EP4471746A1 - Verfahren, vorrichtung und computerprogramm zur zuflusssteuerung von verkehrsteilnehmern - Google Patents

Verfahren, vorrichtung und computerprogramm zur zuflusssteuerung von verkehrsteilnehmern Download PDF

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EP4471746A1
EP4471746A1 EP24179608.5A EP24179608A EP4471746A1 EP 4471746 A1 EP4471746 A1 EP 4471746A1 EP 24179608 A EP24179608 A EP 24179608A EP 4471746 A1 EP4471746 A1 EP 4471746A1
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EP
European Patent Office
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capacity
time
time period
road users
road
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EP24179608.5A
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EP4471746B1 (de
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Jürgen Rataj
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G5/00—Traffic control systems for aircraft
    • G08G5/50—Navigation or guidance aids
    • G08G5/56—Navigation or guidance aids for two or more aircraft
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G3/00—Traffic control systems for marine craft

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling the flow of a plurality of road users moving along a route within a defined traffic area towards a capacity-limited infrastructure.
  • the invention also relates to a computer program and a device therefor.
  • the infrastructures at which road users begin their transport route or at which the transport route ends usually represent a bottleneck, as these infrastructures can usually only process road users in an isolated manner. This means that road users can only leave the infrastructure individually or arrive at the infrastructure individually.
  • airports that are heavily used represent a bottleneck when it comes to landing commercial aircraft as a traffic participant, since each commercial aircraft is only allowed to land on the runway assigned to it within a certain time window.
  • the first type involves storing the surplus road users who are currently unable to use the infrastructure in a certain demarcated area in front of the infrastructure itself. In aviation, this is done with so-called holding patterns or route extensions (e.g. trombones).
  • holding patterns or route extensions e.g. trombones
  • trombones e.g. trombones
  • a similar situation also arises in shipping when a port is overloaded as an infrastructure with limited capacity. The ships then have to wait in a certain area in front of the port, e.g. the German Bight, until the time when they are allowed to enter the port. In shipping, too, this waiting is associated with unnecessary fuel consumption and thus with additional environmental pollution, since energy is required to maintain position in shipping.
  • the second type of measure actively intervenes in the inflow of arriving road users so that the inflow of road users is adapted to the capacity-limited infrastructure in terms of utilization.
  • the excess road users within the inflow are stored on the capacity-limited infrastructure and are thus shifted to the route structure.
  • the control is usually based on 4D trajectories, where waypoints must be adhered to at certain target times.
  • such control encounters disruptions and inaccuracies in planning and implementation. If left uncorrected, the disruptions and inaccuracies in the inflow of road users lead to fluctuations and thus to traffic jams or to the loss of use of time gaps (slots) on the capacity-limited infrastructure.
  • the defined traffic area is therefore initially divided into time periods, so that the capacity-limited infrastructure results in a number of time periods on a time scale. These time periods define a time window that indicates the time until arrival at the capacity-limited infrastructure. Each time period is also assigned a maximum capacity. This capacity is related to the maximum capacity of the capacity-limited infrastructure and, if applicable, the temporal distance of the respective time period from the capacity-limited infrastructure. The maximum capacity can, for example, represent a maximum number of road users who are allowed to be in the respective time period. It is also conceivable, however, that the maximum capacity represents a type of characteristic value that can be derived from the position information of the road users.
  • the defined traffic area includes those road users who move towards the capacity-limited infrastructure and thus form the inflow to the capacity-limited infrastructure. Each road user can move towards the capacity-limited infrastructure along an individual route.
  • a utilization index is then determined for each time period in order to determine how high the utilization of a particular time period is in relation to the traffic participants in the influx onto the capacity-limited infrastructure.
  • the utilization index is determined depending on the position information of the traffic participants and the maximum capacity of the respective time period.
  • Such position information can, for example, represent a predicted remaining time until arrival at the capacity-limited infrastructure.
  • Such position information represents in particular an estimate of the position of the traffic participant on the time scale that is used as the basis for defining the time periods based on the capacity-limited infrastructure.
  • the position information represents a remaining flight time.
  • Controlling the road users means that the speed and/or route of at least one road user is varied, thereby changing the flow of traffic to the infrastructure.
  • the inventor has recognized that in transport systems with a capacity-limited infrastructure, corresponding disruptions and inaccuracies in the flow of traffic often balance themselves out over time, so that constant compensation for these effects largely represents an ineffective consumption of resources.
  • these overcompensation effects can be avoided, which means that the ineffective consumption of resources in such transport systems can be avoided.
  • the performance of the capacity-limited infrastructure can be optimally utilized.
  • the temporal division of the traffic area can be provided by an electronic processing unit. This receives the current time at which the utilization index for each time period is to be determined as an additional input parameter. In addition, information about the road users is provided as an input parameter in order to be able to identify the individual road users for determining the utilization index.
  • the utilization index can also be determined using the electronic processing unit.
  • the control of the road users depending on the determined utilization index of the time periods can also be carried out using the electronic processing unit, for example by automatically generating and sending control commands to the road users.
  • the control of the road users depending on the utilization indicators of the time periods is carried out in such a way that the utilization indicators for example, not exceed a certain threshold value and preferably in such a way that the road users are distributed essentially evenly within their time periods. If the utilization indicator is defined as the percentage utilization of the respective time period, the road users are controlled in such a way that the utilization indicator in a time period does not exceed the percentage utilization of 100%.
