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VISIÓN HOLÍSTICA DE LA GESTIÓN DEL TRÁFICO AÉREO BASADA EN RETOS: ANÁLISIS DE DEMANDA, PREDICTIBILIDAD Y SEGURIDAD DE TRAYECTORIAS

Coordinador(a): ROSA MARIA ARNALDO VALDES
Centro: E.I. AERONAUTICA Y DEL ESPACIO
Nivel: Nivel 2. Proyectos promovidos por otros colectivos de profesores de la UPM
Código: IE1718.1405
Línea: E4. Aprendizaje Basado en Retos
Palabras clave:
  • Aprendizaje Activo
  • Aprendizaje Adaptativo
  • Aprendizaje Basado en Problemas
  • Aprendizaje Basado en Retos (ABR)
  • Aprendizaje Colaborativo
  • Aprendizaje Cooperativo
  • Aprendizaje Experiencial
  • Aprendizaje Orientado a Proyectos
  • Autoaprendizaje-Aprendizaje Autónomo
  • Calidad en la enseñanza
  • Competencias específicas
  • Competencias transversales
  • Coordinación docente horizontal
  • Elaboracion material docente
  • Evaluación de competencias transversales
  • Evaluación del aprendizaje
  • Evaluación del desempeño
  • Interdisciplinariedad/multidisdiplinariedad
  • Máster
  • Método Análisis de Casos
  • Planificación y coordinación docente
  • Trabajo en Equipo/Grupo
Miembros de la comunidad UPM que lo componen
Nombre y apellidos Centro Plaza Email
ROSA MARIA ARNALDO VALDES E.I. AERONAUTICA Y DEL ESPACIO TITULAR UNIVERSIDAD rosamaria.arnaldo[at]upm[dot]es
JAVIER CRESPO MORENO E.I. AERONAUTICA Y DEL ESPACIO TITULAR UNIVERSIDAD javier.crespo[at]upm[dot]es
ALVARO RODRIGUEZ SANZ E.I. AERONAUTICA Y DEL ESPACIO L.D. AYUDANTE alvaro.rodriguez.sanz[at]upm[dot]es
JAVIER ALBERTO PEREZ CASTAN E.I. AERONAUTICA Y DEL ESPACIO L.D. AYUDANTE javier.perez.castan[at]upm[dot]es
ANA DEL ROCIO BARRAGAN MONTES E.I. AERONAUTICA Y DEL ESPACIO L.D. AYUDANTE rocio.barragan[at]upm[dot]es
VICTOR FERNANDO GOMEZ COMENDADOR E.I. AERONAUTICA Y DEL ESPACIO TITULAR UNIVERSIDAD fernando.gcomendador[at]upm[dot]es
Yolanda Portillo Centro fuera de la UPM OTROS NO UPM yportillo[at]enaire[dot]es
DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

El Máster Universitario en Sistemas del Transporte Aéreo (MUSTA) se comenzó a impartir en el curso 2014/2015 para cubrir la demanda de profesionales del sector del Transporte Aéreo por parte de la industria. En el primer semestre del Máster se imparten asignaturas troncales y comunes a los distintos campos, mientras que en el segundo semestre los alumnos eligen entre varias especialidades: Aeropuertos y Transporte Aéreo, Gestión del Tránsito Aéreo, Seguridad Aérea y Sistemas Electrónicos Aeroespaciales. Un esquema de la organización docente del Máster se encuentra en la Figura 1.

Este proyecto de innovación educativa tiene como objetivo plantear los diferentes retos que supone el análisis de la gestión e integración real de trayectorias aéreas en el espacio aéreo. Así, este proyecto enlaza las bases de asignaturas de diferentes especialidades: “Análisis de la demanda del transporte”, de Aeropuertos y Transporte Aéreo, “Predicción, optimización y sincronización de trayectorias” de Gestión del Tránsito Aéreo, y “Modelización de seguridad y del riesgo de colisión”, de la especialidad de Seguridad Aérea. Todas ellas tienen el nexo común de analizar el ciclo de vida de las trayectorias de la aviación comercial. Además, todos los profesores que trabajan en este proyecto son miembros del Grupo de Investigación de Navegación Aérea (GINA) de la UPM.

