Dissertations / Theses on the topic 'En-route air traffic control'

Air Traffic Management (ATM) aims at ensuring safe and efficient movement of aircraft in the airspace. The National Airspace System is currently undergoing a comprehensive overhaul known as NextGen. With the predicted growth of air transportation, providing traffic flow managers with the tools to support decision making is essential. These tools should aid in accommodating the air traffic throughput increase, while limiting controller workload and ensuring high safety levels. In the National Airspace System (NAS), the goal of en-route Traffic Flow Management (TFM) is to balance air traffic demand against available airspace capacity, in order to ensure a safe and expeditious flow of aircraft, both under nominal and perturbed conditions. The objective of this thesis is to develop a better understanding of how to analyze, model and simulate air traffic in a given airspace, under both nominal and degraded conditions. First, a new framework for en-route Traffic Flow Management and Airspace Health Monitoring is developed. It is based on a data-driven approach for air traffic flow modeling using historical data. This large-scale 3D flow network of the Cleveland center airspace provides valuable insight on airspace complexity. A linear formulation for optimizing en-route Air Traffic is proposed. It takes into account a controller taskload model based on flow geometry, in order to estimate airspace capacity. The simulations run demonstrate the importance of sector constraints and traffic demand patterns in estimating the throughput of an airspace. To analyze airspace degradation, weather blockage maps based on vertically integrated liquid (VIL) are incorporated in the model, representing weather perturbations on the same data set used to compute the flows. Comparing the weather blockages and the network model of the airspace provides means of quantifying airspace degradation. Simulations under perturbed conditions are then run according to different objectives. The results of the simulations are compared with the data from these specific days, to identify the advantages and drawbacks of the present model.

The busiest regions of airspace in the U.S. are congested during much of the day from traffic volume, weather, and other airspace restrictions. The projected growth in demand for airspace is expected to worsen this congestion while reducing system efficiency and safety. This dissertation focuses on providing methods to analyze en route airspace congestion during severe convective weather (i.e. thunderstorms) in an effort to provide more efficient aircraft routes in terms of: en route travel time, air traffic controller workload, aircraft collision potential, and equity between airlines and other airspace users. The en route airspace is generally that airspace that aircraft use between the top of climb and top of descent. Existing en route airspace flight planning models have several important limitations. These models do not appropriately consider the uncertainty in airspace demand associated with departure time prediction and en route travel time. Also, airspace capacity is typically assumed to be a static value with no adjustments for weather or other dynamic conditions that impact the air traffic controller. To overcome these limitations a stochastic demand, stochastic capacity, and an incremental assignment method are developed. The stochastic demand model combines the flight departure uncertainty and the en route travel time uncertainty to achieve better estimates for sector demand. This model is shown to reduce the predictive error for en route sector demand by 20\% at a 30 minute look-ahead time period. The stochastic capacity model analyzes airspace congestion at a more macroscopic level than available in existing models. This higher level of analysis has the potential to reduce computational time and increase the number of alternative routing schemes considered. The capacity model uses stochastic geometry techniques to develop predictions of the distribution of flight separation and conflict potential. A prediction of dynamic airspace capacity is calculated based on separation and conflict potential. The stochastic demand and capacity models are integrated into a graph theoretic framework to generate alternative routing schemes. Validation of the overall integrated model is performed using the fast time airspace simulator RAMS. The original flight plans, the routing obtained from an integer programming method, and the routing obtained from the incremental method developed in this dissertation are compared. Results of this validation simulation indicate that integer programming and incremental routing methods are both able to reduce the average en route travel time per flight by 6 minutes. Other benefits include a reduction in the number of conflict resolutions and weather avoidance maneuvers issued by en route air traffic controllers. The simulation results do not indicate a significant difference in quality between the incremental and integer programming methods of routing flights around severe weather.<br>Ph. D.

In response to the unparalleled growth of demand for air traffic during the past few decades, the Federal Aviation Administration (FAA) launched the Next Generation Air Transportation (NextGen) program to restructure the National Airspace System (NAS). Among the research is the focus on direct, wind optimal routing using geodesic routes and flight operations that do not depend solely on ground based navigation aids (NAVAID) and a fixed airspace structure. While technologies, such as the Global Positioning System (GPS), exist to locate an aircraft at higher degrees of resolution with a larger coverage, the way in which this information is conveyed is long and cumbersome. Therefore, new ways to describe the airspace is desired. The thesis presents the results of an experimental investigation into three alternatives to fix/route and GPS methods. The first method is the Navigation Reference System (NRS) using an absolute grid based strategy that has been recently implemented in limited portions of the United States airspace. The second method, the Military Grid Reference System (MGRS), is also a grid based system, and it is used by NATO, but it has not been applied to the air traffic control context. The third alternative is Point Relation Navigation (PRN), which uses a single point of reference within each Air Route Traffic Center (ARTCC) airspace and acts as a hybrid of coordinate and radial fixes. 21 airline dispatchers from a single major U.S air carrier participated in an online assessment of the five methods above through specific tasks. Results indicate that most participants prefer the fix/route system over the others, followed closely by the PRN method. However, there were varying results across all of the methods in terms of speed and accuracy of completing the tasks. This study incites further interest in strategies to describe aircraft routes operating in a more flexible airspace.

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Sloan School of Management, 1987.<br>MICROFICHE COPY AVAILABLE IN ARCHIVES AND DEWEY.<br>Bibliography: leaves 247-250.<br>by Bruce A. MacDonald.<br>Ph.D.

