WO2006042490A1 - Prätaktische steuerungseinrichtung - Google Patents

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WO2006042490A1
WO2006042490A1 PCT/DE2005/001597 DE2005001597W WO2006042490A1 WO 2006042490 A1 WO2006042490 A1 WO 2006042490A1 DE 2005001597 W DE2005001597 W DE 2005001597W WO 2006042490 A1 WO2006042490 A1 WO 2006042490A1
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time
control device
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Andreas Pick
Florian Piekert
Oliver Franz Albert
Rainer Kaufhold
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Deutsche Flugsicherung Gmbh
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Priority to US11/577,481 priority patent/US20080262709A1/en
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Publication of WO2006042490A8 publication Critical patent/WO2006042490A8/de
Publication of WO2006042490A9 publication Critical patent/WO2006042490A9/de

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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G5/00—Traffic control systems for aircraft, e.g. air-traffic control [ATC]
    • G08G5/0043—Traffic management of multiple aircrafts from the ground

Definitions

  • the invention relates to a nostitaktische control device for traffic control, which is provided for connection to a tactical control system for the allocation of traffic event times, which are to be followed by means of transport at fixed traffic junctions.
  • Tactical control systems are well-known for air traffic control, which allocate aircraft take-off and landing times to aircraft within the tactical control horizon up to approximately half an hour before the planned launch or landing. The pilot then has to ensure that he complies with the assigned traffic event times, which may be short windows of a few minutes.
  • the tactical control systems take into account near-time and local information in the allocation of traffic event times, but are often only able to respond to an incoming situation. Due to their relatively short temporal control time horizon, tactical control systems have no way of detecting a looming unfavorable traffic situation and reacting to it in good time. Furthermore, strategic planning systems are known with which in the traffic events comprehensive strategic
  • Forecast time horizons which are significantly larger than the pre-tactical control time horizons, one time and several hours before the actual traffic event time slots, so-called slots, are awarded to the means of transport.
  • These time windows remain relatively untouched by newly occurring traffic situations. Although they can be repealed, renegotiated and exchanged with each other after negotiations.
  • time windows are only planned based on less long-term local information, such as: B. the airport capacity. Since strategic planning systems take into account the traffic flows in a large area, taking into account a large number of airports, the planning is limited to the pursuit of a few overarching optimization targets.
  • the object of the invention is therefore to provide a lessnesstaktische control device for traffic control, with a response to a medium term foreseeable developing problematic traffic situation is possible and can be counteracted by targeted and timely control of the resulting traffic problem.
  • the pre-tactical control device is designed to determine target times for traffic events of individual means of transport at the designated traffic junctions in a pre-tactical control time horizon that is greater than the tactical control time horizon of the tactical control system and the at least one assigned Traffic event time, wherein the target times at least depending on predetermined traffic plans, of updates the traffic schedules and forecasts of traffic capacities that can be handled at a transport hub over time are determined so that the times of destination are the traffic events at the transport hub in terms of capacity in compliance with the traffic capacities that can be handled at a transport hub, adherence to the prescribed traffic plans and the stability of the planning and Optimize control, and wherein the target times are managed as control parameters in the tactical control system.
  • a further interface to a strategic planning system for determining time windows for traffic events of transport at a transport hub in a longer-term strategic planning horizon.
  • the pre-tactical control time horizon is smaller than the longer-term strategic traffic planning time horizon, which also includes at least one assigned traffic event time.
  • the target times specified by the pre-tactical control device are then also entered into the strategic planning system as a planning input variable.
  • Such strategic planning systems are known in air traffic control systems to allocate slots, as stated at the outset.
  • the pre-tactical control device thereby closes a gap between the strategic control system and the tactical control system.
  • the pre-tactical control time horizon begins about two to three hours and ends about half an hour before the traffic event.
  • the strategic planning system has a longer-term traffic planning horizon of two to three hours and more before the traffic event.
  • the tactical control time horizon of the tactical control system is approximately half an hour before the traffic event.
  • the control by the pre-tactical control device takes place, for example, in a control time window between the beginning of the tactical control time horizon and the beginning of the strategic control time horizon, but may also overlap with the planning time window of the strategic planning system and the tactical control system.
  • an interface to the tactical control system is provided for returning an anticipated traffic event time for a traffic event in order to return the traffic event time determined as a function of the target times to the pretactic control device as a basic variable for the optimization of the subsequent target times of further traffic events.
  • This traffic event time which can be a time range, is allocated for each means of transport, for example flying object, and can be checked for feasibility in order to change the flight schedule accordingly in the short term.
  • the nostitaktische control device for controlling the aviation, in particular the takeoffs and landings is used as traffic events of aircraft as a means of transport from a runway as the traffic hub of an airport, it is advantageous if the target times by temporal juxtaposition of the traffic events of the aircraft optimized for utilization capacity, taking into account staggered intervals, capacity forecasts separated for take-offs and landings, and demand for traffic events.
  • the traffic events of the aircraft are thus held up as sequences, which are always improved by a suitable optimization algorithm.
  • the pre-tactical control device for determining the target times is dependent on current or predicted weather conditions. This weather data are used as criteria for optimization with.
  • the developable traffic capacities can be determined depending on the weather.
