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Optimisation des trajectoires verticales par la méthode de la recherche de l'harmonie

Ruby, Margaux (2017). Optimisation des trajectoires verticales par la méthode de la recherche de l'harmonie. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Face au réchauffement climatique, les besoins de trouver des solutions pour réduire les émissions de CO2 sont urgentes. L’optimisation des trajectoires est un des moyens pour réduire la consommation de carburant lors d’un vol.

Afin de déterminer la trajectoire optimale de l’avion, différents algorithmes ont été développés. Le but de ces algorithmes est de réduire au maximum le coût total d’un vol d’un avion qui est directement lié à la consommation de carburant et au temps de vol. Un autre paramètre, nommé l’indice de coût est considéré dans la définition du coût de vol. La consommation de carburant est fournie via des données de performances pour chaque phase de vol. Dans le cas de ce mémoire, les phases d’un vol complet, soit, une phase de montée, une phase de croisière et une phase de descente, sont étudiés. Des « marches de montée » étaient définies comme des montées de 2 000ft lors de la phase de croisière sont également étudiées.

L’algorithme développé lors de ce mémoire est un métaheuristique, nommé la recherche de l’harmonie, qui, concilie deux types de recherches : la recherche locale et la recherche basée sur une population. Cet algorithme se base sur l’observation des musiciens lors d’un concert, ou plus exactement sur la capacité de la musique à trouver sa meilleure harmonie, soit, en termes d’optimisation, le plus bas coût. Différentes données d’entrées comme le poids de l’avion, la destination, la vitesse de l’avion initiale et le nombre d’itérations doivent être, entre autre, fournies à l’algorithme pour qu’il soit capable de déterminer la solution optimale qui est définie comme : [Vitesse de montée, Altitude, Vitesse de croisière, Vitesse de descente].

L’algorithme a été développé à l’aide du logiciel MATLAB et testé pour plusieurs destinations et plusieurs poids pour un seul type d’avion.

Pour la validation, les résultats obtenus par cet algorithme ont été comparés dans un premier temps aux résultats obtenus suite à une recherche exhaustive qui a utilisée toutes les combinaisons possibles. Cette recherche exhaustive nous a fourni l’optimal global; ainsi, la solution de notre algorithme doit se rapprocher le plus possible de la recherche exhaustive afin de prouver qu’il donne des résultats proche de l’optimal global. Une seconde comparaison a été effectuée entre les résultats fournis par l’algorithme et ceux du Flight Management System (FMS) qui est un système d’avionique situé dans le cockpit de l’avion fournissant la route à suivre afin d’optimiser la trajectoire.

Le but est de prouver que l’algorithme de la recherche de l’harmonie donne de meilleurs résultats que l’algorithme implémenté dans le FMS.

Titre traduit

Vertical trajectory optimisation implemented the harmony search algorithm

Résumé traduit

Faced with global warming, needs to find solutions to reduce CO2 emissions are urgent, especially when considering the growth in air travel during recent decades. Trajectory optimisation is one of the ways to reduce fuel consumption during a flight.

In order to determine the optimal trajectory of the aircraft, several algorithms have been developed. The aim of these algorithms is to reduce the total cost of flight which is directly related to the consumption of fuel and flight time. Another parameter, named cost index is considered in the definition of the cost of flight. Fuel consumption is given by a performance database for each flight phase. In the case of this thesis, phases for a complete flight, including climbing, cruising and descent, are studied. A “step climb” is defined as a short climb of 2 000ft during the cruise phase is also studied.

The algorithm developed in this thesis is a metaheuristic algorithm named Harmony Search (HS) which combines two types of research: local search-based and population-based giving it a significant advantage. The algorithm is based on the search for a perfect state of harmony as is the case with music. The aim being to identify the most pleasant auditory experience, otherwise put, the best harmony. In terms of the optimization problem, the best harmony can be compared to finding the cheapest cost of flight. Various input data such as the weight of the plane, destination, initial speed of the plane and the number of iterations must be, among others, provided as input for the algorithm in order to be able to determine the optimal solution that is defined as: [Climb speed, Altitude, Cruise speed, Descent speed].

The algorithm was developed using MATLAB and tested for various destinations and weight of plane for one type of aircraft.

Algorithm based results were validated, initially, with results obtained from an exhaustive research that used all possible combinations. This exhaustive research provided the global optimal which was treated as a target value for Harmony Search optimal. Another comparison was completed between results from the algorithm and results from the Flight Management System (FMS) which is an on-board avionics system located in the cockpit, used to determine the flight path in order to optimize trajectory. The goal is to prove that the harmony search gives better results than the algorithm implemented in the FMS.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maitrise avec mémoire en genie aérospatial" Bibliographie : 109-112 pages.
Mots-clés libres: Optimisation des trajectoires. Avions Trajectoires. Métaheuristiques. Avions Carburants. Vol Coût Contrôle.
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Botez, Ruxandra
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 13 avr. 2017 14:00
Dernière modification: 13 avr. 2017 14:00
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1864

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