european organisation for the safety of air navigation eurocontrol

EUROPEAN ORGANISATION
FOR THE SAFETY OF AIR NAVIGATION
EUROCONTROL
EUROCONTROL
EXPERIMENTAL CENTRE
ATFM SIMULATION of
CFMU PHASE 1
EXECUTIVE SUMMARY OF EEC REPORT N° 291
EEC TASK AG02
EATCHIP TASK ASM.ET1.ST11
Approved for publication by:
Head of Division B1
Issued: December 1995
The information contained in this document is the property of the EUROCONTROL Agency. No part
should be reproduced in any form without the Agency's permission. It does not necessarly represent the
official policy of the Agency.
EUROCONTROL EXPERIMENTAL CENTRE
ATFM
SIMULATION
REPORT DOCUMENTATION PAGE
Reference
Executive Summary of
EEC Report N° 291
Security Classification
Unclassified
Originator Code
EEC Division B1
Originator (Corporate author) Name/Location
EUROCONTROL Experimental Centre
BP15
91222 Brétigny-sur-Orge CEDEX
FRANCE
Telephone : (1) 69 88 75 00
Sponsor Code
CFMU Users Requirement Section
Sponsor (Contract Authority) Name/Location
Central Flow Management Unit
96, rue de la Fusée
B-1130 BRUXELLES
Telephone : (2) 729 90 11
TITLE :
ATFM SIMULATION OF CFMU Phase 1
Authors
M. DALICHAMPT
G. FORTUNET
J. HOFFMAN
S. MAHLICH
A. TIBICHTE
EATCHIP Task
Specification
ASM.ET1.ST11
Date
Pages
12/95
ii+21
EEC Task N°
AG02
Figs.
Ref.
Appendices
1
Task N° Sponsor
Period
Feb./Dec. 1994
Distribution Statement
(a) Controlled by : Head of Division B1
(b) Special Limitations (if any) :
(c) Sent to NTIS : No
Descriptors (keywords):
ATFM - CFMU - Model-based simulation - NASPAC - CASA - Reroutings - Contingency
Abstract :
This executive summary describes a simulation study of the start-up phase of the CFMU. It was
conducted using the EUROCONTROL ATFM Simulation Tool.
The study consisted of the verification of the CASA algorithm, the fine tuning of certain parameters, the
simulation of the pretactical phase and the definitions of various contingency plans.
ii
EUROCONTROL EXPERIMENTAL CENTRE
ATFM SIMULATION
Executive Summary of EEC Report N° 291
EEC Task AG02
EATCHIP Task Specification ASM.ET1.ST11
Issued: December 1995
ATFM SIMULATION of
CFMU Phase 1
by
M. Dalichampt
G. Fortunet
J. Hoffman
S. Mahlich
A. Tibichte
EXECUTIVE SUMMARY
1 INTRODUCTION
This document is the executive summary of a report describing a simulation of the start-up phase
of CFMU operations (Central Flow Management Unit), using the ATFM Model developped at
the EEC, Eurocontrol Experimental Centre. This study was registered under the EEC work
programme AG02. The main report, including a full description, analysis of the various
exercises, and the detailed findings of the simulation, may be obtained from the
EUROCONTROL Experimental Centre - Sub-Division B1.3.
2 OBJECTIVES AND DESCRIPTION
In July 1992 a potential role for the EEC in conducting and supporting research into current and
future air traffic flow management (ATFM) systems was identified by the Directors of the
CFMU and EEC. The long term purpose of the research was to define and validate new flow
management concepts.
A pilot study to examine the feasability of setting up a simulation capability in support of the
CFMU was undertaken by the EEC during 1993. To this end two tools, NASPAC and CASA
were installed at the Experimental Centre (see EEC Note 07/94 "ATFM Pilot Study Report").
