9,8 miliarda – tyle osób ma skorzystać z przewozów lotniczych w 2025 roku, zgodnie z najnowszymi szacunkami Międzynarodowej Rady Portów Lotniczych (Airports Council International, ACI). To wzrost o około 3,7 proc. w porównaniu z 2024 r. Oznacza to o blisko 350 milionów pasażerów więcej – i to zaledwie w skali roku! Według prognoz ACI* światowy ruch pasażerski w ciągu najbliższych pięciu lat przekroczy 12 miliardów podróży rocznie, a do połowy stulecia może sięgnąć nawet 22 miliardów.
Polskie porty lotnicze obsłużyły w 2024 roku około 59,5 miliona pasażerów, czyli o blisko 8 milionów więcej niż w 2023 roku i o ponad 10 milionów więcej niż w 2019 roku, a więc przed pandemią COVID-19.
Oszczędność czasu i pieniędzy, bezpieczeństwo oraz komfort podróży – to tylko niektóre z powodów, dla których transport lotniczy cieszy się nieustającą popularnością. Jednak rosnący popyt na loty oznacza także coraz większe obciążenie dla systemu, który – mimo nieustannych modernizacji – wciąż wykorzystuje rozwiązania zaprojektowane przed pięćdziesięcioma laty.
Współczesne zarządzanie ruchem lotniczym (ATM, Air Traffic Management) w dużej mierze opiera się na architekturze i procedurach opracowanych w latach 80. i 90. XX wieku przez Międzynarodową Organizację Lotnictwa Cywilnego (ICAO).
To wtedy wprowadzono kluczowe standardy dotyczące planowania tras, separacji samolotów w przestrzeni powietrznej oraz przekazywania informacji między kontrolerami. Opracowano globalny format planu lotu (tzw. komunikaty FPL), zdefiniowano minimalne odległości pionowe i poziome między statkami powietrznymi oraz uruchomiono sieć łączności AFTN – lotniczy odpowiednik internetu, który przez dziesięciolecia stanowił podstawę wymiany danych między kontrolerami i załogami.
Tak zbudowany system jest niezwykle bezpieczny – każda procedura została przetestowana, a każda zmiana wymaga międzynarodowej certyfikacji. Jednocześnie jednak jego konstrukcja nie była tworzona z myślą o ruchu lotniczym, który dziś przekracza dziewięć miliardów pasażerów rocznie.
W efekcie zarówno porty lotnicze, jak i sama przestrzeń powietrzna coraz częściej stają się przeciążone. Ograniczona przepustowość, niedobory personelu czy infrastruktury powodują opóźnienia, a każde z nich oznacza dla przewoźników straty ekonomiczne i większe zużycie paliwa.
Do tego dochodzi środowiskowa cena globalnej mobilności – emisje dwutlenku węgla i innych związków, które w skali całego sektora mają zauważalny wpływ na klimat. W tym kontekście najczęściej mówi się o „śladzie węglowym” – sumie emisji gazów cieplarnianych związanych z jedną usługą lub produktem. A samoloty emitują nie tylko CO₂, ale także tlenki azotu, dwutlenek siarki i sadzę, które wpływają na jakość powietrza i klimat.
Globalny optymalizator lotów
Właśnie z potrzeby zwiększenia lotniczej dostępności komunikacyjnej przy tak złożonej organizacji ruchu lotniczego powstał projekt Global Air Transport Optimiser – w skrócie GATO. Stworzony w Interdyscyplinarnym Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego Uniwersytetu Warszawskiego (ICM UW) we współpracy z Międzynarodową Organizacją Lotnictwa Cywilnego (ICAO). GATO stanowi jedno z najbardziej kompleksowych narzędzi analitycznych w obszarze cywilnego lotnictwa komunikacyjnego.
Dr Jan Malawko wraz z zespołem ICM zebrali w repozytorium cyfrowym dane o niemal czterech miliardach pasażerów rocznie – z tysięcy tras, setek przewoźników i tysięcy lotnisk na całym świecie. System pozwala analizować globalną sieć połączeń z dokładnością, która wcześniej była poza zasięgiem nawet największych agencji lotniczych.
GATO to nie tylko baza danych, lecz pełnoprawne narzędzie Big Data, które potrafi wygenerować statystyki natychmiast – na poziomie całego świata albo jednego miasta, jednego przewoźnika czy pojedynczej trasy.
System analizuje atrybuty lotów i ruch pasażerski z precyzyjną dokładnością: można sprawdzić, ilu pasażerów poleciało bezpośrednio z Krakowa do Paryża, ilu przesiadło się po drodze, w których portach tworzą się największe węzły przesiadkowe i jak te przepływy zmieniały się z roku na rok.
