Ermittlung der notwendigen Reduzierung von Staffelungsabständen in Bezug auf die zukünftige Luftverkehrsnachfrage

Transkript

1 Karl-Scharfenberg-Fakultät Ermittlung der notwendigen Reduzierung von Staffelungsabständen in Bezug auf die zukünftige Luftverkehrsnachfrage David Hindemit (Matrikelnummer: ) Eingereichte Abschlussarbeit zur Erlangung des akademischen Grades Bachelor of Science (B.Sc.) im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen Verkehr an der Karl-Scharfenberg-Fakultät der Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften Erster Prüfer: Zweiter Prüfer: Prof. Dr.-Ing. Thomas M. Cerbe Dipl.-Ing. Franz Knabe Eingereicht am:

2 Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis... I Abbildungsverzeichnis... II Tabellenverzeichnis... III Symbolverzeichnis... III 1. Einleitung... 1 Hintergrund und Zielsetzung... 1 Vorgehensweise und Aufbau der Arbeit Grundlagen der Runway Kapazität... 5 Hintergrund und Historie von Runway Kapazitäten... 6 Berechnung der Runway Kapazität... 7 Paarweise Runway Separationen Eine Landung gefolgt von einer weiteren Landung (A-A) Eine Landung gefolgt von einem Start (A-D) Ein Start gefolgt von einem weiteren Start (D-D) Ein Start gefolgt von einer Landung (D-A) Paarweise Separation bei parallelen Runways Verkehrszusammensetzung und Verteilung über die Zeit Aufbau der Modellumgebung für die Simulation Analyse der Flughäfen Heathrow und Gatwick London Heathrow (LHR) Daten und Zahlen LHR London Gatwick Airport (LGW) Daten und Zahlen LGW Analyse der Luftverkehrsprognose Challenges of Growth Entwicklung von Strategien zur fiktiven Staffelungsreduktion Simulationsvorbereitung Vorgehensweise Verwendete Programme Erstellung einer zeitbasierten Staffelungstabelle Seite: II

3 6. Simulation verschiedener Maßnahmen zur Staffelungsminimierung in Bezug auf das zukünftige Luftverkehrsaufkommen in London Heathrow London Gatwick Auswirkungen der Strategien zur Staffelungsreduktion und zukünftige Umsetzbarkeit Kritische Betrachtung Zusammenfassung Fazit Ausblick Quellenverzeichnis Eidesstattliche Erklärung Anhang Seite: III

4 Abkürzungsverzeichnis A A... Arrival (Anflug) D D... Departure (Abflug) DDR... Demand Data Repository I ICAO... International Civil Aviation Organisation K kts... Knoten L LFZ... Luftfahrzeug LGW... London Gatwick LHR... London Heathrow LV... Luftverkehr M MTOW... Maximum Take Off Weight min... Minuten N NM...Nautische Meilen S s... Sekunden U UK... United Kingdom (Groß Britannien) V VMZ... Visual Meteorological Conditions Seite: I

5 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 - Entwicklung des Passagieraufkommens an diversen Flughäfen nach Streckenzielgebieten... 1 Abbildung 2 - Runway "Capacity Coverage Curve" - Chicago O'Hare... 8 Abbildung 3 - Tij bei der Kombination A-A Abbildung 4 - Staffelungsvorschriften ICAO; UK, Recat Abbildung 5 - Eine Landung gefolgt von einem Start (A-D) Abbildung 6 - Ein Start gefolgt von einem weiteren Start (D-D) Abbildung 7 - Ein Start gefolgt von einer Landung (D-A) Abbildung 8 Bedingungen für Start- und Landeoperationen bei zwei parallelen Runways Abbildung 9 - Verzögerung in Abhängigkeit von der Nachfrage Abbildung 10 - Verzögerung in Abhängigkeit von der Nachfrage mit dem Anteil der Klasse "heavy" >40% Abbildung 11 - Verzögerung in Abhängigkeit von der Nachfrage mit dem Anteil der Klasse "heavy" <20% Abbildung 12 - Saisonale Nachfrage von Passagieren bei unterschiedlichen Airlines Abbildung 13 Nachfrage aller Landungen des Winters 2012/13 im Vergleich zur Kapazität (LHR) Abbildung 14 - Nachfrage aller Abflüge des Winters 2012/13 im Vergleich zur Kapazität (LHR). 26 Abbildung 15 - Nachfrage aller Anflüge des Winters 2012/13 im Vergleich zur Kapazität (LGW) 28 Abbildung 16 - Nachfrage aller Abflüge des Winters 2013/14 im Vergleich zur Kapazität (LGW) 28 Abbildung 17 - Luftverkehrsprognose 2035 Challenges of Growth Abbildung 18 - Prognostizierte stündliche Anzahl an Flugbewegungen in Abbildung 19 Visualisierung des Simulationsablaufes Abbildung 20 - Report-Datei RucsimX Abbildung 21 - Legende zur Bewertung der durchschnittlichen Verzögerung Abbildung 22 Anzahl von Passagieren einzelner Monate - London Gatwick Abbildung 23 - Verteilung der Verzögerungen in der Simulation auf Basis London Gatwick im August Seite: II

6 Tabellenverzeichnis Tabelle 1 - Distanzbasierte Separation (A-A) bei einem Runway Tabelle 2 - Zeitbasierte Separation (D-D) bei einem Runway Tabelle 3 - Umrechnung der Distanzbasierten Staffelungswerte in zeitbasierte Staffelungswerte 40 Tabelle 4 - Abweichungen der "Cloning-Methode" bei der Flugplanerstellung für Anflüge Tabelle 5 - Durchschnittliche Verzögerung eines landenden Flugzeugs in prognostizierten Zukunftsszenarien Tabelle 6 - Separationsminimierung - A-A bei 20% mehr Luftverkehr Tabelle 7 - Separationsminimierung - A-A bei 30% mehr Luftverkehr Tabelle 8 - Separationsminimierung - A-A bei 40% mehr Luftverkehr Tabelle 9 - Separationsminimierung - A-A bei 50% mehr Luftverkehr Tabelle 10 - Abweichungen der "Cloning-Methode" bei der Flugplanerstellung für Abflüge Tabelle 11 - Durchschnittliche Verzögerung eines startenden Flugzeugs in prognostizierten Zukunftsszenarien Tabelle 12 - Separationsminimierung - D-D bei 20% mehr Luftverkehr Tabelle 13 - Separationsminimierung - D-D bei 30% mehr Luftverkehr Tabelle 14 - Separationsminimierung - D-D bei 40% mehr Luftverkehr Tabelle 15 - Separationsminimierung - D-D bei 40% mehr Luftverkehr Tabelle 16 - Abweichung der Cloning-Methode bei der Flugplanerstellung Tabelle 17 - Separationsminimierung - März 2013 bei 20% mehr Luftverkehr Tabelle 18 - Separationsminimierung - März 2013 bei 30% mehr Luftverkehr Tabelle 19 - Separationsminimierung - März 2013 bei 40% mehr Luftverkehr Tabelle 20 - Separationsminimierung - März 2013 bei 50% mehr Luftverkehr Tabelle 21 - Abweichung der Cloning-Methode bei der Flugplanerstellung Tabelle 22 - Separationsminimierung - August 2013 bei 20% mehr Luftverkehr Tabelle 23 - Separationsminimierung - August 2013 bei 30% mehr Luftverkehr Tabelle 24 - Separationsminimierung - August 2013 bei 40% mehr Luftverkehr Tabelle 25 Separationsminimierung - August 2013 bei 50% mehr Luftverkehr Symbolverzeichnis Symbol Bezeichnung Dimension T Zeitfaktor s p Wahrscheinlichkeit o. D. E[T ij ] Sättigungskapazität LFZ/h μ Kapazitätsgrenze LFZ/h i Flugzeug 1 o. D. j Flugzeug 2 o. D. Seite: III

7 1. Einleitung Hintergrund und Zielsetzung Nach kurzzeitiger Rückentwicklung bedingt durch die Anschläge vom 11. September 2001 und der Kriege im Mittleren- und Nahen Osten ist das Verkehrsaufkommen im Luftverkehrssektor in den letzten Jahren weitergewachsen. Um die stetig wachsende Nachfrage bewältigen zu können, ist ein dementsprechendes Flugangebot notwendig. Flughafenbetreiber müssen wissen, ob die Kapazitäten der Flughäfen der Nachfrage zukünftig gewachsen sind und wie eine mögliche Handlungsempfehlung aussehen könne. In Abbildung 1 wird das wachsende Passagieraufkommen an diversen Flughäfen von 1999 bis 2013 abgebildet. Ein deutlicher Anstieg der Einsteiger ist in Abhängigkeit von der Zeit zu entnehmen. Bereits im Sommer 2012 haben sechs europäische Flughäfen für mehr als drei Stunden am Tag mit einer Kapazitätsauslastung von 80% oder mehr gearbeitet. Im Jahr 2035 wird dies an mehr als 30 Flughäfen der Fall sein, so die Europäische Organisation zur Sicherung der Luftfahrt Eurocontrol. 1 Dabei wird sich auf die Start- und Landebahnkapazität beschränkt, da dies der kritische Engpass einer Flughafenkapazität darstellt. 2 Abbildung 1 - Entwicklung des Passagieraufkommens an diversen Flughäfen nach Streckenzielgebieten 1 Eurocontrol, Challenges of Growth 2013 Task 6: The Effect of Air Traffic Network Congestion in 2035 (Oktober 2013) unter: ( ) 2 DLR, Luftverkehrsbericht 2013 (2013) unter: ( ) Seite: 1

8 Die Kapazität der Start- und Landebahn eines Flughafens gibt die Anzahl von Flugbewegungen an, die sich unter definierten Randbedingungen (zum Beispiel die Einhaltung der Sicherheit, Verzögerungen, etc.) pro Zeiteinheit bedienen lassen, zum Beispiel pro Stunde. Bestimmt werden kann die Kapazität durch Auswertung von realen Verkehrsdaten, durch Simulationsrechnungen oder durch analytische Modelle. Die Kapazitätsgrenze μ eines Einbahnsystems wird zum Beispiel in Landungen und Starts pro Stunde gemessen und ist bestimmt durch die Sättigungskapazität E[T ij ], die nicht überschritten werden kann. Die hintereinander agierenden Flugzeuge i und j verändern durch ihre Eigenschaften die Kombination der Flugoperation und werden durch die Wahrscheinlichkeit ihres Aufkommens p und ihre zeitliche Separation, also der Staffelung T charakterisiert. 3 1 μ = E[T ij] = p ij T ij K K i=1 i=1 4 Ziel dieser Arbeit ist das Charakterisieren der notwendigen zeitbasierten Staffelungsabstände T ij für das prognostizierte Luftverkehrsaufkommen im Jahr Dazu werden auf das aktuelle Luftverkehrsaufkommen der Londoner Flughäfen Heathrow und Gatwick die prognostizierten Werte der Studienreihe Challenges of Growth von Eurocontrol projiziert. Anschließend wird sich durch Simulationen schrittweise an die Staffelungswerte genähert, die im Jahr 2035 nötig sein werden. Der Wert T ij darf letztendlich nur maximal einen so geringen Wert haben, dass die Kapazität μ über dem Wert des prognostizierten Luftverkehrsaufkommens liegt. Der Fokus der Arbeit liegt auf dem angenommenen Fall, dass der Bau von weiteren Runways ausgeschlossen ist und der Verkehr trotzdem abgewickelt werden soll. Deshalb steht vor allem die angewandte Methodik im Vordergrund, die eine Basis für diverse Weiterentwicklungen dieser darstellt. 3 Vgl. Neufville R..; Odoni A., Airport Systems: Planning, Design and Management (2011), S Vgl. Neufville R..; Odoni A., Airport Systems: Planning, Design and Management (2011), S.215 Seite: 2

9 Die Arbeit dient als Pilotstudie eines größeren Projekts des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt zur Umsetzung eines Systems, das die erörterten Gegebenheiten umsetzen kann. Vorgehensweise und Aufbau der Arbeit Die vorliegende Arbeit gliedert sich in diverse Teilabschnitte, die das Simulationsmodell aufeinander aufbauend erschließen und die abschließend vollständige Simulation zu Ziel haben. Im zweiten Kapitel werden die Grundlagen der Runway Kapazität erschlossen. Nach der Erläuterung des Hintergrundes und der historischen Entwicklung der Kapazitätsberechnung eines Runways wird auf diese in Kapitel 2.2 unter der heutigen Definition genauer erläutert. Außerdem wird die Erkenntnis geschlossen, dass die Separation zweier Flugzeuge der Grundstein einer Runway Kapazität ist. Die paarweisen Runway Separationen werden in Kapitel 2.3 somit ebenfalls in ihrer Zusammensetzung und Abhängigkeit erläutert. Die letzte Grundlage der Runway Kapazität bildet die Verkehrszusammensetzung und Verteilung über die Zeit. Diese muss für eine realitätsnahe Simulation ebenfalls miteinbezogen werden. In Kapitel 3 findet der Aufbau der Modellumgebung für die Simulation statt. Hier werden die beiden Flughäfen London Heathrow und Gatwick analysiert und untersucht, inwieweit die beiden Flughäfen für die Simulation geeignet sind. Außerdem wird im darauffolgenden Teil des Kapitels die Luftverkehrsprognose Challenges of Growth von Eurocontrol untersucht, um den direkten Vergleich der heutigen Situation der Flughäfen mit den prognostizierten Anforderungen der Studie deutlich zu machen. In Kapitel 4 wird sich der Frage gewidmet, mit welchen Maßnahmen diese Anforderungen entgegengewirkt werden soll. Dabei werden die Möglichkeiten der absoluten und relativen Staffelungsreduktion untersucht. Außerdem werden weitere Möglichkeiten der Staffelungsreduktion erarbeitet, diese werden im Rahmen dieser Arbeit aber nicht weiter untersucht und dienen lediglich als Ansatz für weitere Forschungszweige. Kapitel 5 beschreibt die Simulationsvorbereitung. Nach der Erläuterung der genauen Vorgehensweise (Kapitel 5.1) wird hier das Simulationstool RucsimX erklärt. Des Seite: 3