1
EUROCONTROL EXPERIMENTAL CENTRE
ATFM SIMULATION
In February 1994 the CFMU gave a shorter term purpose to the study, which corresponded to
the start-up phase of the CFMU and consisted of the verification of the CASA algorithm (the
study of complex fields such as slot combinations), the fine tuning of certain parameters, and an
operational optimisation of the regulations.
The area simulated was all French airspace and the following scenarios were specified for the
operational optimisation :
- No regulations - the objective of this organisation was to determine the weak points of the
system, in terms of capacity.
- No regulations with re-routeings, in order to try to partially solve the capacity problem
without departure delays.
- Implementation of the system of regulations, based on the centralized principle for the French
sectors and on the ANM at the border, including possibility of CFMU management of
regulations outside France (e.g. departures from Europe to Greece).
- Removal of some centralized regulations in order to, by successive steps, optimize the
combination of regulations, both in terms of performance (minimal "throughput deviation")
and equitable distribution of delays.
Later, the definition and simulation of several contingency plans were added to the specifications.
In addition, a number of improvements have been made to the NASPAC/CASA ATFM
Simulator. They are described in the main report.
3 CONCLUSIONS
The results of this study are presented in the five following domains :
-
Input data
Parameters
Algorithm
Operational optimisation
Contingency plans
Input data
The study of the input data led to two main conclusions :
- As the results in terms of delays are very sensitive to the input data, it is important to have
very accurate, and easy to update, means of describing sectors and routes.
2
EUROCONTROL EXPERIMENTAL CENTRE
ATFM SIMULATION
- The calculation of the profiles, based only on the aircraft performances, is not sufficient to
give a realistic picture of the demand in the different sectors. In addition to a good description
of SIDs and STARs, the many modes used in the "forced profiles" program of NASPAC to
describe Flight Level restrictions, can be used to overcome this problem.
Therefore, they have already been sent to the CFMU and a "change request" (CR 2039) to
TACT and other CFMU systems (ENV, IFPS, STRAT...) has been made by the URS, User's
Requirement Section.
Parameters
- Time bands have been introduced to fulfill the requirement of equity among flights. The
overall capacity may be divided among several time bands, according to the flight duration to
the reference location. Each time band is assigned an allowance which defines the proportion
of the capacity that can be used by flights belonging to it.
In the first exercices, with the traffic sample simulated and only with the French sectors
regulated, two time bands were used with a good equity between short haul and medium haul
flights :
- TB1, between 0 and 2 hours, with an allowance of 25%
- TB2, between 2 and 3 hours, with an allowance of 75%
When the simulation area was extended to include the French border, it was found that no
general figures could be applied. However, these time bands were retained for comparison
purposes. These are also mentioned in this report because they can be used, at least for the
French airspace, as first entries in an iterative process to determine, by experience, individual
figures for each regulation.
- The window width parameter defines the tolerance between the reference time of the
allocated slot and the CTO (Calculated Time Over) assigned to a flight, and thus the delay
imposed.
No delay should be given to a flight if a slot can be found inside a window of the specified
size centered around the ETO of the flight.
A 10 minute wide window has been used in this simulation.
3
EUROCONTROL EXPERIMENTAL CENTRE
ATFM SIMULATION
Algorithm
- The first conclusion in this domain is to recommend specific care to be taken at activation of
regulation when bandboxing or splitting sectors, based at least initially on the "extension of
regulations" logic. Furthermore, the development of an automatic tool should be studied.
- The main output of the study so far was finding all the disadvantages of the logic of allocating
slots to combined flights. Therefore the algorithm of CASA has been modified. Results have
shown efficiency in both operational and simulated situations.
- Further modifications of the algorithm seem to be necessary, especially to reflect the possible
modification of the most penalising regulation during the amendment process.
Operational optimisation
- The operational optimisation, both by reroutings and removal of regulations, is a simulation of
the pretactical phase. The result obtained, i.e. a reduction of one third of the total delay with
no significant supplementary overloads, shows the importance of this phase. The number of
flights regulated was reduced by more than 20%.