  • the time period in which the respective road user is located at the specific point in time is determined as position information, wherein the utilization index for the respective time period is determined as a function of the maximum capacity assigned to the time period and a number of road users in the relevant time period based on the position information of the road users.
  • the predicted arrival time on the capacity-limited infrastructure is determined as position information for each road user at a specific time and, based on this, the respective road user is assigned to the corresponding time period.
  • the number of road users in a time period is then compared with the maximum capacity assigned to the time period to determine whether the maximum capacity has been exceeded. If this is the case, appropriate measures are taken to distribute the road users to other time periods by accelerating or braking or by changing the route.
  • a probability distribution is provided for each road user as position information, which indicates the probability with which the respective road user is located on a time scale starting from the capacity-limited infrastructure at a certain point in time, wherein the utilization index for the respective time period is determined depending on the maximum capacity assigned to the time period and the probability distribution of the road users.
  • the distribution of road users over the time periods is based on a probability distribution that describes the Probability that the road user is at a certain location on the time scale at a certain point in time.
  • the utilization index for the respective time period can be determined by combining all the probabilities of all road users in a time period under consideration.
  • a corresponding utilization indicator is determined for a selected time period, which is based on the integral of the part of the probability distribution in the time period in question.
  • the probability distributions are based on stochastic data about the road users in the influx onto the capacity-limited infrastructure or are determined based on this.
  • This stochastic data can be based on observations from the past.
  • the probability distribution can then be determined from this stochastic data, so that for each point on the time scale, the probability of the relevant road user being at a certain point on the time scale at a certain point in time can be specified.
  • Such a probability distribution can be derived from past flight data and the associated flight times.
  • a control command is generated for at least one road user and transmitted to the road user in question.
  • control commands can be, for example, voice commands issued by a controller of the capacity-limited infrastructure or another infrastructure to the relevant road users (e.g. VHF radio). It is also conceivable that the control commands are digital data packets that are transmitted via a digital radio connection is sent to the relevant road users. The control commands are either carried out automatically by the respective road user or implemented by the pilot.
  • At least one road user is controlled by changing his speed and/or his route depending on the utilization indicators of the time periods.
  • the subdivision is provided in such a way that the time windows of the time periods become increasingly larger starting from the capacity-limited infrastructure.
  • the traffic users are flying objects, in particular commercial aircraft, and the capacity-limited infrastructure is an airport and/or that the traffic users are ships and the capacity-limited infrastructure is a port.
  • the object is also achieved according to the invention with the computer program according to claim 9.
  • the object is also achieved according to the invention with the device according to claim 10.
  • FIG 1 shows in a schematically simplified representation a capacity-limited infrastructure 10, which in the embodiment of the Figure 1 represents an airport.
  • the capacity-limited infrastructure 10 has a runway 11.
  • the air traffic participants 20 are located within a controlled traffic area 100.
  • the approach control 12 or the instance monitoring the inflow contains an electronic processing unit 30 which carries out an inflow control according to the method of the present invention and controls the inflow of traffic participants 20 onto the runway 11 of the capacity-limited infrastructure 10 in such a way that the need for holding patterns is reduced or completely minimized.
  • the approach control is so extensive that one or more ACCs (Area Control Centers) are involved in it.
  • Figure 2 shows the temporal division of the traffic area 100 into a total of four time periods A 1 , A 2 , A 3 and A 4 .
  • the first time period A 1 is located immediately in front of the capacity-limited infrastructure 10 and extends from there to the outer boundary, where the second time period A 2 begins. From there, the second time period A 2 extends to the beginning of the third section A 3 , which is then followed by the fourth section A 4. It can be seen that, starting from the capacity-limited infrastructure 10, the time periods become longer with increasing distance from the infrastructure 10. As a result, the entire process becomes more tolerant of fluctuations with increasing distance from the infrastructure 10, so that small fluctuations no longer immediately lead to an intervention in the inflow.
  • Each time period A n is assigned a maximum capacity, which indicates how many road users are allowed to be within this time period.
  • Each time period is assigned a time window which defines the time until arrival at the capacity-limited infrastructure 10.
  • the first time period A 1 can be assigned a time window of 0 to 10 minutes
  • the second time period A 2 can be assigned a time window of 10 to 30 minutes.
  • the third time period A 3 can then be assigned a time window of 30 to 60 minutes
  • the fourth time period A 4 can then be assigned a time window of 60 to 120 minutes.
  • the time window for each time period also becomes larger.
  • the capacity assigned to each time period is selected depending on the size of the time window assigned to the respective time period, which in turn is based on the maximum performance of the capacity-limited infrastructure.
  • probability distributions are now provided for each road user under consideration.
  • These probability distributions can be created, for example, using stochastic data about the road users in the past. This can be defined, for example, based on existing flight routes for each of the road users.
  • the probabilities of the individual road users within each time period are now calculated. of the time period under consideration in order to determine a capacity utilization indicator.
