eurocontrol · casa algorithm, while applying fpfs in a given regulation, for the flights it is the...

EUROPEAN ORGANISATIONFOR THE SAFETY OF AIR NAVIGATION

EUROCONTROL EXPERIMENTAL CENTRE

INNOVATIVE SLOT ALLOCATION

ISA

Executive summary of EEC Report No. 322

EEC Task R30EATCHIP Task CFM-B-E3

Issued : December 1997

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EUROCONTROL

REPORT DOCUMENTATION PAGE

ReferenceExecutive Summary ofEEC Report No.322

Security Classificationunclassified

OriginatorEEC - F.D.R.(Flight Data Research)

Originator (Corporate author) Name/Location :

EUROCONTROL Experimental CentreBP1591222 Brétigny-sur-Orge CEDEXFRANCE.Telephone: +33 (0) 1 69 88 75 00

Sponsor

Central Flow Management Unit

Sponsor (Contract Authority) Name/LocationDirector CFMU96, rue de la fuséeB-1130 BrusselsBELGIUMTelephone: +32 2 729 90 11

Title :Innovative Slot Allocation ISA

Authors

M. DALICHAMPTE. PETIT

U. JUNKERJ. LEBRETON

Date

12/97

Pages

iii + 15

Figs

-

Annexes

-

Ref.

-

EATCHIP Taskspecification

CFM-B-E3

EEC Task No.

R30

Sponsor Task No.

R30

Period

1997

Distribution Statement :(a) Controlled by : Head FDR(b) Special Limitations (if any) : None(c) Copy to NTIS : YES/NO

Descriptors (keywords) :

ISA, CASA, Slot Allocation, ATFM, Priority, CFMU, AMOC, delay, smoothing, equity.

Abstract :

R30 was an ATFM study conducted by the EEC/Brétigny in order to develop a tool capable ofassessing the effects of modifications in the slot allocation rules.

This tool, the ISA platform, was fully integrated in the EEC ATFM simulator, AMOC.

The main result is a possible reduction by 30% of the delay per passenger, with the samesmoothing, if the « first planned first served » principle is abandonned and if priorities aregiven to flights according to their numbers of passengers.

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Publications OfficeEUROCONTROL EXPERIMENTAL CENTRE

B.P. 1591222 Brétigny-Sur-Orge CEDEX

France

Innovative Slot Allocation ISA


EEC Task N° R30 - Executive Summary of EEC Report No. 322 Page iii

TABLE OF CONTENTS

1. INTRODUCTION and OBJECTIVES ..................................................................... 1

2. TOOLS................................................................................................................... 2

3. ISO (Index of Smoothing and Overload) ............................................................. 2

4. STRATEGIES........................................................................................................ 3

4.1. ISA FPFS........................................................................................................ 3

4.2. ISA RCO not weighted .................................................................................. 3

4.3. ISA OPT ......................................................................................................... 3

4.4. ISA RCO weighted ......................................................................................... 3

5. SCENARIOS.......................................................................................................... 4

6. RESULTS.............................................................................................................. 6

7. CONCLUSIONS - FOLLOW UP ............................................................................ 7

Pages Vertes : Version en langue française.................................................. 8

Green Pages : French version....................................................................... 8

ABBREVIATIONS ..................................................................................................... 15



EEC Task N° R30 - Executive Summary of EEC Report No. 322 Page 1

INNOVATIVE SLOT ALLOCATION

ISA

BY

M. DALICHAMPTE. PETIT

U. JUNKERJ. LEBRETON

1. INTRODUCTION AND OBJECTIVES

The EEC Centre of Expertise FDR (Flight Data Research) makes studies for the CFMUin order to improve the current ATFM in Europe. Some of these studies deal with theCASA programme of slot allocation.

The CASA algorithm is based on the First Planned (in a regulation) First Served principle(FPFS). In fact when there are combinations of regulations, i.e. when flights go throughseveral regulated areas, the strict application, in each regulation, of this FPFS principlewould lead to huge delays even though capacities wouldn’t be reached. Therefore theCASA algorithm, while applying FPFS in a given regulation, for the flights it is the mostpenalising, makes a compromise for the other flights between equity (FPFS speaking)and risk of overload.

