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Simulação e análise de configurações aeroportuárias

utilizando Visual SIMMOD: aplicação ao

Aeroporto Internacional de São Paulo/Guarulhos

Dissertação de Mestrado

Prof. Rodrigo F. MoserEngenheiro CivilMSc. Engenharia de Transportes

Escola Politécnica da Universidade de São PauloPTR - Departamento de Engenharia de TransportesPrograma de Mestrado em Engenharia de Transportes

2

Visão geral da apresentação

1. IntroduçãoMotivação

Objetivos

2. O Problema na literaturaCapacidade e atraso

Abordagem sistêmica

Modelagem e simulação

3. Procedimento proposto

Caracterização do sistema

Ferramenta de simulação: Visual SIMMOD

Sistemática da análise de aeroportos

3


4. O Aeroporto de Guarulhos (SBGR)Infra-estrutura existente

Plano Diretor atualizado

5. Modelagem e simulação no Visual SIMMODModelo base

Estudo de alternativas

6. Principais resultados e conclusões

4


1. Introdução2. O Problema na literatura


4. O Aeroporto de Guarulhos (SBGR)

5. Modelagem e simulação no Visual SIMMOD


5

Contexto do estudo

MotivaçãoCrescimento do transporte aéreo no BrasilDesbalanceamento entre oferta e demandaAtrasos: prejuízos e incômodosUtilização de ferramentas computacionais de simulação para planejamento e operação

Objetivos principaisApresentar um procedimento para avaliação operacional de intervenções no lado aéreo de aeroportosAplicar o procedimento a um caso práticoAvaliar os resultados dessa aplicação, verificando a viabilidade desse procedimento para outros estudos

6


1. Introdução

2. O Problema na literatura3. Procedimento proposto




7

Capacidade e atraso

Problema: configurar instalações do lado aéreo de modo a balancear a capacidade frente à demanda

Horonjeff & McKelvey apontam duas abordagens sobre capacidade:

1. “Capacidade última” (ultimate capacity): capacidade de saturação ou taxa máxima de processamento. Número máximo de aeronavesque um aeródromo pode acomodar durante um intervalo de tempo (demanda contínua)

2. “Capacidade prática”: número de operações por intervalo de tempo, correspondente a um nível tolerável de atraso médio

Atraso: diferença entre o tempo efetivamente gasto para realizar um movimento e o tempo potencial se não houvesse interação com outras aeronaves (FAA)

Atraso ou tempo de espera é o efeito da “concorrência” pelo uso da mesma instalação ao mesmo tempo

8

Fatores que afetam capacidade e atraso

1. Layout do aeroporto

Configuração geométrica relativa das pistas em uso

2. Picos de demanda

Períodos do dia em que a demanda de tráfego é muito alta (ondas de atraso)

3. Composição da frota

Proporção entre os tipos de aeronave que operam no aeroporto, classificadas por peso e envergadura

012

5

67

89

10111213

Demanda horária de tráfego

Atra

so m

édio

por

aer

onav

e (m

in)

Fluxo livre

Congestionado

Gravemente congestionado

Lim

ite d

a ca

paci

dade

34 Aceitável

Saturado

4. Meteorologia

Condições climáticas no aeroporto

Fonte: Metropolitan Transportation Commission

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Abordagem sistêmica

Etapas (Neufville; Gualda)1. Identificação do sistema,

componentes, objetivos e restrições

2. Formulação do problema e das medidas de rendimento / desempenho

3. Geração de alternativas para solução do problema

4. Avaliação das alternativas geradas a partir das medidas formuladas

5. Seleção da alternativa que melhor atende às premissas consideradas

Fonte: Horonjeff & McKelvey

10


Modelo é uma abstração da realidade, uma representação adaptada de acordo com o problema a ser analisado (ESUG)

“O objetivo do processo de modelagem não é reproduzir a realidade em todos seus aspectos, o que seria inviável, mas considerar apenas os aspectos relevantes ao sistema delimitado”(Ortúzar)

“A simulação é o processo de elaborar um modelo de um sistema real e conduzir experimentos, com o propósito de compreender o comportamento do sistema e/ou avaliar várias estratégias para a operação do mesmo” (Botter)

