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Luftverkehrsmanagement

Im klassischen Luftverkehrsmanagement führen statische Luftraumstrukturen in hoch ausgelasteten Verkehrsszenarien zu ineffizienten Verkehrsabläufen. Konzepte wie die dynamische Luftraumsektorisierung, mobile Sektoren oder das Long-Range ATFM sind innovative Lösungsansätze für ein sicheres und effizienteres Management. Randbedingungen aus der spezifischen Flugplanung und Flugdurchführung von Luftverkehrsgesellschaften, das notwendige Umfliegen von Wetterzellen oder die Vermeidung von Kondensstreifen sind ebenfalls Aspekte, die zunehmend stärker berücksichtigt werden.  Die zeitnahe Integration von autonomen Verkehren, hochfliegenden Plattformen und Weltraumverkehre sind große Herausforderungen. Auch die effiziente Koordination von militärischen Flugbewegungen unter Berücksichtigung des zivilen Luftverkehrs erfordert gemeinsame Anstrengungen zur Erforschung und Umsetzung innovativer Lösungsansätze. Es sollen hierbei die hohe Flexibilität militärischer Flugbewegungen als auch die mittelfristige und präzise Planbarkeit von zivilen Verkehren gewährleistet werden.

 

Das Forschungsfeld kann prinzipiell in fünf Bereiche aufgeteilt werden: Ankunfts-/Abflugmanagement, Verkehrsflusssteuerung mit unterschiedlichen Zeithorizonten, digitaler Tower und Lotsenassistenzsysteme, zivil-militärische Integration und das Space Management. Obwohl sich die individuellen Herausforderungen dieser Bereiche unterscheiden, besteht aus wissenschaftlicher Sicht eine hohe Synergie bei den notwendigen technologischen Entwicklungen. In enger Kooperation mit den Praxispartnern (Anwendern) können wir die erworbenen Erkenntnisse auf die anderen Bereiche gezielt übertragen und die Entwicklungsarbeiten so bündeln.

Ankunfts- und Abflugmanagement

Themen

Das Gebiet um den Flughafen herum wird als Terminal Maneuvering Area (TMA) oder weitergefasst als Arrival Sequencing and Metering Area (ASMA) definiert. Dieses Gebiet ist vor allem durch steigende und sinkende Verkehre gekennzeichnet, was zu komplexen Wechselwirkungen im Luftraum führt. Das Management der ankommenden Verkehre (Arrival Management) dient vor allem der optimalen Ausnutzung beschränkter Kapazitäten am Flughafen (bspw. Start-/ Landebahn). Eine frühzeitige Sequenzierung ankommender Flüge ermöglicht eine Optimierung, jedoch weisen die Ankunftszeiten mit zunehmender Entfernung vom Flughafen auch zunehmende Unsicherheiten auf.  Gerade in Phasen hoher Nachfrage müssen auch noch weitere Anforderungen des Flughafensystems (bspw. Abflüge und das Bodenmanagement) berücksichtigt werden. Die Analyse von realen Flugverläufen und Entwicklung von neuen Verfahren sind Schwerpunkte dieses Forschungsgebiets.

 

Technologien

  • Agenten-basierte Simulation von an-/abfliegenden Verkehren
  • Daten-gestützte Auswertung (maschinelles Lernen) von Flugspuren
  • Einsatz von Optimierungsmethoden zur effizienten Sequenzierung der Verkehre

 

Veröffentlichungen (Auszug)

A Deep Reinforcement Learning Approach for Airport Departure Metering Under Spatial–Temporal Airside Interactions
H Ali , DT Pham , S Alam , M Schultz (2022). IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 1-18.

Towards a greener Extended-Arrival Manager in air traffic control: A heuristic approach for dynamic speed control using machine-learned delay prediction model
Lim Zhi Jun, Sameer Alam, Imen Dhief, Michael Schultz (2022). Journal of Air Transport Management 103, 102250

Predictive classification and understanding of weather impact on airport performance through machine learning
M Schultz, S Reitmann, S Alam (2021). Transportation Research Part C: Emerging Technologies 131, 103119

Probabilistic Prediction of Separation Buffer to Compensate for the Closing Effect on Final Approach
S Förster, M Schultz, H Fricke (2021). Aerospace 8 (2), 29

Verkehrsflusssteuerung

Themen

Im Streckenflug passieren Flugzeuge verschiedene Kontrollbereiche (Sektoren) entlang der geplanten Trajektorien. Diese Trajektorien berücksichtigen die Kapazitätsrestriktionen der Sektoren und die Flugplanung von Airlines (der Flugzeuge). Mit dem Konzept der freien Routenwahl (free route airspace) stehen Airlines größere Freiheiten bei der Routengestaltung zur Verfügung, allerdings nimmt die Komplexität der sich hieraus ergebenden Verkehrsszenarien zu. Methoden zur abschnittsweisen Verkehrsbündelung, die dynamische Sektorisierung und mobile Sektoren sind innovative Verfahren, um die neuen Möglichkeiten in der Flugführung effizient zu nutzen. Mit einem Fokus auf den Luftverkehr als ein Gesamtsystem, müssen auch Aspekte des Airline-, Flughafen- und Bodenmanagement in der Verkehrsflusssteuerung berücksichtig werden.