In parallel to the watching of this balance and to the improvements of the currentalgorithm, that both EEC and CFMU are doing, a longer term project was initiated. It isISA (Innovative Slot Allocation); its objective is the study of other systems of priorities :feasibility study and quantification of the possible renunciation of the rules currentlyapplied by CFMU.

Therefore this report tries to answer the 2 following questions :

• Is it technically possible to distribute delays with other rules ?

• What is the cost of the « equity per flight » principle currently applied by CASA ?

ISA also wants to anticipate the results of the study launched by the EuropeanCommunity and Eurocontrol on « Priorities in ATFM », by developing a tool capable ofassessing the effects of new principles of slot allocation.




2. TOOLS

The tools used in this study are the ILOG programmes Solver and Planner to develop thealgorithms and the ATFM Simulator, AMOC (ATFM Modelling Capability), to makecomparative tests on various scenarios. In order to compare results of various strategieswith the tools used by the CFMU for the CASA quality control (in particular, the respect ofthe balance « equity-overload »), these QC tools were integrated into AMOC.

3. ISO (Index of Smoothing and Overload)

The difference of delay between 2 simulations of the same scenario can come from theorder of the flights in the « slot lists », the strategy, but also from the level of smoothing(« 5 flights per 10 min. » leads to significantly different results than « 1 flight per 2min. »). In order to measure only the effects of the strategy, comparisons should bemade with equal smoothing.

A thorough study of the smoothing was made and indicators were developed (those ofthe QC tools not being fine enough for this type of study), particularly the Index ofSmoothing and Overload, ISO, which was used for the fine tuning of various strategies.Other tools for the measure of equity were also developed.

The curve below shows the total delay of the flights versus ISO in RCO strategy, asdescribed in section 4. On the same graphic, the position of CASA (ISO and delay) isalso shown.

Effect of smoothing

40000

50000

60000

70000

80000

90000

500 550 600 650 700 750 800 850 900 950

ISO

RCO

CASA

ISO *1000 - delay in minutes




4. STRATEGIES

Several slot allocation strategies were developed and compared to CASA. They aredescribed in this section.

4.1 ISA FPFS (First Planned First Served)

The aim of this heuristic was to reproduce CASA and, then, to be used as a reference,with the same values of the various parameters (smoothing, overload,...), for themeasure of the delays in the other strategies. This methodology had to be given upbecause it was found impossible to reproduce the CASA compromise with sufficientfidelity by using ILOG Solver. However this heuristic was useful for some measures(such as the strict application of the FPFS principle). It also helped to appreciate thequality of CASA which seems to reduce the total delay, with a good smoothing, withoutany risk of significant overload and few exceptions to FPFS principle.

4.2 ISA RCO not weighted (Reduce Cumulative Overloads)

The aim of this strategy, described in detail in the report, was to minimise the delay perflight, in a computing time comparable to CASA. To achieve this objective, it uses thecombined flights (i.e. the flights going through several regulations) starting from theprinciple that the more a flight is combined the more likely it will delay a greater numberof flights less or non combined. As it penalises these combined flights with respect totheir natural order, this heuristic ignores all equity principle.

4.3 ISA OPT (Optimal)

This strategy, as well as other optimisation methods (CENA, NLR, DLR), is used toassess the quality of RCO (and more generally, the quality of any slot allocation method)by computing the global optimum. Therefore, it can be known at which distance to thisoptimum is the total delay found by RCO.

4.4 ISA RCO weighted

The purpose of this strategy is mainly a feasibility study to anticipate the results of the« ATFM Priorities » study by developing a tool capable of allocating individual relativepriorities to flights. It is then possible to give to each flight a different weight in the costfunction to be minimised. The choice is no more reduced, as it is in CASA, to « regulatedor exempted ».




This feasibility study was made by weighting the flights according to their numbers ofpassengers. Therefore the result is the delay per passenger. By taking into account thesize of the flights, the delay per passenger is significantly reduced, but small flights areheavily penalised, with very high delays. A compromise between total cost and maximumcost should be aimed. The constraint programming used in ILOG Solver is fully adaptedto this kind of study. The curve below shows the delay per passenger versus themaximum delay.

average delay v max.

