DE202006001614U1

DE202006001614U1 - Verkehrssteuerungsanlage zur Steuerung von Verkehrsmitteln

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Publication number: DE202006001614U1
Application number: DE202006001614U
Authority: DE
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2005-02-16
Filing date: 2006-02-02
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2016-02-03

Abstract

Verkehrssteuerungsanlage zur Steuerung von Verkehrsmitteln durch Zuweisen von Zielzeiten an die einzelnen Verkehrsmittel für die Ankunft und/oder die Abfahrt der Verkehrsmittel an definierten Verkehrsknotenpunkten, dadurch gekennzeichnet dass die Verkehrssteuerungsanlage Mittel zum
a) Anpassen von vorgegebenen Prognosen der Ankunfts- und/oder Abfahrtsereignisse über die Zeit an einem jeweiligen Verkehrsknotenpunkt an eine vorgegebene Kapazität des Verkehrsknotenpunktes zur Bestimmung eines prognostizierten realisierbaren Verkehrsflusses an dem Verkehrsknotenpunkt, und
b) Zuweisen von Zielzeiten an die einzelnen Verkehrsmittel derart, dass der prognostizierte realisierbare Verkehrsfluss möglichst optimal erreicht wird,
hat.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verkehrssteuerungsanlage zur Steuerung von Verkehrsmitteln durch Zuweisen von Zielzeiten an die einzelnen Verkehrsmittel für die Ankunft und/oder die Abfahrt der Verkehrsmittel an definierten Verkehrspunkten.
In komplexen Verkehrssystemen, wie z. B. Luftverkehrssystemen und Eisenbahnnetzen, ist eine automatisierte Steuerung der einzelnen Verkehrsmittel unabdingbar, um eine reibungslose Abwicklung von Verkehrsereignissen an Verkehrsknotenpunkten zu ermöglichen und sicherzustellen, so dass die Verkehrspläne, d. h. die Flug- bzw. Fahrpläne, für die Verkehrsmittel möglichst genau eingehalten werden. Diese Steuerungsaufgabe für solchermaßen technische Objekte kann heutzutage nicht mehr manuell von Verkehrsplanern oder Lotsen ausgefüllt werden, sondern erfordert spezialisierte automatische Steuerungssysteme.
Für die Luftverkehrssteuerung sind taktische Steuerungssysteme hinreichend bekannt, die Start- und Landezeiten für Flugzeuge im taktischen Steuerungszeithorizont bis circa eine halbe Stunde vor dem geplanten Start bzw. der geplanten Landung einem Flugzeug zuweisen. Der Flugzeugführer hat dann dafür zu sorgen, dass er die zugewiesenen Verkehrsereigniszeiten, die kurze Zeitfenster von wenigen Minuten sein können, einhält. Die taktischen Steuerungssysteme berücksichtigen zeitlich na he und lokale Informationen bei der Zuweisung der Verkehrsereigniszeiten, sind aber oftmals nur in der Lage auf eine eintretende Situation zu reagieren. Aufgrund ihres relativ kurzen zeitlichen Steuerungszeithorizontes haben taktische Steuerungssysteme keine Möglichkeit eine sich abzeichnende ungünstige Verkehrssituation zu erkennen und rechtzeitig darauf zu reagieren.
Weiterhin sind strategische Planungssysteme bekannt, mit denen in den die Verkehrsereignisse umfassenden strategischen Vorausplanungszeithorizonten, die wesentlich größer als die prätaktischen Steuerungszeithorizonte sind, einmalig und mehrere Stunden vor dem eigentlichen Verkehrsereignis Zeitfenster, so genannte Slots, an die Verkehrsmittel vergeben werden. Diese Zeitfenster bleiben von neu auftretenden Verkehrssituationen relativ unberührt. Sie können zwar aufgehoben, neu verhandelt und auch untereinander nach Verhandlungen getauscht werden. Die Planung der Zeitfenster erfolgt jedoch nur auf Basis weniger langfristiger lokaler Informationen, wie z. B. die Flughafenkapazität. Da die strategischen Planungssysteme die Verkehrströme in einem weiträumigen Raum unter Berücksichtung einer Vielzahl von Flughäfen berücksichtigt, ist die Planung auf die Verfolgung weniger übergeordneter Ziele zur Optimierung beschränkt.
