema experto basado en técnicas de optimización y de razonamiento aproximado. Esto serviría como una herramienta de toma de decisiones para planificadores del espacio aéreo y diseñadores de procedimientos.En este trabajo se desarrolla una herramienta completa para el cálculo de PAR óptimos. Esto incluye un conjunto de modelos no lineales que tengan en cuenta la dinámica de las aeronaves, las limitaciones de la trayectoria y las funciones objetivo. La molestia del ruido se modela utilizando técnicas de lógica difusa en función del nivel máximo de sonido percibido, la hora del día y el tipo de zona a sobrevolar. Entonces, se identifica y se formula formalmente el problema como un problema de control óptimo multi-criterio. Para resolverlo se propone un método de transcripción directa para transformarlo en un problema de programación no lineal. A continuación se evalúan una serie de técnicas de optimización multi-objetivo y entre ellas se destaca el método de escalarización, el más utilizado en la literatura. Sin embargo, se exploran diversas técnicas alternativas que permiten superar ciertos inconvenientes que la escalarización presenta. En este contexto, se presentan y prueban técnicas de optimización lexicográfica, jerárquica, igualitaria (o min-max) y por objetivos. De este análisis se desprenden ciertas conclusiones que permiten aprovechar las mejores características de cada técnica y formar finalmente una técnica compuesta de optimización multi-objetivo. Esta última estrategia se aplica con éxito en un escenario real y complejo, donde se optimizan las salidas hacia el Este de la pista 02 del aeropuerto de Girona. En este ejemplo, dos tipos diferentes de aeronaves volando a diferentes periodos del día son simulados obteniendo, consecuentemente, diferentes trayectorias óptimas.Despite the substantial reduction of the emitted aircraft noise in the last decades, the noise impact on communities located near airports is a problem that still lingers. Containing the sound generated by aircraft operations, while meeting the increasing demand for aircraft transportation, is one of the major challenges that airport authorities, air traffic service providers and aircraft operators may deal with. Aircraft noise can be reduced by improving the aerodynamics of the aircraft, the engine noise emissions but also in designing new optimised flight procedures. These procedures, are generally called Noise Abatement Procedures (NAP) and may include preferential routings (in order to avoid populated areas) and also schedule optimised vertical flight path profiles. Present noise abatement procedures are far from being optimal in regards to minimising noise nuisances. In general, their optimisation is not possible due to the limitations of navigation methods, current avionic equipments and the complexity present at some terminal airspaces. Moreover, NAP are often designed manually by a group of experts and several iterations are needed. However, in the forthcoming years, new avionic systems and new Air Traffic Management concepts are expected to significantly improve the design of flight procedures. This will make them more flexible, and therefore will allow them to be more environmental friendly. Furthermore, in the few cases where NAP are optimised, an acoustical metric is usually used when building up the different optimisation functions. Therefore, the actual noise annoyance is not taken into account in the optimisation process. The annoyance is a subjective, complex and context-dependent concept. Even if sophisticated noise annoyance models are already available today, their integration into an trajectory optimisation framework is still something to be further explored. This dissertation is mainly focused on the fact that those precise and more flexible trajectories will enable the definition of optimal flight procedures regarding the noise annoyance impact, especially in the arrival and departure phases of flights. In addition, one can conceive a situation where these kinds of procedures can be designed automatically or semi-automatically by an expert system, based on optimisation techniques and approximate reasoning. This would serve as a decision making tool for airspace planners and procedure designers.A complete framework for computing optimal NAP is developed in this work. This includes a set of nonlinear models which take into account aircraft dynamics, trajectory constraints and objective functions. The noise annoyance is modelled by using fuzzy logic techniques in function of the perceived maximum sound level, the hour of the day and the type of over-flown zone. The problem tackled, formally identified and formulated as a multi-criteria optimal control problem, uses a direct transcription method to transform it into a Non Linear Programming problem. Then, an assessment of different multi-objective optimisation techniques is presented. Among these techniques, scalarisation methods are identified as the most widely used methodologies in the present day literature. Yet, in this dissertation several alternative techniques are explored in order to overcome some known drawbacks of this technique. In this context, lexicographic, hierarchical, egalitarian (or min-max) and goal optimisation strategies are presented and tested. From this analysis some conclusions arise allowing us to take advantage of the best features of each optimisation technique aimed at building a final compound multi-objective optimisation strategy. Finally, this strategy is applied successfully to a complex and real scenario, where the East departures of runway 02 at the airport of Girona (Catalonia, Spain) are optimised. Two aircraft types are simulated at different periods of the day obtaining different optimal trajectories.Postprint (published version

