Simulation zur Evaluierung verschiedener Runway- Layouts Am Beispiel der Erweiterung des Flughafen Frankfurt International Airport ViLab Seminararbeit von Fabian Fett Abstract Diese Arbeit beschreibt die Simulation TAAM 61, die zur Evaluie- rung verschiedener Start- und Landebahn Baumöglichkeiten am Flughafen Frankfurt International Airport genutzt wurde. Dabei liegt ein besonderes Augenmerk auf dem Simulationsmittel Total Airspace and Airport Modeler und dessen Ein- und Ausgabewer- ten. Unerlässlich im Zusammenhang mit der Planung der Start- und Landebahnen ist die Erläuterung des Kapazitätsbegriffes und seiner Zusammenhänge. Ziel der Arbeit ist es das Verfahren, das zur Findung der Kennzahlen der Flugbetrieblichen Untersuchung TAAM 61 genutzt wurde, in Zusammenhang mit dieser aufzuzei- gen.
1. Einleitung 1.1 Entwicklungen im Luftverkehr Im Zuge der Globalisierung nimmt der Luftverkehr eine immer wichtigere Rolle im Transportwesen ein. Heutzutage werden ne- ben einer stetig steigenden Anzahl von Passagieren zusätzlich Waren in großem Umfang transportiert. Die Zahl der weltweit abgefertigten Passagiere ist von 1991 von 2 Mrd. auf 3,5 Mrd. 2003 gestiegen. Dies bedeutet ein Wachstum von 75%. Damit ein- her ging ein rasanter Anstieg der Flugbewegungen. Allein in Eu- ropa stieg die Zahl der Starts und Landungen im Zeitraum von 1991 bis 2003 um 9 Millionen. [Men07] Mit diesem Wachstum vollzog sich auch eine Änderung der Struk- tur der Fluggesellschaften. 1997 expandierte die Billigfluggesell- schaft Ryanair, die das Geschäftsmodell der amerikanischen Airline Southwest Airlines übernahm, in das europäische Fest- land. Damit war das Zeitalter der Billigfluggesellschaften in Euro- pa eingeleitet, welches das Wachstum des Flugmarktes durch Preisverfall weiter beschleunigte. 1.2 Kapazitätsprobleme im Luftraum und an den Flughäfen Durch das rasante Wachstum der Flugbewegungen kommt es heutzutage an Luftdrehkreuzen oftmals zu Überlastungen, die zu Verspätungen führen. Diese Verspätungen ziehen einen wirt- schaftlichen Schaden nach sich, den es zu verhindern gilt. Be- rühmte Beispiele für oftmals überfüllte Flughäfen und Lufträume finden sich um die Großstädte London und New York. Jedoch stößt auch der mit Abstand größte deutsche Flughafen Frankfurt International Airport heute an seine Kapazitätsgrenzen. 1.3 Ausbau des Flughafen Frankfurt Um auch in Zukunft das größte deutsche Luftfahrtdrehkreuz zu bleiben, wurde Anfang des Jahrtausends mit der Planung umfang- reicher Ausbaumaßnahmen für den Flughafen Frankfurt Interna- tional Airport begonnen. Diese Maßnahmen beinhalteten den Bau einer neuen Start- und Landebahn sowie den Aus- und Neubau von Terminals. Ziel dieser Bauvorhaben ist es Kapazitäten für 120 Flugbewegungen pro Stunde zur Verfügung zu stellen. Man geht davon aus, dass diese Kapazitäten an einem Spitzentag im Jahr 2015 benötigt werden. Für den Neubau einer vierten Start- und Landebahn standen ver- schiedene Baumöglichkeiten zur Verfügung. Diese Möglichkeiten wurden durch verschiedene Gutachten bewertet. Eine weitere Bewertung fand auf Grundlage der Simulation der verschiedenen Start- und Landebahnsysteme, die aus den verschiedenen Aus- baumöglichkeiten resultieren, statt. [DFS04] Man versucht folglich bereits vor der Fertigstellung der neuen Start- und Landebahn mögliche Probleme zu erkennen und ge- geneinander abzuwägen. Dies kann zu erheblichen Kostenerspar- nissen führen. Weiterhin kann so garantiert werden die maxima- len Kapazitätsvergrößerungen zu erreichen und somit weitere Ausbaumaßnahmen möglichst weit in die Zukunft zu verschieben.
