SimOps Simulator

Der weltweite Flugverkehr nimmt beständig zu. Bereits heute arbeiten die großen Flughäfen an ihren Kapazitätsgrenzen. Auch der verfügbare Platz auf den Luftverkehrswegen nimmt durch den ansteigenden Verkehr ständig ab, so dass bereits heute beträchtliche Verzögerungen während der Flüge entstehen. Unter diesen Bedingungen wird es immer schwieriger, einen wirtschaftlichen Flugplan, d.h. einen Flugplan mit einer möglichst hohen Produktivität der Flugzeuge, aufzustellen, in dem sich die auftretenden Verspätungen dennoch unter möglichst allen äußeren Einflüssen in Grenzen halten.

Die Flugplan- und Netzwerk-Optimierung einer großen Fluggesellschaft mit vielen Umsteigeverbindungen stellt ein komplexes Problem mit vielen stochastischen Größen dar. Die Flugzeiten hängen von den Witterungsbedingungen auf der Flugstrecke ab, die jeweils gewählten Start- und Landebahnen werden u.a. durch die Windrichtung bestimmt und Verzögerungen während Start und Landung hängen von der Last auf den Flughäfen ab. Darüber hinaus sind die Flüge noch durch umsteigende Passagiere und Crews miteinander verbunden.

Mit Hilfe ereignisorientierter stochastischer Simulation lässt sich das gesamte Flugnetz einer Fluggesellschaft inklusive aller relevanten Eigenschaften und operativen Prozessen nachbilden und simulieren. Auf diese Weise lassen sich kritische Punkte eine Flugplanes identifizieren und mögliche Änderungen bewerten.

SimOps wird zur Zeit bei der Lufthansa AG zur Analyse des Kontinentalverkehrs eingesetzt. 

Simulationsmodell

SimOps ist ein ereignisorientiertes Simulationssystem zur Modellierung von Flugnetzen inkl. aller Flüge, Flughäfen, Crews und Passagieren. In dem Simulationsmodell werden für jeden einzelnen Flug folgende Eigenschaften berücksichtigt:

  • Rechtzeitige Verfügbarkeit des Flugzeugs (evtl. Einsatz eines Reserveflugzeugs)
  • Verfügbarkeit der Crews (inkl. Berücksichtigung der verschiedenen Anwesenheitspflichten von Kabinen- und Cockpit-Crews sowie Berücksichtigung von Dead-Head-Crews)
  • Verfügbarkeit der Passagiere (inkl. Warteregeln)
  • ATFM-Verzögerungen von Starts nach Strecken, Zeiten und Start- und Zielflughäfen
  • Stochastische Taxi-In- und Taxi-Out-Zeiten (abhängig von der gewählten Parkposition und der gewählten Rollbahn sowie dem Flugzeugtyp)
  • Auswahl der Rollbahn nach Windrichtung und Anflug- bzw. Abflugrichtung
  • Kapazitätsmodell zur Simulation der Start- und Landebahnauslastung
  • Stochastische Flugzeiten, deren Verteilung außerdem von der Wetterlage abhängen kann (Clusterung)
  • Stochastische Umsteigezeiten für Crews und Passagiere abhängig von Start- und Ziel-Gate
  • Notwendige Bodenzeiten der Flugzeuge (abhängig von Flughafen und Flugzeugzyp)

 

Mit Hilfe des Simulationsmodells kann so auf einfache Weise untersucht werden, welche netzartigen Folgen einzelne Verspätungen haben und wie sich Lastverschiebungen an einzelnen Flughäfen auswirken. 

Features

Mit Hilfe des SiimOps Simulators kann ein komplettes Flugverkehrsnetz auf dem Rechner nachgebildet werden. 

Der SimOps Simulator bietet dabei entsprechende Schnittstellen, um ein auf historischen Daten basierendes Simulationsmodell laden und verarbeiten zu können. Da die Simulationsmodelle selbst im xml-Format abgelegt werden, ist jeder Zeit ein gut automatisierbarer Eingriff in den Simulationsprozess möglich. 

Eingangsdaten

Für die Simulation werden Daten über alle Flüge und Flughäfen benötigt. Außerdem werden Informationen zur Verknüpfung der Flüge (umsteigende Passagiere und Crews) verwendet. Je nach der konkreten Fragestellung kann das ein Simulationsmodell an verschiedenen Stellen verschieden detailiert sein. Es können Simulationen mit und ohne Crews und Passagiere durchgeführt werden. (Auch nur teilweise vorliegende Crewdaten können verwendet werden.) Genauso können die Flughäfen verschieden detailiert gestaltet werden, so lässt sich z.B. das Kapazitätsmodell für jeden Flughafen getrennt ein- und ausschalten und durch Fallback-Regeln für Taxi- und Bodenzeiten können auch Modelle simuliert werden, in denen nicht an allen Flughäfen alle Informationen für alle Flugzeugtypen getrennt vorliegen.