11


1. Introdução

2. O Problema na literatura

3. Procedimento proposto4. O Aeroporto de Guarulhos (SBGR)



12

Fluxograma simplificadoDefinição do

problema

Definição do sistema e de medidas de

desempenho

Modelagem e simulação no

Visual SIMMOD

Verificação e validação do modelo base

Geração de alternativas para

solução do problemaSeleção da

melhor alternativaAvaliação da

alternativa

Configuração físicaLevantamento

e preparação dos dados de

entrada Dados de demanda

Regras de tráfego

Modelo baseModelo dealternativas

Mod

elo

de a

ltern

ativ

as

13

Definição do sistema

Pátio de aeronaves

Pistas de táxi

Pistas de pouso

Espaço aéreo terminal

Fonte: Suplemento AIP

Lado aéreo

14

Ferramenta de simulação - SIMMOD

FAA desenvolveu o ADM em 1978/9, um modelo de atrasos em aeroportos e espaço aéreo. Em 1980/2 melhorou o modelo criando o SIMMOD

Em 1983 o FAA criou “pré” e “pós” processadores

Validação em 1985 para JFK

A NASA mantém a lógica do SIMMOD, outras empresas desenvolvem GUI (graphical user interface)

Por que usar o SIMMOD ?Ferramenta aceita como padrão pela FAAAmplamente usado (aprendizado e aplicação mais simples)Constante desenvolvimento

O SIMMOD em si é um motor de simulação

Problema: como entrar dados e analisar saídas?

15

Visual SIMMOD

AirportTools é uma empresa que desenvolve ferramentas computacionais para estudos na área da aviação, entre eles o Visual SIMMOD

Total compatibilidade com o SIMMOD (engine) da FAA

Pesquisa: total suporte / cooperação / implementação

Módulos de simulação avançados

Visual SIMMOD (edição do modelo)

SIMMOD Reporter

Animator / 3D animator

SIMU26 / SIMU04 Explorer (dados de saída)

SIMMOD to INM / INM to SIMMOD

Radar data (?) ...

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dados detráfego

regras

dados físicos

procedimentos

dados das aeronavesResultados (relatórios e visualização)


17

regras

procedimentos

dados das aeronavesResultados(relatórios e visualização)

dados físicos • pistas

• taxiways

• gates

• pátios

• pistas

• taxiways

• gates

• pátios

aeroportos

espaço aéreo

aeroportos

espaço aéreo

• trajetórias

• auxílios

• trajetórias

• auxílios


dados detráfego

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regras

dados físicos


táxi, push-back...

rota (fixos, alt., etc)

SIDs e STARs

táxi, push-back...

rota (fixos, alt., etc)

SIDs e STARs

procedimentos


dados detráfego

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regras

dados físicos

procedimentos

Resultados(relatórios e visualização)

dados das aeronaves


dados detráfego

características de desempenho

ground group

airspace group

características de desempenho

ground group

airspace group

20

dados físicos

procedimentos


regras

separação, restrições de fluxo, direcionalidade

restrições do espaço aéreo

seqüenciamento

preferências e restrições para pistas, táxi e gates

separação, restrições de fluxo, direcionalidade

restrições do espaço aéreo

seqüenciamento

preferências e restrições para pistas, táxi e gates


dados detráfego

21

regras

dados detráfego

dados físicos

procedimentos


HOTRAN, tower-logs, radar data

turnaround time

influência de condições meteorológicas

HOTRAN, tower-logs, radar data

turnaround time

influência de condições meteorológicas


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dados detráfego

regras

dados físicos

procedimentos


Visual SIMMOD

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AeronavesAeronaves

posição

tempos de percurso

atrasos

consumo de combustível

posição

tempos de percurso

atrasos

consumo de combustível

AeroportoAeroporto

pousos e decolagens

pistas: uso e atrasos

táxi: uso e atrasos

pousos e decolagens

pistas: uso e atrasos

táxi: uso e atrasos

Espaço aéreoEspaço aéreo

instantes de entrada e saída

fluxo

separação

instantes de entrada e saída

fluxo

separação

Visual SIMMOD

Resultados(relatórios e visualização)

24


1. Introdução



4. O Aeroporto de Guarulhos5. Modelagem e simulação no Visual SIMMOD


25

Infra-estrutura existente

Fonte: INFRAERO

Fonte: Google EarthFonte: Google Earth

26

Infra-estrutura existente

Fonte: INFRAERO

27

Plano Diretor revisado

Estudados porBarros; Santana

Fonte: INFRAERO

28


1. Introdução






29

Representação do modelo base

nós

links

Estrutura “física” do espaço aéreo do aeródromo

Airspace links: trajetórias de aproximação e saída

Airspace nodes: fixos e auxílios à navegação

Procedimentos do espaço aéreo

Routes (conjunto de ASL’s)

Procedures (RWY, APP/DEP, separação...)

