Προσδιορισμός βέλτιστης κατανομής χρονοπαραθύρων αεροδρομίων με χρήση του αλγορίθμου αναζήτησης αρμονίας

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με το ζήτημα των προβλημάτων που προκύπτουν από την κατανομή χρονοπαραθύρων στα αεροδρόμια. Μελετάται αναλυτικά το υπάρχον σύστημα κατανομής χρονοπαραθύρων στην Ευρώπη και αλλού (π.χ. Αμερική), οι αδυναμίες του και οι προτάσεις που έχουν γίνει για την αναθεώρησή του. Παρά την τρέχουσα οικονομική κρίση, η επιβατική κίνηση αναμένεται να αυξηθεί την επόμενη δεκαετία κάτι το οποίο θα δημιουργήσει επιπλέον πρόβλημα χωρητικότητας στα ήδη συμφορημένα αεροδρόμια. Νέες υποδομές δεν είναι εύκολο να κατασκευαστούν για πολλούς λόγους (οικονομικοί, περιβαλλοντικοί κτλ), οπότε αναζητούνται τα προβλήματα από το έλλειμμα σωστής διαχείρισης και κατανομής των χρονοπαραθύρων των αεροδρομίων.

Ειδικότερα, μελετάται η περίπτωση των ελληνικών αεροδρομίων που παρουσιάζουν έντονα χαρακτηριστικά συμφόρησης τους θερινούς μήνες και μάλιστα σε συγκεκριμένες ώρες και ημέρες. Για την πιο ακριβή ανάλυση της κατάστασης μελετώνται τα χαρακτηριστικά κίνησης του κρατικού αερολιμένα Ηρακλείου (ΚΑΗΚ), αναλύοντας την προέλευση των αεροπορικών εταιρειών και το δίκτυό τους σε συνδυασμό με τις παραβιάσεις χρονοπαραθύρων που γίνονται. Η στατιστική ανάλυση δείχνει πως υπάρχουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά των δικτύων, του στόλου αλλά και των προγραμμάτων πτήσεων των εταιρειών (ειδικά αυτών που σχετίζονται μόνο με ναυλωμένες πτήσεις αναψυχής) τα οποία συμβάλλουν στο πρόβλημα της συμφόρησης.

Τέλος, προτείνεται ένας ευφυής αλγόριθμος (αναζήτηση αρμονίας, harmony search) κατάλληλα τροποποιημένος, ώστε να βρίσκει το βέλτιστο αριθμό χρονοπαραθύρων που πρέπει να διατίθενται σε κάθε χρονική περίοδο, λαμβάνοντας υπ’ όψιν τις ιστορικές καθυστερήσεις που εμφανίζονται σε κάθε χρονική περίοδο. Η υλοποίηση του αλγορίθμου έγινε σε γλώσσα MATLAB και η εφαρμογή του για το αεροδρόμιο του Ηρακλείου φαίνεται ενθαρρυντική για τη βελτίωση της συμφόρησης. Ο αλγόριθμος καταδεικνύει πως η ύπαρξη περιόδων απορρόφησης των καθυστερήσεων (που προκαλούνται είτε γενικά είτε από παραβιάσεις χρονοπαραθύρων) μπορεί να λειτουργήσει θετικά για τη βελτίωση της μέσης καθυστέρησης των πτήσεων τόσο σε ένα αεροδρόμιο με εποχική κίνηση όσο και σε ένα αεροδρόμιο με 24ωρη ζήτηση κοντά στη χωρητικότητα.

This diploma thesis deals with the problems arising from current airport slots distribution system. Initially, the existing system of allocating airport slots in Europe and elsewhere is studied presenting its weaknesses and suggestions made for revision. Despite the current economic crisis, passenger traffic is expected to grow over the next decade, which will lead to additional capacity scarcity in the already congested airports. New infrastructure cannot easily be built for many reasons (economic, environmental, etc.), so solution is quested through the more efficient management and allocation of airport slots.

In particular, we study the case of Greek airports which are heavily congested during summer months (and especially on specific hours and days). For a more accurate analysis, the case of Heraklion airport is examined. Airport’s traffic data such as origin of airlines and their networks in conjunction with airport slots violations are studied in order to identify the causes of congestion problem. Statistical analysis of airport’s traffic data reveals that there are specific characteristics of airlines’ networks, fleets and schedules (especially of charter airlines operating to leisure destinations) which worsen the congestion problem.

Finally, the diploma thesis proposes an intelligent meta-heuristic algorithm (Harmony Search) in order to find the optimum number of airport slots to be made available for allocation per time period, taking into account the historical delays that occur in each time period. The proposed algorithm was developed in MATLAB framework and its application at Heraklion airport seems to improve airport performance measures. The algorithm results show that retaining a number of slots for absorbing delays (caused by slot violations or other reasons) mitigates mean flight delay both at an airport with seasonal traffic and at an airport with 24 hour demand close to capacity.