Metoda wyznaczania pojemności rejonu lotniska dla różnych systemów organizacji ruchu lotniczego.

Politechnika Warszawska, Wydział Transportu Jacek Skorupski Metoda wyznaczania pojemności rejonu lotniska dla różnych systemów organizacji ruchu lotniczego. rozprawa doktorska Promotor: prof. dr hab. inż. Mirosława Dąbrowa-Bajon Warszawa, 1997

1. Cel i przedmiot badań 4 1.1 Teza pracy 5 1.2 Cel i zakres pracy 6 1.3 Podstawowe definicje 6 1.4 Istotność badań nad wyznaczaniem pojemności 12 2. Przegląd literatury 15 2.1 Prace podstawowe 15 2.2 Opóźnienia i jakość obsługi 19 2.3 Pojemność lotniska a zagadnienie sterowania strumieniami ruchu 20 2.4 Pojemność dróg startowych 22 2.5 Metody wyznaczania pojemności sektorów kontroli 23 2.6 Możliwości sterowania pojemnością lotniska 25 2.7 Podsumowanie 28 3. Modelowanie rejonu lotniska. 29 3.1 Systemy masowej obsługi 30 3.2 Sieciowe systemy masowej obsługi 31 3.3 Oczekiwanie na obsługę 32 3.4 Model rejonu lotniska 33 3.5 Strumień wejściowy do obszaru TMA. 41 3.6 Procesy obsługi w kolejnych fazach 43 4. Metoda wyznaczania pojemności rejonu lotniska. 44 4.1 Model badanej przestrzeni 45 4.2 Język opisu danych 47 4.3 Eksperymenty symulacyjne 52 4.4 Wyznaczanie pojemności 56 5. Realizacja modelu rejonu kontrolowanego lotniska 58 5.1 Program realizujący model lotniska 58 5.2 Weryfikacja modelu. 64 Politechnika Warszawska Wydział Transportu 2

6. Przykład zastosowania metody - wyznaczenie pojemności lotniska Warszawa-Okęcie 78 6.1 Identyfikacja systemu 78 6.2 Założenia i postać danych wejściowych. 84 6.3 Eksperymenty symulacyjne. 97 7. System wyznaczania pojemności rejonu lotniska w czasie rzeczywistym. 106 7.1 Koncepcja systemu 106 7.2 Program do wyznaczania pojemności lotniska 107 7.3 Wpływ czynników zewnętrznych na parametry modelowania. 108 7.4 Program modyfikacji parametrów 110 7.5 Zastosowanie systemu do prognozowania pojemności lotniska 112 8. Podsumowanie 122 8.1 Ocena zrealizowanych zadań 123 8.2 Kierunki dalszych badań 125 8.3 Wnioski końcowe 126 9. Literatura 128 Politechnika Warszawska Wydział Transportu 3

1. Cel i przedmiot badań Ruch lotniczy jest realizowany w wydzielonych obszarach przestrzeni powietrznej i podlega sterowaniu przez służby kontroli. Służby te dbają o zapewnienie odpowiedniej separacji pomiędzy samolotami, tak aby zapewnić ich bezpieczeństwo. Uzyskiwanie wymaganej separacji jest szczególnie utrudnione w przypadku obszarów o dużym natężeniu ruchu lotniczego. Największe zagęszczenie ruchu lotniczego występuje w rejonie kontrolowanym lotniska. Dlatego też, bardzo istotna jest znajomość liczby samolotów, które w danym momencie, przy określonych warunkach zewnętrznych, mogą przebywać w rejonie kontrolowanym lotniska. W chwili obecnej, na świecie nie ma jeszcze przyjętych metod określania pojemności lotniska i sektora TMA. W ramach Międzynarodowej Organizacji Lotnictwa Cywilnego (ICAO) prowadzone są, w kilku ośrodkach światowych, prace nad uzgodnieniem norm określania tych pojemności oraz prace nad metodami ich wyznaczania. Opracowanie takich metod dałoby możliwości usprawnienia sterowania ruchem lotniczym na świecie. Dałoby również wymierne korzyści przy przeprowadzanej obecnie modernizacji portów lotniczych w Polsce. Realizacja metod wyznaczania pojemności rejonu lotniska wymaga dokonania pełnej identyfikacji zjawisk zachodzących w ruchu lotniczym w tych obszarach. Dla prawidłowego określenia zakresu i przedmiotu badań, konieczne jest wyodrębnienie interesującego nas horyzontu sterowania. W ruchu lotniczym można zdefiniować następujące: bieżące sterowanie ruchem w czasie rzeczywistym - polega na podejmowaniu przez kontrolerów ruchu lotniczego działań, zmierzających do bezkolizyjnego i terminowego przelotu przez podległe im strefy odpowiedzialności (sektory kontroli); sterowanie procesem ruchu w cyklu dobowym - jest realizowane przez służby zarządzania strumieniem statków powietrznych (ATFM), a polega na takim kształtowaniu potoków ruchu, aby minimalizować prawdopodobieństwo występowania spiętrzeń ruchowych; sterowanie realizacją zadań transportowych w cyklu półrocznym - polega na opracowywaniu sezonowych, powtarzalnych planów lotów, na podstawie dostarczanych przez towarzystwa lotnicze zapotrzebowań na przeloty, oraz opracowywaniu rotacji samolotów i załóg; sterowanie krótko- i długookresowym rozwojem systemu ruchu lotniczego. Podejmowane w tej pracy badania skupiają się głównie na pierwszych dwóch horyzontach, chociaż ich znaczenie dla dwóch pozostałych jest także niebagatelne. Ich efekty mogą i powinny być w nich także uwzględniane. Badanie ruchu lotniczego jest przeprowadzane pod kątem usprawnienia metod i algorytmów sterowaniaz zarówno w krótkim, jak i średnim horyzoncie czasowym. Z tego też punktu widzenia, pewne cechy ruchu lotniczego są szczególnie istotne. Jest on realizowany głównie według rozkładu lotów, czyli, w pewnym cyklu, istnieje powtarzalność intensywności ruchu. Dadzą się tu wyróżnić cykle o dwóch długościach: dobowy i tygodniowy. Jest to ruch częściowo zorganizowany. Znaczna większość lotów jest zorganizowana (ruch pasażerskich statków komunikacyjnych), jednak istnieje pewna część ruchu samoorganizującego się (ruch małych, prywatnych samolotów). W Polsce przeważa ruch pierwszego typu, jednak przewaga ta stale maleje. Politechnika Warszawska Wydział Transportu 4

