EUROPEAN ORGANISATION FOR THE SAFETY OF AIR

EUROPEAN ORGANISATION
FOR THE SAFETY OF AIR NAVIGATION
EUROCONTROL EXPERIMENTAL CENTRE
An Overview of
ARC 2000 Version 3
from the
Operational Point of View.
Executive Summary of EEC Report No. 286
EEC Task No. AS06
EATCHIP Task No. FCO.ET4.ST06
Approved for publication by
Head of Division B2
Issued : December 1995
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REPORT DOCUMENTATION PAGE
Reference :
Executive Summary of
EEC Report No. 286
Security Classification :
Unclassified
Originator Code :
Originator (Corporate Author) Name/Location :
EEC Division B2
EUROCONTROL Experimental Centre
B. P. 15
F 91222 BRETIGNY SUR ORGE Cedex
Telephone + 33 1 69.88.75.00.
Fax + 33 1 69.88.73.33.
Sponsor Code :
Sponsor (Contract Authority) Name/Location :
DED1
EUROCONTROL Agency
Rue de la Fusée, 96
B 1130 BRUXELLES
Telephone + 32 2 729 90 11
Title :
An Overview of ARC 2000 Version 3 from the Operational Point of View.
Authors :
Date
Pages
Figures
Tables
References
Task No. Sponsor
Period
November/
December
1994
J-P Nicolaon, G. Dean,
12/95
W. Miller
EATCHIP Task
Specification
FCO.ET4.ST06
Distribution Statement :
(a) Controlled by
(b) Special limitations
(c) Sent to NTIS
ii + 13
EEC Task No.
AS06
:
:
:
Head of Division B2
None
Yes
Descriptors Keywords :
ATM, Conflict Resolution, ATC Automation
Abstract :
This Report is issued under that part of the Agency’s Studies, Tests, and Applied Research (STAR)
programme concerned with basic research into future Air Traffic Management methods. It describes the
principles, functions and current implementation state of the EUROCONTROL Experimental Centre’s
ARC 2000 automatic conflict detection and resolution demonstration system as seen from the
operational point of view. The demonstator investigates problems associated with the limiting case of
full automation of the conflict detection and resolution function over a large area dealing with a high
level of traffic. The system, which is not yet complete, was subjected to formal testing at the end of
1994 and the results are given.
ii
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Publications Office,
EUROCONTROL EXPERIMENTAL CENTRE
B.P. 15
91222 BRETIGNY-SUR-ORGE CEDEX
France
Executive Summary of EEC Report No. 286
EATCHIP Task : FCO.ET4.ST06 / EEC Task AS06
Issued December 1995
An Overview of ARC 2000 Version 3
from the Operational Point of View.
by
J-P Nicolaon, G. Dean, W. Miller
1. BACKGROUND
The objective of the ARC 2000 demonstrator is to ensure, continuously in real time, that all flights are
conflict free for at least the next 20 minutes. The automatic resolution of conflicts is applied both to
en-route and terminal region flights including climbs and descents. At present it does not deal with final
approach phases of flight.
Conflict resolution in ARC 2000 is novel in that it takes the macro-economic aspects of its manoeuvres
into account and operates in the 'free route' context, the latter, if necessary, being connected to fixed
route segments.
This approach to the problem is based on the long term hypothesis of the general availability of 4D Flight
Management Systems on board, of high performance air-ground data link facilities, and appropriate
computational capacity.
Currently the display system of ARC 2000 permits the observation of its conflict solutions for a traffic
sample of 500 flights over two hours with a peak of 300.
Although the demonstrator is not yet complete its structure permits the eventual incorporation of
perturbing factors which would exist in real conditions such as imperfect knowledge of the real
meteorological conditions and aircraft performance. It currently uses the same aircraft performance and
meteorological data for the air and ground systems. This was necessary to enable the development
team to focus on the functioning of the conflict detection and resolution algorithms in the initial stage.
EEC Report No. 286 is concerned with the state of the system at the end of 1994 in its configuration
known as Version 3.
2. THE RESOLUTION FUNCTIONS
Provision is made for two complementary modes of conflict resolution termed ‘strategic’ and ‘tactical’.
2.1 Strategic Mode
Strategic resolution establishes a 40 minute conflict free set of trajectories for a group of aircraft termed
the ‘cluster’.
All conflict situations are initially subjected to the strategic resolution process. It is recognised, however,
that either traffic density or operational constraints applied to the strategic mechanism may result in its
inability to find a solution. In this case the tactical resolution mechanism is invoked to solve the problems
by conflict pairs for a shorter time horizon ( 20 minutes ) and with a greater degree of freedom to
manoeuvre than that permitted for the strategic system.