Zur Luftverkehrssteuerung werden derzeit in Abhängigkeit von Optimierungs-Randbedingungen den einzelnen Flugzeugen Zielzeiten zugeordnet, um die individuellen Verkehrsereignisse an die verfügbare Kapazität des Flughafens und andere Randbedingungen anzupassen. Das Ergebnis ist eine vorgegebene Prognose des Verkehrsflusses, der auch als Flow bezeichnet wird. Das auf die einzelnen Verkehrsereignisse ausgerichtete Optimierungsverfahren ist aufgrund des großen Suchraums kaum automatisiert durchführbar. Daher werden die Steuerungsparameter und Maßnahmen zur Verkehrssteuerung mental durch Entscheidungsträger basierend auf deren Know-How bestimmt. Die Bestimmung der Steuerungsparameter erfolgt in der Regel nicht auf dem Abstraktionsgrad des Verkehrsteilnehmers (Individuenebene), sondern auf einer übergeordneten und verallgemeinerten Mengenebene. Dabei erfolgt in der Regel keine umfassende Betrachtung der Auswirkungen der geplanten und ergriffenen Steuerungsmaßnahme auf ihren Beitrag zur Erreichung von festge legten Zielgrößen, wie z.B. die Pünktlichkeit des gesamten Verkehrssystems, den Durchsatz am Verkehrsknotenpunkt und/oder die Planstabilität als Ähnlichkeit zwischen zwei Planungsergebnissen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher eine verbesserte Verkehrssteuerungsanlage zur Steuerung von Verkehrsmitteln durch Zuweisen von Zielzeiten an die einzelnen Verkehrsmittel für die Ankunft und/oder die Abfahrt der Verkehrsmittel an definierten Verkehrsknotenpunkten zu schaffen.
Der Begriff „Zielzeiten" ist im Sinne der Erfindung nicht auf einen Zeitpunkt beschränkt, sondern erfasst auch einen Zeitraum bzw. ein Zeitfenster.
Die Aufgabe wird mit der gattungsgemäßen Verkehrssteuerungsanlage erfindungsgemäß gelöst durch Mittel zum:

a) Anpassen von vorgegebenen Prognosen der Ankunfts- und/oder Abfahrtsereignisse über die Zeit an einem jeweiligen Verkehrsknotenpunkt an eine vorgegebene Kapazität des Verkehrsknotenpunktes zur Bestimmung eines prognostizierten realisierbaren Verkehrsflusses an dem Verkehrsknotenpunkt, und
b) Zuweisen von Zielzeiten an die einzelnen Verkehrsmittel derart, dass der prognostizierte realisierbare Verkehrsfluss möglichst optimal erreicht wird.

Im Unterschied zu den herkömmlichen Anlagen, bei denen anhand der Optimierungs-Randbedingungen aus den vorgegebenen Prognosen unmittelbar die Zielzeiten für die einzelnen Verkehrsmittel festgelegt und hieraus ein prognostizierter realisierbarer Verkehrsfluss (Flow) bestimmt wird, erfolgt bei der vorliegenden Verkehrssteuerungsanlage zunächst eine allgemeine, nicht auf individuelle Verkehrsmittel bezogene Anpassung der vorgegebenen Prognosen an die vorgegebene Kapazität zur Bestimmung des prognostizierten realisierbaren Verkehrsflusses (Flow). Der prognostizierte realisierbare Verkehrsfluss wird somit zunächst allgemein losgelöst von einer Betrachtung der individuellen Verkehrsmittel an die vorgegebene Kapazität an gepasst. Erst dann wird aus diesem angepassten prognostizierten realisierbaren Verkehrsfluss in Abhängigkeit von den Optimierungs-Randbedingungen eine Zuweisung der Zielzeiten an die einzelnen Verkehrsmittel durchgeführt.
Die vorherige allgemeine Anpassung der vorgegebenen Prognosen an die vorgegebene Kapazität in allgemeiner Weise ohne Betrachtung der individuellen Randbedingungen der einzelnen Verkehrsmittel kann mit den in Verkehrssteuerungsanlagen verfügbaren Rechnern automatisiert durchgeführt werden, ohne diese zu überlasten. Aufgrund der bereits allgemein angepassten vorgegebenen Prognosen führt die nachfolgende Zuweisung der Zielzeiten an die einzelnen Verkehrsmittel zu Verkehrsflüssen, die von dem jeweiligen Verkehrsknotenpunkt abgewickelt werden können. Das zweistufige Verfahren führt zudem dazu, dass der Suchraum für das Optimierungsverfahren sinnvoll eingeschränkt ist, so dass dieses nunmehr automatisiert ausgeführt werden kann. Damit ist die Steuerung der Verkehrsmittel reproduzierbar und nachvollziehbar in einem automatisierten System möglich.
Vorzugsweise erfolgt das Zuweisen der Zielzeiten in Abhängigkeit von Optimierungs-Randbedingungen, wie beispielsweise der maximale Durchsatz von Verkehrsmitteln an den Verkehrsknotenpunkten, die Pünktlichkeit der Ankunft und/oder Abfahrt an den Verkehrsknotenpunkten zu den zugewiesenen Zielzeiten bezogen auf vorgeplante Ankunfts- und/oder Abfahrtszeiten und/oder die Stabilität der Planung der Verkehrsbewegungen.