Le contrôle aérien doit faire face à une forte intensification du trafic aérien. Dans cette situation, la problématique de la charge mentale chez les contrôleurs aériens est une préoccupation majeure pour maintenir le niveau de sécurité actuel. Le système d’aide automatisé ERASMUS a été élaboré afin de réduire la charge mentale chez les contrôleurs aériens. L’objectif d’ERASMUS est de compenser les effets liés à l’intensification du trafic en réduisant de manière subliminale la charge mentale associée à l’augmentation des conflits potentiels. L’objectif principal de cette thèse est de proposer pour la première fois une mesure objective de l’impact du système d’aide ERASMUS sur la charge mentale des contrôleurs aériens. La réalisation de cet objectif a nécessité le développement d’une plateforme originale d’enregistrement et de traitement des mouvements oculaires non intrusive dans un environnement de simulation hautement fidèle. Les mouvements oculaires d’un groupe de contrôleurs aériens experts ont été enregistrés. En accord avec l’hypothèse d’ERASMUS, les résultats ont montré des effets de tailles moyennes à grandes sur l’amplitude des saccades, le temps moyen passé sur les aéronefs et sur la distribution de l’attention allouée à la scène visuelle. De plus, sans ERASMUS, l’augmentation de la densité du trafic a augmenté de manière significative les diamètres pupillaires. A l’opposé, quand ERASMUS est actif, l’intensification du trafic n’a pas impacté significativement les diamètres pupillaires. Nous discutons l’impact d’ERASMUS sur la charge mentale ainsi que l’utilisation des mesures oculométriques dans un environnement de simulation écologique de contrôle aérien<br>Air Traffic Control has to handle the strong and constant increase in air traffic density. In this context, mental workload experienced by air traffic controllers is a key research concept to maintain the actual safety level. ERASMUS is an automated aid system designed to reduce air traffic controllers’ workload. The purpose of ERASMUS is to compensate the effects of the air traffic growth by reducing the increased mental workload associated with a greater number of potential conflicts. Prior experiments designed to validate the ERASMUS system showed a reduction in ratings of mental workload, but only subjectives measures were used. In the present thesis, the first goal is to complete these first results by providing, for the first time, a real time objective measure of controllers’ mental workload. In this purpose, we had to develop a new non-intrusive eye-tracking platform in a fully realistic simulation environment. The eye movements of seven controllers, placed in a high-fidelity simulation, were recorded. Traffic sequences were manipulated (with vs. without ERASMUS). Consistent with a reduced workload hypothesis, results showed medium to large effects of ERASMUS on the amplitude of saccades, on the time spent gazing aircraft, and on the distribution of attention over the visual scene. Moreover, without ERASMUS, growth in the traffic density significantly increased pupil diameters. In contrast, when ERASMUS was activated, traffic density growth did not impact significantly pupil diameters. Finally, we discuss the impact of ERASMUS on mental workload and the use of pupillometric measures in an ecological air traffic control environment

Air traffic flow management is a critical component of air transport operations because at some point in time, often very frequently, one of more of the critical resources in the air transportation network has significantly reduced capacity, resulting in congestion and delay for airlines and other entities and individuals who use the network. Typically, these “bottlenecks” are noticed at a given airport or terminal area, but they also occur in en route airspace. The two-stage combinatorial optimization framework for air traffic flow management under constrained capacity that is presented in this thesis, represents a important step towards the full consideration of the combinatorial nature of air traffic flow management decision that is often ignored or dealt with via priority-based schemes. It also illustrates the similarities between two traffic flow management problems that heretofore were considered to be quite distinct. The runway systems at major airports are highly constrained resources. From the perspective of arrivals, unnecessary delays and emissions may occur during peak periods when one or more runways at an airport are in great demand while other runways at the same airport are operating under their capacity. The primary cause of this imbalance in runway utilization is that the traffic flow into and out of the terminal areas is asymmetric (as a result of airline scheduling practices), and arrivals are typically assigned to the runway nearest the fix through which they enter the terminal areas. From the perspective of departures, delays and emissions occur because arrivals take precedence over departures with regard to the utilization of runways (despite the absence of binding safety constraints), and because arrival trajectories often include level segments that ensure “procedural separation” from arriving traffic while planes are not allowed to climb unrestricted along the most direct path to their destination. Similar to the runway systems, the terminal radar approach control facilities (TRACON) boundary fixes are also constrained resources of the terminal airspace. Because some arrival traffic from different airports merges at an arrival fix, a queue for the terminal areas generally starts to form at the arrival fix, which are caused by delays due to heavy arriving traffic streams. The arrivals must then absorb these delays by path stretching and adjusting their speed, resulting in unplanned fuel consumption. However, these delays are often not distributed evenly. As a result, some arrival fixes experience severe delays while, similar to the runway systems, the other arrival fixes might experience no delays at all. The goal of this thesis is to develop a combined optimization approach for terminal airspace flow management that assigns a TRACON boundary fix and a runway to each flight while minimizing the required fuel burn and emissions. The approach lessens the severity of terminal capacity shortage caused by and imbalance of traffic demand by shunting flights from current positions to alternate runways. This is done by considering every possible path combination. To attempt to solve the congestion of the terminal airspace at both runways and arrival fixes, this research focuses on two sequential optimizations. The fix assignments are dealt with by considering, simultaneously, the capacity constraints of fixes and runways as well as the fuel consumption and emissions of each flight. The research also develops runway assignments with runway scheduling such that the total emissions produced in the terminal area and on the airport surface are minimized. The two-stage sequential framework is also extended to en route airspace. When en route airspace loses its capacity for any reason, e.g. severe weather condition, air traffic controllers and flight operators plan flight schedules together based on the given capacity limit, thereby maximizing en route throughput and minimizing flight operators' costs. However, the current methods have limitations due to the lacks of consideration of the combinatorial nature of air traffic flow management decision. One of the initial attempts to overcome these limitations is the Collaborative Trajectory Options Program (CTOP), which will be initiated soon by the Federal Aviation Administration (FAA). The developed two-stage combinatorial optimization framework fits this CTOP perfectly from the flight operator's perspective. The first stage is used to find an optimal slot allocation for flights under satisfying the ration by schedule (RBS) algorithm of the FAA. To solve the formulated first stage problem efficiently, two different solution methodologies, a heuristic algorithm and a modified branch and bound algorithm, are presented. Then, flights are assigned to the resulting optimized slots in the second stage so as to minimize the flight operator's costs.