1
The basic conflict detection and resolution mechanism depends upon the permanent updating of
potential conflicts by a 'proximity manager' which establishes a time stamped list of all infringements of
separation standards known to the system at any one time. At 25 minutes prior to the start of the first
infringement the strategic resolution mechanism is called to solve the problem for the flights involved in
the cluster.
The task of strategic resolution is to find a set of up to four different conflict free solutions, valid for the
next 40 minutes, and ranked in order of increasing operational cost. Prior to communicating any solution
to a given aircraft it is checked by the ground system for conformity with the aircraft performance
characteristics. The aircraft are first offered the most economic solution in the form of a set of
'constraints'. Upon receipt each aircraft determines a trajectory of its choice conforming to the
constraints and transmits the result to the ground system. The ground system checks that the set of
proposed trajectories is conflict free.
If so, an air-ground acknowledgement procedure establishes a ‘contract’ between them based on the
new trajectories, the old trajectories being abandoned. The overall solution is only validated if all flights
to be manoeuvred accept the solution in question. If not the solution is abandoned and the next, but less
economic, solution is proposed.
This air/ground dialogue resulting in the 'contract' is known as the ‘negotiation’ mechanism. Its interest
lies in the fact that the aircraft, having determined itself its trajectory with respect to its constraints, is
likely to be able to carry it out.
When a solution has been agreed the aircraft implements its new trajectory and the ground system
updates its 'proximities'. The resulting trajectories are monitored in real time to ensure that they conform
to the contract. If the aircraft deviates beyond certain limits priority action is taken by the ground system
to restore a conflict free situation.
2.2 Tactical Mode
As stated earlier it can happen that the strategic resolution mechanism is unable to find a solution. In this
case the tactical resolution mechanism is invoked. Unlike the strategic mechanism it does not attempt
to solve the problem for all the aircraft involved in the cluster but resolves them into conflict pairs which
it processes one by one. For each tactical conflict the solution is sought for only for 20 minutes and with
a greater degree of freedom of manoeuvre than the strategic mechanism ( for example it can apply
greater heading changes ). The tactical mechanism does not 'negotiate' its solutions with the aircraft but
issues its solutions as 'instructions'. In addition to this rôle as a backup to the strategic mechanism it also
deals with deviations from the agreed trajectory.
3. THE SYSTEM CONFIGURATION AS TESTED
3.1. System Area and Traffic Load
The system area is large, extending from the south coast of the United Kingdom to the north coast of
Spain and Portugal and from the west coast of France to entry to the Atlantic Oceanic area.
It consists of two zones :
• A central zone, fully automated, which benefits from the ARC 2000 resolution mechanisms.
• A surrounding peripheral zone which represents adjacent centres which may or may not be
automated. It also serves to provide traffic on entry and accept traffic on exit subject to a scenario of
constraints.
The basic traffic sample consists of over 500 aircraft of twenty different types entering the system over
two hours. Peak traffic is over 300 simultaneous flights. The average flight time is over one hour. For
certain experiments the system was subjected to variable traffic loads of between 100 and 500 aircraft.
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3.2. Implementation State
The complexity of the problem could not be tackled in its entirety from the start because it was
necessary to proceed by steps in order to validate the principles of each mechanism.
To achieve this it was necessary to adopt a number of hypotheses which will be progressively eliminated
in later versions.
In its tested version the hypotheses were as follows :
• The aircraft performance data was common to the ground and air systems.
• The detailed operational evaluation was carried out with zero wind.
• For experimental testing the same winds were applied to both the ground and air systems.
• Conflict resolution was achieved by lateral or vertical manoeuvre only. For a given resolution no one
aircraft was subjected to a combination of the two manoeuvres.
• Neither oceanic entry standards nor holding patterns were implemented.
• Only an initial and incomplete version of the extended TMA sequencing mechanism existed.
4. THE EVALUATION PROCEDURES
Testing of Version 3 took place during November and December 1994. Version 3 resulted from a
preliminary set of tests run on Version 2 in July and August of that year. Version 2 contained a certain
number of weaknesses and anomalies which were corrected during the next two months.
Two types of tests were carried out :
An operational evaluation which aimed at testing the system under full traffic load in order to verify
that :
• Solutions conformed to the defined operational rules.
• The system met the exigencies of real time operation.
• The combination of the different modes of resolution modes result in a real conflict free situation.
Two full real time runs of the system were carried out and the results recorded for post exercise analysis.