The description and the detailed results of this operational optimisation, for the French
airspace with no ANM at the border and for all the day, are contained in Appendix.
- Other advantages of this optimisation cannot be measured by the simulator, such as load and
response time of the real system. On the other hand the simulation team has been asked to
measure the time spent by an experienced regulator on this task. For the entire area, this time
was between 4 and 6 hours.
Contingency plans
The various contingency plans defined and simulated in this study have been analysed by the
CFMU Planning Team and proposed to the Transition Working Group advisory team for Flight
Data and Flow Management. They acknowledged the results and considered that this
demonstrated the feasability of contingency schemes during the initial operations planned for
Summer 1995. They requested that further studies are pursued in view of following transfer
phases of CFMU (in particular ATMC at the end of 1995).
4
EUROCONTROL EXPERIMENTAL CENTRE
ATFM SIMULATION
Follow up
It is planned this study continue and include the following :
- extension of the area simulated to the all ECAC zone,
- contingency plan for the ATMC transfer,
- study of reroutings,
- improvements of the algorithm : PFD - DAF slots - True Revision Process - sector
bandboxing - treatment of late updaters - itinerary effect - optimisation of total
delay,
- other domains : taxi time - missed slot - wind - definition of traffic volumes -other
definitions of capacities.
5
EUROCONTROL EXPERIMENTAL CENTRE
ATFM SIMULATION
Résumé du Rapport CEE N° 291
Tâche CEE AG02
Tâche EATCHIP ASM.ET1.ST11
Date: Décembre 1995
VERSION FRANCAISE DU RESUME
SIMULATION ATFM de la
Phase 1 du CFMU
par
M. Dalichampt
G. Fortunet
J. Hoffman
S. Mahlich
A. Tibichte
SOMMAIRE
1 INTRODUCTION
Ce document est le résumé d'un rapport décrivant une simulation de la phase initiale des
opérations du CFMU, réalisée à l'aide du Modèle ATFM développé au CEE, Centre
Expérimental Eurocontrol. Cette tâche a été enregistrée dans le programme de travail du CEE
sous le numéro AG02. Le rapport, comprenant une description complète des objectifs de la
simulation, les analyses des différents exercices et les principaux résultats, peut être obtenu au
Centre Expérimental sous-division B1.3.
2 OBJECTIF ET DESCRIPTION
En 1992, les Directeurs du CFMU, Central Flow Management Unit, et du Centre Expérimental
EUROCONTROL assignèrent à ce dernier un rôle de recherche et de support dans le domaine
de la gestion des flux de trafic (ATFM, Air Traffic Flow Management). A long terme, les
objectifs de cette recherche sont l'élaboration et la validation de nouveaux concepts ATFM.
Une étude pilote a été menée par le Centre Expérimental, au cours de l'année 1993, dans le but
d'examiner la faisabilité d'un outil de simulation des opérations du CFMU. A cet effet deux outils
ont été installés au CEE, NASPAC et CASA (cf. Note CEE 07/94 "ATFM Pilot Study
Report").
6
EUROCONTROL EXPERIMENTAL CENTRE
ATFM SIMULATION
En Février 1994, le CFMU donna à l'étude un objectif à plus court terme, correspondant à la
phase de mise en service du CFMU, qui consistait à vérifier l'algorithme de CASA (étude de
domaines complexes, comme la combinaison des créneaux), à affiner certains paramètres et à
simuler une optimisation opérationnelle du schéma de régulation.
La zone simulée couvrait la totalité de l'espace aérien français et les scénarios suivants furent
spécifiés pour l'optimisation opérationnelle :
- Pas de régulation - le but de cette organisation était de déterminer les points faibles du
système, en termes de capacité.
- Pas de régulation avec reroutements, pour essayer de résoudre partiellement les problèmes de
capacité, sans appliquer de délai au départ.