W praktyce oznacza to, że GATO potrafi odpowiedzieć na pytania, które wcześniej wymagały miesięcy pracy analityków, dzięki temu linie lotnicze mogą planować siatkę połączeń bardziej precyzyjnie, a porty lotnicze przewidywać, jakie inwestycje infrastrukturalne będą opłacalne, lub które okażą się koniecznie. Z wykorzystaniem analityki GATO na przykład zostały określone główne porty przesiadkowe dla strumieni ruchu pasażerskiego po igrzyskach olimpijskich w Brazylii, gdzie wprowadzono specjalne kontrole fitosanitarne na zlecenie WHO, które zapobiegły rozprzestrzenianiu się wirusa ZIKA.
Zebrane dane obejmują lata 2011–2018 – szczególnie dynamiczny okres szybkiego rozwoju tanich linii, wzrostu globalnej mobilności i ekspansji LOT-u, który właśnie wtedy uruchomił nowe połączenia dalekodystansowe, m.in. do Los Angeles, Tokio, Seulu czy Pekinu, a Warszawa stała się jednym z głównych hubów tranzytowych w regionie. Wtedy też zdefiniowano nową strategię rozwoju LOT-u, która stanowi podstawę dla uruchomienia CPK.
– Naszym celem było stworzenie narzędzia, które pozwoli te zależności zobaczyć i policzyć. Repozytorium danych lotniczych jest wykorzystywane do prowadzenia dedykowanych projektów (realizowanych m. in. z czołowymi producentami samolotów, takimi jak Airbus, Boeing czy Dassault), a także stanowi podstawę dla wielu ciekawych prac magisterskich realizowanych w ramach prowadzonych w ICM studiów inżynierii obliczeniowej. Projekt GATO został zrealizowany do końca 2021 roku. Po tym czasie wysiłki ICM i moje w zakresie analityki lotniczej koncentrowały się głównie na projektach SESAR, a także na analizie planowania optymalnych trajektorii lotu w europejskiej przestrzeni powietrznej. Niemniej jednak w ICM cały czas prowadzę działalność badawczą dotyczącą analizy rentowności połączeń i różnych scenariuszy rozwoju siatki połączeń – zwraca uwagę dr Malawko.
Europejskie lotnictwo przechodzi obecnie cyfrową rewolucję. Jej sercem jest wspólny program badawczo-wdrożeniowy SESAR 3 Joint Undertaking (Single European Sky ATM Research) – inicjatywa Unii Europejskiej, Europejskiej Organizacji Żeglugi Powietrznej (EUROCONTROL) i partnerów z przemysłu lotniczego. Celem programu jest wprowadzenie najbardziej efektywnych i bezpiecznych rozwiązań oraz pełna integracja odseparowanych systemów krajowych na rzecz jednolitego standardu zarządzania ruchem w całej Europie.
– Zespół ICM uczestniczy w europejskich projektach lotniczych, na przykład takich, które dotyczą wykorzystania AI przy predykcji bezpieczeństwa wykonywania operacji lotniczych na drogach startowych w zależności od warunków atmosferycznych. ICM jest w tych przedsięwzięciach członkiem wielonarodowościowych konsorcjów – zauważa badacz.
Zakończenie projektu GATO nie oznaczało końca badań nad optymalizacją lotów – jego wyniki stały się punktem wyjścia do nowych, europejskich inicjatyw, takich jak program SESAR.
Projekt, który ma zwiększyć dostępność niebieską
Zespół ICM pracuje nad algorytmami, które potrafią przewidywać trajektorie lotów z uwzględnieniem pogody, obciążenia przestrzeni powietrznej i kosztów operacyjnych. Te rozwiązania mają pomóc w skracaniu tras, zmniejszaniu zużycia paliwa i redukcji emisji gazów cieplarnianych, a także w usprawnieniu działania europejskich lotnisk.
Takie planowanie musi uwzględniać szeroki zakres czynników, które decydują o tym, które z wyznaczonych tras są rzeczywiście dostępne, a przy tym optymalne. Z jednej strony są to ograniczenia ruchu powietrznego w określonych strefach (np. nad Ukrainą), z drugiej – udogodnienia i regulacje umożliwiające swobodę poruszania się w wybranych obszarach. W kontekście europejskim istotną rolę odgrywa zbiór procedur, uzgodnień i udogodnień, który nosi nazwę Free Route Airspace (FRA).
– Mają one na celu optymalizację trajektorii ruchu w europejskiej przestrzeni powietrznej niezależnie od wytyczonych dróg lotniczych, a także z uwzględnieniem udogodnień związanych z przekraczaniem powietrznej granicy pomiędzy różnymi państwami w optymalnych miejscach – podkreśla dr Malawko.
Oprócz informacji na temat dostępności przestrzeni powietrznej, kluczowe są również dane na temat natężenia ruchu lotniczego. Dzięki nim zarządzający ruchem mogą mieć pewność, że na planowanej trasie przelotu zostanie dopełniony obowiązek zachowania określonej odległości między samolotami, a ponadto mogą wyznaczyć trasy, które omijają zatłoczone obszary przestrzeni powietrznej.
