Sustainable Air Traffic Management System Development Methodology

As it is defined in ATM 2000+ Strategy (Eurocontrol 2001), the mission of the Air Traffic Management (ATM) System is: “For all the phases of a flight, the ATM system should facilitate a safe, efficient, and expedite traffic flow, through the provision of adaptable ATM services that can be dimensioned in relation to the requirements of all the users and areas of the European air space. The ATM services should comply with the demand, be compatible, operate under uniform principles, respect the environment and satisfy the national security requirements.” The objective of this paper is to present a methodology designed to evaluate the status of the ATM system in terms of the relationship between the offered capacity and traffic demand, identifying weakness areas and proposing solutions. The first part of the methodology relates to the characterization and evaluation of the current system, while a second part proposes an approach to analyze the possible development limit. As part of the work, general criteria are established to define the framework in which the analysis and diagnostic methodology presented is placed. They are: the use of Air Traffic Control (ATC) sectors as analysis unit, the presence of network effects, the tactical focus, the relative character of the analysis, objectivity and a high level assessment that allows assumptions on the human and Communications, Navigation and Surveillance (CNS) elements, considered as the typical high density air traffic resources. The steps followed by the methodology start with the definition of indicators and metrics, like the nominal criticality or the nominal efficiency of a sector; scenario characterization where the necessary data is collected; network effects analysis to study the relations among the constitutive elements of the ATC system; diagnostic by means of the “System Status Diagram”; analytical study of the ATC system development limit; and finally, formulation of conclusions and proposal for improvement. This methodology was employed by Aena (Spanish Airports Manager and Air Navigation Service Provider) and INECO (Spanish Transport Engineering Company) in the analysis of the Spanish ATM System in the frame of the Spanish airspace capacity sustainability program, although it could be applied elsewhere.

Development of a 3-Dimensional Mathematical Collision Risk Model Based on Recorded Aircraft Trajectories to Estimate the Safety Level in High Density En-Route Airspaces

Como en todos los medios de transporte, la seguridad en los viajes en avión es de primordial importancia. Con los aumentos de tráfico aéreo previstos en Europa para la próxima década, es evidente que el riesgo de accidentes necesita ser evaluado y monitorizado cuidadosamente de forma continúa. La Tesis presente tiene como objetivo el desarrollo de un modelo de riesgo de colisión exhaustivo como método para evaluar el nivel de seguridad en ruta del espacio aéreo europeo, considerando todos los factores de influencia. La mayor limitación en el desarrollo de metodologías y herramientas de monitorización adecuadas para evaluar el nivel de seguridad en espacios de ruta europeos, donde los controladores aéreos monitorizan el tráfico aéreo mediante la vigilancia radar y proporcionan instrucciones tácticas a las aeronaves, reside en la estimación del riesgo operacional. Hoy en día, la estimación del riesgo operacional está basada normalmente en reportes de incidentes proporcionados por el proveedor de servicios de navegación aérea (ANSP). Esta Tesis propone un nuevo e innovador enfoque para evaluar el nivel de seguridad basado exclusivamente en el procesamiento y análisis trazas radar. La metodología propuesta ha sido diseñada para complementar la información recogida en las bases de datos de accidentes e incidentes, mediante la provisión de información robusta de los factores de tráfico aéreo y métricas de seguridad inferidas del análisis automático en profundidad de todos los eventos de proximidad. La metodología 3-D CRM se ha implementado en un prototipo desarrollado en MATLAB © para analizar automáticamente las trazas radar y planes de vuelo registrados por los Sistemas de Procesamiento de Datos Radar (RDP) e identificar y analizar todos los eventos de proximidad (conflictos, conflictos potenciales y colisiones potenciales) en un periodo de tiempo y volumen del espacio aéreo. Actualmente, el prototipo 3-D CRM está siendo adaptado e integrado en la herramienta de monitorización de prestaciones de Aena (PERSEO) para complementar las bases de accidentes e incidentes ATM y mejorar la monitorización y proporcionar evidencias de los niveles de seguridad. ABSTRACT As with all forms of transport, the safety of air travel is of paramount importance. With the projected increases in European air traffic in the next decade and beyond, it is clear that the risk of accidents needs to be assessed and carefully monitored on a continuing basis. The present thesis is aimed at the development of a comprehensive collision risk model as a method of assessing the European en-route risk, due to all causes and across all dimensions within the airspace. The major constraint in developing appropriate monitoring methodologies and tools to assess the level of safety in en-route airspaces where controllers monitor air traffic by means of radar surveillance and provide aircraft with tactical instructions lies in the estimation of the operational risk. The operational risk estimate normally relies on incident reports provided by the air navigation service providers (ANSPs). This thesis proposes a new and innovative approach to assessing aircraft safety level based exclusively upon the process and analysis of radar tracks. The proposed methodology has been designed to complement the information collected in the accident and incident databases, thereby providing robust information on air traffic factors and safety metrics inferred from the in depth assessment of proximate events. The 3-D CRM methodology is implemented in a prototype tool in MATLAB © in order to automatically analyze recorded aircraft tracks and flight plan data from the Radar Data Processing systems (RDP) and identify and analyze all proximate events (conflicts, potential conflicts and potential collisions) within a time span and a given volume of airspace. Currently, the 3D-CRM prototype is been adapted and integrated in AENA’S Performance Monitoring Tool (PERSEO) to complement the information provided by the ATM accident and incident databases and to enhance monitoring and providing evidence of levels of safety.