Jest to ruch całkowicie regulowany, to znaczy o kolejności przelotu przez skrzyżowanie dróg lotniczych, o kolejności zajęcia ścieżki schodzenia itp. decyduje organ sterujący - kontroler ruchu lotniczego. 1.1 Teza pracy Ruch lotniczy charakteryzuje sie licznymi cechami, pozwalającymi na stwierdzenie, że jest on dynamicznym, wielkim, złożonym systemem hierarchicznym [66]. System ten charakteryzuje się występowaniem zmian strukturalnych i funkcjonalnych wraz z upływem czasu. Jego liczba elementów jest tak duża, że praktycznie nie można ich w pełni zidentyfikować. Podobnie liczba sprzężeń pomiędzy poszczególnymi elementami jest bardzo duża. System jest probabilistyczny, gdyż mimo znajomości stanu początkowego i sposobu transformacji stanów, nie jest możliwe jednoznaczne przewidzenie nowego stanu wyróżnionego. W systemie tym występują liczne relacje podrzędności-nadrzędności pomiędzy elementami. Analizowanie i badanie tego typu systemów stwarza liczne problemy metodologiczne i obliczeniowe. Wyznaczanie pojemności rejonu lotniska, jako jeden z elementów takiej analizy, podlega takim samym trudnościom. Liczne pozycje literatury, dotyczącej zagadnienia wyznaczania pojemności rejonu lotniska, wskazują na metody symulacji komputerowej, jako najwłaściwsze dla rozwiązania tego problemu. Są one jednak niezwykle pracochłonne, zarówno w procesie tworzenia modeli ruchu lotniczego w rejonie lotniska, jak też ich komputerowych realizacji i eksperymentów symulacyjnych. Wymagania stawiane przez te metody sprzętowi komputerowemu uniemożliwiają praktyczne wykorzystywanie istniejących metod symulacyjnych w warunkach rzeczywistego ruchu, w przestrzeni odpowiedzialności rzeczywistego lotniska. Z tych też względów są one wykorzystywane w niewielkim stopniu, dla pewnego ograniczonego zestawu czynników wpływających na pojemność rejonu lotniska, lub też tylko dla niewielkich części rejonu lotniska. Wykorzystanie to sprowadza się do badań laboratoryjnych i cząstkowych. Konieczne staje się więc zbudowanie modelu rejonu lotniska, przy wykorzystaniu którego można byłoby badać jego właściwości w odpowiednio szerokim zakresie. Na podstawie tego modelu można opracować efektywną metodę wyznaczania pojemności lotniska. Metoda ta umożliwi wyznaczanie, w czasie rzeczywistym, nie tylko aktualnej pojemności lotniska, lecz także generowanie prognoz przyszłej pojemności. W pracy tej zostanie przedstawiony dowód twierdzenia, że mimo iż rejon lotniska jest niezwykle skomplikowany, to zbudowanie takiego modelu i opracowanie takiej metody jest w pełni możliwe. Niniejsza praca będzie więc realizacją dowodu następującej, dwupoziomowej tezy. 1. System, jaki stanowi rejon lotniska, można opisać za pomocą modeli typu masowej obsługi. 2. Korzystając z tych modeli, można zbudować efektywny system komputerowy do wyznaczania, w czasie rzeczywistym, aktualnej i przyszłej pojemności lotniska. Politechnika Warszawska Wydział Transportu 5

1.2 Cel i zakres pracy Podstawowym celem pracy jest opracowanie metody wyznaczania pojemności lotniska. Dla osiągnięcia tego celu konieczne jest skonstruowanie modelu opisującego rejon lotniska. Model ten winien charakteryzować się dostateczną zgodnością z opisywanym systemem, ale jednocześnie być wystarczająco prostym, aby umożliwić efektywne jego wykorzystywanie. Te przeciwstawne cele, zgodnie z postawioną tezą, realizuje model typu masowej obsługi. Dysponując właściwym modelem rejonu lotniska, możliwe będzie zbudowanie: 1. programu komputerowego do wyznaczania pojemności lotniska, 2. bardziej złożonego systemu komputerowego, który na sprzęcie o przeciętnej mocy obliczeniowej będzie w stanie, w czasie rzeczywistym, wyznaczać pojemność lotniska; zarówno aktualną, jak i prognozowaną na podstawie przewidywanych zmian warunków atmosferycznych, charakterystyk ruchowych lotniska itp. Dla realizacji postawionych zadań podstawowych konieczne będzie rozwiązanie licznych, szczegółowych problemów i zadań pomocniczych. Należą do nich, między innymi: 1. analiza istniejącej literatury przedmiotu, 2. właściwe zdefiniowanie badanych wielkości, 3. opracowanie sposobu modelowania rejonu lotniska, 4. realizacja komputerowego modelu przestrzeni powietrznej rejonu lotniska, 5. weryfikacja poprawności stworzonego modelu, 6. badanie wrażliwości pojemności na zmiany parametrów zewnętrznych, 7. analiza probabilistyczna prognoz przyszłej pojemności lotniska. W pracy szczególny nacisk zostanie położony na opracowanie metody, umożliwiającej badanie pojemności dla równych systemów organizacji ruchu lotniczego oraz równych warunków w jakich lotnisko musi funkcjonować. Należą do nich, m.in.: budowa i ukształtowanie lotniska, struktura strumienia samolotów korzystających z lotniska, istniejące wyposażenie techniczne, stosowane metody kontroli, występujące warunki atmosferyczne itp. Takie podejście umożliwi wykorzystywanie metody dla równych lotnisk, jak również określania pojemności rejonu lotniska dla przyszłych, prognozowanych warunków jego działania. 1.3 Podstawowe definicje Problematyka wyznaczania pojemności rejonów lotnisk jest podejmowana od połowy lat siedemdziesiątych. Jednak do tej pory nie wypracowano jednolitego systemu definicji, określeń i pojęć, które opisywałyby cel i przedmiot tych badań. W tym zakresie występuje tu duży chaos pojęciowy. Dopiero obecnie podejmowane są próby ujednolicenia definicji i pojęć [87]. Ponieważ brakuje wzorców definicyjnych, w niniejszej pracy przedstawione są propozycje własnych definicji i określeń, dotyczących badanego rejonu i badanych wielkości. Politechnika Warszawska Wydział Transportu 6

1.3.1 Rejon lotniska Pod pojęciem rejonu lotniska (S RL ), w tej pracy, rozumiany jest pewien obszar, opisany w trzech wymiarach, który jest sumą kilku składowych: gdzie: S RL = S TMA S CTR S TX S TS, S TMA - przestrzeń powietrzna, w której samoloty wykonują procedury podejścia do lądowania oraz nabierania wysokości po starcie, odpowiadająca w przybliżeniu przestrzeni rejonu kontrolowanego lotniska (TMA); S CTR - przestrzeń dróg startowych, obejmująca zarówno przestrzeń powietrzną, jak i naziemną, w której samoloty wykonują manewry startu i lądowania, odpowiadająca w przybliżeniu przestrzeni obszaru kontrolowanego lotniska (CTR); S TX - obszar naziemny, na którym odbywa sie kołowanie samolotów po lądowaniu i przed startem; S TS - obszar naziemny, w którym odbywają się czynności obsługi technicznej samolotów. Jeśli przez S FIR oznaczymy przestrzeń dostępną dla ruchu komunikacyjnych statków powietrznych, zaś przez S AWY - przestrrzeń powietrzną dróg lotniczych, wówczas zachodzi: S FIR = S AWY S RL. W niniejszej pracy, dla poszczególnych przestrzeni, będą używane zamiennie następujące określenia: S RL : rejon lotniska, rejon kontrolowany lotniska, lotnisko; S TMA : obszar TMA, drogi lotnicze w TMA; S CTR : obszar CTR, przestrzeń dróg startowych, przestrzeń pasów startowych, drogi startowe, pasy startowe; S TX : obszar dróg kołowania, drogi kołowania; S TS : rejon obsługi technicznej, stanowiska postojowe. Dla każdej części składowej lotniska używane jest również określenie ogólne - podsystem. Przy wyznaczaniu pojemności będzie rozpatrywany cały obszar S RL. Jednak zarówno w metodzie wyznaczania pojemności, jak i w modelach uwzględniona została jego złożona struktura. 1.3.2 Opóźnienie Różni uczestnicy procesu ruchu w transporcie lotniczym, różnie rozumieją pojęcie opóźnienia. Można tu wyróżnić kilka podejść: teoretyczne, służb kontroli ruchu lotniczego, pasażerów i linii lotniczych. W pierwszych dwóch istotny jest czas przebywania w pewnym obszarze, zatem czas opóźnienia τ d jest równy: τ d = τ - τ nom, Politechnika Warszawska Wydział Transportu 7