  • the traffic hub for the calculation of the target times is related to a threshold of the runway.
  • the plan compliance of the given traffic plans should be evaluated in relation to a handling stand for the respective aircraft to optimize the target times.
  • the conversion of the plan compliance to the threshold then takes place by means of taxi times and / or defrost times for the aircraft, which can be specified as standard or are currently measured comparison times.
  • Figure 1 is a block diagram of a pre-tactical controller in conjunction with a tactical control system and a strategic planning system;
  • Figure 2 diagram of the departing capacity on the incoming capacity to adapt an operating point for the optimization
  • FIG. 3 shows the slots, target times and tactical traffic event times.
  • the 1 shows a block diagram of the pre-tactical control device 1 connected to a tactical control system 2 for control in a tactical (short-term) control horizon of approximately 30 minutes before the traffic event and a strategic planning system 3.
  • the strategic planning system 3 has a strategic (long-term) planning horizon of more than two to three hours before the traffic event, in particular the takeoff or landing of an aircraft.
  • the pre-tactical control device receives capacity forecasts KAP (t) for the runways and the start and landing requests (DEMAND) of means of transport over time t.
  • the capacity predictions KAP (t) are calculated with known capacity estimation tools 4 present at airports from a currently set capacity FPL, the so-called flow value of tactical control systems, and a statistical analysis of Created historical data depending on weather data W.
  • FPL currently set capacity
  • FPL flow value of tactical control systems
  • a statistical analysis of Created historical data depending on weather data W are also made available to the capacity prognosis tool 4 and the pre-tactical control device 1 by an airport state determination tool 5.
  • a flight plan generator 6 is provided to provide a current flight plan FP and updated flight plans FP "based on a database 7 of the pre-tactical controller 1.
  • the airborne generator 6 is also connected to the tactical control system 2 to schedule the flight plans FP due to short-term Adapt control interventions to air traffic.
  • the pre-tactical control device 1 is for determining target times for traffic events, in particular take-offs and landings or passing radio beacons, individual flying objects at the designated traffic junctions (runway, beacon, etc.) in a pragmatic medium-term control time horizon comprising the traffic event in the range between two trained up to three hours and about 30 minutes before the traffic event.
  • the target times tz. are fed to the tactical control system 2 and optionally also to the strategic planning system 3 for further planning and in particular control.
  • the target times t z are determined at least in dependence on the predefined schedules FP, the updates of the flight plans FP " and the capacity prognoses KAP (t) via the traffic capacities that can be processed at the transport hub over the time t such that the destination times t z are the traffic events on the Transport hub in terms of capacity KAP in compliance with the traffic at the hub interoperable traffic capacities KAP (t), the Adherence to the prescribed schedules FP and optimize the stability of planning and control.
  • target times tz of the tactical control system 2 are expected tactical traffic event times fz for
  • Traffic event such as an estimated time of arrival ETA
  • the pre-tactical control device 1 can also be used to simulate different situations by varying boundary conditions, in particular by shifting traffic events, and thereby achieving an optimization of the handling of air traffic.
  • the lessnesstaktische control device 1 operates in principle fully automatically, the data supplied via interfaces in the database 7 are organized and managed. Expected traffic event times ETA and ETD (Estimated Time of Arrival and Estimated Time of Departure) are in most cases determined for each flight, regardless of the overall situation. With the knowledge of the overall situation, in particular the capacity KAP (t) and the requirements of traffic events (demand), the traffic event times ETA, ETD are corrected accordingly. This is especially true in the event that the available capacity KAP (t) is below the predicted traffic event requirements. The adaptation is carried out based on the current frequency of traffic events set by the tactical control system 2.
  • the lessnesstaktischen control device 1 is a target time tz under consideration of optimization functions based on information about
  • the target times tz dynamically adapted to the changed boundary conditions.
  • the lessnesstaktischen control device 1 and the possible target times .DELTA.tz, z. B. TTL / TTG (Time to Lose, Time to Gain) is determined.
  • Also in a quantity control is intervening on individual aircraft controlling, so that the quantity control is the target to be achieved, as a means but all flights must work towards target times tz.
  • Optimization is based on the following optimization criteria: a) Flow rate: taking into account the optimum arrival / departure operating point
  • Plan compliance can be defined for time intervals to be defined both as forecast with the difference between estimate and schedule and / or the
  • relative plan compliance may be taken into account in the optimization, which is determined from the schedule operating flights and the flights scheduled in slots.
  • the relative plan compliance is for. time intervals to be defined both as forecast as difference from estimate and schedule / slot and / or as difference between target time and schedule / slot and as achieved characteristic value as difference from current value and
  • an operational plan compliance can be used in the optimization, the compliance of the pre-tactical
  • Control device 1 scheduled target times t z (positionally) evaluated at defined times. From the pre-tactical
  • Control device 1 are determined block or rail-related target times tz optimized for all flights.
  • the target times t z can deviate from the timetable and are dynamically updated due to changed boundary conditions.
  • the operational plan compliance provides a measure of the quality of the determined target times tz. It is therefore not determined as a forecast, but solely as a parameter for subsequent valuation.
  • the operational plan compliance is calculated from the difference between current value ATA / ATD (actual time of arrival, actual time of departure) and target time t z (at selected times t) and / or as the difference between the current value ATA / ATD and traffic event time (estimate). determined at selected times t.