Figura 1. Especialidades y asignaturas del MUSTA involucradas en el proyecto de innovación educativa

https://drive.google.com/open?id=1MGTiN1Ju-hiOtcUVpXs2kOOzCypiov3d

Los estudiantes en equipos afrontarán un reto real tomando un papel activo en su formación para adquirir el conocimiento sobre la operativa actual y futura relativa a la planificación y ejecución de vuelos y la problemática Capacidad - Demanda - Seguridad en la Gestión del Tráfico Aéreo. La interacción con otros equipos con roles diferentes involucrará la adquisición de una gran variedad de competencias.

Los alumnos de la especialidad de Aeropuertos y Transporte Aéreo trabajarán en el análisis histórico y en el establecimiento de una demanda esperada de tráfico desde el punto de vista del gestor de la planificación de la red de transporte aéreo (“Network Manager Planificador”). Para ello aplicarán la metodología recomendada por la Organización Internacional de Aviación Civil (OACI, Doc. 8991, Manual de Previsión de Tráfico Aéreo) y EUROCONTROL (Statistics and Forecast Service - STATFOR):

  • Recopilarán series históricas de las variables que se van a pronosticar, separadas por meses para detectar estacionalidad.
  • Ajustarán la serie para solucionar errores (por ejemplo, fallos en el registro de datos), eventos anormales, longitud del mes, fiestas que no tienen una fecha fija como la Semana Santa, etc.
  • Definirán un día tipo (busy day) que sea representativo de la operativa y que permita establecer un escenario de análisis para las fases futuras del proyecto.
  • Determinarán los segmentos involucrados (nacional, internacional), con el objetivo de establecer prognosis parciales.
  • Generarán la previsión a corto plazo utilizando modelos autorregresivos integrados de media móvil (ARIMA) o modelos más sencillos (Holt-Winters o suavización exponencial simple). De esta forma, proyectarán el día tipo a futuro, proporcionando la prognosis de tráfico al resto de agentes involucrados en el proyecto. Esto permitirá establecer planes de vuelo y analizar la posible necesidad de resolver conflictos.
  • Analizarán las variables explicativas de la evolución de tráfico, lo que permitirá ajustar cualitativamente el resultado del modelo matemático.
  • Desarrollarán intervalos de validez (escenarios base, alto y bajo) en función de lo exacto que el modelo ha sido para diagnosticar el tráfico en meses anteriores (calibración ex-post o según prognosis anteriores).
  • Ajustarán los resultados imponiendo la coherencia dentro de las jerarquías de la serie (la previsión del tráfico total debe ser igual a la suma de las previsiones parciales de los distintos segmentos) y atendiendo a las estrategia de las compañías aéreas.

En la Figura 2 se muestra la metodología seguida para la prognosis de tráfico.

Figura 2. Metodología de previsiones a corto plazo para pares de regiones. Fuente: EUROCONTROL Two-Year Forecast 2012-2014 (2012).

https://drive.google.com/open?id=1mVnkS8FMrhPuHtlKtdNBphvJMM99hnUP

El reto para los alumnos de “Análisis de la demanda del transporte” consistirá en analizar el tráfico histórico y generar una prognosis futura de la demanda, que permita: (a) comprender lo que está sucediendo en el desarrollo del tráfico aéreo, (b) planificar una respuesta a las futuras necesidades de tráfico aéreo (capacidad y resolución de conflictos), y (c) conciliar las estrategias de las aerolíneas involucradas. El reto se evaluará comprobando la fiabilidad del modelo de prognosis (capacidad para explicar la evolución del tráfico y habilidad para pronosticar su evolución), mediante la comparación con las trayectorias finalmente voladas.

