Arrival  Scheduling  with  Shortcut  Path  Op6ons  and  Mixed  Aircra:  Performance  

Shannon  Zelinski  and  Jaewoo  Jung  NASA  Ames  Research  Center  

Time-‐Based  Arrival  Management  

Fixed  Path   Speed  Control  

Improved  schedule    conformance  

More  precise  scheduling  Tighter  spacing  

Reduced  flexibility  

More  accurate    trajectory  predic6ons  

•  Strategic  use  of  path  op6ons  – Delay  absorp6on    

[HaraldsdoOr  et  al.  2009]  

– Mixed  aircra:  performance    [Uebbing-‐Rumke  et  al.  2011,  Thipphavong  et  al.  2013]  

•  Tac6cal  use  of  path  op6ons  – Rescheduling  for  off-‐nominal  recovery  

[Callan6ne  et  al.  2011,  Swenson  et  al.  2012]  

– Shortcut  path  op6ons  for  schedule  conformance    [Zelinski  2013]  

Time-‐Based  Arrival  Management  Path  Op6ons  

•  Tac6cal  use  of  shortcut  

 

•  Schedule  to  a  nominal  path  (not  the  shortest).  –  Reserve  shortcut  path  op6ons  to  tac6cally  recover  from  schedule  disturbances.  

–  Poten6al  to  increase  throughput  11%  during  high  traffic  demand.  

•  Schedule  to  shortest  path  op6on.  –  Depend  on  schedule  slack  to  absorb  schedule  disturbances.  –  Poten6al  to  incen6vize  aircra:  capable  of  high  arrival  6me  precision.  

Shortcut  Path  Op6ons  [Zelinski  2013]  

•  Tac6cal  use  of  shortcut  

 

•  Schedule  to  a  nominal  path  (not  the  shortest).  –  Reserve  shortcut  path  op6ons  to  tac6cally  recover  from  schedule  disturbances.  

–  Poten6al  to  increase  throughput  11%  during  high  traffic  demand.  

•  Schedule  to  shortest  path  op6on.  –  Depend  on  schedule  slack  to  absorb  schedule  disturbances.  –  Poten6al  to  incen6vize  aircra:  capable  of  high  arrival  6me  precision.  

Shortcut  Path  Op6ons  [Zelinski  2013]  

•  Tac6cal  use  of  shortcut  

 

•  Schedule  to  a  nominal  path  (not  the  shortest).  –  Reserve  shortcut  path  op6ons  to  tac6cally  recover  from  schedule  disturbances.  

–  Poten6al  to  increase  throughput  11%  during  high  traffic  demand.  

•  Schedule  to  shortest  path  op6on.  –  Depend  on  schedule  slack  to  absorb  schedule  disturbances.  –  Poten6al  to  incen6vize  aircra:  capable  of  high  arrival  6me  precision.  

Shortcut  Path  Op6ons  [Zelinski  2013]  

•  Tac6cal  use  of  shortcut  

 

•  Schedule  to  a  nominal  path  (not  the  shortest).  –  Reserve  shortcut  path  op6ons  to  tac6cally  recover  from  schedule  disturbances.  

–  Poten6al  to  increase  throughput  11%  during  high  traffic  demand.  

•  Schedule  to  shortest  path  op6on.  –  Depend  on  schedule  slack  to  absorb  schedule  disturbances.  –  Poten6al  to  incen6vize  aircra:  capable  of  high  arrival  6me  precision.  

Shortcut  Path  Op6ons  [Zelinski  2013]  

•  Tac6cal  use  of  shortcut  

 

•  Schedule  to  a  nominal  path  (not  the  shortest).  –  Reserve  shortcut  path  op6ons  to  tac6cally  recover  from  schedule  disturbances.  

–  Poten6al  to  increase  throughput  11%  during  high  traffic  demand.  