  • the current value ATA / ATD is the actual arrival or departure time.
  • Boundary conditions are also target time windows ⁇ tz, planned time windows ⁇ t s (slots) to be met, confirmed off-block time COB (estimated earliest block-related departure time), estimated traffic event times, in particular estimated time of arrival ETA or estimated time Time of Departure ETD (estimated earliest possible departure time). Boundary conditions are still external criteria, such as the position availability, the maximum available aircraft traffic area and the maximum available aircraft taxi routes. Additional process times may also be taken into account if they are available in an automated system.
  • the optimization is carried out by determining an optimal operating point for all time intervals, ie by optimal distribution between the landings and departures (arrivals and departures) with regard to maximum traffic flow and maximum compliance with the plan.
  • This takes into account that requests for traffic events (demand), capacity KAP (t) and operating point are time-variable quantities.
  • FIG. 2 shows a diagram for automatic adaptation of the operating point for a planning time. In the diagram the departure capacity is plotted on the arrival capacity. By taking into account the arrival / departure capacity distribution and the demand, a current operating point is determined. It is advantageous to treat the arrivals in an arrival peak and the departures with a high priority in a departure peak.
  • the available optimal landing and take-off capacity is then determined, which are optimized with regard to the compliance with the plan and the demand for traffic events.
  • the traffic events can then be divided by allocating target times tz to these particular capacities.
  • FIG. 3 shows a diagram for representing the target times for an aircraft specified by the pretactic control device as well as the tactical traffic event times ETA, target time window ⁇ tz and slots ⁇ ts.
  • the traffic event time t FP is fixed.
  • a slot ⁇ t s within which the planned traffic event time t F p lies is awarded approximately two to three hours before departure.
  • the scheduled traffic event time t F p may later be due to external events such as delays other airplanes, capacity shift in the handling on the runway and the terminal and delays of passengers, as well as technical problems.
  • Target time windows ⁇ tz are defined here, within which a shift of the departure times and destination times tz can take place. The target time windows ⁇ tz are used to make a selection of which aircraft are to be considered in a planning interval and then to optimize those for these aircraft within the planning interval.
  • the controller then eliminates capacity bottlenecks and optimizes existing capacity to meet traffic event requests.

Abstract

Eine prätaktische Steuerungseinrichtung (1) zur Verkehrssteuerung, die zur Verbindung mit einem taktischen Steuerungssystem (2) zur Zuweisung von Verkehrsereigniszeiten vorgesehen, die von Verkehrsmitteln an festgelegten Verkehrsknotenpunkten einzuhalten sind, legt Zielzeiten (tz) für Verkehrereignisse einzelner Verkehrsmittel an den festgelegten Verkehrsknotenpunkten in einem prätaktischen Steuerungszeithorizont fest, der größer als ein taktischer Steuerungszeithorizont des taktischen Steuerungssystems (2) ist und die mindestens eine zugewiesene Verkehrsereigniszeit umfasst. Die Zielzeiten (tz) sind mindestens in Abhängigkeit von vorgegebenen Verkehrsplänen (FP), von Aktualisierungen der Verkehrspläne (FP') und von Prognosen über die an einem Verkehrsknotenpunkt über die Zeit abwickelbaren Verkehrskapazitäten (KAP(t)) so ermittelt, dass die Zielzeiten (tz) die Verkehrsereignisse an dem Verkehrsknotenpunkt hinsichtlich der Kapazität unter Einhaltung der an einem Verkehrsknotenpunkt abwickelbaren Verkehrskapazitäten (KAP(t)), der Einhaltung der vorgegebenen Verkehrspläne (FP) unter der Stabilität der Planung und Steuerung optimieren. Die Zielzeiten (tz) werden dabei als Steuerungsparameter in das taktische Steuerungssystem (2) geführt.

Description

Prätaktische Steuerungseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine prätaktische Steuerungseinrichtung zur Verkehrssteuerung, die zur Verbindung mit einem taktischen Steuerungssystem zur Zuweisung von Verkehrsereigniszeiten vorgesehen ist, die von Verkehrsmitteln an festgelegten Verkehrsknotenpunkten einzuhalten sind.
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 nahe 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.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine prätaktische Steuerungseinrichtung zur Verkehrssteuerung zu schaffen, mit der eine Reaktion auf eine mittelfristig absehbare sich entwickelnde problematische Verkehrssituation möglich ist und durch gezielte und rechtzeitige Steuerung dem sich hieraus ergebenden Verkehrsproblem entgegengewirkt werden kann.
Die Aufgabe wird durch die gattungsgemäße prätaktische Steuerungseinrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die prätaktische Steuerungseinrichtung zur Festlegung von Zielzeiten für Verkehrsereignisse einzelner Verkehrsmittel an den festgelegten Verkehrsknotenpunkten in einen prätaktischen Steuerungszeithorizont ausgebildet ist, der größer als der taktische Steuerungszeithorizont des taktischen Steuerungssystems ist und die mindestens eine zugewiesene Verkehrsereigniszeit umfasst, wobei die Zielzeiten mindestens in Abhängigkeit von vorgegebenen Verkehrsplänen, von Aktualisierungen der Verkehrspläne und von Prognosen über die an einem Verkehrsknotenpunkt über die Zeit abwickelbaren Verkehrskapazitäten so ermittelt werden, dass die Zielzeiten die Verkehrsereignisse an dem Verkehrsknotenpunkt hinsichtlich der Kapazität unter Einhaltung der an einem Verkehrsknotenpunkt abwickelbaren Verkehrskapazitäten, die Einhaltung der vorgegebenen Verkehrspläne und der Stabilität der Planung und Steuerung optimieren, und wobei die Zielzeiten als Steuerungsparameter in das taktische Steuerungssystem geführt werden.