In addition a further identical run was made with the system linked to the EECs Multi Aircraft Cockpit
Simulator ( MCS ) in its Airbus A 310 configuration with a professional airline captain at the controls.
This test obtained both his opinions on the compatibility of the ARC 2000 mechanisms with airline
equipment and practices as well as on the reaction of the system to deviations from the expected
trajectory.
An experimental evaluation which tested the system at different traffic loads and varied a number of the
standard system parameters used in the operational evaluation.
The aim of this evaluation was :
• To observe whether or not a general relationship could be established between traffic density and the
incidence of conflict situations.
• To observe the behaviour of the system under different traffic loads and separation standards from
those used during the operational evaluation.
3
5. THE RESULTS
5.1. The Operational Evaluation
The initial conditions ( traffic sample ) being identical, the system did not solve the conflicts in exactly the
same way during each exercise.
This partly indeterministic aspect is explained by the fact that certain conflicts could be resolved in a
given order in one exercise and in a different order in another. The phenomenon arose when short
transmission delays were generated by the EEC's computer network provoked changes in the order in
which conflicts were presented for resolution. This modified the subsequent air situation creating a
different resolution problem from one exercise to another.
Overall the success rates obtained by only using lateral and vertical manoeuvres were 90% and 91%
respectively for the two exercises. However a certain number of the solutions did not conform to the
defined rules. For the 244 clusters which the system dealt with in each exercise only 83% and 85%
respectively could be classified as perfect.
The system was demonstrated to be ‘autostable’ in respect of strategic solutions. The notion of
autostability refers to its ability to ensure a conflict free air situation for the next 20 minutes in case of
partial or complete system failure. A small number of tactical solutions did not meet the autostability
criterion due to an underestimation of the time parameter used for calling the tactical system by a few
seconds.
The conflict solutions were shown to be highly economic involving increases of 1% or less on average per
flight in terms of fuel, distance and time.
Several reasons for the inability to find solutions were determined. They were shown to fall into two
categories :
Operational causes
• Some of the manoeuvre constraints were too restrictive and should be relaxed ( e.g. level change in
cruise limited to one same direction level ).
• No holding procedure was integrated for resolution purposes.
Technical causes
•
•
•
•
Incorrect computation of vertical profiles.
Incorrect choice of separation standards.
Repetitive resolution of single conflict situations.
Incorrect computation of forbidden areas.
Corrective measures have since been implemented.
The participation of the pilot provided valuable guidance concerning the compatibility of such systems
with airborne equipment and practices.
The following observations were made :
• 4D flight should not be a major problem providing that the data link and ( to be developed ) graphic
equipment assisting the negotiation and trajectory definition processes were permanently available.
• Failure of one of these elements would result in unacceptable workload for the crew who would be
forced to input trajectory modifications by keyboard. FMS failure would involve abandoning 4D flight
4
for 3D.
• Rejoining trajectories following deviation proved to be either difficult or impossible. It was suggested
that in case of deviation environmental flights should be displayed on the navigation screen and that
avoiding action and the task of rejoining the trajectory be left to the initiative of the pilot.
• The volume of liberty of manoeuvre offered to the crew should be re-dimensioned to permit small
lateral manoeuvres to take place without triggering the resolution mechanism.
• It should be possible for the crew to request the application of a special manoeuvre algorithm in case
of turbulence.
• Although the operational rule which gave preference to lateral manoeuvres over vertical was
considered to be good it was suggested that there should be a limit to the total increase in route length
which resulted. If this limit was exceeded, priority should be given to speed control and vertical
manoeuvres.
5.2 The Experimental Evaluation
It did not prove possible to determine a satisfactory mathematical mapping between traffic density and
the resulting conflict situation.
The reason could be partly due to the specific nature of the cluster in the ARC 2000 context. The set of
flights involved varies considerably in number. For example the strategic resolution mechanism
succeeded in finding a solution for a cluster involving some 24 aircraft but was unable to find one
involving only two.
The only conclusion which can be drawn at the moment is that it is not possible to devise a simplistic
measure of traffic density as the basis of an estimate of the resulting conflict situation.
In order to study the performance and the reliability of the demonstrator under different workloads and
different levels of complexity of resolution the standard operational configuration was subjected to
variants of lateral separation in two different ways. :
First they were reduced successively to 75%, 50%, and 25% of their standard values in order to compare
the resulting effects on the success rate ( non resolved conflicts ) and on the proportions of strategic and
tactical resolutions.
• As expected the number of conflicts diminished as the separation standards were reduced. It was
noted, however, that reduction, even to 25% of standard, did not permit the system either to solve all
conflicts or to solve them without resort to tactical processes. The absence of longitudinal resolution
as well as insufficient freedom to apply vertical manoeuvres and the lack of a holding procedure were
the principal causes of these failures.