gdzie: τ - rzeczywisty czas przebywania w danym obszarze, τ nom - nominalny, czyli przewidywany czas przebywania w obszarze. W pozostałych dwóch istotny jest moment osiągnięcia punktu docelowego, zatem opóźnienie jest równe: gdzie: τ d = t - t rozk, t - rzeczywista chwila osiągnięcia punktu docelowego, t rozk - chwila osiagnięcia punktu docelowego, założona rozkładem lotów. W rozumieniu teoretycznym, opóźnienie jest to wydłużenie czasu przebywania samolotu w pewnym obszarze, spowodowane ruchem innych samolotów, występowaniem wiatrów i innych zjawisk pogodowych. Przy takim podejściu można określić pewien teoretyczny czas przebywania samolotu w danym obszarze τ o, wyznaczony na podstawie charakterystyk techniczno-ruchowych samolotu, to znaczy odpowiadający optymalnej trasie i prędkości lotu samolotu danego typu. Przy określaniu tego czasu zakłada się brak oddziaływania innych uczestników procesu ruchowego oraz oddziaływania zjawisk meteorologicznych, czy innych zjawisk losowych. W takim ujęciu, opóźnieniem jest każde zwiększenie czasu przebywania samolotu w badanym rejonie, niezaleznie od jego żródła, od mozliwości jego przewidywania, od jego charakteru itp. Jednak niektóre z tych zjawisk (ruchowych, pogodowych) mają charakter powtarzalny, występują przez dłuższy czas itp. Inaczej mówiąc możliwe jest przewidywanie niektórych z tych zjawisk i uwzględnienie ich w określaniu nominalnego czasu przebywania w badanym obszarze. Takie podejście jest stosowane przy określaniu opóźnienia w rozumieniu służb kontroli ruchu lotniczego i w niniejszej pracy. Czas przebywania w określonym obszarze jest wówczas określany w tzw. planie lotu. W planie tym τ nom jest równy: gdzie: τ r τ ATC τ met τ nom = τ o + τ r + τ ATC + τ met, - dodatkowy czas przebywania w obszarze, spowodowany powtarzalnym ruchem innych statków powietrznych (na przykład wynikający z wyboru chwili wlotu w obszar w czasie zwiększonej intensywności ruchu); - dodatkowy czas przebywania w obszarze, wynikający z przepisów ATC oraz innych przepisów i ograniczeń zewnętrznych (np. ograniczeń związanych z hałasem); - dodatkowy czas przebywania w obszarze, wynikający z typowych zjawisk meteorologicznych (np. typowo występujących wiatrów z określonego kierunku). Wprawdzie czasy τ r, τ ATC, τ met są zmiennymi losowymi, jednak ich wartości oczekiwane są względnie dobrze określone, a ich wariancje stosunkowo małe, więc można je uznać za wartości zdeterminowane i uwzględnić w nominalnym czasie przebywania w obszarze. W tym ujęciu opóźnienie operacyjne jest to wydłużenie czasu przebywania samolotów w pewnym obszarze, wynikające z nagłych zmian warunków atmosferycznych, losowych sytuacji ruchowych w tym obszarze, awarii naziemnych urządzeń wspomagania sterowania ruchem itp. Politechnika Warszawska Wydział Transportu 8

W przypadku wyznaczania opóźnienia w niejednorodnym obszarze, składającym się z F podsystemów (tak jak w przypadku niniejszej pracy) opóźnienie w całym badanym obszarze jest sumą opóźnień składowych: F D = τ i= 1 d ( ) Zupełnie inaczej opóźnienie jest rozumiane przez pasażerów oraz, w pewnym zakresie, przez linie lotnicze. Zgodnie z wcześniejszą uwagą, w tym przypadku, najbardziej istotny jest moment osiągnięcia punktu docelowego, czyli lądowania. Wprawdzie mówi się także o opóźnieniu odlotu, czyli odlocie o czasie większym niż czas rozkładowy (podany w rozkładzie lotów), jednak jako uciążliwość jest odbierane jedynie opóźnienie lądowania rozkładowego, czyli przylot samolotu na lotnisko docelowe o czasie rzeczywistym większym, niż czas założony w rozkładzie lotów (t>t rozk ). Powstające w tym rozumieniu opóźnienia mają tendencję do propagacji, czyli przenoszenia się w czasie, na kolejne loty tego samego samolotu. Kompensacja tego rodzaju opóźnień jest trudna i wymaga dużego wysiłku organizacyjnego, technicznego i finansowego [15]. Wprawdzie istnieje zależność między opóźnieniem operacyjnym a opóźnieniem rozkładowym, jednak nie jest to zależność typu funkcyjnego. Może się zdarzać, że samolot, który nie jest opóźniony w rozumieniu służb kontroli ruchu lotniczego, jest znacznie opóźniony w rozumieniu pasażerów i towarzystw lotniczych, a także odwrotnie. i. 1.3.3 Pojemność lotniska W dotychczasowej literaturze można znaleźć kilka definicji pojemności lotniska, z których dwie znalazły szersze zastosowanie [48]. Jedna z nich określa tzw. pojemnośc praktyczną. Pojemność lotniska jest to liczba operacji startu i lądowania w jednostce czasu, odpowiadająca dopuszczalnemu poziomowi opóźnienia. Druga definicja odpowiada tzw. pojemności maksymalnej. Pojemność lotniska jest to maksymalna liczba operacji startu i lądowania, jaką lotnisko jest w stanie obsłużyć w jednostce czasu, przy stałym strumieniu zgłoszeń. Istotną różnicą między tymi definicjami jest to, że jedna z nich uwzględnia opóźnienia, zaś druga nie. Definicje pojemności różnią się ponadto horyzontem czasowym, do którego się odnoszą. Ponieważ niniejsza praca zajmuje się bieżącym sterowaniem operacyjnym oraz horyzontem taktycznego planowania krótkoterminowego, definicja druga nie będzie w tej pracy wykorzystywana. Stosowana w literaturze definicja pojemności praktycznej rejonu lotniska zakłada istnienie funkcyjnej zależności pomiędzy natężeniem ruchu lotniczego, a opóźnieniem statku powietrznego. Na podstawie obserwacji rzeczywistej realizacji ruchu oraz rozważań teoretycznych można stwierdzić, że w praktyce taka zależność funkcyjna nie istnieje. Można natomiast mówić o zależności statystycznej pomiędzy natężeniem ruchu lotniczego, a średnim opóźnieniem. Analizując strukturę ruchu powietrznego w rejonie lotniska oraz obserwując zachodzące w tym obszarze zjawiska ruchowe, można zdefiniować następujące zmienne losowe, opisujące ruch lotniczy w tym obszarze. Politechnika Warszawska Wydział Transportu 9