Durch die Berechnung und Verteilung von zu erreichenden Zielzeiten an die Verkehrsmittel in einem prätaktischen (mittelfristigen) Steuerungshorizont kann eine verbesserte Steuerung der Verkehrsereignisse an festgelegten Verkehrsknotenpunkten, wie zum Beispiel Start- und Landebahnen von Flughäfen, erfolgen, wenn die Zielzeiten als Ergebnis einer Optimierung der Kapazität, der Planeinhaltung und der Planstabilität bestimmt und in ein kurzfristiges taktisches Steuerungssystem geführt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine weitere Schnittstelle zu einem strategischen Planungssystem zur Festlegung von Zeitfenstem für Verkehrsereignisse von Verkehrsmitteln an einem Verkehrsknotenpunkt in einem längerfristigen strategischen Vorausplanungszeithorizont vorgesehen ist. Der prätaktische Steuerungszeithorizont ist dabei kleiner als der längerfristige strategische Verkehrsplanungszeithorizont, der ebenfalls mindestens eine zugewiesene Verkehrsereigniszeit umfasst. Die von der prätaktischen Steuerungseinrichtung festgelegten Zielzeiten werden dann auch in das strategische Planungssystem als Planungseingangsgröße geführt. Derartige strategische Planungssysteme sind, wie einleitend ausgeführt wurde, in Luftverkehrssteuerungssystemen bekannt, um Slots zuzuweisen.
Mit der prätaktischen Steuerungseinrichtung wird dadurch eine Lücke zwischen dem strategischen Steuerungssystem und dem taktischen Steuerungssystem geschlossen. In Luftverkehrssteuerungssystemen beginnt der prätaktische Steuerungszeithorizont etwa zwei bis drei Stunden und endet ca. eine halbe Stunde vor dem Verkehrsereignis. Das strategische Planungssystem hat hingegen einen längerfristigen Verkehrsplanungszeithorizont von zwei bis drei Stunden und mehr vor dem Verkehrsereignis. Der taktische Steuerungszeithorizont des taktischen Steuerungssystems liegt hingegen circa eine halbe Stunde vor dem Verkehrsereignis. Die Steuerung durch die prätaktische Steuerungseinrichtung erfolgt beispielsweise in einem Steuerungszeitfenster zwischen dem Beginn des taktischen Steuerungszeithorizonts und dem Beginn des strategischen Steuerungszeithorizonts, kann sich aber auch mit dem Planungszeitfenster des strategischen Planungssystems und dem taktischen Steuerungssystems überlappen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Schnittstelle zu dem taktischen Steuerungssystem zur Rückführung einer voraussichtlichen Verkehrsereigniszeit für ein Verkehrsereignis vorgesehen ist, um die in Abhängigkeit von den Zielzeiten bestimmte Verkehrsereigniszeit an die prätaktische Steuerungseinrichtung als Basisgröße für die Optimierung der darauf folgenden Zielzeiten weiterer Verkehrsereignisse zurückzuführen. Diese Verkehrsereigniszeit, die ein Zeitbereich sein kann, wird für jedes Verkehrsmittel, zum Beispiel Flugobjekt, vergeben und kann auf Realisierbarkeit geprüft werden, um den Flugplan kurzfristig entsprechend zu verändern. Wenn die prätaktische Steuerungseinrichtung zur Steuerung des Luftverkehrs, insbesondere der Starts und Landungen als Verkehrsereignisse von Flugzeugen als Verkehrsmittel von einer Start- /Landebahn als Verkehrsknotenpunkt eines Flughafens eingesetzt wird, ist es vorteilhaft, wenn die Zielzeiten durch zeitliche Aneinanderreihung der Verkehrsereignisse der Flugzeuge optimiert zur Auslastung der Kapazität unter Berücksichtung von Staffelabständen, von für Starts und Landungen getrennten Kapazitätsprognosen, und von Nachfragen an Verkehrsereignissen bestimmt werden. Die Verkehrsereignisse der Flugzeuge sind somit als Sequenzen vorgehalten, die durch einen geeigneten Optimierungsalgorithmus stets verbessert werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die prätaktische Steuerungseinrichtung zur Festlegung der Zielzeiten in Abhängigkeit von aktuellen oder prognostizierten Wetterbedingungen ist. Damit werden Wetterdaten als Kriterien für die Optimierung mit genutzt.