• An attempt to increase the standard values by 25% provoked so many unresolvable conflicts that the
system failed.
In the second experiment the variable separation based on the type of conflict and the weight of the
aircraft used in the operational evaluation was replaced by a fixed separation 'circle' for each aircraft
independent of the type of conflict. Vertical separation was not modified.
• When flights were protected by a circle of 5 nm. the system performed better. At 7 nm. the
performance was more or less the same as for standard separation. At 10 nm. the system
performance degraded markedly, the number of resolutions decreased to one half of those obtained
at 7 nm. and the number of unresolved conflicts exceeded the total of those resolved.
5
As a complement to load and separation variants three other tests were performed :
• Subjecting the operational configuration to strong wind fields which were identical for the ground
and air systems altered the traffic pattern but produced only minor changes in the way the conflicts
were resolved.
• Inactivating the Temporary Reserved Airspace ( TRA ) which featured in the operational evaluation
from the start of the peak traffic load only slightly reduced the numbers of strategic and tactical
resolutions and left the number of unresolved cases unchanged.
• The final experiment inverted the operational choice of preference for solving conflicts by lateral
manoeuvre rather than vertical. The results showed no particular change in resolution performance.
This indicates that the system could adapt itself to eventual modification of resolution priorities if
necessary.
5.3. Fallout
The evaluations showed that it is possible to define algorithmic solutions for establishing and
maintaining separation between flights.
In defining these solutions the team has had to devise considerable adaptations of today's control
practices. In particular it had to devise rules which adapted fixed route separation to free route and
make them compatible with a mode of resolution involving long look-ahead times. The methods
employed indicate the type of rules which will have to exist if advanced automation methods are to be
implemented. For the time being they are not considered as standards.
The Report includes an example of how elements of advanced systems such as ARC 2000 can be
adapted to less advanced concepts compatible with ATM research. An example is the EECs Highly
Interactive Problem Solver (HIPS), which is based on the logical principles of detection and resolution
of ARC 2000. Used in medium term studies, HIPS, using a graphic representation of occupied
airspace, enables a significant reduction in workload for controllers responsible for conflict detection
and resolution.
6. CONCLUSIONS
Version 3 of the ARC 2000 demonstrator has shown no evidence of the existence of a conceptual error.
It showed that it is feasible to establish operationally acceptable and economically efficient methods
adapted to automatic conflict detection and resolution for large areas with high traffic density in an
environment consisting principally of free routes.
The 1994 evaluation of the system showed that its success rate can still be improved above that of the
current 83% ( perfect solutions ) or 90% ( imperfect but efficient solutions).
The evaluation also indicated the need to consider the impact of advanced systems on airborne
equipment and practices.
Finally it has shown that it is necessary to study the separation standards required for highly automated
systems.
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Sommaire du Rapport EEC No. 286
Tâche EATCHIP : FCO.ET4.ST06 / Tâche CEE AS06
Décembre 1995
Vue d'Ensemble de la Version 3 du Système ARC 2000
d'un Point de Vue Opérationnel
par
J-P Nicolaon, G. Dean, W. Miller
1. CONTEXTE
L’objectif du démonstrateur ARC 2000 consiste à allouer à chaque vol une trajectoire libre de tout conflit de
façon continue, et en temps réel et pour une durée minimale de 20 minutes. La résolution automatique des
conflits s’applique aux vols en phase en route et en région terminale ( montées et descentes ), elle ne
concerne pas pour l’instant les phases d’approches finales.
La résolution d’ARC 2000 est originale dans le sens où elle prend en compte l’aspect macro-économique
des manoeuvres et s’applique dans un contexte de routes libres se raccordant, si nécessaire, à des tronçons
de routes fixes.
Cette approche du problème s’appuie sur l’hypothèse à long terme d’une généralisation des FMS de bord à
4 dimensions, d’un couplage air-sol performant par liaisons de données, et de puissances de calcul
appropriées.
Au stade actuel, le démonstrateur permet, grâce à une visualisation appropriée, l’observation des solutions
produites aux conflits d’un échantillon de trafic de 500 vols en 2 heures dont 300 en pointe.
Bien que le système ne soit pas encore complet, sa structure permettra l’introduction de facteurs perturbants
existants en situations réelles, tels que la connaissance imparfaite de la situation météorologique ou des
performances des avions. Pour l’instant, la problématique est simplifiée par l’utilisation des mêmes données
( performances-avions et conditions météorologiques ) pour les systèmes sol et air, cette hypothèse
simplificatrice étant nécessaire à l’équipe de développement pour se concentrer, dans un premier temps,
sur la mise au point des algorithmes de détection et de résolution des conflits.
