Toujours dans le cadre du ASMGCS, la FAA (Federal Aviation Administration) d´eveloppe les projets SMA (Surface Movement Advisor) [Lawson 97] et SMS (Surface Management System), dont le but est la sp´ecification d’outils d’aide au contrˆole d’a´eroport [Atkins 03]. Le projet fait partie du programme Free Flight et en a h´erit´e le d´ecoupage en deux ´etapes successives :
– Dans la premi`ere (Free Flight Phase I), deux simulations on ´et´e effectu´ees sur l’a´eroport inter- national de Dallas Fort Worth, avec des contrˆoleurs op´erationnels. Il en r´esulte la sp´ecification de trois composants essentiels : un syst`eme ´evaluant la charge de trafic `a venir, un outil d’esti- mation de la s´equence de piste et une interface pour les contrˆoleurs.
– Dans la deuxi`eme (Free Flight Phase II), les outils sp´ecifi´es pour le SMS sont d´evelopp´es et mis en situation, lors de simulations sur l’a´eroport international de Memphis. Leur efficacit´e est mesur´ee par la pr´ecision des pr´edictions de trafic, la pertinence de la s´equence de piste pr´evue et le jugement des op´erationnels. Les r´esultats sont prometteurs et le SMS semble exploitable dans un futur proche, bien qu’une am´elioration de la pr´ediction de trafic soit encore `a l’ordre du jour.
D’un point de vue g´en´eral, la d´efinition d’une nouvelle forme de contrˆole au sol est donc largement entam´ee et les solutions techniques pour l’´evolution de la surveillance du trafic sont d´ej`a disponibles, bien que les notions de guidage automatique des avions au sol (avec optimisation des trajectoires) soient encore un point peu ´etudi´e.
2.4
Objectifs
2.4.1 Cadre de travail
Les projets qui viennent d’ˆetre d´ecrits d´efinissent le cadre g´en´eral dans lequel s’inscrivent les tra- vaux qui seront pr´esent´es dans les chapitres suivants : les ´evolutions attendues du syst`eme de contrˆole (concepts ASMGCS) rendent possible le suivi du trafic en temps r´eel par un syst`eme informatis´e, ce qui laisse envisager l’int´egration d’outils automatiques participant `a l’optimisation de la circulation des avions. Les caract´eristiques d’un tel outil sont les suivantes :
– Le syst`eme est destin´e au contrˆole d’a´eroport : l’ensemble du trafic a´erien peut ˆetre connu (notamment le trafic des secteurs d’approche), mais l’optimisation ne concerne que la phase a´eroportuaire des vols, c’est-`a-dire le s´equencement de piste, le cheminement des avions le long des voies de circulation et les acc`es aux parkings.
– Le syst`eme doit ˆetre pr´edictif : il doit anticiper les probl`emes risquant de survenir, pour assister le contrˆoleur. Pour cela, l’ensemble des contraintes li´ees `a l’´ecoulement s´ecuris´e du trafic doit ˆetre connu du syst`eme (infrastructures de l’a´eroport, r`egles de circulation, caract´eristiques des avions et intentions des compagnies).
– Les situations doivent ˆetre consid´er´ees en temps r´eel : l’´etat du syst`eme doit ´evoluer dy- namiquement avec les avions. Ceci implique que le temps pour ´etudier chaque situation est limit´e et que les informations disponibles sur les situations `a venir peuvent ˆetre incompl`etes : ces concepts s’int`egrent ainsi dans le cadre de la rationalit´e limit´ee [Simon 92], ce qui rend l’´evaluation des solutions propos´ees plus d´elicate.
– Un objectif d’optimisation globale doit n´eanmoins caract´eriser la recherche de solutions : le but n’est pas seulement d’assurer la s´eparation des avions, mais aussi de proposer une r´epartition efficace du trafic sur la plateforme (maximisation du d´ebit ou minimisation des retards).
18 CHAPITRE 2. ANALYSE PR ´ELIMINAIRE
2.4.2 Niveau de r´ealisme recherch´e
La d´efinition d’un syst`eme pr´edictif peut se faire de mani`ere plus ou moins macroscopique : l’ana- lyse des donn´ees disponibles (annexe B) permet, sur ce point, de d´egager les premi`eres sp´ecifications du mod`ele :
– La description d´etaill´ee des voies de circulation de l’a´eroport permet d’envisager plusieurs possibilit´es de cheminement pour chaque avion, en int´egrant ´eventuellement certaines pra- tiques op´erationnelles, comme l’application de sens pr´ef´erentiels et le respect des configurations r´eelles de l’a´eroport.
– La base des plans de vol journaliers (annexe B.3.2) permet de g´en´erer des situations de trafic comparables (en d´ebit tout au moins) aux situations r´eelles : cette ´etape de simulation est indis- pensable `a la mise au point du syst`eme. Le r´ealisme de l’affectation des parkings et des pistes sera cependant limit´e :
– Le manque d’information sur les limites d’utilisation des parkings et sur les mouvements poste-`a-poste ne permet pas d’envisager s´erieusement l’optimisation des affectations de par- kings pendant toute une journ´ee de trafic : ces affectations seront donc consid´er´es comme des donn´ees d’entr´ee du probl`eme, suppos´ees respecter les contraintes op´erationnelles. – Une partie (certes minoritaire) des plans de vol est incompl`ete et n´ecessite des traitements
particuliers pour ˆetre prise en compte (annexe C).