Los alumnos de la especialidad de Gestión de Tránsito Aéreo trabajarán sobre las trayectorias desde el punto de vista de las “Aerolíneas”:

  • Por una parte, definirán la estrategia de la compañía, definiendo las rutas a volar, sus perfiles verticales óptimos y los espacios aéreos a sobrevolar. Estos datos, junto con la información de los datos históricos, son necesarios para analizar la demanda y realizar una prognosis del tráfico por parte del “Network Manager Planificador”
  • Por otra parte, crearán los planes de vuelo de acuerdo con los slots asignados. Esta información será fundamental para el “Network Manager de Seguridad”, quien recibirá todos los planes de vuelo y calculará la probabilidad de conflictos y los posibles ajustes de tiempos de despegue (Calculated Take Off Time, CTOT) a realizar.
  • Finalmente, las trayectorias se volarán extrayendo posteriormente la información relativa a:
    • Posición 4D de la aeronave: latitud, longitud, altitud y tiempo
    • Distintas fases de vuelo
    • Consumo de combustible
    • Sectores sobrevolados
  • Predictibilidad con respecto al plan de vuelo planificado

En función de los recursos disponibles, se podría simular un Sistema de Control del Tránsito Aéreo. De esa forma, las trayectorias se volarían en tiempo real y estarían sujetas a autorizaciones y modificaciones por parte de Controladores aéreos.

El reto para los alumnos de “Predicción, optimización y sincronización de trayectorias” consistirá en planificar desde el punto de vista de la aerolínea todas las fases que afectan a la trayectoria, manteniendo su estrategia de negocio.

Los alumnos de la especialidad de Seguridad Aérea trabajarán sobre las trayectorias planificadas y obtenidas en los puntos anteriores para analizar el riesgo de conflicto entre aeronaves y la detección y resolución de potenciales conflictos. Para ello los alumnos adoptarán el rol del gestor de tránsito aéreo “EUROCONTROL” y en particular del gestor de trayectorias “Network Manager de Seguridad”. En particular, las tareas a realizar por los alumnos serán:

  • A partir de la prognosis de tráfico propuesta por el “Network Manager Planificador”, los alumnos implementarán una metodología para obtener la probabilidad de conflicto entre los flujos de tráfico aéreo. Para ello será necesario comprender, desarrollar y aplicar los siguientes conceptos: diseño del espacio aéreo, análisis de flujos de la demanda de tráfico aéreo, comprensión de las trayectorias voladas, indicadores de seguridad operacional (geometría de conflicto, probabilidad de conflicto, riesgo, etc.).
  • A partir de las trayectorias proporcionadas por las “Aerolíneas”, los alumnos analizarán en detalle una planificación de planes de vuelo para un día tipo. El objetivo es detectar y resolver potenciales conflictos sobre una planificación real del mismo modo que lo ejecutaría el “Network Manager de Seguridad”.

Así, con todas las tareas anteriores los alumnos de “Modelización de seguridad y del riesgo de colisión” habrán asumido el reto de comprender el funcionamiento del “Network Manager de Seguridad” para la detección y resolución de conflictos en la fase de planificación y entenderán cómo afecta el diseño del espacio aéreo y la demanda sobre el la probabilidad/riesgo de conflicto entre aeronaves.

En la Figura 3 se muestra la interacción entre las distintas asignaturas y el flujo de información de la trayectoria en cada etapa.

Figura 3. Esquema del flujo de información

https://drive.google.com/open?id=1XCcjprerOwSQQOj5yz_KJiGtfDd8CYdC

OBJETIVOS DEL PROYECTO

El aprendizaje basado en proyectos de aplicación real es una estrategia de enseñanza basada en el alumnado como protagonista de su propio aprendizaje. En el proyecto propuesto, esta metodología educativa se desarrolla a partir de retos asociados a problemas reales que los alumnos deben tratar de resolver.

En este metodología, la adquisición de conocimientos tiene la misma importancia que el desarrollo de habilidades y actitudes, que serán fundamentales a la hora de enfrentarse a su entorno laboral futuro.

Se basa en la necesidad de cambiar el paradigma del proceso de aprendizaje, que se desarrolla sin saber su justificación para la vida laboral futura, a un aprendizaje con sentido aplicado. Un nuevo paradigma que da el protagonismo al alumnado evitando su papel pasivo del sistema de contenidos y trabajando desde su participación activa y crítica para que alcance los aspectos clave definidos en el proyecto.