10 Weiteren werden in Kapitel 5.3 notwendige Umrechnungen der distanzbasierten Staffelung in eine zeitbasierte Staffelung mithilfe von Anfluggeschwindigkeitsprofilen einer wissenschaftlichen Arbeit durchgeführt. Das Kapitel 6 beinhaltet die Simulation verschiedener Maßnahmen zur Staffelungsreduktion in Bezug auf die in Kapitel 3.2 analysierte Luftverkehrsprognose. Dabei werden die Staffelungsabstände experimentell so weit reduziert, bis sich ein akzeptabler Verzögerungswert ergibt. Die Ergebnisse werden für beide Flughäfen analysiert und bewertet. Nach der genauen Analyse der Auswirkungen dieser Staffelungsreduktion und dessen Umsetzbarkeit in Kapitel 7 wird die Arbeit in Kapitel 8 einer kritischen Betrachtung hinterzogen. Dabei steht vor allem die realistische Bewertung der Qualität der Ergebnisse im Vordergrund. Kapitel 9 beinhaltet abschließend ein Fazit der aus der Arbeit gewonnenen Erkenntnisse und gibt einen Ausblick über weitere darauf aufbauende Hinterfragungen, die die Komplexität einer Runway Kapazitätssimulation erweitern. Die Flugplandaten, die Anfluggeschwindigkeitsprofile und die Staffelungswerte innerhalb dieser Arbeit stammen somit aus verschiedenen Quellen. Außerdem wird der Einfluss des Windes nicht miteinbezogen, um die Simulation im Rahmen dieser Arbeit zu vereinfachen. Deshalb sind die Ergebnisse nicht mit den realen Werten der beiden Flughäfen vergleichbar. In der Arbeit werden vielmehr verschiedene Komponenten zu einer Modellumgebung zusammengefügt. Dies soll die Funktionalität des Aufbaus einer Modellumgebung nach dem Baukastenprinzip aufzeigen. Die Funktionalität der Methodik steht also im Vordergrund. Seite: 4

11 2. Grundlagen der Runway Kapazität Die Kapazität eines Flughafens bestimmt das dortige Aufkommen des Luftverkehrs. Die Bestandteile der Flughafenkapazität sind diverse Teilkapazitäten aus den Bereichen des Luftverkehrsraumes, dem Vorfeld und der Landseite. 5 Die allgemeine Flughafenkapazität ist nur so groß, wie die schwächste Teilkapazität es zulässt. 6 Da die Kapazität der Startund Landebahn am schnellsten ausgelastet ist, wird diese bei einer Erweiterung der Flughafenkapazität auch priorisiert betrachtet. Hier ist vor allem die Staffelung der Flugzeuge maßgebend. Flugzeuge verursachen Wirbelschleppen, welche die Flugbahn nachfolgender Flugzeuge gefährlich beeinflussen können. Dadurch muss permanent für einen ausreichenden Sicherheitsabstand zwischen einzelnen Flugzeugen gesorgt werden, was die Kapazität stark beeinflussen kann. Die Runway Kapazität eines Flughafens ist nicht konstant und von verschiedenen Faktoren abhängig. Die folgenden Faktoren haben einen Einfluss auf die minimale Separation zweier Flugzeuge und bestimmen somit den Wert T ij in der Formel zur Kapazitätsberechnung eines Runways. 7 Nutzungsweise (An- und Abflüge) Geometrische Lage Flugroutenwahl Flottenmix Verhältnis der startenden und landenden Flugzeuge Witterungsverhältnisse Sicherheitsbestimmungen Minimale Staffelungsabstände 5 Vgl. Wendeberg S., Kapazitätsplanungen eines Verkehrsflughafens oder: Von Träumen über Theorie zur Wirklichkeit ( ) unter: Kapazitaetsplanungen%20eines%20Verkehrsflughafens_final.pdf ( ) 6 Vgl. Wendeberg S., Kapazitätsplanungen eines Verkehrsflughafens oder: Von Träumen über Theorie zur Wirklichkeit ( ) unter: Kapazitaetsplanungen%20eines%20Verkehrsflughafens_final.pdf ( ) 7 Wells, A.; Young, S., Airport Planning and Management (2011), S.417 Seite: 5

12 Umliegendes Gelände/ Umfeld Die Grundlage für eine Bewertung der Runway Kapazität eines Flughafens wird durch die Bedienrate von Luftfahrzeugen pro Stunde unter gewissen Bedingungen geschaffen. Es wird davon ausgegangen, dass eine ständige und in ihrer Zusammensetzung gleichbleibende und kontinuierliche Luftverkehrsnachfrage herrscht. Das heißt, dass auch das Verhältnis von An- und Abflügen sowie der operierenden Flugzeugklassen zueinander gleichbleibt. Außerdem wird vorausgesetzt, dass alle Regeln zur Flugsicherung und Verkehrsflusssteuerung eingehalten werden. Die Staffelung der Flugzeuge ist ebenfalls ein Teil davon. Die letzte Bedingung ist eine Ausgangssituation ohne limitierende Faktoren wie beispielsweise ungünstige Wetterverhältnisse, da dies ebenfalls einen Einfluss auf die Runway Kapazität haben kann. Hintergrund und Historie von Runway Kapazitäten Bis in die siebziger Jahre basierten die Überlegungen über Runway Kapazitäten auf Modelle, die in den frühen sechziger Jahren von Airborne Instruments Laboratory (AIL) im Auftrag der United States Federal Aviation Administration (FAA) entwickelt wurden. Die Kapazität einer Start- oder Landebahn wurde damals durch die Anzahl an Flugzeugoperationen während eines bestimmten Zeitintervalls bei einem entsprechend tolerierbaren Niveau der durchschnittlichen Verzögerung definiert. 8 Das bedeutet, dass die Kapazität schon damals ein Indikator für die Verkehrsqualität war, die Verzögerung aber in die Wertung mit einbezogen wurde. Dies zog jedoch Probleme mit sich, da dort die Angabe einer tolerierten Verzögerung von vier Minuten willkürlich gewählt wurden war und diese zu erheblichen Abweichungen führen konnte. 9 Die Folge davon war das Überschreiten der jeweiligen Kapazität eines Flughafens und die damit verbundenen hohen Verzögerungen der Flugzeuge. Das hauptsächliche Problem war jedoch, dass diese Definition die Kapazität auf sehr komplizierte Weise an die Nachfragen und 8 Vgl. Poldy F., Airport Runway Capacity and Delay: Some Models for Planners and Managers (1982) unter: ( ) 9 Vgl. Poldy F., Airport Runway Capacity and Delay: Some Models for Planners and Managers (1982) unter: ( ) Seite: 6

13 Verzögerungen gebunden hat. Weil der eigentliche Zweck der Analyse aber gerade die Abhängigkeit der Verzögerung auf die Kapazität und Nachfrage war, war die Definition in dieser Form nicht befriedigend. In den späten sechziger Jahren wurde anschließend die moderne Form einer Runway Kapazität definiert. Diese beinhaltet die maximale Anzahl an Flugzeugen, die in einer Stunde bei kontinuierlicher Nachfrage abgewickelt werden kann. 10 In dieser Definition ist die Kapazität ein Indikator für die Verkehrsqualität im Sinne der Warteschlangentheorie und ist unabhängig von der Nachfrage und der Höhe der jeweiligen Verzögerung. Durch diese Definition wird die Kapazität durch einfaches Zählen der Flugbewegungen in belasteten Phasen leicht messbar. Je größer die Abstände zwischen den Flugzeugen sind, desto geringer ist die Kapazität eines Runways, da die Anordnung und Kombination der Flugzeugklassen sowie deren Flugoperation einen Einfluss auf die zeitlichen und räumlichen Abstände haben. Berechnung der Runway Kapazität Zur visuellen Abbildung der Runway Kapazität gibt es eine sogenannte capacity coverage chart. In Abbildung 2 ist die capacity coverage chart von Chicago O Hare abgebildet. Zu sehen sind die verschiedenen Landebahnkapazitäten (in Luftfahrzeugen pro Stunde) bei verschiedenen Wetterbedingungen und Flugrouten in Abhängigkeit von dem prozentualen Aufkommen in einem Jahr. Die Wetterbedingungen werden hier in verschiedene MC-Klassen (Visual Meteorological Conditions) aufgeteilt. Dabei spielt vor allem die Sichtweite der Piloten eine große Rolle, da die Anzahl der landenden Flugzeuge bei einer guten Sichtweite durch geringere Staffelungen, beziehungsweise durch den möglichen Sichtflug höher sein kann. Dabei ist zu erwähnen, dass die zeitlichen Separationen T ij dabei den Wert der Kapazitäten bei unterschiedlichen Bedingungen bestimmt. 10 Vgl. FAA, Asheville Regional Airport Master Plan Appendix A (August 2011) unter: ( ) Seite: 7

14 Abbildung 2 - Runway "Capacity Coverage Curve" - Chicago O'Hare 11 Aufgrund der aktuell zur Verfügung stehenden Simulationstechnik wird bei der Kapazitätsberechnung im Rahmen dieser Arbeit nicht das Wetter und dessen Einfluss auf die Staffelungen und somit auf die Runway Kapazität miteinbezogen. Die Berechnungen und Simulationen beziehen sich lediglich auf Werte bei gleichbleibenden Bedingungen. Allgemein ist zu sagen, dass eine Kapazitätsberechnung die Bildung von Mittelwerten mit sich zieht. So wird zum Beispiel die Kapazität in Flugzeugen pro Stunde gemittelt, aber auch der Leistungsindikator der Verzögerung ist ein Mittelwert aller Flugzeuge, die in einem bestimmten Zeitintervall starten oder landen. So kann es zu unterschiedlich hohen Kapazitäten an einem Tag führen. Die Wetterdaten werden auch in verschiedene Gruppen klassifiziert (siehe Abbildung 2), was ebenfalls eine Mittelwertbildung mit sich zieht. Zusätzlich wird der Verkehrsmix anhand eines Mittelwertes definiert. Dennoch macht es große Unterschiede, in welcher Reihenfolge der Verkehrsmix abgearbeitet wird. Eine gleichmäßige Verteilung über eine 11 Vgl. Volpe/Boeing/LMI/FTA/FAA Report, Apreliminary Designe Process for Airspace Systems ( ) unter: ( ) Seite: 8

15 Stunde hat somit möglicherweise eine höhere Kapazität zur Folge als die Anhäufung eines Kapazitätsmindernden Verkehrsmix über einen geringen Zeitraum. 12 Ein wesentlicher Nachteil des arithmetischen Mittelwerts besteht darin, dass er empfindlich auf Ausreißer, also gegenüber der Mehrzahl der Werte extrem hohe oder niedrige Werte reagiert. Dieser mögliche Nachteil ist bei der Interpretation des Mittelwerts zu beachten, da er zu falschen Annahmen verleiten kann. Bezogen auf die Kapazitätsberechnung ist zu beachten, dass eine durchschnittliche Verzögerung von Flugzeugen trotzdem auf seine Hoch- und Tiefpunkte innerhalb eines Zeitraumes zu untersuchen ist. Die Verzögerung kann innerhalb eines Tages durchschnittlich einen geringen Wert annehmen. Trotzdem können dabei zu Spitzenstunden sehr hohe Verzögerungswerte entstehen, die bei der alleinigen Betrachtung des Mittelwertes übersehen werden können. Die Kapazität eines Runways lässt sich analytisch berechnen. Die zeitliche Separation T ij multipliziert mit dem anteiligen Aufkommen der jeweiligen Flugzeugklassen p ij sind Voraussetzung für die analytische Kapazitätsberechnung und ergeben die Sättigungskapazität E[T ij ] eines Flughafens μ = E[T ij] = p ij T ij 14 K K i=1 i=1 Die durchschnittliche Verzögerung eines Flugzeugs in Abhängigkeit von der Nachfrage kann aus der Formel der Sättigungskapazität berechnet werden. Dabei steht λ für die Flugzeuge, die in einer Stunde abgewickelt werden und μ für die Kapazitätsgrenze, die 12 Vgl. Pfleiderer E. (FAA), Relationship of the Aircraft Mix Index With Performance and Objective Workload Evaluation Research Measures and Controllers Subjective Complexity Ratings ( ) unter: ( ) 13 Vgl. Neufville R..; Odoni A., Airport Systems: Planning, Design and Management (2011), S Vgl. Neufville R..; Odoni A., Airport Systems: Planning, Design and Management (2011), S.215 Seite: 9

16 der Flughafen abwickeln kann. Das Ergebnis W M ist dann die durchschnittliche Verzögerung eines Flugzeugs pro Stunde in Sekunden. 15 W M = λ μ 2μ ( 1 λ μ ) 16 Diese Berechnung geht in eine tiefere Ebene der Runway Kapazität. Mithilfe der Sättigungskapazität wird hier die praktische Kapazität in Form einer durchschnittlichen Verzögerung berechnet und setzt diese als Leistungsindikator voraus. Die analytische Kapazitätsberechnung ermöglicht die Ermittlung der Runway Kapazität in Flugzeugen pro Stunde bei einfachen Kombinationen auf dem Runway. Dies würde bedeuten, dass die Reihenfolge der Flugzeugklassen p ij nicht durch Flughafeninterne Systeme beeinflusst wird. Es wird davon ausgegangen, dass die Reihenfolge der operierenden Flugzeuge mit der des Flugplanes übereinstimmt. Anders wird dies bei der Simulationsberechnung berücksichtigt. Die Simulation ermöglicht eine Kapazitätsberechnung bei komplexeren Verkehrssituationen. Es können mehr Details und Variationen verschiedener Einflussfaktoren in einer Simulation eingebunden werden. Durch verschiedene Staffelungswerte der Flugzeuge können auch differenzierte Szenarien in Bezug auf den Luftverkehr und das beeinflussende Wetter simuliert werden. Außerdem kann hier die Berücksichtigung von einer systematischen Beeinflussung von p ij eingebunden werden. Die Beeinflussung kann Kapazitätsfördernd sein und die Reihenfolge operierender Flugzeuge an einem Runway ist nicht mehr zufällig gewählt. Warum diese Reihenfolge einen Einfluss auf die Runway Kapazität hat, wird im nächsten Kapitel genauer erläutert. 15 Vgl. Neufville R..; Odoni A., Airport Systems: Planning, Design and Management (2011), S Vgl. Neufville R..; Odoni A., Airport Systems: Planning, Design and Management (2011), S.219 Seite: 10

