Soutenance mémoire
Conflits aériens, optimisation et contrôle optimal
Gestion du trafic et évitement de conflits aériens
Cette section illustre le champ d’application de ce travail de thèse, en explicitant le contexte du trafic aérien et, tout particulièrement, le problème d’évitement de conflits aériens. Elle permet ainsi d’appréhender les besoins et les motivations (détaillées en Annexe A) pour l’aide à la décision. Dans le sens où il s’agit de proposer, pour accompagner et aider les contrôleurs aériens dans leurs responsabilités, des outils informatiques, par exemple lesquels permettraient de vérifier et d’analyser des informations (par exemple, sur les vols d’un secteur), de sorte à faciliter voire optimiser la prise de décision.
Le contrôle aérien vise à structurer la circulation aérienne et à veiller au bon déroulement des vols. Des précisions historiques sur le contrôle de la circulation aérienne sont données dans Maignan [120], Bayen et Tomlin [12], et Jousse et al. [109], ces derniers décrivent notamment l’évolution durant six décennies des techniques et des moyens employés (en particulier, pour la transmission d’information, du morse à la souris). Au sein du contrôle aérien, nous nous concentrons sur le problème d’évitement de conflits aériens (qui sera défini formellement plus tard). L’observation et le maintien d’une distance minimale de sécurité entre les avions sont discutés ; la séparation entre les avions, cruciale, est étudiée. Les manœuvres élémentaires d’évitement, à disposition des contrôleurs aériens, sont présentées. La thèse va développer un modèle mathématique et une approche de résolution, appropriée à un des moyens d’évitement : la régulation subliminale en vitesse (expliquée en sous-section 1.1.3). Actuellement, la circulation présente sur le réseau aérien est placée sous la responsabilité d’équipes de contrôleurs aériens (détaillées en Annexe A). Pour réduire la charge de travail affectée à chaque contrôleur aérien, laquelle fragiliserait la sécurité du trafic aérien dont ils ont la tâche, les flux aériens sont soumis à différents filtres de régulation de manière à organiser le trafic.
Filtres successifs de régulation du trafic aérien
La gestion du trafic aérien (Air Traffic Management, ATM) est un système critique (dans le sens où, il s’agit d’un système dont une erreur ou une panne peut avoir des conséquences dramatiques). Nous décrivons dans l’ordre d’apparition – suivant la manière séquentielle imposée – les multiples étapes (filtres) qui composent cette chaîne de régulation, visant à fludifier le trafic aérien en toute sécurité.
Premiers filtres de la chaîne de régulation
Avec les premiers filtres, nous décrivons la phase de planification de trajectoires d’avions et l’établissement d’un plan de vol pour chacun d’eux.
Stratégique. Actuellement, les compagnies aériennes soumettent environ un an à l’avance la mise en place d’un itinéraire en soumettant une feuille de route, appelée plan de vol, à un organisme international chargé de vérifier la faisabilité et l’allocation de créneaux horaires. Le critère (« cost index », par exemple, Roberson [146]) de la compagnie aérienne représente un compromis (confidentiel) entre la durée du vol et la consommation en carburant. Après vérification des conditions de vol (en particulier, des tranches horaires pour le décollage et pour l’atterrissage aux aéroports demandés), cet organisme valide. Cette organisation à long-terme est le premier filtre dont le but est de structurer, plus de 6 mois à l’avance, le trafic à grande échelle, i.e., aux niveaux nationaux et continentaux. Le trajet de l’avion est défini au moyen de balises et points de passage (waypoints). Lors de cette procédure, les trajectoires sont planifiées.
Pré-tactique. Tout en conservant les indications précédentes, par exemple, la tranche horaire allouée au décollage et les informations relatives au déroulement du vol, cette phase intervient au plus 48h avant le vol prévu. Cette organisation à courtterme (pré-régulation), bénéficie de données relativement précises (par exemple, pour les dernières 24h, météorologie, capacités des centres de contrôle en-route CRNA et données des semaines précédentes).
Pour ces deux filtres (stratégique et prétactique), l’organisme responsable en Europe est la Central Flow Management Unit (CFMU). Ces premiers filtres bénéficient d’un mode de résolution plus souple en termes de temps de calculs pour la résolution de problèmes induits (par la complexité des nombreuses trajectoires d’avions à mettre en place). À plus court terme, les deux prochains filtres présentés ci-après sont davantage sensibles aux questions de temps de calculs pour la résolution de problèmes de modifications éventuelles sur les plans de vols des avions.
Derniers filtres de la chaîne de régulation
Nous décrivons, depuis le décollage jusqu’à l’aterissage à destination, les filtres de régulation dédiés aux vols effectifs des avions. La prise en compte d’informations et le suivi sur les déroulements des vols sont essentiels. En cas de modifications, ou de problèmes, concernant les plans de vols, un effort d’ajustements doit être réalisé promptement. La prise de décisions, dont les contrôleurs aériens ont la charge, est capitale.
