Evaluation of Conformance Criteria for Preference Indication in Collaborative Flight Prioritization in Air Traffic Flow Management

Bei der Verkehrsflussregelung im Flugverkehr können unerwartete Ereignisse, wie ungünstige Wetterbedingungen, zu einem Ungleichgewicht zwischen Nachfrage und Kapazität an Flughäfen führen, wodurch zugewiesene Ankunftszeiten möglicherweise nicht mehr verfügbar sind. In diesem Fall wird die Flugliste normalerweise nach dem First-Planned, First-Served Ansatz neu berechnet, wodurch die ursprüngliche Reihenfolge beibehalten wird, die Flüge aber zeitlich nach hinten verschoben werden, was zu Flugverspätungen führt. Der First-Planned, First-Served Ansatz ist fair, da alle Flüge gleich behandelt werden, aber berücksichtigt nicht die individuellen Präferenzen der Luftraumnutzer. Im Rahmen des HARMONIC-Forschungsprojekts wird ein Target Time Management System (TTMS) entwickelt, das die Priorisierung von Flügen basierend auf den Präferenzen der Luftraumnutzer und des Ankunftsflughafens ermöglicht. Diese Präferenzen werden mittels Weight Maps ausgedrückt, die Gewichte (numerische Werte) für jede Kombination der Ankunftszeiten und Flüge enthalten, wobei jedes Gewicht die Priorität eines bestimmten Fluges für eine bestimmte Ankunftszeit angibt. Luftraumnutzer sind Konkurrenten und könnten daher absichtlich Gewichte angeben, die den Optimierungsprozess manipulieren, um einen Vorteil gegenüber anderen zu erlangen. Eine Herausforderung bei der Implementierung des TTMS besteht darin, Konformitätskriterien für die Weight Maps der Luftraumnutzer zu definieren, welche die Fairness unter den Luftraumnutzern fördern, indem sie die Möglichkeit verringern, dass die Gewichte eines Luftraumnutzers den Optimierungsprozess manipulieren. Diese Konformitätskriterien sollten leicht verständlich sein und keinen erheblichen Einfluss auf die Qualität der Fluglisten haben. Die Konformitätskriterien wurden zusammen mit Domänen Experten von Swiss International Air Lines, dem Flughafen Zürich und Skyguide sowie Forschern der Johannes Kepler Universität Linz definiert. Diese Masterarbeit untersucht den Einfluss verschiedener Konfigurationen der Konformitätskriterien auf die Qualität von Fluglisten. Für die Evaluierung werden synthetische aber realistische Präferenzen der Luftraumnutzer erstellt, die als Referenzdaten für die Evaluierung dienen und in Weight Maps, die verschiedene Konfigurationen der Konformitätskriterien erfüllen, transformiert. Um eine spezifische Konfiguration der Konformitätskriterien zu bewerten, werden die Ergebnisse der Optimierung von Fluglisten unter Verwendung der Weight Maps, die die spezifischen Konfiguration erfüllen, mit den Ergebnissen der Optimierung derselben Fluglisten unter Verwendung der Referenzdaten verglichen. Diese Vergleiche zeigen, wie sich verschiedene Konfigurationen der Konformitätskriterien auf die Qualität der Fluglisten auswirken. Die Evaluierungsergebnisse dieser Masterarbeit dienen der Entscheidungsunterstützung für die Wahl und Konfiguration der Konformitätskriterien für die Feldstudie des TTMS im Rahmen des HARMONIC-Projekts.

In air traffic flow management, unexpected events, such as adverse weather conditions, can lead to a demand-capacity imbalance at airports, and assigned arrival slots may no longer be available. In this case, the flight list is usually recalculated based on a first-planned, first-served approach, which maintains the original order of the flights but schedules them backward in time, resulting in flight delays. The first-planned, first-served approach is considered fair because all flights are treated equally, but it does not consider the individual preferences of the airspace users (AUs). To overcome this limitation, a Target Time Management System (TTMS) is developed within the HARMONIC research project that enables flight prioritization based on the preferences of the AUs and the arrival airport. These preferences are expressed as weight maps, which contain numerical values for each combination of target time of arrival (TTA) and flight, with each weight indicating the priority of a particular flight for a particular TTA. Given that AUs are competitors, an AU may intentionally provide weights that manipulate the optimization process to gain an advantage over others. One challenge for implementing the TTMS is to define conformance criteria for the weight maps of AUs that reduce the possibility that the weights of an AU manipulate the optimization process and thus promote fairness among AUs. These criteria should be easy to understand and have no considerable impact on the quality of the flight lists. The conformance criteria were defined together with domain experts from Swiss International Air Lines, Zurich Airport, and Skyguide as well as researchers from the Johannes Kepler University Linz. This thesis evaluates the impact of different configurations of the defined conformance criteria on the quality of the flight lists. For this purpose, synthetic but realistic preferences of AUs, which serve as the ground truth for the evaluation, are created and transformed into weight maps that comply with different configurations of the conformance criteria. To evaluate a specific configuration of the conformance criteria, results from optimizing flight lists using the weight maps that comply with the specific configuration are compared with the results from optimizing the same flight lists using the ground truth. These comparisons reveal how different configurations of the conformance criteria affect the quality of the flight lists. The evaluation results of this thesis will inform the choice and configuration of the conformance criteria for the live trials of the TTMS during the HARMONIC project.