Hierbei können insbesondere die abwickelbaren Verkehrskapazitäten wetterabhängig bestimmt werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Verkehrsknotenpunkt zur Berechnung der Zielzeiten auf eine Schwelle der Start-/Landebahn bezogen ist. Die Planeinhaltung der vorgegebenen Verkehrspläne sollte hingegen bezogen auf ein Abfertigungsstandplatz für das jeweilige Flugzeug zur Optimierung der Zielzeiten bewertet werden. Die Umrechnung der Planeinhaltung auf die Schwelle erfolgt dann mittels Taxizeiten und/oder Enteisungszeiten für die Flugzeuge, die standardmäßig vorgegeben sein können oder aktuell gemessene Vergleichszeiten sind. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft anhand der Luftverkehrssteuerung erläutert. Es zeigen:
Figur 1 - Blockdiagramm einer prätaktischen Steuerungseinrichtung in Verbindung mit einem taktischen Steuerungssystem und einem strategischen Planungssystem;
Figur 2 - Diagramm der abfliegenden Kapazität über die ankommende Kapazität zur Anpassung eines Arbeitspunktes für die Optimierung;
Figur 3 - Darstellung der Slots, Zielzeiten und taktischen Verkehrsereigniszeiten.
Die Figur 1 lässt ein Blockdiagramm der prätaktischen Steuerungseinrichtung 1 erkennen, die mit einem taktischen Steuerungssystem 2 zur Steuerung in einem taktischen (kurzfristigen) Steuerungshorizont von circa 30 Minuten vor dem Verkehrsereignis und einem strategischen Planungssystem 3 verbunden ist. Das strategische Planungssystem 3 hat einen strategischen (langfristigen) Planungszeithorizont von mehr als zwei bis drei Stunden vor dem Verkehrsereignis, insbesondere dem Start oder der Landung eines Flugzeuges.
Die prätaktische Steuerungseinrichtung erhält Kapazitätsprognosen KAP(t) für die Start- und Landebahnen sowie die Start- und Landeanfragen (DEMAND) von Verkehrsmitteln über die Zeit t. Die Kapazitätsprognosen KAP(t) werden mit bekannten und an Flughäfen vorhandenen Kapaziätsprognosetools 4 aus einer aktuell eingestellten Kapazität FPL, dem sogenannten Flow-Wert taktischer Steuerungssysteme, sowie einer statistischen Betrachtung von Vergangenheitsdaten in Abhängigkeit von Wetterdaten W erstellt. Insbesondere der Flow-Wert FPL, der aktuelle Zustand am Flughaften ZF sowie die Wetterdaten W werden zudem von einem Flughafen- Zustandsermittlungstool 5 dem Kapazitätsprognosetool 4 und der prätaktischen Steuerungseinrichtung 1 zur Verfügung gestellt.
Weiterhin ist ein Flugplanerzeuger 6 vorhanden, um einen aktuellen Flugplan FP sowie aktualisierte Flugpläne FP" auf der Basis einer Datenbank 7 der prätaktischen Steuerungseinrichtung 1 zur Verfügung zu stellen. Der Flugbahnerzeuger 6 ist mit dem taktischen Steuerungssystem 2 ebenfalls verbunden, um die Flugpläne FP aufgrund kurzfristiger Steuerungseingriffe in den Luftverkehr anzupassen.
Die prätaktische Steuerungseinrichtung 1 ist zur Festlegung von Zielzeiten für Verkehrsereignisse, insbesondere Starts und Landungen oder Passieren von Funkfeuern, einzelner Flugobjekte an den festgelegten Verkehrsknotenpunkten (Start-/Landebahn, Funkfeuer etc.) in einem das Verkehrsereignis umfassenden, prätaktischen mittelfristigen Steuerungszeithorizont im Bereich zwischen zwei bis drei Stunden und ca. 30 Minuten vor dem Verkehrsereignis ausgebildet. Die Zielzeiten tz. werden dem taktischen Steuerungssystem 2 und optional auch dem strategischen Planungssystem 3 zur weiteren Planung und insbesondere Steuerung zugeführt.
Die Zielzeiten tz werden dabei mindestens in Abhängigkeit der vorgegebenen Flugpläne FP, der Aktualisierungen der Flugpläne FP" und der Kapazitätsprognosen KAP(t) über die an dem Verkehrsknotenpunkt über die Zeit t abwickelbaren Verkehrskapazitäten so ermittelt, dass die Zielzeiten tz die Verkehrsereignisse an dem Verkehrsknotenpunkt hinsichtlich der Kapazität KAP unter Einhaltung der an dem Verkehrsknotenpunkt abwickelbaren Verkehrskapazitäten KAP(t), der Einhaltung der vorgegebenen Flugpläne FP und der Stabilität der Planung und Steuerung optimieren.
Auf der Basis vorher von der prätaktischen Steuerungseinrichtung 1 ermittelten Zielzeiten tz werden von dem taktischen Steuerungssystem 2 voraussichtliche taktische Verkehrsereigniszeiten fz für ein
Verkehrsereignis, wie zum Beispiel eine voraussichtliche Ankunftszeit ETA
(Estimated Time of Arrival) oder voraussichtliche Abflugzeit ETD
(Estimated Time of Departure) zugeführt, die dort als Basisgröße für die Optimierung der darauf folgenden Zielzeiten tz weiterer
Verkehrsereignisse genutzt wird.
Die prätaktische Steuerungseinrichtung 1 kann auch genutzt werden, um durch Variation von Randbedingungen, insbesondere durch Verschiebung von Verkehrsereignissen, verschiedene Situationen zu simulieren und hierdurch eine Optimierung der Abwicklung des Luftverkehrs zu erreichen.
