Olumsuz hava koşulları altında trafik akışının eniyilenmesi
Optimization of traffic flow under adverse weather conditions
Yazar: ZEKERİYA KAPLAN
Danışman: PROF. DR. CEM ÇETEK ; PROF. DR. TUĞBA SARAÇ
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Hava Trafik Kontrol Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Sivil Havacılık = Civil Aviation ; Uçak Mühendisliği = Aeronautical Engineering

Özet:
Bu çalışma, hava trafik yönetiminin temel unsurlarından biri olan yörünge optimizasyonunu ele almakta ve özellikle konvektif hava koşulları altında uçuş rotası planlamasının zorluklarına odaklanmaktadır. Yörünge optimizasyonunun genel amacı, hava trafik akışını daha emniyetli ve verimli hale getirerek operasyonel verimliliği artırmaktır. Konvektif hava koşulları, dolu, rüzgâr kırılması, yıldırım ve şiddetli buzlanma gibi unsurları içerir, bu da uçaklar için emniyet riskleri oluşturur. Bu nedenle, pilotların bu bölgelerden kaçınması esastır. Ancak, konvektif hava koşulları nedeniyle uçakların planlanan rotalarından sapmaları, hava trafik akışında bozulmalara ve gecikmelere yol açabilir. Bu çalışmada, konvektif hava koşullarının etkisi altında uçuş rotası optimizasyonunun önemi incelenmiştir. Konvektif alanlardan kaçınma ve potansiyel çakışmaların çözümü, deterministik ve stokastik modellerle ele alınmıştır. Deterministik modelde, konvektif alanların sabit olduğu varsayılmış ve uçakların bu alanlardan çakışmasız bir şekilde kaçınarak optimizasyonu yapılmıştır. Stokastik model ise rüzgâr belirsizlikleri hesaba katılmıştır. Ayrıca, Kayan Ufuk Kontrolü yaklaşımı ile konvektif alan dinamikleri dikkate alınarak problem daha gerçekçi bir şekilde ele alınmıştır. Geliştirilen modellerin amacı, uçakların konvektif alanlardan kaçınarak toplam uçuş süresini minimize etmektir. Çalışma sonucunda stokastik modelin, deterministik modele göre sağladığı avantajlar belirlenmiş ve konvektif hava koşullarının hava trafik yönetimine etkisi değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, hava trafik kontrolörleri ve pilotların daha etkili kararlar alabilmeleri için önemli bir temel oluşturmaktadır. Geliştirilen algoritmalar, karar destek ve/veya otomasyon sistemleri üzerine inşa edilerek, hava sahasındaki uçakların rotalarını daha etkili ve koordineli bir şekilde planlamayı sağlayabilecek potansiyeldedir. Bu yaklaşımın uygulanması, pilotlar ve kontrolörlerin iş yükünü azaltacak, buna bağlı olarak da emniyet, verimlilik ve hava trafik yönetimi kapasitesi açısından olumlu sonuçlar doğuracaktır.

Abstract:
This study addresses trajectory optimization, a fundamental element of air traffic management, with a specific focus on the challenges of flight route planning under convective weather conditions. The main objective of trajectory optimization is to enhance operational efficiency by making air traffic flow more safety and efficient. Convective weather conditions involve elements such as hail, wind shear, lightning, and severe icing, posing safety risks for aircraft. Hence, it is essential for pilots to avoid these regions. However, deviations from planned routes due to weather conditions lead to disruptions and delays in air traffic flow. Avoidance of convective areas and resolution of conflicts are addressed using deterministic and stochastic models. In the deterministic model, convective areas are assumed to be fixed, and the optimization involves aircraft avoiding these areas without conflicts. The stochastic model incorporates wind uncertainties, and the problem is addressed more realistically by considering the dynamics of convective areas with the Rolling Horizon Control approach. The aim of the models is to minimize total flight time. The study reveals the advantages of the stochastic model over the deterministic model. The obtained results provide an important basis for controllers and pilots to make more effective decisions. The algorithms, built upon decision support and/or automation systems, have the potential to enable more effective and coordinated planning of the routes of aircraft. The implementation of this approach is expected to reduce workload for both pilots and controllers, accordingly, will have positive results in terms of safety, efficiency and air traffic management capacity.