Die von dem Optimierungsverfahren zur Zuweisung der Zielzeiten an die einzelnen Verkehrsmittel ermittelten Lösungen werden somit nach Durchsatz, Pünktlichkeitsniveau und/oder Planstabilität bewertet. Weitere Optimierungs-Randbedingungen können bedarfsweise mit berücksichtigt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Bestimmung von Arbeitspunkten für Verkehrszeiten als Verhältnis einer ausgewählten Anzahl von Ankunftsereignissen zu einer ausgewählten Anzahl von Abfahrtsereignissen an einem Verkehrsknotenpunkt aus einer Menge möglicher Ankunftsereignisse und dabei jeweils mögliche Anzahl von Abfahrtsereignisse an dem Verkehrknotenpunkt zur Festlegung einer vorgegebenen Kapazität erfolgt. Die Bestimmung des prognostizierten realisierbaren Verkehrsflusses im Schritt a) wird dann in Abhängigkeit von dem Arbeitspunkt durchgeführt. Die Kapazität eines Verkehrsknotenpunktes ist in der Regel durch eine maximale Anzahl an Verkehrsbewegungen pro Zeiteinheit bestimmt, wobei Ankunft und Abfahrt unterschiedliche Kapazitätsauslastungen bewirken können. Dabei wird die maximale Kapazität pro Zeiteinheit durch definierte Verhältnisse von Ankunfts- und Abfahrtsereignissen bestimmt, die beispielsweise in einer Pareto-Frontier-Kurve aufgetragen werden können. Die Pareto-Frontier-Kurve gibt Auskunft darüber, welche Arbeitspunkte bei einem gewählten Betriebsverfahren möglich sind. Alle Punkte innerhalb der Pareto-Frontier-Kurve und auf dieser Grenzkurve sind mögliche Arbeitspunkte. Die Arbeitspunkte auf der Kurve führen zu einer vollständigen Ressourcen-Nutzung.
Daher ist es vorteilhaft, auch ein Betriebsverfahren zur generellen Abwicklung der Verkehrsströme an den Verkehrsknotenpunkten auszuwählen und bei der Festlegung der vorgegebenen Kapazität mit zu berücksichtigen. Dann sollte die Auswahl des Betriebsverfahrens im Schritt a) und die Zuweisung von Zielzeiten im Schritt b) derart erfolgen, dass die mit dem Wechsel von Betriebsverfahren verbundenen realen oder fiktiven Kosten möglichst gering sind. Damit werden die negativen Auswirkungen auf den Betrieb des Verkehrsknotenpunktes durch die Verkehrssteuerung reduziert.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Abbildung des prognostizierten realisierbaren Verkehrsflusses auf die an dem Verkehrsknotenpunkt verfügbaren Start- und Haltestrecken und ein Zuweisen der Zielzeiten im Schritt b) in Abhängigkeit von dem bereits auf die Start- und Haltestrecken verteilten Ankunfts- und Abfahrtsereignisse erfolgt. Durch diese Transformation des prognostizierten realisierbaren Verkehrsflusses auf die verfügbaren Start- und Haltestrecken kann die spätere Zuweisung von Zielzeiten bereits bezogen auf die verfügbaren Start- und Haltestrecken erfolgen, ohne dass die Aufteilung den Suchraum bei der Optimierung vergrößert.
Die Verkehrsmittel sind vorzugsweise Flugobjekte, insbesondere Flugzeuge, und die Verkehrsknotenpunkte Flughäfen.
In einer solchen Umgebung kann die Zuweisung der Zielzeiten vorzugsweise in Abhängigkeit von Wirbelschleppen der Art und Anzahl von Start- und Landebahnen, den Taxizeiten als Fahrtdauer eines Flugzeugs zwischen der Schwelle einer Start-/Landebahn und einem Abfertigungsplatz, den Abfertigungszeiten der Flugzeuge am Abfertigungsplatz, z. B. einem Terminal, und/oder einem Steuerbarkeitszeitfenster für die Flugzeuge als Maß für die Möglichkeit der Verzögerung und/oder Beschleunigung des Flugzeuges als Optimierungs-Randbedingung erfolgen.