2. Grundlagen 2.1 Ausbaumöglichkeiten am Flughafen Um die Kapazität des Flughafen Frankfurts zu vergrößern wurden drei verschiedene Start und Landebahnsysteme zur Diskussion gestellt, bei denen jeweils der Neubau einer Start- und Landebahn inbegriffen war. Diese umfassten eine mögliche Nordwest- Bahn, eine Nordost- Bahn oder eine Süd- Bahn. Nordwest Abbildung 1 Nordost Abbildung 1 zeigt schematisch die vorhandenen Start- und Lan- debahnen (blau) sowie die drei Ausbaumöglichkeiten (grün). [DFS04] Süd 2.2 Verzögerungsarten Innerhalb der durchgeführten Simulation werden alle Verzöge- rungen registriert. Diese können unterschieden werden. Das Sequencing- Delay bezeichnet alle Verzögerungen, die durch Richtungsänderung (Abweichung von der idealen Route), Ge- schwindigkeitsänderung und Holdings (Warteverfahren) bei an- fliegenden Flugzeugen verursacht werden. Alle Verzögerungen, die auf Rollwegen entstehen werden als Taxi- Delay bezeichnet. Das Gate- Delay kommt zustande, wenn abfliegende Flugzeuge ihr Gate nicht verlassen können. Ursachen dafür können verspätete Landungen sein (Probleme beim Einhalten der Minimum Turn Around Time ) oder die Blockade durch Bewegungen auf dem Rollfeld. Das Runway- Delay, das entsteht, wenn ein startbereites Flugzeug auf ein anfliegendes Flugzeug warten muss, wird an den Aufroll- positionen gemessen. Das Arrival- Delay setzt sich aus dem Sequencing- und Taxi- Delay zusammen, wogegen sich das Departure- Delay aus dem Gate-, Taxi- und Runway- Delay zusammensetzt. [DFS04] Für alle Verspätungsarten können sich Ursachen in der begrenz- ten Start- und Landebahnkapazität finden. Jedoch sind nur das Sequencing- Delay und das Runway- Delay vollständig der Start- und Landebahnkapazität geschuldet.
2.3 Grundlagen der Simulation mit TAAM Diskrete Simulati- on Die Simulation zur Evaluierung der verschiedenen Start- und Landebahnoptionen wurde mit Hilfe des Programms Total Airspace and Airport Modelers (TAAM) durchgeführt. Das Simula- tionsprogramm, das von der Preston Aviation Group entwickelt wurde, gehört heute zur Jeppessen Group, die eine Tochterfirma Boeings ist. Eine Simulation des TAAM wird mithilfe der diskreten Simulation durchgeführt. Bei der diskreten Simulation wird das Simulati- onsmodell, dass im Falle des TAAM den gesamten Luftraum und Flughafen inklusive aller Rollwege und Gates beschreibt, nach einem zeitlichen Takt verändert. 3. Kapazitätsbewertung von Landebahnen 3.1 Informationen zum Simulationsmittel TAAM Wie bereits in [2.3] festgestellt, wurde die Simulation mit dem Total Airspace and Aircraft Modeler (TAAM) durchgeführt. Das Simulationsprogramm beruht auf einem sehr detaillierten vier dimensionalen Model, dessen Detailgrad jedoch bei entsprechen- den Anforderungen abgeschwächt werden kann. Innerhalb der Simulation gibt es einige Zufallsereignisse, die die täglichen Schwankungen des Flugverkehrs simulieren. [BaFS02] Im Jahr 2000 wurde TAAMs Leistungsfähigkeit durch eine Unter- suchung der Eurocontrol von verschiedenen Luftfahrtexperten bestätigt. Da TAAM durch seine vielen Eingabedaten, auf die später einge- gangen wird, sehr wandlungsfähig ist, wurde er bereits in vielen Bereichen eingesetzt. Er wurde unter anderem bei der Kapazi- tätsbestimmung von Gates, Rollwegen und Startbahnen benutzt. Aber auch bei der Evaluierung von Verbesserungsvorschlägen und Ausbaumaßnahmen wurde TAAM bereits verwendet. Außer- dem wurden mit Hilfe von TAAM De- Iceing Vorgänge, Lautstärke- verhalten, Wettereinflüsse und Turn- Around- Prozeduren unter- sucht. Aber auch bei der Kapazitätsbestimmung von ATC (Air Traffic Control) Sektoren und deren Fluglotsenarbeitsaufwand wurde auf TAAM zurückgegriffen. Neue ATC Bestimmungen und Regelungen werden mit TAAM vor der