Esta metodología educativa se plantea como algo fundamental para lograr titulados con pensamiento científico y resolutivo.

  • Familiarizar a los alumnos con la problemática Capacidad - Demanda - Seguridad en la Gestión del Tránsito Aéreo, que constituye uno de los pilares fundamentales de los futuros conceptos operacionales tanto de OACI (Organización Internacional de Aviación Civil) como del proyecto SESAR (Single European Sky ATM Research).
  • Aportar una visión global de los procesos que intervienen en la Gestión del Tránsito Aéreo (Air Traffic Management, ATM) relativos a las trayectorias de las aeronaves.
  • Comprender el punto de vista de los distintos actores que intervienen en la definición y modificación de la trayectoria.
  • Manejar conceptos actuales y futuros que intervendrán en la definición de las trayectorias solicitadas, autorizadas y finalmente voladas.
  • Descubrir de forma holística las necesidades de desarrollo para la implantación de una red ATM de altas prestaciones.
  • Conocer las técnicas de previsión y evaluación de comportamientos de la demanda, integrando los diferentes elementos que influyen en el modo de transporte aéreo.
  • Evaluar el impacto de la planificación en el desarrollo final de las trayectorias aéreas.
  • Comprender conceptos complejos de la seguridad operacional aplicada al tráfico aéreo y la importancia de desarrollar una cultura de seguridad basada en el análisis previo de la seguridad operacional.
  • Promover la colaboración interdisciplinar entre alumnos de distintas especialidades trabajando en el mismo ámbito.
  • Fomentar el trabajo en grupo inter-asignaturas, como ejemplo a escala de la necesidad futura (colaboración interdisciplinar) de los alumnos en su vida laboral.
  • Desarrollar el concepto de educación basada en retos y aplicaciones prácticas de los conocimientos teóricos.
  • Crear cohesión como grupo en una fase de trabajo aplicado a problemas reales.
  • Acostumbrar a los alumnos a resolver problemas con plazos establecidos y atendiendo a las necesidades de diferentes agentes.
  • Trabajar y desarrollar competencias transversales de diferentes especialidades dentro de la titulación.
  • Evaluar los conocimientos adquiridos de los alumnos.
ALCANCE Y PÚBLICO OBJETIVO AL QUE SE DIRIGE

Titulación/es Grado:
Titulación/es Máster:
  • MU EN SISTEMAS DEL TRANSPORTE AEREO
  • Nº de Asignatura/s: 3
    Centro/s de la UPM:
  • E.I. AERONAUTICA Y DEL ESPACIO
  • FASES DEL PROYECTO Y ACCIONES QUE SE VAN A DESARROLLAR

    El proyecto se llevará a cabo durante el segundo semestre del curso 2017/2018.

    1. Enero 2018: Preparación de materiales y datos a utilizar.
    2. Febrero 2018: Formación de los alumnos.
      1. “Network Manager Planificador”: Análisis de tráfico histórico, revisión de las metodologías existentes para el cálculo de previsiones y evaluación de las variables implicadas en la demanda de transporte aéreo.
      2. “Aerolíneas”: Estrategias empresariales para vuelos óptimos.

    El Network Manager Planificador recibirá por parte de las Aerolíneas una solicitud de movimientos para un día tipo, con el objetivo de refinar la prognosis inicial de tráfico.