- Mise en place d'un système de régulations, basé sur le principe centralisé pour les secteurs
français et sur l'ANM (ATFM Notification Message) à la frontière.
- Suppression de certaines régulations centralisées dans le but d'optimiser, par étapes
successives, la combinaison des régulations, à la fois en termes de performance (dépassement
de capacité minimisé) et d'équité dans la répartition des délais.
Des exercices supplémentaires ont ensuite été spécifiés. Ils avaient pour but la définition et la
simulation de plusieurs plans de contingence.
Le rapport décrit également les améliorations qui ont été apportées en 1994 au simulateur
ATFM du Centre Expérimental, en particulier à la version Eurocontrol de NASPAC.
3 CONCLUSIONS
Les principaux résultats de l'étude peuvent être répartis en 5 domaines, de la façon suivante:
-
Données
Paramètres
Algorithme
Optimisation opérationnelle
Plans de contingence
Données
Dans ce domaine, les principales recommandations de l'étude portent sur l'environnement et les
contraintes ATC :
- Les résultats, en termes de délais, étant très sensibles aux données d'entrée, il est important de
pouvoir disposer d'un environnement (routes et secteurs) très précis et des moyens de le
mettre à jour facilement.
7
EUROCONTROL EXPERIMENTAL CENTRE
ATFM SIMULATION
- Le calcul des profils basé seulement sur les performances avions est insuffisant pour donner
une image réaliste de la demande dans les différents secteurs. Ajoutés à une bonne description
des SID et des STAR, les nombreux modes utilisés dans le programme de "profils forcés" de
NASPAC pour décrire les restrictions de niveaux de vol, peuvent être utilisés pour résoudre
ce problème.
Aussi ont-ils été communiqués à l'URS, User's Requirement Section, du CFMU pour qu'ils
servent de base à un "Change Request" (CR 2039) de TACT et d'autres systèmes du CFMU
(ENV, IFPS, STRAT...).
Paramètres
- Le concept de "time bands" a pour but une plus grande équité entre les vols. La capacité
totale peut être divisée en plusieurs time bands, en fonction de la durée du vol jusqu'au point
de référence. A chaque time bands est associé un taux d'acceptation qui définit la proportion
de la capacité allouée au vols qui en font partie.
Dans les premiers exercices, avec l'échantillon de trafic simulé et seulement les secteurs
français régulés, l'utilisation des deux time bands suivants a conduit à une bonne équité entre
les vols court et moyen courrier:
- TB1, entre 0 et 2 heures, avec un taux de 25%;
- TB2, entre 2 et 3 heures, avec un taux de 75%.
Quand la simulation a été étendue aux régulations à la frontière, il est apparu qu'aucun chiffre
ne pouvait être appliqué de façon générale. Néanmoins ces valeurs ont été ensuite conservées
à des fins de comparaison. Elles sont également indiquées dans ce rapport car elles peuvent
être utilisées, au moins pour l'espace aérien français, comme premières données d'entrée d'un
processus itératif de détermination expérimentale des valeurs individuelles de chaque
régulation.
- Le paramètre "Window Width" définit la tolérance entre le temps de référence du créneau
alloué et le CTO (Calculated Time Over, Heure calculée d'entrée dans l'espace régulé) assigné
à un vol et donc le délai imposé.
Aucun délai ne sera donné au vol si son créneau se trouve dans une fenêtre de la dimension
spécifiée, centrée autour de l'ETO du vol (Estimated Time Over, Heure estimée d'entrée).
Une fenêtre de 10 minutes a été utilisée dans cette simulation.
8
EUROCONTROL EXPERIMENTAL CENTRE
ATFM SIMULATION
Algorithme
- La première recommandation dans ce domaine porte sur les mesures à prendre lors de
l'activation d'une régulation quand il y a dégroupement ou regroupement de secteurs. La
méthode "d'extension des régulations" telle qu'elle est décrite dans le rapport est
recommandée tant que n'aura pas été développé un outil informatique.