Einführung einem Praxis- test unterzogen. [BaFS02] Anhand der Eingabedaten, die normalerweise das Flughafende- sign, die Flughafenumgebung, Flugpläne und ortspezifische Luft- sicherungsregeln umfassen, werden Konflikte gesucht und ver- sucht zu lösen. Verspätungen und ihre unterschiedlichen Folgen werden ebenfalls untersucht. Dabei werden die monetären Folgen in Treibstoffkosten und sonstige Kosten gesplittet. Außerdem werden die verschiedensten Statistiken erstellt in denen sämtli- che Bewegungen auf dem Flughafen und dessen Umfeld registriert werden. Zu diesen gehören: Rollweg- und Start- und Landebahn- belegung sowie die Benutzung von Luftstraßen, Lufträumen und deren Navigationspunkten. [BaFS02] Ein großer Nachteil der komplexen Berechnungen TAAMs ist die vergleichsweise lange Laufzeit im Vergleich zu weniger detaillier- ten Modellen. [Maj07 S.73f]
3.2 Kapazität: Definition und Abhängigkeiten Die Kapazität eines Flughafens wird normalerweise mit dessen Fähigkeit ein gegebenes Verkehrsvolumen aufzunehmen definiert. [BaFS02] Die Richtlinien der Airports Council International (ACI) und In- ternational Air Transport Association (IATA) definieren die Start- und Landebahnkapazität, die der wichtigste Faktor der Flughafen Kapazität ist, als die Anzahl der stündlich bedienten Flugbewe- gungen, die von einer einzelnen oder mehreren Start- und Lande- bahnen bedient werden. Laut [BaFS02] ist der wichtigste Faktor bei der Bestimmung der Kapazität einer Landebahn der Verkehrsmix. Dies resultiert aus den unterschiedlichen Sicherheitsabständen, die durch die ICAO Wirbelschleppenstaffelung vorgegeben werden: Folgen leichtere auf schwere Flugzeuge müssen größere Sicherheitsabstände ein- gehalten werden, um das kleiner Flugzeug vor Turbolenzen, die durch das vorausfliegende größere Flugzeug verursacht wurden, zu schützen. Ein weiterer Faktor, der die Start- und Landebahn- kapazität beeinflussen kann, ist das Vorhandensein der Exit- Taxiways. Taxiways, die zusätzlich ein schnelles Verlassen des Runways anbieten (45 Grad Winkel zur Landebahn), helfen die benötigte Runway- Benutzungszeit durch ein landendes Flugzeug weiter zu senken. Außerdem kann die Kapazität der Start- und Landebahn auch durch die Luftverkehrsführung des Air Traffic Controllers (ATC), die Art der Nutzung (Starts und Landungen auf einer Bahn oder Nutzung nur für Starts oder nur Landungen), das Wetter (Flug nach IFR oder VFR) und den technischen Ausbau der Anlagen zum Instrumentenanflug beeinflusst werden. 3.3 Berechnung der Kapazität Bei der Bestimmung der Kapazität einer Landebahn werden drei verschiedene Kapazitätswerte berechnet: die praktische Kapazi- tät, die theoretische oder Sättigungskapazität und die Unconstrai- ned Capacity. [Öko02 und BaFS02] Aus meiner Sicht kann die Un- constrained Capacity, auf die im Folgenden nicht weiter eingegan- gen wird, als Sonderfall der theoretischen Kapazität gesehen wer- den. Ihre Aussage ist in der praktischen Anwendung von keinem Nutzen. Die Berechnung der prakti- schen als auch der theoreti- schen Kapazität kann an einem Diagramm, das die Verspätung in Abhängigkeit von der Anzahl der stündli- chen Flugbewegungen dar- stellt, verdeutlicht werden. In Abbildung 2 ist zu sehen, wie mit steigender Anzahl Abbildung 2: Verspätung in Abhängigkeit der Kapazität/Flugbewegungen [BaFS02] an Flugbewegungen die Verspätung zunimmt. Die praktische Ka- pazität wird erreicht, wenn die Verspätung eine vorgegebene Zeitspanne erreicht. Das heißt, für jede Start- und Landebahn wird von vorn herein eine Verspätung einkalkuliert. Aus diesem Grund ist die praktische Kapazität zusätzlich von der gesetzten und geplanten Verspätung x abhängig. In Abbildung 2 ist die prak- tische Kapazität mit λpx bezeichnet.