17 Paarweise Runway Separationen Runways werden durch Start- und Landeoperationen von Flugzeugen genutzt. Die Kombination und Reihenfolge von An- und Abflügen spielen bei der Staffelung von Flugzeugen eine große Rolle. Besitzt der Flughafen zwei Runways (z.b. London Heathrow 17 ), ist es unter Umständen möglich, die Flugzeuge auf dem Einen landen und auf dem Anderen starten zu lassen. Bei nur einem Runway werden beide Flugoperationen auch auf nur diesem abgewickelt. Das Verhältnis von startenden und landenden Flugzeugen auf einem Runway hat einen großen Einfluss auf dessen Kapazität. Durch die Klassifizierung verschiedener Flugzeuge sind bei den Flugoperationen definierte Abstände einzuhalten. Diese unterscheiden sich in der Kombination und Reihenfolge von Start und Landung. Für alle möglichen Kombinationen gibt es definierte Regelungen, die von den Fluglotsen, der Flugsicherung und Piloten einzuhalten sind Eine Landung gefolgt von einer weiteren Landung (A-A) Der resultierende Wert T ij der Start- und Landebahnkapazität setzt sich bei zwei hintereinander folgenden Landungen aus einer Mindeststaffelung, einem Puffer und der Anfluggeschwindigkeit zusammen: T ij = f(mindeststaffelung ij, Puffer ij, Anfluggeschwindigkeitsprofil (i),j ) T ij j i Abbildung 3 - T ij bei der Kombination A-A Die Mindeststaffelung schreibt vor, welchen distanzbasierten Abstand das nachfolgende Flugzeug bei dieser Kombination einhalten muss. Der jeweilige Abstand hängt von der 17 Vgl. o.v. Facts and Figures- London Heathrow (o.a.) unter: ( ) Seite: 11

18 Klassifizierung beider Flugzeuge ab. Die internationale Zivilluftfahrtorganisation ICAO hat die ersten Empfehlungen der Mindeststaffelungsabstände für Luftfahrzeuge aufgestellt. Die Abstände beziehen sich auf die Wirbelschleppenkategorien, in die jedes Flugzeug eingeordnet ist. Kriterium für die jeweilige Zuordnung ist die zulässige Abflugmasse des Flugzeuges (MTOW). Die vier verschiedenen Klassen (super; heavy; medium; light), charakterisieren sich wie folgt: L light bis 7 Tonnen MTOW M medium über 7 Tonnen bis weniger als 136 Tonnen MOTOW H heavy 136 Tonnen MTOW und schwerer J super derzeit nur für Airbus A380 und Antonow An Die Empfehlungen von ICAO sind als Richtlinien zu verstehen und wurden von den meisten europäischen Ländern zu festen Vorschriften übernommen. Vereinzelte Länder wie Großbritannien haben dagegen eigene Klassifizierungen der Flugzeuge und somit auch andere Staffelungsabstände, die bei zwei hintereinander landenden Flugzeugen einzuhalten sind. In Großbritannien gibt es sechs statt vier Wirbelschleppenkategorien. 19 Dadurch soll den Nachteilen der Klassifizierung, also der Verallgemeinerung, entgegengewirkt werden und somit mehr Individualität der paarweisen Separation geschaffen werden. Tabelle 1 zeigt die Staffelungsabstände in nautischen Meilen der ICAO im Vergleich zu denen in Großbritannien. 18 Vgl. Eurocontrol, European Wake Turbulence Categorisation and Separation Minima on Approach and Departure (September 2015) unter: pdf ( ) 19 Vgl. NATS, Aeronautical Information Circular Wake Turbolence ( ) unter: ( ) Seite: 12

19 Tabelle 1 - Distanzbasierte Separation (A-A) bei einem Runway 20 Die vielen verschiedenen Flugzeugtypen werden durch die zwei weiteren Klassen individueller klassifiziert und das daraus resultierende Ergebnis sind kürzere Mindeststaffelungsabstände zwischen gewissen Flugzeugen und somit eine höhere Runway Kapazität. Die später zu simulierenden Beispielflughäfen Heathrow und Gatwick arbeiten ebenfalls unter diesen Vorschriften. Mittlerweile gibt es mehrere diverse Methoden und Vorschriften, nach denen die Flugzeuge gestaffelt werden. Sie sollen die Abstände zwischen den einzelnen Luftfahrzeugen verringern und gleichzeitig die absolute Sicherheit beibehalten. Somit soll ein Runway bei gleichbleibender Zeit eine höhere Zahl an Flugzeugen abwickeln können. Recat-1 ist ebenfalls eine Art der Flugzeugstaffelung und ist wie die von Großbritannien auf die von ICAO aufgebaut. Hier werden die Klassen aus denselben Gründen weiter 20 Vgl. NATS, Aeronautical Information Circular Wake Turbolence ( ) unter: ( ) Seite: 13

20 spezifiziert. Eine Ersparnis von ein bis zwei Meilen pro Separation wird hier im Vergleich zur ICAO Staffelung laut Eurocontrol eingespart. 21 Folgende Abbildung visualisiert die einzelnen Staffelungsmethoden in ihrer Klassifizierung in der direkten Gegenüberstellung: 22 Abbildung 4 - Staffelungsvorschriften ICAO; UK, Recat-1 Die in der Entwicklung befindlichen Staffelung der Recat-2 Methode basiert im Gegensatz zu den vorherigen nicht auf eine Klassifizierung der Flugzeuge, da man feststellte, dass auch durch ein Kategorie System mit sechs Klassen keine individuelle Anpassung auf einen Flughafen stattfinden kann und sich der Flottenmix an Flugzeugen im Laufe der Zeit ändern würde Vgl. Eurocontrol, European Wake Turbulence Categorisation and Separation Minima on Approach and Departure (September 2015) unter: pdf ( ) 22 In Anlehnung an RECAT-EU - European Wake Turbolence Categorisation and Separation Minima on Approach and Depature, Eurocontrol ( ) unter: ( ) 23 Vgl. FAA; Eurocontrol, Leader/ Follower Static Pairwise (RECAT Phase II) ( ) unter: Follower%20Static%20Pairwise%20(RECAT%20Phase%20II)%20ver4.pdf ( ) Seite: 14

21 Bei der Methode Recat-2 wird dagegen das jeweilige Paar, das führende und das folgende Flugzeug, bewertet und dementsprechend gestaffelt. Der Vorteil dieser Staffelung ist die individuelle Bewertung des Sicherheitsabstandes für zwei aufeinander folgende Flugzeuge. Außerdem kann durch die unterschiedlichen Gegebenheiten eines Flughafens die Staffelung für jeden Flughafen optimiert werden und eine Mindeststaffelung von bis zu einer halben Meile erreicht werden. 24 Der Nachteil der Methode Recat-2 ist die große Staffelungsmatrix für die Visualisierung aller möglichen Kombinationen von Flugzeugen. Geht man davon aus, dass 96 Flugzeugtypen 99% der Flugbewegungen absolvieren, ist eine Staffelungsmatrix von 96x96 Flugzeugkombinationen nötig. 25 Die sich in der Entwicklung befindlichen Methode Recat-3 ist die Erweiterung der Recat- 2 Staffelung. Hierbei wirkt das Wetter zusätzlich als dynamisches Bewertungskriterium für die individuelle Staffelung mit ein. Auch durch diese Maßnahme wird die Staffelung auf einen individuellen Fall spezifiziert und setzt damit die minimalste Staffelung zweier Flugzeuge voraus. Die Problematik bei Recat-3 liegt bei der Echtzeitübertragung von Wetterdaten sowie Daten von Luft- und Bodensystemen. 26 Die Recat-3 Staffelung zielt somit durch die Präzision auf die minimal möglichen Staffelungsabstände und steigert die Kapazität eines Runways optimal. Es beinhaltet die technische als auch menschliche Komponente der Staffelung. Neben den Mindestabständen ist bei der Staffelung zwei landender Flugzeuge ebenfalls ein gewisser Puffer miteinzuberechnen. Der Puffer bei dieser Kombination von Flugoperationen ist nicht klar definiert. Er beschreibt den zusätzlichen zeitlichen Abstand, der durch das subjektive Sicherheitsempfinden von Lotsen und Piloten eingehalten wird. Damit wird sichergestellt, dass mit der systeminhärenten Präzision der 24 Vgl. FAA; Eurocontrol, Leader/ Follower Static Pairwise (RECAT Phase II) ( ) unter: Follower%20Static%20Pairwise%20(RECAT%20Phase%20II)%20ver4.pdf ( ) 25 Vgl. Eurocontrol, Reacat 2 / Pair Wise Separation (n.a.) unter: ( ) 26 Vgl. Eurocontrol, Pair Wise Separations (PWS) / RECAT-2 (n.a.) unter: ( ) Seite: 15

22 Verkehrsflusssteuerung die Minimalstaffelung eingehalten wird. 27 Im Schnitt hat dieser eine Größe von 15 bis 25 Sekunden. 28 Dies entspricht bei typischen durchschnittlichen Anfluggeschwindigkeiten (von ca. 155 kts) einen um Puffer ij = 0,4-1,1 NM größeren Staffelungsabstand als minimal erforderlich. Die Anfluggeschwindigkeit spielt ebenfalls eine Rolle bei der Mindeststaffelung zwei landender Flugzeuge. Je mehr Zeit die Flugzeuge bis zur endgültigen Landung auf dem Runway benötigen, desto geringer ist die Anzahl an Flugzeugen, die in einer Zeitspanne abgewickelt werden können. Landen also zwei Flugzeuge der ICAO Klasse heavy hintereinander auf dem Runway, so muss eine Mindeststaffelung von vier nautischen Meilen eingehalten werden. Addiert man einen üblichen Sicherheitspuffer von einer Meile, entstehen fünf Meilen der Staffelung zwischen den beiden Flugzeugen. Je schneller beide Flugzeuge die Landung durchführen können, desto geringer ist die Zeit für die Abwicklung und desto höher ist die Bedienrate von Luftfahrzeugen in einer Stunde. Eine Erhöhung der Landegeschwindigkeit würde die Kapazität des Runways also zusätzlich erweitern Eine Landung gefolgt von einem Start (A-D) Die Startfreigabe für ein Flugzeug, nachdem kurz davor ein anderes Flugzeug gelandet ist, wird erteilt, wenn das gelandete Flugzeug den Runway komplett verlassen hat. Diese Zeit wird Runway occupancy time genannt. 29 Hierbei ist zur benötigten Zeit zum Verlassen des Runways ein zusätzlicher Zeitpuffer zu beachten, der bei der Kommunikation und Handlungsreaktion zwischen Lotsen und Piloten entsteht. Je schneller das erste Flugzeug den Runway verlässt, desto eher kann das nächste Flugzeug starten. Um ein besonders schnelles Verlassen des Runways zu gewährleisten, werden mittlerweile High-Speed-Exit-Taxiways gebaut, die mithilfe von vorteilhaften 27 Vgl. Böck; Einfluss neuartiger Flugzeugkonzepte auf die Flughafenkapazität ( ) unter: ( ) 28 Vgl. Neufville R..; Odoni A., Airport Systems: Planning, Design and Management (2011), S Vgl. o.v., Brisbance Airport Runway Occupancy Time unter: ( ) Seite: 16

23 Ausfahrwinkeln ein Verlassen des Runways mit hohen Geschwindigkeiten ermöglichen. 30 T ij = f(runway occupancy time i, Puffer) j Runway occupancy time Abbildung 5 - Eine Landung gefolgt von einem Start (A-D)! Ein Start gefolgt von einem weiteren Start (D-D) Bei dieser Kombination muss aufgrund von den entstehenden Wirbelschleppen ein zeitbasierter Abstand zwischen den beiden startenden Flugzeugen eingehalten werden. Dabei wird unterschieden, ob beide Flugzeuge von derselben oder einer versetzten Position starten. Die Vorschrift der Radarstaffelung beinhaltet eine Separation von einer Minute. Die Wirbelschleppenstaffelung hat vorgegebene Werte für einzelne Flugzeugklassen. Folgende Bedingungen (Tabelle 2) gelten auch, wenn zwei parallele Runways mit einem Abstand von weniger als 760m positioniert sind, da die Wirbelschleppen der Flugzeuge eines Runways bis zu dieser Entfernung auch die Flugbahn der Flugzeuge des anderen Runways beeinflussen können. Auch hier ist ein zusätzlicher Zeitpuffer für die Kommunikation und Handlungsreaktion der Lotsen und Piloten zu beachten. T ij = f(zeitliche Mindeststaffelung, Puffer s ) Zeitliche - Mindeststaffelung j i Abbildung 6 - Ein Start gefolgt von einem weiteren Start (D-D) 30 Vgl. A.A. Trani; J. Cao; B.J. Kim; X. Gu; C.Y. Zhong; M.T. Tarrago-Trani, Flight Simulations of High Speed Runway Exits (o.a.) unter: ( ) Seite: 17