  • the proportion of aircraft contained in a time period is determined from the integral of the part of the probability distributions assigned to the time period.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zuflusssteuerung von einer Mehrzahl von Verkehrsteilnehmern, die sich innerhalb eines festgelegten Verkehrsraumes auf eine kapazitätsbegrenzte Infrastruktur zubewegen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:- Bereitstellen einer zeitlichen Unterteilung des Verkehrsraumes in eine Mehrzahl von Zeitabschnitten ausgehend von der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur, wobei jeder Zeitabschnitt ein Zeitfenster definiert, das die Dauer bis zum Eintreffen an der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur angibt, und jedem Zeitabschnitt eine maximale Kapazität zugeordnet ist,- Bestimmen einer Auslastungskennzahl zu einem bestimmten Zeitpunkt für jeden Zeitabschnitt in Abhängigkeit von Positionsinformationen der Verkehrsteilnehmer und der maximalen Kapazität des jeweiligen Zeitabschnittes, und- Steuern der Verkehrsteilnehmer in Abhängigkeit von den Auslastungskennzahlen der Zeitabschnitte.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zuflusssteuerung von einer Mehrzahl von Verkehrsteilnehmern, die sich innerhalb eines festgelegten Verkehrsraumes entlang einer Route auf eine kapazitätsbegrenzte Infrastruktur zubewegen.
  • Die Erfindung betrifft ebenso ein Computerprogramm sowie eine Vorrichtung hierzu.
  • Innerhalb eines Transportnetzwerkes, bei dem Verkehrsteilnehmer sich innerhalb eines Verkehrsraumes bewegen, stellen die Infrastrukturen, an denen die Verkehrsteilnehmer ihre Transportroute beginnen oder an denen die Transportroute endet, meist eine Flaschenhals dar, da diese Infrastrukturen in der Regel die Verkehrsteilnehmer nur in einer vereinzelten Form bearbeiten können. Dies bedeutet, dass die Verkehrsteilnehmer die Infrastruktur nur einzelnen verlassen oder an den Infrastrukturen nur einzelnen ankommen können.
  • So stellen Flughäfen, die stark frequentiert werden, einen Flaschenhals bei der Landung der Verkehrsflugzeuge als Verkehrsteilnehmer dar, da jedes Verkehrsflugzeug auf der dem Verkehrsflugzeug zugewiesenen Landebahn jeweils nur in einem gewissen Zeitfenster landen darf.
  • Aus diesem Grund sind bei solchen kapazitätsbegrenzten Infrastrukturen entsprechenden Maßnahmen zum Umgang mit einer Überlastung der Infrastruktur erforderlich. Je nach spezifischem System sind hier in der Praxis prinzipiell zwei voneinander verschiedene Maßnahmentypen im Umgang mit einer Überlastung denkbar. Beim ersten Typ erfolgt eine Speicherung der überzähligen Verkehrsteilnehmer, die die Infrastruktur aktuell nicht nutzen können, in einem gewissen abgegrenzten Bereich vor der Infrastruktur selbst. In der Luftfahrt geschieht dies mit sogenannten Warteschleifen oder Routenverlängerungen (z.B. Trombonen). Dies hat jedoch den Nachteil, dass durch die erforderlichen Umwege unnötig Treibstoff verbraucht wird und damit unnötige Umweltschäden und Kostenbeeinträchtigungen entstehen. Eine ähnliche Situation ergibt sich auch bei der Schifffahrt, wenn es zu einer Überlastung eines Hafens als kapazitätsbegrenzte Infrastruktur kommt. Die Schiffe müssen dann in einem gewissen Bereich vor dem Hafen, z.B. der Deutschen Bucht, auf den Zeitpunkt, an dem sie den Hafen einfahren dürfen, warten. Dieses warten ist auch in der Seefahrt mit einem unnötigen Treibstoffverbrauch und damit mit einer zusätzlichen Umweltbelastung verbunden, da zum Halten der Position in der Schifffahrt Energie erforderlich ist.
  • Bei dem zweiten Maßnahmen Typ wird aktiv in den Zustrom der ankommenden Verkehrsteilnehmer eingegriffen, sodass der Zufluss der Verkehrsteilnehmer an die kapazitätsbegrenzte Infrastruktur hinsichtlich der Auslastung angepasst wird. Dabei erfolgt die Speicherung der überzähligen Verkehrsteilnehmer innerhalb des Zustroms auf die kapazitätsbegrenzte Infrastruktur und wird somit auf die Routenstruktur verlagert. Die Steuerung basiert dabei meist auf 4D-Trajektorien, bei denen Wegpunkte zu bestimmten Zielzeiten einzuhalten sind. Eine solche Steuerung trifft jedoch in der Praxis und in einer realen Umgebung auf Störungen sowie Ungenauigkeiten in Planung und Umsetzung. Die Störungen und Ungenauigkeiten im Zustrom der Verkehrsteilnehmer führen unkorrigiert zu Schwankungen und damit wiederum zu Staus oder zu Nutzungsausfällen von Zeitlücken (Slots) auf der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur. Daher ist bei den Verkehrsteilnehmern eine ständige Kompensation von Störungen und Ungenauigkeiten erforderlich, um die Planung trotz Störungen und Ungenauigkeiten und damit den Zustrom möglichst exakt einzuhalten. Die hierzu ständig erforderlichen Korrekturen lösen ein permanentes beschleunigen und wieder abbremsen der Verkehrsteilnehmer aus, wodurch sich der Energieverbrauch sowie auch der Verschleiß erhöht. Darüber hinaus führen die zur Einhaltung der Planung erforderlichen Maßnahmen und ihre hohe Anzahl bei den Beteiligten (beispielsweise Lotsen) zu einer deutlich erhöhten Arbeitsbelastung und steigender Komplexität.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Zuflusssteuerung von Verkehrsteilnehmern auf eine kapazitätsbegrenzte Infrastruktur anzugeben, dass den Nachteilen der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren Rechnung trägt.