    1. Marzo 2018: Análisis de la demanda y detalle de los planes de vuelo.
      1. “Network Manager Planificador”: Producirá la prognosis del tráfico para el día tipo establecido.
      2. “Aerolíneas”: Detallarán los planes de vuelo 3-D con unas horas estimadas de paso por determinados puntos de la ruta.
      3. “Network Manager de Seguridad”: Recibirá los planes de vuelo 3-D.
    2. Abril 2018: Evaluación de la Seguridad.
      1. “Network Manager de Seguridad”: Calculará las probabilidades de conflicto y riesgo de conflicto. Además, mediante la gestión y resolución de conflictos se facilitarán cambios de slot en los casos necesarios.
      2. “Aerolíneas”: Recibirán los ajustes del Network Manager de Seguridad.
    3. Mayo 2018: Vuelo de las trayectorias y análisis final.
      1. “Aerolíneas”: Realizarán el vuelo de las trayectorias, obtendrán los datos detallados de cada una de ellas, como la posición 4D de la aeronave o el consumo de combustible. Si se dispone de una plataforma de control, se simulará el servicio de control del tránsito aéreo en un escenario incluyendo los vuelos planificados.
      2. “Network Manager Planificador”: Revisión de las trayectorias voladas y actualización de la prognosis (evaluación de la fiabilidad del modelo) para el análisis post-operacional.
      3. Todos: Los alumnos realizarán el informe final del trabajo realizado, pudiendo presentar los resultados en informes, vídeos, pósters, folletos, etc.. Además, rellenarán cuestionarios que ayuden a evaluar en qué medida este reto ha facilitado su comprensión global de la problemática Capacidad - Demanda - Seguridad en la Gestión del Tránsito Aéreo y el papel de los distintos actores involucrados.
    4. Junio - Julio 2018. Evaluación final del proyecto de innovación educativa por parte de los profesores y coordinadores de las asignaturas.
    5. Septiembre 2018. Presentación de resultados.

    Si el resultado de la experiencia piloto es satisfactoria, la metodología y los materiales generados pueden ser reutilizados para formar parte de la docencia de las tres asignaturas y ayudar en la mejora docente de asignaturas del Grado de Ingeniería Aeroespacial.

    RECURSOS Y MATERIALES DOCENTES

    Recursos:

    • Información Aeronáutica publicada por el AIP España: Cartas de navegación.
    • Información estratégica publicada por el Network Manager Europeo (EUROCONTROL).
    • Registro de tráfico histórico y de la variables explicativas del mismo. Las propias bases de datos de EUROCONTROL (CRCO, Network Operations, STATFOR, NEST) permiten obtener hasta diez años de registros históricos.
    • Predictor de trayectorias: JSBSim.
    • Simulador de tráfico aéreo y simulador de control aéreo.

    Materiales:

    • Se generarán materiales que ayuden a la comprensión de las tareas a realizar por parte de los alumnos y a la coordinación inter-asignaturas e inter-especialidades.
    • Los alumnos de cada una de las asignaturas realizarán al final del semestre un trabajo en el que expondrán las conclusiones del trabajo.
      • Los alumnos de “Evaluación de la demanda del transporte” generarán informes, posters, vídeos y presentaciones dinámicas que reflejen: (a) estadísticas para la medición y comprensión de lo que está sucediendo en el desarrollo del tráfico aéreo, (b) previsiones cuantitativas para planificar una respuesta a las futuras necesidades de tráfico aéreo (capacidad y resolución de conflictos); y (c) la evolución de la industria del transporte aéreo, incluidas las variables que permiten explicarla.
      • Los alumnos de “Predicción, optimización y sincronización de trayectorias” usarán materiales como informes, vídeos de evolución de su flota, posters, panfletos que muestren su estrategia empresarial y el cumplimiento de objetivos.
      • Los alumnos de “Modelización de la separación y del riesgo de colisión” generarán informes, videos de resolución de conflictos y presentaciones dinámicas en los cuales se muestren cómo varía la seguridad operacional a lo largo del espacio aéreo.
    SEGUIMIENTO Y EVALUACION

    El proyecto se extiende durante toda la docencia de las asignaturas involucradas de cada especialidad. A lo largo de las mismas se irán coordinando los tiempos de las entregas ya que el comienzo de algunas tareas dependen de la finalización de otras.

    Asimismo, desde la finalización de la docencia y considerando las encuestas rellenadas por los alumnos, en el mes de septiembre de 2018 se elaborará un informe resumen de la experiencia de innovación educativa.

    La evaluación se realizará mediante los informes de resultados y documentos producidos durante el desarrollo del proyecto. A su vez, debido a la intermodularidad del proyecto, los propios alumnos realizarán una primera evaluación del trabajo de sus compañeros debido a la interacción de los distintos grupos.

    La evaluación por parte de los coordinadores de cada asignatura se complementará con la evaluación del director del MUSTA. Los comentarios de los controladores aéreos colaboradores serán tenidos en cuenta para enriquecer futuras experiencias.