X - zmienna losowa, określająca liczbę operacji startu i lądowania. Opisuje ona natężenie ruchu lotniczego w danym rejonie. D - zmienna losowa, określająca opóźnienie samolotu podczas przebywania w rejonie lotniska. Jest ona sumą opóźnień samolotu w poszczególnych podsystemach rejonu lotniska. W rzeczywistym ruchu lotniczym zmienne losowe X oraz D są od siebie zależne. Opóźnienie jest uzależnione od natężenia ruchu lotniczego. Co więcej, nawet przy stałym liczbowo natężeniu ruchu, opóźnienie może się różnić ze względu na skład i charakter wejściowego strumienia samolotów. Natężenie ruchu X jest również zależne od opóźnienia D, gdyż w przypadku występowania dużych opóźnień w ruchu występują liczne odmowy przyjęcia samolotu do danej przestrzeni powietrznej, co oddziałowuje na strumień wejściowy, zmieniając zarówno jego wielkość, jak i charakterystykę. Mając na uwadze powyższe rozważania można zmodyfikować istniejącą definicję pojemności, nadając jej następującą postać: Pojemność lotniska CT jest równa takiej liczbie operacji startu i lądowania, dla której prawdopodobieństwo warunkowe tego, że opóźnienie jest większe, niż maksymalna wartość dopuszczalna D max, jest równe pewnej ustalonej wartości P T. :, = Bardziej formalnie można byłoby zdefiniować pojemność C T następująco: = gdzie funkcja G x jest zdefiniowana, jako następujące prawdopodobieństwo warunkowe: = = Istotą tej definicji jest poszukiwanie takiej wartości natężenia ruchu, która odpowiada pewnej wartości D max. Ponieważ nie jesteśmy w stanie poznać przebiegu funkcji G X, dlatego, dla danej wartości D max, możemy mówić jedynie o prawdopodobieństwie tego, że odpowiadającą jej wartością natężenia ruchu jest x 0. Jeżeli analiza otrzymywanej próbki statystycznej pokazuje, że dla danej wartości x 0 prawdopodobieństwo tego, że zmienna losowa D jest większa od Dmax jest mniejsze od 0.5, oznacza to, że szukana wartość C T jest prawdopodobnie większa od wartości x 0. Analogicznie, jeżeli w próbce statystycznej, dla danej wartości x 0, prawdopodobieństwo tego, że zmienna losowa D jest większa od D max, jest większe od 0.5, oznacza to, że szukana wartość C T jest prawdopodobnie mniejsza od wartości x 0. Tak więc w podanej definicji należy przyjąć, że ustalona wartość P T powinna wynosić 0.5. Wartość ta oznacza, że dla danej wartości x 0 jest równie prawdopodobne, że odpowiadająca jej wartość średniego opóźnienia jest większa, jak też i mniejsza od ustalonej wartości D max. Pozwala to przypuszczać, że tak wyznaczona wartość x 0 jest szukaną wielkością pojemności C T. Aby podana definicja umożliwiała wyznaczenie pojemności lotniska, należy jeszcze określić wartość D max, czyli maksymalną dopuszczalną wartość średniego opóźnienia. Wielkość ta jest determinowana przez założony poziom obsługi pasażera. Jest on różny, w zależności od przyjętych założeń. Zazwyczaj przyjmuje się 4 minuty dla najbardziej obciążonego (przypuszczalnie) podsystemu [48], [3]. Ponieważ w niniejszej pracy badanych jest kilka kolejnych podsystemów, zatem opóźnienia sumują się w nich. W prezentowanych w tej pracy Politechnika Warszawska Wydział Transportu 10

wynikach liczbowych, przyjęto D max równe 8 minut, czyli po 4 minuty na proces startu i proces lądowania. Wartość ta oczywiście jest umowna, ponieważ nie ma dotychczas ustalonych norm na maksymalną dopuszczalną wartość średniego opóźnienia podczas procesu startu czy lądowania. Na przykład w pracy [21] przyjęto, przy badaniu pojemności, 10 minut dla samolotów startujących, jako maksymalną dopuszczalną wartość opóźnienia. Pojemność lotniska rozumiana w wąskim sensie jest pewną cechą układu komunikacyjnego, czyli pewnym ograniczeniem, jakie jest napotykane przez ruch satków powietrznych w rejonie lotniska. Jednak w świetle podanej tu definicji, należy jej znaczenie widzieć nieco szerzej. Jest ona bowiem zależna nie tylko od cech układu komunikacyjnego, takich jak liczba i ukształtowanie pasów startowych, czy liczba stanowisk postojowych na płycie przeddworcowej. Jest ona także zależna od charakterystyk samego ruchu, od jego struktury, od jego intensywności w czasie i przestrzeni. Tak rozumiana pojemność jest więc pewnym łącznym wskaźnikiem oceny obu tych składników systemu transportu lotniczego, a więc zarówno ruchu, jak i układu komunikacyjnego. Tak też będzie rozumiana pojemność rejonu lotniska w tej pracy. 1.3.4 Pozostałe określenia W pracy używane są liczne pojęcia związane ze sterowaniem ruchem lotniczym, które są zdefiniowane w dokumencie [50]. Definicje te sa zwyczajowo stosowane przez służby kontroli ruchu lotniczego. Droga kołowania - określona trasa na lotnisku lądowym, przeznaczona do kołowania statków powietrznych i zapewniająca połączenie między określonymi częściami lotniska. Droga lotnicza - część obszaru kontrolowanego, wydzielona w postaci korytarza dla przelotów statków powietrznych, w której działają urządzenia radionawigacyjne. Kołowanie - ruch statku powietrznego po powierzchni lotniska przy użyciu mocy własnej, wyłączając start i lądowanie. Kontroler ruchu lotniczego - osoba upoważniona do pełnienia służby kontroli ruchu lotniczego. Lot IFR - lot wykonywany zgodnie z przepisami dla lotów według wskazań przyrządów. Lot VFR - lot wykonywany zgodnie z przepisami dla lotów z widocznością. Organ kontroli lotniska - organ ustanowiony do zapewnienia służby kontroli ruchu lotniczego dla ruchu lotniskowego. Organ kontroli zbliżania - organ ustanowiony do zapewnienia na jednym lotnisku, lub węźle lotnisk, służby kontroli ruchu lotniczego; w odniesieniu do statków powietrznych przylatujących i odlatujących. Plan lotu - określone informacje dotyczące zamierzonego lotu, dostarczone przed lotem organom służby ruchu lotniczego. Płyta przeddworcowa - wydzielona dla postoju statków powietrznych część powierzchni lotniska, na której odbywa się wsiadanie i wysiadanie pasażerów, załadunek i wyładunek towaru, bagażu i poczty, zaopatrywanie w paliwo i obsługa tych statków. Procedura oczekiwania - ustalony manewr, który zapewnia utrzymywanie sie statku powietrznego w określonej przestrzeni powietrznej w oczekiwaniu na dalsze zezwolenia. Politechnika Warszawska Wydział Transportu 11