Towards a more realistic, cost effective and greener ground movement through active routing: part 1 - optimal speed profile generation

Among all airport operations, aircraft ground movement plays a key role in improving overall airport capacity as it links other airport operations. Moreover, ever increasing air traffic, rising costs and tighter environmental targets create a pressure to minimise fuel burn on the ground. However, current routing functions envisioned in Advanced Surface Movement, Guidance and Control Systems (A-SMGCS) almost exclusively consider the most time efficient solution and apply a conservative separation to ensure conflict free surface movement, sometimes with additional buffer times to absorb small deviations from the taxi times. Such an overly constrained routing approach may result in either a too tight planning for some aircraft so that fuel efficiency is compromised due to multiple acceleration phases, or performance could be further improved by reducing the separation and buffer times. In light of this, Part 1 and 2 of this paper present a new Active Routing framework with the aim of providing a more realistic, cost effective and environmental friendly surface movement, targeting some of the busiest international hub airports. Part 1 of this paper focuses on optimal speed profile generation using a physics based aircraft movement model. Two approaches based respectively on the Base of Aircraft Data (BADA) and the International Civil Aviation Organization (ICAO) engine emissions database have been employed to model fuel consumption. These models are then embedded within a mutli-objective optimization framework to capture the essence of different speed profiles in a Pareto optimal sense. The proposed approach represents the first attempt to systematically address speed profiles with competing objectives. Results reveal an apparent trade-off between fuel burn and taxi times irrespective of fuel consumption modelling approaches. This will have a profound impact on the routing and scheduling, and open the door for the new concept of Active Routing discussed in Part 2 of this paper

Cruise speed reduction for air traffic flow management

Avui dia un considerable nombre d’infraestructures del transport aeri tenen problemes de congestió. Aquesta situació es veu empitjorada amb l’increment de trànsit existent i amb la seva densitat deguda al sistema de hub i spoke utilitzat per les companyies aèries. Aquesta congestió es veu agreujada puntualment per disminucions de capacitat per causes com la meteorologia. Per mitigar aquests desequilibris, normalment són implementades mesures de gestió del flux de transit aeri (ATFM), sent el retard a l’aeroport d’origen una de les més utilitzades. Assignant retard previ a l’enlairament, el trànsit d’arribada és repartit durant un interval de temps superior i les arribades es distribueixen. Malgrat això, la predicció de quan aquestes reduccions de capacitat es solucionaran una tasca dificultosa. Això comporta que es defineixin regulacions que són més llargues del necessari i per tant, porta a la realització de retard innecessari i al desaprofitament de capacitat. La definició de trajectòries precises ofereix noves oportunitats per gestionar aquests desequilibris. Una tècnica prometedora és la utilització de variacions de velocitat durant el creuer. Generalment, es considera que volar més lent que la velocitat de màxim abast (MRC) no és eficient. En aquesta tesis es presenta una nova aproximació. Quan les aerolínies planifiquen els seus vols, consideren el cost del temps junt amb el del combustible. Per tant, és habitual seleccionar velocitats més ràpides que MRC. Així és possible volar més lent de la velocitat de MRC tot mantenint el mateix consum inicialment planificat. Aquest retard realitzat a l’aire pot ser considerat a la fase pre-tàctica per dividir el retard assignat a un vol en retard a terra i retard a l’aire durant el creuer. Amb aquesta estratègia, el retard és absorbit de manera gradual durant el vol fent servir el mateix combustible que inicialment planificat. Si la regulació es cancel•la abans del que estava planificat inicialment, els vols que estan a l’aire es troben en una situació més favorable per tal de recuperar part del retard. La present tesis es centra en l’estudi d’aquest concepte. En primer lloc, s’ha realitzat un estudi de la relació entre el combustible utilitzat i el temps de vol quan es modifica la velocitat nominal de creuer. A continuació, s’ha definit i analitzat el retard que pot ser realitzat sense incorre en un consum extra de combustible en l’absència i en la presencia de vent. També s’ha considerat i analitza la influència de triar un