24 31 Tabelle 2 - Zeitbasierte Separation (D-D) bei einem Runway Ein Start gefolgt von einer Landung (D-A) Landet ein Flugzeug, nach dem ein anderes unmittelbar davor gestartet ist, muss beachtet werden, dass das landende Flugzeug noch zwei nautische Meilen vom Runway entfernt sein muss, damit das startende Flugzeug abheben darf. 32 Ebenfalls muss das startende Flugzeug den Runway vollständig geräumt haben, damit das nächste Flugzeug darauf landen kann. Dies soll vor allem sicherstellen, dass nicht zwei Flieger gleichzeitig auf dem Runway sind und somit kollidieren können. Auch hier hat die Anfluggeschwindigkeit einen Einfluss auf die Separation, da mit einer höheren Anfluggeschwindigkeit weniger Zeit zwischen der Erteilung der Landeerlaubnis und der tatsächlichen Landung vergeht. Ein Puffer muss ebenfalls mit einbezogen werden, da diese Situation von der Dauer der Kommunikation zwischen Lotsen und Piloten abhängt und die Position des landenden Flugzeugs bei Erteilung der Landeerlaubnis eine Rolle spielt. 31 Vgl. Vatsim UK, Aerodome Control Guide to Wake Turbulence (n.a.) unter: ( ) 32 Vgl. ICAO, Manual on Simultaneous Operations on Parallel or Near-Parallel Instrument Runways (SOIR) (2004) unter: Parallel-Instrument-Runways-SOIR ( ) Seite: 18

25 T ij = f(mindestabstand i, Puffer, Anfluggeschwindigkeitsprofil j ) j 2 NM Abbildung 7 - Ein Start gefolgt von einer Landung (D-A) i Paarweise Separation bei parallelen Runways Bei Start- und Landeoperationen auf zwei parallelen Runways, welche einen Abstand von mehr als 760 Meter aufweisen, herrschen dagegen andere Bedingungen. Auch London Heathrow hat zwei parallele Runways. Diese sind voneinander unabhängig, da sie mit etwa 1400 Meter eine ausreichende Entfernung voneinander haben. Es wird unterschieden, ob beide Runways für dieselben Flugoperationen genutzt werden oder nicht. Bei parallelen Landeanflügen müssen die Flugzeuge einen Abstand von zwei Meilen einhalten. Die startenden Flugzeuge dürfen lediglich eine feste Route nach dem Start wählen, die mindestens 30 von der Flugrichtung des Flugzeugs der parallelen Startbahn abweicht, da sie sonst die Flugbahn der parallel startenden Flugzeuge kreuzen. Abbildung 8 visualisiert die notwendigen Bedingungen für Start- und Landeoperationen bei zwei parallelen Runways, die mindestens 760 Meter voneinander entfernt sind. 33 Abbildung 8 Bedingungen für Start- und Landeoperationen bei zwei parallelen Runways 33 Vgl. ICAO, Manual Simultaneous Operations on Parallel or Near-Parrakek Instrument Runways (SOIR) (2004) unter: url=https%3a%2f%2fwww.bazl.admin.ch%2fdam%2fbazl%2fde%2fdokumente%2ffachleute%2fflugplaetze%2ficao%2ficao _doc_9643_manualonsimultaneousoperationsonparallelornearpar.pdf.download.pdf%2ficao_doc_9643_manualonsimultane ousoperationsonparallelornearpar.pdf&usg=afqjcnfeavynh9qog2wrwmri7ehggfmiiw&sig2=qur6pjspfkgmswxp CN8U3A ( ) Seite: 19

26 Wenn ein Runway für Landungen und einer für Starts genutzt wird, wie auch bei London Heathrow, gelten für die jeweiligen Runways die gleichen Bedingungen wie bei einem Einbahnsystem. 34 Auch hier muss auf die Routenwahl der startenden Flugzeuge geachtet werden, da es sein kann, dass das landende Flugzeug wieder abheben muss. Verkehrszusammensetzung und Verteilung über die Zeit Je höher die Nachfrage auf einem Runway ist, desto höher sind auch die einzelnen Verzögerungen der Flugzeuge. Abbildung 9 zeigt beispielhaft ein Boxplot Liniendiagram aus einer Simulation mit der modifizierten Nachfrage des Monats März vom Flughafen Heathrow. Abgebildet ist die durchschnittliche Verzögerung der Luftfahrzeuge in Abhängigkeit von der Anzahl der landenden Flugzeuge in einer Stunde. Delay [s] Anzahl der Landungen in einer Stunde (LFZ/h) Q1 Minimum Median Mittelwert Maximum Q3 Abbildung 9 - Verzögerung in Abhängigkeit von der Nachfrage Trotz der hohen Nachfrage müssen die Flugzeuge nach ihren Mindestabständen gestaffelt werden, was Verzögerungen mit sich bringt, die weiter steigen. Der 34 Vgl. ICAO, Appendix - Manual Simultaneous Operations on Parallel or Near-Parrakek Instrument Runways (SOIR) (2004) unter: df ( ) Seite: 20

27 Verkehrsfluss (Flow) dagegen, steigt nur bis zu einer gewissen Nachfrage. Die durchschnittliche Verzögerung der Flugzeuge steigt also mit der steigenden Nachfrage. Der Verkehrsfluss dagegen steigt nur bis zu einem gewissen Punkt. Bei einer durchschnittlichen Verzögerung von etwa 6,4 Minuten entstehen hier zu Spitzenstunden bis zu 30 Minuten Verzögerung. Dies beweist die in Kapitel 2.2. beschriebene Abweichung der einzelnen Verzögerungswerte zu Spitzenstunden vom Mittelwert. Der Londoner Flughafen erreicht in der hier zugrundeliegenden Simulation eine Kapazitätsgrenze µ von 45 Flugzeugen in einer Stunde. Mehr Flugzeuge können dort innerhalb von einer Stunde unter aktuellen Umständen nicht landen. Betrachtet man die Verzögerung weiterhin als Leistungsindikator, kann man auch bei verschiedenen Anteilen der Flugzeugklassen große Auswirkungen auf die Verzögerungswerte feststellen. Dies ist die Wahrscheinlichkeit für das Aufkommen der einzelnen Kombinationen von Flugzeugklassen p ij. In den Abbildungen 10 und 11 wurden aus dem selben Monat alle Stunden mit Anteilen von unter 20% sowie über 40% der Flugzeugklasse heavy herausgefiltert. Es lässt sich klar erkennen, dass auch die Anteile der Flugzeugklassen einen großen Einfluss auf die Kapazität mit der durchschnittlichen Verzögerung als Leistungsindikator haben. Während bei einem Anteil von unter 20% bis zu 45 Flugzeuge landen, können bei einem Anteil von über 40% der Klasse heavy unter den simulierten Umständen nicht mehr als 40 Flugzeuge in einer Stunde abgewickelt werden. Die durchschnittlichen Verzögerungen bei einem Anteil von unter 20% sind somit deutlich geringer. Seite: 21

28 Delay [s] Anzahl der Flugzeuge in einer Stunde (LFZ/h) Q1 Minimum Median Mittelwert Maximum Q3 Poly. (Mittelwert) Abbildung 10 - Verzögerung in Abhängigkeit von der Nachfrage mit dem Anteil der Klasse "heavy" >40% Delay [s] Anzahl der Flugzeuge in einer Stunde (LFZ/h) Q1 Minimum Median Mittelwert Maximum Q3 Poly. (Mittelwert) Abbildung 11 - Verzögerung in Abhängigkeit von der Nachfrage mit dem Anteil der Klasse "heavy" <20% Die Luftverkehrsnachfrage variiert zusätzlich in Abhängigkeit von der Zeit. So gibt es tägliche als auch jährliche Spitzenzeiten, aber auch Phasen, in denen vergleichsweise wenig Verkehr herrscht. Der tägliche Verkehr ist von Flughafen zu Flughafen anders. Beeinflusst wird die Höhe Seite: 22

29 der Nachfrage von der Betriebszeit des Flughafens und der jeweiligen Kapazität. Grundsätzlich lässt sich sagen, dass in den frühen Morgenstunden die meisten Abflüge und in den Abendstunden die meisten Ankünfte stattfinden. Die Spitzenstunde aller Flugbewegungen eines Flughafens ist häufig in der Mittagszeit. 35 Innerhalb eines Jahres sind bei europäischen Flughäfen die meisten Flugbewegungen in den Sommermonaten, bedingt durch Sommerferien und Urlaube. Abbildung 12 zeigt die Auslastung verschiedener Airlines im Laufe eines Jahres. Abbildung 12 - Saisonale Nachfrage von Passagieren bei unterschiedlichen Airlines Eine allgemein höhere Nachfrage ist in den Sommermonaten im Vergleich zu den Wintermonaten zu entnehmen. Bei einer Analyse des Luftverkehrsaufkommens ist die saisonale Nachfrage an einem Flughafen zu beachten. 35 Vgl. Bubalo B., Airport Evolution and Capacity Forecasting (2011) unter: ( ) Seite: 23

30 3. Aufbau der Modellumgebung für die Simulation Analyse der Flughäfen Heathrow und Gatwick London Heathrow (LHR) Zur Simulation der Runway Kapazität wurden zwei Flughäfen ausgewählt, an denen eine permanente Nachfrage herrscht. Dies ist die Grundvoraussetzung für die Ermittlung der Runway Kapazität (siehe Kapitel 2.1.). Der Flughafen London Heathrow (LHR) hat seinen Sitz in der britischen Hauptstadt London und ist der größte der sechs internationalen Flughäfen in der Stadt. Zwei Runways in Ost-West-Richtung sind in Benutzung, wobei der eine für Anflüge und der Andere für Abflüge genutzt wird. Nachmittags werden bei Wind aus westlicher Richtung die jeweiligen Bahnen gewechselt, um die Anwohner vor dem Lärm zu schonen. 36 Ein ehemalig in Nord-Süd-Richtung genutzter Runway dient mittlerweile als Rollweg. Der Flughafen arbeitet schon jahrelang mit Kapazitätsproblemen und verhandelt über den Bau eines neuen Runway. Trotzdem war es im Jahr 2015 mit der Abwicklung von 75 Millionen Passagieren und somit einem Anstieg von 2,2 Prozent möglich, die Kapazität des Flughafens noch weiter auszureizen. 37 Der Grund dafür war vor allem der vermehrte Einsatz des Airbus A380, der durch seine Größe die Kapazität der Passagiere bei gleichbleibenden Flugbewegungen erhöht. Im Mai 2010 wurde der Bau einer dritten Start- und Landebahn durch die neu gewählte britische Regierung eine Absage erteilt. 38 Im Juli 2015 wurde der Bau einer dritten Start- 36 Vgl. o.v. Runway Alternation (n.a.), unter: ( ) 37 Vgl. aero.de; Bloomberg, Airbus A380 dehnt Kapazitäten von London-Heathrow ( ) unter: ( ) 38 Vgl. Walker P., Third runway plan for Heathrow scrapped by BAA ( ) unter: ( ) Seite: 24

31 und Landebahn im Nordwesten von einer Kommission empfohlen. Die Kosten werden auf etwa 25 Milliarden Euro geschätzt Daten und Zahlen LHR Da die Basis der Simulation ein Flugplan des Monats März im Jahr 2013 bildet, werden folgend relevante Daten beider Flughäfen des Winters 2013 aufgeschlüsselt. Wie bereits erwähnt, war im Jahr 2015 ein vermehrter Einsatz des Airbus A380 zu vermerken. Bereits am Jahresanfang 2013 ist die Zahl der eingesetzten Jumbo Flugzeuge der ICAO Klassifizierung mit 9,8% Zuwachs zum Ende des Jahres 2012 deutlich gestiegen. Flugzeuge der Klasse Small haben ihren Anteil von 49 Flugzeugen zu 100% verloren. Auch Flugzeuge der Klasse Medium haben einen minimal geringeren Anteilsverlust von 1%. 40 Betrachtet man die Nachfrage der Anflüge im Vergleich zur Runway Kapazität (Abbildung 14), fällt die starke Überlastung der Runway Kapazität bei Landeanflügen auf. LFZ / h 41 Abbildung 13 Nachfrage aller Landungen des Winters 2012/13 im Vergleich zur Kapazität (LHR) 39 Vgl. Theurer M., London-Heathrow soll größer werden ( ) unter: ( ) 40 Vgl. ACL UK, Seasonal Report (n.a.) unter: ( ) 41 Vgl. ACL UK, Seasonal Report (n.a.) unter: ( ) Seite: 25

32 Besonders in den Morgenstunden sind weit mehr Anflüge geplant, als es die Kapazität zulassen würde. Bis zu 12 Flugzeuge über der stündlichen Kapazitätsgrenze haben die Airlines ein halbes Jahr vorher auf der sogenannten Slotkonferenz angemeldet. Diese Flüge werden aufgrund der Kapazitätsauslastung nicht genehmigt. Dennoch ist die hohe Nachfrage und das Streichen der Flüge ein Beleg dafür, dass der Flughafen sehr ausgelastet ist und bereits an seiner Kapazitätsgrenze arbeitet. Deshalb ist der Flughafen ideal für die folgenden Versuche. Die Kapazität aller Abflüge (Abbildung 15) wird in den Morgenstunden auch am deutlichsten überschritten. Auch hier sollen bis zu 13 Flugzeuge über der Kapazität abgewickelt und ein Spitzenwert von 52 Flugzeugen in einer Stunde erreicht werden. Auch die Nachfrage aller Abflüge ist bereits deutlich über der zur Verfügung stehenden Runway Kapazität. Somit wird der Flughafen bei einer Erhöhung des Luftverkehrs definitiv Kapazitätsprobleme haben und ist geeignet für die folgenden Versuche der Arbeit. LFZ / h 42 Abbildung 14 - Nachfrage aller Abflüge des Winters 2012/13 im Vergleich zur Kapazität (LHR) Zusammenfassend ist zu sagen, dass der Flughafen schon im Jahr 2013 über seinen Kapazitäten gearbeitet hat. Bei einer Nachfrage von bis zu 52 Flugbewegungen in einer Stunde auf einem Runway würde der Flughafen zu Spitzenstunden bereits seine 42 Vgl. ACL UK, Seasonal Report (n.a.) unter: ( ) Seite: 26