Sistema Integrado de Gestión Académica

El Sistema Integrado de Gestión Académica consiste en una plataforma software modular orientada a apoyar la labor del profesorado en la gestión docente de las asignaturas impartidas por el Departamento de Mecánica de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid. Durante los últimos 5 años se ha trabajado en la creación de esta plataforma que se encuentra ahora en su recta final. Es necesario aclarar que toda la plataforma desde su inicio ha sido creada por el mismo autor y que debido al tiempo disponible para la realización del TFG, éste se ha centrado en realizar mejoras sobre lo ya desarrollado y en implementar uno de los módulos. El trabajo desarrollado comienza con un estudio de plataformas educativas online. Se han valorado las alternativas de Moodle y ATutor como posibles soluciones a los requisitos planteados llegando a la conclusión de que era necesario realizar un desarrollo a medida. La plataforma consta de 3 módulos principales:  Plataforma de Gestión Docente en Internet (PGDNet)  Aplicación de Notas (AdN)  Plataforma de Entrega de Prácticas Académicas (PEPA) PGDNet está orientado a la realización de pruebas de evaluación online. El profesor tiene a su alcance un conjunto de opciones que le permiten la creación de actividades y ejercicios de diferente índole, gestionar alumnos y establecer periodos de evaluación. El sistema recoge los resultados y corrige automáticamente permitiendo además exportar los resultados, manteniendo de esta manera la compatibilidad con otros sistemas informáticos de la UPM. PGDNet ofrece además un servicio de correo electrónico para realizar comunicaciones con grupos predefinidos de alumnos, un gestor documental enlazado con las diferentes actividades y un gestor de encuestas programable a medida. AdN se integra en la plataforma como un sistema para la gestión de calificaciones y permite mantener un historial del alumno. Las materias pueden dividirse en diferentes evaluaciones con un determinado peso sobre la calificación final. La nota total se calcula en tiempo real y de forma automática. El alumno puede entrar a consultar sus calificaciones en cualquier momento. El módulo ofrece a los profesores acceso simultáneo a introducir las calificaciones e importar notas guardadas de convocatorias pasadas. PEPA es el nuevo módulo que se añade a la plataforma y el que concentra los esfuerzos de desarrollo de este TFG. Se trata de un sistema de entrega de prácticas online que permite al profesor centralizar la recogida de documentación para su posterior corrección. PEPA dispone de un sistema de plantillas de respuestas fijas utilizadas en los laboratorios que son corregidas de forma automática en la entrega. Los 3 módulos se complementan entre sí compartiendo datos y permitiendo realizar importaciones y exportaciones de información con las aplicaciones actuales de Secretaría de alumnos como puede ser la introducción de listas de alumnos.---ABSTRACT---Academic Management Framework (Sistema Integrado de Gestión Académica) is a module‐oriented software application that aims to help teachers from ETSIDI Department from UPM to manage all information related to graduate courses. The software, which has been in continuous developing during the last 5 years, is now about to be finished. It must be pointed out the fact that the entire application has been designed and implemented by the same author. However, due to time schedule restrictions in this TFG (spanish acronym for “Graduation Project”), it has been focused on developing a few improvements in the software already implemented and creating a specific new module. In the beginning, this TFG includes an educational software comparative study. Moodle and ATutor have been selected as plausible assembled solutions that would fit the requirements given. Nonetheless, the conclusion ends up with rejecting both possibilities and moving the project towards a custom‐developed software. The application is divided in 3 modules:  Network Based Academic Management Platform (Plataforma de Gestión Docente en Internet ‐ PGDNet)  Evaluation Aid Tool (Aplicación de Notas ‐ AdN)  Academic Lab‐Work Delivery Platform (Plataforma de Entrega de Prácticas Académicas ‐ PEPA) PGDNet main purpose is handling online tests for students. There are a bunch of tools available for teachers that allow them to create activities and different types of exercises, manage students and set examination schedules. The system gathers the results and marks exercises automatically. Moreover, the teacher is able to export this information which is compatible with other UPM systems. PGDNet offers a mail service, a document management system and a survey application among others. AdN adds new features to the system. It helps teachers to manage student marks by keeping a history over the years. Subjects can be divided into little parts with a different weight in the final mark. Eventually, the mark is automatically calculated and published. The application can be accessed by both students and teachers simultaneously. This module is also ready to import old marks into the current course and allow all teachers to fill in the results at the same time. PEPA, which is a new module added from scratch, concentrate this TFG efforts. It consists of a practice delivery system that gathers all student documentation in a single site for easy correction. Besides, PEPA deploys an answer template repository for laboratory training. Students fill the templates and PEPA corrects them automatically on sending. These 3 modules are integrated in a single system that allows them to share data and import information such as student lists from the Administration Department.