•  Schedule  to  shortest  path  op6on.  –  Depend  on  schedule  slack  to  absorb  schedule  disturbances.  –  Poten6al  to  incen6vize  aircra:  capable  of  high  arrival  6me  precision.  

Shortcut  Path  Op6ons  [Zelinski  2013]  

•  Tac6cal  use  of  shortcut  

 

•  Schedule  to  a  nominal  path  (not  the  shortest).  –  Reserve  shortcut  path  to  recover  from  schedule  disturbances.  –  May  increase  throughput  11%  during  high  traffic  demand.  

•  Schedule  to  shortest  path  op6on.  –  Depend  on  schedule  slack  to  absorb  schedule  disturbances.  –  Poten6ally  incen6vize  high  arrival  6me  precision  aircra:.  

Shortcut  Path  Op6ons  [Zelinski  2013]  

•  Can  tac6cal  shortcuts  enhance  6me-‐based  arrival  management?  

•  Can  tac6cal  shortcuts  incen6vize  early  equipage  of  arrival  6me  precision  capability?  

Objec6ve  Research  Ques6ons  

Apply  concept  to  terminal  metering  modeled  at  Los  Angeles  Interna4onal  Airport.  

Schedule  arrival  4me  precision  equipped  aircra;  with  reduced  buffers.  

•  Route  modeling  •  Arrival  scheduler  •  Simula6on  •  Experiment  Setup  •  Experiment  Metrics  •  Results  •  Conclusion  

Outline  

Route  Modeling  Baseline  Arrival  Rou6ng  

turboprop  route  

jet  route  

meter  fix  

runway  threshold  

merge  point  

Route  Modeling  

decision  point  

merge  point  

shortcut  

bypassed    merge    point  

Shortcut  Path  Op6ons  •  All  shortcuts  may  be  used  tac6cally.  

•  Only  Final  shortcuts  may  be  used  strategically  by  the  scheduler.  

Final  shortcut  

Feeder  

Route  Modeling  

N  Final  

S  Final  

NE  Feeder  

SE  Feeder  

S  Feeder  

NW  Feeder  

Arrival  Scheduler  Mul6-‐Point  Scheduler  

Route    (meter  fix  to  runway)  

Blocked  Times    (per  scheduling  point)  

Travel  Time  Ranges    (per  route  segment)  

New  Flight  (meter  fix  ETA)  

[Meyn,  2010]  

Compute  schedule  for  all  route  op6ons.    Assign  route  producing  earliest  runway  STA.  

Solu6on  Set  (feasible  STA  windows  at  each  point)  

Schedule  (earliest  STAs  at  each  point)  

Arrival  Scheduler  Mul6-‐Point  Scheduler  

Route    (meter  fix  to  runway)  

Travel  Time  Ranges    (per  route  segment)  

New  Flight  (meter  fix  ETA)  

[Meyn,  2010]  

Compute  schedule  for  all  route  op6ons.    Assign  route  producing  earliest  runway  STA.  

Solu6on  Set  (feasible  STA  windows  at  each  point)  

Schedule  (earliest  STAs  at  each  point)  

Blocked  Times  =  Required  Separa6on  +  Scheduling  Buffer  

Buffer  depends  on:  •  Delivery  precision  •  Shortcut  availability  

Blocked  Times    (per  scheduling  point)  

Arrival  Scheduler  Buffers  

•  Delivery  Precision  –  Required  Time  of  Arrival  (RTA):  σ  =  4.5  sec  –  Controller  Managed  Spacing  (CMS):  σ  =  9  sec  

•  Shortcut  Availability  –  Available:  buffer  =  1.1σ  –  Not  available:  buffer  =  1.8σ  

 

[Zelinski  2013]  

[Klooster  et  al.  2009,  Swieringa  et  al.  2014]  

[Kupfer  et  al.  2011,  Thipphavong  et  al.  2013]  