Procedura po nieudanym podejściu - procedura, którą należy wykonać, jeżeli podejście do lądowania nie może być kontynuowane. Punkt przyziemienia - punkt, w którym nominalna ścieżka schodzenia przecina drogę startową. Rejon informacji powietrznej (FIR) - przestrzeń powietrzna o określonych wymiarach, w której zapewniona jest służba informacji powietrznej i służba alarmowa. Rejon kontrolowany lotniska (TMA) - obszar kontrolowany, ustanowiony zwykle u zbiegu dróg lotniczych w pobliżu jednego lotniska lub kilku (węzła) lotnisk. Ruch lotniczy - ruch wszystkich statków powietrznych wykonujących loty lub poruszających się na polach manewrowych lotnisk. Ruch lotniskowy - wszelki ruch na polu manewrowym oraz ruch wszystkich statków powietrznych wykonujących loty w pobliżu lotniska. Sektor kontrolowany - część wyznaczonego obszaru kontrolowanego, w którym odpowiedzialność została nałożona na jednego lub na pewną grupę kontrolerów. Separacja - odstęp między statkami powietrznymi, poziomami lub liniami drogi. Strefa kontrolowana lotniska - przestrzeń powietrzna kontrolowana, rozciągająca się od powierzchni ziemi do okreslonej górnej granicy. Ścieżka schodzenia - profil zniżania ustalony dla prowadzenia statku powietrznegow płaszczyźnie pionowej, podczas wykonywania końcowego podejścia do lądowania. 1.4 Istotność badań nad wyznaczaniem pojemności W ostatnich latach coraz więcej agencji rządowych, odpowiedzialnych za lotnictwo cywilne oraz zarządów portów lotniczych, zwraca coraz większą uwagę na zagadnienia pojemności lotnisk. Jest przy tym rzeczą znamienną, że główny nacisk kładziony jest na badania dotyczące metod zwiększania pojemności. Badania te przynoszą skutek, gdyż jest coraz więcej efektywnych metod i modeli wspomagających realizację tych celów. Jest przy tym zaniedbywana kwestia podstawowa, która powinna być punktem wyjścia, to znaczy metody wyznaczania pojemności. Działa tu prawdopodobnie pogląd: "Po co wyznaczać pojemność lotniska, skoro można od razu opracować metody jej zwiększania"? Pogląd ten wydaje się niesłuszny, gdyż, jak pokazują badania (np. [42], [21]), istniejące obecnie oraz możliwe do przewidzenia w przyszłości natężenie ruchu, w wielu przypadkach, nie powoduje nawet zbliżenia się do granicy pojemności, nie mówiąc o jej przekroczeniu. Warto więc najpierw wiedzieć, jaka jest rzeczywista pojemność lotniska, a następnie, w relacji do tej wiedzy, podejmować dalsze decyzje. Bez zachowania takiego logicznego porządku, wiele decyzji (zwłaszcza ekonomicznych) może być nieuzasadnionych. W wielu przypadkach, główny nacisk powinien być położony na działania niezbędne w przypadku gwałtownego zmniejszenia się pojemności lotniska, w wyniku różnego rodzaju awarii, zakłóceń ruchowych czy zjawisk meteorologicznych. Należy być wówczas przygotowanym do podejmowania odpowiednich akcji awaryjnych, przeciwdziałających zakłóceniom związanym z tym zmniejszeniem pojemności. Ale w tym momencie również konieczna jest znajomość pojemności lotniska w tych zmienionych warunkach. Zagadnienie wyznaczania pojemności sektorów kontroli ruchu powietrznego jest częścią szerszego problemu, nazywanego zarządzaniem przepływem strumieni statków powietrznych Politechnika Warszawska Wydział Transportu 12

(ATFM). Problem ten polega na planowaniu i kierowaniu strumieni samolotów, w obszarze ponadregionalnym, w długo- i średnioterminowym horyzoncie czasowym sterowania. Służby, zajmujące się planowaniem przepływu strumieni, analizują pojemność poszczególnych sektorów kontroli i odpowiednio do wyników tej analizy, koordynują formowanie tych strumieni. Celem działania tych służb jest: minimalizacja czasów oczekiwania statków powietrznych będących w powietrzu, unikanie chwilowych spiętrzeń w poszczególnych sektorach kontroli, zwiększanie regularności ruchu. Służby ATFM realizują te zadania na wielu płaszczyznach i przy użyciu różnorodnych środków technicznych i organizacyjnych. Działając strategicznie - analizują i koordynują plany lotów tak, aby minimalizować prawdopodobieństwo występowania spiętrzeń. Działania taktyczne polegają na odpowiednim opóźnianiu startów statków powietrznych, które mogłyby znaleźć się w przeciążonych sektorach kontroli [78]. U podstawy tych działań leży stwierdzenie faktu, że opóźnienie statku powietrznego powstające na powierzchni ziemi wiąże się z mniejszymi kosztami, niż opóźnienie wynikające z oczekiwania w powietrzu na możliwość lądowania. W tym ostatnim przypadku dochodzą dodatkowo koszty paliwa i koszty związane z bezpieczeństwem pasażerów. Istnieje wiele szczegółowych algorytmów do wyznaczania strategii zatrzymywania statków powietrznych na ziemi, korzystających z różnorodnych metod Badań Operacyjnych. Jednak ze względu na rozmiary i skomplikowanie zagadnienia rozważa się najczęściej sytuacje uproszczone. Podejmowane są jednak próby rozwiązania tego problemu w bardziej złożonych środowiskach. Jedną z ciekawszych jest zastosowanie metod Programowania Dynamicznego do wyznaczania strategii zatrzymywania dla sieci lotnisk [91]. Niezależnie od typu realizowanych zadań ATFM, służby za nie odpowiedzialne muszą znać aktualną i przyszłą (przewidywaną) pojemność sektorów kontroli, a zwłaszcza rejonów lotniska. Fakt ten jest bezpośrednią przyczyną podejmowania prac zmierzających do określenia metod, norm, czy choćby wytycznych do wyznaczania pojemności sektorów kontroli ruchu lotniczego. Dla efektywnego wypełnienia przez służby ATFM zadań średnioterminowych, konieczne jest informowanie ich o zmianach w pojemności sektorów kontroli z horyzontem nie większym, niż jedna godzina. Dla wypełnienia tego wymogu wydaje się koniecznym wyposażenie służb sterowania ruchem lotniczym w odpowiednie urządzenia techniczne, które na bieżąco będą wyznaczały pojemność. Nie jest bowiem możliwe wcześniejsze wyznaczenie pojemności, dla wszystkich możliwych do wystąpienia zespołów warunków meteorologicznych, technicznoeksploatacyjnych itp. Wyznaczane, przewidywane pojemności lotniska są obarczone wysoką niepewnością. Ma ona miejsce nawet dla prognoz o horyzoncie jednej godziny. Powodem tej niepewności jest fakt, że pojemność lotniska jest bardzo wrażliwa na, nawet niewielkie, zmiany warunków widzialności, siły i kierunku wiatru itp. Prognozy te należy więc jak najczęściej weryfikować, lub nawet wyznaczać je w sposób ciągły. Uzyskuje się wówczas coraz lepsze przybliżenie wartości rzeczywistej, gdyż im mniejszy odstęp czasu pomiędzy chwilą wykonywania prognozy, a chwilą dla której prognoza jest formułowana, tym mniejszy jest błąd oszacowania. Uświadomienie sobie miejsca systemu wyznaczania pojemności sektora kontroli ruchu (w przypadku tej pracy - pojemności lotniska) w ogólniejszym zagadnieniu zarządzania przepływem strumieni statków powietrznych, wydaje się potwierdzać słuszność przyjętych w tej pracy założeń Politechnika Warszawska Wydział Transportu 13

i celów: zbudowanie efektywnego, taniego, wiarygodnego systemu komputerowego do wyznaczania pojemności rejonu lotniska w czasie rzeczywistym 1. Wielkość pojemności lotniska ma również kluczowe znaczenie dla przewoźników lotniczych. Są oni żywotnie zainteresowani zmniejszeniem czasu przebywania samolotów w powietrzu i unikaniem obszarów spiętrzeń ruchowych; zarówno ze względów ekonomicznych, jak i z uwagi na bezpieczeństwo. Ważność zagadnienia wyznaczania pojemności lotniska dla przewoźników lotniczych wyraża się w trzech aspektach, odpowiadających trzem horyzontom planowania przez nich działalności przewozowej: 1. Zwiększanie pojemności lotnisk, na których działają przewoźnicy. Umożliwi swobodniejsze układanie rozkładów lotów, zgodnie z preferencjami pasażerów, czynnikami eksploatacyjnymi itp., bez obawy, że ich wykonanie nie będzie możliwe ze względu na występowanie spiętrzeń na lotniskach. Mimo tego, iż znane są liczne metody zwiększania pojemności lotnisk ich zastosowanie jest trudne, gdyż z powodu braku obiektywnych metod wyznaczania pojemności trudno jest oszacować jaki jej przyrost przyniosą określone nakłady finansowe. W tej sytuacji nie jest możliwa analiza finansowa skutków ewentualnej modernizacji lotniska. 2. Znajomość pojemności poszczególnych lotnisk, dla typowych warunków. Umożliwi przewoźnikowi takie opracowanie rozkładów lotów, aby zminimalizować prawdopodobieństwo tego, że jego samolot przyleci w rejon lotniska w okresie natężenia ruchu zbliżonego do wartości granicznych, czy nawet przekraczającego je. 3. Znajomość aktualnej i przewidywanej pojemności w krótkim horyzoncie czasowym. Może dopomóc w podejmowaniu działań operacyjnych, mających na celu ominięcie stref spiętrzeń ruchowych oraz zminimalizowanie strat finansowych spowodowanych przekroczeniem pojemności lotnisk. Kolejną dziedziną, gdzie odpowiednia metodologia i wspomaganie analityczne w zakresie wyznaczania pojemności lotniska jest bardzo istotne, jest projektowanie nowych, czy modernizacja istniejących portów lotniczych. Przy braku metod wyznaczania pojemności, a zwłaszcza przy dużej niepewności co do przyszłego charakteru strumienia samolotów obsługiwanych przez projektowane nowe lotnisko, nie jest możliwe stwierdzenie, czy lotnisko nie będzie od początku borykało się z problemami związanymi ze zbyt małą jego pojemnością. Posiadanie przez projektanta efektywnego narzędzia do wyznaczania pojemności, pozwoli na znaczne zmniejszenie nakładów finansowych związanych z budową nowego, czy modernizacją istniejącego portu lotniczego. 1 Pojęcie "czas rzeczywisty" jest używane dla podkreślenia faktu, że szybkość wyznaczania prognoz pojemności jest większa, niż szybkość zmian parametrów wpływających na tę prognozę. Politechnika Warszawska Wydział Transportu 14

