Optimization Models for Air Traffic Flow Management

Modèles d'optimisation pour le management de flux de trafic aérien Les retards et les émissions CO2 sont des sujets critiques dans l’industrie aéronautique. Les principales sources de retard sont le déséquilibre entre la demande et la capacité, la dotation en personnel des contrôleurs du traffic aérien et les conditions météorologiques extrêmes. Dans certains cas, les compagnies aériennes peuvent choisir d’augmenter la vitesse de l’avion au delà de celle programmée, ce qui engendre une augmentation des émissions. Plusieurs projets ont été lancés pour améliorer le partage d’informations et, par conséquent, la prise de décision au profit de tous les acteurs ou toutes les parties prenantes de l’aviation et réduire les retards et les émissions.Dans cette thèse de doctorat, nous visons à étudier le problème de la gestion des flux du trafic aérien (Air Traffic Flow Management (ATFM)) du point de vue de la recherche opérationnelle / management des opérations. Nous étudions le modèle ATFM largement utilisé dans la littérature et l’analysons. Nous corrigeons les lacunes de formulation de la littérature et étendons la conception du réseau et les fonctionnalités considérées pour atteindre une meilleure représentation du réseau réel. Dans cette extension, nous considérons plusieurs types de vols et plusieurs décisions, comme le changement de trajectoire et d’aéroport d’atterrissage. L’objectif de de ce travail peut être résumé dans les points suivants.(1) Étudier l’impact de la centralisation du processus de prise de décision dans le problème ATFM par rapport à la situation actuelle où les décisions de l’autorité ATFM et des compagnies aériennes sont prises indépendamment.1(2) Analyser l’équité inter-vols et inter-compagnies dans le problème ATFM.(3) Construire un modèle de capacité météorologique de décision pour les aéroports et développer des arbres de scénarios pour les réseaux ATFM stochastiques basés sur des données réelles.(4) Intégrer la configuration dynamique de l’espace aérien dans le problème ATFM et analyser son impact.(5) Tenir compte des émissions CO2 et des différents types de carburant dans l’ATFM.Nous développons dous cette thèse plusieurs extensions du modèle ATFM pour analyser ces problématiques. Tout d’abord, nous proposons un modèle ATFM déterministe qui centralise les décisions de l’autorité ATFM et des compagnies aériennes, et qui considère différentes options de réacheminement. Ensuite, nous formulons un modèle ATFM stochastique qui tient compte des incertitudes météorologiques du traffic aérien. La relation météo-capacité et les arbres de scénarios stochastiques sont élaborés à l’aide des rapports d’aérodrome météorologiques, de la base de données AirportCorner et de la technique de regroupement des k-means. Ensuite, nous nous concentrons sur l’optimisation de la configuration de l’espace aérien en même temps que le problème ATFM en minimisant la capacité totale de l’espace aérien inutilisé et le coût total du réseau. Enfin, nous intégrons les émissions CO2 dans la modélisation ATFM à travers un modèle d’optimisation bi-objectif. Le modèle permet d’étudier l’impact des émissions de CO2 sur le coût du réseau et l’effet du type de combustible sur les décisions du réseau. Les modèles développés sont résolus en utilisant l’approche exacte, et dans le cas de temps de calcul longs, une heuristique du type fix-and-relax.Les modèles proposés peuvent aider les décideurs à analyser l’impact des décisions à prendre sur le réseau et les acteurs impliqués. Par conséquent, les conséquences et les coûts associés pourront être calculés. En outre, ces modèles aident les décideurs à affiner et à vérifier les résultats de plusieurs projets et initiatives ATFM. Ils suggèrent également aux décideurs comment les plans de vol peuvent être mis à jour en cas de perturbation du réseau et les coûts associés aux changements.