Les contrôleurs du trafic aérien ou " aiguilleurs du ciel ", dont l'activité consiste à assurer la sécurité de l'écoulement du trafic aérien, vont bientôt être confrontés à une évolution sans précédent de leur activité de travail. Pour pallier à une évolution de contexte, associée principalement à une augmentation significative du niveau de trafic aérien, la construction d'un nouvel environnement de contrôle induisant l'introduction de nouvelles technologies et de l'automatisation partielle de la tâche de contrôle est visée. Ces perspectives, qui ont pour objectif de diminuer les sollicitations des contrôleurs aériens afin d'augmenter le seuil capacitaire de gestion du trafic aérien, suscitent l'interrogation. Notamment, comment assurer la validation de ces évolutions en vue des objectifs visés ? Ce doctorat porte sur l'étude de la charge mentale de contrôleurs aériens dans différents contextes, afin d'évaluer les effets engendrés par de telles modifications apportées à leur environnement de travail quotidien. L'évaluation proposée repose sur une approche multidimensionnelle centrée sur l'analyse de paramètres oculaires enregistrés grâce à une technique d'eye-tracking dans des situations de contrôle écologiquement valides, en référence à la tâche de contrôle du trafic aérien. La première étude a tout d'abord permis de caractériser la gestion de la charge mentale effectuée par les contrôleurs aériens au cours de leur activité dans une situation nominale (reflétant la situation de contrôle du trafic aérien actuelle). La deuxième étude porte sur les effets générés par l'introduction de nouveaux systèmes informatisés d'aide à la décision induisant une automatisation partielle de la tâche de contrôle. Enfin, la dernière étude souligne l'effet du niveau de formation sur les modes de gestion des ressources cognitives employés par les contrôleurs aériens.

Idag är många branscher beroende av ett gediget teamwork. Det finns dock ett behov av objektiva mätsystem för teamwork och därför har detta projekt som syfte att skapa och testa ett observationsprotokoll utifrån den teoretiska modellen ’The Big Five of Teamwork’ framtagen av Salas, Sims &amp; Burke (2005). Observationsprotokollet användes för att observera teamwork mellan två flygledare på Arlanda ATCC. Därefter fick flygledarna svara på en enkät för att bidra med subjektiva aspekter från modellen. Totalt genomfördes 15 stycken strukturerade observationer. Resultatet visade att det är möjligt att skatta teamwork på flygledare med hjälp av ett observationsprotokoll baserat på sex av åtta komponenter, där inte teamorientering och gemensam mental modell ingick. Komponenterna visade sig vara mer än bara ett observerbart beteende och enbart observationer frambringar inte en rättvis bild över komponenten. Resultatet visade också på att flygledarna själva upplever samtliga komponenter som en del av arbetet. Observationerna visade att samarbetet kunde se olika ut och skilja sig från team till team, och att flygledarna anpassar sig efter varandras behov.<br>Today, many industries are dependent on a solid teamwork. However, there is a need for objective measurement assessment for teamwork and therefore this project aims to create and test an observation protocol based on the theoretical model ’The Big Five of Teamwork’ compiled by Salas, Sims &amp; Burke (2005). The observation protocol was used to observe teamwork between two air traffic controllers at Arlanda ATCC. After the observations the air traffic controllers answered a survey to receive subjective aspects from the model. A total of 15 structured observations were conducted. The results revealed that it’s possible to estimate teamwork on air traffic controllers using an observation protocol based on six of eight components, where team orientation and shared mental model were not included. The components appeared to be more than just an observable behavior, thus only observations does not give a fair picture of the component. The result also showed that air traffic controllers themselves perceive all components as a part of the work. The observations showed that the cooperation could look different and differ from team to team, and that air traffic controllers adapt to each other’s needs.