8

8,5

9

9,5

10

10,5

11

11,5

12

12,5

13

0 200 400 600 800 1000

max

RCO w eighted

CASA

delay in minutes

5. SCENARIOS

The strategies described in the above section were simulated in 3 scenarios whichcorrespond to 3 different objectives :

• a unitary case, small didactic example, aiming at showing the effects of localchoices on global results,

• a realistic scenario, i.e. an AMOC simulation of the CFMU operations for the 21st ofJune 1996 (except for 3 regulations, due to technical reasons), giving a total delayof 88,823 minutes. The CFMU report for the 21/06/96 shows 94,238 minutes ofdelay for the whole regulation scheme and with another version of CASA. The mapoverleaf shows the distribution of delay per centre, as output of the simulation.

Scenario 21/06/96




Distribution of delay per ACC

• a future scenario in order to analyse the behaviour of the various strategies in anextreme case. This scenario was simulated with a forecast traffic sample hence2006. 20 centres were regulated with their « centre capacities », as calculatedusing the FAP Methodology (Future ATM Profile, see report « Capacity Shortfalls inEurope »).




6. RESULTS

The main result of this study is the development of a tool capable of allocating a differentweight to each flight. Other results are the assessments of the potential delay reductionobtained by giving up the First Planned First Served principle of CASA and by taking intoaccount the number of passengers. These results are the following, with no limit to themaximum delay and for the day simulated :

• average delay per flight (and per passenger) regulated in CASA: 13 minutes

WITH THE SAME SMOOTHING (ISO = 0.80) :

• average delay per flight (and per passenger) regulated in RCO : 11 minutes

• average delay per passenger regulated in RCO weighted : 9 minutes

It should be noted that the ratio between RCO and RCO weighted is not independant ofthe level of smoothing : the reduction is 50% with a lower smoothing (ISOapproximatly 0.60). Therefore a different compromise between delay per passenger andsmoothing might be worth investigating.

7. CONCLUSIONS - FOLLOW UP

The first conclusion of the ISA study is the possible allocation, thanks to the constraintprogramming in particular, of individual relative priorities to flights in the ATFM slotallocation process, at least in a static manner. A tool was developed and fully integratedinto AMOC. The next step will consist in the study of the dynamic behaviour of theheuristic, as well as the potential delay reduction in these conditions, because in theoperational reality, the environment is permanently changing : modifications to flightplans, to regulations, manual interventions on slots allocated by the algorithm,... Thisstudy will be made with the TACOT (TACT Command Tool) simulator. During this study,comparisons of performance (computing times) will be made.




The second important finding of ISA is the quality of CASA as an excellentcompromise between the various objectives of equity, reduction of total delay,reduction of maximum delay and smoothing/removal of overload. However, thanks to theconstraint programming, other compromises are possible and can lead up to 30%reduction in the delay per passenger , with the current smoothing of CASA and a 1996traffic sample. Should the number of regulations be increased, and consequently thenumber of combined flights, this delay reduction would likely be more significant.

The follow up of the studies, either in static or dynamic mode, should start by a phase ofvalidation and improvement in the following areas :

• Evaluation indicators, particularly ISO and an equity index based on the number ofinversions.

• Simulations of other current scenarios, particularly to check whether ISO of CASAis constant.

• Improvement of the OPT strategy in order to measure the distance to the optimumof various strategies.

Then the ISA tool could be used for studies of slot allocation in the various followingdomains :

• Future scenarios to analyse the behaviour of the various strategies, includingCASA, with an increased traffic sample and increased or identical capacities.

• Other priorities based on :

- different compromises as ISA can restrict the values of smoothing, number ofinversions, maximum delay,...

- economic studies (in particular, in collaboration with ENAC -Ecole Nationalede l’Aviation Civile),

- attribution of a capital of points to the airlines,

- compensation of rerouteings,

- results of the «Priorities in ATFM » study launched by the EC andEUROCONTROL,

.............

The constraint programming tools ILOG Solver and Planner, and the competenceacquired in EEC in this field, could also be used in other studies , such as, still in ATFM,optimisation of the configurations and in the rerouteings programmes.