33 Kapazitätsgrenzen überschreiten und ist somit ohne weiteres nicht auf das zukünftige Luftverkehrsaufkommen vorbereitet London Gatwick Airport (LGW) London Gatwick Airport (LGW) hat seinen Sitz ebenfalls in London und ist der zweitgrößte Flughafen Großbritanniens. Der Flughafen hat nur einen Runway und arbeitet dabei mit vergleichsweise hohen Kapazitäten. 43 Pläne zum Bau eines zweiten Runways haben zu Protesten der Anwohner geführt. Die Gründe dafür waren vor allem gefürchteter Lärm und Abgase. Der Bau wurde nun erstmal bis 2019 vertraglich unterbunden Daten und Zahlen LGW Beim Betrachten aller Anflugnachfragen des Winters 2013/14 am Flughafen London Gatwick (Abbildung 16) fällt die unterschiedliche Kapazitätsauslastung einzelner Wochentage auf. Vor allem samstags und sonntags arbeitet der Flughafen an seinen Kapazitätsgrenzen. Bis zu neun Flugzeuge über der Kapazitätsgrenze des Runways würden um 11:00 Uhr am Flughafen landen. Außerhalb der Wochenenden ist der Flughafen erst gegen 21:00 Uhr ausgelastet. Die Kapazitätsauslastung ist somit noch nicht so hoch wie beim Flughafen London Heathrow, trotzdem wird London Gatwick Airport bei steigendem Verkehrsaufkommen bis 2035 nicht der Luftverkehrsnachfrage standhalten können. 43 Vgl. n.a., Gatwick by Numbers (n.a.) unter: ( ) 44 Vgl. S. Wingate, A Second Runway for Gatwick (April 2014) unter: rts_commission/gatwick_appendix_a28_consultation_document.pdf ( ) Seite: 27

34 45 Abbildung 15 - Nachfrage aller Anflüge des Winters 2012/13 im Vergleich zur Kapazität (LGW) Die Abflüge (Abbildung 17) weisen vor allem in den frühen Morgenstunden und am späten Nachmittag ein hohes Aufkommen auf. So herrscht gegen 08:00 Uhr die stärkste Kapazitätsauslastung an allen Wochentagen von bis zu acht Flugzeugen über der Kapazitätsgrenze. Generell ist auch hier eine Kapazitätsüberlastung an den Wochenenden zu vernehmen. Abbildung 16 - Nachfrage aller Abflüge des Winters 2013/14 im Vergleich zur Kapazität (LGW) 46 Da der Flughafen London Gatwick nur einen Runway hat, sind An- und Abflüge stark voneinander abhängig (siehe Kapitel 2.3). Wenn zu einem gewissen Zeitpunkt also nur 45 Vgl. ACL UK, Seasonal Report (n.a.) unter: ( ) 46 Vgl. ACL UK, Seasonal Report (n.a.) unter: ( ) Seite: 28

35 wenige Abflüge geplant sind, bedeutet dies nicht zwingend, dass diese ohne jegliche Verzögerungen abgewickelt werden können. Eine gleichzeitig hohe Nachfrage der Anflüge kann die geplante Zeit der Abflüge verschieben und somit Verzögerungen erzeugen. Analyse der Luftverkehrsprognose Challenges of Growth Das Ziel der Studienreihe "Challenges of Growth" besteht laut Eurocontrol darin, den Entscheidungsträgern der Flughäfen die bestmöglichen Informationen über die zukünftige Luftverkehrsnachfrage und dessen Bedingungen zur Verfügung zu stellen, um langfristige Planungsentscheidungen für die Luftfahrt in Europa zu unterstützen. Ein besonderes Augenmerk wird dabei auf die Kapazität des Luftverkehrsnetzes, beziehungsweise der Flughäfen gelegt. Die Studien wurden in den Jahren 2001, 2004, 2008 und 2013 veröffentlicht. 47 Im Task 4 des Projekts Challenges of Growth von Eurocontrol wird untersucht, wie die Luftfahrt im Jahr 2035 aussehen könnte und was die Herausforderungen aus dieser neuen 20-jährigen Prognose sein könnten. Dabei unterscheidet Eurocontrol zwischen vier verschiedenen Szenarien, die von schwer vorherzusagenden Faktoren beeinflusst werden und somit verschiedene Prognosen aufweisen. Die Szenarien unterscheiden sich vor allem in der Ausweitung der Globalisierung. Das für Europa höchstwahrscheinliche Szenario (Szenario C: Regulated Growth) prognostiziert etwa 14,4 Millionen Flüge in Europa, 50% mehr als im Jahr In Abbildung 18 wird das erwartete Aufkommen an Flugbewegungen im Vergleich zum Jahr 2012 aufgezeigt. Eine Erhöhung von bis zu acht Millionen Flugbewegungen wird 47 Vgl. Eurocontrol, Challenges of Growth (n.a.) unter: ( ) 48 Vgl. Eurocontrol, Challenges of Growth 2013 Task 4: European Air Traffic in 2035 (Oktober 2013) unter: task-4.pdf ( ) Seite: 29

36 hier im Extremfall prognostiziert. 49 Das entspräche einem Faktor von etwa 1,8 und einem durchschnittlichen Jahreszuwachs von 2,6%. Abbildung 17 - Luftverkehrsprognose 2035 Challenges of Growth Für eine spätere Simulation der Runway Kapazitäten in verschiedenen Szenarien im Jahr 2035 sollten diese Werte grundlegend sein. Die Luftverkehrsnachfrage wird bei der Simulation um die jeweiligen Faktoren der einzelnen Szenarien erhöht, um alle möglichen Entwicklungen der zukünftigen Luftverkehrsnachfrage abzudecken. Die in Abbildung 19 dargestellte Verteilung auf die einzelnen Stunden eines Tages zeigen die Werte aus 61 Tagen in der Sommerzeit vom ersten August Vgl. Eurocontrol, Challenges of Growth 2013 Task 4: European Air Traffic in 2035 (Oktober 2013) unter: task-4.pdf ( ) Seite: 30

37 50 Abbildung 18 - Prognostizierte stündliche Anzahl an Flugbewegungen in 2035 Auch die stündlichen Flugabwicklungen sind im Jahr 2035 deutlich höher als im Jahr 2012 erwartet. So werden statt 1900 Flügen zu Spitzenzeiten Werte von über 3000 Flügen pro Stunde erwartet. Die täglichen Flugbewegungen steigen somit bei etwa auf etwa An- und Abflüge. Aus der Abbildung lässt sich deuten, dass die zeitliche Verteilung von Flugbewegungen am Tag in etwa gleichbleibt. Dies spricht für das Anwenden der Cloning-Methode beim Erweitern des Flugplanes um den Faktor des jeweiligen prognostizierten Szenarios. Ein Verschieben der Spitzenzeiten wird somit verhindert und nur der um die jeweilige Uhrzeit herrschende Verkehr wird um einen Faktor erweitert. 50 Vgl. Eurocontrol, Challenges of Growth 2013 Task 6: The Effect of Air Traffic Network Congestion in 2035 (Oktober 2013) unter: challenges-of-growth-2013-task-6.pdf ( ) Seite: 31

38 4. Entwicklung von Strategien zur fiktiven Staffelungsreduktion Nach der künstlichen Erweiterung des Luftverkehrs mithilfe der Cloning-Methode in Bezug auf die Challenges of Growth lässt sich die Auswirkung der vermehrten Anund Abflüge auf die durchschnittliche Verzögerung deuten. Um diesen Wert auf einen akzeptablen Wert zu reduzieren, werden im darauffolgenden Schritt die Staffelungsabstände sukzessiv reduziert. Bei der Entwicklung von Strategien zur fiktiven Staffelungsreduktion wird experimentell vorgegangen. Der Kapazitätsparameter T ij wird bei seiner Reduzierung auf die dementsprechende Wirkungsweise in seiner durchschnittlichen Verzögerung als Leistungsindikator untersucht. Absolute Reduktion Die absolute Staffelungsreduktion verringert die Staffelungsabstände aller definierten Kombinationen von Flugzeugtypen sowie Flugoperationen um einen definierten sekündlichen Wert. Große Staffelungsabstände werden somit um denselben Wert wie kleinere verringert. Das Ausmaß der Reduktion orientiert sich nicht an den jeweiligen Staffelungswerten, sondern ist ausschließlich durch einen absoluten Wert definiert. Dies würde eine große Auswirkung auf die Kapazität des Runways mit sich bringen, es behandelt die paarweise Separation aber nicht individuell und ist eventuell nicht optimal. Relative Reduktion Die relative Staffelungsreduktion ist die prozentuale Verkleinerung der Staffelungsabstände. Bei einer Verringerung der Staffelungswerte um 10% werden manche Staffelungsabstände beispielsweise um zehn Sekunden und andere nur um 5 Sekunden reduziert. Die relative Reduktion bezieht sich also immer auf den jeweiligen Wert des Flugzeugpaares und verringert diesen um einen prozentualen Wert. Dies verhindert vor allem die starke Reduktion von bereits geringen Staffelungsabständen. Dennoch werden hohe Staffelungsabstände auch zu einem hohen Wert verringert. Es ist also auch möglich, dass die relative Staffelungsreduktion manche Staffelungsabstände für die Realität zu stark verringert, während das Minimierungspotential der kleineren Seite: 32

39 Staffelungsabstände nicht vollständig ausgeschöpft wird. Weitere Möglichkeiten zur Staffelungsreduktion Außerhalb der angewandten absoluten und relativen Reduktion im Rahmen dieser Arbeit, gibt es weitere Möglichkeiten, die Staffelungsabstände methodisch zu reduzieren. So besteht ebenfalls die Möglichkeit, einzelne Flugkombinationen zu untersuchen und auf ihre mögliche Staffelungsreduktion zu überprüfen. Die würde eine individuellere Staffelungsreduktion mit sich bringen und zielt somit auch das Ausschöpfen des vollen Potentials der minimalen Staffelungsabstände. Große Staffelungsabstände können ebenfalls mit ähnlichen, aber dennoch kleineren Staffelungswerten verglichen und dementsprechend angepasst werden. Vermutlich wäre dies eine Staffelungsreduktion ohne ein bedenkliches Risiko. Ebenfalls kann auch die hauptsächliche Untersuchung einer Kombination von Flugoperationen stattfinden. So wäre eine Untersuchung der Auswirkung von Staffelungsreduktionen zwei landender Flugzeuge kenntnisbringend, inwieweit diese Kombination Potential zur Staffelungsreduktion mit sich bringt. Dies ist vor allem für den Forschungssektor sinnvoll, um zu erkennen, in welchen Bereichen die Kapazität noch auszureizen ist. Außerdem besteht die Möglichkeit, die Staffelungsabstände technologieorientiert zu betrachten und mithilfe von technischen Errungenschaften zu ermöglichen, dass Flugzeuge geringere Mindestabstände zueinander benötigen. Dies könnte zum einen mit flugzeugseitigen Innovationen erreicht werden, welche das Ausmaß einer Wirbelschleppe verringern und somit geringere Sicherheitsabstände ermöglichen. Zum anderen besteht die Möglichkeit einer bodenseitigen Einrichtung, die den Verlauf der Wirbelschleppen eines Flugzeugs mit Einbezug von verschiedenen Einflussgrößen (zum Beispiel Wind und Flugzeugklasse) errechnet. Dies würde das genaue Abschätzen einer Wirbelschleppe ermöglichen und somit das ganze Potenzial der minimalen Staffelung ausschöpfen. Im Rahmen dieser Arbeit werden lediglich die relativen und absoluten Reduktion der Staffelungsabstände untersucht und umgesetzt. Weitere Möglichkeiten gehen über den Rahmen der Arbeit hinaus. Seite: 33

40 5. Simulationsvorbereitung Vorgehensweise Um eine Simulation durchführen zu können, bedarf es an einigen Vorbereitungen. Um die Komplexität und den Umfang der Simulation vereinfacht darzustellen, werden in Abbildung 20 die einzelnen Zusammenhänge sowie die aufeinander aufbauenden Bausteine der Modellumgebung visualisiert. Abbildung 19 Visualisierung des Simulationsablaufes Aus dem Demand Data Repository (DDR 2) werden die Flugpläne von London Heathrow und London Gatwick entnommen. Nach einer umfangreichen Datenaufbereitung und Formatierung, die für das Simulationstool RucsimX geeignet ist, wird jeweils ein Flugplan für einen der Flughäfen als Flugplandatei erstellt. Folgend werden die Flugpläne der Flughäfen London Heathrow und London Gatwick in ihrer Anzahl der Flüge erweitert. Mit einer Erweiterung der Flugpläne um die Faktoren 1.2, 1.3, 1.4 und 1.5 zielt die Simulation auf die prognostizierte zukünftige Luftverkehrsnachfrage der Challenges of Seite: 34