Les visualisations de données permettent de transmettre de l’information aux utilisateurs. Pour explorer et comprendre les données, les utilisateurs sont amenés à interagir avec ces visualisations.Toutefois, l’interaction avec les visualisations modifie le visuel. Pour éviter des changements brusques et garder l’utilisateur focalisé sur les objets graphiques d’intérêt, des transitions visuelles sont nécessaires pour accompagner les modifications de la visualisation. Ces transitions visuelles peuvent être codées sous la forme d’animations, ou de techniques qui permettent de faire des correspondances, ou des liens avec des données représentées sur plusieurs affichages. Le premier objectif de cette thèse était d’étudier les bénéfices et les propriétés des animations pour l’exploration et la compréhension de grandes quantités de données multidimensionnelles. Nous avons établi en conséquence une taxonomie des transitions animées en visualisation d’information basée sur les tâches des utilisateurs. Cette taxonomie a permis de constater qu’il n’existe pas de contrôle utilisateur sur la direction des objets durant l’animation. Nous avons donc proposé des interactions pour le contrôle de la direction des objets graphiques lors d’une transition animée. D’autre part, nous avons étudié une technique de transition animée mettant en jeu une rotation 3D entre visualisations. Nous avons identifié les avantages qu’elle pouvait apporter et en avons proposé une amélioration.Le second objectif était d’étudier les transitions visuelles dans le domaine du Contrôle du Trafic Aérien. En effet, les contrôleurs utilisent de nombreuses visualisations qui comportent des informations étalées et dupliquées sur plusieurs affichages: l’écran Radar, le tableau de strips, des listes spécifiques d’avions (départ, arrivées) etc. Ainsi dans leur activité, les Contrôleurs Aériens réalisent des transitions visuelles en recherchant et en reliant de l’information à travers les différents affichages. Nous avons étudié comment les animations pouvaient être utilisées dans le domaine du contrôle aérien en implémentant un prototype d’image radar regroupant trois visualisations usuelles pour instrumenter l’activité de supervision du trafic aérien<br>Data visualizations allow information to be transmitted to users. In order to explore and understand the data, it is often necessary for users to manipulate the display of this data. When manipulating the visualization, visual transitions are necessary to avoid abrupt changes in this visualization, and to allow the user to focus on the graphical object of interest. These visual transitions can be coded as an animation, or techniques that link the data across several displays. The first aim of this thesis was to examine the benefits and properties of animated transitions used to explore and understand large quantities of multidimensional data. In order to do so, we created a taxonomy of existing animated transitions. This taxonomy allowed us to identify that no animated transition currently exists that allows the user to control the direction of objects during the transition. We therefore proposed an animated transition that allows the user to have this control during the animation. In addition, we studied an animated transition technique that uses 3D rotation to transition between visualizations. We identified the advantages of this technique and propose an improvement to the current design. The second objective was to study the visual transitions used in the Air Traffic Control domain. Air Traffic Controllers use a number of visualizations to view vast information which is duplicated in several places: the Radar screen, the strip board, airplane lists (departures/arrivals) etc. Air traffic controllers perform visual transitions as they search between these different displays of information. We studied the way animations can be used in the Air Traffic Control domain by implementing a radar image prototype which combines three visualizations typically used by Air Traffic Controllers

Dans cette thèse, nous menons une réflexion sur les notions de norme(s) et d'usage(s) langagiers dans le cadre du domaine du contrôle aérien. Ce domaine offre l'exemple parfait de la mise en œuvre d'une norme langagière : la "phraséologie" aéronautique, le langage opératif censé permettre des communications sûres et efficaces entre pilotes et contrôleurs, lors des situations les plus courantes. Lorsque la phraséologie ne suffit pas, ces derniers ont recours à une forme langagière plus naturelle, le "plain language". De nombreux problèmes relatifs à la mise en œuvre de ce dernier ont rapidement vu le jour et ont suscité des interrogations, notamment chez les professionnels de l'enseignement de l'anglais de l'aviation. Pour répondre aux besoins spécifiques de l'ENAC, cette thèse dresse un panorama des usages faits de la langue anglaise par les contrôleurs français et les pilotes étrangers lors de leurs communications radiotéléphoniques. Notre méthode d'analyse consiste en une étude comparative entre un corpus de référence, représentant la norme, et un corpus de communications réelles, représentant les usages. Cette analyse comparative nous permet de repérer, de décrire et de catégoriser les formes langagières employées lors de situations routinières de la navigation aérienne. Certaines différences sont ainsi repérées entre les deux corpus. En fonction de la situation, les pilotes et les contrôleurs peuvent procéder à des variations d'ordre lexical, sémantique, syntaxique et discursif. Alors que certains semblent subir l'influence de la langue naturelle, d'autres semblent mettre en œuvre une stratégie communicationnelle pour tenter d'"humaniser" ou de modaliser le contenu de leurs messages.

La conception des systèmes coopératifs passe par l’intégration de certains moyens comme l’allocation dynamique des tâches et le support des activités de coopération et de résolution de problèmes. L’originalité de ce travail est de proposer un cadre de conception, comme prémisse à une méthode plus formelle, qui intègre les différents moyens cités dans une architecture fonctionnelle basée sur la notion fondamentale d’espace de travail en commun. L’application au domaine du contrôle de trafic aérien a montré l’intérêt d’une telle architecture sur la base d’une organisation composée de deux opérateurs humains et d’un système d’aide à la résolution de conflits aériens. Les premiers résultats montrent une modification des activités humaines avec une meilleure anticipation, mais ils rappellent aussi que la réalisation des interactions hommes-machines et des assistances demande un soin tout particulier car leur coût d’utilisation doit être négligeable vis-à-vis du bénéfice escompté<br>Cooperative systems design needs the integration of some kinds of tools like the dynamic tasks allocation and support of cooperation and problems resolution activities. The interest of this work is the proposition of a design framework, as a starting point of a formal method, which integrates the different tools in a functional architecture based on the primordial concept of common workspace. The application to the air traffic control field showed the interest of this kind of architecture in the case of an organisation composed of two human operators and an automatic conflict resolution system. The first results shows a modification of human activities with a better anticipation, but it confirms the importance of human-machines interactions and assistances tools design because their utilisation cost must be negligible compared to their benefits