30

Representação do modelo base

Base em CAD

nós

links

Airfield links: pistas de táxi, pista de pouso, saídas...

Airfield nodes: gates, posições remotas, pontos de espera, cruzamento de pistas de pouso / táxi...

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Perfil de demanda da simulação

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hora (UTC)

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por h

ora

decolagens pousos Total

Movimentação intensa (578 mov./dia e 48 mov./hora pico)

Estudo LPT (PTR/EPUSP), utilizando ARENA

Dados suficientes para realizar as análises

Movimentação na pista em 13 de janeiro de 2001

32

Composição da frota

Classe Tipo de aeronave mixGA Aeronaves pequenas, monomotor/bimotor (prop)

pesando 12.500 libras (ex. LEAR35, GIV, C208, C650, BEC58P, CNA500

2,4%

SML Aeronaves pequenas, monomotor/bimotor (prop) pesando de 12.500 a 100.000 libras (ex. E120 e

ATR42)8,5%

LRG Aeronaves grandes pesando de 100.000 a 300.000 libras (ex. B707, B727, B737, A319, A320, A321,

FK100)63,3%

HVY Aeronaves muito grandes pesando acima de 300.000 libras (ex. B767, B747, B777, DC10, MD11, A300,

A330)25,8%

Airspace Group: velocidades e separação no espaço aéreo

Ground Group: pouso, decolagem, táxi, gates, tratoramento...

33

Uso das pistas e cabeceiras

Cabeceira 09: utilizada durante 79% do tempo

Cabeceira 27: utilizada durante 21% do tempo

decolagens na 09L / 27R (3.700m)

pousos na 09R / 27L (3.000m)Critério operacional

100%578284294movimentos

20,9%121566527

79,1%45722822909

%TOTALDEPARRcabeceira

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Critérios de separação - declarados

5 nm

ARR - ARR

DEP - ARR

5 nm

DEP - DEP

120 segundos

ARR - DEP

pouso confirmado, decolagem liberada

35

Critérios de separação - hipóteses

Dados reais de operação (jan./01) e envelopes de capacidade

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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

decolagens por hora

pous

os p

or h

ora dados reais de operação

APP-5NM e DEP-120s -oficial

APP-4NM e DEP-90senvelope teórico



36

Estudo de alternativas – PR-A

Estrutura “física” do cenário “GRU-PRA”no Visual SIMMOD

37


1. Introdução






38

Resumo dos resultados

a. O modelo base foi validadoSistema de pistas

Pátio de aeronaves

Tempos de percurso e atrasos

b. Acréscimos de demanda permitiramEstimar a capacidade prática de cada cenário

Comparar o modelo base com o modelo PR-A

c. As melhorias propostas reduziram os atrasos

d. O procedimento mostrou-se adequado

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Validação no sistema de pistas

Movimentos reais x simulados (base horária): boa aproximação

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hora (UTC)

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DEP simu ARR simu TOTAL simuDEP real ARR real TOTAL real

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hora (UTC)

dife

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ope

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DEP esperado - simu ARR esperado - simu


Diferença de movimentos (base horária): pequena amplitude

A simulação não atingiu a realidade

A simulação superou a realidade

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Operação real, simulada e envelope de capacidade: consistência

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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

decolagens por hora

pous

os p

or h

ora

dados reais deoperação

baseline comacréscimos dedemanda

APP-4NM e DEP-90scritérios utilizados

42



Pátio de aeronaves






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Validação nas posições de pátio

cargadoméstico apoio

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xa d

e oc

upaç

ão m

édia

posiçõescarga

remotalateral

TPS1 (dom.)

TPS1 (intl.)

TPS2 (dom.)

TPS2 (intl.)

remotacentral

pátioapoio

globalaeroporto

posições

Operação real Operação simulada

Validação nas posições de pátio

Ocupação média das posições: restrições do modelo

45



Pátio de aeronaves






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Tempos de percurso - saídas

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hora (UTC)

tem

po (m

in.)

tempo médio de taxi (DEP) atraso médio de taxi (DEP)atraso médio ponto espera (DEP)

Cabeceira 09L: duração de 2 a 3 minutos

Cabeceira 27R: cerca de 9 minutos

Atrasos maiores no ponto de espera

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Movimentação x atrasos - total

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movimentos totais atraso médio em solo - totais

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Movimentação x atrasos - saídas

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so (m

in.)