CENTRE EXPERIMENTAL EUROCONTROL

Tâche CEE N° R30 - Sommaire du rapport CEE No. 322 Page 8

VERSION FRANÇAISE

1. INTRODUCTION ET OBJECTIFS

Le Centre d’Expertise FDR (Flight Data Research) du CEE réalise pour le CFMU desétudes en vue d’améliorer le fonctionnement actuel de l’ATFM en Europe. Certaines deces études portent sur le programme CASA d’attribution des créneaux.

L’algorithme de CASA est basé sur le principe du premier prévu (dans une régulation)premier servi. En fait dès qu’il y a combinaison de régulations, c’est-à-dire lorsque desvols passent par plusieurs zones régulées, l’application rigoureuse, dans chacune desrégulations, de ce principe (FPFS, First Planned First Served) conduirait à des délais trèsimportants, alors même que les capacités ne seraient pas atteintes. C’est pourquoil’algorithme de CASA, tout en appliquant le principe FPFS dans une régulation donnée,pour les vols dont c’est la plus pénalisante, réalise pour les autres vols un compromisentre l’équité (au sens FPFS) et le risque de surcharge.

Parallèlement à la surveillance de cet équilibre et à l’amélioration de l’algorithme actuel,que mènent en commun le CEE et le CFMU, un projet à plus long terme a été initié. ils’agit d’ISA (Innovative Slot Allocation) dont l’objectif est l’étude d’autres systèmes depriorités : étude de faisabilité et quantification de l’abandon éventuel des règlesactuellement appliquées par le CFMU.

Ce rapport veut donc essentiellement répondre aux 2 questions suivantes :

• Est-il possible techniquement de répartir les délais suivant d’autres règles ?

• Quel est le coût du principe d’équité par vol appliqué par CASA ?

Il s’agit aussi d’anticiper les résultats de l’étude lancée par la Commission Européenne etEurocontrol sur « les Priorités dans l’ATFM », en développant un outil capable dequantifier les effets de principes nouveaux d’allocation de créneaux.




2. OUTILS

Les outils utilisés pour réaliser cette étude sont les logiciels ILOG Solver et Planner pourdévelopper les algorithmes et le simulateur ATFM, AMOC (ATFM Modelling Capability),pour effectuer des tests comparatifs sur différents scénarios. Afin de comparer lesrésultats des différentes stratégies avec les outils habituellement utilisés par le CFMUpour le contrôle qualité de CASA (entre autres, le respect de l’équilibre « équité-surcharge »), ces derniers, les outils QC, ont été intégrés à AMOC.

3. LISSAGE - ISO (Index of Smoothing and Overload)

La différence de délai entre deux simulations du même scénario peut provenir de l’ordredes vols dans les « slot lists », la stratégie, mais aussi du degré de lissage (« 5 vols par10 min. » donne des résultats sensiblement différents de « 1 vol par 2 min. »). Afin demesurer les seuls effets de la stratégie, il fallait effectuer les comparaisons à lissageégal.

Une étude approfondie du lissage a donc été menée et des critères de mesure ont étédéveloppés (ceux des outils QC n’étant pas assez fins pour ce type de recherche), enparticulier le critère ISO (Index of Smoothing and Overload) qui a été utilisé pour leréglage fin des paramètres des différentes stratégies. On notera aussi le développementd’outils complémentaires pour la mesure de l’équité.

La courbe ci-dessous donne le délai total des vols en fonction de l’ISO dans la stratégieRCO, décrite plus loin. sur le graphique est également indiquée la position de CASA(ISO et délai).

Influence du lissage

40000

45000

50000

55000

60000

65000

70000

75000

80000

85000

90000

500 550 600 650 700 750 800 850 900 950

ISO

RCO

CASA

ISO en millièmes - délai en minutes




4. STRATEGIES

Plusieurs stratégies d’attribution des créneaux ont été développées et comparées àCASA. Elles sont décrites ci-dessous :

4.1 ISA FPFS (First Planned First Served)

Cette heuristique avait pour but de reproduire CASA puis de servir de référence, àvaleurs des paramètres identiques (lissage, surcharge,...), pour la mesure des délais desautres stratégies. Cette méthodologie a dû être abandonnée car il était impossible dereproduire fidèlement le compromis CASA avec Ilog Solver. Néanmoins cette heuristiquea été utile dans certaines mesures (celle de l’application stricte du principe FPFS, parexemple). Elle a permis aussi d’apprécier la qualité de CASA qui semble réduire le délaitotal, avec un bon lissage, sans risque de surcharge importante et peu d’entorses auprincipe FPFS.

