A EVOLUÇÃO DA TOMADA DE DECISÃO COLABORATIVA NO GERENCIAMENTO

DE FLUXO DE TRÁFEGO AÉREO

Antonio Carlos de Arruda Junior Li Weigang

Leonardo Cruciol

2014

Universidade de BrasíliaDepartamento de

Ciência da Computação

• Introdução• Fundamentação Teórica – O Programa de Espera em Solo– O CDM Clássico– A Teoria de Matching

• CDM e Teoria dos Jogos• Abordagem em Teoria dos Jogos• Considerações Finais

Sumário

2014

• As centenas de voos realizados diariamente são reguladas pelos órgãos de controle de tráfego aéreo (Air Traffic Control – ATC)

• Centro Nacional da Navegação Aérea (CGNA) – é o principal órgão executivo na realização das atividades de

Gerenciamento de Fluxo de Tráfego Aéreo (Air Traffic Flow Management – ATFM) em âmbito nacional

• ATFM – busca garantir o movimento seguro, ordenado e eficiente da aeronave durante todas as fases do voo, de forma que estas possam cumprir com os horários previstos de saída e chegada, mantendo perfis “ótimos” de voo sem, contudo, afetar os padrões de segurança

Introdução

2014

• Apesar do processo de alocação ser realizado com certa antecedência, situações adversas como o aumento de demanda e/ou a possibilidade de mau tempo podem resultar em congestionamentos de aeroportos ou setores do cenário aéreo

• Para se garantir a segurança os órgãos de controle de tráfego aéreo (ATC) buscam reduzir a quantidade de voos nos locais afetados através da imposição de medidas restritivas

Introdução

2014

• Por motivos de economia e segurança, dentre as medidas mais utilizadas estão as que resultam no atraso das aeronaves em solo

• Essas medidas preveem a redução da capacidade operacional dos aeroportos afetados, possibilitando o atraso das aeronaves antes de sua decolagem

• Tal situação gera a necessidade de alteração do cronograma original dos voos que irão utilizar os SLOTS das pistas desses aeroportos

Introdução

2014

• O programa de espera em solo (Ground Delay Program – GDP) é um processo que gerencia os recursos disponíveis (SLOTS) através de premissas definidas na filosofia da tomada de decisão colaborativa (Collaborative Decision Making – CDM)

• Essas premissas estão relacionadas a conceitos de propriedade, priorização, justiça e eficiência na alocação de recursos

• O paradigma central do modelo CDM, criado na década de 1990, é o de permitir o relacionamento dos diversos intervenientes afetados de forma que a troca de informações entre eles resulte em melhores decisões no gerenciamento do tráfego aéreo

Fundamentação Teórica

2014

• Programa de espera em solo (GDP)– realiza procedimentos caracterizados pela redução

da capacidade de operação de um ou mais aeroportos (Airport Arrival Rate – AAR)

– faz com que multiplos voos afetados sejam atrasados com segurança, enquanto estão no solo, nos aeroportos de origem

Fundamentação Teórica

2014

• Programa de espera em solo (GDP)– trata da análise e solução de duas questões

principais: • quais aeronaves deverão ser atrasadas, e • por quanto tempo elas deverão ser seguradas no solo

Fundamentação Teórica

2014

Programa de espera em solo(Ground Holding Program – GDP)

Fundamentação Teórica

2014

• Algoritmo Ration-By-Schedule– trata da redistribuição dos SLOTS para a nova

quantidade de aeronaves que podem operar por hora no aeroporto

– cria uma nova lista de SLOTS com horários revisados, alocando os voos do antigo cronograma na nova lista, preservando a ordem original de chegada definida para cada aeronave

• O efeito dos atrasos pode gerar atrasos de horas para alguns voos

Fundamentação Teórica

2014

• Etapa de substituições e cancelamentos• Oportunidade das companhias aéreas analisarem o resultado

informado pelo algoritmo e tomarem decisões visando mitigar os efeitos adversos de um GDP em suas operações, devendo:– comunicar tempestivamente possíveis atrasos, devidos a falhas

mecânicas e outros problemas operacionais;– comunicar tempestivamente cancelamentos, devido a ajustes

internos e decisões estratégicas das companhias aéreas em seus voos, e;

– comunicar tempestivamente substituições de voos entre SLOTS de “propriedade” da mesma companhia aérea, onde um voo pode ser priorizado em detrimento de outro.