DEP simu atraso médio em solo - DEP

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Movimentação x atrasos - chegadas

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atra

so (m

in.)

ARR simu atraso médio em solo - ARR

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Pátio de aeronaves






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Movimentos horários - baseline

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hora (UTC)

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ora

DEP simu ARR simu Total simu

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hora (UTC)

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DEP - 285

ARR - 294

Total - 579

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hora (UTC)

dife

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a de

ope

raçõ

es


DEP - 306

ARR - 319

Total - 625

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mov

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por h

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hora (UTC)

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a de

ope

raçõ

es


DEP - 337

ARR - 345

Total - 682

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0

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0

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0

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0

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tos

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-15

-10

-5

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5

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15

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0

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0

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0

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0

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0

22:0

0

23:0

0

hora (UTC)

dife

renç

a de

ope

raçõ

es


DEP - 362

ARR - 374

Total - 736

55


0

10

20

30

40

50

60

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0

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imen

tos

por h

ora


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-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

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0

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0

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0

21:0

0

22:0

0

23:0

0

hora (UTC)

dife

renç

a de

ope

raçõ

es


DEP - 398

ARR - 400

Total - 798

56


0

10

20

30

40

50

60

00:0

0

01:0

0

02:0

0

03:0

0

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23:0

0

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imen

tos

por h

ora


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-20

-10

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10

20

30

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0

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0

21:0

0

22:0

0

23:0

0

hora (UTC)

dife

renç

a de

ope

raçõ

es


DEP - 419

ARR - 426

Total - 845

57

Atrasos em solo nas saídas

DEP - 285

ARR - 294

Total - 579

0

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0

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0

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hora (UTC)

tem

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in.)


Modelo base

Modelo PR-A

58


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5

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0

hora (UTC)

tem

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in.)


0

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0

hora (UTC)

tem

po (m

in.)


Modelo base

Modelo PR-A

59


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Total - 682 0

5

10

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20

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hora (UTC)

tem

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0

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hora (UTC)

tem

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in.)


Modelo base

Modelo PR-A

60


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5

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20

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hora (UTC)

tem

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in.)


0

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0

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0

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0

hora (UTC)

tem

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in.)


Modelo base

Modelo PR-A

61


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10

20

30

40

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0

hora (UTC)

tem

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in.)


0

10

20

30

40

50

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0

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0

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14:0

0

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0

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0

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0

22:0

0

hora (UTC)

tem

po (m

in.)


Modelo base

Modelo PR-A

62


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Total - 845 0

10

20

30

40

50

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0

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0

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0

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18:0

0

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0

22:0

0

hora (UTC)

tem

po (m

in.)


0

10

20

30

40

50

00:0

0

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0

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0

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0

22:0

0

hora (UTC)

tem

po (m

in.)


Modelo base

Modelo PR-A

63


DEP - 285

ARR - 294

Total - 579

0

5

10

15

20

25

30

35

40

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0

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0

20:0

0

22:0

0

mov

imen

tos

0

5

10

15

20

25

30

atra

so (m

in.)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

00:0

0

02:0

0

04:0

0

06:0

0

08:0

0

10:0

0

12:0

0

14:0

0

16:0

0

18:0

0

20:0

0

22:0

0

mov

imen

tos

0

5

10

15

20

25

30

atra

so (m

in.)


Modelo base

Modelo PR-A

64


DEP - 306

ARR - 319

Total - 625

0

5

10

15

20

25

30

35

40

00:0

0

02:0

0

04:0

0

06:0

0

08:0

0

10:0

0

12:0

0

14:0

0

16:0

0

18:0

0

20:0

0

22:0

0

mov

imen

tos

0

5

10

15

20

25

30

atra

so (m

in.)


0

5

10

15

20

25

30

35

40

00:0

0

02:0

0

04:0

0

06:0

0

08:0

0

10:0

0

12:0

0

14:0

0

16:0

0

18:0

0

20:0

0

22:0

0

mov

imen

tos

0

5

10

15

20

25

30

atra

so (m

in.)

Modelo base

Modelo PR-A

65


DEP - 337

ARR - 345

Total - 682

0

5

10

15

20

25

30

35

40

00:0

0

02:0

0

04:0

0

06:0

0

08:0

0

10:0

0

12:0

0

14:0

0

16:0

0

18:0

0

20:0

0

22:0

0

mov

imen

tos

0

5

10

15

20

25

30

atra

so (m

in.)