0   2   4   6   8   10   12   14   16   18  

Scheduling  Buffer  

RTA  CMS  

RTA  CMS  

Shortcut    Not  Available  

Shortcut  Available  

seconds  

Arrival  Scheduler  Example  

CMS  

9.9  sec  buffer  

9.9  sec  buffer  

0   2   4   6   8   10   12   14   16   18  

Scheduling  Buffer  

RTA  CMS  

RTA  CMS  

Shortcut    Not  Available  

Shortcut  Available  

seconds  

16.2  sec  buffer  

16.2  sec  buffer  

Arrival  Scheduler  Example  

CMS  

9.9  sec  buffer  

9.9  sec  buffer  

16.2  sec  buffer  

9.9  sec  buffer  

0   2   4   6   8   10   12   14   16   18  

Scheduling  Buffer  

RTA  CMS  

RTA  CMS  

Shortcut    Not  Available  

Shortcut  Available  

seconds  

Arrival  Scheduler  Example  

CMS  

9.9  sec  buffer  

16.2  sec  buffer  

16.2  sec  buffer  

0   2   4   6   8   10   12   14   16   18  

Scheduling  Buffer  

RTA  CMS  

RTA  CMS  

Shortcut    Not  Available  

Shortcut  Available  

seconds  

Scheduled  Final  Shortcut  

Arrival  Scheduler  Example  

RTA  

8.1  sec  buffer  

0   2   4   6   8   10   12   14   16   18  

Scheduling  Buffer  

RTA  CMS  

RTA  CMS  

Shortcut    Not  Available  

Shortcut  Available  

seconds  

Scheduled  Final  Shortcut  

4.9  sec  buffer  

8.1  sec  buffer  

•  Actual  Time  of  Arrival  (ATA)  Errors:  – Meter  fix  error  σ  =  60  seconds  for  all  aircra:.  – All  other  error  σ  =  4.5  (RTA)  or  9  (CMS)  seconds.  

•  Speed  control  range:  – Speed  up  by  5%  – Slow  down  by  10%  

•  Preliminary  ATA  moved  back  if  violates  spacing  requirements.    

•  All  late  flights  use  shortcut.  

Simula6on  

•  Fleet  mix  and  meter  fix  distribu6on:    Based  on  historical  traffic  

•  RTA  equipage  ra6o:  Ranged  from  0  (all  CMS)  to  1  (all  RTA)  in  0.1  increments  

•  Traffic  scenarios:  –  2-‐hours,  144  flights  each  –  1000  scenarios  per  RTA  equipage  ra6o  

•  Rou6ng  scenarios:    –  Baseline  –  Shortcut  

•  Simula6ons:    100  varia6ons  per  traffic/rou6ng  scenario  

Experiment  Setup  

•  Throughput:  –  Counts  of  runway  arrival  6mes  during  2nd  hour  of  each  simula6on.  

– Demand  (ETA),  Scheduled  (STA),  and  Actual  (ATA).  •  Scheduled  Delay:  –  Total  delay  (STA-‐ETA)  segregated  into  Center,  path,  and  speed  delay.  

– Averaged  across  all  144  flights  in  each  simula6on.  

Experiment  Metrics  

Center  Delay   Path  Delay   Speed  Delay  

Terminal  Airspace  Delay  

Total  Delay  

•  Speed  Control  Workload  Percent  instances  when  preliminary  ATA  violates  spacing  requirements  and  must  be  moved  back.    

•  Shortcut  Usage  – Percent  scheduled  shortcuts  – Percent  shortcuts  used  tac6cally  

•  Schedule  Conformance  – Error  (ATA-‐STA)  at  each  coordina6on  point  – Mean  and  Standard  error  

Experiment  Metrics  

Results  -‐  Throughput    

68#

69#

70#

71#

72#

73#

0# 0.1# 0.2# 0.3# 0.4# 0.5# 0.6# 0.7# 0.8# 0.9# 1#

RTA  equipage  ra6o  

Average  flights  

per  hour  

Demand  

Scheduled  

Actual  

Baseline  

Shortcuts  

Shortcuts  achieved  higher  throughput  at  lower  RTA  ra6o.  

