Résolution De Conflits Aériens Par Algorithmes Génétiques

Gestion du trafic 

 La gestion du trafic aérien ou Air Traffic Management (dans la suite du mémoire, nous utiliserons l’acronyme ATM pour désigner la gestion du trafic aérien) est le terme générique désignant le système global en charge d’assurer la bonne marche du trafic aérien. L’ATM est en effet responsable de l’écoulement fluide et sûr du trafic aérien. Cette gestion engage différents problémes allant de la circulation des avions sur le tarmac à la planification de trajectoires, le tout en assurant la sécurité parfaite des passagers comme du personnel. L’objectif de l’ATM est de gérer l’ensemble du trafic aérien en assurant une bonne régulation de ce dernier tout en respectant un grand nombre de normes de sécurité. Définition 1.0.1. Une route aérienne est une succession de segments dans le plan horizontal, dont les extrémités ”les points de report ou waypoints” sont situées au-dessus des moyens de radionavigation au sol . 

 Le rôle du contrôleur 

Avec l’apparition du contrôle aérien, les contrôleurs deviennent les acteurs de la gestion en temps-réel du trafic. Le rôle d’un contrôleur aérien est d’assurer la sécurité des vols qui lui sont confiés. L’augmentation de la densité du trafic a engendré le découpage de l’espace aérien en secteurs, auxquels sont ensuite affectés un ou plusieurs contrôleurs aériens. Avec les moyens de radionavigation actuellement disponibles et grâce à l’amélioration des outils d’aide à la décision pour les contrôleurs aériens, ces derniers sont aujourd’hui capables de surveiller et gérer des dizaines de vols simultanément. Ainsi, la principale tâche des contrôleurs aériens est de prévenir toute collision en donnant des clairances aux pilotes. Les clairances sont des instructions de modification de trajectoire (déroutement), que les pilotes sont potentiellement libres de suivre ou non. En pratique cependant, mis à part les problèmes liés à la qualité des communications radio téléphoniques, les pilotes respectent très globalement ces instructions. Le contrôle aérien joue un rôle primordial dans l’organisation de la circulation aérienne. Afin de pouvoir contrôler les trajectoires des vols en temps réel, il est nécessaire que les vols respectent des routes précises, préalablement décidées avec les acteurs du contrôle aérien. Ces routes qui sont l’un des éléments des plans de vols, sont constituées d’une liste de balises au-dessus desquelles les vols sont censés survoler. Aujourd’hui les plans de vols sont déposés plusieurs mois à l’avance par les compagnies aériennes. Cependant la création de routes aériennes a eu aussi pour conséquence de concentrer les vols dans des zones plus confinées de l’espace aérien , multipliant ainsi les risques de collision. L’évolution de la technologie aéronautique a aussi joué un rôle important en augmentant continuellement les vitesses maximales des aéronefs, si bien qu’aujourd’hui il est indispensable pour les avions de respecter entre eux des distances de sécurité, de la même façon qu’il existe depuis plusieurs années des bandes de séparation sur le bas-côté des autoroutes. Pour s’assurer que les vols respectent des distances de sécurité entre eux, l’OACI a mis au point en 1996 des normes de séparation destinées à devenir un standard en terme de sécurité aérienne. Le contrôle aérien est un ensemble de services rendus aux avions afin d’aider à l’exécution sûre, rapide et efficace des vols. Les services rendus sont au nombre de trois : 1. le service de contrôle de la circulation aérienne est un service assuré dans le but de prévenir des collisions entre les avions et les véhicules d’une part et les abordages entre les avions d’autre part. Il consiste également à accélérer et ordonner la circulation aérienne ; 2. le service d’information de vol est assuré dans le but d’offrir des avis et renseignements utiles à l’exécution sûre et efficace du vol : informations météorologiques, informations sur l’état des moyens équipements de la navigation, informations sur le trafic (quand le service de contrôle n’est pas assuré dans cette zone) ; 3. le service d’alerte est assuré dans le but d’alerter les organismes appropriés lorsque les aéronefs ont besoin de l’aide des organismes de secours et de sauvetages. Pour assurer ces services, des organismes (tour de contrôle, centre en route etc) sont mis en place. Leur objectif est d’assurer un écoulement sûr et fluide du trafic aérien traversant l’espace aérien dont ils ont la charge.