Die theoretische Kapazität, in der Abbildung mit λs beschriftet, beschreibt die Anzahl an Flugbewegungen bei der die Verspätung gegen unendlich geht. 4. Durchführung der Simulation am Flughafen Frankfurt und Auswertung der gewonnen Daten 4.1 Berücksichtigte Daten Eine für die Simulation notwendige Grundlage war die Eingabe verschiedenster Daten um die Simulation starten zu können. Dazu wurde das gesamte Rollfeld inklusive aller Gates und Rollwege modelliert. Dies geschah inklusive der neuen möglichen Bahnsys- teme und deren Auf- und Abrollmöglichkeiten. Auch der den Flughafen umgebene Luftraum wurde modelliert. Auf diese Art und Weise konnte sicher gestellt werden, dass die Simulation auf Ab- und Anflugverfahren und Rollverfahren zurückgreift, die spä- ter auch im tatsächlichen Betrieb genutzt werden können. In Abbildung 3 (andere Seite) kann das An- und Abflugverfahren 25 für die Ausbauvariante Nordwest gesehen werden. Dabei sind in dunkelgrün die Abflugverfahren und in den anderen Farben die Anflugverfahren über die unterschiedlichen Navigationspunkte (GED orange, ETARU hellgrün, EPID violett, PSA hellblau) dargestellt. Für jede der Ausbauvarianten gibt es zwei unter- schiedliche Luftraumpläne, die sich in der Führung der Luftwege unterscheiden jedoch nicht in den für die Navigation wichtigen Navigationspunkten. Die zwei unterschiedlichen Luftraumpläne pro Bahnsystem resultieren aus der Anforderung für jedes Bahn- design verschiedene An- und Abflugverfahren anzubieten, um sich auf ändernde Windbedingungen einstellen zu können. (Gestartet und gelandet wird immer mit Gegenwind.) In [DFS04] können die fünf anderen Luftraumpläne eingesehen werden. Abbildung 3: Ausbauvariante Nordwest: Luftraum inklusive Navigationspunkte bei An- und Abflugverfahren 25 [DFS04] Des Weiteren wurden auch die für den Flughafen Frankfurt typi- schen Flugregeln berücksichtigt. Diese betrifft unter anderem Gleitpfade (zum Endanflug), Staffelungsabstände für den Ab- und Anflug nach ICAO, Geschwindigkeitsvorgaben und Steig- und Sinkraten. Aufgrund der Nähe der Start- und Landebahnen zu einander be- stehen zwischen den Start- und Landebahnen Abhängigkeiten.