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Aeronautics and Astronautics, 2012.<br>Cataloged from PDF version of thesis.<br>Includes bibliographical references (p. 79-81).<br>New capabilities of Air Traffic Control (ATC) under development in Next Generation Air Transportation system (NextGen) will increase the system capacity to accommodate the expected growth in the air traffic. One of the key enablers of the NextGen capabilities is advanced onboard equipage of the aircraft. During the transition to NextGen, aircraft with different equipage levels will coexist in the same airspace: mixed-equipage. To reduce the mixed-equipage period, the Federal Aviation Administration (FAA) proposed "best-equipped, best-served policy" as a governing principle for accelerating NextGen equipage, offering incentives to the early adopters of NextGen avionics. However, the policy may introduce new tasks to the air traffic controllers, increasing the cognitive workload and decreasing the controller performance. The policy may be implemented at the strategic or the tactical level. This thesis identified two representative tactical level policies that may increase the difficulty and workload of the en-route air traffic controllers: best-equipped, first-served (BEFS) policy and best-equipped, exclusively served (BEES) policy. To investigate the impact of the potential tactical best-equipped, best-served policies on en-route controller performance and workload, a human-in-the-loop simulation was developed to compare the impacts of the two identified potential policies and the current first-come, first-served policy. The two potential tactical best-equipped, best-served policies provided marginal operational incentives to the NextGen equipage aircraft; however, the policies significantly increased the controller errors and reduced the total system efficiency with considerable delays to the less equipped aircraft compared to the current policy. In addition, higher subjective workload rating with the potential policies, especially during heavy traffic loads, indicated an increase in the controller workload and a reduction of the controller capacity. The analysis suggests that caution needs to be exercised when considering implementation of best-equipped best-served policy at the tactical level. Therefore, a strategic level implantation of the best-equipped, best-served policy is recommended; however, this study did not address impact of the strategic level implementation of the policy.<br>by HongSeok Cho.<br>S.M.

À travers une approche de contrôle optimal, cette thèse de doctorat propose une étude des modèles et des techniques de résolution dans un domaine d'application propre à la gestion du trafic aérien. Motivés par la croissance des flux aériens d'une part, et les développements en théorie du contrôle optimal d'autre part, ces travaux portent sur l'analyse du problème d'évitement de conflits aériens. Cette étude permet le développement de nouvelles approches et algorithmes en vue d'aider les contrôleurs aériens dans leur tâche. Ainsi, dans le cadre du trafic aérien, afin de préserver des distances minimales de sécurité entre avions, lors de phases tactiques et de configurations des vols en-route, notre recherche se focalise sur une stratégie de régulation subliminale en vitesse (variations très réduites), pour assurer la séparation entre avions, tout en conservant leur trajectoire prédéfinie. D'une part, une méthode de résolution numérique en contrôle optimal telle que la méthode directe de tir, impliquant une discrétisation totale ou partielle du problème, transforme le problème initial en un problème en programmation non linéaire de grande taille. Ce type de méthodes peut générer des problèmes d'optimisation de grande taille numériquement di_ciles à résoudre. Suivant le nombre de variables du problème, elles peuvent s'avérer trop coûteuse en termes de temps de calculs. D'autre part, les contraintes sur les variables d'états du problème posent des di_cultés de résolution, par exemple, pour l'usage d'une méthode numérique indirecte de tir. Développant les informations caractéristiques des conflits aériens, une détection et une détermination a priori des zones de conflits permettent alors la décomposition du problème présenté de contrôle optimal en sous-problèmes plus aisés à résoudre. La résolution des sous-problèmes hors-zones peut être abordée en utilisant les conditions du principe du maximum de Pontryagin, ce qui en permet une résolution e_cace. Une combinaison de méthodes numériques directes de tir et d'application des conditions du principe du maximum de Pontryagin est proposée, et des implémentations numériques valident ce type d'approche<br>The purpose of this doctoral thesis is to study models and solution techniques based on optimal control approaches to address air tra_c management problems. Motivated by the growth of air tra_c volume, and by the advances in optimal control theory, this research works focus on analysing aircraft conflict avoidance problem. This study allows development of new approaches and algorithms to help air tra_c controllers. In the framework of air tra_c management, to ensure the minimum safety distances between aircraft, in tactical phases and en-route flight configurations, this thesis focusses on a subliminal velocity regulation strategy to perform the separation, while preserving the aircraft predefined trajectories. A numerical optimal control solution approach as the direct shooting method, wherein involves a total or partial discretization of the problem, transforms the initial problem into a large scale nonlinear programming problem. This kind of methods could generate large-size optimization problems which are numerically di_cult to solve. Depending on the number of variables which involved, this approaches could be too expensive in terms of computation time. Moreover, the state-variables constraints of the problem lead to numerical di_culties, e.g., considering the indirect numerical shooting method. Tailored on aircraft conflict avoidance problems, a detection and a determination of a priori conflict zones allow the decomposition of the optimal control problem into sub-problems, easier to solve than the original one. Solving the o_-zones sub-problems can be addressed using the Pontryagin maximum principle, which allows in this case directly the solution. A combination of direct numerical shooting method and application of conditions of Pontryagin's maximum principle is proposed, and numerical experiments validate this approach