– Les proc´edures d’affectation de bretelle d’entr´ee ou de lib´eration de la piste ne sont pas pr´ecis´ees et doivent ˆetre mod´elis´ees par des r`egles ajout´ees (annexe C.3.2).
Dans ce cadre, les enregistrements des traces radar des avions (annexe B.3.3) se r´ev´eleront parti- culi`erement utiles pour ´evaluer le r´ealisme des situations simul´ees.
2.4.3 R´esolution des situations
La r´esolution de chaque situation de trafic consiste `a trouver les manœuvres qui doivent ˆetre impos´ees aux avions (ordres de contrˆole) pour optimiser globalement leurs trajectoires en respectant les r`egles de circulation. Diff´erentes approches peuvent ˆetre envisag´ees pour formuler rigoureusement le probl`eme d’optimisation `a r´esoudre :
– L’approche par capacit´e semble par exemple attrayante : les ´el´ements structurels de l’a´eroport (pistes, portions de voies de circulation, parkings) sont repr´esent´es par un graphe orient´e. Chaque ´el´ement (ou nœud) du graphe se voit attribuer une capacit´e et un mod`ele de file d’attente permet de calculer les retards induits par un flux d’avions dans ce graphe. Le probl`eme consiste alors `a trouver un flux optimal, qui minimise les retards induits. Ce probl`eme combinatoire (par rapport `a la taille du graphe et au nombre d’avions) peut ˆetre r´esolu par programmation lin´eaire [Stoica 02]. Cette approche trouve donc une r´epartition optimale du trafic, mais admet ses limites : la notion de capacit´e ne peut pas traduire pr´ecis´ement les probl`emes de circula- tion lorsque les voies sont d´ependantes sans ˆetre connect´ees (aux alentours des intersections notamment).
– L’approche par simulation d´etaill´ee permet de mieux repr´esenter le trafic au sol : les trajec- toires envisageables des avions sont calcul´ees pr´ecis´ement, et le probl`eme consiste `a trouver un ensemble de trajectoires qui respecte les normes de s´eparation `a chaque instant et qui minimise une fonction de coˆut donn´ee.
La deuxi`eme approche formalise un probl`eme plus complexe mais ´egalement mieux param´etrable et plus repr´esentatif de la r´ealit´e : toute la suite de ce rapport lui est consacr´ee.
Deuxi`eme partie
Mod´elisation
Chapitre 3
Mod´elisation de l’a´eroport
3.1
Introduction
Dans le cadre de la simulation du trafic a´eroportuaire, la mod´elisation de l’a´eroport est essentiel- lement destin´ee `a l’attribution de diff´erentes possibilit´es de cheminement `a chaque mouvement. Pour ˆetre acceptables, les chemins propos´es ne doivent pas seulement ˆetre conformes avec les trac´es au sol, mais aussi respecter quelques r`egles op´erationnelles :
– Les chemins propos´es doivent ˆetre sans boucle : il est difficilement avantageux de faire passer un avion deux fois au mˆeme endroit.
– Un avion ne doit pas circuler via un parking, mˆeme si ce dernier est inoccup´e : certains par- kings disposent d’une sortie en marche avant et pourraient ˆetre interpr´et´es (`a tort) comme des raccourcis.
– Un avion ne doit circuler dans les aires de piste que lorsque cela est indispensable : juste avant le d´ecollage, juste apr`es l’atterrissage ou s’il lui est n´ecessaire de traverser la piste.
Cette liste demanderait `a ˆetre compl´et´ee pour chaque a´eroport : l’attribution de chemins aux avions doit rester ´evolutive et adaptable facilement `a de nouvelles contraintes.
Telle qu’elle est fournie, la description des voies de circulation de l’a´eroport peut ˆetre mod´elis´ee sous forme d’un graphe orient´e, reliant entre elles chaque intersection de taxiway et chaque voie d’acc`es aux parkings ou aux pistes : la recherche des cheminements possibles pour un avion corres- pond `a l’´enum´eration des meilleurs chemins, avec contraintes, dans ce graphe.
La notion de meilleurs chemins est alors relative aux coˆuts affect´es aux arcs du graphe : pour prendre en compte le temps de parcours des chemins (et non uniquement leur longueur), le coˆut affect´e `a chaque arc doit repr´esenter un temps. Il est donc n´ecessaire de mod´eliser la vitesse de circulation des avions sur chaque portion ou voie de circulation. Le calcul de ces vitesses, appel´ees vitesses nominales de d´eplacement, est d´etaill´e dans la premi`ere partie de ce chapitre. Les parties suivantes sont consacr´ees `a l’´elaboration du graphe, de telle fac¸on qu’il d´ecrive aussi rigoureusement que possible les voies de circulation de l’a´eroport et leurs restrictions d’utilisation.
Le d´eveloppement et l’application d’algorithmes de recherche de chemins dans ce graphe est l’´etape initiale de la r´esolution des situations de trafic et le chapitre 6 lui est enti`erement consacr´e.