Pourquoi la simulation ?

Différences entre méthode analytique et méthode par simulation

La détermination de la capacité d'un aéroport peut se faire de deux manières radicalement différentes : de façon analytique en déduisant la capacité directement à partir des caractéristiques d'un aéroport et du trafic qu'il reçoit, ou de façon moins théorique en simulant l'écoulement du trafic sur un modèle de l'infrastructure de l'aéroport étudié puis en mesurant les débits simulés.

La méthode analytique consiste donc à appréhender la capacité comme étant une fonction des caractéristiques de l'infrastructure d'un aéroport et du trafic qu'il doit recevoir. Ainsi, cette méthode suppose qu'il existe une relation plus ou moins complexe liant directement l'ensemble des caractéristiques d'un aéroport (l'agencement de la ou des pistes et des voies de circulation, la structure du trafic, les méthodes de gestion du trafic aérien, etc.) au débit que cet aéroport peut écouler. La méthode analytique consiste à approximer cette relation théorique par un modèle mathématique permettant par la suite de déterminer la capacité de n'importe quel aéroport à partir d'un nombre raisonnable de paramètres d'entrée décrivant les caractéristiques de l'aéroport et de son trafic.

Le logiciel MACAO (Modèle d’Analyse de la Capacité AérOportuaire), développé par le STAC en liaison avec le CETE Méditerranée afin de réaliser des évaluations analytiques de capacité, met en œuvre un modèle mathématique permettant de déterminer rapidement et efficacement la capacité des systèmes de pistes à partir d'un certain nombre de paramètres décrivant les pistes, leurs voies d'alimentation, la structure du trafic et les contraintes de navigation aérienne propres à l'aéroport étudié.

Le modèle mathématique développé ne porte que sur la capacité des pistes, le lien entre le débit global qu'il est possible d'écouler à travers l'ensemble des maillons aéroportuaires et les caractéristiques de chacun de ces maillons étant beaucoup plus complexe à approcher par un modèle mathématique.

La méthode par simulation, au contraire, ne cherche pas à déduire la capacité à partir de facteurs explicatifs. Elle consiste à expérimenter l'écoulement d'un certain type de trafic sur une certaine infrastructure de manière virtuelle plutôt que dans la réalité afin d'obtenir une mesure des débits réalisables par un aéroport sans avoir à effectuer l'expérience dans la réalité. La méthode par simulation s'appuie donc sur l'utilisation d'un modèle numérique approchant au mieux la façon dont le trafic circule sur une infrastructure aéroportuaire et dans l'espace aérien afin de pouvoir extrapoler les tendances observées dans les simulations au monde réel.

La différence principale entre la méthode analytique et la méthode par simulation est donc que le recours à la simulation ne nécessite pas de connaître la relation entre les paramètres étudiés et la capacité. Il est donc possible d'utiliser la méthode par simulation pour évaluer l'impact de paramètres dont on ignore l'effet qu'ils peuvent avoir sur la capacité, alors que la méthode analytique ne permet d'agir que sur des paramètres dont on connaît l'influence sur la capacité.

Possibilités offertes par le recours à la simulation

La simulation présente plusieurs avantages majeurs par rapport au calcul analytique :

• La méthode offre une meilleure souplesse d’utilisation, le niveau de détail et le nombre de maillons modélisés peuvent être variables.
• Le niveau de détail est plus fin. En effet, alors que le calcul analytique se limite à une analyse macroscopique de la capacité, la simulation permet de s'intéresser aux conditions de circulation de façon microscopique puisque chaque aéronef modélisé est simulé.
• L'analyse s'effectue dans le temps et dans l'espace, il est possible de moduler l'utilisation de l'infrastructure et la structure et la densité du trafic au cours du temps et par conséquent de mesurer une capacité qui est fonction du temps et de l'espace.
• Cet outil permet de travailler sur la gestion du trafic. Il s'agit de mettre en évidence dans quelles mesures des modifications de procédures (règles de circulation, de dégivrage des avions, etc.) ou de « manière de faire » (gestion des traversées de pistes, du séquencement des avions au décollage, etc.) permettent d'optimiser l'écoulement du trafic.
• La simulation de l'écoulement d'un trafic peut être utilisée pour évaluer non seulement la capacité mais également les aspects socio-économiques associés. Ainsi, les données de vitesses et d'accélération des aéronefs simulés peuvent par exemple à servir à estimer leurs consommations énergétiques et émissions de polluants associées.

Principe d’une étude de capacité par simulation

Principes de modélisation

Le schéma d'une étude de capacité par simulation correspond à l'illustration ci-dessous. Il ne s'agit pas de comparer directement la situation réelle actuelle aux résultats de l'expérimentation virtuelle que représentent les simulations d'un scénario d'étude.

On ne peut pas comparer une situation réellement observée à une situation future simulée. La première étape consiste à comparer la situation réellement observée à son équivalent simulé, permettant à la fois de valider le modèle et de quantifier le biais entre la réalité et la simulation. Il est alors pertinent de comparer la situation réelle simulée à la situation future simulée.

La difficulté réside dans l’estimation de la différence entre le futur simulé et futur tel qu’il serait observé en cas de réalisation.

Cela permet alors d’évaluer l’impact réel (la flèche rouge de l'illustration ci-dessous) à l'aide de simulations (les trois flèches vertes).