Mit der prätaktischen Steuerungseinrichtung 1 wird erreicht, dass die Abflugzeiten an einem vorhergehenden Flughafen für ein Flugobjekt möglichst so ausgerichtet werden, dass eine verzögerungsfreie
Abwicklung der Ankünfte bei ungestörten Flügen ermöglicht wird. Daher werden die Abflugzeiten am vorhergehenden Flughafen dynamisch aktualisiert und der jeweils neuen Situation angepasst. Die Steuerung des Luftverkehrs sollte somit mit Hilfe der prätaktischen Steuerungseinrichtung 1 auf einen Abflughafen eingreifen, um die Abwicklung an dem Ankunftsflughafen eines Flugobjekts zu optimieren.
Die prätaktische Steuerungseinrichtung 1 arbeitet grundsätzlich voll automatisch, wobei die über Schnittstellen gelieferten Daten in der Datenbank 7 organisiert und verwaltet werden. Voraussichtliche Verkehrsereigniszeiten ETA und ETD (Estimated Time of Arrival und Estimated Time of Departure) werden in den meisten Fällen für jeden Flug unabhängig von der Gesamtsituation ermittelt. Mit der Kenntnis der Gesamtsituation, insbesondere der Kapazität KAP(t) und den Anforderungen an Verkehrsereignissen (Demand), werden die Verkehrsereigniszeiten ETA, ETD entsprechend korrigiert. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass die verfügbare Kapazität KAP(t) unter dem prognostizierten Anforderungen an Verkehrsereignissen liegt. Die Anpassung erfolgt dabei basierend auf der aktuellen von der taktischen Steuerungssystem 2 festgelegten Frequenz von Verkehrsereignissen.
Für jeden Flug wird von der prätaktischen Steuerungseinrichtung 1 eine Zielzeit tz unter Beachtung von Optimierungsfunktionen basierend auf Informationen über
prognostizierte Kapazität geplante Bahnzeit (Schedule-veröffentlichter Flugplan mit operationeil notwendigen Anpassungen, Slot) - geschätzte Bahnzeit (Estimate)
bestimmt und die Zielzeiten tz dynamisch den veränderten Randbedingungen angepasst. Mit der jeweiligen Zielzeit tz einhergehend werden von der prätaktischen Steuerungseinrichtung 1 auch die möglichen Zielzeiten Δtz, z. B. TTL/TTG (Time to Lose, Time to Gain) bestimmt. Auch bei einer Mengensteuerung wird auf einzelne Flugzeuge steuernd eingegriffen, so dass die Mengensteuerung das zu erreichende Ziel ist, als Mittel aber alle Flüge auf Zielzeiten tz hinarbeiten müssen.
Die Optimierung erfolgt anhand der folgenden Optimierungskriterien: a) Durchsatz (Flow): unter Berücksichtigung des optimalen Ankunfs-/Abflug- Arbeitspunktes
b) Planeinhaltung: absolute Pünktlichkeit (bezogen auf veröffentlichten Flugplan) Operative oder relative Pünktlichkeit (bezogen auf den Flugplan unter Berücksichtigung von Randbedingungen) Sloteinhaltung
c) Planungsstabilität:
Minimale Änderung der Steuerungseingriffe zwischen mehreren
Planungsergebnissen
Minimale Änderung der Zielzeiten tχ.
Bei der Optimierung nach dem Durchsatz wird die maximale Anzahl von abgefertigtem Verkehr unter den gegebenen Randbedingungen angestrebt.
Bei der Optimierung nach der Planeinhaltung sind Vorgaben hinsichtlich der Gewichtung der Ankunfts-/Abflugs(Arrival/Departure)-Planeinhaltung zu beachten.
Bei der absoluten Planeinhaltung wird die Einhaltung der im Flugplan veröffentlichten Schedule-Zeit (positionsbezogen) mit einem Zeitfenster beispielsweise von plus/minus 15 Minuten angestrebt. Die optimale
Planeinhaltung wird demnach erzielt, wenn alle Departures und Arrivals innerhalb des Zeitfensters Off- bzw. On-Block gehen. Die absolute
Planeinhaltung kann für zu definierende Zeitintervalle sowohl als Prognose mit der Differenz aus Estimate und Schedule und/oder der
Differenz aus Zielzeit und Schedule sowie als erreichter Kennwert aus. der Differenz aus aktuellem Wert und Schedule bestimmt und berücksichtigt werden.
Weiterhin kann die relative Planeinhaltung bei der Optimierung berücksichtigt werde, die aus der nach Schedule operierenden Flügen und den in Slots eingeteilten Flügen bestimmt wird. Bei der Aktualisierung von
Slots gilt als Grundlage für die Bestimmung der relativen Planeinhaltung immer der aktualisierte Wert. Die relative Planeinhaltung ist für. zu definierende Zeitintervalle sowohl als Prognose als Differenz aus Estimate und Schedule/Slot und/oder als Differenz aus Zielzeit und Schedule/Slot sowie als erreichter Kennwert als Differenz aus aktuellem Wert und
Schedule/Slot zu bestimmen und zu berücksichtigen.