2. Przegląd literatury Systemy sterowania ruchem lotniczym za podstawowy cel stawiają bezpieczeństwo ruchu powietrznego. Z tego powodu zdecydowana większość literatury dotyczącej systemów sterowania ruchem lotniczym skupia się na zagadnieniach budowy i technicznej realizacji urządzeń sterowania bezpośredniego (np. [7], [28], [53], [79], [81], [84]). Zagadnienia płynności ruchu, terminowości, efektywności wykorzystania przestrzeni powietrznej i inne związane ściślej z pojemnością sektorów kontroli (a w tym sektorów związanych z rejonem kontrolowanym lotniska), są analizowane znacznie rzadziej. Innym problemem, związanym z dokonaniem przeglądu aktualnego stanu prac nad zagadnieniami pojemności rejonu lotniska, jest niewielka dostępność do Źródeł. Mimo zmniejszenia się bariery finansowej w dostępie do literatury oraz politycznego otwarcia państw przodujących w technice lotniczej na kraje Europy Środkowej i Wschodniej, w dalszym ciągu wiele materiałów jest poufnych, bądź tajnych. Jest to związane ze stykiem badanych zagadnień z problemami obronności oraz z faktu, że większość publikacji są to raporty, ktorych opracowanie jest zlecane przez firmy zajmujące się problematyką ATC oraz przez agencje rządowe równych krajów. Opracowania te nie są przeznaczone dla szerokiego grona czytelników i w związku z tym nie są łatwo dostępne w Polsce. W ostatnich latach wielki postęp, w dziedzinie dostępu do publikacji naukowych, został dokonany dzięki możliwości korzystania z sieci Internet. Dotyczy to zarówno liczby publikacji, która wprawdzie powoli, lecz systematycznie wzrasta; jak i aktualności publikacji. Przedstawiony poniżej przegląd literatury zawiera krytyczne omówienie kilkunastu najważniejszych prac, dotyczących omawianych zagadnień. Mimo, iż nie jest to kompletna bibliografia (wybrane zostały jedynie niektóre, reprezentatywne dla grupy zagadnień prace), stanowi on odzwierciedlenie stanu i kierunków badań nad zagadnieniami pojemności rejonu lotniska, a także zagadnieniami pokrewnymi, ściśle związanymi z pojemnością. 2.1 Prace podstawowe Do podstawowych prac z zakresu analizy pojemności sektorów kontroli ruchu powietrznego należą badania R. Horonjeffa. Jest on autorem, między innymi, często stosowanych definicji pojemności lotniska [48]. Zostały one przedstawione w rozdziale 1.3. Jakkolwiek w obu tych definicjach mówi się o pojemności lotniska, jednak badaniu poddawana jest zazwyczaj pojemność pasów startowych. Znane są liczne modele analityczne i probabilistyczne wykorzystywane do określania godzinowej i rocznej pojemności pasów startowych (np. [1], [8], [45], [49]). Czynnikami, które uwzględniano przy analizie były: liczba pasów startowych i ich konfiguracja, liczba i konfiguracja dróg odjazdowych (w ograniczonym zakresie), wielkość statków powietrznych korzystających z lotniska, warunki pogodowe (loty IFR lub VFR), czas zajętości pasa. Przedstawiono liczne wykresy obrazujące pojemność pasów w zależności od tych czynników. Bardzo interesujący w tej pracy jest sposób wyznaczania średniej wartości natężenia ruchu lotniczego w okresie roku, na podstawie obserwacji, przeprowadzonych w określonych okresach roku. Prawidłowe określenie tej wielkości jest niezbędne dla obliczenia rocznej pojemnościi. Wyżej omówione modele dotyczyły wyznaczania pojemności praktycznej. Politechnika Warszawska Wydział Transportu 15

W pracy tej omówiono również modele do wyznaczania pojemności maksymalnej, w dwóch wariantach: przy stałym, ciągłym i deterministycznym strumieniu zgłoszeń, przy dopuszczeniu pewnych specyficznych czynników losowych, wpływających na stały strumień zgłoszeń. Problem pojemności miejsc postojowych i dróg kołowania potraktowano marginalnie. Podejście polegające na podziale obszaru wokół lotniska na mniejsze obszary (wyodrębnione w oparciu o kryteria funkcjonalne) i badanie poszczególnych części, było również realizowane, np. w pracy Rallisa [76]. Przedstawiono w niej, bardzo szczegółowo, sposób pozyskiwania danych statystycznych, dotyczących ruchu lotniczego w rejonie lotniska. Podzielono go na 7 podsystemów (nazywanych tam sekcjami): I - drogi lotnicze, II - TMA, III - pasy startowe, IV - miejsca postojowe, V - budynek obsługi pasażerów, VI - teren dla samochodów i VII - drogi dojazdowe. Każdy z tych obszarów potraktowano jako system masowej obsługi i utworzono odpowiednie modele masowej obsługi. Wyznaczono dystrybuanty rozkładu czasu przebywania obsługiwanych obiektów (samolotów, ludzi, samochodów) w poszczególnych częściach systemu. Wyznaczono także dystrybuanty rozkładu zgłoszeń do podsystemów. Przyjęto założenie, że zgłoszenia do sekcji I-VI są procesami Poissona. Na podstawie analizy prostych modeli typu M/M/s/N określono średnie czasy opóźnień w sekcjach. Każda z tych sekcji została jednak potraktowana całkowicie niezależnie od pozostałych. Ostatecznym wynikiem prowadzonych rozważań jest obliczenie pojemności poszczególnych podsystemów. Brakuje jednak definicji pojemności tych podsystemów. Poważną wadą otrzymanych wyników jest określenie ich wielkości w równych (nieporównywalnych) jednostkach, np. wg autora, pojemność drogi startowej wynosi 20 statków powietrznych/godzinę/pas, zaś budynku odpraw 40 pasażerów/godzinę/stanowisko odpraw. Uniemożliwia to określenie "wąskich gardeł" systemu, jak również badanie wrażliwości poszczególnych podsystemów na zakłócenia w innych podsystemach. Ponadto przyjęto założenia idealności warunków pogodowych, realizowanych strategii sterowania itp. Wybór typu modelu masowej obsługi opisującego zjawiska w danym obszarze budzi również dużo zastrzeżeń, np. najbardziej skomplikowana ze wszystkich przestrzeni kontrolowanych - przestrzeń TMA jest modelowana jako system M/M/1/N, co należy uznać za zbyt daleko idące uproszczenie. Praca ta przedstawia jednak bardzo szczegółowo sposób (metodologię) pozyskiwania danych statystycznych, dotyczących ruchu lotniczego w rejonie lotniska. Prowadzono również badania, mające na celu znalezienie takiej wartości pojemności lotniska, która byłaby do przyjęcia ze względu na wymagania ochrony środowiska [27]. Przedstawiono model matematyczny, wiążący działalność linii lotniczych z dopuszczalnymi normami zanieczyszczenia. Zastosowano dwa ograniczenia: hałas i zanieczyszczenie powietrza; każde z nich określone jednym parametrem. Jako funkcję celu wybrano maksymalizację zysków towarzystw lotniczych. Takie sformułowanie problemu prowadzi do problemu programowania nieliniowego. W celu jego rozwiązania zastosowano metodę dekompozycji Bendersa [92]. Model przedstawiony w tej pracy zakłada przeprowadzenie obliczeń z dokładnością do jednej godziny. Autor sugeruje, że otrzymana maksymalna liczba startów i lądowań wpływa na pojemność lotniska w tym samym stopniu, co fizyczne charakterystyki portu. Politechnika Warszawska Wydział Transportu 16

