Modelling landside airport operations for performance evaluation

Abstract

The ever-increasing growth in air transport implies increasing demand for airport services, which further propagates into the need for providing more efficient airport terminal services. The airport terminal constitutes a major element of the airport system, since increased congestion levels in airport terminals may cause delays in flights and deteriorate passenger perception on the level of service offered. Decision making for airport terminal planning, design and operations management is a challenging task, since the airport terminal is a highly complex system, incorporating significant trade-offs regarding alternative operational policies and physical terminal layout concepts. The implementation of an operational concept that may enhance the efficiency of a facility may deteriorate the performance of another, with negative impacts on overall system performance. Therefore, the focus must be placed on overall system rather than on individual airport terminal processes and facilities. Moreover, airport stakeholders have a vested interest in assessing the impact of their decisions regarding alternative terminal layout concepts and operational policies on overall airport terminal system performance. In this context, several analysis techniques, supported by the appropriate mix of models, tools, concepts and technologies, have been deployed to assist the decision-making and implementation process for dealing with the complexities of contemporary airport terminal management and optimization of airport terminal operations. Existing models and tools for airport terminal analysis and performance assessment are too specific (i.e., models of specific airports) or general simulation platforms that require substantial airport modelling effort. In addition, they are either too detailed (i.e., microscopic) or too aggregate (i.e., macroscopic), affecting, respectively, the flexibility of the model to adapt to any airport and the level of accuracy of the results obtained. Therefore, there is a need for a generic decision support tool that will incorporate sufficient level of detail for assessing airport terminal performance. To bridge this gap, a generic, mesoscopic model for airport terminal performance analysis has been developed, that strikes a balance between flexibility and realistic results, adopting a system dynamics approach. In this respect, the overall objective of this thesis is to develop a generic, yet flexible and easily customizable mesoscopic system dynamics model for the analysis and evaluation of airport terminal performance. To this end, the proposed model has been built on the basis of accounting for the following key design model characteristics: i) a mesoscopic model, that focuses on the aggregate characteristics of interest, capable to support strategic decision-making by incorporating intermediate level of detail, while providing sufficient degree of realism in representing airport terminal operations and accuracy in model results, ii) a generic model, capable to describe the common structure of any airport, in terms of processes/facilities and functional areas, and iii) a flexible model that can be customized in a user-friendly way to adequately reflect the local characteristics of any airport terminal, given their complexity and diversity. The proposed model allows decision-makers and analysts to perform impact and trade-off analyses with respect to a variety of performance measures (i.e., capacity, delays/waiting times, level of service, resource utilization, passenger accumulations at various terminal facilities and functional areas and at various time frames, etc.), to develop "what-if" scenarios in a user-friendly way, and to assess the impacts of e.g., new operational policies, changes in the traffic volumes or passenger profile, adoption of advanced technologies, changes in the terminal layout, terminal expansions, etc. In this respect, the proposed model is easily adaptable both to possible future transformations and expansion of the airport terminal, and to changes in the operational policies followed by the airport. Based on the above, the overall thesis is structured according to the following research activities: - highlighting the need for a mesoscopic, generic, yet flexible model for airport terminal analysis and performance assessment - demonstrating the need for adopting a new approach for airport terminal modelling - describing the overall methodological framework followed for the development of the proposed model, providing insight to the conceptual framework adopted, the airport terminal domain ontology developed, and the model architecture adopted - demonstrating the model design, using system dynamics - presenting the data requirements and the expected results of the model - validating the model results through the model validation activities performed - presenting the model demonstration through model application using real data at an airport terminal - presenting an overview of model capabilities and future research directions....