41 Growth von Eurocontrol. Die Erweiterung der Flugpläne wird mithilfe der Cloning-Methode durchgeführt. Hier werden originale Flugpläne aus dem Jahr 2013 vergrößert, indem einzelne Flüge verdoppelt und in ihrer Zeit zufällig um fünf Minuten verschoben werden. Die Flüge werden zu den verschiedenen prognostizierten Faktoren verdoppelt. Das beutet, dass bei der Erhöhung des Luftverkehrs um 20% nur zwei von zehn Flügen verdoppelt und in Ihrer Zeit um 5 Minuten verschoben werden. Die Wahl der verdoppelten Flüge geschieht rein zufällig, sodass eine gleichmäßige Verteilung auf den gesamten Flugplan ermöglicht wird. Um möglichst genaue Durchschnittswerte als Ergebnisse werten zu können, wird für jedes Szenario ein kompletter Monat simuliert. Die Cloning-Methode wird vor den Simulationen auf ihre Funktionalität und Verlässlichkeit geprüft, um mögliche Abweichungen bei der Flugplanerweiterung zu erkennen, die das Ergebnis verfälschen könnten. Neben den formatierten Flugplänen müssen ebenfalls Staffelungsdateien angelegt werden. Dazu werden verschiedene Anfluggeschwindigkeitsprofile von diversen Flugzeugtypen untersucht und zusammen mit den distanzbasierten Staffelungsvorgaben von Großbritannien zu einer zeitbasierten Staffelungstabelle errechnet. Diese wird wiederrum für das Simulationstool RucsimX formatiert. Anschließend werden mehrere Staffelungsdateien angelegt. Die einzelnen Dateien beinhalten unterschiedliche Minderungen der Staffelungswerte. Dabei werden die Staffelungswerte absolut sowie relativ in separaten Dateien zu verschiedenen Werten minimiert. Bei den Änderungen der Staffelungswerte wird experimentell vorgegangen, bis ein akzeptabler durchschnittlicher Verzögerungswert in den Ergebnissen erreicht wird. Das Ergebnis der Simulationen zeigt auf, wie stark die aktuellen Staffelungswerte minimiert werden müssen, um der zukünftigen Luftverkehrsnachfrage laut Eurocontrol gerecht zu werden. Abschließend werden Auswirkungen der notwendigen Staffelungsreduktionen analysiert und die Möglichkeit der Umsetzung in Betracht gezogen. Seite: 35

42 Verwendete Programme Microsoft Excel Das Tabellenkalkulationsprogramm Excel aus dem Open-Office-Suite von Microsoft dient innerhalb der Arbeit zur Erzeugung und Verarbeitung jeglicher Diagramme und Datenwerte, die im Rahmen der vorliegenden Arbeit Verwendung finden. Mithilfe von vorinstallierten sowie selbsterstellten Berechnungsformeln wurden alle notwendigen Berechnungen in Excel durchgeführt. Auch die Erzeugung von zufällig duplizierten Flugplänen, die als relevanter Input für das Simulationsprogramm dienen, wurde mit Excel erstellt. Die Darstellung und Auswertung der Simulationsergebnisse ist ebenfalls mithilfe von Excel erstellt. RucsimX Das Simulations-Programm RucsimX ist eine Entwicklung des DLR e.v. und dient hauptsächlich der Runway-Kapazitäts-Simulation. Allgemein dient es dazu, kapazitive Auswirkungen auf eine gegebene Flugbetriebssituation darzustellen. Neben der exakten Abbildung erzeugter Verzögerungen pro Luftfahrzeug, wird ein an die veränderten Bedingungen angepasster Flugplan erzeugt, der die notwendigen Staffelungsabstände in Abhängigkeit des Anwendungszeitpunktes berücksichtigt. Es ist möglich den Flugplan bezüglich des Luftfahrzeug-Typs ( Typ ) sowie An- und Abflugbewegung ( Demand ) zu differenzieren. Zusätzlich lässt sich bei einem mehrzähligen Start- und Landebahn- Systems der zu benutzende Runway bezüglich der Betriebsrichtung ( RWY ) auswählen. Die Option Route ermöglicht die Variation der An-, beziehungsweise Abflugroute. Die Abkürzung KNZ steht für Kennzeichnung und ist die Modellbezeichnung des Flugzeuges. Der Flugplan fungiert als Basisdatei für den Input von RucsimX. Folgende Übersicht zeigt alle nötigen Informationen, die im Flugplan implementiert werden müssen. Seite: 36

43 Demand A / D (Arrival) / (Departure) - Start oder Landung des Flugzeugs Time TT:hh:mm:ss - Geplante Uhrzeit am jeweiligen Tag RWY 27R (Runway) - Runwaybezeichnung Rout Rout1 - An- bzw. Abflugroute Typ H (Heavy) / L (Light) / ( ) - Flugzeugklasse KNZ A380 - Kennzeichnung des Flugzeugs Die Datei des Flugplanes muss auf die jeweilige Staffelung angepasst sein. So müssen die Routen-Bezeichnung und die Typ-Bezeichnung, also die Kategorisierung in beiden Fällen gleich formatiert sein. Die Staffelungsdatei enthält die zeitliche Staffelung für jede Kombination von Flugzeugtypen in An- und Abflugbewegungen. Dabei sind alle Kategorien des Flugplanes für das führende und das folgende Flugzeug anzugeben: Demand Leader A / D (Arrival) / (Departure) - Nachfrage 1. Flugzeug Typ H / M (Heavy) / (Medium)/ ( ) - Klasse der Staffelung RWY 27R (Runway) - Runwaybezeichnung Rout Rout1 - An- bzw. Abflugroute Demand Follower A / D (Arrival) / (Departure) - Nachfrage 2. Flugzeug Typ H / M (Heavy) / (Medium)/ ( ) - Klasse der Staffelung RWY 27R (Runway) - Runwaybezeichnung Rout Rout1 - An- bzw. Abflugroute Staff Staffelung (s) - Staffelung in Sekunden Nach der Erstellung des Flugplanes und der Staffelungszuordnung, können die jeweiligen Daten mithilfe der Konfigurationsdatei in die Simulation eingefügt werden. Die Konfigurationsdatei stellt die exekutiven Inhalte des Inputs dar. Sie enthält alle Bedingungen, die das Programm bei der Simulationsausführung einzuhalten hat. Anhang A stellt den Aufbau der Konfigurationsdatei dar. Im oberen Bereich der Konfigurationsdatei kann die Anzahl der Iterationen festgelegt werden. Je höher die Anzahl der Iterationen ist, desto genauer sollten die durchschnittlichen Ergebniswerte sein. Darunter werden die Orte beschrieben, an denen die relevanten Input-Daten für die Simulation hinterlegt sind. Nachstehend erfolgen die Seite: 37

44 Anweisungen der einzuhaltenden Bedingungen für RucsimX. Dabei wird auf die gängigen Formatierungen der Flugzeiten eingegangen. Nachdem der Ort der Output- Daten angegeben wird, können die betrachteten Zeitperioden in Stunden und Minuten angegeben werden, in dem die resultierenden Daten dargestellt werden sollen. Anschließend kann unter Flow Management eine Unterscheidung zwischen An-und Abflugbewegung innerhalb des Flugplans getroffen werden. Hier kann eine Priorisierung der jeweiligen Flugbewegung vorgenommen werden. Dem folgt eine Begrenzungsanweisung für die maximale Anzahl an sekündlicher Verzögerung pro abfliegendes Flugzeug, bevor dieses bedient werden muss. Im unteren Teil Distribution der Konfigurationsdatei kann die Verteilung der Bedienrate von An- und Anflügen bestimmt werden. Durch ein Aktivierungsfeld, welches sich beim Anklicken des Programmes öffnet, wird das Programm gestartet. Hierbei wird nach dem Anklicken von Browse die Konfigurationsdatei ausgewählt, in dem alle notwendigen Inhalte zur Ausführung der Simulation enthalten sind. Nach Ausführung der Simulation steht an dem durch die Konfigurationsdatei festgelegten Ort eine Report-Datei zur Verfügung. Die Report-Datei beinhaltet im Rahmen der hier vorliegenden Simulations-Anwendung drei verschiedene Report- Kapitel. Darin enthalten ist im ersten Kapitel eine Zusammenfassung der durchschnittlichen Verzögerung von An- und Abflügen. Im zweiten Kapitel wird der Flugplan der Input-Datei mit seinen geplanten (Schedule) und den tatsächlich eintreffenden Zeiten (Actual) angezeigt. Die tatsächlich eintreffende Zeit ergibt sich aus der Verzögerung vorheriger Flugzeuge sowie der nötigen Staffelung aus der Staffelungsdatei. Die jeweilige Verzögerung und zeitliche Staffelung wird ebenfalls angegeben. Kapitel drei informiert den Nutzer über mögliche Fehler bei der durchgeführten Simulation. Dabei werden beispielsweise fehlende Kombinationen in der Staffelungsdatei angezeigt. Abbildung 20 zeigt den in der Report-Datei erzeugten Flugplan mit den jeweiligen Werten. Seite: 38

45 Abbildung 20 - Report-Datei RucsimX Bis Spalte G sind in der Abbildung die Daten des Input-Flugplanes enthalten. Spalte H bis J enthalten die sich neuen ergebenden Zeiten für Ankunftsflugbewegungen in Abhängigkeit der zum Zeitpunkt vorherrschenden Staffelungsbedingung. Die nachstehende Spalte K zeigt die resultierende Abweichung (Delay) von der Input- Flugplanzeit in Sekunden für jede Flugbewegung an. Abschließend enthält Spalte L die Differenz, also die tatsächliche Staffelung in Sekunden zwischen den einzelnen Flugbewegungen. Für den ersten Flug entsteht der Wert von Sekunden, da das Programm hierbei die Differenz der letzten Flugbewegung des Flugplanes zur ersten Flugbewegung des Flugplanes erstellt. Sofern der reguläre zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Flugbewegungen des Ausgangsflugplanes geringer ausfällt als der nun angewandten Staffelung, stellt Spalte L den aktuell angewandten Staffelungsabstand dar. Erstellung einer zeitbasierten Staffelungstabelle Die Software RucsimX errechnet die Anordnung der Flugzeuge in zeitbasierten Abständen. Um also eine Simulation durchführen zu können, ist es nötig, die distanzbasierte Staffelung in die Einheit Sekunden umzurechnen. Dazu wird das Geschwindigkeitsprofil diverser Flugzeugtypen aus verschiedenen Klassen betrachtet und infolge dessen eine wissenschaftliche Arbeit von Floris Frisco Herrema der Delft University of Technology in Zusammenarbeit mit Eurocontrol herangezogen. Seite: 39

46 Herrema stellt die Geschwindigkeitsprofile der letzten zehn nautischen Meilen vor der Landung im Verhältnis zur Windstärke dar. Für diese Arbeit werden lediglich die Werte ohne Wind betrachtet. Wird die gemittelte Geschwindigkeit (kts) jeder Meile in Meter pro Sekunde umgerechnet, lässt sich die benötigte Zeit für jede geflogene Meile ermitteln. Somit ist es möglich, die einzelnen zeitbasierten Meilen zu addieren und eine zeitbasierte Separation für jede mögliche Distanz (NM) zu ermitteln. Bei der Berechnung wurden die Werte der Flugzeugtypen aus der gleichen Klasse auch gleichwertig zusammengefasst. Die Geschwindigkeitsprofile der Arbeit Herremas charakterisieren lediglich einzelne Flugzeugtypen aus den Klassen Lower Medium, Heavy und Super Heavy. Für die Simulation werden die Klassen Small und Upper Medium mit den Werten der Klasse Lower Medium gleichgesetzt, bis detailliertere Daten verfügbar sind. Rechnet man die Distanzbasierte Separation in Sekunden, erhält man folgende Staffelungstabelle: Tabelle 3 - Umrechnung der Distanzbasierten Staffelungswerte in zeitbasierte Staffelungswerte Fügt man nun in die distanzbasierte Staffelungstabelle von Großbritannien die in Tabelle 3 errechneten Werte, erhält man eine zeitbasierte Staffelungstabelle für Großbritannien (siehe Anhang B). Es wird dabei von einer Radarmindeststaffelung von 2,5 nautischen Seite: 40

47 Meilen und einem Puffer von 0,5 NM ausgegangen. Bei zwei aufeinander folgenden Landungen der UK-Klasse heavy wird eine Mindeststaffelung von vier Meilen vorgeschrieben. Mit der Einbeziehung des Geschwindigkeitsprofils in Tabelle 3 bedeutet dies eine zeitbasierte Staffelung von 99 Sekunden. Addiert man nun den Sicherheitspuffer der Lotsen von etwa einer halben nautischen Meile, liegt die zeitliche Separation T ij bei etwa 110 Sekunden bei zwei nacheinander landenden Flugzeugen der UK-Klasse heavy. Um eine Simulation mit der Software RucsimX durchführen zu können, benötigt man ebenfalls die angepasste Flugplandatei. Aus dem Demand Data Repository (DDR) auf der Website von Eurocontrol wird der komplette Flugplan von März 2013 der Londoner Flughäfen entnommen. Dieser beinhaltet bei London Heathrow über Flugbewegungen pro Runway. Der Flugplan für London Gatwick beinhaltet an einer Landebahn über An- und Abflüge. Der März wurde ausgewählt, da dieser eine besonders schlechte allgemeine Sichtweite aufwies. 51 Bei einer guten Sichtweite werden die Staffelungsdaten nicht genau eingehalten da die Piloten teilweise auf Sichtflug fliegen (siehe Kapitel ). Dadurch sind die Abstände nicht vergleichbar und somit wurde ein Test mit den Daten von London Heathrow im August verworfen. Nach dem Herunterladen der Flugpläne werden die relevanten Daten sorgfältig gefiltert und zu einem Flugplan formatiert, der in das Simulationsprogramm RucsimX eingefügt werden kann. Vor jeder Simulation zur Staffelungsminimierung wird der Flugplan um den Faktor des jeweiligen Szenarios fünf Mal erweitert. Dies soll die Funktionalität der Cloning- Methode beweisen und die Verlässlichkeit der Ergebnisdaten gewährleisten. 51 Vgl. Historical Weather For 2013 in London, United Kingdom (2014) unter: ( ) Seite: 41