Niezwykle ważnym czynnikiem są warunki atmosferyczne – na przykład informacje o kierunku i sile wiatru, temperaturze, ciśnieniu czy występowaniu takich zjawisk atmosferycznych, jak burze. Wykorzystanie tego rodzaju danych pozwala na zaplanowanie trasy lotu z uwzględnieniem kierunku i siły wiejących wiatrów, dzięki którym loty mogą być krótsze.
Istotne są czynniki ekonomiczne, takie jak koszt i zużycie paliwa. Nie bez znaczenia są dane na temat parametrów technicznych samolotów, które używane są w trakcie lotów. Przykładowo, rozmiar samolotu, który wybiera przewoźnik, ma bezpośredni wpływ na stopień zatłoczenia lotnisk, wysokość kosztów operacyjnych czy w końcu na stopień zanieczyszczenia środowiska**. Równocześnie wszystkie te elementy – dane meteorologiczne, ekonomiczne czy techniczne – składają się na to, że loty mogą być bardziej rentowne.
1,6 miliarda euro na przebudowę
Przebudowa europejskiego systemu zarządzania ruchem lotniczym wiąże się z ogromnym wysiłkiem finansowym – program SESAR 3 Joint Undertaking zakłada zaangażowanie co najmniej 1,6 miliarda euro w publiczno-prywatne inwestycje na rzecz cyfrowej transformacji nieba nad Europą.
W ramach SESAR powstają technologie, które mają sprawić, że europejskie lotniska będą działać płynniej, nawet przy rosnącej liczbie lotów. Badacze pracują nad cyfrową „hiperwizją” portów lotniczych, czyli systemem, który w czasie rzeczywistym pokazuje wszystko, co dzieje się na płycie lotniska – od tankowania i załadunku po ruch na drogach startowych.
Dzięki temu operacje można planować proaktywnie, a nie dopiero wtedy, gdy pojawia się opóźnienie. Testowane są także narzędzia do automatycznego wyznaczania tras kołowania, aby samoloty nie traciły minut na czekanie w kolejce do pasa, oraz systemy monitorujące stan nawierzchni, które mają zapobiegać niebezpiecznym wypadnięciom z drogi startowej.
SESAR ma też umożliwić lądowania przy bardzo słabej widoczności w mniejszych portach – dzięki precyzyjnej nawigacji satelitarnej i tzw. syntetycznym systemom wizyjnym, które wspierają pilotów, gdy widać niewiele lub nic. Wszystko to ma zwiększyć przepustowość lotnisk, zmniejszyć liczbę opóźnień i ograniczyć emisje związane z pracą silników na ziemi.
Uczymy się przewidywać ruchy na niebie
W lotnictwie żadna zmiana nie może zostać wprowadzona bez żmudnej certyfikacji i testów.
Projekt SESAR również musi przejść taki etap, a jego praktycznym sprawdzianem jest ATC-TBO (Air Traffic Control – Trajectory Based Operations) – projekt walidacyjny, w którym nowe systemy kontroli lotów są testowane w symulatorach i na prawdziwych lotniskach. Systemy te działają w czterech wymiarach: długość i szerokość geograficzna, wysokość, czas. Obecnie pojawia się także piąty wymiar w lotnictwie, którym jest SI/AI.
Celem jest upewnienie się, że proponowane rozwiązania rzeczywiście skracają trasy, zwiększają przepustowość, ograniczają emisje i poprawiają bezpieczeństwo.
W ATC-TBO biorą udział instytucje z 16 państw europejskich, a do 2026 roku zaplanowano 21 ćwiczeń walidacyjnych z udziałem kontrolerów, pilotów i analityków. Dopiero po ich zakończeniu rozwiązania SESAR będą mogły zostać wdrażane w europejskiej przestrzeni powietrznej.
Jeszcze dekadę temu ruchem lotniczym zarządzano głównie za pomocą radarów, planów lotów i głosu kontrolera w eterze. Dziś coraz częściej robią to algorytmy, które analizują dane w czasie rzeczywistym. To właśnie taka zmiana – z analogowej obserwacji na cyfrowe przewidywanie – sprawia, że projekty badawcze i centra analityczne, takie jak lotniczy zespół z ICM UW, stają się fundamentem nowej infrastruktury lotniczej.
* Raport ACI uwzględnia dane dotyczące ponad 2800 lotnisk z ponad 185 krajów na całym świecie.
** Distance & Aircraft Size Dynamics in Concentrated Growth Market: The Case of Commercial Passenger Fleet, Jan Malawko, Dominika Tkaczyk, Ananthanarayan Sainarayan, Behzad Taghipour