Applications of Formal Languages to Management of Manned and Unmanned Aircraft

En el futuro, la gestión del tráfico aéreo (ATM, del inglés air traffic management) requerirá un cambio de paradigma, de la gestión principalmente táctica de hoy, a las denominadas operaciones basadas en trayectoria. Un incremento en el nivel de automatización liberará al personal de ATM —controladores, tripulación, etc.— de muchas de las tareas que realizan hoy. Las personas seguirán siendo el elemento central en la gestión del tráfico aéreo del futuro, pero lo serán mediante la gestión y toma de decisiones. Se espera que estas dos mejoras traigan un incremento en la eficiencia de la gestión del tráfico aéreo que permita hacer frente al incremento previsto en la demanda de transporte aéreo. Para aplicar el concepto de operaciones basadas en trayectoria, el usuario del espacio aéreo (la aerolínea, piloto, u operador) y el proveedor del servicio de navegación aérea deben negociar las trayectorias mediante un proceso de toma de decisiones colaborativo. En esta negociación, es necesaria una forma adecuada de compartir dichas trayectorias. Compartir la trayectoria completa requeriría un gran ancho de banda, y la trayectoria compartida podría invalidarse si cambiase la predicción meteorológica. En su lugar, podría compartirse una descripción de la trayectoria independiente de las condiciones meteorológicas, de manera que la trayectoria real se pudiese calcular a partir de dicha descripción. Esta descripción de la trayectoria debería ser fácil de procesar usando un programa de ordenador —ya que parte del proceso de toma de decisiones estará automatizado—, pero también fácil de entender para un operador humano —que será el que supervise el proceso y tome las decisiones oportunas—. Esta tesis presenta una serie de lenguajes formales que pueden usarse para este propósito. Estos lenguajes proporcionan los medios para describir trayectorias de aviones durante todas las fases de vuelo, desde la maniobra de push-back (remolcado hasta la calle de rodaje), hasta la llegada a la terminal del aeropuerto de destino. También permiten describir trayectorias tanto de aeronaves tripuladas como no tripuladas, incluyendo aviones de ala fija y cuadricópteros. Algunos de estos lenguajes están estrechamente relacionados entre sí, y organizados en una jerarquía. Uno de los lenguajes fundamentales de esta jerarquía, llamado aircraft intent description language (AIDL), ya había sido desarrollado con anterioridad a esta tesis. Este lenguaje fue derivado de las ecuaciones del movimiento de los aviones de ala fija, y puede utilizarse para describir sin ambigüedad trayectorias de este tipo de aeronaves. Una variante de este lenguaje, denominada quadrotor AIDL (QR-AIDL), ha sido desarrollada en esta tesis para permitir describir trayectorias de cuadricópteros con el mismo nivel de detalle. Seguidamente, otro lenguaje, denominado intent composite description language (ICDL), se apoya en los dos lenguajes anteriores, ofreciendo más flexibilidad para describir algunas partes de la trayectoria y dejar otras sin especificar. El ICDL se usa para proporcionar descripciones genéricas de maniobras comunes, que después se particularizan y combinan para formar descripciones complejas de un vuelo. Otro lenguaje puede construirse a partir del ICDL, denominado flight intent description language (FIDL). El FIDL especifica requisitos de alto nivel sobre las trayectorias —incluyendo restricciones y objetivos—, pero puede utilizar características del ICDL para proporcionar niveles de detalle arbitrarios en las distintas partes de un vuelo. Tanto el ICDL como el FIDL han sido desarrollados en colaboración con Boeing Research & Technology Europe (BR&TE). También se ha desarrollado un lenguaje para definir misiones en las que interactúan varias aeronaves, el mission intent description language (MIDL). Este lenguaje se basa en el FIDL y mantiene todo su poder expresivo, a la vez que proporciona nuevas semánticas para describir tareas, restricciones y objetivos relacionados con la misión. En ATM, los movimientos de un avión en la superficie de aeropuerto también tienen que ser monitorizados y gestionados. Otro lenguaje formal ha sido diseñado con este propósito, llamado surface movement description language (SMDL). Este lenguaje no pertenece a la jerarquía de lenguajes descrita en el párrafo anterior, y se basa en las clearances (autorizaciones del controlador) utilizadas durante las operaciones en superficie de aeropuerto. También proporciona medios para expresar incertidumbre y posibilidad de cambios en las distintas partes de la trayectoria. Finalmente, esta tesis explora las aplicaciones de estos lenguajes a la predicción de trayectorias y a la planificación de misiones. El concepto de trajectory language processing engine (TLPE) se usa en ambas aplicaciones. Un TLPE es una función de ATM cuya principal entrada y salida se expresan en cualquiera de los lenguajes incluidos en la jerarquía descrita en esta tesis. El proceso de predicción de trayectorias puede definirse como una combinación de TLPEs, cada uno de los cuales realiza una pequeña sub-tarea. Se le ha dado especial importancia a uno de estos TLPEs, que se encarga de generar el perfil horizontal, vertical y de configuración de la trayectoria. En particular, esta tesis presenta un método novedoso para la generación del perfil vertical. El proceso de planificar una misión también se puede ver como un TLPE donde la entrada se expresa en MIDL y la salida consiste en cierto número de trayectorias —una por cada aeronave disponible— descritas utilizando FIDL. Se ha formulado este problema utilizando programación entera mixta. Además, dado que encontrar caminos óptimos entre distintos puntos es un problema fundamental en la planificación de misiones, también se propone un algoritmo de búsqueda de caminos. Este algoritmo permite calcular rápidamente caminos cuasi-óptimos que esquivan todos los obstáculos en un entorno urbano. Los diferentes lenguajes formales definidos en esta tesis pueden utilizarse como una especificación estándar para la difusión de información entre distintos actores de la gestión del tráfico aéreo. En conjunto, estos lenguajes permiten describir trayectorias con el nivel de detalle necesario en cada aplicación, y se pueden utilizar para aumentar el nivel de automatización explotando esta información utilizando sistemas de soporte a la toma de decisiones. La aplicación de estos lenguajes a algunas funciones básicas de estos sistemas, como la predicción de trayectorias, han sido analizadas. ABSTRACT Future air traffic management (ATM) will require a paradigm shift from today’s mainly tactical ATM to trajectory-based operations (TBOs). An increase in the level of automation will also relieve humans —air traffic control officers (ATCOs), flight crew, etc.