Diese Abhängigkeiten wurden durch Matrizen dargestellt und ebenfalls in der Simulation berücksichtigt. Eingesehen werden können diese in [DFS04]. Auch der unterschiedliche Bedarf an An- und Abflügen wurde be- rücksichtigt. In Abbildung 4 ist zu sehen, wie der Bedarf der Gesamtflugbewegungen über den Tag nahezu konstant bei 120 liegt. Jedoch gibt es Unterschiede in der Anzahl der Starts und Landungen. Dies resultiert aus dem Fakt, dass Frankfurt eines der Drehkreuze der Fluggesellschaft Lufthansa und damit der Luftfahrtallianz Star Alliance ist. Das heißt, in Frankfurt werden zunächst viele Passagiere zusammengeführt (viele Landungen) und danach auf Ihre Destinationen verteilt (viele Starts). Abbildung 4: Flugbewegungen am Flughafen Frankfurt an einem Spitzentag 2015. Geschätzt. [DFS04] 4.2 Auswertung der gewonnen Daten Die Simulationsergebnisse wurden gewonnen, indem der in Ab- bildung 4 dargestellte Flugplan vom simulierten Flughafen abge- arbeitet werden musste. Dabei konnten durchschnittliche Ver- spätungen aufgrund der begrenzten Flughafenkapazität bestimmt werden. Jedoch enthält der ermittelte Wert in diesem Fall auch Verzögerungen, die nicht durch die begrenzte Start- und Lande- bahnkapazität hervorgerufen wurden. (Siehe 2.2 Zusammenset- zung der Verzögerungen). Die entsprechenden Faktoren konnten erkannt werden und aus der Bewertung gestrichen werden. Der berechnete Wert ist der sogenannte Wert nach 4 Minuten Kriteri- um. Dessen Name stammt aus der Annahme, dass die reine Verzö- gerung, die aufgrund der begrenzten Start- und Landebahnkapazi- tät entsteht nicht größer als 4 Minuten sein sollte. Dies steht in Zusammenhang mit der sonst festgelegten praktischen- Kapazität (siehe 3.3), die meist keine größere Verzögerung als 4 Minuten zulässt. Zusätzlich muss beachtet werden, dass aufgrund der unterschied- lichen Operationsrichtungen der Bahnen für jede Konfiguration zwei Werttripel (bestehend aus Arrival- Delay, Abflug- Delay, Ge- samt- bzw. Durchschnitts- Delay) erstellt wurden. In Abbildung 5 kann man die Endergebnisse der Simulation gra- fisch dargestellt sehen. Dabei fällt auf, dass die Departure- Delays (rot) grundsätzlich größer sind als die Arrival- Delays (blau). Dies ist auf die Abhängigkeit der Startbahnen untereinander zurückzu- führen [DFS04]. Außerdem ist zu sehen, dass die Variante der zu- sätzlichen Südbahn in allen Bewertungskategorien von den Nord- bahnen dominiert wird. Weiterhin dominiert die Nordwestbahn
die Nordostbahn in allen Kategorien außer dem Abflug bei Opera- tionsrichtung 25. Festzustellen ist das beide Nordbahnen das 4 Minuten Kriterium in beide Operationsrichtungen erfüllen (Bei dieser Betrachtung wird lediglich der Durchschnittswert des Arri- val- und Departure- Delays berücksichtigt). Letztendlich mussten sich die Verantwortlichen zwischen den Optionen Nordwest- oder Nordostbahn entscheiden. Der Ent- schluss wurde zugunsten der Nordwestbahn gefällt, welche sich momentan im Bau befindet. Abbildung 5 5. Zusammenfassung und Beurteilung Die Simulation zur Evaluierung der verschiedenen Start- und Landebahnoptionen hat die Stärken der Simulation im Bereich der Verkehrsplanung aufgezeigt. Besonders positiv hervorzuhe- ben ist hierbei, mit welchem Detailgrad die Simulation durchge- führt werden konnte. Dem hohen Detailgrad war es jedoch auch geschuldet sehr genaue und detaillierte Vorarbeit zu leisten. Mit Hilfe des von der deutschen Luftsicherung durchgeführten Gut- achtens konnte die Südbahn frühzeitig als ineffektiv erkannt wer- den.
Quellen [Men07] Mensen, H.; 2007: Planung, Anlage und Betrieb von Flugplätzen, SpringerLink [DFS04] DFS Deutsche Flugsicherung GmbH; 2004: Ausbau Flughafen Frankfurt Main A 3 Flugbetriebliche Untersuchungen [BaFS02] M. Bazargan, K. Fleming, P. Subramanian; 2002: A Simulation Study to Investigate Runway Capacity Using TAAM Veröffentlicht in Proceedings of 2002 Winter Simulation Conference [Öko02] Öko- Institut e.v.; 2002: Definition der Kapazitätsbegriffe und Darstellung der Zusammenhänge zwischen praktischer Kapazität, Ko- ordinationseckwert und Jahresflugbewegungen [Maj07] Majumdar, A.; 2007: Understanding En- Route Sector Capacity in Europe in European Air Traffic Management Hrsg. Andrew Cook