  • Die Aufgabe wird mit dem Verfahren zur Zuflusssteuerung gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich dann in den entsprechenden Unteransprüchen.
  • Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zur Zuflusssteuerung von einer Mehrzahl von Verkehrsteilnehmern vorgeschlagen, die sich innerhalb eines festgelegten Verkehrsraumes auf eine kapazitätsbegrenzte Infrastruktur zubewegen. Das Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte umfasst:
    • Bereitstellen einer zeitlichen Unterteilung des Verkehrsraumes in eine Mehrzahl von Zeitabschnitten ausgehend von der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur, wobei jeder Zeitabschnitt ein Zeitfenster definiert, das die Dauer bis zum Eintreffen an der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur angibt, und jedem Zeitabschnitt eine maximale Kapazität zugeordnet ist,
    • Bestimmen einer Auslastungskennzahl zu einem bestimmten Zeitpunkt für jeden Zeitabschnitt in Abhängigkeit von Positionsinformationen der Verkehrsteilnehmer und der maximalen Kapazität des jeweiligen Zeitabschnittes, und
    • Steuern der Verkehrsteilnehmer in Abhängigkeit von den Auslastungskennzahlen der Zeitabschnitte.
  • Der festgelegte Verkehrsraum wird demnach zunächst zeitlich unterteilt, sodass sich aus den von der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur eine Mehrzahl von Zeitabschnitten auf einer Zeitskala ergeben. Diese Zeitabschnitte definieren dabei ein Zeitfenster, das die Dauer bis zum Eintreffen an der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur angibt. Jedem Zeitabschnitt wird darüber hinaus eine maximale Kapazität zugeordnet. Diese Kapazität steht dabei im Verhältnis zu der maximalen Aufnahmefähigkeit der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur und ggf. der zeitlichen Entfernung des jeweiligen Zeitabschnittes zu der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur. Die maximale Kapazität kann dabei beispielsweise eine maximale Anzahl von Verkehrsteilnehmern darstellen, die sich in den jeweiligen Zeitabschnitt befinden dürfen. Denkbar ist aber auch, dass die maximale Kapazität eine Art Kennwert darstellt, die sich aus Positionsinformationen der Verkehrsteilnehmer ableiten lässt.
  • Der festgelegte Verkehrsraum umfasst dabei jene Verkehrsteilnehmer, die sich auf die kapazitätsbegrenzte Infrastruktur zubewegen und somit den Zustrom an die kapazitätsbegrenzte Infrastruktur bilden. Jeder Verkehrsteilnehmer kann sich dabei entlang einer individuellen Route auf die kapazitätsbegrenzte Infrastruktur zubewegen.
  • Anschließend wird eine Auslastungskennzahl für jeden Zeitabschnitt bestimmt, um so festzustellen, wie hoch die Auslastung eines jeweiligen Zeitabschnittes in Bezug auf die im Zustrom auf die kapazitätsbegrenzte Infrastruktur befindlichen Verkehrsteilnehmer ist. Die Auslastungskennzahl wird dabei in Abhängigkeit von Positionsinformationen der Verkehrsteilnehmer und der maximalen Kapazität des jeweiligen Zeitabschnittes bestimmt. Eine solche Positionsinformation kann beispielsweise eine prognostizierte, noch verbleibende Dauer bis zur Ankunft an der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur darstellen. Eine solche Positionsinformation stellt dabei insbesondere eine Abschätzung der Position des Verkehrsteilnehmers auf der Zeitskala dar, die ausgehend von der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur der Definition der Zeitabschnitte zugrunde gelegt ist. Insbesondere stellt die Positionsinformation eine noch verbleibende Flugdauer dar.
  • Basierend auf der Auslastungskennzahl eines jeden Zeitabschnittes werden die Verkehrsteilnehmer entsprechend gesteuert, um so eine Überbelastung der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur in der Zukunft zu vermeiden. Unter einer Steuerung der Verkehrsteilnehmer wird dabei verstanden, dass die Geschwindigkeit und/oder Route von zumindest einem Verkehrsteilnehmer variiert wird, wodurch sich der Zustrom auf die Infrastruktur ändert.
  • Zur Steuerung des Zustroms der Verkehrsteilnehmer auf die kapazitätsbegrenzte Infrastruktur werden beim Überschreiten der Kapazität zumindest eines Zeitabschnittes entsprechende Maßnahmen ergriffen, die zur Reduktion der Auslastungskennzahl in einem oder mehreren Zeitabschnitten führt. Hierzu wird vorteilhafterweise auf Verkehrsteilnehmer im Zustrom zugegriffen, die über besonders geeignete Eigenschaften zur Umsetzung der Maßnahmen verfügen. Derartige Eigenschaften sind die Breite der Verteilung der Verkehrsteilnehmer auf der Zeitskala oder ein besonderer Status des Verkehrsteilnehmers, wie beispielsweise, dass sich der Verkehrsteilnehmer noch am Abflugflughafen befindet. Die Maßnahmen, die auf die ausgewählten Verkehrsteilnehmer anzuwenden sind, können eine Verschiebung zu beiden Seiten der Zeitskala zufolge haben. Diese führt entweder zu einer Beschleunigung oder zu einer Verzögerung des Verkehrsteilnehmers. Je nach Größe der Überschreitung der Kapazität kann ein einzelner Verkehrsteilnehmer oder können mehrere Verkehrsteilnehmer im Zustrom mit erforderlichen Maßnahmen in unterschiedlicher Stärke belegt werden. Bei diesem Vorgehen wird die Anzahl der Eingriffe in den Luftverkehr deutlich reduziert, da nicht jede Ungenauigkeit und Störung hinterher gesteuert wird.