Face à une évolution technologique croissante centrée sur la conception et l’automatisation pour plus de performance, étudier les effets de la charge mentale de travail sur l’efficience et l’adaptabilité humaine présente un réel intérêt.L’objectif de ce manuscrit est d’évaluer la charge mentale de travail et de mettre en évidence ses effets sur l’efficience, se traduisant par une adaptabilité comportementale et physiologique de l’opérateur. Plus précisément, il s’agit de faire varier les exigences de la tâche (par exemple, la difficulté, la pression temporelle, la complexité) pour évaluer et identifier les effets engendrés sur l’adaptabilité de l’opérateur. L’adaptabilité comportementale était indexée à la performance avec la mise en place de stratégie et l’adaptabilité physiologique à la mobilisation de l’effort mental avec le score de réactivité de la période de pré-éjection. Le premier chapitre démontre un effet curvilinéaire de la charge mentale de travail sur l’adaptabilité comportementale et physiologique, comme postulé par Hancock et Szalma (2006). Le second chapitre met en évidence que la pression temporelle pouvait dans une certaine mesure favoriser l’adaptabilité comportementale, notamment la mise en place de stratégie. Le troisième chapitre montre que les tâches complexes de contrôle du trafic aérien permettent l’activation du compromis performance-effort se traduisant par une adaptabilité comportementale et physiologique de l’opérateur. Ce manuscrit met en lumière l’importance des facteurs humains dans la boucle de conception des environnements de travail, afin de les repenser et/ou de faire intervenir des outils d’aide si nécessaire, au moment le plus opportun et sous sa forme la plus probante, afin de favoriser une charge mentale optimale<br>Faced with a growing technological evolution-oriented design and automation, studying the effects of mental workload on human efficiency and adaptability arouses genuine interest. The objective of this manuscript is to evaluate the mental workload and to highlight its effects on efficiency, resulting in a behavioral and physiological adaptability of the operator. More precisely, it is a matter of varying the task demand (for example, the difficulty, the temporal pressure, the complexity) to evaluate and identify the effects on the behavioral and physiological adaptability of operator. Behavioral and physiological adaptability was indexed by performance and pre-ejection period reactivity related to effort mobilization. The first article allowed us to highlight a curvilinear effect of mental workload on behavioral and physiological adaptability, as postulated by Hancock and Szalma (2006). The second article has showed that the temporal pressure could to a certain extent promote behavioral adaptability, especially the implementation of strategy. The third article has demonstrated that the air traffic control complex tasks are likely to activate a performance-effort trade-off resulting both behavioral and physiological adaptability of the operator.The applicative purpose of this thesis is to highlight the importance of human factors in the environments design loop, in order to rethink them and/or to bring in tools of help if necessary, at the most opportune moment and in its form the most convincing, in order to promote an optimal mental workload

La congestion dans les Terminal Manoeuvring Area (TMA) des aéroports en hub est le principal problème dans le transport aérien chinois. Face au trafic extrêmement dense dans les TMAs, nous pouvons envisager d'automatiser une grande partie des opérations de routine, comprenant la planification, le séquencement et la séparation. Nous proposons dans cette thèse un nouveau système automatisé de séquencement des avions et de fusion des flux vers des pistes parallèles, qui sont utilisées dans la plupart des aéroports chinois. Notre méthodologie intègre un réseau de route 3D nommé Multi-Level and Multi-Point Merge System (MLMPMS) basé sur le concept de l'Area Navigation (RNAV) et un algorithme d'optimisation heuristique hybride pour trouver une solution correcte, opérationnellement acceptable. Un algorithme de Simulated Annealing (SA) spécifique et un module de génération de trajectoire collaborent pour rechercher la solution quasi optimale. Notre objectif est de générer en temps réel des trajectoires sans conflit, minimisant la consommation de carburant et permettant des méthodes de contrôle faciles et flexibles. Dans ce but, nous explorons en permanence les solutions possibles avec le moins de retard et assuront l'atterrissage le plus rapide. Nous déterminons quatre variables de décision pour contrôler chaque vol : l'heure et la vitesse d'entrée dans la TMA, le temps de vol sur l'arc de séquencement et le choix de la piste utilisée. La simulation de trajectoire dans les différentes phases de vol est basée sur le modèle de performances BADA. Dans le cas de l'aéroport de Beijing Capital International Airport (BCIA), les résultats numériques montrent que notre système d'optimisation de bonnes performances sur le séquencement et la fusion des trajectoires. Tout d'abord, il permet d'assurer des performances de résolution conflit très stables pour gérer les flux de trafic continuellement denses. Par rapport à l'algorithme Hill Climbing (HC), le SA peut toujours trouver une solution sans conflit, non seulement pour l'approche parallèle mixte ou séparée~(pour les arrivées), mais aussi pour les configurations parallèles indépendantes~ (départs et arrivées intégrés). Ensuite, avec un réseau d'itinéraires Multi-Level Point Merge (ML-PM) unique, il peut fournir une bonne solution de contrôle de la trajectoire pour traiter efficacement et économiquement différents types de flux d'arrivée. Il peut réaliser un temps de vol plus court et une descente vers le bas en Continuous Descent Approach (CDA) pour l'avion d'arrivée. Il peut réaliser un re-séquencement plus facile des avions avec un déplacement de position plus relâché. Théoriquement, les Maximum Position Shifting (MPS) peuvent atteindre 6 positions, surpassant la contrainte difficile de 3 positions. Troisièmement, l'algorithme montre son efficacité dans un modèle d'approche parallèle séparé avec une capacité de séquencement plus relâché. Par rapport au décalage de position forcé dur, qui est souvent utilisé dans le système actuel Arrival Manager (AMAN) et la méthode First Come First Served (FCFS) utilisé par les contrôleurs, il peut réduire le délai et le temps de transit moyens dans une situation d'arrivée très dense. Le palier par vol est inférieur à 12\% du temps de transit total dans la TMA. Quatrièmement, en configuration parallèle indépendant, il peut fournir des informations différentes concernant la valeur objectif associée, le temps de vol moyen, les trajectoires de croisement en point chaud entre les arrivées et les départs, l'efficacité avec différents arcs de séquencement conçus dans le réseau de route ML-PM etc<br>Congestion in Terminal Manoeuvring Area (TMA) at hub airports is the main problem in Chinese air transportation system. Facing extremely dense operations in complex TMA, we can consider reducing traffic complexity by solving all potential conflicts in advance with a feasible trajectory control for controllers, or automating a large proportion of routine operations, such as sequencing, merging and spacing. As parallel runways are a common structure of Chinese hub airports, in this thesis, we propose a novel system to integrated sequencing and merging aircraft to parallel runways. Our methodology integrates a Area Navigation (RNAV)-based 3D Multi-Level and Multi-Point Merge System (MLMPMS), a hybrid heuristic optimization algorithm and a simulation module to find good, systematic, operationally-acceptable solutions. First, a Receding Horizon Control (RHC) technique is applied to divide 24-hour traffic optimization problem into several sub- problems. Then, in each sub-problem, a tailored Simulated Annealing (SA) algorithm and a trajectory generation module worn together to find a near-optimal solution. Our primary objective is to rapidly generate conflict-free and economical trajectories with easy, flexible and feasible control methods. Based on an initial solution, we continuously explore possible good solutions with less delay and shorter landing interval on runway. Taking Beijing Capital International Airport (BCIA) as a case to study, numerical results show that our optimization system performs well. First, it has very stable de-conflict performance to handle continuously dense traffic flows. Compared with Hill Climbing (HC), the tailored SA algorithm can always guarantee a conflict-free solution not only for the mixed or segregated parallel approach (arrivals only) pattern, but also for the independent parallel operation (integrated departures and arrivals) pattern. Second, with its unique Multi-Level Point Merge (ML-PM) route network, it can provide a good trajectory control solution to efficiently and economically handle different kinds of arrival flows. It can realize a shorter flying time and a near-Continuous Descent Approach (CDA) descent for arrival aircraft, compared with baseline. It also realizes an easier re-sequencing of aircraft with more relaxed position shifting as well, compared with conventional sequencing method. Theoretically, the Maximum Position Shifting (MPS) can be up to 6 positions, overcoming the hard constraint of 3 position shifts (MPS &lt;= 3). Third, it is efficient for the segregated parallel approach patterns. Compared with hard constrained position shifting, which is often used in current Arrival Manager (AMAN) system and controller's manual-control First Come First Served (FCFS) method, it can reduce the average delay, average additional transit time in super dense arrival situations. The average time flown level per flight is less than 12% of total transit time in TMA. Fourth, in independent parallel patterns, it can provide a range of useful information concerning the associated objective value, the average flying time, crossing trajectories in hot spots between arrivals and departures, the efficiency of using different designed sequencing legs in ML-PM route network