Die Verkehrssteuerungsanlage kann aber auch beispielsweise für die Steuerung des Eisenbahnverkehrs genutzt werden. Dann sind die Verkehrsmittel Eisenbahn und die Verkehrsknotenpunkte beispielsweise Bahnhöfe.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 – Diagramm einer vorgegebenen Prognose von Start- und Landereignissen und der verfügbaren Start- und Landekapazität eines Flughafens über die Zeit;
2 – Pareto-Frontier-Kurve mit dem Verhältnis der maximal möglichen Landeereignisse über die dann abwickelbaren Startereignisse eines Flughafens zur Festlegung von Arbeitspunkten;
3 – Diagramm möglicher Betriebsverfahren und deren Auswahl über die Zeit;
4 – Diagramm der Abbildung eines prognostizierten realisierbaren Verkehrsflusses auf die verfügbaren Start- und Landebahnen eines Flughafens mit einer Darstellung der Zielzeiten individueller Flugzeuge;
5 – Ausschnitt eines ausgewählten Zeitfensters aus dem Diagramm aus 1;
6 – Pareto-Frontier-Kurve für das in der 6 dargestellte ausgewählte Zeitfenster mit möglichen Arbeitspunkten; und
7 – Detailansicht der 4 mit der Verteilung der Verkehrsereignisse auf die Landebahn in dem ausgewählten Zeitfenster.
Die Verkehrssteuerungsanlage zur Steuerung von Verkehrsmitteln durch Zuweisen von Zielzeiten an die einzelnen Verkehrsmittel wird nachfolgend anhand der Steuerung des Flugverkehrs an einem ausgewählten Flughafen erläutert. Dabei ist der Begriff Ankunft synonym mit der Landung ARR (Arrival) und der Begriff Abfahrt synonym mit dem Start bzw. Abflug DEP (Departure) eines Flugzeuges zu verstehen.
Der Verkehrsknotenpunkt ist ein Flughafen mit seinen verfügbaren Start- und Landebahnen.
In der 1 ist eine vorgegebene Prognose der Landeereignisse ARR_Dem und Startereignisse DEP_Dem über die Zeit aufgetragen. Die Buchstaben A und B kennzeichnen das zur bestimmten Zeit t gewählte Betriebsverfahren BV für den Flughafen.
Es ist erkennbar, dass die vorgegebenen Prognosen der Start- und Landeereignisse ARR_Dem und DEP_Dem nicht mit der verfügbaren Kapazität ARR_Kap und DEP_Kap pro Zeiteinheit t übereinstimmen und eine Kapazitätsdifferenz ΔKAP in Form einer Überlastung oder unausgenutzten Kapazität des Flughafens regelmäßig auftritt. Die Starts und Landungen der einzelnen Flugzeuge müssen daher so gesteuert werden, dass diese an die verfügbare Kapazität KAP des Flughafens optimal angepasst sind und dabei der vorgegebene Flugplan der einzelnen Flugzeug möglichst wenig beeinträchtigt wird.
Ausgehend von dem vorgegebenen Prognosen der Lande- und Startereignisse (Demand) ARR_Dem und DEP_Dem für einen Zeitpunkt t wird als erstes der am besten passende Arbeitpunkt AP für diesen Zeitpunkt t gewählt. Bei der Bestimmung des Arbeitspunktes AP geht auch die gewichtete Nachfrage (Demand) in den folgenden Zeitintervallen t ein.
Zur Bestimmung des Arbeitspunktes kann eine in der 2 skizzierte Pareto-Frontier-Kurve genutzt werden, bei der die maximal mögliche Anzahl von Landungen ARR über die dabei maximal mögliche Anzahl der Starts DEP aufgetragen ist. Die 2 lässt drei verschiedene Pareto-Frontier-Kurven A, B, C für drei unterschiedliche Betriebsverfahren BV des Flughafens erkennen. Daraus ist ersichtlich, dass die Anzahl der möglichen Starts DEP und Landungen ARR wesentlich vom gewählten Betriebsverfahren BV abhängen.
Der Arbeitspunkt AP liegt unterhalb oder auf der Pareto-Frontier-Kurve eines anwendbaren Betriebsverfahren A, B, C, das die benötige Kapazitätsaufteilung zur Verfügung stellt.
Zum Zeitpunkt t_i hat sich ein Arrival-Departure-Demand ergeben, der durch den Arbeitspunkt AP_Demand gekennzeichnet ist. Von der durchgezogenen Kurve für das Betriebsverfahren A hat der Arbeitspunkt AP_Demand beispielsweise den geringsten Abstand im Punkt AP. Damit ist der dargestellte Punkt AP der ausgewählte Arbeitspunkt und das zu der Kurve mit dem Arbeitspunkt AP gehörende Betriebsverfahren BV das zum Zeitpunkt t_i anzuwendende Betriebsverfahren BV.
Nachdem der Arbeitspunkt AP und die möglichen Betriebsverfahren BV für den Zeitpunkt t_i bestimmt worden sind, wird ein weiterer Arbeitspunkt AP zum Zeitpunkt t_i.1 iteriert. In diesem Folgeschritt muss der Überhang U(t_i) berücksichtigt werden. Es wird im Folgeschritt der Demand für die Zeitpunkte t_i+1, t₁₊₂ bis t_i+k bestimmt. Danach wird der Überhang U(t_i) aus dem Zeitschritt t_i dazuaddiert, bevor für den Zeitschritt t_i+1 die Bestimmung von Arbeitspunkt AP und Betriebsverfahren BV erfolgt. Ein positiver Überhang U(t) bedeutet, dass noch aus dem vorhergehenden Schritt nicht abgefertigte Flugzeuge abgearbeitet werden müssen. Ein negativer Überhang U(t) bedeutet, dass noch weitere Flugzeuge vorgezogen werden könnten.