- L'enseignement le plus important de l'étude à ce stade fut la mise en évidence de nombreux
inconvénients dus à la logique d'allocation des créneaux aux vols combinés, ce qui a conduit à
une modification de l'algorithme de CASA. Les résultats de la nouvelle version ont été
satisfaisants aussi bien en simulation que lors des tests opérationnels.
- D'autres modifications devraient être apportées à l'algorithme, en particulier pour refléter le
changement possible de la régulation la plus pénalisante lors du processus d'amendement.
Optimisation opérationnelle
- L'optimisation opérationnelle, par reroutements et suppression de régulations, a consisté en
une simulation de la phase prétactique. Le résultat obtenu, réduction d'un tiers du délai total
sans surcharge supplémentaire significative, montre l'importance de cette phase. Le nombre
de vols régulés a été réduit de plus de 20%.
En annexe, on trouvera la description et les résultats détaillés de cette optimisation pour la
France, sans ANM aux frontières, et pour toute la journée.
- D'autres avantages de cette optimisation ne sont pas mesurables en simulation, en particulier
la charge et le temps de réponse du système réel. D'un autre côté, il a été demandé à l'équipe
de simulation d'estimer le temps nécessaire à un régulateur expérimenté pour accomplir cette
tâche. Pour l'ensemble de la zone simulée, cette estimation se situe entre 4 et 6 heures.
Plans de contingence
Les différents plans de contingence définis et simulés dans cette étude ont été analysés par le
CFMU et proposés à l'équipe du "Transition Working Group" for "Flight Data and Flow
Management", qui a pris acte des résultats et considéré qu'ils démontraient la faisabilité de
schémas de contingence pour la phase initiale opérationnelle de l'été 1995. Elle a demandé que
les études soient poursuivies dans la perspective des transferts suivants (en particulier celui de
l'ATMC, fin 1995).
9
EUROCONTROL EXPERIMENTAL CENTRE
ATFM SIMULATION
Poursuite de l'étude
Il est prévu une suite à cette étude comprenant les points suivants:
- extension de la simulation à toute la zone CEAC,
- plan de contingence pour le transfert de l'ATMC,
- études sur les reroutements,
- amélioration de l'algorithme : PDF - créneaux DAF - "True Revision Process"
- regroupement des secteurs - traitement des "late updaters" - effet d'itinéraire
- optimisation du délai total,
- autres domaines : temps de roulage - créneau manqué - vent - définition des
"traffic volumes" - autres définitions des capacités.
10
EUROCONTROL EXPERIMENTAL CENTRE
ATFM SIMULATION
APPENDIX
OPERATIONAL OPTIMISATION
DEFINITION
The objective of the operational optimisation was to simulate the operations of the CFMU at its
start-up and to optimise the ATFM Scheme by means of reroutings and removal of regulations.
Therefore, the simulated area was French airspace, using a 24 hour traffic sample.
The following sectors have been regulated :
UGW
AORC
UGWA
ARTC
UA
TN
UAUS
TPTH
SMDS
UFXF
SCMD
UH
UTTUP
UBDX
UTTU
UBDXV
PV
The table, overleaf, gives the results, in terms of delays, of the 3 following scenarios :
- INITIAL - the sectors mentionned above were regulated to respect the declared capacities.
- after REROUTINGS - by limitation below FL 195 of traffic between LFMT, LFML and
LFLL and by route changes for some flights removed from the PV, UTTUP and UGW
sectors into the UBDX area.
- OPTIMISED - after reroutings and removal of some regulations.
11
EUROCONTROL EXPERIMENTAL CENTRE
ATFM SIMULATION
DELAYS
INITIAL
after
REROUTING
S
INIT.--->
REROUTING
S
OPTIMISED
INIT.--->
OPTIMISED
Total delay
min.
