Optimización de trayectorias de avión mediante algoritmos de búsqueda directa considerando incertidumbre meteorológica

Abstract

El presente documento tiene como objetivo el desarrollo y estudio de la viabilidad de un algoritmo de búsqueda dirigida aleatoria y su uso para la optimización de trayectorias de avión en un escenario con incertidumbre y dinámica meteorológica a partir de la modificación del ya conocido algoritmo de búsqueda de caminos A*. El estudio utiliza las predicciones meteorológicas por conjuntos (ensemble forecasting) como método para estimar la evolución meteorológica, el cual consiste en considerar una serie (o conjunto) de predicciones meteorológicas generadas a partir de pequeñas variaciones en las condiciones iniciales. En este documento se desarrolla y utiliza, además, un calculador de trayectorias SID y STAR, donde las salidas y llegadas de un aeropuerto específico pueden ser programadas fácilmente introduciendo una serie de parámetros que definen las trayectorias típicas de estos segmentos. En el penúltimo capítulo se detalla la aplicación del algoritmo sobre una pareja de aeropuertos origen-destino, junto a modificaciones en cómo se calculan sus salidas y llegadas. Finalmente, se presentan las conclusiones y un listado de trabajos futuros y mejoras. El interés en el estudio de la optimización de trayectorias de avión en el espacio ATM es especialmente notorio por parte de las aerolíneas debido al ahorro que supone el diseño de trayectorias bajo criterios de optimalidad, que se traduce en un menor coste para las mismas. A estas consideraciones se suma la actual importancia acerca de la sostenibilidad medioambiental.

This document presents the development and factibility study of a random directed search aircraft trajectory generator and optimizer based on a modification of the already existant A* path planning algorithm, within a scenario of dynamic uncertain meteorology. In order to take into consideration weather uncertainty, ensemble forecasting is used to estimate the different meteorological scenarios. This method privides an ensemble of different weather scenarios by producing small changes in initial conditions. Additionally, it is developed and used within the study a SID and STAR calculator, in which standardized departures and arrivals can be easily programmed by giving a series of parameters that define the typical trajectories of these segments. A real case study is also performed, where the algorithm is tested in a pair of start and goal airports, as well as some other modifications to how arrivals and departures are calculated in the same setup. Finally, the study conclusions and future works are presented. The interest of aircraft trajectory optimization within ATM is especially notorious among airlines due to it ending in important savings. Moreover, current trends on environmental sustainability add up when considering the importance of this subject.