Cette thèse s'intéresse au problème de conception optimale des routes de départ et d'arrivée dans une zone terminale autour d'un aéroport. Cette conception prend en compte la configuration et l'environnement autour des aéroports, et les différentes contraintes sous-jacentes, notamment l'évitement des obstacles et la séparation des routes. Nous proposons une formulation mathématique conduisant à un problème d'optimisation combinatoire, ainsi que des méthodes de résolution ad hoc efficaces pour le problème. Pour la résolution du problème, nous procédons en deux étapes. Nous considérons d'abord la conception d'une route de longueur minimale évitant les obstacles, en utilisant la méthode de Branch and Bound (B&amp;B). Ensuite, nous nous intéressons à la conception de plusieurs routes en assurant en plus la séparation des routes. Deux approches différentes sont appliquées : une méthode basée sur la méthode B&amp;B pour construire les routes séquentiellement suivant un ordre fixé à l'avance, et une méthode de recuit simulé pour construire les routes simultanément. Les résultats sur un ensemble de problèmes tests (artificiels et réels) montrent l'efficacité de notre approche<br>This thesis proposes a methodology for the optimization of departure and arrival routes in the Terminal Maneuvering Area (TMA). The design of these routes takes into account the configuration and environment around airports, and the related constraints, in particular the avoidance of obstacles and the separation between routes. We propose a mathematical formulation leading to a combinatorial optimization problem, as well as efficient ad hoc resolution methods for the problem. The problem is solved in two steps. First, we design an individual route avoiding obstacles with respect to minimum route length by using a Branch and Bound (B&amp;B) method. Afterwards, the design of multiple routes is solved by two different approaches: a B&amp;B-based approach (where routes are generated sequentially in a given order) and a Simulated Annealing approach (where routes are generated simultaneously). The simulation results of a set of (artificial and real) test problems show the efficiency of our approach

Le but de ce travail est de connaitre la repartition spatio-temporelle des concentrations des polluants emis par les vehicules automobiles dans differents types de voierie (autoroute, route et rue encaissee), afin de determiner le niveau previsible de la pollution a laquelle est soumise la population

Dans le contexte du futur système de gestion du trafic aérien, un des objectifs consiste à réduire l’impact environnemental du trafic aérien. Pour respecter ce but, le concept de “free-route”, introduit dans les années 1990, semble bien adapté aujourd’hui. Les avions ne seraient plus contraints à voler le long de routes aériennes, mais pourraient suivre des trajectoires optimales en terme de consommation. L’objectif de cette thèse est d’introduire une nouvelle méthode de planification du trafic à l’horizon pré-tactique avec des objectifs quelques fois contradictoires, c’est-à-dire avec pour but de minimiser la consommation ou de façon équivalente la durée de trajet en tenant compte des conditions météorologiques et de minimiser l’encombrement de l’espace aérien.La méthode a été mise au point en deux étapes. La première étape a été consacrée au calcul d’une seule trajectoire optimale en terme de temps de vol en tenant compte du vent et de contraintes celles des zones interdites de survol. Cette optimisation est basée sur une adaptation de l’algorithme Ordered Upwind. La deuxième étape introduit un algorithme hybride développé, basé sur un algorithme de recuit simulé et sur l’algorithme déterministe développé dans la première étape, afin de minimiser un compromis entre la congestion et la consommation. L’algorithme combine ainsi la capacité d’atteindre la solution optimale globale via une recherche locale qui permet d’accélérer la convergence.Des simulations numériques avec des prévisions de vent sur du trafic européen donnent des résultats encourageants qui démontrent que la méthode globale est à la fois viable et bénéfique en terme du temps de vol total comme de la congestion globale donc de la diminution des conflits<br>In the context of the future Air Traffic Management system (ATM), one objective is to reduce the environmental impact of air traffic. With respect to this criterion, the “freeroute” concept, introduced in the mid 1990’s, is well suited to improve over nowadays airspace based ATM. Aircraft will no longer be restricted to fly along airways and may fly along fuel-optimal routes. The objective of this thesis is to introduce a novel pretactical trajectory planning methodology which aims at minimizing airspace congestion while taking into account weather conditions so as to minimize also fuel consumption.The development of the method was divided in two steps. The first step is dedicated to compute a time-optimal route for one aircraft taking into account wind conditions. This optimization is based on an adaptation of the Ordered Upwind Method on the sphere.The second step introduces a hybrid algorithm, based on simulated annealing and on the deterministic algorithm developed in the first step, in order to minimize congestion. Thus the algorithm combines the ability to reach a globally-optimal solution with a local-search procedure that speeds up the convergence