Nach der vollständigen Iteration über das Zeitfenster stehen für alle Zeitpunkte t₀ bis t_n-1 die Arbeitspunkte AP fest. Ferner gibt es zu jedem Zeitpunkt t_i eine Menge von K_BV(t_i) möglichen Betriebsverfahren BV, die diesen Arbeitspunkt AP realisieren könnten. Um hier zu einer eindeutigen Entscheidung hinsichtlich der Betriebsverfahren BV zu kommen und die Anzahl der Umschaltungen zwischen den Betriebsverfahren BV klein zu halten, wird für den Zeitpunkt t_i dasjenige Betriebsverfahren BV selektiert, welches am längsten – bis zu dem Zeitpunkt t_i+x – beibehalten werden kann.
Ab dem Zeitpunkt t_i+x+1 wird dann auf das nächste Betriebsverfahren BV umgeschaltet, und zwar auf das jenige, welches dann wiederum am längsten erhalten bleibt.
Die 3 lässt ein Diagramm der möglichen Betriebsverfahren BV und der ausgewählten Betriebsverfahren (grau unterlegte Linien) erkennen. Für den Wechsel von Betriebsverfahren BV können Bedingungen berücksichtigt werden, wie zum Beispiel eine Vorlaufzeit für das Ändern einer Start-/Landebahn, eine minimale Zeit für die Aufrechterhaltung eines Betriebsverfahrens BV etc.
Nachdem durch die Auswahl der Arbeitspunkte AP in dem ersten Schritt a) nunmehr die vorgegebenen Prognosen der Landeereignisse ARR_Dem und Startereignisse DEP_Dem über die Zeit t an dem Flughafen an die mit Hilfe der Pareto-Frontier-Kurve bestimmte Kapazität KAP des Flughafens zur Bestimmung eines prognostizierten realisierbaren Verkehrsflusses an dem Verkehrsknotenpunkt in Form der ausgewählten Arbeitspunkte angepasst worden sind, erfolgt in einem zweiten Schritt die Abbildung des durch die Arbeitspunkte AP beschriebenen prognostizierten realisierbaren Verkehrsflusses auf die an dem Flughafen verfügbaren Start- und Landebahnen RW1, RW2, RW3. Hierzu werden die einzelnen Flugzeuge den Start-/Landebahnen zugeordnet. Nach Bestimmung der Zielzeiten werden, wie in der 4 dargestellt ist, die Start- und Landeereignisse DEP, ARR den Start- und Landebahnen RW zugeordnet. In diesem Schritt wird der Flughafen als ein System von Start-/Landebahnen RW etwas detaillierter aufgelöst, als im Schritt a) bei der Bestimmung des Arbeitspunktes AP und der Betriebsverfahren BV. Als Vorgabe werden das Betriebsverfahren BV sowie der Arbeitspunkt AP des Flughafens zu jedem Zeitpunkt t₀ bis t_n-1 genutzt. Für jeden Zeitpunkt t bzw. das durch die äquidistante zeitliche Diskretisierung assoziierte Zeitintervall Δt liegen die möglichen Gesamtmengen an Starts DEP und Landungen ARR fest. Die Festlegung, welches Flugzeug welche Start-/Landbahnen RW1, RW2, RW3 benutzten soll, geschieht wiederum in zwei Schritten:

1) Verteilung der Gesamtmengen von Starts DEP und Landungen ARR auf die einzelnen Start-/Landebahnen RW1, RW2, RW3;
2) Festlegung für jedes einzelne Flugzeug, welche Start-/Landebahn RW1, RW2, RW3 es nutzen soll.

Die Verteilung der Gesamtmenge von Starts DEP und Landungen ARR in einem bestimmten Zeitintervall auf die einzelnen Start-/Landebahnen RW1, RW2, RW3 erfolgt anhand der durch das Betriebsverfahren BV beschriebenen Verhältnisse. Der gewählte Arbeitpunkt AP auf bzw. unterhalb der Pareto-Frontier-Kurve des Betriebsverfahrens BV gibt an, welche Mengen an Starts DEP und Landungen ARR auf die einzelnen Start-/Landebahnen RW zu verteilen sind.