 

Technologien

  • Agenten-basierte Simulation fliegender Verkehre unter Einsatz von OpenSource Modellen (OpenAP, OpenAP.top) und Simulationensumgebungen (Bluesky)
  • Mathematische Verfahren: Optimierungsansätze, genetische Algorithmen, maschinelles Lernen

 

Veröffentlichungen (Auszug)

Long Range Air Traffic Flow Management with Flight-Specific Flight Performance
J Rosenow, E Asadi, D Lubig, M Schultz, H Fricke (2022). Future Transportation 2 (2), 310-327

Implementation of a Long-Range Air Traffic Flow Management for the Asia-Pacific Region
M Schultz, D Lubig, E Asadi, J Rosenow, E Itoh, S Athota, V Duong (2021). IEEE Access 9, 124640-124659

From free-route air traffic to an adapted dynamic main-flow system
I Gerdes, A Temme, M Schultz (2020). Transportation Research Part C: Emerging Technologies 115

Zivil-militärische Integration

Themen

Die Integration von neuen fliegenden Plattformen und von militärischen Flügen in den aktuellen Luftraum ist mit großen Herausforderungen verbunden. Der zur Verfügung stehende Luftraum entlang der bevorzugten Routen ist begrenzt jedoch können integrierte Lösungsansätze für eine gemeinsame Nutzung ein verbessertes Management ermöglichen. Während im zivilen Luftverkehr die Planbarkeit (Stabilität geplanter Verkehre) und somit die Pünktlichkeit im Fokus steht, erfordert die militärische Routenplanung und -umsetzung ein hohes Maß an Flexibilität. Für eine Vereinbarkeit dieser gegenläufigen Anforderungen wird derzeit auf zeitlich, für den zivilen Verkehr gesperrte Lufträume gesetzt. Mit der Entwicklung von adaptiven Luftraumstrukturen soll ein wichtiger Schritt in Richtung einer integrativen Lösung getan werden.

 

Technologien

  • Agenten-basierte Simulation von Flügen mit unterschiedlichen Missionsprofilen und Zielfunktionen
  • Konzeptentwicklung und anwendungsnahe Implementierung

Digitaler Tower und Lotsenassistenzsysteme

Themen

Für sichere Abläufe im Luftverkehr stellt die Flugsicherung Überwachungs- und Kontrollstrukturen bereit. Die Fluglosten geben Anweisungen an die Piloten, um geforderte Sicherheitsabstände nicht zu unterschreiten und einen effizienten Ablauf zu gewährleisten. Mit der Verfügbarkeit von digitalen Technologien werden sich auch die Arbeitsplätze und die Arbeitsabläufe der Fluglotsen ändern. Die Forschung in diesem Bereich fokussiert auf daten-basierte Assistenzsysteme, die auf möglicherweise komplexe/ kritische Situationen hinweisen und in der Lage sind standardisierte, von den Lotsen akzeptierte Anweisungen vorzuschlagen (erklärbares maschinelles Erlernen von Verfahrensabläufen). Der Arbeitsplatz eines Towerlotsen muss auch nicht mehr unbedingt am Flugplatz sein, sondern kann unter Nutzung von Virtualisierungstechnologien an einem beliebigen Standort verlegt werden.

 

Technologien

  • Mixed-reality Umgebung zur Modellierung einer zunehmend virtuellen Arbeitsumgebung
  • Augmentierung der Arbeitsumgebung, um Entscheidungsgrundlagen bereitzustellen
  • Kopplung von virtuellen Arbeitsplätzen mit operativen Simulationen, sowie mit realen Umgebungsdaten in Echtzeit

 

Veröffentlichungen (Auszug)

Data-driven airport management enabled by operational milestones derived from ADS-B messages
M Schultz, J Rosenow, X Olive (2022). Journal of Air Transport Management 99, 102164

The impact of automation on air traffic controller’s behaviors
Y Wang, R Hu, S Lin, M Schultz, D Delahaye (2021). Aerospace 8(9), 260

Dynamic hot spot prediction by learning spatial-temporal utilization of taxiway intersections
H Ali, R Delair, D T Pham, S Alam, M Schultz (2020). Conference on Artificial Intelligence and Data Analytics in Air Transportation

Space Management

Themen

Die kommerzielle Umsetzung von Weltraumflügen und der nationale Bedarf an Weltraumoperationen erfordern Konzepte für die Integration von Starts/ Landungen entsprechender Plattformen in das Luftverkehrsmanagement. Hierbei müssen Aspekte der Sicherheit sowie betriebliche und verfahrensrechtliche Anforderungen berücksichtigt werden. Bei der Integration von Spaceports als Zugangspunkte zum Weltraum als auch bei der effizienten Flugführung sollten die notwendigen Abläufe nur einen geringen Einfluss auf die anderen Nutzer des Luftverkehrssystems haben. Die Forschung des Lehrstuhls fokussiert auf die Entwicklung und Überprüfung (Simulation) von operativen Konzepten (bspw. Machbarkeitsstudien).

 

Technologien

  • Simulation des Luftverkehrssystems (Bluesky) unter Einbindung von Sicherheitsbewertungen

 

Veröffentlichungen (Auszug)

Integration and Evaluation of the Impact of Space Vehicle Operations in the European ATM
T Luchkova, S Kaltenhäuser, N Klay, RBR Ang, M Schultz (2018). International Conference on High-Speed Vehicle Science Technology