Simulationsprozess

SimOps bildet die einzelnen Bewegungen der Flugzeuge, Crews und Passagiere mit Hilfe ereignisorientierter Simulation nach. Dabei werden fortlaufend alle relevanten Kenngrößen des Systems (d.h. aller Flüge, aller Flughäfen, der Passagiere sowie von Informationen bezogen auf Strecken und Zeitabschnitte) aufgezeichnet. Alle Daten werden in Form von Mittelwert und Standardabweichung gespeichert. Darüberhinaus werden zu den Verspätungen auch noch die Verteilungen sowie die Pünktlichkeit an verschiedenen Schwellen erfasst.

Performance

Der Simulator ist für die Simulation komplexer Flugnetze ausgelegt (Wochenflugpläne mit mehr als 10.000 Flügen, über 100 Flughäfen und mehreren 10.000 Crew- und Passagierdatensätzen). Durch eine effiziente Speichernutzung belegt der Simulator selbst in diesem Fall nur etwa 200 MB. Durch die Mehr-Kern-Unterstützung kann SimOps moderne CPUs optimal ausnutzen.

Bei der Simulation eines komplexen Wochenflugplan (etwa 250 Flugzeuge mit 10.000 Flügen) auf einer modernen CPU (Intel Core 2 Duo, 2,66 GHz) kann nach gut einer Minute mit statistisch stabilen Ergebnissen gerechnet werden.

Ausgabe der Ergebnisse

Die Ergebnisse der Simulation werden in Form von Tabellen und Grafiken ausgegeben. Die Ergebnisse können dabei direkt im Simulator angezeigt werden oder aber als html-Report oder als xml-Datei zur Weiterverarbeitung durch andere Programme zur Verfügung gestellt werden.

Die Verspätungsinformationen stehen jeweils pro Flug, pro Strecke, pro Flughafen und pro Halbstundenintervall zur Verfügung. Neben Mittelwert und Standardabweichung werden auch die Verteilungen der Verspätungen in Form einer Dichte sowie in Form von Histogrammen zur Verfügung gestellt. Außerdem wird die jeweilige Pünktlichkeit an den üblichen Schwellen (0 Min., 3 Min., 5 Min. und 15 Min.) ausgegeben.

Schnittstellen

SimOps kann Simulationsmodelle aus xml-Dateien laden. Der Aufbau der Dateien ist in der Online-Hilfe zu dem Programm detailiert dokumentiert und es stehen dtd-Dateien zur Verfügung zur maschinellen Syntaxprüfung von Szenariodateien. Darüberhinaus können die zu verwendenden Namen der Tags innerhalb der xml-Dateien den eigenen Bedürfnissen entsprechend konfiguriert werden.

Bei der Bearbeitung eine Simulationsszenarios im Szenarioeditor können Daten für einzelne Eigenschaften (z.B. Basislast-Werte für eine Rollbahn oder aber empirisch gegebene Flugzeitverteilungen) aus csv-Dateien nachgeladen werden.

Die Simulationsergebnisse können nicht nur im Programm betrachtet werden oder aber in Form von html-Reports und csv-Tabellen ausgegeben werden, sondern auch gesammelt in Form einer xml-Datei zur Weiterverarbeitung durch andere Programme ausgegeben werden. Das Dateiformat ist dabei genauso dokumentiert, wie das Format der Szenariodateien und kann auch auf die selbe Weise konfiguriert werden. 

Screenshots

Auf den folgenden Screenshots ist dargestellt, wie Modell Editor, Simulation und Statistik-Ausgabe von SimOps in der Praxis aussehen.

Die einzelnen Abbildungen können jeweils durch Anklicken vergrößert werden. 

Modell Editor

Szenario Editor (Bearbeiten der Taxi-Zeiten)
Szenario Editor (Bearbeiten der Flügeliste)
Szenario Editor (Festlegen der Tagestyp abhängigen Flugzeiten)

Simulation

Ablauf der Simulation
SimOps Server (Nutzung von entfernten Netzwerk-Rechnern zur Simulation)

Statistik-Ausgabe

Statistik-Ausgabe
Statistik-Ausgabe
Report Generator
 

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