  • Der Erfinder hat erkannt, dass sich in Transportsystemen mit einer kapazitätsbegrenzten Infrastruktur entsprechende Störungen und Ungenauigkeiten im Zustrom in dessen Verlauf oftmals über die Zeit selbst ausgleichen, sodass eine ständige Kompensation dieser Effekte zum überwiegenden Teil einen wirkungslosen Verbrauch von Ressourcen darstellen. Durch die zeitliche Unterteilung des Verkehrsraumes und Überwachung deren Auslastung lassen sich so diese Überkompensationseffekte vermeiden, wodurch der wirkungslose Verbrauch von Ressourcen in derartigen Transportsystemen vermieden werden kann. Durch die frühzeitige Korrektur der Verkehrsteilnehmer in Bezug auf die unterteilten Zeitabschnitte auf der Zeitskala kann die Leistungsfähigkeit der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur optimal ausgenutzt werden.
  • Die zeitliche Unterteilung des Verkehrsraumes kann dabei von einer elektronischen Recheneinheit bereitgestellt werden. Diese erhält als weiteren Eingangsparameter den aktuellen Zeitpunkt, an dem die Auslastungskennzahl für jeden Zeitabschnitt bestimmt werden soll. Außerdem werden Informationen bezüglich der Verkehrsteilnehmer als Eingangsparameter bereitgestellt, um so die einzelnen Verkehrsteilnehmer für die Bestimmung der Auslastungskennzahl identifizieren zu können. Dass bestimmen der Auslastungskennzahl kann dabei ebenfalls mithilfe der elektronischen Recheneinheit erfolgen. Auch das Steuern der Verkehrsteilnehmer in Abhängigkeit von der ermittelten Auslastungskennzahl der Zeitabschnitte kann dabei mithilfe der elektronischen Recheneinheit erfolgen, dem beispielsweise automatisiert Steuerkommandos an die Verkehrsteilnehmer generiert und ausgesendet werden.
  • Die Steuerung der Verkehrsteilnehmer in Abhängigkeit der Auslastungskennzahlen der Zeitabschnitte erfolgt dabei insbesondere derart, dass die Auslastungskennzahlen bspw. einen gewissen Schwellenwert nicht überschreiten und vorzugsweise derart, dass die Verkehrsteilnehmer innerhalb ihrer Zeitabschnitte im Wesentlichen homogen verteilt sind. Wird die Auslastungskennzahl als prozentuale Auslastung des jeweiligen Zeitabschnittes definiert, so erfolgt die Steuerung der Verkehrsteilnehmer derart, dass die Auslastungskennzahl in einem Zeitabschnitt die prozentuale Auslastung von 100 % nicht überschreitet.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass für jeden Verkehrsteilnehmer als Positionsinformation festgestellt wird, in welchem Zeitabschnitt sich der jeweilige Verkehrsteilnehmer zu dem bestimmten Zeitpunkt befindet, wobei die Auslastungskennzahl für den jeweiligen Zeitabschnitt in Abhängigkeit von der dem Zeitabschnitt zugeordneten maximalen Kapazität und einer auf den Positionsinformationen der Verkehrsteilnehmer basierenden Anzahl von Verkehrsteilnehmern im betreffenden Zeitabschnitt ermittelt wird.
  • In dieser recht einfachen Ausgestaltung wird für jeden Verkehrsteilnehmer zu dem bestimmten Zeitpunkt als Positionsinformation die prognostizierte Ankunftszeit auf der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur ermittelt und basierend darauf der jeweilige Verkehrsteilnehmer in den entsprechenden Zeitabschnitt zugeteilt. Die Anzahl der in einem Zeitabschnitt enthaltenen Verkehrsteilnehmer wird dann mit der dem Zeitabschnitt zugeordneten maximalen Kapazität verglichen, um festzustellen, ob die maximale Kapazität überschritten ist. Ist dies der Fall, werden entsprechende Maßnahmen ergriffen, um die Verkehrsteilnehmer durch Beschleunigen oder Abbremsen oder durch Änderung der Route auf andere Zeitabschnitte zu verteilen.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass für jeden Verkehrsteilnehmer als Positionsinformation eine Wahrscheinlichkeitsverteilung bereitgestellt wird, die angibt, mit welcher Wahrscheinlichkeit sich der jeweilige Verkehrsteilnehmer auf einer Zeitskala ausgehend von der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur zu einem gewissen Zeitpunkt befindet, wobei die Auslastungskennzahl für den jeweiligen Zeitabschnitt in Abhängigkeit von der dem Zeitabschnitt zugeordneten maximalen Kapazität und der Wahrscheinlichkeitsverteilung der Verkehrsteilnehmer ermittelt wird.
  • Hierbei wird der Verteilung der Verkehrsteilnehmer auf die Zeitabschnitte eine Wahrscheinlichkeitsverteilung zugrunde gelegt, die beschreibt, mit welcher Wahrscheinlichkeit sich der Verkehrsteilnehmer an einem bestimmten Ort auf der Zeitskala zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet. Zum Untersuchungszeitpunkt kann nun festgestellt werden, mit welcher Wahrscheinlichkeit sich der jeweilige Verkehrsteilnehmer im betrachteten Zeitabschnitt befindet, wobei durch zusammenführen aller Wahrscheinlichkeiten aller Verkehrsteilnehmer in einem betrachteten Zeitabschnitt sich die Auslastungskennzahl für den jeweiligen Zeitabschnitt bestimmen lässt.