Le rapport CEE N° 286 traite de l’état du système à la fin 1994 dans sa configuration N° 3.
2. LES FONCTIONS DE RESOLUTION
Le système comporte deux modes de résolution des conflits complémentaires l’un de l’autre (stratégique et
tactique).
2.1 Mode Stratégique
Pour un groupe d’avions en conflit, appartenant à un “cluster”, la résolution stratégique réalise un ensemble
de trajectoires sans conflit pour une durée de 40 minutes.
Tous les conflits sont initialement soumis à la “résolution stratégique”. Certains d’entre eux, pour des raisons
de densité de trafic excessive au regard des contraintes opérationnelles appliquées aux mécanismes
stratégiques ne peuvent trouver de solutions. Dans ce cas il fait appel à la “résolution tactique” qui traite les
conflits par paires d’avions, dans un horizon de temps plus court (20 minutes) et avec une liberté de
manoeuvre plus large mais moins économique que celle associée au mode stratégique.
Le mécanisme de base de détection-résolution des conflits repose sur la mise à jour permanente des
conflits potentiels au sein d’un gestionnaire dit des “proximités”. Celui-ci permet de connaître à chaque
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instant et en tout lieu, toutes les prédictions de transgression aux normes de séparation.
Vingt-cinq minutes avant le début de chaque transgression, il fait appel à la résolution stratégique pour
action au bénéfice des vols du “cluster”.
La tâche de la résolution stratégique est de rechercher jusqu’à quatre solutions sans conflits pour les 40
minutes à venir, classifiées selon un coût opérationnel croissant. Avant de communiquer une solution à un
avion donné, sa validité et sa compatibilité avec les performances avions sont vérifiées par le système sol.
Les avions reçoivent en premier lieu la solution la plus économique, sous la forme d’une liste de
“contraintes”. Les avions déterminent alors leurs trajectoires dans le respect de ces contraintes et les
transmettent au système-sol. Celui-ci vérifie que l’ensemble des trajectoires proposées est bien sans
conflits.
Dans l’affirmative, une procédure d’acceptation sol-air établit un “contrat” basé sur les nouvelles trajectoires
en remplacement des précédentes. Cette solution n’est validée que si tous les avions du cluster ont
accepté les contraintes. Dans le cas contraire, la solution est abandonnée au profit de la solution suivante
(moins économique).
Ce dialogue air-sol qui aboutit au “contrat” est dénommé “mécanisme de négociation“. Son intérêt réside
dans le fait que l’avion ayant déterminé lui-même sa trajectoire, dans le respect des contraintes transmises
du sol, sera d’autant mieux à même de l’exécuter.
Une fois le contrat passé, l’avion adopte sa nouvelle trajectoire et le système-sol met à jour sa liste des
proximités en conséquence. Les trajectoires résultantes sont suivies en temps réel afin de s’assurer
qu’elles demeurent conformes au contrat. Si l’avion dérive au-delà de certaines limites, le système-sol
réagit en priorité afin de rétablir des trajectoires sans conflit.
2.2 Mode Tactique
Comme indiqué précédemment, il peut arriver que la résolution stratégique ne puisse trouver une solution
à un conflit. Dans ce cas, il est fait appel au mécanisme dit de “résolution tactique”. Celui-ci à l’inverse de
la résolution stratégique ne cherche pas à résoudre l’ensemble des conflits compris dans le “cluster” mais
les décompose en conflit par paires d’avions qu’il traite l’un après l’autre conformément aux critères de
temps requis. Pour chaque conflit tactique, les solutions recherchées s’étendent jusqu’à un horizon de 20
minutes seulement et bénéficient d’une plus grande liberté de manoeuvre qu’en mode stratégique ( par
exemple - les changements de cap peuvent être plus importants ). La résolution tactique ne “négocie” pas
les solutions avec les avions mais transmet des trajectoires ayant valeur d’instructions. En sus de ce rôle
de complément à la résolution stratégique, le mode tactique gère les déviations aux trajectoires prévues.
3. LA CONFIGURATION TESTEE
3.1. Dimensionnement de la zone et charge de trafic
La zone gérée par le système est importante ; elle s’étend de la côte sud du Royaume-Uni à la côte nord de
l’Espagne et du Portugal ainsi que de la côte ouest de la France jusqu’à l’entrée de la zone océanique.