    La evaluación externa será realizada por profesionales en la gestión de trayectorias y el transporte aéreo (ENAIRE). Dicha evaluación se realizará tanto a partir de los resultados y documentos producidos como mediante la participación en los experimentos y pruebas a realizar.

     

    PRODUCTOS RESULTANTES

    Los materiales resultantes tendrán un alcance doble. Por un lado se encuentra el material generado directamente por la realización del proyecto:

    • Cuestionarios de evaluación del proyecto por parte de los alumnos.
    • Escenarios de tráfico cuasi-real, cuasi-libre de conflictos.
    • Por parte del Network Manager Planificador: análisis histórico del tráfico, definición del día tipo de estudio, evaluación de las variables implicadas en el cálculo de demanda futura, previsión de tráfico para el día tipo proyectado, informe final de evaluación del “grado de acierto” de las prognosis de tráfico generadas (confiabilidad de la metodología aplicada).
    • Por cada aerolínea: objetivos de la aerolínea, planes de vuelo, trayectorias 4-D, diferencia objetivos vs. resultados.
    • Por parte Network Manager de seguridad: análisis estadísticos sobre probabilidad de conflicto, mapas valorativos del riesgo de conflicto e informe final con la presentación de los resultados y conclusiones.

    Por otro lado se obtendrá material que servirá para mejorar en cursos posteriores la docencia:

    • Material didáctico para las asignaturas “Análisis de la demanda de transporte”, de Aeropuertos y Transporte Aéreo, “Predicción, optimización y sincronización de trayectorias” de Gestión del Tránsito Aéreo, y “Modelización de seguridad y del riesgo de colisión”, de la especialidad de Seguridad Aérea.
    • Guías metodológicas y ejemplos de propuestas para las distintas asignaturas del MUSTA como del Grado en Ingeniería Aeronáutica.

    Finalmente, también se generará material que permita diseminar los resultados y dar a conocer la experiencia educativa, tal como se detalla en el apartado de Material Divulgativo.

    MATERIAL DIVULGATIVO

    Elaboración de un material divulgativo que describa la experiencia y sus resultados, para que puedan ser distribuidos a la comunidad universitaria

    Publicación de artículos científicos en revistas y congresos relacionadas con la innovación educativa:

    • Publicaciones diversas del grupo Science Publishing con el que los profesores del Proyecto ya han publicado.
    • EDUCOM.
    • WSEAS Education Engineering.
    • Journal of Engineering Education.

    Divulgación, por medio de redes sociales del Grupo de Investigación de Navegación Aérea, del proceso llevado a cabo en la actividad final del vuelo de las trayectorias.

    Publicación en el Congreso Mundial de Gestión del Tráfico Aéreo (World ATM Congress) de la experiencia de innovación educativa.

    Divulgación por medio de nota de prensa de la ETSIAE y de la UPM del trabajo realizado y los resultados obtenidos.

    Divulgación mediante eventos en la ETSIAE, la UPM y otras universidades, que incluyan la diseminación de los objetivos del proyecto, los resultados alcanzados y las metodologías pedagógicas empleadas.

    Inclusión de los materiales generados por el proyecto en los repositorios institucionales de la UPM, como: Colección Digital Politécnica, canal YouTube UPM, iTunes UPM, Blog ePolitécnica, así como en futuros repositorios que la universidad ponga a disposición de la comunidad educativa de la UPM y de la sociedad.

     

    COLABORACIONES

    Se tiene previsto mostrar a un grupo de controladores aéreos los resultados de la experiencia piloto. En la medida de lo posible, participarán en la actividad final del proyecto: vuelo de trayectorias, simulando ante los alumnos su operativa habitual. Los controladores aéreos verán el proceso completo de gestión de trayectorias, y se les solicitarán comentarios y acciones de mejora para futuras experiencias con alumnos.

    Aparte, se contará en la fase de evaluación de metodología y resultados con la participación de profesionales de ENAIRE, el responsable de la gestión y control del tránsito aéreo en España (http://www.enaire.es).