  • Im Kern wird dabei für die definierten Zeitabschnitte auf der Zeitskala, ausgehend von der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur, eine entsprechende Auslastungskennzahl für einen ausgewählten Zeitabschnitt ermittelt, die auf dem Integral des Teils der Wahrscheinlichkeitsverteilung im betreffenden Zeitabschnitt beruht.
  • Gemäß einer Ausführungsform hierzu ist vorgesehen, dass die Wahrscheinlichkeitsverteilungen auf stochastischen Daten über die Verkehrsteilnehmer im Zustrom auf die kapazitätsbegrenzte Infrastruktur basiert oder basierend darauf ermittelt werden.
  • Diese stochastischen Daten können dabei auf Beobachtungen aus der Vergangenheit basieren. Aus diesem stochastischen Daten kann dann die Wahrscheinlichkeitsverteilung ermittelt werden, sodass für jeden Punkt auf der Zeitskala für den betreffenden Verkehrsteilnehmer angegeben werden kann, mit welcher Wahrscheinlichkeit er sich an einem bestimmten Punkt auf der Zeitskala zu einem gewissen Zeitpunkt befindet. Eine solche Wahrscheinlichkeitsverteilung lässt sich dabei aus Flugdaten der Vergangenheit und den damit zusammenhängenden Flugzeiten ableiten.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zur Steuerung der Verkehrsteilnehmer für mindestens einen Verkehrsteilnehmer ein Steuerkommando erzeugt und an den betreffenden Verkehrsteilnehmer übertragen wird.
  • Solche Steuerkommandos können beispielsweise Sprachbefehle sein, die von einem Lotsen der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur oder einer anderen Infrastruktur an die betreffenden Verkehrsteilnehmer ausgegeben werden (bspw. VHF Sprechfunk). Denkbar ist aber auch, dass die Steuerkommandos digitale Datenpakete sind, die über eine digitale Funkverbindung an die betreffenden Verkehrsteilnehmer ausgesendet werden. Die Steuerkommandos werden dabei entweder automatisiert von dem jeweiligen Verkehrsteilnehmer ausgeführt oder durch den Piloten umgesetzt.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens ein Verkehrsteilnehmer durch Veränderung seiner Geschwindigkeit und/oder seiner Route in Abhängigkeit von den Auslastungskennzahlen der Zeitabschnitte gesteuert wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Unterteilung derart bereitgestellt wird, dass die Zeitfenster der Zeitabschnitte ausgehend von der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur immer größer werden.
  • Dadurch wird eine erhöhte Sensitivität gegenüber den Schwankungen der Anzahl der Verkehrsteilnehmer in den definierten Zeitabschnitten Zustrom bei Annäherung an die Infrastruktur erreicht.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Verkehrsteilnehmer Flugobjekte, insbesondere Verkehrsflugzeuge sind und die kapazitätsbegrenzte Infrastruktur ein Flughafen ist und/oder dass die Verkehrsteilnehmer Schiffe sind und die kapazitätsbegrenzte Infrastruktur ein Hafen ist.
  • Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Computerprogramm gemäß Anspruch 9 erfindungsgemäß gelöst. Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit der Vorrichtung gemäß Anspruch 10 erfindungsgemäß gelöst.
  • Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaften erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    schematische Darstellung einer kapazitätsbegrenzten Infrastruktur in Form eines Flughafens;
    Figur 2
    schematische Darstellung der zeitlichen Unterteilung;
    Figur 3
    schematische Darstellung einer Wahrscheinlichkeitsverteilung zu einem bestimmten Zeitpunkt.
  • Figur 1 zeigt in einer schematisch stark vereinfachten Darstellung eine kapazitätsbegrenzte Infrastruktur 10, die im Ausführungsbeispiel der Figur 1 einen Flughafen darstellt. Die kapazitätsbegrenzte Infrastruktur 10 weist dabei eine Landebahn 11 auf. Die fliegenden Verkehrsteilnehmer 20 befinden sich dabei innerhalb eines kontrollierten Verkehrsraumes 100.
  • In der Anflugkontrolle 12 bzw. in der den Zustrom überwachenden Instanz befindet sich hierfür eine elektronische Recheneinheit 30, die eine Zuflusssteuerung nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung durchführt und für den Zufluss der Verkehrsteilnehmer 20 auf die Landebahn 11 der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur 10 so steuert, dass die Notwendigkeit von Warteschleifen reduziert oder gänzlich minimiert wird. Die Anflugkontrolle ist hierbei derart weitreichend, dass ein oder mehrere ACC (Area Control Center) damit beschäftigt sind.