碩士<br>國立成功大學<br>航空太空工程學系<br>81<br>The open policy for the airspace in Taiwan has resulted in a fast growth of air traffic in civil aeronautical flight services in Taipei FIR. But the airspace in Taiwan is limited, the heavy traffic loads the air traffic controllers with the serious burden and responsibility. In the past forty years, many human errors lead to accidents. The articles and reports about the flight security keeps continually remind us that the rate of the flight accident caused by human errors reaches more than 80 automation aid system is expected as an important research objective. The design of the proposed monitor system is mainly based on the air traffic expertise, with the detailed rules and regulations from Air Information Publication (AIP) for Taipei FIR. To ensure the air-craft maintain secure flight in airway to meet all geographical and weather constrains, the proposed monitor system will track and alert the air traffic controllers with constraint violations by different tones and flashing The proposed monitor system offers an aid to ATC controller for more efficient and secure service. Methodology, implementa- tion and simulation are present in this thesis.

The presented study discusses the Air Traffic Flow Management Problem by introducing alternative routing options for aircrafts in a constrained airspace. This work aims to minimize the total cost while all safety constraints such as mid-air collision avoidance and separation distance between aircrafts are respected. In this regard, a mixed integer programming (MIP) model has been developed by using a non-time indexed modeling strategy that benefits from a 3-dimensional (3D) network. The model provides the flight-route with a list of consecutive nodes to be visited by an aircraft and calculations on speed changes, and exact arrival and departure times on each travelling arc. Therefore, the separation distance between aircrafts on the network will be guaranteed despite of high travelling speeds over the arcs to avoid mid-air collisions. Designed for a single airport arrival and departure instances, the NP-hard nature of the MIP model does not prevent large problems to be solved on a personal computer using CPLEX, but also provides real-time decision making possible through performing an iterative solution. To conclude the results for various air traffic capacities and verify mid-air collision avoidance, a simulation model has been developed using ARENA simulation software by Rockwell.

Researches point out that the pupil diameter is a sign for fatigue calibration. In this study, we try to analyze how, through a more complex task of air traffic control, the participants will show a bigger pupil diameter than in tasks of easier air traffic control. Likewise, as the theories that go in line with compensatory mechanisms assume, if the job/task requires it, new resources may be provided to continue its execution. The sample had 61 participants, and two variables were manipulated: traffic density on condition many aircrafts and few aircrafts. And the other variable was the time on the task with 5 minute intervals for 2 hours (23 intervals). The dependent variable was the pupil diameter. The results showed that participants who performed the most complex task had bigger pupil diameter. At the same time, they showed that more activity of the participant, major would be the diameter pupilar. Also, the variable TOT (Time Of Task) showed that the pupil diminished, and then it continued increasing due to a generation of new resources.<br>Diversas investigações sugerem que o diâmetro da pupila pode ser um indicador para a avaliação de fadiga. Neste estudo, procuramos analisar como a complexidade de uma tarefa de controle de tráfego aéreo, influencia a mudança do diâmetro da pupila. Além disso, como é assumido pelas teorias que estão de acordo com os mecanismos de compensação, se a tarefa exigir, podem ser disponibilizados novos recursos para continuar a execução da mesma. A amostra foi constituída por 61 participantes, e manipularam-se duas variáveis: densidade de tráfego, com as condições muitos aviões e poucos aviõe; e tempo na tarefa com intervalos de 5 minutos durante 2 horas (23 intervalos). A variável dependente foi o diâmetro da pupila. Os resultados mostraram que os participantes que realizaram a tarefa mais complexa tinha uma dimensão média da pupila mais elevada. Ao mesmo tempo, mostraram também uma correlação positiva entre a actividade do participante, e o diâmetro da pupila. A variável tempo na tarefa mostrou que a pupila diminuiu, para a seguir continuar a aumentar, demonstrando e apoiando a teoria dos novos recursos.<br>Investigaciones apuntan que el diámetro pupilar es un índice para la calibración de la fatiga. En el presente estudio, se intenta analizar cómo mediante una tarea más compleja de control de tráfico aéreo, los participantes tendrán un diámetro pupilar mayor que en tareas de control de tráfico aéreo más simples. Asimismo, tal y como asumen las teorías que van en la línea de los mecanismos compensatorios, si la tarea lo requiere, podrán suministrarse nuevos recursos para continuar con la ejecución en ésta. La muestra contó con 61 participantes, donde se manipularon dos variables: densidad de tráfico con la condición muchos y pocos aviones y tiempo en la tarea con intervalos de 5 minutos durante dos horas (23 intervalos). La variable dependiente fue el diámetro pupilar. Los resultados obtenidos evidenciaron que los participantes que realizaron la tarea más compleja tenían mayor diámetro pupilar. Además, cuanta más actividad del participante, mayor sería el diámetro pupilar. A la vez, la variable TOT (Time Of Task) demostraba que la pupila disminuía, para luego continuar aumentando tras la generación de nuevos recursos.