4.2 ISA RCO non pondérée (Reduce Cumulative Overloads)

Cette stratégie, décrite en détail dans le rapport, a pour objectif la minimisation du délaipar vol, en un temps de calcul comparable à celui de CASA. Elle utilise pour cela les volscombinés (i.e. ceux qui traversent plusieurs régulations) partant du principe que plus unvol est combiné plus il est susceptible de retarder un grand nombre de vols moins ounon combinés. Pénalisant ces vols par rapport à leur ordre naturel, cette heuristiqueabandonne tout objectif d’équité.

4.3 ISA OPT (Optimal)

Cette stratégie, ainsi que d’autres méthodes d’optimisation (CENA, NLR, DLR,...) permetd’apprécier la qualité de RCO (plus généralement d’une méthode d’attribution decréneaux) en calculant l’optimum global. On obtient ainsi à quelle distance de cetoptimum se trouve le délai total calculé par RCO.

4.4 ISA RCO pondérée

Il s’agit essentiellement d’une étude de faisabilité qui veut anticiper les résultats del’étude « ATFM Priorities » en développant un outil permettant d’attribuer aux vols despriorités relatives individuelles. Il est alors possible de donner à chaque vol un poidsdifférent dans la fonction de coût à minimiser, le choix n’est plus réduit, comme c’est lecas dans CASA, à « régulé ou exempté ».




Cette étude a été menée en pondérant les vols par le nombre de passagers. Le résultatobtenu est donc le délai par passager. Cette prise en compte de la taille des avionsréduit sensiblement le délai par passager. Elle pénalise lourdement les petits avionspour lesquels les délais deviennent très importants. Un compromis entre coût total etcoût maximal devrait donc être recherché. La programmation par contraintes utilisée parILOG Solver est parfaitement adaptée à ce genre d’étude. Une courbe ci-dessousmontre le délai par passager en fonction du délai maximal :

delai moyen v max

8

8,5

9

9,5

10

10,5

11

11,5

12

12,5

13

0 200 400 600 800 1000

max

RCO pondérée

CASA

délai en minutes

5. SCENARIOS

Les stratégies exposées ci-dessus ont été simulées dans 3 scénarios correspondant à 3objectifs distincts :

• un cas unitaire, petit exemple didactique, destiné à montrer comment les choixlocaux des différentes stratégies influencent les résultats globaux,

• un scénario réaliste, c’est-à-dire une simulation AMOC des opérations du CFMU dela journée du 21/06/96 (à l’exception, pour des raisons techniques, de 3régulations) donnant un délai total de 88 823 minutes. Le compte-rendu CFMU du21/06/96 indique 94 238 minutes de délai pour l’ensemble des régulations et avecune version différente de CASA. La carte en page suivante montre la distributiondes délais par ACC telle que simulée.

Scénario 21/06/96




Distribution des délais par ACC

• un scénario futur pour étudier le comportement des différentes stratégies dans uncas extrême. Ce scénario a été simulé avec un échantillon de trafic prévu en 2006.20 centres ont été régulés avec des capacités par centre, calculées en utilisant laméthodologie FAP (Future ATM Profile, voir rapport « Capacity Shortfalls inEurope »).




6. RESULTATS

Cette étude a comme résultat essentiel le développement d’un outil permettantd’attribuer des poids différents à chacun des vols. Il est aussi possible de chiffrer le gainpotentiel de l’abandon de la stratégie First Planned First Served de CASA, ainsi que legain que permettrait la prise en compte du nombre de passagers. Ces résultats sont lessuivants, sans limite au délai maximal et pour la journée étudiée :

• Délai moyen par vol (et par passager) régulé dans CASA : 13 minutes

A LISSAGE EGAL (ISO = 0.80) :

• Délai moyen par vol (et par passager) régulé dans RCO : 11 minutes

• Délai moyen par passager régulé dans RCO pondérée : 9 minutes

Il convient ici de noter que le rapport entre RCO et RCO pondérée n’est pas indépendantdu degré de lissage : le gain est de 50% pour un lissage plus faible (ISO de l’ordre de0.6). On pourrait donc envisager aussi un compromis différent entre délai par passageret lissage.