La régulation du trafic aérien

 La régulation du trafic aérien s’effectue suivant des plans de vol déposés, disponibles pour le jour étudié. Elle peut également être influencée par les données des semaines, des mois ou des années précédentes , etc. La gestion des flux du trafic aérien permet d’adapter la quantité des avions qui occupent l’espace aérien afin de ne pas le saturer • L’organisation à long terme : c’est l’organisation stratégique de la structure de l’espace aérien (routes, secteurs, zones militaires, etc.) qui est le filtre le plus macroscopique et de l’affectation des flux de trafic sur le réseau de routes. Son but est d’organiser le trafic un ou plusieurs mois en avance. • L’organisation à court terme (Pré-régulation) qui consiste à réguler le trafic à partir des informations plus précises disponibles entre une semaine et un jour avant le jour conserné : cette phase se base sur des plans de vol déposés, décrivant les intentions des compagnies aériennes, la capacité disponible calculée en fonction du nombre prévu de contrôle ou encore des données des années ou des semaines précédentes, lorsque certains phénoménes répétitifs Résolution de conflits par AG Khady ndiaye c Université Cheikh Anta Diop de Dakar / 2016 Etat de l’art 8 sont attendus (par exemple : pointes de trafic autour des jours fériés). • La régulation en temps réel : permet d’ajuster les flux du trafic en fonction d’événements imprévus ou mal connus la veille. La régulation peut suivre le même processus que dans l’organisation à court terme (des créneaux sont imposés aux vols qui n’ont pas encore décollés)

 La régulation par la vitesse sublimale 

La vitesse d’ un avion est dite subliminale si elle est comprise entre −6% et +3% par rapport à la vitesse nominale de croisière. La régulation subliminale du trafic aérien consiste à réguler les flux de trafic sans affecter la charge de travail potentielle des contrôleurs. Pour ce faire, Villiers a proposé de se limiter à de faibles ajustements de vitesse de façon à ce que les contrôleurs aériens ne les remarquent pas et de ce fait ne soient pas perturbés dans leur tâche. Cette approche a été validée quelques années plus tard dans le cadre du projet ERASMUS (En-Route Air traffic Soft Management Ultimate System), qui s’inscrit dans les lignes de recherche de SESAR. Au cours du projet ERASMUS, des simulations avec des contrôleurs aériens ont permis de confirmer le potentiel du concept de la régulation de vitesse subliminale en montrant que de faibles modulations de vitesse permettaient de diminuer le nombre de conflits tout en demeurant imperceptibles par les contrôleurs. Lors des mises en situation, les contrôleurs qui participaient aux expériences étaient tenus de travailler selon leur habitude, en réalisant les opérations requises pour résoudre les conflits potentiels. Des modulations de vitesse allant de −12 % jusqu’à +6 % de la vitesse nominale de croisière ont été simulées. Bien que la majorité des variations de vitesse ne fut pas détectée par les contrôleurs, les conclusions du projet, qui fut mené en collaboration avec Honeywell (en tant que fabricant de moteurs d’avions et d’ordinateurs de bord), soulignent que l’intervalle [-6%,+3%] est le plus efficace du point de vue des performances aérodynamiques des moteurs. Parmi les résultats des mises en situation, d’ERASMUS se traduit par une baisse du nombre de clairances délivrées par vol de l’ordre de 20%. A l’issue de simulations réalisées sur l’espace aérien sud-est français, le projet ERASMUS estime à 80% le nombre de conflits pouvant être résolus grâce aux modulations de vitesse. Dans ce mémoire, nous proposons de nous appuyer sur les conclusions pour développer une méthode de détection et résolution de conflits basée sur la régulation de vitesse. Nous choisissons de stabiliser deux intervalles de modulation de vitesse pour structurer notre approche : • une faible régulation, soit l’intervalle [-6%,+3%] • forte régulation, soit l’intervalle [-12%,+6%] Notre approche est pleinement orientée vers la minimisation des conflits aériens via la régulation de vitesse. 