57306
40807
-28.8%
38490
-32.8%
Number of
regulated
1830
1747
-4.5%
1377
-24.7%
Number of
delayed
1386
1158
-16.4%
981
-29.2%
average
delay(reg)
31.3
23.3
-25.3%
27.9
-10.7%
average
delay(del)
41.3
35.2
-14.7%
39.2
-5%
max. delay
172
146
176
D>60 min.
361
177
166
30<D<60min
323
339
310
The throughput which is always below 110% of the declared capacity (short time overload allowed
by the CFMU in the specifications of the study) are shown in the tables and charts contained on the
following pages.
12
EUROCONTROL Experimental Centre
Capacity
Demand
UGW
Initial
Reroutings
Optimised
Capacity
UGWA
Demand
Initial
Reroutings
Optimised
Capacity
UA
Demand
Initial
Reroutings
Optimised
Capacity
UAUS
Demand
Initial
Reroutings
Optimised
Capacity
SMDS
Demand
Initial
Reroutings
Optimised
Capacity
SCMD
Demand
Initial
Reroutings
Optimised
THROUGHPUT
ATFM Simulation
05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00
49
49
49
49
49
49
49
49
49
49
49
49
49
49
49
49
39
42
51
45
41
51
46
43
42
52
51
60
42
69
57
25
38
45
38
44
50
40
45
46
40
56
48
50
48
50
49
35
29
37
41
40
42
36
42
43
40
45
50
50
45
47
40
27
30
36
40
41
43
37
44
43
37
46
52
49
41
50
38
30
05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00
26
25
29
27
26
05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00
31
31
31
31
31
31
31
31
31
31
33
25
35
48
23
32
28
30
34
24
19
32
31
31
31
30
31
30
32
29
23
31
30
32
30
31
31
31
30
22
28
31
31
32
30
31
31
31
30
22
05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00
27
27
27
27
27
27
29
32
29
45
38
24
29
27
28
32
25
26
27
26
28
26
27
27
29
26
28
27
27
27
05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00
26
17
31
26
24
05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00
26
26
26
47
42
23
29
26
25
26
26
25
27
25
27
France - No ANM at the border
22:00
22:00
26
14
26
23
19
22:00
22:00
22:00
26
11
26
26
21
22:00
page 13
EUROCONTROL Experimental Centre
ATFM Simulation
UGWA
Sector entries per
hour
80
60
40
20
19:00
17:00
15:00
13:00
11:00
09:00
07:00
0
05:00
Sector entries per
hour
UGW
21:00
22:00
Hour UTC
Hour UTC
LEGEND
UA
50
40
30
Initial
20
after Rerout.
Optimised
10
Demand
0
17:00
16:00
15:00
14:00
13:00
12:00
11:00
10:00
09:00
Capacity
08:00
Sector entries per hour
30
25
20
15
10
5
0
Hour UTC
France - No ANM at the border
page 14
EUROCONTROL Experimental Centre
ATFM Simulation
19:00
17:00
15:00
13:00
11:00
09:00
07:00
40
30
20
10
0
21:00
22:00
Hour UTC
Hour UTC
LEGEND
SCMD
Sector entries per
hour
Sector entries per
hour
SMDS
50
40
30
20
10
0
05:00
Sector entries per
hour
UAUS
50
40
30
Initial
20
after Rerout.
10
Optimised
Demand
0
Capacity
18:00
19:00
20:00
Hour UTC
France - No ANM at the border
page 15
EUROCONTROL Experimental Centre
Capacity
Demand
UTTUP
Initial
Reroutings
Optimised
Capacity
Demand
UTTU
Initial
Reroutings
Optimised
Capacity
Demand
AORC
Initial
Reroutings
Optimised
Capacity
Demand
ARTC
Initial
Reroutings
Optimised
Capacity
Demand
TN
Initial
Reroutings
Optimised
Capacity
Demand
TPTH
Initial
Reroutings
Optimised
THROUGHPUT
ATFM Simulation
05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00
35
35
35
35
35
35
38
47
38
32
42
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34
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