Een 25 jaar oud probleem in de luchtvaart oplossen? Het lukte Wouter Schaberg, student Control and Operations aan de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaartechniek. Hij verbeterde het deel van een algoritme dat moet voorkomen dat vliegtuigen na een afgewende botsing opnieuw te dicht bij elkaar komen. Voor zijn masterscriptie kreeg hij een 10 en hij werd uitverkozen tot Best Graduate van de faculteit.
Hoewel corona het vliegverkeer momenteel sterk beperkt, is het de laatste jaren steeds drukker geworden in de lucht. In 2019 vlogen er ieder moment gemiddeld 11.000 toestellen, twee keer zoveel als tien jaar geleden. Die drukte bezorgt de centrale luchtverkeersleiding overuren, zegt Wouter Schaberg, die deze zomer afstudeerde voor z’n master Control and Operations aan de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. “Elke vlucht moet worden aangemeld bij de luchtverkeersleiding. Die begeleidt een vliegtuig vervolgens van A naar B, vaak via vaste routes. Maar de luchtsnelwegen raken steeds voller. Het is een enorme puzzel om alles in goede banen te leiden.”
Ik denk dat ik wel meer dan duizend driehoeken heb getekend.
Wouter Schaberg
Zelf vliegroute bepalen
Een mogelijke uitkomst voor de drukte bij de luchtverkeersleiding is meer decentraal vliegen. Wouter: “Dat betekent dat vliegtuigen niet meer door de centrale verkeersleiding worden gegidst, maar hun eigen vliegroutes bepalen en zelfstandig manoeuvres uitvoeren. Uiteraard op een veilige manier. Al begin jaren ‘90 bedacht een Amerikaanse onderzoeker – Martin Eby – een algoritme dat vliegtuigen een signaal geeft wanneer ze te dicht bij elkaar komen en vervolgens aangeeft welke manoeuvre de piloten moeten uitvoeren om gevaar te voorkomen. Omdat er in de commerciële luchtvaart nog niet decentraal wordt gevlogen, wordt het algoritme alleen gebruikt in vliegsimulaties. In 2000 heeft Jacco Hoekstra, mijn scriptiebegeleider, dat algoritme verder verbeterd.”
Dagenlang de wereld rond vliegen
Het ontwikkelde algoritme, genaamd Modified Voltage Potential (MVP), was niet waterdicht, zegt Wouter. “Bij vliegsimulaties deed het algoritme voor het overgrote deel wat het moest doen: vliegtuigen die te dicht bij elkaar kwamen, kregen keurig een signaal, waarna de toestellen uit elkaar vlogen en het gevaar was geweken. Maar vliegtuigen die bijna parallel vlogen en elkaar ergens op de route moesten kruisen, kwamen na het oplossen van een conflictsituatie steeds weer opnieuw in conflict. Soms zaten vliegtuigen in een simulatie zodanig ‘klem’ dat ze dagenlang parallel de wereld bleven rondvliegen, met steeds weer hetzelfde conflict. Aan mij de taak om de oorzaak van dit ‘repetitieve conflict’ te achterhalen en er wellicht een oplossing voor te vinden.”
25 jaar onopgelost
Voordat Wouter aan z’n scriptie begon, was hij nog onbekend met het probleem van het MVP-algoritme en het repetitieve conflict. “Mijn begeleider Jacco Hoekstra kwam met dit onderwerp naar me toe en het sprak me erg aan. Het is natuurlijk heel bijzonder dat hij zelf aan dit algoritme heeft gewerkt, dat geeft extra motivatie om een oplossing te vinden. Tegelijkertijd wist ik dat ik voor een flinke uitdaging stond, het was niet voor niks al 25 jaar een onopgelost probleem. Ik ben me goed gaan inlezen en heb duizenden vliegsimulaties bestudeerd om het probleem met eigen ogen te zien. Vervolgens ben ik de wiskunde van het algoritme gaan ontleden. Ik denk dat ik wel meer dan duizend driehoeken heb getekend om te kijken of er ergens verkeerde lijnen en berekeningen in het algoritme zaten. Maar op basis daarvan kon ik nergens een fout ontdekken.”
