[논문 리뷰] Real-time optimal delay minimization algorithms for aircraft on a same runway and dual runways

Peng Lin, Haopeng Yang|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 17.

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한 줄 요약

이 논문은 단일 활주로와 이중 활주로에서 총 항공기 지연을 최소화하기 위한 실시간 최적 알고리즘을 제안하며, 특정 조건 하에서 최적성을 유지하면서 속도 측면에서 MIP 기반 접근법보다 우수하다.

ABSTRACT

In this paper, scheduling problems of aircraft minimizing the total delays on a same runway and on dual runways are studied. In contrast to the algorithms based on mixed-integer optimization models in existing works, where the optimality and the real-time performance are usually unable to be dealt with at the same time, our work focuses on the interaction mechanism between aircraft coupling with delays and two real-time optimal algorithms are proposed for the four scheduling problems by fully exploiting the combinations of different classes of aircraft based on parallel computing technology. When $100$ aircraft on dual runways is considered, by using the algorithm in this paper, the optimal solution can be obtained within less than $10$ seconds, while by using the CPLEX software to solve the mix-integer optimization model, the optimal solution cannot be obtained within $1$ hour.

연구 동기 및 목표

• 단일 및 이중 활주로에서 총 지연을 최소화하기 위한 실시간의 최적 재스케줄링 필요성을 촉진한다.
• 항공기 클래스 간 상호 작용과 병렬 컴퓨팅을 활용한 두 가지 실시간 최적 알고리즘을 개발한다.
• 제안된 알고리즘이 명시된 가정과 시간 창 하에서 최적 또는 근사 최적의 지연 최소화를 달성함을 보인다.
• 최적성과 실시간 성능을 동시에 달성하는 데 있어 기존 MIP 기반 방법의 한계를 다룬다.

제안 방법

• 지연 최소화를 시간 창과 간격 제약을 가진 총 지연 최소화 최적화 문제로 형식화한다.
• 연속 항공기 간의 클래스 기반 간격 시간과 관련성을 정의하여 시퀀싱 결정을 안내한다.
• 이 문제를 효과적으로 해결하기 위해 병렬 계산과 선행 연구의 이론적 결과에 기반한 두 가지 실시간 최적 알고리즘을 개발한다.
• 특정 조건에서 시퀀스 조작과 최적성 보존을 정당화하는 이론적 결과(정리)를 제공한다.
• 지정된 간격 제약을 가진 단일 활주로의 이착륙 혼합 시퀀스와 이중 활주로 시퀀스에 대해 프레임워크를 확장한다.
• CPLEX를 사용한 MIP에 비해 한 분 이내의 최적 해를 산출하는 이중 활주로 시나리오의 계산 성능을 시연한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실시간 알고리즘이 같은 활주로와 이중 활주로에서 총 지연을 최소화하기 위한 최적 시퀀스와 타이밍을 산출할 수 있는가?
• RQ2 항공기 클래스와 관련성 제약이 시간 창 및 최소 간격 요건하에서 최적 시퀀싱에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 시퀀스 내에서 항공기를 삽입하거나 이동시킬 때 최적성 보존을 뒷받침하는 이론적 보장(정리)은 무엇인가?
• RQ4 제안된 알고리즘이 실시간 성능 및 최적성 증거 측면에서 MIP 기반 접근법과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 이중 활주로에서 100대의 항공기에 대해, 제안된 알고리즘을 사용하면 최적 해를 10초 이내에 얻을 수 있다.
• 동일한 시나리오에서 MIP 모델을 해결하기 위해 CPLEX를 사용해도 1시간 이내에 최적 해를 산출하지 못한다.
• 프레임워크는 RECAT 스타일 분류를 3개를 넘어 확장하여 더 미세한 간격 로직을 가능하게 한다.
• 이론적 결과(정리)는 항공기를 이동시키거나 삽입할 때 최적성을 보존하거나 개선하는 시점을 안내한다.
• 알고리즘은 명시된 가정 하에서 최적성을 유지하면서 서로 다른 클래스와 전환을 효율적으로 처리하기 위해 병렬 계산을 활용한다.