  • Figur 2 zeigt die zeitliche Unterteilung des Verkehrsraumes 100 in insgesamt vier Zeitabschnitte A1, A2, A3 und A4. Der erste Zeitabschnitt A1 befindet sich unmittelbar vor der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur 10 und erstreckt sich dabei von dieser bis zur äußeren Grenze, an der der zweite Zeitabschnitt A2 beginnt. Von daraus erstreckt sich der zweite Zeitabschnitt A2 bis zum Beginn des dritten Abschnittes A3, an den sich dann der vierte Abschnitt A4 anschließt. Es ist erkennbar, dass ausgehend von der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur 10 die Zeitabschnitte mit zunehmender Entfernung von der Infrastruktur 10 größer werden. Hierdurch wird das gesamte Verfahren mit zunehmenden Abstand von der Infrastruktur 10 toleranter gegenüber Schwankungen, sodass kleine Schwankungen nicht mehr sofort zu einem Eingriff in den Zustrom führt.
  • Jedem Zeitabschnitt An ist eine maximale Kapazität zugeordnet, die angibt, wie viele Verkehrsteilnehmer sich innerhalb dieses Zeitabschnittes befinden dürfen. Außerdem ist jedem Zeitabschnitt ein Zeitfenster zugeordnet, welches die Dauer bis zum Eintreffen an der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur 10 definiert. So kann beispielsweise dem ersten Zeitabschnitt A1 ein Zeitfenster von 0 bis 10 Minuten zugeordnet sein, während dem zweiten Zeitabschnitt A2 ein Zeitfenster von 10 bis 30 Minuten zugeordnet ist. Dem dritten Abschnitt A3 dann ein Zeitfenster von 30 bis 60 Minuten zugeordnet und dem vierten Abschnitt A4 dann ein Zeitfenster von 60 bis 120 Minuten.
  • Mit zunehmendem Abstand von der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur 10 wird dabei bspw. für jeden Zeitabschnitt auch das Zeitfenster größer. Grundsätzlich kann dabei vorgesehen sein, dass die Kapazität, die jedem Zeitabschnitt zugeordnet ist, in Abhängigkeit von der Größe des dem jeweiligen Zeitabschnitt zugeordneten Zeitfenster gewählt wird, was wiederum auf der maximalen Leistungsfähigkeit der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur beruht.
  • Angenommen, auf der Landebahn 11 (Figur 1) der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur 10 kann alle 3 Minuten ein Verkehrsteilnehmer 20 landen, zu ergibt sich für ein Zeitfenster von 10 Minuten eine Leistungsfähigkeit von 3 Verkehrsteilnehmern. Für den ersten Zeitabschnitt A1, der ein Zeitfenster von 10 Minuten aufweist, beträgt somit die maximale Kapazität 3 Verkehrsteilnehmern.
  • Der zweite Zeitabschnitt wiederum hat eine Größe von 20 Minuten, sodass basierend auf der Leistungsfähigkeit der Infrastruktur 10 insgesamt 6 Verkehrsteilnehmer enthalten sein dürfen, da innerhalb von 20 Minuten maximal 6 Verkehrsteilnehmer auf der Landebahn 11 der Infrastruktur 10 landen können.
  • Zu einem bestimmten Zeitpunkt, an dem sich eine Mehrzahl von Verkehrsteilnehmern 20 im Zustrom auf die Infrastruktur 10 befinden, wird nun für dieser Zeitabschnitte einer Auslastungskennzahl bestimmt, die angibt, wie ausgelastet der jeweilige Zeitabschnitt An ist. Dieser Auslastungskennzahl wird dabei anhand der maximalen Kapazität des jeweiligen Zeitabschnittes sowie einer Positionsinformation der Verkehrsteilnehmer bestimmt. Die Positionsinformationen der Verkehrsteilnehmer werden dabei in Bezug auf den Zustrom auf die Infrastruktur vorgegeben.
  • So kann in einer einfachen Umsetzung die tatsächliche Position des Verkehrsteilnehmers verwendet werden, um daraus die ungefähre Ankunftszeit an der Infrastruktur zu bestimmen. Daraus lässt sich dann die noch verbleibende Reisezeit auf der Route des Verkehrsteilnehmers bestimmen, wodurch die Einordnung in den jeweiligen Zeitabschnitt möglich wird.
  • Denkbar ist aber auch, dass die Auslastungskennzahl in Abhängigkeit einer Wahrscheinlichkeitsverteilung eines jeden Verkehrsteilnehmers als Positionsinformation bestimmt wird. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung gibt dabei für einen Verkehrsteilnehmer die Wahrscheinlichkeit an, mit der sich der Verkehrsteilnehmer zu einem bestimmten Zeitpunkt auf der Zeitskala, auf der die Zeitabschnitte unterteilt sind, befinden.
  • Eine solche Wahrscheinlichkeitsverteilung ist dabei für einen Verkehrsteilnehmer zu einem bestimmten Zeitpunkt in Figur 3 gezeigt. Auf der X-Achse befindet sich die Zeitskala 40, auf der ausgehend von der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur 10 die einzelnen Zeitabschnitte An unterteilt sind. Auf der Y-Achse ist dabei die Wahrscheinlichkeit zwischen 0 und 1 abgetragen. Die in Figur 3 gezeigte Wahrscheinlichkeitsverteilung zeigt dabei die Wahrscheinlichkeit, mit der sich der Verkehrsteilnehmer zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb der Zeitskala befindet.
  • Im Ausführungsbeispiel der Figur 3 hat der betreffende Verkehrsteilnehmer die höchste Wahrscheinlichkeit im ersten Drittel des dritten Zeitabschnittes A3. Danach flacht die Wahrscheinlichkeit zu beiden Seiten der Zeitskala ab.