— from many of the tasks they perform today. Humans will still be central in this future ATM, as decision-makers and managers. These two improvements (TBOs and increased automation) are expected to provide the increase in ATM performance that will allow coping with the expected increase in air transport demand. Under TBOs, trajectories are negotiated between the airspace user (an airline, pilot, or operator) and the air navigation service provider (ANSP) using a collaborative decision making (CDM) process. A suitable method for sharing aircraft trajectories is necessary for this negotiation. Sharing a whole trajectory would require a high amount of bandwidth, and the shared trajectory might become invalid if the weather forecast changed. Instead, a description of the trajectory, decoupled from the weather conditions, could be shared, so that the actual trajectory could be computed from this trajectory description. This trajectory description should be easy to process using a computing program —as some of the CDM processes will be automated— but also easy to understand for a human operator —who will be supervising the process and making decisions. This thesis presents a series of formal languages that can be used for this purpose. These languages provide the means to describe aircraft trajectories during all phases of flight, from push back to arrival at the gate. They can also describe trajectories of both manned and unmanned aircraft, including fixedwing and some rotary-wing aircraft (quadrotors). Some of these languages are tightly interrelated and organized in a language hierarchy. One of the key languages in this hierarchy, the aircraft intent description language (AIDL), had already been developed prior to this thesis. This language was derived from the equations of motion of fixed-wing aircraft, and can provide an unambiguous description of fixed-wing aircraft trajectories. A variant of this language, the quadrotor AIDL (QR-AIDL), is developed in this thesis to allow describing a quadrotor aircraft trajectory with the same level of detail. Then, the intent composite description language (ICDL) is built on top of these two languages, providing more flexibility to describe some parts of the trajectory while leaving others unspecified. The ICDL is used to provide generic descriptions of common aircraft manoeuvres, which can be particularized and combined to form complex descriptions of flight. Another language is built on top of the ICDL, the flight intent description language (FIDL). The FIDL specifies high-level requirements on trajectories —including constraints and objectives—, but can use features of the ICDL to provide arbitrary levels of detail in different parts of the flight. The ICDL and FIDL have been developed in collaboration with Boeing Research & Technology Europe (BR&TE). Also, the mission intent description language (MIDL) has been developed to allow describing missions involving multiple aircraft. This language is based on the FIDL and keeps all its expressive power, while it also provides new semantics for describing mission tasks, mission objectives, and constraints involving several aircraft. In ATM, the movement of aircraft while on the airport surface also has to be monitored and managed. Another formal language has been designed for this purpose, denoted surface movement description language (SMDL). This language does not belong to the language hierarchy described above, and it is based on the clearances used in airport surface operations. Means to express uncertainty and mutability of different parts of the trajectory are also provided. Finally, the applications of these languages to trajectory prediction and mission planning are explored in this thesis. The concept of trajectory language processing engine (TLPE) is used in these two applications. A TLPE is an ATM function whose main input and output are expressed in any of the languages in the hierarchy described in this thesis. A modular trajectory predictor is defined as a combination of multiple TLPEs, each of them performing a small subtask. Special attention is given to the TLPE that builds the horizontal, vertical, and configuration profiles of the trajectory. In particular, a novel method for the generation of the vertical profile is presented. The process of planning a mission can also be seen as a TLPE, where the main input is expressed in the MIDL and the output consists of a number of trajectory descriptions —one for each aircraft available in the mission— expressed in the FIDL. A mixed integer linear programming (MILP) formulation for the problem of assigning mission tasks to the available aircraft is provided. In addition, since finding optimal paths between locations is a key problem to mission planning, a novel path finding algorithm is presented. This algorithm can compute near-shortest paths avoiding all obstacles in an urban environment in very short times. The several formal languages described in this thesis can serve as a standard specification to share trajectory information among different actors in ATM. In combination, these languages can describe trajectories with the necessary level of detail for any application, and can be used to increase automation by exploiting this information using decision support tools (DSTs). Their applications to some basic functions of DSTs, such as trajectory prediction, have been analized.