Weiterhin kann eine operative Planeinhaltung bei der Optimierung genutzt werden, die die Einhaltung der von der prätaktischen
Steuerungseinrichtung 1 geplanten Zielzeiten tz (positionsbezogen) zu definierten Zeitpunkten bewertet. Von der prätaktischen
Steuerungseinrichtung 1 werden block- oder bahnbezogene Zielzeiten tz für alle Flüge optimiert bestimmt. Die Zielzeiten tz können von dem Fahrplan abweichen und werden aufgrund veränderter Randbedingungen dynamisch aktualisiert.
Mit der operativen Planeinhaltung wird ein Maß für die Qualität der ermittelten Zielzeiten tz geliefert. Sie wird daher nicht als Prognose, sondern ausschließlich als Kennwert zur nachträglichen Bewertung ermittelt. Die operative Planeinhaltung wird aus der Differenz aus aktuellem Wert ATA/ATD (Actual Time of Arrival, Actual Time of Departure) und Zielzeit tz (zu ausgewählten Zeitpunkten t) und/oder als Differenz aus aktuellem Wert ATA/ATD und Verkehrsereigniszeit (Estimate) zu ausgewählten Zeitpunkten t ermittelt. Der aktuelle Wert ATA/ATD ist die tatsächlich erreichte Ankunfts- bzw. Abflugszeit. Bei der Optimierung nach der Planungsstabilität wird angestrebt, dass auf ein einzelnes Verkehrsmittel bezogen möglichst wenige Steuerungseingriffe erfolgen.
Bei der Optimierung werden zudem alle zum jeweiligen Planungszeitpunkt vorliegenden oder prognostizierten Randbedingungen berücksichtigt. Dies sind beispielsweise die verfügbare Kapazität, Bahnkonfiguration (Arrival/Departure/Gesamtkapazität), Betriebsverfahren (Wetterabhängigkeit), Bahnsperrungen (auch temporär: Inspektion, Friktiontest, ...), zeitliche Abstände aufeinanderfolgender Operationen (Seperation für Starts und Landungen), Sektorkapazität für Arrivals (AC/Metering Fix), Lärmkontingente. Randbedingungen sind weiterhin Zielzeitenfenster Δtz, einzuhaltende geplante Zeitfenster Δts (Slots), bestätigte Off-Block-Zeit COB (abgeschätzte frühestmögliche blockbezogene Departure-Zeit), voraussichtliche Verkehrsereigniszeiten, insbesondere Estimated Time of Arrival ETA (abgeschätzte frühestmögliche Ankunfts-Zeit) bzw. Estimated Time of Departure ETD (abgeschätzte frühestmögliche Abflugzeit). Randbedingungen sind weiterhin äußere Kriterien, wie die Positionsverfügbarkeit, die maximal verfügbare Flugzeug-Verkehrsfläche und die maximal verfügbaren Flugzeug-Taxiwege. Weitere Prozesszeiten können gegebenenfalls ebenfalls berücksichtigt werden, sofern diese in einem automatisierten System verfügbar sind.
Die Optimierung erfolgt durch Ermittlung eines optimalen Arbeitspunktes für alle Zeitintervalle, d. h. durch optimale Verteilung zwischen den Landungen und Abflügen (Arrivals und Departures) im Hinblick auf maximalen Verkehrsfluss und maximale Planeinhaltung. Dabei wird berücksichtigt, dass Anfragen an Verkehrsereignisse (Demand), Kapazität KAP(t) und Arbeitspunkt zeitveränderliche Größen sind. Die Figur 2 lässt ein Diagramm zur automatischen Anpassung des Arbeitspunktes für einen Planungszeitpunkt erkennen. In dem Diagramm ist die Abflugkapazität (Departure Capacity) über die Ankunftskapaziät (Arrival Capacity) aufgetragen. Durch Berücksichtigung der Arrival/Departure-Kapazitätsverteilung und des Demands wird ein aktueller Arbeitspunkt ermittelt. Dabei ist es vorteilhaft, in einem Arrival- Peak die Arrivals und in einem Departure-Peak die Departures mit der höchsten Prioriät zu behandeln. In dem Übergang von einem Arrival-Peak in den Departure-Peak ist es sinnvoll, die Priorisierung der Arrivals nicht plötzlich auf die Priorisierung der Departures umzuschalten, sondern diesen Übergang der Anforderung bzw. der Planeinhaltung anzupassen und die Priorisierung der Departures langsam aufzubauen. Aus dem Arbeitspunkt ist dann die verfügbare optimale Lande- und Startkapaziät festgelegt, die hinsichtlich der Planeinhaltung und der Nachfrage (Demand) an Verkehrsereignissen optimiert sind. Die Verkehrsereignisse können dann durch Zuweisung von Zielzeiten tz auf diese bestimmten Kapazitäten aufgeteilt werden.
Die Figur 3 lässt ein Diagramm zur Darstellung der von der prätaktischen Steuerungseinrichtung festgelegten Zielzeiten für ein Flugzeug sowie der taktischen Verkehrsereigniszeiten ETA, Zielzeitfenster Δtz und Slots Δts erkennen.