  • Zu den Betrachtungszeitpunkt werden nun derartige Wahrscheinlichkeitsverteilungen für jeden betrachteten Verkehrsteilnehmer bereitgestellt. Diese Wahrscheinlichkeitsverteilungen können beispielsweise unter Verwendung von stochastischen Daten über die Verkehrsteilnehmer in der Vergangenheit erstellt werden. Dies kann beispielsweise anhand bestehender Flugrouten für jeden der Verkehrsteilnehmer definiert werden.
  • Zur Ermittlung einer Auslastungskennzahl basierend auf der Wahrscheinlichkeitsverteilung jedes Verkehrsteilnehmers werden nun für jeden Zeitabschnitt die Wahrscheinlichkeiten der einzelnen Verkehrsteilnehmer innerhalb des betrachteten Zeitabschnittes auf integriert, um so eine Auslastungskennzahl zu ermitteln. Mit anderen Worten, in einem Zeitabschnitt wird der Anteil der enthaltenen Luftfahrzeuge aus dem Integral des Teils der Wahrscheinlichkeitsverteilungen bestimmt, die dem Zeitabschnitt zugeordnet sind.
  • Hierdurch wird basierend auf den Wahrscheinlichkeitsverteilungen eine fiktive Anzahl von Luftfahrzeugen in den jeweiligen Zeitabschnitten bestimmt, auf deren Basis dann die Auslastungskennzahl unter Berücksichtigung der im jeweiligen Zeitabschnitt zugeordneten maximalen Kapazität bestimmt werden kann.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    kapazitätsbegrenzte Infrastruktur
    11
    Landebahn
    12
    Anflugkontrolle
    20
    Verkehrsteilnehmer
    30
    elektronische Recheneinheit
    40
    Zeitskala
    An
    Zeitabschnitte
    100
    Verkehrsraum

Claims (10)

  1. Verfahren zur Zuflusssteuerung von einer Mehrzahl von Verkehrsteilnehmern (20), die sich innerhalb eines festgelegten Verkehrsraumes (100) auf eine kapazitätsbegrenzte Infrastruktur (10) zubewegen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    - Bereitstellen einer zeitlichen Unterteilung des Verkehrsraumes (100) in eine Mehrzahl von Zeitabschnitten (An) ausgehend von der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur (10), wobei jeder Zeitabschnitt (An) ein Zeitfenster definiert, das die Dauer bis zum Eintreffen an der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur (10) angibt, und jedem Zeitabschnitt (An) eine maximale Kapazität zugeordnet ist,
    - Bestimmen einer Auslastungskennzahl zu einem bestimmten Zeitpunkt für jeden Zeitabschnitt (An) in Abhängigkeit von Positionsinformationen der Verkehrsteilnehmer (20) und der maximalen Kapazität des jeweiligen Zeitabschnittes (An), und
    - Steuern der Verkehrsteilnehmer (20) in Abhängigkeit von den Auslastungskennzahlen der Zeitabschnitte (An).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Verkehrsteilnehmer (20) als Positionsinformation festgestellt wird, in welchem Zeitabschnitt (An) sich der jeweilige Verkehrsteilnehmer (20) zu dem bestimmten Zeitpunkt befindet, wobei die Auslastungskennzahl für den jeweiligen Zeitabschnitt (An) in Abhängigkeit von der dem Zeitabschnitt (An) zugeordneten maximalen Kapazität und einer auf den Positionsinformationen der Verkehrsteilnehmer (20) basierenden Anzahl von Verkehrsteilnehmern (20) im betreffenden Zeitabschnitt (An) ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Verkehrsteilnehmer (20) als Positionsinformation eine Wahrscheinlichkeitsverteilung bereitgestellt wird, die angibt, mit welcher Wahrscheinlichkeit sich der jeweilige Verkehrsteilnehmer (20) auf einer Zeitskala (40) ausgehend von der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur (10) zu einem gewissen Zeitpunkt befindet, wobei die Auslastungskennzahl für den jeweiligen Zeitabschnitt (An) in Abhängigkeit von der dem Zeitabschnitt (An) zugeordneten maximalen Kapazität und der Wahrscheinlichkeitsverteilung der Verkehrsteilnehmer (20) ermittelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wahrscheinlichkeitsverteilungen auf stochastischen Daten über die Verkehrsteilnehmer (20) im Zustrom auf die kapazitätsbegrenzte Infrastruktur (10) basiert oder basierend darauf ermittelt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der Verkehrsteilnehmer (20) für mindestens einen Verkehrsteilnehmer (20) ein Steuerkommando erzeugt und an den betreffenden Verkehrsteilnehmer (20) übertragen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verkehrsteilnehmer (20) durch Veränderung seiner Geschwindigkeit und/oder seiner Route in Abhängigkeit von den Auslastungskennzahlen der Zeitabschnitte (An) gesteuert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterteilung derart bereitgestellt wird, dass die Zeitfenster der Zeitabschnitte (An) ausgehend von der kapazitätsbegrenzten Infrastruktur (10) immer größer werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkehrsteilnehmer (20) Flugobjekte, insbesondere Verkehrsflugzeuge sind und die kapazitätsbegrenzte Infrastruktur (10) ein Flughafen ist und/oder dass die Verkehrsteilnehmer (20) Schiffe sind und die kapazitätsbegrenzte Infrastruktur (10) ein Hafen ist.
  9. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wenn das Computerprogramm auf einer Datenverarbeitungsanlage ausgeführt wird.
  10. Vorrichtung mit einer elektronischen Recheneinheit eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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