Hockday i Kanafani [44] poddali krytyce dotychczasowe podejście do zagadnienia wyznaczania pojemności lotniska, jako zależności (funkcji) opóźnień w ruchu od jego natężenia. Zwrócono uwagę na konieczność całościowego podejścia do zagadnienia, czyli konieczność wyznaczania pojemności portu lotniczego, a nie np. pasa startowego. Autorzy zauważają, że pojemność praktyczna łączy opóźnienia z pojemnością, a zatem zakłada, że na pojemność kanału obsługi ma wpływ rodzaj i czas przybycia poszczególnych obiektów żądających obsługi. Przy tym założeniu możliwa jest zmiana pojemności pasa startowego, bez zmiany fizycznych lub operacyjnych charakterystyk pasa, a jedynie przez zmianę czasów przybycia poszczególnych samolotów, np. tak, aby zmniejszyć średnią wielkość opóźnień. Z tego punktu widzenia, podana definicja pojemności budzi zastrzerzenia autorów. Zaprezentowano zatem model do wyznaczania rzeczywistej pojemności pasa startowego, oparty na modelu Harrisa [39]. W artykule przedstawiono obliczenia dotyczące jednego pasa startowego, jednak autorzy twierdzą, że możliwe jest zastosowanie tego modelu do badania pojemności kilku pasów startowych w równych konfiguracjach. Założenia tego modelu są następujące: samoloty przybywają do określonych punktów w przestrzeni (próg pasa startowego), w określonych chwilach czasowych, zgodnie z założonymi separacjami; występują odchylenia od założonego harmonogramu o rozkładzie normalnym, o średniej 0; odchylenia poszczególnych samolotów są od siebie niezależne; kontrolerzy zwiększają separacje pomiędzy samolotami o pewną wielkość buforową, tak aby zredukować prawdopodobieństwo naruszenia separacji. Metoda wyznaczania pojemności składa się z trzech następujących po sobie kroków: A. określenia separacji samolotów, B. obliczenia pojemności, C. wybor strategii sterowania. Model opiera się na określeniu zależności czasowo - przestrzennych, zachodzących pomiędzy dwoma statkami powietrznymi, realizującymi następujące po sobie operacje startu lub lądowania. Rozpatrzono dwa przypadki, w zależności od prędkości tych statków powietrznych. W kroku A wyznaczane jest pięć wielkości, które mogą decydować o koniecznej separacji. Krok B jest podzielony na trzy części: tylko dla operacji lądowania, tylko dla operacji startu, dla operacji mieszanych. Wyznaczana jest w nim pojemność pasa startowego przy wykorzystaniu wielkości obliczonych w kroku A. O ile dla operacji wyłącznie startu lub wyłącznie lądowania zadanie obliczeniowe jest stosunkowo proste, o tyle dla operacji mieszanych konieczne jest analizowanie przerw między kolejnymi lądowaniami, pod kątem możliwości wykonania w czasie ich trwania operacji startu. W kroku C określane są strategie sterowania i odpowiadające im pojemności pasa startowego. Z przedstawionego wykresu wynika, że stosując mieszane strategie sterowania można otrzymać pojemności wyższe, zarówno od pojemności przy wyłącznym użytkowaniu pasa startowego do lądowania, jak i wyłącznie do startów. W ostatniej części artykułu przedstawiono zastosowanie modelu do określenia pojemności pasa startowego lotniska La Guardia w Nowym Jorku. Politechnika Warszawska Wydział Transportu 17

W raporcie Airport Capacity Handbook [2] podana jest metoda określania wielkości opóźnień podczas pracy portu lotniczego, przy równych sposobach wykorzystania poszczególnych pasów startowych i przy równych warunkach pogodowych (IFR i VFR). Metoda polega na określeniu wielkości ruchu lotniczego w czasie godziny szczytowej definiowanej jako trzydziesta najbardziej obciążona godzina w ciągu roku. Następnie należy otrzymaną wielkość ruchu podzielić przez wielkość ruchu odpowiadającą czterominutowemu średniemu opóźnieniu godzinowemu. Przedstawiono wykresy obrazujące tą zależność. Obliczony iloraz odpowiada średniemu, rocznemu opóźnieniu na jedną operację. Po pomnożeniu przez wielkość rocznego ruchu, daje to wielkość rocznych opóźnień, przy założeniu, że badane warunki pogodowe i określony sposób wykorzystania pasa startowego utrzymywały się przez cały rok. Opracowanie podaje następnie sposób oszacowania rocznego opóźnienia, przy mieszanych warunkach pogodowych i równych sposobach wykorzystania pasa startowego. Metoda ta, choć z powodzeniem stosowana w Stanach Zjednoczonych, ma jednak kilka poważnych wad, które poddają w wątpliwość jej użyteczność. Procedury kontroli ruchu lotniczego są różne w równych krajach, zatem taka sama kombinacja natężenia ruchu, składu strumienia statków powietrznych, warunków pogodowych może dać w rezultacie różne wielkości, np. natężenia ruchu, odpowiadającego czterominutowemu opóźnieniu. Nie zostały podane informacje nt. struktury zapotrzebowania strumienia statków powietrznych na obsługę w godzinach szczytowych. Metoda uwzględnienia równych sposobów wykorzystania pasa startowego zakłada, że współczynnik opóźnienia na jedną operację jest taki sam w przypadku mieszanego wykorzystania, jak w przypadku wykorzystania pasa wyłącznie do startów lub wyłącznie do lądowań. W ostatnich latach, dla wielu obszarów powietrznych, analizowano problem ich pojemności, przy wykorzystaniu modelowania symulacyjnego. Przykładem takiego podejścia jest raport [21] organizacji Erocontrol, w którym przedstawiono wyniki badań pojemności portu lotniczego Nantes we Francji. Wykorzystywano w nich program SIMMOD do wyznaczania maksymalnej liczby samolotów, które mogą zostać obsłużone przy zachowaniu warunku nieprzekroczenia dopuszczalnej, dziesięciominutowej wartości opóźnienia samolotów startujących. Wielkość tą badano dla trzech scenariuszy zapotrzebowania na obsługę: istniejącego obecnie oraz dwóch wariantów przyszłych. Mimo tak postawionego celu, raport nie precyzuje szukanej liczby samolotów, a jedynie stwierdza, że obecnie istniejące natężenie ruchu nie powoduje przekroczenia dopuszczalnego opóźnienia, zaś natężenia przyszłe mogą do takiego przekroczenia doprowadzić. Wykorzystywany w tym opracowaniu model SIMMOD reprezentuje przestrzeń powietrzną i naziemną jako ciąg węzłów (punktów) połączonych gałęziami. Węzły lotniskowe opisują takie charakterystyczne punkty jak: rękawy, kolejki odlotowe, przecięcia dróg startowych i dróg kołowania itp. Węzły powietrzne opisują takie punkty w przestrzeni powietrznej jak: radiolatarnie, punkty oczekiwania itp. Gałęzie w przestrzeni lotniskowej odpowiadają drogom startowym lub drogom kołowania. Gałęzie w przestrzeni powietrznej odpowiadają odcinkom dróg lotniczych. Zasadniczą częścią systemu SIMMOD jest moduł symulacyjny, który odwzorowuje trajektorię lotu samolotu, dokonuje rozwiązywania sytuacji konfliktowych i monitoruje czas przelotu oraz wielkość opóźnienia. Przez odpowiedni dobór parametrów wejściowych można symulować takie procedury ATC jak: wyprzedzanie w powietrzu, zmiana kolejności w kolejce samolotów oczekujących na start itp. Politechnika Warszawska Wydział Transportu 18

