Analyse von Strukturen im Luftraum mit Clusterverfahren

Abstract

Am Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt werden Konzepte untersucht, die möglichst effiziente Flugverbindungen ermöglichen. Dabei ist das Clustern von Flugrouten relevant, um generelle Strukturen identifizieren zu können. Die Eignung verschiedener Clusterverfahren wird in dieser Bachelorarbeit untersucht. Das Clusterverfahren HDBSCAN ist von besonderem Interesse, da es Dichteabhängigkeit und Hierarchien kombiniert. Dazu wird eine Java-Bibliothek für Clusteranwendungen entwickelt. Diese umfasst ein allgemeines Framework, den HDBSCAN als Verfahren und einen erweiterbaren Auswertungsmechanismus mit dem Dunn-Index. Die Bibliothek wird in den Routengenerator (RouGe) integriert. Mit dieser DLR Eigenentwicklung lassen sich Flugdaten analysieren und Clusteranalysen mit dem Fuzzy-c-Means (FCM) Algorithmus durchführen. Es wird anhand der Flugdaten vom 06. Juni 2020 eine Clusteranalyse für den oberen deutschen Luftraum mit beiden Verfahren durchgeführt. Es stellt sich heraus, dass die grundsätzliche Lage der Clusterzentren ähnlich ist. Allerdings werden vom HDBSCAN viele Wegpunkte als Rauschen identifiziert. Dies ist mit dem FCM nicht möglich. Weiterhin wird die Routenglättung als Möglichkeit zur Rechenzeitminimierung des HDBSCAN untersucht. Dabei werden aus den Flugtrajektorien Wegpunkte entfernt, die keinen großen Einfluss auf den ursprünglichen Routenverlauf haben. Dadurch können die Datenpunkte für das untersuchte Szenario um etwa 29% reduziert werden. Dies führt zu einer Reduktion der Cluster um etwa 26%, was allerdings die grundsätzliche Clusterverteilung nur minimal beeinflusst. Die Rechenzeit kann dadurch deutlich reduziert werden. Der HDBSCAN erweist sich als geeignet für die Analyse von Lufträumen und kann im Rahmen weiterer Untersuchungen eingesetzt werden.