Die Entscheidung über die individuelle Zuordnung der Flugzeuge zu den einzelnen Start-/Landebahnen RW geschieht durch eine Rangfolgebildung der überhaupt für das betrachtende Zeitintervall Δt in Frage kommenden Flugzeuge. Zunächst werden anhand der Zielzeiten und Steuerbarkeitszeitfenster diejenigen Flugzeuge bestimmt, die in dem betrachteten Zeitintervall t überhaupt zum Start DEP oder zur Landung ARR anstehen könnten. Flugzeuge, die bereits eine Zuordnung zu Start-/Landebahnen RW erhalten haben, werden nicht betrachtet.
Die Flugzeuge werden danach in eine Rangfolge gebracht, welches Flugzeug sich eine Start-/Landebahn RW zuerst auswählen darf. Dabei können folgende Kriterien eine wesentliche Rolle spielen:

– ursprüngliche Zuordnung von Start-/Landebahnen RW, soweit diese von außen bereits vorgegeben ist;
– Standard-Start-/Landebahnenzuordnung nach einem Regelwerk, zum Beispiel Zuordnung nach dem Abfertigungsplatz;
– mögliche Mengen an Starts DEP und Landungen ARR pro Start-/Landebahn, wie im Schritt a) berechnet wurde;
– Schwierigkeitsgrad des Start-/Landebahnwechsels für ein individuelles Flugzeug, insbesondere in der Abhängigkeit von Abfertigungsplatz und Taxizeit; so ist ein Wechsel für Flugzeuge von bestimmten Positionen leichter, deren Taxizeit sich durch einen Start-/Landebahnwechsel nicht stark ändert;
– Präferenzen der Fluglinienbetreiber, zum Beispiel kein Start-/Landebahnwechsel nachdem dem Off-Block-Gen eines Abflugs (Departure).

Nachdem die potentiellen Flugzeuge in eine Rangfolge gebracht worden sind, erhalten die Flugzeuge der Reihe nach ihre gewünschten Start-/Landebahnen RW solange, bis die Kontingente pro Start-/Landebahn RW erschöpft sind. Sobald die von einem Flugzeug gewünschte Start-/Landebahn RW nicht mehr zur Verfügung steht, wird für dieses Flugzeug die nächst beste Start-/Landebahn RW ausgewählt. Die Iteration wird fortgesetzt, bis alle Kontingente der Start-/Landebahnen RW ausgeschöpft sind.
Nachdem die individuellen Flugzeuge auf diese Weise unter Ausnutzung flughafenbezogener Rand-/Optimierungsbedingungen den einzelnen Start-/Landebahnen zugeordnet worden sind, erfolgt eine Generierung von Zielzeiten für die einzelnen Flugzeuge als Steuergröße, mit der die Starts und Landungen der einzelnen Flugzeuge vorgegeben werden. Dabei werden pro Start- und Landebahn RW die Flugzeuge individuell betrachtet und in eine zeitliche Reihenfolge gebracht.
Durch die vorhergehende Zuordnung der Flugzeuge zu den Start- und Landebahnen RW kann die Generierung von Zielzeiten auf den einzelnen Start-/Landebahnen RW für unabhängige Start-/Landebahnen RW parallelisiert erfolgen. Dies reduziert die Rechenzeit für diesen Optimierungsschritt.
Die Genierung der Zielzeiten findet statt, indem die ersten N Flugzeuge einer geeigneten Sequenz als Abfolge von Start- und Landeereignissen permutiert werden. Die Sequenz wird nur beim Start des Verfahrens verwendet. Ansonsten werden die ersten N Flugzeuge der letzten aus der Durchführung des Verfahrens resultierenden Lösung permutiert. Mittels Heuristiken und nicht das Optimum beeinflussender weiterer Suchstrategien kann gewährleistet werden, dass nur ein Bruchteil aller Permutationen wirklich bewertet werden muss. Die einzelnen Permutationen werden mit der Bewertungsfunktion bewertet. Die am besten bewertete Permutation wird ausgewählt. Von der gefundenen Lösung werden die ersten K Flugzeuge festgehal wählt. Von der gefundenen Lösung werden die ersten K Flugzeuge festgehalten, der Rest der Lösung wird zunächst wieder verworfen. Im nächsten Schritt werden die N Flugzeuge, beginnend mit dem Flugzeug K+1 der Sequenz betrachtet, permutiert und es wird wieder die am besten befundene Lösung für die ersten K Flugzeuge festgehalten.
Diese Technik ist zur Reduzierung von Rechenzeit an sich gebräuchlich und wird als „K aus N Fenstertechnik" bezeichnet. Das Verfahren hat den Vorteil, dass die kurzfristigen Aufgaben mit höherer Priorität gelöst werden können als die späteren. Auch nach einem vorzeitigen Abbruch der Optimierung wird eine sinnvolle Teilsequenz geliefert.