nivell de vol diferent del planificat inicialment i la utilització de combustible extra per tal d’obtenir major quantitat de retard. Els resultats mostren que per vols de curt i mitja distància, la quantitat de retard realitzable és d’entorn a 5 minuts, aquesta quantitat augmenta a uns 25 minuts per vols de llarg recorregut. El nivell de vol s’ha identificat com un dels paràmetres principals que afecten a la quantitat de retard que pot ser absorbit a l’aire. A continuació es presenta l’aplicació de la tècnica a regulacions d’ATFM realistes, i particularment a ground delay programs (GDP). Per tal de mostrar resultats que siguin significatius, els GDPs implementats en 2006 en el espai aeri nord-americà han sigut analitzats. Han sigut detalladament estudiats escenaris als aeroports de San Francisco, Newark i Chicago. Aquests tres aeroports van ser els que van declarar més GDPs durant el 2006 i per la seva situació geogràfica presenten trànsits amb diferents característiques. Per tal de considerar el trànsit s’ha utilitzat dades de la Federal Aviation Administration i característiques aerodinàmiques i de consum realistes provinents d’Airbus. Finalment, la tesis presenta l’efecte d’utilitzar radis d’exempció en els programes de regulació de trànsit i l’ ús de polítiques de priorització de vols diferents a la utilitzada actualment (ration-byschedule). Per concloure, s’ha realitzat una breu discussió sobre l’impacte d’aquesta estratègia en la gestió del trànsit aeri.Nowadays, many air transport infrastructures suffer from congestion. This situation is worsened by a continuous increase in traffic, and, traffic density due to hub and spoke systems. Weather is one of the main causes which leads to punctual capacity reduction. To mitigate these imbalances, air traffic flow management (ATFM) initiatives are usually undertaken, ground delay at the origin airport being one of the main ones used. By assigning delay on ground at the departure airport, the arrival traffic is spread out and the arrivals are metered at the congested infrastructure. However, forecasting when these capacity drops will be solved is usually a difficult task. This leads to unnecessarily long regulations, and therefore to the realisation of unnecessary delay and an underuse of the capacity of the infrastructures.The implementation of precise four dimension trajectories, envisaged in the near future, presents new opportunities for dealing with these capacity demand imbalances. In this context, a promising technique is the use of speed variation during the cruise. Generally, it is considered that flying slower than the maximum range speed (MRC) is neither efficient nor desirable. In this dissertation a new approach is presented. When airlines plan their flights, they consider the cost of time along with the cost of fuel. It is therefore common practice to select speeds that are faster than MRC.Thus, it is possible to fly slower than MRC while maintaining fuel consumption as initially planned. This airborne delay can be considered at a pre-tactical phase to divide the assigned air traffic flow management delay between ground and airborne delay. With this strategy, the delay is absorbed gradually during the flight using the same fuel as initially planned, but with the advantage that, if the regulation is cancelled before planned, the flights which are already airborne are in a better position to recover part of their assigned delay.This dissertation focuses on the study of this concept. Firstly, a study of the trade-off existing between fuel consumption and flight time, when modifying the nominal cruise speed, is presented. Secondly, the airborne delay that can be realised without incurring extra fuel consumption is defined and assessed in the absence and presence of wind. The influence of selecting a different flight level than initially planned, and the use of extra fuel consumption to obtain higher delay, are also considered and analysed. Results show that for short and mid-range flights around 5 minutes of airborne delay can be realised, while for longer flights this value increases up to around 25 minutes. The flight level is identified as one of the main parameters which affect the amount of airborne delay realisable.Then, the application of the suggested cruise speed reduction on realistic ATFM initiatives, and, in particular, on ground delay programs (GDP) in the United States, is presented. In order to obtain significant results, the GDPs implemented in North American airspace during 2006 are analysed. Scenarios for San Francisco International, Newark Liberty International and Chicago O'Hare International are studied in detail, as these airports were the ones where the most GDPs were implemented in 2006. In addition, due to their location, they present different traffic behaviours. In order to consider the traffic, Federal Aviation Administration data and the aerodynamics and fuel consumption characteristic form Airbus are used.Finally, the use of radius of exemption in the GPDs and the use of ration policies different from the operative ration-by-schedule, are also analysed. To conclude, a brief discussion about the impact of this speed reduction strategy on the air traffic management is presented.Hoy en