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

Effect of radii of exemption on ground delay programs with operating cost based cruise speed reduction

When a ground delay program (GDP) is defined, a radius of exemption is typically set to exclude from having to realize ground delay aircraft departing from greater distances than the selected radius distance. A trade-off exists when defining this radius: big radii distribute the required delay among more aircraft and reduce the airborne holding delay close to the destination airport, while the probability to realize unnecessary delay increases if the program is canceled before planned. In order to overcome part of this drawback, a cost based cruise speed reduction strategy aiming at realizing airborne delay was suggested by the authors in previous publications. By flying slower, at a specific speed, aircraft that are airborne can recover part of their initially assigned delay without incurring extra cost if the GDP is canceled before planned. In this paper, the effect of the exemption radius is assessed when applying this strategy and a case study is presented by analyzing all the GDPs that took place at Chicago O'Hare International Airport during one year. Results show that by the introduction of this technique, more delay can be saved. Thus, it is possible to define larger radii of exemption, reducing partially the drawbacks associated with smaller radii.Peer ReviewedPostprint (published version

An optimisation framework for aircraft operators dealing with capacity-demand imbalances in SESAR

This paper presents a framework for the negotiation phase that is foreseen in the new operational concept proposed in the Single European Sky Research (SESAR) program. In particular, this paper describes a possible strategy for the airspace users in order to deal with the Collaborative Decision Making (CDM) process that is expected in this future scenario. In the SESAR scenario, airspace users will become owners of their trajectories and they will be responsible to solve possible mismatches between capacity and demand in a particular airspace sector. The aim of this strategy is to improve the efficiency in the CDM process by computing the different operational costs associated to different solutions that may solve a particular demand-capacity imbalance in the airspace. This will allow them to optimise their operating costs while reducing fuel consumption and therefore being more environmentally friendly. Some suggestions have already been done for the CDM mechanism, for instance the use of auctions. However, the different options that aircraft operators might use have not yet been sufficiently investigated. In this paper, the authors propose an optimisation framework for aircraft operators aimed at computing 4D trajectories with time constraints to deal, in this way, with possible airspace regulations. Once a nominal flight plan and a potential regulation is known, it is suggested to compute several possible alternative flight plans (including rerouting, but also altitude and speed profiles) that may solve the capacity-demand problem. If more than one regulation is applied to the flight, a tree of options is subsequently computed. The cost of each optimised the option is also calculated in order to allow the airspace users to initiate the negotiation process with other airlines. Finally, a preliminary example is given at the end of this paper in order to better illustrate the proposed methodology.Postprint (published version

Automatic Reading of Aeronautical Meteorological Messages

This paper describes the architecture developed to produce an automatic reader of aeronautical meteorological messages. An interlingua has been used and a whole process of natural language generation has been implemented. The system Festival has been used with a modified voice to read the messages generated. The presented system is able to translate the meteorological messages into a natural language text and read it.Peer ReviewedPostprint (published version

Fuel consumption assessment for speed variation concepts during the cruise phase

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Caracterización de oleorresinas de ají Tabasco y Cayenne bajo diferentes niveles de nitrógeno y humedad en el suelo

Colombia cuenta con una gran variedad de cultivos de especies hortícolas, entre las cuales se encuentra el ají; esta hortaliza ha venido adquiriendo una gran importancia por sus posibles múltiples usos en fresco y aplicaciones agroindustriales. El experimento se llevó a cabo en las instalaciones del Centro Experimental del laboratorio de frutas y hortalizas de la Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira, el cual consistió en dos diferentes ensayos, uno de estrés por nitrógeno y el otro por estrés hídrico. Se utilizó un diseño de bloques completos al azar para el experimento de estrés por nitrógeno y un diseño completamente al azar para el experimento de estrés hídrico. El objetivo del presente trabajo fue determinar la concentración de capsaicina, dihidrocapsaicina y capsaicinoides totales en relación a los diferentes estreses a los que fue sometido la planta. Los resultados mostraron una alta correlación inversa para el ensayo de estrés hídrico en donde las mayores concentraciones de alcaloides se detectaron en donde las plantas estuvieron más estresadas, mientras que para el ensayo de estrés por nitrógeno no hubo correlación alguna entre las diferentes aplicaciones y las concentraciones de capsaicinoides.//Abstract: Colombia has a great variety of horticultural species crops among which is Chile; this vegetable has been acquiring great importance for its possible multiple uses in fresh and agro-industrial applications. The experiment was carried out in the farm of the Experimental Center of the Fruit and Vegetable Laboratory of the National University of Colombia Palmira Headquarters, which consisted of two different tests, one of stress for nitrogen and the other for water stress. A randomized complete block design was used for the nitrogen stress experiment and a completely randomized design for the water stress experiment. The objective of the present work was to determine the concentration of capsaicin, dihydrocapsaicin and total capsaicinoids in relation to the different stresses to which the plant was subjected. The results showed a high inverse correlation for the water stress test where the highest alkaloid concentrations were detected where the plants were more stressed, while for the nitrogen stress test there was no correlation between the different applications and the concentrations of capsaicinoidesMaestrí

An Assessment for UAS Traffic Awareness Operations

Technology evolution in the field of Unmanned Aircraft Systems (UAS) will affect the Air Traffic Management (ATM) performance regarding to new military and civil applications. UAS, as new airspace users, will represent new challenges and opportunities to design the ATM system of the future. The goal of this future ATM network is to keep intact (or improve) the network in terms of security, safety, capacity and efficiency level. On the other hand, most UAS are, at present, designed for military purposes and very few civil applications have been developed mainly because the lack of a regulation basis concerning their certification, airworthiness and operations. Therefore, UAS operations have always been solutions highly dependent on the mission to be accomplished and on the scenario of flight. The generalized development of UAS applications is still limited by the absence of systems that support the development of the actual operations. Moreover, the systematic development of UAS missions leads to many other operational risks that need to be addressed. All this elements may delay, increase the risk and cost in the implementation of a new UAS application.Peer ReviewedPostprint (published version