Nach einem vollständigen Durchlauf über alle Flugzeuge, die einer Bahn zugeordnet worden sind, liegt die Sequenz dieser Flugzeuge vor. Aus der Sequenz ergeben sich unmittelbar aufgrund der einzuhaltenden Staffelungsabstände und Staffelungsrestriktionen die zeitlichen Abstände zwischen zwei aufeinander folgenden Flugzeugen, d. h. die Zielzeiten für jedes Flugzeug.
Bei der Optimierung sollte auch ein Steuerbarkeitszeitfenster berücksichtigt werden. Dies ist ein Maß für die Möglichkeit, ein bestimmtes Flugzeug zu verzögern oder zu beschleunigen. So können bereits in der Luft befindliche Flugzeuge aufgrund der verfügbaren Treibstoffmenge nicht beliebig lang verzögert werden. Auch eine Beschleunigung ist nur in engen Grenzen möglich.
Die 5 lässt einen Ausschnitt des Diagramms aus der 1 für den Zeitbereich von 9.50 Uhr bis 10.00 Uhr im Detail erkennen. Dabei ist wie üblich die Startkapazität DEP_Kap als absolute Menge von Flugzeugen, die auf den verfügbaren Landbahnen eines Flugplatzes starten können, in dem Diagramm von unten und die maximal abzufertigende Landekapazität ARR_Kap im Diagramm von oben ausgehend von der maximalen Gesamtkapazität KAP_Ges aufgetragen. Es wird deutlich, dass eine Kapazitätsdifferenz ΔKAP zur Verfügung steht.
Während die vorgegebene Prognose an Starts DEP_Dem sich im Rahmen der verfügbaren Startkapazität DEP_Kap bewegt, übersteigt die vorgegebene Prognose der Landeereignisse ARR_Dem die zu den Zeitpunkten verfügbare Kapazität teilweise, insbesondere in der Mitte des dargestellten Zeitabschnitts.
Zur Steuerung der Flugzeuge wird im ersten Schritt a) daher eine Anpassung der vorgegebenen Prognosen der Start- und Landeereignisse DEP_Dem und ARR_Dem an die vorgegebene Kapazität ARR_Kap und DEM_Kap des Flughafens durchgeführt, um einen prognostizierten realisierbaren Verkehrsfluss zu bestimmen.
Hierzu wird wie oben bereits erläutert auf eine Pareto-Frontier-Kurve zur Bestimmung des Arbeitspunktes AP pro Zeiteinheit zurückgegriffen. Der durch die prognostizierten Start- und Landeereignisse DEP_Kap und ARR_Kap vorgegebene Arbeitpunkt AP_De _mand zu den einzelnen Zeitpunkten 9:50, 9:55 und 10:00 liegt außerhalb der mit den Betriebsverfahren BV = A, B oder C abzufertigenden Kapazitäten KAP_Ges.
Das Betriebsverfahren BV und die Gesamtkapazitäten KAP_Ges als Funktion der Zeit können durch Randbedingungen, wie Wetter, Sperrungen von Start-/Landebahnen etc. beeinflusst werden. So kann zum Bespiel aufgrund der Windrichtung und Windstärke eine bestimmte Start-/Landebahn gesperrt werden.
Aus der 6 wird deutlich, dass die realisierbaren Arbeitspunkte AP anhand der kürzesten euklidischen Distanz zu den verfügbaren Pareto-Frontier-Kurven der verschiedenen Betriebsverfahren BV ermittelt wird. Die euklidische Distanz ist der mit der folgenden Formel berechnete Abstand zwischen zwei Punkten p und q einer Ebene: |pq| := ((px – qx)2 + (py – qy)2)1/2 wobei p_x und q_x die Koordinaten der Punkte p und q in x-Richtung und p_y und q_y die Position der Koordinaten in y-Richtung der Ebene in einem karthesischen Koordinatensystem sind.
Nach der Auswahl der dargestellten Arbeitspunkte erfolgt im nächsten Schritt, wie in der 7 dargestellt ist, eine Zuordnung der individuellen Flugzeuge, die in dem prognostizierten realisierbaren Verkehrsfluss starten oder landen sollen, auf die einzelnen Start-/Landbahnen RW. Dabei wird in einem ersten Schritt eine Verteilung der gesamten in dem Zeitbereich erwarteten Starts und Landungen auf die einzelnen Start-/Landebahnen RW verteilt und im zweiten Schritt für jedes einzelne Flugzeug festgelegt, welche Start-/Landebahn RW es benutzen soll. Die an den Enden zeitlich begrenzten gestrichelten Linien zeigen die Steuerbarkeitsfenster SF der zugeordneten Flugzeuge. Der doppelte Querstrich die geplante Start-/Landezeit SH (Shedule) und die einfachen Querstriche die Estimates E der Flugzeuge. Damit kann die Abweichung der Start-/Landezeiten nach der Zuweisung der individuellen Flugzeuge auf die Start-/Landebahnen RW von den Planzeiten rasch erfasst werden.