Für jedes Flugzeug DLH123, AOL26, DLH345 mit zugehörigem Verkehrsereignis, zum Beispiel den Start des Flugzeuges DLH123, ist die Verkehrsereigniszeit tFP festgelegt. In einem strategischen Planungssystem 3 wird bis circa zwei bis drei Stunden vor Abflug ein Slot Δts vergeben, innerhalb dem die geplante Verkehrsereigniszeit tFp liegt. Die geplante Verkehrsereigniszeit tFp (Schedule, Flugplanzeit) kann sich später durch äußerer Ereignisse, wie beispielsweise Verspätungen anderer Flieger, Kapazitätsverschiebung bei der Abfertigung auf der Start- /Landebahn und den Terminal sowie Verspätungen von Fluggästen, sowie technische Probleme verschieben.
Mittelfristig in einem Steuerungszeithorizont von zwei Stunden bis circa 30 Minuten vor Abflug wird den Flugzeugen eine Zielzeit tz für den Abflug zugeordnet, die .die in dem mittelfristigen Steuerungszeithorizont bekannten Randbedingungen des Flughafens berücksichtigt und hinsichtlich der verfügbaren Verkehrskapazitäten auf der Start- /Landebahn, der Planeinhaltung der Flugpläne FP sowie der Planstabilität optimiert sind. Hierbei werden Zielzeitfenster Δtz festgelegt, innerhalb der eine Verschiebung der Abflugzeiten und Zielzeiten tz erfolgen kann. Die Zielzeitfenster Δtz dienen dazu, um eine Auswahl treffen zu können, welche Flugzeuge in einem Planungsintervall zu berücksichtigen sind und um die für diese Flugzeuge innerhalb des Planungsintervalls dann zu optimieren.
Mit der Steuerung werden dann Kapazitätsengpässe beseitigt und die vorhandene Kapazität optimal an die Anfragen an Verkehrsereignisse angepasst.

Claims

Patentansprüche
1. Prätaktische Steuerungseinrichtung (1 ) zur Verkehrssteuerung, die zur Verbindung mit einem taktischen Steuerungssystem (2) zur Zuweisung von Verkehrsereigniszeiten vorgesehen ist, die von Verkehrsmitteln an festgelegten Verkehrsknotenpunkten einzuhalten sind, dadurch gekennzeichnet, dass die prätaktische Steuerungseinrichtung zur Festlegung von Zielzeiten (tz) für Verkehrsereignisse einzelner Verkehrsmittel an den festgelegten Verkehrsknotenpunkten in einem prätaktischeh
Steuerungszeithorizont ausgebildet ist, der größer als ein taktischer Steuerungszeithorizont des taktischen Steuerungssystems (2) ist und die mindestens eine zugewiesene Verkehrsereigniszeit umfasst, wobei die Zielzeiten (tr) mindestens in Abhängigkeit von vorgegebenen
Verkehrsplänen (FP), von Aktualisierungen der Verkehrspläne (FP') und von Prognosen über die an einem Verkehrsknotenpunkt über die Zeit abwickelbaren Verkehrskapazitäten (KAP(t)) so ermittelt werden, dass die Zielzeiten (tz) die Verkehrsereignisse an dem
Verkehrsknotenpunkt hinsichtlich der Kapazität unter Einhaltung der an einem Verkehrsknotenpunkt abwickelbaren Verkehrskapazitäten (KAP(t)), der Einhaltung der vorgegebenen Verkehrspläne (FP) und der Stabilität der Planung und Steuerung optimieren, und wobei die Zielzeiten (tz) als
Steuerungsparameter in das taktische Steuerungssystem (2) geführt werden.
2. Prätaktische Steuerungseinrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine Schnittstelle zu einem strategischen
Planungssystem (3) zur Festlegung von Zeitfenstern (Δts) für Verkehrsereignisse von Verkehrsmitteln an einem Verkehrsknotenpunkt in einem strategischen Vorausplanungszeithorizont, der größer als der prätaktische Steuerungszeithorizont ist und die mindestens eine zugewiesene Verkehrsereigniszeit umfasst und die von der prätaktischen Steuerungseinrichtung (1) festgelegten Zielzeiten (tz) in das strategische Planungssystem (3) als Planungseingangsgröße geführt werden.
3. Prätaktische Steuerungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Schnittstelle zu dem taktischen Steuerungssystem (2) zur Rückführung einer voraussichtlichen taktischen Verkehrsereigniszeit (ETA/ETD - Estimated Time of Arrival/Departure) für ein Verkehrsereignis, die in Abhängigkeit von den Zielzeiten (tz) bestimmt wurde, an die prätaktische
Steuerungseinrichtung (1) als Basisgröße für die Optimierung der darauf folgenden Zielzeiten (tz) weiterer Verkehrsereignisse.
4. Prätaktische Steuerungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Steuerung des Luftverkehrs, insbesondere der Starts und Landungen als Verkehrsereignisse von Flugzeugen als Verkehrsmittel auf einer Start- / Landebahn als Verkehrsknotenpunkt eines Flughafens, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielzeiten (tz) durch zeitliche Aneinanderreihung der Verkehrsereignisse der Flugzeuge optimiert zur Auslastung der Kapazität unter Berücksichtigung von Staffelabständen, von Kapazitätsprognosen (KAP(t)) und von Nachfragen an Verkehrsereignissen (DEMAND) bestimmt werden.
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