48 6. Simulation verschiedener Maßnahmen zur Staffelungsminimierung in Bezug auf das zukünftige Luftverkehrsaufkommen in 2035 London Heathrow Mit dem Start der Simulation für den Flughafen London Heathrow werden die Simulationen in verschiedene Flugoperationen eingeteilt. So wird zu allererst die Kombination zweier Landungen (A-A) und dessen T ij betrachtet. Hierbei werden die Wirbelschleppen-Staffelungen relativ als auch absolut minimiert. Die gleiche Vorgehensweise wird danach bei der Kombination zwei startender Flugzeuge durchgeführt (D-D). Arrival-Arrival (LHR) Um das zu erwartende Verkehrsaufkommen simulieren zu können, wird vorerst der vorliegende Heathrow-Flugplan aller Landungen vom März 2013 in Bezug auf die prognostizierten Werte der Challenges of Growth erweitert. Dies wird mithilfe der Cloning-Methode umgesetzt. Die im Flugplan implementierten Werte werden zu einem Faktor (1,2; 1,3; 1,4; 1,5) dupliziert und in ihrer Zeit um zehn Minuten zufällig verschoben. Dadurch ergibt sich ein neuer Flugplan mit einer Aufkommenserhöhung des Faktors eines definierten Zukunftsszenarios, ohne dass sich Flugzeiten wiederholen. Die einzelnen Szenarios werden jeweils fünfmal simuliert, um Abweichungen durch das zufällige Verschieben der zusätzlichen Flüge zu erkennen. Die Ergebnisse in Tabelle 4 sind die Mittelwerte der durchschnittlichen Verzögerungen aller Szenarios in fünffacher Ausführung. Die jeweilige Standartabweichung beschreibt dabei die Differenzierung der Flugpläne durch das Cloning und das daraus entstehende Ausmaß der Abweichung in Minuten. Je kleiner die Standartabweichung ist, desto verlässlicher sind die Ergebnisse. Dabei ist das Verhältnis der Standartabweichung zum Mittelwert maßgebend. Seite: 42

49 ØVerzögerung (min) bei Erhöhung des Luftverkehrs +20% LV +30% LV +40% LV +50% LV Simulation Nr.1 85,15 126,10 170,97 268,60 Simulation Nr.2 84,33 127,10 170,88 272,28 Simulation Nr.3 82,43 127,40 173,45 271,70 Simulation Nr.4 87,43 128,53 176,50 273,63 Simulation Nr.5 85,87 127,20 171,98 271,23 Mittelwert (min) 85,04 127,27 172,76 271,49 Standartabweichung (min) 1,85 0,87 2,33 1,85 Tabelle 4 - Abweichungen der "Cloning-Methode" bei der Flugplanerstellung für Anflüge Tabelle 4 ist zu entnehmen, dass die Standartabweichung innerhalb eines Szenarios zwischen 50 und 140 Sekunden liegt. Dieser Wert ist für die Simulationsergebnisse präzise genug, um einen Mittelwert aller fünf Simulation als Ergebnis für ein Szenario Werten zu können. Die dem jeweiligen Mittelwert naheliegende Simulation wird für die Simulation zur Staffelungsreduktion verwendet. Folgende Tabelle zeigt die durchschnittliche Verzögerung einzelner Flugzeuge als Leistungsindikator für eine Erhöhung des Luftverkehrs um einen definierten Faktor, welcher als mögliches zukünftiges Szenario infrage kommt. Unter allen Szenarien wurde das Regulated Growth (C) -Szenario von Eurocontrol als das höchstwahrscheinliche prognostiziert % LV (Szenario D) +30% LV (Zwischenszenario) +40% LV (Szenario C ) +50% LV (Szenario C) Delay (s) , , Delay (min) 7,4 85,0 127,3 172,8 272,3 Tabelle 5 - Durchschnittliche Verzögerung eines landenden Flugzeugs in prognostizierten Zukunftsszenarien Eine grüne Untermalung bewertet das Ausmaß der durchschnittlichen Verzögerung als akzeptabel. Eine durchschnittliche Verzögerung bis zu sechs Minuten wird als akzeptabel gewertet. Eine gelbe Untermalung bedeutet, dass der Wert grenzwertig akzeptabel ist. Die Grenze dieser Untermalung liegt bei 9 Minuten. Eine rote 52 Vgl. Eurocontrol, Challenges of Growth 2013 Task 4: European Air Traffic in 2035 (Oktober 2013) unter: task-4.pdf ( ) Seite: 43

50 Untermalung bewertet den Verzögerungswert als zu hoch und somit nicht akzeptabel. Abbildung 21 visualisiert dazu nochmal die dementsprechende Legende. Durchschnittliche Verzögerung Zu Hoch Bedingt Akzeptabel Akzeptabel Abbildung 21 - Legende zur Bewertung der durchschnittlichen Verzögerung Eine grundsätzlich definierte Grenze für akzeptable Verzögerungswerte gibt es nicht. Die Kriterien für die farbliche Charakterisierung basiert auf eigenen Bewertungen. Die Grenzen werden durch das subjektive Empfinden der Passagiere und die wirtschaftlichen Folgen für die Airlines und Flughafenbetreiber bestimmt. Die durchschnittliche Verzögerung eines Flugzeugs im wahrscheinlichsten Szenario (C) nimmt mit einer Zunahme des Luftverkehrs um 50% einen sehr hohen Wert von 272,3 Minuten an. Eine durchschnittliche Verzögerung ist in der Größenordnung in keinem Fall akzeptabel. Auch die Szenarien C und D haben ein deutlich zu hohes Verzögerungsniveau und können mit der heutigen Staffelung zwischen den Flugzeugen nicht vereinbart werden. Auf eine Simulation des Szenarios A: Global Growth wurde nicht weiter eingegangen, da der Eintritt dieses Szenarios als unwahrscheinlich gilt und utopische Werte annimmt. Im nachfolgenden Vorgang werden mit den erstellten Flugplänen der einzelnen Szenarien verschiedene Staffelungsreduktionen simuliert, um akzeptable Verzögerungswerte zu erreichen. Somit wird deutlich, wie weit die Staffelungsabstände zwischen den Flugzeugen zukünftig reduziert werden müssen. Die Reduktion teilt sich in absolute und relative Minderungen der Staffelungszeiten, um verschiedene Methoden der Reduktion zu erproben. In folgender Tabelle wurde für Szenario D: Fragmenting World die Staffelung in der Staffelungsdatei schrittweise minimiert, um sich einem akzeptablen durchschnittlichen Verzögerungswert zu nähern. Seite: 44

51 2013 Separation A-A - 20% mehr Luftverkehr 20% Relative Reduktion Absolute Reduktion Luftverkehr 15,00% 20,00% 15s 20s Delay (s) Delay (min) 7, ,4 11,6 3,1 Tabelle 6 - Separationsminimierung - A-A bei 20% mehr Luftverkehr In Szenario D, welches eine Erhöhung des Luftverkehrs um 20% prognostiziert, muss somit eine Staffelungsreduktion von 20% oder 20 Sekunden stattfinden, um akzeptable Verzögerungen der Luftfahrzeuge zu bewirken. Die durchschnittlichen Verzögerungen bei einer Staffelungsreduktion von 15% oder 15 Sekunden ist noch nicht akzeptabel. Tabelle 7 visualisiert die notwendigen Staffelungsreduktionen bei einer Luftverkehrszunahme von 30% Separation A-A - 30% Mehr Luftverkehr 30% Relative Reduktion Absolute Reduktion Luftverkehr 20,00% 25,00% 30,00% 15s 20s 25s Delay (s) Delay (min) 7,4 127,3 19,2 5,2 1,7 41,3 16,1 4 Tabelle 7 - Separationsminimierung - A-A bei 30% mehr Luftverkehr Würde der Luftverkehr um einen Faktor von 1,3 wachsen, so müssten bereits deutlich höhere Staffelungsreduktionen stattfinden. Um eine ausreichend geringe durchschnittliche Verzögerung zu erreichen, müssen die Staffelung um mindestens 25% reduziert werden. Bei einer Reduktion von 25 Sekunden werden noch bessere Werte erreicht. Die Reduktion von 30% verspricht hier optimale Werte einer durchschnittlichen Verzögerung. Die notwendige Staffelungsreduktion des Szenarios C : Happy Localism ist Tabelle 8 zu entnehmen. Separation A-A - 40% mehr Luftverkehr +40% Relative Reduktion Absolute Reduktion 2013 Luftverkehr 20,00% 25,00% 30,00% 35,00% 15s 20s 25s 30s 35s Delay (s) , Delay (min) 7,4 172,8 52,4 27,4 6,8 2,0 78,7 48,1 19,4 5,0 1,9 Tabelle 8 - Separationsminimierung - A-A bei 40% mehr Luftverkehr Seite: 45

52 Das Szenario C : Happy Localism beinhaltet einen Zuwachs des Luftverkehrs um 40%. Der Tabelle ist zu entnehmen, dass hier eine Staffelungsreduktion von mindestens 30% stattfinden muss. Eine Reduktion von 30 Sekunden erreicht einen akzeptablen Verzögerungswert, optimale Werte werden durch eine Reduktion von 35% oder 35 Sekunden erreicht. Tabelle 9 präsentiert die Ergebnisse für die Simulation des vierten Szenarios mit einer Erhöhung des Luftverkehrs um 50% Separation A-A - 50% mehr Luftverkehr +50% Relative Reduktion Absolute Reduktion Luftverkehr 20,00% 30,00% 35,00% 40,00% 15s 20s 25s 30s 35s Delay (s) Delay (min) 7,4 272,3 84,7 25,2 5,5 1,7 113,4 80,0 47,2 17,5 3,9 Tabelle 9 - Separationsminimierung - A-A bei 50% mehr Luftverkehr Die Erhöhung des Luftverkehrs um 50%, wie es in Szenario C: Regulated Growth, dem höchstwahrscheinlichen Szenario der Fall wäre, hat eine sehr hohe nötige Staffelungsreduktion zur Folge. Tabelle 9 zeigt auf, dass hier eine Staffelungsminimierung von mindestens 35% stattfinden muss. Die Reduktion um 35 Sekunden bewirkt ein noch besseres Verzögerungsniveau, eine Reduktion um 40% wäre optimal. Departure - Departure (LHR) Für den zweiten Runway am Flughafen London Heathrow werden die gleichen Simulationen mit hintereinander folgenden Abflügen durchgeführt. Auch hier werden mithilfe der Cloning -Methode erweiterte Flugpläne erstellt. Um mit möglichst realistischen Werten zu arbeiten, werden in den Flugplan Abflugrouten implementiert. Dies hat einen ähnlichen Verzögerungswert wie bei der Anflug-Anflug Kombination (A-A) zum Ziel und soll den realen Werten somit möglichst nahekommen. Die Anordnung hat einen Einfluss auf die Zeit zwischen den einzelnen Abflügen und damit auch auf die Verzögerung einzelner Flugzeuge, da die Flugzeuge nach dem Abheben somit differenzierte Routen und damit verschiedene Richtungen fliegen. Nach einer experimentellen Vorgehensweise hat sich herausgestellt, dass sich Seite: 46

53 die durchschnittliche Verzögerung dem Wert der Anflug-Anflug Kombination (A-A) ähnelt, wenn sich die zwei implementierten Routen (Route1 und Route2) zu einer 82 prozentigen Wahrscheinlichkeit abwechseln. Das bedeutet, dass die Route zu 18% zufällig zugeteilt wird. Die durchschnittliche Verzögerung bei dieser Abflug-Abflug Kombination (D-D) hat einen Wert von 448 Sekunden. Dieser Flugplan dient als Fundament für die Staffelungsreduktion auf Basis erweiterter Flugpläne. In folgender Tabelle (Tabelle 10) wurde der Flugplan wie bei der Anflug-Anflug Kombination um die prognostizierten Werte jeweils fünfmal simuliert, um mit dem Flugplan, der dem Mittelwert naheliegt, eine Staffelungsreduktion zu simulieren. ØVerzögerung (min) bei Erhöhung des Luftverkehrs +20% LV +30% LV +40% LV +50% LV Simulation Nr.1 58,33 90,72 127,37 167,58 Simulation Nr.2 60,88 90,93 127,08 165,33 Simulation Nr.3 59,33 91,80 127,18 167,20 Simulation Nr.4 60,92 91,23 127,70 168,05 Simulation Nr.5 59,85 91,17 127,83 165,90 Mittelwert (min) 59,86 91,17 127,43 166,81 Standartabweichung (min) 0,98 0,41 0,29 1,03 Tabelle 10 - Abweichungen der "Cloning-Methode" bei der Flugplanerstellung für Abflüge Tabelle 10 ist zu entnehmen, dass die Standartabweichung innerhalb eines Szenarios zwischen 17 und 61 Sekunden liegt. Dieser Wert ist für die Simulationsergebnisse gering genug, um einen Mittelwert aller fünf Simulationen als Ergebnis für ein Szenario Werten zu können. Folgende Tabelle zeigt die durchschnittliche Verzögerung einzelner Flugzeuge als Leistungsindikator bei einer Erhöhung des Luftverkehrs um einen definierten Faktor, welcher als mögliches zukünftiges Szenario infrage kommt % LV (Szenario D) +30% LV (Zwischenszenario) +40% LV (Szenario C ) +50% LV (Szenario C) Delay (s) ,8 5470, Delay (min) 7,46 59,85 91,17 127,4 167,2 Tabelle 11 - Durchschnittliche Verzögerung eines startenden Flugzeugs in prognostizierten Zukunftsszenarien Seite: 47