Cet espace est constitué de 2 zones :
• l’une, centrale, totalement automatisée bénéficie des mécanismes de résolution d’ARC 2000,
• l’autre, en forme de couronne périphérique, représente les centres adjacents pouvant être automatisés
ou non. Elle sert également à fournir le trafic en entrée et à le recevoir en sortie conformément à un
scénario de contraintes.
L’échantillon de trafic de base est constitué de plus de 500 avions de vingt types différents, introduits en 2
heures. La pointe de trafic comporte plus de 300 vols simultanés. Le temps de vol moyen est supérieur à
une heure. Pour certaines expérimentations, le système a été soumis à des charges de trafic différentes,
comprises entre 100 et 500 vols.
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3.2. Etat d’avancement
La complexité de la problématique n’a pu être prise en compte dans sa totalité au début de la construction
du système car il n’était possible que de procéder par étapes pour valider les principes de chaque
mécanisme.
Pour ce faire on a eu recours à un certain nombre de simplifications ; celles-ci devant être levées au fur et
à mesure des différentes versions.
Dans la version testée, ces simplifications étaient les suivantes :
• Les performances des avions étaient communes aux systèmes sol et air.
• Les évaluations opérationnelles détaillées étaient effectuées par vent nul.
• Les expérimentations se sont déroulées sous conditions de vents identiques pour les systèmes sol et air.
• La résolution des conflits ne faisait appel qu’aux seules manoeuvres latérales et verticales. Lors de la
résolution d’un conflit, aucune combinaison des deux manoeuvres n’était utilisée pour modifier la
trajectoire d’un même vol.
• Les algorithmes d’entrée en espace océanique et en circuit d’attente n’étaient pas incorporés .
• Seule une version initiale à séparations fixes du mécanisme de séquencement vers les régions
terminales était utilisée.
4. LES PROCEDURES D’EVALUATION
Les tests de la version 3 se sont déroulés en Novembre et Décembre 1994. Cette version faisait suite à la
version 2 essayée en Juillet et Août de la même année. La version 2 avait un certain nombre de faiblesses
et d’anomalies auxquelles il avait été porté remède pendant les deux mois suivants.
Deux types de tests ont été effectués.
Une évaluation opérationnelle dont l’objectif était de tester le système sous pleine charge de manière à
vérifier que :
• les solutions étaient conformes aux règles opérationnelles prévues ;
• le système répondait aux exigences du temps réel ;
• les résultats cumulés des différents modes de résolution aboutissaient à une véritable situation sans
conflit.
Deux exercices ont été effectués en temps réel. Les résultats ont été enregistrés pour être ensuite
analysés. Un exercice supplémentaire (identique aux précédents) a été exécuté, également en temps
réel, mais en liaison avec le Multi-Aircraft Cockpit Simulator (MCS) du Centre Expérimental dans sa
version A310, un pilote de ligne étant aux commandes. Cet essai a permis d’obtenir ses commentaires
sur la compatibilité des mécanismes d’ARC 2000 avec les méthodes de travail des équipages, les
besoins en équipements spécifiques ainsi que sur les réactions du système aux déviations par rapport
aux trajectoires prévues.
Une évaluation expérimentale qui a testé le système sous différentes charges de trafic et avec des
paramètres de séparation différents de ceux utilisés pour l’évaluation opérationnelle. L’objet de cette
expérimentation était :
• d'observer s’il existait une relation générale entre la densité de trafic et le nombre de conflits.
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• d’observer le comportement du système sous des conditions de charge et standards de séparations
différents de ceux de l’évaluation opérationnelle ;
5. LES RESULTATS
5.1. L’évaluation opérationnelle
Il est apparu qu’à conditions de trafic strictement identiques au départ ( même échantillon de trafic ) le
système ne résolvait pas les conflits exactement de la même manière à chaque exercice.
Cet aspect partiellement indéterministe s’explique par le fait que certains conflits pouvaient dans un
exercice être résolus dans un certain ordre et l’être dans un ordre différent dans un autre. Ce phénomène
était notamment observé lorsque d’infimes retards de transmission étaient engendrés par l’occupation du
réseau informatique du Centre Expérimental et provoquait un certain décalage dans l’ordre d’arrivée des
conflits à la résolution. Ces décalages avaient pour conséquence de modifier partiellement l’évolution
ultérieure de la situation aérienne, créant ainsi une problématique dynamiquement différente appelant alors
des résolutions appropriées donc différentes d’un exercice à l’autre.
Globalement le taux de réussite de la résolution des conflits en ayant recours aux seuls modes latéraux et
verticaux s’est élevé pour chacun des exercices à respectivement 90% et 91%.