De grote doorbraak
Net toen Wouter dacht op een dood spoor te zitten, kwam het eurekamoment. “Ik ben opnieuw de literatuur ingedoken om te checken of ik niks over het hoofd had gezien. Toen viel me ineens op dat in de literatuur de focus vooral lag op het detecteren van het conflict en de handeling om het op te lossen, maar dat de fase na het oplossen van het conflict, de recovery, nauwelijks ter sprake kwam. Terwijl het probleem juist ontstaat nadat een conflictsituatie is verholpen. Want wat moet een vliegtuig dan doen? Hoe en wanneer kan die terug naar de originele vliegroute? Ik heb het algoritme er weer bij gepakt en zag toen waar het probleem zat, namelijk in de wiskundige uitwerking van het recovery-deel.”
Algoritme aangepast
Met het achterhalen van het probleem kon een oplossing niet uitblijven. Wouter: “Ik was blij dat ik de fout had ontdekt, maar wilde meteen doorpakken. Ik ben aan het algoritme gaan sleutelen en nog meer driehoeken gaan tekenen. Uiteindelijk heb ik het foute recovery-deel uit het algoritme gehaald en een nieuwe twee-criteriamethode toegevoegd. Deze methode maakt per toestel eerst een best guess van de gewenste koers en snelheid van het andere conflicterende toestel. Vervolgens combineert de methode dit met de huidige koers en snelheid van het andere toestel om te bepalen of koersverandering naar de oude koers mogelijk is zonder hierbij gevaarlijk dicht bij elkaar te komen. Na de aanpassing heb ik de computers van de TU aan het werk gezet om het nieuwe algoritme te testen op meer dan een miljoen vliegsimulaties. Daaruit bleek dat het repetitieve conflict vrijwel niet meer voorkwam.”
Een 10 en Best Graduate
Zijn baanbrekende masterscriptie werd beoordeeld met een 10. Dat Wouter vervolgens ook nog werd uitgeroepen tot Best Graduate van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek vindt hij een waanzinnige eer. “Ik ben ontzettend trots op het resultaat en de waardering. Daarnaast vond ik het super leuk om met dit onderzoek bezig te zijn en deze ingewikkelde puzzel uit te pluizen.” Ook bij begeleider Jacco Hoekstra heerst volgens Wouter grote euforie. “Hij vindt het helemaal geweldig dat na al die jaren het probleem is gevonden en dat ik zijn algoritme heb verbeterd. Het was voor hem erg frustrerend dat hij niet wist waar de fout zat. Hij koestert dan ook geen wrok jegens mij dat het mij – een student – wel is gelukt, haha. Hij is alleen maar heel blij.”
Gebruik in de praktijk
Of het verbeterde algoritme ook gebruikt gaat worden in de commerciële luchtvaart, is volgens Wouter lastig te zeggen. “De luchtvaart is vanwege alle veiligheidsrisico’s erg conservatief. Het is de vraag of toestellen überhaupt ooit gedecentraliseerd gaan vliegen. Voor ander soort vliegverkeer zie ik minder obstakels, zoals drones en misschien later vliegende taxi’s. Met een zelfsturend algoritme wordt het risico op botsingen of gevaarlijke situaties kleiner, dat maakt vliegen zeker in stedelijk gebied een stuk veiliger. Het verbeterde MVP-algoritme kan in ieder geval direct worden gebruikt voor verder onderzoek naar decentraal vliegen. En wie weet lukt het iemand om ‘m nog verder te optimaliseren, dat zou natuurlijk helemaal leuk zijn.”
Verkiezing Best Graduate
Begeleider Jacco Hoekstra hoefde naar eigen zeggen niet lang na te denken over de nominatie van Wouter voor Best Graduate van de faculteit. Volgens Hoekstra was het detecteren en oplossen van het probleem met het MVP-algoritme een zeer bijzondere prestatie, zeker omdat menig internationaal onderzoeker zich er de afgelopen decennia het hoofd al over had gebroken. Daarnaast roemt Hoekstra de toegankelijke manier waarop Wouter het onderwerp aan een breed publiek uitlegde in z’n presentatie. Wouter maakt nu samen met de Best Graduates van zeven andere faculteiten kans op de titel Best Graduate van de TU Delft, die op 17 november bekend wordt gemaakt.
