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Ma, Ji. Optimisation du trafic aérien dans de grands aéroports

Ma, Ji (2019). Optimisation du trafic aérien dans de grands aéroports.

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Résumé en francais

La croissance du trafic aérien engendre des congestions et des retards des vols, tant dans les aéroports que dans les espaces aériens environnants. En fait, les aéroports sont limités en termes de capacité et représentent les principaux goulots d'étranglement du système de gestion du trafic aérien. Une planification et un contrôle efficaces sont essentiels pour améliorer l'efficacité des opérations aéroportuaires et réduire les retards des vols. Dans des recherches antérieures, plusieurs sous-problèmes liés aux opérations aéroportuaires ont déjà été examinés séparément, tels que le séquencement de pistes, les mouvements au sol, la gestion de l'espace aérien terminal, dite Terminal Maneuvering Area (TMA), etc. Cependant, toutes ces opérations sont étroitement liées et peuvent dépendre les unes des autres. Ceci motive le développement d'approches d'optimisation intégrées pour la gestion du trafic aérien dans les aéroports et dans l'espace aérien environnant. Dans cette thèse, nous proposons une approche d'optimisation à deux niveaux désignés par niveau macroscopique et niveau microscopique. En effet, suivant les horizons de prédiction des différents problèmes, nous considérons d'abord un horizon à long terme avec un réseau abstrait de l'aéroport et de la TMA. Ensuite, nous aborderons le problème à un horizon plus court en considérant un réseau détaillé de l'aéroport. Dans la première partie de la thèse, nous nous sommes concentrés sur l'optimisation intégrée du problème d'opérations de l'aéroport et du problème de gestion de l'espace aérien terminal à niveau macroscopique. L'aéroport est modélisé comme un réseau abstrait: le terminal, le réseau de taxis et la piste sont considérés comme des ressources spécifiques ayant une capacité maximale définie, et la TMA est modélisée à l'aide d'une structure de réseau d'itinéraires prédéfinis. Ce niveau d'abstraction vise à identifier les situations de congestion aéroportuaire. Nous développons un modèle d'optimisation pour minimiser les retards de vol, résoudre les conflits d'espaces aériens et diminuer les congestions aéroportuaires en contrôlant la vitesse d'arrivée, les heures d'arrivée et de départ et la piste attribuée, tout en respectant diverses contraintes opérationnelles. Une metaheuristique de recuit simulé adaptée, combinée à une approche de décomposition temporelle, est proposée pour résoudre le problème correspondant. Des simulations menées sur des données issues de l'aéroport Paris Charles De-Gaulle montrent des améliorations potentielles en termes de réduction de la congestion et des retards de vol. La deuxième partie de la thèse porte sur le problème du séquencement de pistes d'aéroport et des mouvements au sol à un niveau microscopique. Dans cette partie, nous représentons l'aéroport (les portes, le réseau de taxi, les pistes) par un graphe détaillé et nous considérons les routes de chaque avion sur la base de ce réseau. Le but est de résoudre tous les conflits entre avions lors du roulage, en leur attribuant des heures de push-back, des vitesses de roulage ainsi que des positions (seuil de piste ou point de croisement) et des temps d'attente. Le modèle d'optimisation est conçu pour réduire la file d'attente des pistes et les retards de vol, ainsi que les temps de roulage tout en considérant les problèmes de sécurité liés aux opérations sur la surface. Une comparaison par rapport aux scénarios de référence indique que l'optimisation donne de bons résultats pour deux grands aéroports: l'aéroport Paris Charles De-Gaulle (CDG) et l'aéroport Charlotte Douglas International (CLT). Des gains importants en termes de temps de roulage et de réduction de la file d'attente de décollage sont obtenus particulièrement à CLT, qui est plus enclin à la congestion. La dernière partie de la thèse s'intéresse à un problème se posant à un horizon court terme. Ce problème consiste à séquencer les départs tout en tenant compte des traversées de piste par des arrivées. Dans de nombreux hubs dotés de pistes parallèles, les arrivées doivent traverser la piste de départ pour atteindre le taxiway. Un meilleur séquencement des départs tenant compte des points de passage des arrivées pourrait permettre de réduire les retards des vols. Les contraintes de séparations de piste, les créneaux de vol et la capacité de la file d'attente au seuil de piste sont explicitement prises en compte. Nous présentons deux modèles de programmation linéaire en nombres entiers et un algorithme de recuit simulé. Des études de cas sont conduites pour le doublet de pistes sud à CDG afin de réduire les retards des vols et d'avoir une séquence optimale. De plus, la qualité de la solution et le temps de calcul des différentes approches sont comparés. Les trois méthodes proposées pourraient considérablement améliorer les solutions basées sur la simple règle du premier arrivé, premier servi, et le recuit simulé est le plus efficace pour ce type d'opération.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Delahaye, Daniel
Sbihi, Mohammed
Ecole doctorale:Mathématiques, informatique, télécommunications de Toulouse (MITT)
laboratoire/Unité de recherche :Ecole Nationale d'Aviation Civile (ENAC)
Mots-clés libres :Modélisation - Optimisation - Gestion du trafic aérien - Aéroport
Sujets :Mathématiques
Déposé le :20 Nov 2019 14:15