A fairness-informed modelling extension to the single airport slot scheduling problem
Creators: name: Μακρής, Ανδρέας Θεοδώρου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: Κατανομή χρονοθυρίδων
Προγραμματισμός αεροδρομίων
Δικαιοσύνη
Slot allocation
Airport scheduling
Fairness

description: Η μεγάλη ανάπτυξη των αεροπορικών μεταφορών που έχει παρατηρηθεί τα τελευταία 30 χρόνια δεν έχει συνοδευτεί από αντίστοιχα έργα επέκτασης της δυναμικότητας των αεροδρομίων, οδηγώντας έτσι σε σοβαρά προβλήματα συμφόρησης και αξιοσημείωτες καθυστερήσεις. Μια πολλά υποσχόμενη ερευνητική κατεύθυνση έγκειται στην ανάπτυξη μεθόδων βελτιστοποίησης των προγραμμάτων των πτήσεων, καθώς και μοντέλων για την κατανομή των περιορισμένων πόρων των αεροδρομίων – εκπεφρασμένων σε χρονοθυρίδες – ανάμεσα σε ανταγωνιστικές αεροπορικές εταιρείες. Η υπάρχουσα έρευνα έχει επιδιώξει τη μοντελοποίηση του τρέχοντος μηχανισμού κατανομής των χρονοθυρίδων, όπως αυτός προβλέπεται από τη Διεθνή Ένωση Αερομεταφορών (IATA), εστιάζοντας κυρίως στην ελαχιστοποίηση διαφόρων εκφράσεων της αποδοτικότητας των προγραμμάτων. Οι τελευταίες λαμβάνουν τη μορφή κάποιας μετρικής της χρονικής μετατόπισης του προγράμματος (ήτοι της διαφοράς ανάμεσα στις ζητούμενες χρονοθυρίδες και αυτές που τελικά παραχωρήθηκαν) και βελτιστοποιούνται ως προς πολλαπλούς σκοπούς. Στο πλαίσιο αυτής της διπλωματικής εργασίας, προτείνεται μια επέκταση των υπαρχόντων μοντέλων χρονοπρογραμματισμού ενός αεροδρομίου που έχει ως γνώμονα τη δικαιοσύνη. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της εισαγωγής και μοντελοποίησης της έννοιας της «οριακής χρονικής μετατόπισης του προγράμματος», η οποία ορίζεται ως η πρόσθετη χρονική μετατόπιση του προγράμματος που προκαλείται από κάθε αίτημα για χρονοθυρίδα που κατατίθεται εκ μέρους μιας αεροπορικής εταιρείας. Η λογική είναι πως, υπό την παρουσία συμφόρησης, κάθε αίτημα για χρονοθυρίδα προκαλεί μια επιπλέον χρονική μετατόπιση του προγράμματος, η οποία τελικά «τιμωρεί» τα επόμενα αιτήματα. Το προτεινόμενο μοντέλο στόχο έχει να διασφαλίσει ότι κάθε αεροπορική εταιρεία θα απορροφήσει το «δίκαιο μερίδιό» της από τη συνολική χρονική μετατόπιση του προγράμματος που προκαλείται στο σύστημα, μέσω της εξίσωσης αυτού του μεριδίου με την αναλογία της οριακής μετατόπισης του προγράμματος που παράγεται από τα αιτήματα της εν λόγω εταιρείας προς τη συνολική οριακή μετατόπιση. Με αυτόν τον τρόπο, οι προηγούμενες μοντελοποιήσεις που λάμβαναν υπ’ όψιν έναν σκοπό (την ελαχιστοποίηση της συνολικής χρονικής μετατοπίματος του προγράμματος) εμπλουτίζονται με έναν περιορισμό δικαιοσύνης που εξασφαλίζει μια δίκαιη κατανομή της συνολικής χρονικής μετατόπισης του προγράμματος στις διάφορες αεροπορικές εταιρείες. Το νέο μοντέλο με γνώμονα τη δικαιοσύνη εφαρμόζεται και λύνεται με τη χρήση πραγματικών δεδομένων προγραμματισμού για την περίπτωση ενός μικρού, περιφερειακού αεροδρομίου στην Ελλάδα. Τα αριθμητικά αποτελέσματα συγκρίνονται με εκείνα που προέκυψαν από προηγούμενες μοντελοποιήσεις προσανατολισμένες στην αποδοτικότητα του προγράμματος στο επίπεδο του ενός αεροδρομίου, και αξιολογούνται ως προς την επιβεβαίωση του επιδιωκόμενου στόχου της δικαιοσύνης .
description: The high air transport growth witnessed over the past 30 years has not been matched by equivalent airport capacity expansion projects, hence leading to severe airport congestion problems and notable delays. A promising research direction lies on the deployment of schedule optimization methods and models for allocating scarce airport resources, expressed in slots, among competing airlines. Existing research has pursued modelling formulations of the current IATA-based slot allocation mechanism by mainly opting for the minimization of various expressions of schedule efficiency, expressed in the form of some schedule displacement metric (i.e., difference between requested and allocated slot times) and optimized with respect to multiple objectives. As part of this thesis, a fairness-informed modelling extension to existing single-airport slot scheduling models is proposed, by introducing and modelling the notion of “marginal schedule displacement”, with the latter being defined as the incremental schedule displacement caused by each slot request. The intuition is that, in the presence of congestion, each slot request causes an additional schedule displacement that eventually “penalizes” subsequent slot requests. The proposed model aims to ensure that each airline absorbs its “fair share” of the total schedule displacement exerted onto the system by equating this share to its proportion of airline-specific marginal schedule displacement over total marginal schedule displacement. In doing so, previous, single-objective modelling formulations – aiming to minimize total schedule displacement – are enriched with a fairness constraint ensuring a fair allotment of total schedule displacement across airlines. The fairness-informed model is applied and solved with the use of real-world scheduling data for a small, regional airport in Greece. The numerical results are compared against those obtained by previous efficiency-oriented single-airport modelling formulations, and assessed in terms of affirming the pursued fairness objective.