0

5

10

15

20

25

30

35

40

00:0

0

02:0

0

04:0

0

06:0

0

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0

10:0

0

12:0

0

14:0

0

16:0

0

18:0

0

20:0

0

22:0

0

mov

imen

tos

0

5

10

15

20

25

30

atra

so (m

in.)

Modelo base

Modelo PR-A

66


DEP - 362

ARR - 374

Total - 736

0

5

10

15

20

25

30

35

40

00:0

0

02:0

0

04:0

0

06:0

0

08:0

0

10:0

0

12:0

0

14:0

0

16:0

0

18:0

0

20:0

0

22:0

0

mov

imen

tos

0

5

10

15

20

25

30

atra

so (m

in.)


0

5

10

15

20

25

30

35

40

00:0

0

02:0

0

04:0

0

06:0

0

08:0

0

10:0

0

12:0

0

14:0

0

16:0

0

18:0

0

20:0

0

22:0

0

mov

imen

tos

0

5

10

15

20

25

30

atra

so (m

in.)

Modelo base

Modelo PR-A

67


DEP - 398

ARR - 400

Total - 798

0

5

10

15

20

25

30

35

40

00:0

0

02:0

0

04:0

0

06:0

0

08:0

0

10:0

0

12:0

0

14:0

0

16:0

0

18:0

0

20:0

0

22:0

0

mov

imen

tos

0

5

10

15

20

25

30

atra

so (m

in.)


0

5

10

15

20

25

30

35

40

00:0

0

02:0

0

04:0

0

06:0

0

08:0

0

10:0

0

12:0

0

14:0

0

16:0

0

18:0

0

20:0

0

22:0

0

mov

imen

tos

0

5

10

15

20

25

30

atra

so (m

in.)

Modelo base

Modelo PR-A

68


DEP - 419

ARR - 426

Total - 845

0

5

10

15

20

25

30

35

40

00:0

0

02:0

0

04:0

0

06:0

0

08:0

0

10:0

0

12:0

0

14:0

0

16:0

0

18:0

0

20:0

0

22:0

0

mov

imen

tos

0

10

20

30

40

50

60

atra

so (m

in.)


0

5

10

15

20

25

30

35

40

00:0

0

02:0

0

04:0

0

06:0

0

08:0

0

10:0

0

12:0

0

14:0

0

16:0

0

18:0

0

20:0

0

22:0

0

mov

imen

tos

0

10

20

30

40

50

60

atra

so (m

in.)

Modelo base

Modelo PR-A

69



Pátio de aeronaves






70

y = 3,75E-06e2,78E-01x

R2 = 9,65E-01

y = 1,51E-05e2,47E-01x

R2 = 9,79E-01

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60

movimentos por hora

atra

so m

édio

em

sol

o (m

in.)

modelo basemodelo PRA

Atrasos em solo x mov. hora-pico

71

y = 0,0085x - 4,197

y = 7,21E-04e1,13E-02x

y = 0,0069x - 3,2945

y = 1,09E-03e1,06E-02x

0,0

2,5

5,0

7,5

10,0

12,5

550 600 650 700 750 800 850 900 950

fluxo total (aeronaves/dia)

atra

so m

édio

em

sol

o (m

in.)

modelo basemodelo PRA

Atrasos em solo x mov. diários

72

Conclusões e recomendações

Contribuição deste trabalhoSistematização de uma análise com SIMMOD

Apresentação de resultados importantes sobre o Aeroporto de Guarulhos

Recomenda-se:1. Aprofundamento na modelagem do pátio de aeronaves

2. Simulação de outros cenários de alternativas

3. Transferência de vôos do Aeroporto de Congonhas

4. Proposição de novas regras de tráfego

5. Aplicação a outros aeroportos brasileiros

73

Simulação e análise de configurações aeroportuárias

utilizando Visual SIMMOD: aplicação ao

Aeroporto Internacional de São Paulo/Guarulhos

Escola Politécnica da Universidade de São PauloPTR - Departamento de Engenharia de TransportesPrograma de Mestrado em Engenharia de Transportes

Prof. Rodrigo F. MoserEngenheiro CivilMSc. Engenharia de Transportes

dissertação de mestradomendes/cursos/infx1/simulacao_moser.pdf · sml aeronaves pequenas,...

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