2.2 Opóźnienia i jakość obsługi Atack [9] przedstawił model symulacyjny do wyznaczania wielkości rocznych opóźnień w porcie lotniczym. W perwszej części omówiono trudności, wynikające ze stosowania metody wyznaczania opóźnień, opisanej w Airport Capacity Handbook, która jest stosowana w USA. Przedstawiono wymagania stawiane modelowi: możliwość wyznaczania opóźnień dla równych konfiguracji lotniska, równych strategii sterowania (np. stosowanych separacji), równych warunków pogodowych itp. Podzielono wszystkie dni w roku na sześć grup "typowych dni". Kryterium podziału była liczba oparacji startu i lądowania w ciągu dnia. Modelowano port lotniczy o rocznej liczbie operacji wynoszącej 175.000. Generowanie strumieni wejściowych do modelu można wykonać na różne sposoby: wprowadzenie przez użytkownika całego rozkładu lotów, wprowadzenie rozkładu prawdopodobieństwa liczby operacji poszczególnych typów statków powietrznych, w poszczególnych godzinach doby (3 sposoby). Statki powietrzne podzielono na pięć grup, w zależności od wielkości. Na podstawie znajomości wielkości statku powietrznego oraz wielkości statku poprzedzającego, określana jest separacja pomiędzy nimi. Model może zostać zastosowany do wielu konfiguracji lotniska. Można modelować do sześciu pasów startowych, dla każdego z nich podając: kierunek i długość, pasy startowe stanowiące parę blisko położonych pasów równoległych, pasy przecinające dany pas startowy i położenie punktu przecięcia, wyposożenie pasa (ILS), położenie i typ wszystkich zjazdów z pasa startowego, położenia początkowe przy starcie, dla poszczególnych typów statków powietrznych. Przy modelowaniu zjawisk pogodowych, uwzględniono prędkość i kierunek wiatru, widzialność (zasięg i podstawę chmur) oraz wilgotność. Występowanie zjawisk pogodowych jest modelowane z dokładnością do 30 minut. Modelowany przydział samolotów do pasów startowych opiera się na sprawdzaniu dostępności pasa startowego dla samolotu. Istnieje wiele algorytmów przydziału, jeżeli dopuszczalne jest zajęcie kilku pasów startowych. W modelu przewidziano zastosowanie jednego z dwóch algorytmów. Samoloty, które nie mogą lądować, są kierowane do innego portu lotniczego, gdzie oczekują aż do momentu poprawy pogody na tyle, aby lądowanie stało się możliwe. W wyniku stosowania modelu, można otrzymać liczne charakterystyki badanego lotniska. Podstawową, jest wielkość opóźnienia powstającego w ciągu roku. Inne z nich to: średnie opóźnienie w poszczególnych dniach, wykorzystanie poszczególnych pasów startowych, średnie opóźnienia z podziałem na starty i lądowania, typy statków powietrznych i inne. Omówiono sposoby weryfikacji poprawności modelu, a także jego wykorzystanie przez Ministerstwo Transportu Australii. zastosowanie i Politechnika Warszawska Wydział Transportu 19

Były także prowadzone prace, oceniające jakość obsługi i opóźnienia, występujące w rejonie terminala obsługi pasażerów. Na przykład Heathington i Jones [41] oraz Marjorie i Maddison [62] zwracają uwagę na fakt, że zdolności przepustowej lotniska nie można rozpatrywać w oderwaniu od jakości obsługi pasażerów. Maksymalnej zdolności przepustowej odpowiada odpowiednio niski poziom jakości obsługi pasażerów. Przedstawiono interesujące wykresy obrazujące: zależność między zapotrzebowaniem na obsługę, czyli intensywnością strumienia zgłoszeń pasażerów, a jakością obsługi, zależność między poziomem jakości obsługi, intensywnością strumienia zgłoszeń i zdolnością przepustową. Zdefiniowano pojęcie optymalnej zdolności przepustowej, jako maksymalnej szybkości obsługi, która może się utrzymywać przez pewien określony czas (por. [20]). Przedstawiono kilka sposobów podwyższenia jakości obsługi i zdolności przepustowej. Zwrócono uwagę na konieczność łącznego rozpatrywania wszystkich kanałów obsługi w badanym systemie, ze względu na istniejące ścisłe powiązania pomiędzy nimi. Przedstawiono i obszernie omówiono ponadto czynniki, które mają wpływ na wielkość zdolności przepustowej terminala. Omówiono także czynniki, mające wpływ na subiektywną jakośc obsługi 2.3 Pojemność lotniska a zagadnienie sterowania strumieniami ruchu Problem wyznaczania pojemności lotniska wywodzi się bezpośrednio z zagadnienia organizacji i zarządzania przepływem strumieni samolotów (AFM). Andreatta i Romanin-Jacur [6] przedstawili model matematyczny i algorytm sterowania dla tego zadania. Jest ono rozumiane, jako znalezienie optymalnej strategii opóźnień, tzn. określenie kiedy i gdzie należy opóźnić lot statku powietrznego, aby sumaryczny koszt wszystkich opóźnień był minimalny. Oczywiście, jest to bardzo uproszczone sformułowanie tego zagadnienia. Przyjęto liczne założenia upraszczające, m.in. sieć dróg powietrznych ma kształt gwiazdy, której centralnym punktem jest port lotniczy, jedynym miejscem, gdzie występuje nadmierne zagęszczenie i powstają opóźnienia, jest punkt centralny (lotnisko). Przedstawiono dwie metody zmniejszania nadmiernego zagęszczenia przestrzeni powietrznej wokół lotniska: taktyczną - polegającą na odpowiednim formowaniu strumienia lądujących samolotów, lub redukcji prędkości niektórych samolotów; strategiczną - polegającą na zarządzaniu przepływem (w sensie określonym powyżej). Metoda druga polega na przewidywaniu sytuacji w określonych punktach przestrzeni powietrznej i wyszukiwaniu miejsc, w których istnieje duże prawdopodobieństwo wystąpienia przeciążeń. W przypadku wykrycia takich miejsc, stosuje się opóźnianie odlotów niektórych statków powietrznych. Autorzy sugerują, że opóźnienie statku powietrznego w czasie, gdy jest on jeszcze na powierzchni ziemi, jest zdecydowanie mniej kosztowne, niż w przypadku, gdy jest on już w powietrzu. Oczywiście strategia taka ma jeszcze znaczenie dla bezpieczeństwa ruchu lotniczego. Statek powietrzny Politechnika Warszawska Wydział Transportu 20