Fundamentação Teórica

2014

• Algoritmo Compression– quando um SLOT é deixado vazio, ele tenta alocar a ele

outro voo da companhia aérea proprietária daquele SLOT• se ele encontrar um voo elegível, respeitando-se as restrições

de horário, ele reserva o SLOT vazio ao voo• se não existirem voos disponíveis, então o algoritmo buscará

um voo possível pertencente à outra companhia aérea– caso um voo elegível seja encontrado, ele realiza a troca do voo entre

os SLOTS das companhias aéreas, trocando também sua propriedade– mas se não encontrar, irá declarar o SLOT como inutilizado

Fundamentação Teórica

2014

• Algoritmo Compression– alguns autores mostraram que:• ele não consegue garantir o conceito de direitos de

propriedade de SLOTS para as companhias aéreas• os mecanismos existentes podem ser manipulados

quanto à omissão ou atraso no envio de informações sobre cancelamentos, e • o algoritmo nem sempre obtém resultados estáveis de

alocação (Balikrishnan, 2007; Schummer e Vohra, 2013)

Fundamentação Teórica

2014

• A Teoria de Matching – criada para tratar de mercados caracterizados por recursos disponíveis que são negociados entre jogadores específicos

• As preferências de cada jogador em relação aos recursos são estratégias que serão avaliadas por um mecanismo de alocação

• Mecanismo deve encontrar um resultado satisfatório alocando jogadores entre si, levando em conta as preferências de cada um

• Matching – representa o resultado final contendo a alocação ou troca de recursos entre todos os jogadores presentes nestes mercados

Fundamentação Teórica

2014

• Caso nenhum agente encontre uma forma de conseguir um resultado melhor do que o resultado proposto pelo mecanismo de matching, dizemos que o resultado é estável.

• A noção de estabilidade é um conceito central na teoria dos jogos cooperativos

• Na teoria de matching ela determina uma característica fundamental de qualquer mecanismo de alocação: – fornecer resultados ótimos aos jogadores

Fundamentação Teórica

2014

• Apesar de existirem diversas abordagens propondo variadas soluções, as pesquisas de Ball et al. (2001a) e Wolfe et al. (2009) indicam que existe já há algum tempo, a tendência em se utilizar modelos de teoria dos jogos para análise de procedimentos CDM na área de gerenciamento de tráfego aéreo (ATM).

CDM e Teoria dos Jogos

2014

• Algoritmos de alocação de slots, utilizando pagamentos laterais associados com trocas complexas de slots, foi verificado que: – Rassenti et al. (1982) criaram um mecanismo de leilão combinatorial

para slots de aeroportos; – Ball et al. (2005) retomaram o estudo, análise de objetivos e questões

referentes a leilões em problemas da aviação; – Vossen e Ball (2006a) modelaram um novo framework de intercâmbio

utilizando o Compression com trocas singleton;– Vossen e Ball (2006b) criaram a formalização de trocas mais complexas

envolvendo conjuntos de slots, onde modelos relacionados levam à solução via mercados de matching.

Abordagem em Teoria dos Jogos

2014

• Em 2007, Balakrishnan apresentou um trabalho contendo duas abordagens diferentes com base em modelos de mercados para resolver a questão de realocação de slots de pouso de um aeroporto. – Na primeira abordagem, foi analisado o problema da troca de slots

sem pagamentos monetários, onde foi mostrada a existência de alocações estáveis no resultado do modelo. O mecanismo utilizado foi o Top Trading Cycle (TTC) para alocação de casas.

– Na segunda abordagem, um método baseado em leilão para trocas com pagamentos laterais entre as companhias aéreas. O modelo de pagamentos proposto utiliza mecanismos de precificação Vickrey-Clarke-Groves (VCG) aproximados em combinação com uma abordagem baseada em otimização para o mercado.

Abordagem em Teoria dos Jogos

2014

• Em 2013, Schummer e Vohra apresentaram o trabalho Assignment of Arrival Slots, contendo novas propostas sobre teoria de matching de um lado, para o problema da espera em solo. – As principais contribuições deste trabalho foram a formalização

e análise de atributos das companhias aéreas, e a proposta de um mecanismo que satisfaz alguns desses atributos formalizados, chamado TradeCycle.

– Esse mecanismo é uma generalização do Top Trading Cycle (TTC) de Shapley e Scarf (1974), que já apareceu em outros modelos relacionados.

Abordagem em Teoria dos Jogos

2014

• Em 2013, Ribeiro e Weigang publicaram um modelo baseado em sequenciamento de partidas em aeroportos com teoria dos jogos. Este trabalho propôs um sequenciamento de aeronaves por meio de negociação de slots utilizando algoritmos Ration by Schedule e Compression.

• Em 2014, proposto por Arruda Jr. et al., procurou expandir os limites da Collaborative Decision Making clássica (CDM) através da inclusão de um novo jogador no processo de tomada de decisão: os gestores dos aeroportos. Este trabalho utilizou a teoria de matching para resolver o problema de alocações de recursos envolvendo cenários multiagentes.

Abordagem em Teoria dos Jogos

2014

• O aumento da utilização do meio de transporte aéreo nos últimos anos tem causado um impacto significativo na forma como o gerenciamento de recursos aeronáuticos e aeroportuários é realizado.

• No Brasil, além da construção de novos aeroportos, expansão de pistas e concessões da administração aeroportuária, uma evolução e adaptação dos processos existentes fazem-se claramente necessária.

Considerações Finais

2014

Perguntas ?

Fim

2014