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Application of metaheuristic and deterministic algorithms for aircraft reference trajectory optimization

Murrieta Mendoza, Alejandro (2017). Application of metaheuristic and deterministic algorithms for aircraft reference trajectory optimization. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Aircraft reference trajectory is an alternative method to reduce fuel consumption, thus the pollution released to the atmosphere. Fuel consumption reduction is of special importance for two reasons: first, because the aeronautical industry is responsible of 2% of the CO2 released to the atmosphere, and second, because it will reduce the flight cost.

The aircraft fuel model was obtained from a numerical performance database which was created and validated by our industrial partner from flight experimental test data. A new methodology using the numerical database was proposed in this thesis to compute the fuel burn for a given trajectory.

Weather parameters such as wind and temperature were taken into account as they have an important effect in fuel burn. The open source model used to obtain the weather forecast was provided by Weather Canada. A combination of linear and bi-linear interpolations allowed finding the required weather data.

The search space was modelled using different graphs: one graph was used for mapping the different flight phases such as climb, cruise and descent, and another graph was used for mapping the physical space in which the aircraft would perform its flight.

The trajectory was optimized in its vertical reference trajectory using the Beam Search algorithm, and a combination of the Beam Search algorithm with a search space reduction technique.

The trajectory was optimized simultaneously for the vertical and lateral reference navigation plans while fulfilling a Required Time of Arrival constraint using three different metaheuristic algorithms: the artificial bee’s colony, and the ant colony optimization.

Results were validated using the software FlightSIM®, a commercial Flight Management System, an exhaustive search algorithm, and as flown flights obtained from flightaware®. All algorithms were able to reduce the fuel burn, and the flight costs.

Titre traduit

Application d'algorithmes métaheuristiques et determinists pour l'optimisation de trajectoire de référence d'aéronefs

Résumé traduit

L'optimisation de la trajectoire de référence des aéronefs est une méthode alternative pour réduire la consommation de carburant, ainsi que pour réduire la pollution rejetée dans l'atmosphère. La réduction de la consommation de carburant revêt une importance particulière pour deux raisons: premièrement, l'industrie aéronautique est responsable de 2 % du CO2 rejeté dans l'atmosphère et deuxièmement, la réduction du coût du vol est important.

Le modèle de carburant de l'avion a été obtenu à partir d'un modèle de performance numérique qui a été créé et validé par notre partenaire industriel à partir des données expérimentales de vol. Une nouvelle méthodologie utilisant ce modèle a été proposée dans cette thèse pour calculer la consommation du combustible pour une trajectoire donnée.

Des paramètres météorologiques tels que le vent et la température ont été pris en compte car ils ont un effet important dans la combustion du carburant. Nous avons choisi comme les prévisions météorologiques fournies par Météo Canada comme modèle de l’atmosphère. Une combinaison des interpolations linéaires et bilinéaires dans la base des données fournies par Météo Canada a permis de trouver les données météorologiques requises.

L'espace de recherche a été modélisé en utilisant des graphiques différents : un mappage des différentes phases de vol et un mappage de l'espace physique où l’avion effectuait son vol.

La trajectoire a été optimisée dans le plan de référence verticale à l'aide d’une combinaison de l'algorithme de recherche en faisceau avec une technique de réduction de l'espace de recherche.

La trajectoire a également été optimisée simultanément dans le plan vertical et latéral de référence tout en respectant une contrainte requise d'arrivée en utilisant trois algorithms métaheuristiques différents: la colonie d'abeilles artificielles, et l'optimisation des colonies de fourmis.

Les résultats ont été validés en utilisant le logiciel FlightSIM ®, un système de gestion de vol commercial, un algorithme de recherche exhaustif et des vols effectués à partir de flightaware®. L’utilisation de tous les algorithmes a conduit à la réduction des coûts de vol.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fullfilment for the degree of doctor of aerospace engineering". Bibliographie : pages 250-266.
Mots-clés libres: Optimisation des trajectoires. Avions Trajectoires. Métaheuristiques. Avions Carburants Consommation Simulation par ordinateur. Algorithmes de colonies de fourmis. Vol Coût Contrôle. abeille, algorithme, colonie, deterministe, reference, trajectoire
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Botez, Ruxandra
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 10 nov. 2017 20:47
Dernière modification: 10 nov. 2017 20:47
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1960

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