Etat de l’art 

Dans cette partie nous nous établissons un travail bibliographique reprenant la majorité des travaux publiés sur la gestion du trafic aérien et plus particulièrement sur la résolution de conflit par la régulation de vitesse. L’un des premiers travaux sur la résolution de conflits via la régulation de vitesse est dû à Friedman. Dans un article publié en 1988, Friedman propose une méthode pour déterminer l’instant optimal auquel le contrôleur aérien doit intervenir pour résoudre un conflit Résolution de conflits par AG Khady ndiaye c Université Cheikh Anta Diop de Dakar / 2016 Etat de l’art 9 potentiel. L’auteur choisit de restreindre les manoeuvres que les vols sont autorisées à suivre aux modulations de vitesse et propose d’utiliser la durée des conflits potentiels et la distance entre les vols pour mesurer l’intensité de ces conflits potentiels. Ce n’est qu’au début du XXIème siècle que Pallottino et al publient un article dans lequel les auteurs traitent le problème de la régulation de vitesse en le formulant comme un problème d’optimisation. L’objectif est de minimiser le temps de parcours des vols en les accélérant tout en respectant une norme de séparation horizontale. Le problème est formulé comme un PLNE dans lequel la vitesse des vols est bornée. Les auteurs présentent des résultats à partir de simulations comprenant jusqu’à 11 aéronefs. Les scénarios considérés correspondent au problème du rond-point où tous les vols sont disposés sur le périmètre d’un cerle et se dirigent vers son centre.Le problème est résolu avec le solveur CPLEX et les temps de calculs obtenus sont de l’ordre de la seconde, validant ainsi le modèle proposé sur les instances de type rond-point. En 2004 et 2005, Archambault publie deux communications sur la régulation de vitesse et l’incertitude sur la vitesse des vols. L’auteur cherche à minimiser le nombre de conflits via des régulations de vitesse ainsi qu’à quantifier l’influence de l’incertitude sur la vitesse des vols sur le modèle développé. Pour ce faire, Archambault propose de considérer que les vitesses des aéronefs ne peuvent pas être connues avec précision mais qu’elles appartiennent à un intervalle de confiance. Avec une erreur de ±5% sur la vitesse détectée, l’auteur montre que le nombre de conflits potentiels détectés est surestimé de 200%. En 2006, Constans et Al présentent une méthode pour réduire les conflits par des modulations de vitesse utilisnt les temps de passages des vols au-dessus des balises. Les auteurs proposent d’utiliser une boucle d’horizon glissant por réguler le trafic et discutent le paramétrage du pocédé. Plus récemment Val et Al ont proposé des algorithmes utilisant la régulation de vitesse et tenant compte de l’incertitude liée au vent.Dans une premiére communication, les auteurs modélisent le problème comme un PLNE et dans une seconde communication, les auteurs modélisent le problème comme un problème stochastique à deux niveaux. Les résultats de simulations réalisées sur un secteur de l’espace aérien américain confirment la valdités des modéles pour la résolution de conflit. En dépit des multiples approches sur la résolution de conflit via la régulation de vitesse, il subsiste encore de nombreuses pistes à explorer. En particulier, l’usage de la régulation de vitesse seule affecte considérablement la méthodologie employée. Le projet ERASMUS a contribué au développement de ces méthodes et a permis de préciser des intervalles de variation de vitesse fonctionnels c’est à dire compatibles avec une régulation subliminale du trafic. Dans ce cadre, bien qu’il soit encore trop tôt pour recourir à des modéles cognitifs capables de reproduire le comportement c’est la charge de travail des contrôleurs qui occupe le coeur des préoccupations.