7. CONCLUSIONS - SUITE DU PROJET

La première conclusion de l’étude ISA est qu’il est possible, grâce en particulier à laprogrammation par contraintes, d’attribuer, au moins de façon statique, des prioritésrelatives individuelles aux vols , lors de l’allocation des créneaux ATFM. Un outil a étédéveloppé et entièrement intégré au simulateur AMOC. L’étape suivante devra consisterdans l’étude du comportement dynamique de l’heuristique, ainsi que du gain potentieldans ces conditions. En effet, dans la réalité opérationnelle, l’environnement change defaçon permanente : modifications aux plans de vols, aux régulations, interventions desrégulateurs sur les créneaux calculés par l’algorithme,... Cette étude sera faite à l’aide dusimulateur TACOT (TACT Command Tool). A cette occasion, des mesures comparativesde performance (temps de calcul) pourront être entreprises.

Le deuxième enseignement important d’ISA est la qualité de CASA qui réalise unexcellent compromis entre les différents objectifs que sont l’équité, la réduction du délaitotal, celle du délai maximal et le lissage/suppression des surcharges. Néanmoins, grâceà la programmation par contraintes, d’autres compromis sont possibles et peuventdonner jusqu’à 30% de gain par passager , en conservant le lissage actuel de CASA,sur un échantillon de 1996. Si le nombre de régulations venait à augmenter, et avec luile nombre de vols combinés, ce gain devrait logiquement croître également.




La poursuite des études, que ce soit en mode statique ou dynamique, doit commencerpar une phase de validation et amélioration dans les domaines suivants :

• Critères d’évaluation, en particulier ISO et mesure de l’équité par calcul du nombred’inversions.

• Simulations d’autres scénarios actuels, en particulier pour vérifier le caractèreconstant de l’ISO de CASA.

• Amélioration de la stratégie OPT pour mesurer la distance à l’optimum desdifférentes heuristiques.

Ensuite l’outil ISA pourra être utilisé pour des études d’allocation de créneaux dansles différents domaines suivants :

• Scénarios futurs pour analyser le comportement des différentes stratégies, y-compris CASA, lors d’une augmentation du trafic, avec ou non augmentation descapacités.

• Autres priorités basées sur :

- d’autres compromis dans la mesure où ISA permet de fixer des bornes auxvaleurs du lissage, du nombre d’inversions, du délai maximal,...

- des études économiques (en particulier, en collaboration avec l’ENAC- EcoleNationale de l’Aviation Civile),

- l’attribution d’un capital de points aux compagnies,

- la compensation de reroutements,

- les résultats de l’étude « Priorities in ATFM » lancée par l’EC etEUROCONTROL,

..........

Les outils de programmation par contraintes ILOG Solver et Planner, et la compétenceacquise au CEE en ce domaine, pourront aussi être utilisée à d’autres études , enparticulier, toujours dans l’ATFM, à l’optimisation des configurations et dans lesprogrammes de reroutements.




ABBREVIATIONS

ACC Air traffic Control Centre

AMOC ATFM Modeling Capability

ATAC Airspace Traffic dAta Capture

ATC Air Traffic Control

ATFM Air Traffic Flow Management

ATM Air Traffic Management

CASA Computer Assisted Slot Allocation

CENA Centre d’Etudes de la Navigation Aérienne

CFMU Central Flow Management Unit

DLR Deutsche Forschungsanstalt für Luft-und Raumfahrt

EATCHIP European Air Traffic Control Harmonization and ImplementationProgramme

ECAC European Civil Aviation Community

FAP Future ATM Profile

FPFS First Planned First Served

ISA Innovative Slot Allocation

NLR Nationaal Lucht-en Ruimtevaartlaboratorium

RCO Reduce Cumulative Overloads

TACOT TACT Automated Command Tool

eurocontrol · casa algorithm, while applying fpfs in a given regulation, for the flights it is the...

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