Development of trajectory generation algorithms to improve air transport safety - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2023

Development of trajectory generation algorithms to improve air transport safety

Développement d'algorithmes de génération de trajectoire pour l'amélioration de la sécurité du transport aérien

Andréas Guitart
  • Function : Author
  • PersonId : 1386864
  • IdRef : 278402429

Abstract

This thesis addresses route and trajectory generation algorithms to improve air transport safety. Despite being one of the safest means of transport, incidents and accidents occur every year. This thesis deals with three major problems which, when poorly managed, can cause accidents: emergency landings, avoiding meteorological obstacles and resolving conflicts between aircraft. During this thesis, we asked ourselves how to solve these problems. The first idea was to deal with them at the tactical level. First, this thesis deals with the development of a decision support tool for pilots in emergency situations. This work was conducted in the context of the project SafeNcy. Its aim is to develop a system comprising a landing site selector and a trajectory generation module. During this project, we mainly worked on the second module. The main challenge of this problem is to develop an algorithm that generates landing trajectories in a few seconds, to quickly propose solutions to pilots and thus maximize the chances of a safe landing. The other major challenge is linked to the big number of emergency situations, each with its own specific features. To address these issues, we compared three methods: the Fast Marching Tree algorithm, the Fast Marching method and the Rapidly-exploring Random Tree algorithm. After several tests, the Rapidly-exploring Random Tree algorithm was chosen to be part of the SafeNcy system. The results of the project are highly satisfactory, since for all the scenarios defined, the system generates several trajectories in a matter of seconds. After studying the most critical situations, we studied the avoidance of meteorological obstacles in real time. The aim of this research was to develop a collaborative system, enabling each aircraft to bypass the storm while avoiding conflicts. First, a method based on the Fast Marching Tree algorithm and first-come, first-served principle was developed. It was then modified to take into account the fairness constraint between aircraft. Simulations show that the method is fair and generates conflict-free avoidance paths in a few seconds. After dealing with problems from a tactical point of view, we turned our attention to strategic resolutions. First, we studied the design of safe procedures in TMAs. The approach is based on the Simulated Annealing. The TMA is discretized by a set of circles defining the position of connection points between routes. The horizontal profile of each route is defined by a set of predefined options. The vertical profile is defined by minimum and maximum slopes, to which level flights can be added. In addition to route distance, noise impact was taken into account. The proposed method was compared with previous works on procedures at Paris Charles-De-Gaulle airport. A noise impact study was then carried out. Finally, the algorithm was tested on the Paris TMA. The conclusion of this work is satisfactory, as the proposed method outperforms those in the literature and works on complex scenarios. To conclude this thesis, an approach is proposed to develop a system to prevent unforeseen events by generating alternative trajectories in advance. The main challenges of this study are: the alternative trajectories generated must not be too far from the initial flight plan; the trajectories must be sufficiently different from each other; and at least one trajectory must avoid an unforeseen event. To meet these challenges, the method is based on the Rapidly-exploring Random Graph algorithm, a clusterization and a similarity metric. The proposed algorithm was tested on the avoidance of contrails, which were considered as hard obstacles. Initial results appear satisfactory, with the algorithm able to avoid obstacles of various sizes. This work remains preliminary, as many improvements still need to be added. This thesis opens the way to the development of decision support tools to assist air transport operators in more or less critical situations.
Cette thèse porte sur les algorithmes de génération de routes et de trajectoires permettant d'améliorer la sécurité du transport aérien. Cette thèse traite trois problèmes majeurs pouvant causer des accidents : les atterrissages d'urgence, l'évitement d'obstacles météorologiques et la résolution de conflits entre des avions. Durant cette thèse, nous nous sommes posé la question sur la manière de résoudre ces problèmes. La première idée a été de les traiter au niveau tactique. Tout d'abord, cette thèse porte sur le développement d'un outil d'aide à la décision pour les pilotes en cas de situation d'urgence. Ce travail a été mené dans le cadre du projet SafeNcy visant à créer un système composé d'un sélecteur de lieux d'atterrissage et d'un module générant la trajectoire. L'enjeu principal de ce problème est de développer un algorithme générant des trajectoires d'atterrissage en quelques secondes. L'autre enjeu majeur est qu'il existe énormément de situations d'urgence qui ont chacune leurs spécificités. Afin de répondre à ces enjeux, nous avons comparé trois méthodes: le Fast Marching Tree, le Fast Marching et le Rapidly-exploring Random Tree. Après plusieurs tests, le Rapidly-exploring Random Tree a été choisi pour le projet SafeNcy. Les résultats sont très satisfaisants, car pour l'intégralité des scénarios définis, le système génère plusieurs trajectoires en quelques secondes. Après s'être intéressés aux situations les plus critiques, nous avons étudié l'évitement d'obstacles météorologiques en temps réel. L'étude portait sur le développement d'un système collaboratif permettant à chaque avion de contourner l'orage tout en évitant des conflits. Une méthode basée sur le Fast Marching Tree et le principe du premier arrivé premier servi a été développée. Elle a été ensuite modifiée afin de prendre en compte l'équité entre les avions. Les simulations montrent que la méthode est équitable et génère des trajectoires d'évitement sans conflit en quelques secondes. Après l'étude des problèmes du point de vue tactique, nous nous sommes intéressés à des résolutions stratégiques. Tout d'abord, nous avons étudié le design de procédures sécurisés dans les TMA. L'approche est basée sur le recuit simulé. La TMA est discrétisée par un ensemble de cercles définissant la position des points de connexion entre les routes. Le profil horizontal de chaque route est choisi parmi un ensemble d'options prédéfinies. Le profil vertical est défini à partir des pentes minimales et maximales, auxquelles peut s'ajouter des paliers. En plus de la distance des routes, l'impact sonore a été considéré. La méthode a été comparée à la littérature sur l'aéroport Paris Charles-De-Gaulle. Ensuite, une étude de l'impact sonore des procédures a été effectuée. Enfin, l'algorithme a été testé sur la TMA de Paris. La conclusion de ces travaux est satisfaisante car la méthode est meilleure que celles de la littérature et fonctionne sur des scénarios complexes. Pour conclure cette thèse, une ouverture est proposée sur le développement d'un système pour prévenir les événements imprévus en générant en avance des trajectoires alternatives. Les enjeux de cette étude sont : les trajectoires alternatives ne doivent pas être trop éloignées du plan de vol initial; les trajectoires doivent être suffisamment différentes entre elles et au moins une trajectoire doit éviter un événement imprévu. Pour y répondre, la méthode est basée sur le Rapidly-exploring Random Graph, une clusterisation et une métrique de similarité. L'algorithme a été testé sur l'évitement de trainées de condensation considérées comme des obstacles durs. Les résultats semblent satisfaisants, car l'algorithme permet d'éviter des obstacles de différentes tailles. Ce travail reste préliminaire, car de nombreuses améliorations restent à ajouter. Cette thèse ouvre la voie au développement d'outils d'aide à la décision permettant d'assister les acteurs du transport aérien dans des situations plus ou moins critiques.
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Dates and versions

tel-04592395 , version 1 (29-05-2024)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04592395 , version 1

Cite

Andréas Guitart. Development of trajectory generation algorithms to improve air transport safety. Data Structures and Algorithms [cs.DS]. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2023. English. ⟨NNT : 2023TOU30311⟩. ⟨tel-04592395⟩

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