día un número considerable de infraestructuras del transporte aéreo tienen problemas de congestión. Esta situación se ve empeorada por el incremento de tráfico existente y por su densidad producida por el sistema de hub y spoke utilizado por las compañías aéreas. Esta congestión se ve agravada puntualmente por disminuciones de capacidad debidas a causas como la meteorología. Para mitigar estos desequilibrios, normalmente se implementan medidas de gestión del tráfico aéreo (ATFM), siendo el retraso en el aeropuerto de origen una de las más utilizadas. Asignando retraso en tierra previo al despegue, el tráfico de llegada se distribuye durante un intervalo mayor de tiempo y se controlan las llegadas. Pese a esto, la predicción de cuando estas reducciones de capacidad se solventarán es generalmente una tarea compleja. Por esto, se suelen definir regulaciones durante un periodo de tiempo superior al necesario, comportando la asignación y realización de retraso innecesario y el desaprovechamiento de las infraestructuras. La definición de trayectorias precisas permite nuevas oportunidades para gestionar estos desequilibrios. Una técnica prometedora es el uso de variaciones de velocidad durante el crucero. Suele considerarse que volar más lento que la velocidad de máximo alcance (MRC) no es eficiente. En esta tesis se presenta una nueva aproximación. Cuando las aerolíneas planifican sus vuelos consideran el coste del tiempo junto con el del combustible. Por consiguiente, es una práctica habitual seleccionar velocidades mas rápidas que MRC. Así es posible volar mas lento que la velocidad de MRC manteniendo el mismo consumo que el inicialmente planificado. Este retraso realizable en el aire puede ser considerado en la fase pre-táctica para dividir el retraso asignado entre retraso en tierra y retraso durante el crucero. Con esta estrategia, el retraso es absorbido de manera gradual durante todo el vuelo utilizando el mismo combustible que el planificado inicialmente por la compañía. Esta estrategia presenta la ventaja de que los vuelos que están en el aire se encuentran en una situación mas favorable para recuperar parte del retraso que tenían asignado si la regulación se cancela. En primer lugar se ha realizado un estudio de la relación existente entre el combustible usado y el tiempo de vuelo cuando la velocidad de crucero es modificada. A continuación, se ha definido y analizado el retraso que se puede realizar sin repercutir en el consumo en la ausencia y en la presencia de viento. También se ha considerado la influencia de elegir un nivel de vuelo diferente al planificado y el uso de combustible extra para incrementar el retraso. Los resultados muestran que para vuelos de corto y medio alcance, la cantidad de retraso es de en torno a 5 minutos, esta cantidad aumenta a unos 25 minutos para vuelos de largo recorrido. El nivel de vuelo se ha identificado como uno de los parámetros principales que afectan a la cantidad de retraso que puede ser absorbido. Seguidamente se presenta la aplicación de esta técnica en regulaciones de ATFM realistas, y en particular de ground delay programs (GDP). Con el objetivo de mostrar resultados significativos, los GDPs definidos en 2006 en el espacio aéreo norteamericano han sido analizados. Han sido estudiados en detalle escenarios en los aeropuertos de San Francico, Newark y Chicago. Estos tres aeropuertos fueron los aeropuertos que implementaron m´as GDPs en 2006 y por su situación geográfica presentan tráficos con diferentes características. Para considerar el tráfico se han utilizado datos de la Federal Aviation Administration y características aerodinámicas y de consumo provenientes de Airbus. Finalmente, se presenta el efecto de usar radios de exención en los GDPs y el uso de políticas de priorización de vuelos diferentes a la utilizada actualmente (ration-by-schedule). Para concluir se ha realizado una breve discusión sobre el impacto de esta estrategia en la gestión del tráfico aéreo

3D-in-2D Displays for ATC.

This paper reports on the efforts and accomplishments of the 3D-in-2D Displays for ATC project at the end of Year 1. We describe the invention of 10 novel 3D/2D visualisations that were mostly implemented in the Augmented Reality ARToolkit. These prototype implementations of visualisation and interaction elements can be viewed on the accompanying video. We have identified six candidate design concepts which we will further research and develop. These designs correspond with the early feasibility studies stage of maturity as defined by the NASA Technology Readiness Level framework. We developed the Combination Display Framework from a review of the literature, and used it for analysing display designs in terms of display technique used and how they are combined. The insights we gained from this framework then guided our inventions and the human-centered innovation process we use to iteratively invent. Our designs are based on an understanding of user work practices. We also developed a simple ATC simulator that we used for rapid experimentation and evaluation of design ideas. We expect that if this project continues, the effort in Year 2 and 3 will be focus on maturing the concepts and employment in a operational laboratory settings