High-Speed Rail Versus Air Transportation: Case Study of Madrid–Barcelona, Spain.

Travel time savings, better quality of the supplied services, greater comfort for the users, and improved accessibility are the main factors of success of High Speed Rail(HSR)links. This paper presents the results from a revealed and stated preference survey conducted to both HSR and air transport users in the Madrid Barcelona corridor. The data gathered from the stated preference survey was used to calibrate a modal choice model aiming at explaining competition between HSR and air transportation in the corridor. From the model, the authors obtain that prices and service frequency are the most important variables to compete with the other mode. In addition, they found that check-in and security controls at the airport are a crucial variable for the users in their modal choice. Other policies, such as the improvement of parking facilities at the train stations, play a secondary role.

Identifying the core competence as a key requirement for business model innovation. The case of Airlines as a service industry

Core competencies form the basis of an organization’s skills and the basic element of a successful strategic execution. Identifying and strengthening the core competencies enhances flexibility thereby strategically positioning a firm for responding to competition in the dynamic marketplace and can be the difference in quality among firms that follow the same business model. A correct understanding of the concept of business models, employing the right core competencies, organizing them effectively and building the business model around the competencies that are constantly gained and assimilated can result in enhanced business performance and thus having implications for firms that want to innovate their business models. Flexibility can be the firm’s agility to shift focus in response to external factors such as changing markets, new technologies or competition and a firm’s success can be gauged by the ability it displays in this transition. Although industry transformations generally emanate from technological changes, recent examples suggests they may also be due to the introduction of new business models and nowhere is it more relevant than in the airline industry. An analysis of the business model flexibility of 17 Airlines from Asia, Europe and Oceania, that is done with core competence as the indicator reveals a picture of inconsistencies in the core competence strategy of certain airlines and the corresponding reduction in business performance. The performance variations are explained from a service oriented core competence strategy employed by airlines that ultimately enables them in having a flexible business model that not only increases business performance but also helps in reducing the uncertainties in the internal and external operating environments. This is more relevant in the case of airline industry, as the product (the air transportation of passengers) minus the service competence is all the same.