Un certain nombre de ces solutions n’étaient cependant pas conformes aux règles définies. Sur les 244
clusters traités dans chaque exercice, seules respectivement 83% et 85% des solutions pouvaient être
considérées comme parfaites.
Le système s’est révélé autostable en mode de résolution stratégique. (La notion d’autostabilité consiste à
maintenir pour chaque vol une trajectoire libre de tous conflits pour un minimum de 20 minutes, cette
exigence étant destinée à couvrir les éventuelles pannes partielles ou totales du système). Certaines
résolutions tactiques n’étaient pas conformes au critère d’autostabilité en raison d’un sousdimensionnement du paramètre de déclenchement de la résolution tactique de l’ordre de quelques
secondes.
Les solutions aux conflits se sont avérées très économiques entraînant par vol une augmentation moyenne
d'environ 1% des coûts en carburant, des distances parcourues ou des temps de vol.
Plusieurs causes à l’origine des solutions manquantes ont été identifiées. Elles se répartissent en deux
catégories :
D'ordre opérationnel
• certaines amplitudes de manoeuvres étaient trop restrictives pour résoudre les conflits et se devaient
d’être élargies ( par exemple - changement d’altitude en croisière limité à un seul niveau de vol de même
parité).
• l’algorithme d’entrée en attente en hippodrome n’était pas intégré à la résolution.
D’ordre technique :
• le calcul erroné des profils verticaux.
• le choix incorrect de normes de séparation.
• la résolution répétitive d’un même conflit.
• le calcul erroné des zones interdites.
Des mesures correctives ont, depuis lors, été prises.
La participation du pilote a fourni de précieux conseils concernant la compatibilité de tels systèmes avec les
équipements de bord et les méthodes de travail des équipages.
Ses observations sont résumées ci-après :
10
• le vol en 4 dimensions ne devrait pas poser de problèmes majeurs à la condition que les liaisons de
données air-sol ainsi qu’un dispositif graphique (à développer) servant à la négociation et à l’élaboration
des trajectoires soit en permanence disponible.
• Une panne de l’un de ces éléments entraînerait une surcharge de travail inacceptable pour l’équipage
qui serait alors contraint d’introduire les données de trajectoires par l’intermédiaire du clavier du FMS de
bord. Une panne de FMS conduirait à l’abandon du vol 4D, seul le vol 3D serait alors possible.
• Après déviation, la rejointe des trajectoires transmises du sol s’est révélée difficile voire impossible dans
certains cas. Il a été suggéré qu’en cas de déviation les vols environnants soient affichés sur l’écran de
navigation et que l’évitement des vols obstacles et la rejointe de la trajectoire précédente ou d’une
nouvelle (négociée) soit laissés à l’initiative du pilote.
• Le volume de liberté de manoeuvre offert à l’équipage devrait être redimensionné pour permettre aux
équipages d’effectuer des petites manoeuvres latérales sans déclencher le processus de déviation.
• Il devrait être rendu possible pour l’équipage de demander l’application d’un algorithme de manoeuvre
particulier en cas de turbulence.
• Bien que la règle opérationnelle qui donne la priorité à la résolution latérale ait été considérée comme
bonne, il a été suggéré d’en limiter son statut prioritaire au-delà d’une certaine accumulation des
augmentations de parcours. Au-delà de cette limite, les manoeuvres en vitesse et en altitude devraient
être utilisées prioritairement.
5.2. L’évaluation expérimentale
Il n’a pas été possible de déterminer une relation mathématique satisfaisante entre la densité de trafic et le
nombre de conflits induits.
La raison pourrait être, en partie, due à la nature spécifique d’un cluster dans le contexte ARC 2000. Le
nombre de vols formant un cluster peut varier considérablement.. A titre d’exemple, le mécanisme de
résolution stratégique a réussi à trouver une solution pour un cluster de 24 avions alors qu’il a été
incapable d’en trouver une pour un “ cluster ” constitué de deux vols.
La seule conclusion à laquelle il a été possible de parvenir est qu’il n’est pas possible de se satisfaire d’une
simple mesure de densité du trafic pour évaluer la situation de conflit qui en découle.
De manière à étudier le rendement et la robustesse du démonstrateur sous différentes charges de travail et
différents niveaux de complexité de la résolution, la configuration opérationnelle standard a été soumise à
des variations des critères de séparations latérales de deux manières.
Premièrement les normes de séparations latérales ont été réduites successivement à 75%, 50% et 25%
des valeurs opérationnelles de manière à comparer les effets produits sur le taux de réussite de la résolution
(conflits non résolus) et sur les proportions entre résolutions stratégiques et résolutions tactiques.