54 Die durchschnittliche Verzögerung eines Flugzeuges im wahrscheinlichsten Szenario (C) nimmt mit einer Zunahme des Luftverkehrs um 50% einen Wert von 167,2 Minuten an. Eine durchschnittliche Verzögerung ist in der Größenordnung auch hier nicht akzeptabel. Die Szenarien C und D haben ebenfalls ein deutlich zu hohes Verzögerungsniveau und können mit den heutigen Staffelungsabständen zwischen den Flugzeugen nicht vereinbart werden. Auf eine Simulation des Szenarios A: Global Growth wurde nicht weiter eingegangen, da der Eintritt dieses Szenarios als unwahrscheinlich gilt und utopische Werte annimmt. Der nachfolgende Schritt behandelt die schrittweise Reduktion der Staffelungsabstände in den verschiedenen Szenarien. Somit wird die notwendige zeitliche Separation T ij zwischen startenden Flugzeugen in Bezug auf den zukünftigen Luftverkehr deutlich. Die Reduktion teilt sich auch hier in absolute und relative Minderungen der Staffelungszeiten, um verschiedene Methoden der Reduktion zu erproben. In folgender Tabelle wurde für Szenario D: Fragmenting World die Staffelung in der Staffelungsdatei schrittweise minimiert, um sich einem akzeptablen Verzögerungswert zu nähern. Separation D-D - 20% mehr Luftverkehr +20% Relative Reduktion Absolute Reduktion 2013 Luftverkehr 10,00% 15,00% 20,00% 10s 15s 20s Delay (s) , Delay (min) 7,40 59,86 24,78 11,85 4,55 20,38 7,60 3,22 Tabelle 12 - Separationsminimierung - D-D bei 20% mehr Luftverkehr Bei einem Anstieg des Luftverkehrs um 20% ergibt sich bei heutigen Bedingungen eine durchschnittliche Verzögerung von etwa 60 Minuten. Dieser Wert ist nicht akzeptabel. Um einen akzeptablen Verzögerungswert in Szenario D zu erhalten, ist eine Reduktion der zeitlichen Separation von 20% oder 15 Sekunden notwendig. Eine Reduktion von 20 Sekunden würde die heutigen Verzögerungswerte verringern und ein optimales Ergebnis von etwa 3,2 Minuten zur Folge haben. Seite: 48

55 In der nachfolgenden Tabelle wurde der Luftverkehr um einen Faktor von 0,3 erweitert. Dies ist kein prognostiziertes Szenario von Eurocontrol, wird zu Forschungszwecken aber ebenfalls untersucht. Separation D-D - 30% Mehr Luftverkehr +30% Relative Reduktion Absolute Reduktion 2013 Luftverkehr 20,00% 25,00% 15s 20s 25s Delay (s) , Delay (min) 7,4 91,2 13,8 4,9 21,9 7,2 2,9 Tabelle 13 - Separationsminimierung - D-D bei 30% mehr Luftverkehr Mit einer durchschnittlichen Verzögerung von etwa 91,2 Minuten, nimmt der Wert ebenfalls einen nicht akzeptablen Wert an. Eine Reduktion der Staffelungswerte von 20 Sekunden wäre bedingt akzeptabel, die Verzögerungswerte bei einer Reduktion von 25% oder 25 Sekunden wären optimal. Die folgende Tabelle zeigt die notwendige Reduktion der Staffelungswerte für das Szenario C. Separation D-D - 40% mehr Luftverkehr +40% Relative Reduktion Absolute Reduktion 2013 Luftverkehr 20,00% 25,00% 30,00% 35,00% 15s 20s 25s 30s Delay (s) Delay (min) 7,4 127,4 34,3 16,3 5,7 2,4 45,1 22,5 7,7 2,8 Tabelle 14 - Separationsminimierung - D-D bei 40% mehr Luftverkehr Eine Zunahme des Luftverkehrs um 40% bewirkt unter heutigen Umständen eine durchschnittliche Verzögerung von 127,4 Minuten. Dies ist nicht akzeptabel und muss mit einer Reduktion der zeitlichen Separation T ij von 30% oder 25 Sekunden ausgeglichen werden, um einen ausreichend geringen Verzögerungswert zu erhalten. Bei einer Reduktion von 35% oder 30 Sekunden nehmen die Verzögerungswerte optimale Werte an. Die durchschnittliche Verzögerung liegt hier unter 3 Minuten. Szenario C (Tabelle 15) wurde von Eurocontrol als höchstwahrscheinlich eingestuft. Es prognostiziert die Zunahme des Luftverkehrs um 50%. Mit den heutigen Staffelungsabständen würde dies eine durchschnittliche Verzögerung von etwa 167 Minuten mit sich ziehen. Seite: 49

56 Separation D-D - 50% mehr Luftverkehr +50% Relative Reduktion Absolute Reduktion 2013 LV 20,00% 30,00% 35,00% 40,00% 15s 20s 25s 30s 35s Delay (s) , Delay (min) 7,4 166,8 60,3 17,1 5,4 2,1 72,6 45,7 21,2 6,2 2,3 Tabelle 15 - Separationsminimierung - D-D bei 40% mehr Luftverkehr Die Erweiterung des Luftverkehrs um 50% hat unter heutigen Umständen sehr hohe Verzögerungswerte zur Folge. Um einen ausreichend geringen Verzögerungswert bei halten zu können, benötigt es eine Staffelungsreduzierung von 35% oder 30 Sekunden. Bei einer Reduzierung des T ij von 40% oder 35 Sekunden werden optimale Verzögerungswerte erreicht. London Gatwick Da der Flughafen in London Gatwick nur einen Runway besitzt, werden Starts und Landungen hier gleichzeitig betrachtet, das T ij der Kombinationen A-D und D-A hat ebenfalls einen Einfluss auf die Staffelung und die damit entstehende durchschnittliche Verzögerung. Tabelle 16 zeigt die Verzögerungswerte mehrerer wiederholter Flugplanerweiterungen auf. Durch geringe Standartabweichungen der verschiedenen Werte erweist sich die Cloning-Methode hier erneut als mögliche Methode zur Flugplanerweiterung für Luftverkehrsprognosen. Die Standartabweichung innerhalb eines Szenarios liegt zwischen 20 und 100 Sekunden. Dieser Wert ist für die Simulationsergebnisse präzise genug, um einen Mittelwert aller fünf Simulation als Ergebnis für ein Szenario Werten zu können. Seite: 50

57 Simulations- ØVerzögerung (min) bei Erhöhung des Luftverkehrs Demand durchlauf +20% LV +30% LV +40% LV +50% LV Simulation Nr.1 Simulation Nr.2 Simulation Nr.3 Simulation Nr.4 Simulation Nr.5 Arrival 6,52 18,30 43,10 75,15 Departure 7,87 20,12 41,52 67,43 Total 7,20 19,20 42,30 71,28 Arrival 7,07 18,13 42,77 74,48 Departure 8,30 19,80 41,52 67,42 Total 7,68 18,97 42,15 70,95 Arrival 6,03 20,73 45,70 77,15 Departure 7,43 21,98 43,47 68,97 Total 6,73 21,37 44,58 73,05 Arrival 6,63 20,10 46,35 79,20 Departure 7,97 21,95 44,50 71,00 Total 7,30 21,02 45,42 75,12 Arrival 7,07 19,52 45,17 76,80 Departure 8,38 21,18 43,37 69,28 Total 7,72 20,35 44,27 73,03 Arrival 6,66 19,36 44,62 76,56 Mittelwert (min) Departure 7,99 21,01 42,87 68,82 Total 7,33 20,18 43,75 72,69 Standart- Arrival 0,39 1,01 1,43 1,65 abweichung (min) Departure 0,34 0,91 1,18 1,33 Total 0,36 0,96 1,30 1,49 Tabelle 16 - Abweichung der Cloning-Methode bei der Flugplanerstellung Ein Flugplan im März 2013 hat eine durchschnittliche Verzögerung von 31 Sekunden. Dabei haben die Abflüge eine durchschnittliche Verzögerung von 39 Sekunden und die Anflüge haben eine Verzögerung von durchschnittlich 23 Sekunden. Bei allen Simulationen wird von einer Priorisierung der Anflüge abgesehen. An- und Abflüge werden in der Simulation ohne eine Priorisierung abgewickelt und vom Simulationstool RucsimX gleichwertig behandelt. Die folgende Tabelle zeigt die relative sowie absolute Reduktion von Staffelungsabständen bei einer Luftverkehrszunahme von 20%. LGW Mrz % mehr Luftverkehr +20% Relative Reduktion Absolute Reduktion Mrz 13 LV 5,00% 10,00% 5s 10s Delay Arrival (s) Delay Departure (s) Delay Total (s) Delay Total (min) 0,52 7,30 3,90 2,12 3,03 1,22 Tabelle 17 - Separationsminimierung - März 2013 bei 20% mehr Luftverkehr Seite: 51

58 Bei einer Erweiterung des Flugplanes um 20% ist auffällig, dass die Verzögerungswerte im Vergleich zu London Heathrow sehr gering sind. Die Reduzierung der Staffelungen von 5% oder 5 Sekunden würden bereits sehr niedrige durchschnittliche Verzögerungswerte von etwa 234 Sekunden und 182 Sekunden ermöglichen. Tabelle 18 zeigt die Erweiterung des gleichen Flugplanes um 30% mit einer relativen und absoluten Reduzierung der Staffelungswerte. LGW Mrz % mehr Luftverkehr +30% Relative Reduktion Absolute Reduktion Mrz 13 LV 5,00% 10,00% 15,00% 5s 10s 15s Delay Arrival (s) Delay Departure (s) Delay Total (s) Delay Total (min) 0,52 20,35 10,77 5,75 2,98 8,27 3,28 1,33 Tabelle 18 - Separationsminimierung - März 2013 bei 30% mehr Luftverkehr Bei der Erweiterung des Flugplanes um 30% ist ebenfalls auffällig, dass nur eine geringe Reduzierung der Staffelungswerte notwendig ist, um bei einem erhöhten Luftverkehr akzeptable Verzögerungswerte zu erhalten. Bereits eine absolute Reduktion von 10% würde eine akzeptable durchschnittliche Verzögerung von 5,75 Minuten bewirken. Mit einer absoluten Reduktion von 10 Sekunden erhält man noch geringere Verzögerungswerte. Tabelle 19 zeigt die absolute und relative Reduktion der Staffelungswerte bei einer Erhöhung des Luftverkehrs um 40%. Mrz 13 LGW Mrz % mehr Luftverkehr +40% Relative Reduktion Absolute Reduktion LV 10,00% 15,00% 20,00% 10s 15s 20s Delay Arrival (s) Delay Departure (s) Delay Total (s) Delay Total (min) 0,52 44,27 15,93 7,68 3,45 8,58 2,93 1,10 Tabelle 19 - Separationsminimierung - März 2013 bei 40% mehr Luftverkehr Bei einer Erweiterung des Luftverkehrs um 40% ist eine Reduzierung der Staffelungsabstände von 20% oder 15 Sekunden notwendig, um akzeptable Seite: 52

59 Verzögerungswerte von 3,45 Minuten oder 2,93 Minuten zu erhalten. Die notwendige Reduzierung ist auch hier deutlich geringer als beim Flughafen London Heathrow. Tabelle 20 zeigt die notwendige Reduzierung der zeitlichen Staffelungsabstände bei einer Erhöhung des Luftverkehrs um 50%, dem wahrscheinlichsten Szenario der Challenges of Growth von Eurocontrol. Mrz 13 LGW Mrz % mehr Luftverkehr +50% Relative Reduktion Absolute Reduktion LV 15,00% 20,00% 25,00% 30,00% 15s 20s 25s Delay Arrival (s) Delay Departure (s) Delay Total (s) Delay Total (min) 0,52 73,03 19,53 9,50 4,57 2,25 7,95 2,90 1,03 Tabelle 20 - Separationsminimierung - März 2013 bei 50% mehr Luftverkehr Die relative Reduktion von 25% und die absolute Reduktion von 20 Sekunden schaffen akzeptable Verzögerungswerte bei einer Erweiterung des Flugplanes um 50%. Die notwendige Staffelungsreduktion ist auch hier geringer als beim Flughaben London Heathrow. Da der Flugplan im März 2013 allgemein sehr geringe durchschnittliche Verzögerungswerte aufweist, müssen die Staffelungswerte auch bei der Erhöhung des Luftverkehrs geringer als beim Flughafen London Heathrow reduziert werden. Da der Flughafen generell aber als sehr ausgelastet gilt (siehe Kapitel ) könnten die geringen Verzögerungswerte auch einen anderen Grund haben. Infolge der in Kapitel 2.4 erläuterten saisonalen Verkehrsverteilung wird darauf hin das Verkehrsaufkommen am Flughafen Gatwick untersucht. Seite: 53

60 In Abbildung 22 ist die monatliche Anzahl an Passagieren am London Gatwick Flughafen abgebildet. 53 Abbildung 22 Anzahl von Passagieren einzelner Monate - London Gatwick Sie macht deutlich, dass die Zahl der Passagiere im März im Gegensatz zum Monat August deutlich geringer ist. Die durchschnittliche Verzögerung ist im Flugplan vom März 2013 also bedingt durch den gewählten Monat derart gering. Um die notwendige Staffelungsreduzierung in Bezug auf die zukünftige Luftverkehrsnachfrage auch zu Spitzenzeiten feststellen zu können, wird der Flughafen London Gatwick zusätzlich mit einem Flugplan aus dem Monat August simuliert. Somit wird eine vollständige Prognose gewährleistet. London Gatwick August 2013 (LGW) Nach einem Simulationsdurchlauf mit einem Flugplan aus dem Monat August, stellt sich heraus, dass der Flugplan im selben Zeitintervall mit etwa Flügen über 7000 Flüge mehr als im März enthält. Die durchschnittliche Verzögerung liegt hier bei 142 Sekunden, also trotzdem einem akzeptablen Verzögerungswert. Das Histogramm in Abbildung 23 zeigt die Verteilung der einzelnen Verzögerungswerte. Auch bei einer durchschnittlichen Verzögerung von 142 Sekunden werden hier Verzögerungen von über 1200 Sekunden erreicht. Diese Verzögerungen pendeln sich unter den 53 Vgl. n.a., Gatwick airport sesonality (September 2008) unter: ( ) Seite: 54