Tactique. La phase tactique est considérée avoir lieu peu avant le décollage, de l’ordre d’une heure ou deux avant, mais également durant le vol lui-même en considérant les prochaines 30 minutes. La phase tactique vise à fixer dans des conditions de sécurité optimales les derniers paramètres du vol, à travers le plan de vol, notamment en précisant la trajectoire envisagée de l’avion avec les routes aériennes empruntées. Lors de cette phase, les plans de vols des avions sont affinés. Durant le vol, les informations du plan de vol, par exemple, comme les prochains points de passages et balises à rencontrer, le cap et la trajectoire de l’avion, ainsi que le niveau de vol et la vitesse nominale, sont communiqués pour les futurs secteurs aériens traversés. Malgré les efforts mis en œuvre, des possibilités de conflits aériens potentiels subsistent lors des vols effectifs. C’est au sein de cette période, durant les vols effectifs, que nous positionnons notre étude pour l’évitement de conflits aériens, juste avant l’intervention des contrôleurs aériens eux-mêmes, pour proposer un ensemble d’outils d’aide à la décision, de sorte à alléger leur charge de travail. En effet, la détection et, de plus, la résolution de conflits aériens potentiels ne sont pas automatisées. Pour palier à ce besoin grandissant, dû au développement croissant du trafic aérien, des travaux de recherche portent sur la modélisation et l’optimisation pour le problème d’évitement de conflits aériens. C’est dans cette phase de la chaîne de régulation que nous inscrivons le domaine d’application pour ces travaux de thèse.
Temps réel. C’est le filtre en bout de cette chaîne du contrôle de trafic aérien. Cette étape est caractérisée par les actions des contrôleurs aériens dans leur secteur respectif, décrite en Annexe A. Les conditions du contrôle effectif des contrôleurs (Air Traffic Control, ATC) et les manœuvres en temps réel sont rapportées dans la sous section suivante.
Après avoir énoncé les différentes périodes de régulation du trafic, avant et durant un vol effectif, il convient d’expliciter le problème d’évitement de conflits aériens et les différentes manœuvres d’évitement de conflits aériens.
Problème de conflits aériens et manœuvres d’évitement
Dans le cadre de la gestion du trafic aérien, un des plus importants défis est celui de garantir la sécurité des vols en évitant les conflits entre avions. Il est question de maintenir une distance minimale de séparation entre les avions.
Conflits aériens et séparation entre avions
Pour une paire d’avions, on dit qu’ils sont en conflit si les distances horizontales et verticales entre eux sont inférieures à la distance minimale de séparation. Plus précisément, suivant l’Organisation de l’Aviation Civile Internationale (OACI) [107], les normes de séparation standards pour les avions de commerce en-route sont de 5 nautiques horizontalement et de 1000 pieds verticalement. Les unités de mesure considérées sont : 1 nautique (NM) = 1852 m, et 1 pied (ft) = 0.3048 m.
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Table des matières
Introduction
Liste des publications et présentations
1 Conflits aériens, optimisation et contrôle optimal
1.1 Gestion du trafic et évitement de conflits aériens
1.1.1 Filtres successifs de régulation du trafic aérien
1.1.2 Problème de conflits aériens et manœuvres d’évitement
1.1.3 Stratégie de régulation subliminale en vitesse
1.2 Du problème d’évitement au problème d’optimisation
1.2.1 Choix de modélisation
1.2.2 Modèles et méthodes de résolution
1.3 Contrôle optimal
1.3.1 Formalisation en termes de contrôle optimal
1.3.2 Principe du maximum de Pontryagin
1.3.3 Méthodes numériques de résolution en contrôle optimal
1.4 Conclusions
2 Formalisation du problème via le contrôle optimal
2.1 Modélisation du problème par le contrôle optimal
2.2 Détection et décomposition du problème en zones
2.2.1 Régulation subliminale et détection au pire cas
2.2.2 Décomposition : une interprétation spatiale
2.2.3 Décomposition : une interprétation temporelle
2.3 Combinaison de méthodes de résolution
2.3.1 Méthode du PMP en postzone
2.3.2 Méthode du PMP en prézone
2.3.3 Résolution du problème en « zone »
2.3.4 Combinaison des méthodes utilisant le PMP en postzone
2.3.5 Combinaison des méthodes utilisant le PMP en prézone
2.3.6 Complexité des formulations
2.4 Conclusions
3 Tests numériques
3.1 Exemples introductifs
3.1.1 Contraintes sur les vitesses
3.1.2 Conditions terminales en position
3.1.3 Étude numérique de discrétisations différentes en temps
3.1.4 Conflits potentiels en croisement
3.1.5 Phase tactique et temps d’anticipation limité
3.2 Génération d’instances et cadre expérimental
3.2.1 Indicateurs de complexité
3.2.2 Caractéristiques des configurations aériennes et instances
3.3 Résultats numériques pour les instances générées
3.3.1 Méthode du PMP en postzone
3.3.2 Méthode du PMP en postzone et partitionnement
3.3.3 Méthode du PMP en prézone
3.4 Conclusions
Conclusions
Bibliographie