Claims

Verkehrssteuerungsanlage zur Steuerung von Verkehrsmitteln durch Zuweisen von Zielzeiten an die einzelnen Verkehrsmittel für die Ankunft und/oder die Abfahrt der Verkehrsmittel an definierten Verkehrsknotenpunkten, dadurch gekennzeichnet dass die Verkehrssteuerungsanlage Mittel zum a) Anpassen von vorgegebenen Prognosen der Ankunfts- und/oder Abfahrtsereignisse über die Zeit an einem jeweiligen Verkehrsknotenpunkt an eine vorgegebene Kapazität des Verkehrsknotenpunktes zur Bestimmung eines prognostizierten realisierbaren Verkehrsflusses an dem Verkehrsknotenpunkt, und b) Zuweisen von Zielzeiten an die einzelnen Verkehrsmittel derart, dass der prognostizierte realisierbare Verkehrsfluss möglichst optimal erreicht wird, hat.
Verkehrssteuerungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel weiterhin zum Zuweisen der Zielzeiten in Abhängigkeit von Optimierungs-Randbedingungen eingerichtet sind.
Verkehrssteuerungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Nutzung von dem maximalen Durchsatz von Verkehrsmitteln an den Verkehrsknotenpunkten, der Pünktlichkeit der Ankunft und/oder Abfahrt an den Verkehrsknotenpunkten zu den zugewiesenen Zielzeiten bezogen auf vorgeplante Ankunfts- und/oder Abfahrtszeiten, wechselseitigen zeitlichen Abhängigkeiten für die Verkehrsereignisse, der Ressourcenverfügbarkeit und/oder der Stabilität der Planung der Verkehrsbewegungen als Optimierungs-Randbedingungen eingerichtet sind.
Verkehrssteuerungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkehrssteuerungsanlage zum Bestimmen von Arbeitspunkten für Verkehrszeiten als Verhältnis einer ausgewählten Anzahl von Ankunftsereignissen zu einer ausgewählten Anzahl von Abfahrtsereignissen an einem Verkehrsknotenpunkt aus einer Menge möglicher Ankunftsereignisse und dabei jeweils möglicher Abfahrtsereignisse an dem Verkehrsknotenpunkt zur Festlegung einer vorgegebenen Kapazität und Bestimmen des prognostizierten realisierbaren Verkehrsflusses im Schritt a) in Abhängigkeit von dem Arbeitspunkt eingerichtet sind.
Verkehrssteuerungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkehrssteuerungsanlage zum Auswählen eines Betriebsverfahren zur generellen Abwicklung der Verkehrsströme an den Verkehrsknotenpunkten eingerichtet ist.
Verkehrssteuerungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkehrssteuerungsanlage zur Auswahl des Betriebsverfahrens im Schritt a) und Zuweisung von Zielzeiten im Schritt b) derart eingerichtet ist, dass die mit dem Wechsel von Betriebsverfahren verbundenen realen oder fiktiven Kosten möglichst gering sind.
Verkehrssteuerungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkehrssteuerungsanlage zur Abbildung des prognostizierten realisierbaren Verkehrsflusses auf die an dem Verkehrsknotenpunkt verfügbaren Start- und Haltestrecken und Zuweisen der Zielzeiten im Schritt b) in Abhängigkeit von dem bereits auf die Start- und Haltstrecken verteilten Ankunfts- und Abfahrtsereignisse eingerichtet ist.
Verkehrssteuerungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkehrsmittel Flugobjekte, insbesondere Flugzeuge, und die Verkehrsknotenpunkte Flughäfen sind.
Verkehrssteuerungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkehrssteuerungsanlage zur Zuweisung der Zielzeiten in Abhängigkeit von Wirbelschleppen, der Art und Anzahl von Start- und Landebahnen, den Taxizeiten als Fahrtdauer eines Flugzeuges zwischen der Schwelle einer Start-/Landebahn und einem Abfertigungsplatz, den Abfertigungszeiten der Flugzeuge am Abfertigungsplatz und/oder einem Steuerbarkeitszeitfenster für die Flugzeuge als Maß für die Möglichkeit der Verzögerung und/oder Beschleunigung des Flugzeuges als Optimierungs-Randbedingung eingerichtet ist.
Verkehrssteuerungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkehrsmittel Eisenbahnen und die Verkehrsknotenpunkte Bahnhöfe sind.
Verkehrssteuerungsanlage mit einer vernetzten Datenverarbeitungsanlage, die einen Steuerkanal zur Übertragung von Zielzeiten für einzelne Verkehrsmittel an die Verkehrsmittel und einem Computerprogramm mit Programmcodemitteln als Anpassungs- und Zuweisungsmittel hat.