Η διαρκής ανάπτυξη των αεροπορικών μεταφορών συνεπάγεται την αύξηση της ζήτησης για τις υπηρεσίες αεροδρομίων, κάνοντας επιτακτική την ανάγκη για παροχή αποτελεσματικότερων υπηρεσιών τερματικών σταθμών αεροδρομίων. Ο επιβατικός τερματικός σταθμός αποτελεί βασικό στοιχείο του συστήματος του αεροδρομίου, καθώς η αύξηση των προβλημάτων συμφόρησης σε τερματικούς σταθμούς αεροδρομίων μπορεί να οδηγήσει σε καθυστερήσεις πτήσεων και σε σημαντικές αρνητικές επιπτώσεις στο επίπεδο εξυπηρέτησης που παρέχεται στο επιβατικό κοινό. Η λήψη αποφάσεων για το σχεδιασμό και τη διαχείριση επιβατικών τερματικών σταθμών αεροδρομίων αποτελεί ένα ιδιαίτερα δύσκολο έργο, καθώς πρόκειται για ένα εξαιρετικά περίπλοκο σύστημα, που περιλαμβάνει σημαντικές αλληλεπιδράσεις (trade-offs) των εναλλακτικών χωροταξικών διατάξεων (layouts) των λειτουργιών των επιβατικών τερματικών σταθμών αεροδρομίων και των επιχειρησιακών πολιτικών. Η υλοποίηση μίας πολιτικής επιχειρησιακής λειτουργίας που μπορεί να ενισχύσει την αποδοτικότητα μιας διαδικασίας ενδέχεται να επιδεινώσει την απόδοση κάποιας άλλης διαδικασίας, με αρνητικές επιπτώσεις στη συνολική απόδοση του συστήματος. Συνεπώς, κρίνεται αναγκαίο να δοθεί έμφαση στο συνολικό σύστημα και όχι μόνο σε μεμονωμένες διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα στον επιβατικό τερματικό σταθμό του αεροδρομίου. Επίσης, οι εμπλεκόμενοι φορείς του αεροδρομίου ενδιαφέρονται για την εκτίμηση και αποτίμηση των επιπτώσεων των αποφάσεών τους σχετικά με εναλλακτικές χωροταξικές διατάξεις (layouts) τερματικών σταθμών αεροδρομίων και εναλλακτικές επιχειρησιακές πολιτικές στη συνολική απόδοση του συστήματος επιβατικών τερματικών σταθμών αεροδρομίων. Στο πλαίσιο αυτό έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνικές ανάλυσης, συνοδευόμενες από τον κατάλληλο συνδυασμό προτύπων και εργαλείων, για να υποστηρίξουν τη διαδικασία λήψης αποφάσεων για την αντιμετώπιση της πολυπλοκότητας της διαχείρισης και αξιολόγησης των λειτουργιών της χερσαίας πλευράς αεροδρομίων. Τα υπάρχοντα πρότυπα και εργαλεία για την ανάλυση επιβατικών τερματικών σταθμών αεροδρομίων μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες με βάση την προσέγγιση προτυποποίησης που χρησιμοποιείται: i) τα αναλυτικά πρότυπα, και ii) τα πρότυπα προσομοίωσης. Τα αναλυτικά πρότυπα είναι αναγκαστικά απλοποιημένες σε σχέση με τα πρότυπα προσομοίωσης μαθηματικές αναπαραστάσεις των διαδικασιών που λαμβάνουν χώρα σε επιβατικούς τερματικούς σταθμούς αεροδρομίων, που συνήθως αποτελούνται από ένα σύνολο απλών ή σύνθετων εξισώσεων. Τα αναλυτικά πρότυπα στην πλειοψηφία τους είναι μακροσκοπικά (macroscopic) και η κύρια χρήση τους αφορά στη στήριξη στρατηγικών αποφάσεων. Αποδίδουν τα χαρακτηριστικά των διαδικασιών των επιβατικών τερματικών σταθμών αεροδρομίων που περιγράφουν με συγκεντρωτικό τρόπο, και συνεπώς έχουν την τάση να παραλείπουν τη λεπτομέρεια σε βάθος. Επιπλέον, έχουν την τάση να (υπερ)απλουστεύουν πολλές υποθέσεις (π.χ., οι μεταβλητές θα πρέπει να ακολουθούν μια συγκεκριμένη κατανομή ή ένα συγκεκριμένο συνδυασμό κατανομών), θυσιάζοντας έτσι το επίπεδο ακρίβειας των αποτελεσμάτων. Αντίθετα, τα πρότυπα προσομοίωσης στοχεύουν σε πολύ πιστή απεικόνιση των διαφόρων διαδικασιών που λαμβάνουν χώρα σε έναν επιβατικό τερματικό σταθμό αεροδρομίου. Τα υπάρχοντα πρότυπα προσομοίωσης υπάγονται είτε σε γενικές πλατφόρμες προσομοίωσης, ή σε μοντέλα συγκεκριμένων αεροδρομίων, ή ακόμα και σε μοντέλα συγκεκριμένων διαδικασιών που λαμβάνουν χώρα σε επιβατικούς τερματικούς σταθμούς αεροδρομίων. Τα πρότυπα προσομοίωσης είναι συνήθως μικροσκοπικά (microscopic), ενσωματώνοντας υψηλό επίπεδο λεπτομέρειας. Τα εν λόγω πρότυπα είναι σχεδιασμένα ώστε να επιλύουν λειτουργικά (operational) κυρίως θέματα. Επιπλέον, τα πρότυπα προσομοίωσης απαιτούν γενικά περισσότερο χρόνο και προσπάθεια για την ανάπτυξη και λειτουργία τους από ό,τι τα μακροσκοπικά. Συνοψίζοντας, τα υπάρχοντα πρότυπα είναι είτε υπερβολικά λεπτομερή (detailed) ή υπερβολικά συγκεντρωτικά (aggregate), επηρεάζοντας αντίστοιχα την ευελιξία του προτύπου να προσαρμόζεται σε κάθε αεροδρόμιο και το επίπεδο ακρίβειας των αποτελεσμάτων. Συνεπώς, υπάρχει ανάγκη για ένα πρότυπο στήριξης αποφάσεων για την αξιολόγηση της απόδοσης επιβατικών τερματικών σταθμών αεροδρομίων, το οποίο θα ενσωματώνει επαρκές επίπεδο λεπτομέρειας. Για να γεφυρωθεί αυτό το χάσμα, αναπτύχθηκε ένα γενικό, μεσοσκοπικό πρότυπο με τη χρήση της μεθοδολογίας Ανάλυσης Δυναμικής Συστημάτων (System Dynamics) για την ανάλυση της απόδοσης επιβατικών τερματικών σταθμών αεροδρομίων, που επιτυγχάνει ισορροπία μεταξύ ευελιξίας, ταχύτητας και ρεαλιστικών αποτελεσμάτων...