Results  –  Scheduled  Delay  

0"

30"

60"

90"

120"

150"

180"

210"

0" 0.1" 0.2" 0.3" 0.4" 0.5" 0.6" 0.7" 0.8" 0.9" 1"

•  Most  addi6onal  delay  applied  to  Center.  

•  Traffic  scenarios  are  satura6ng  the  terminal.  

RTA  equipage  ra6o  

Speed  

Path  

Baseline  

Average  scheduled  delay  

(seconds)  

Shortcuts  

Results  –  Speed  Control  Workload  

54%$

56%$

58%$

60%$

62%$

64%$

0$ 0.1$ 0.2$ 0.3$ 0.4$ 0.5$ 0.6$ 0.7$ 0.8$ 0.9$ 1$

Shortcut  

Baseline  

Percent  ATA  adjustments  

RTA  equipage  ra6o  

•  Shortcuts  reduce  speed  control  workload  8-‐10%.  •  Workload  benefit  persists  for  high  RTA  equipage  ra6os.  

10%  8%  

North  

South  

0%#

2%#

4%#

6%#

8%#

10%#

12%#

14%#

16%#

18%#

0# 0.1# 0.2# 0.3# 0.4# 0.5# 0.6# 0.7# 0.8# 0.9# 1#

North  shortcut  

South  shortcut  

Percent  scheduled  shortcuts  

RTA  equipage  ra6o  

RTA  

CMS  

•  Low  scheduled  shortcut  usage.  •  Usage  increases  with  RTA  ra6o.  •  RTA  shortcut  usage  similar  to  CMS.  

Results  –  Shortcut  Usage  (Scheduled)  

Results  –  Shortcut  Usage  (Tac6cal)  High  tac6cal  shortcut  usage.    Why?  •  High  meter  fix  uncertainty  and  cascading  delays.  

•  High  traffic  load  with  few  gaps.  

•  Asymmetric  speed  control  authority.  

N  Final  

S  Final  

NE  Feeder  

SE  Feeder  

S  Feeder  

NW  Feeder  

Tac6cal  Shortcut  Usage  

Percent  used  of  available  50%$60%$70%$80%$90%$100%$

Tac6cal  Shortcut  Availability  

No.  per  simula6on  

S  Final  S  Feeder  N  Final  

NW  Feeder  SE  Feeder  NE  Feeder  

0" 10" 20" 30" 40" 50"

Results  –  Schedule  Conformance  

1  

2   3  4  5  6  

Shortcut  rou6ng  is  more  effec6ve:  •  Mi6ga6ng  increasing  mean  error  •  Reducing  standard  error  

Posi6ve  Error  =  Late  

0"

10"

20"

30"

1" 2" 3" 4" 5" 6"

Mean  Error  Shortcut   Baseline  

sec  

Error  =  ATA-‐STA  

0"

10"

20"

30"

40"

50"

60"

1" 2" 3" 4" 5" 6"

Standard  Error  

sec  

Can  tac6cal  shortcuts  enhance  6me-‐based  arrival  management?    

•  Enhancements:  –  Increased  schedule  conformance  –  Tighter  slots  

•  Benefits:  –  Increased  throughput  –  Reduced  delay  –  Reduced  workload  

•  Usage  lesson  learned:  Reserving  shortcuts  for  tac6cal  use  makes  the  schedule  more  robust  to  disturbances.  

Conclusion  -‐  Research  Ques6ons  Answered  

Yes  

Can  tac6cal  shortcuts  incen6vize  early  equipage  of  arrival  6me  precision  capability?      •  System  benefits  increased  with  equipage  but  …  •  RTA  equipped  aircra:  had  no  significant  advantage  over  unequipped.  

Conclusion  -‐  Research  Ques6ons  Answered  

Not  much  

Ques6ons?  

Shannon.J.Zelinski@nasa.gov