Comme prévu le nombre de conflits a diminué au fur et à mesure de la réduction des critères de séparation.
Il a été cependant noté que même en réduisant ceux-ci jusqu’à 25% des standards opérationnels, le
système n’a pas été capable de résoudre tous les conflits ni à même d’éviter le recours à la résolution
tactique. L’absence de résolution longitudinale, le trop faible domaine de manoeuvres verticales et
l’absence d’algorithme relatif à l’entrée en attente en hippodrome étant pour l’essentiel à l’origine de ces
impossibilités.
Une tentative avec les critères de séparations latéraux standards augmentés de 25% a provoqué un tel
nombre de conflits que le système s’est bloqué.
Deuxièmement, les séparations variables en fonction du type de conflit et de la catégorie de poids de
l’avion employées en configuration opérationnelle standard ont été remplacées par un cercle fixe associé à
chaque vol et indépendamment du type de conflit. Les séparations verticales n’étaient pas modifiées.
Lorsque les avions étaient protégés par un cercle de 5 NM, le système fonctionnait mieux. Avec 7 NM le
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comportement du système était plus ou moins le même qu’avec les séparations opérationnelles standard.
Avec 10 NM le fonctionnement s’est nettement dégradé, le nombre de résolutions a baissé atteignant la
moitié de celles obtenues avec 7 NM et le nombre de conflits non résolus est devenu plus important que le
nombre de résolus.
En complément des variations de charges et des critères de séparations il a été procédé à trois
vérifications :
• La configuration opérationnelle soumise à de forts champs de vent, identiques pour les systèmes sol et
air, a modifié la structure de trafic mais n’a produit que des modifications mineures dans la manière dont
ont été résolus les conflits.
• Désactivation de la zone militaire réservée (TRA), activée pendant un créneau correspondant au début
de la pointe de trafic lors des exercices utilisés pour l’évaluation opérationnelle, a très peu modifié le
nombre de résolutions stratégiques et tactiques et a laissé inchangé le nombre de conflits non résolus.
• La dernière expérimentation a consisté à inverser l’ordre des manoeuvres en donnant la priorité à la
résolution verticale sur la résolution latérale. Les résultats n’ont pas montré de modifications
significatives du rendement de la résolution. Ceci indique que le système pourrait s’adapter à
d’éventuelles modifications des priorités de la résolution actuelle si le besoin apparaissait.
5.3. Retombées
Les évaluations ont montré qu’il était possible de définir des solutions algorithmiques pour créer et maintenir
les séparations nécessaires entre les vols.
Pour y parvenir, l’équipe de développement a dû recourir à de profondes adaptations des méthodes de
contrôle d’aujourd’hui.
Elle a dû en particulier adapter les règles de séparation des routes fixes à des routes libres et les rendre
compatibles avec un mode de résolution agissant avec une forte anticipation.
Les méthodes employées indiquent le type de règles auquel il faudrait recourir dans le cas où
l’automatisation des systèmes de contrôle aérien deviendrait effective. Au stade actuel, elles ne peuvent
tenir lieu de standards.
Le rapport montre que des éléments d’un système avancé comme ARC 2000 pourraient être adaptés à des
concepts moins avancés dans le domaine de la recherche ATM :
Le démonstrateur HIPS ( Highly Interactive Problem Solver ) du CEE basé sur les principes de la logique
de détection-résolution des conflits d’ARC 2000 en constitue un exemple. Utilisé lors d’études à moyen
terme, HIPS, grâce à une visualisation graphique des espaces occupés, permet de réduire de manière
significative la charge de travail des contrôleurs liée à la détection et à la résolution des conflits.
6. CONCLUSION
La version 3 du démonstrateur ARC 2000 n’a pas révélé d’erreur de concept. Elle a montré qu’il était
possible de définir et d’utiliser des méthodes à la fois économiques et opérationnellement valables,
adaptées à la détection et à la résolution automatique appliquée à des grandes zones à haute densité de
trafic, en environnement constitué principalement de routes libres.
L’évaluation de 1994 a démontré que le taux de réussite de la résolution compris entre 83% (solutions
parfaites) et 90% (solutions imparfaites mais efficaces) pouvait être encore amélioré.
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L’évaluation a également fait apparaître qu’il était nécessaire d’étudier l’impact de l’automatisation de la
fonction de séparation sur les équipements de bord et les méthodes de travail des équipages.
Elle a enfin montré qu’il était nécessaire d’étudier des normes de séparations spécifiques pour les systèmes
de séparations fortement automatisés.
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