Jan-Rasmus Künnen erfolgreich promoviert

Jan-Rasmus Künnen promoviert über Nachfrage-Kapazitäts-Ausgleich im europäischen Air Traffic Management

Am 02. Mai 2023 verteidigte Jan-Rasmus Künnen seine Promotion über ”Advanced demand-capacity balancing mechanisms to improve performance of European air traffic networks”. Die Promotion wurde mit der Bestnote ‚summa cum laude‘ bewertet.

Die Dissertation behandelt die Angebots- und Nachfragesteuerung im europäischen Air Traffic Management, welche in 3 Artikeln untersucht wird:

Im ersten Paper betrachten wir die Rolle des Network Managers (NM) im europäischen Luftverkehr. Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten für den NM in der Flugsteuerung: Er kann die Flüge eigenverantwortlich der (aus Netzwerk-Aspekten) bestmöglichen Route zuweisen, oder den Fluggesellschaften erlauben, ihre eigenen Routen zu wählen. Während die erste Option zu einer besseren Netzwerk-Performance führt, verlangt sie den Fluggesellschaften ab, die Entscheidungsfreiheit über ihre Routenwahl abzugeben. In dem Artikel schlagen wir daher eine dritte Option vor: Während der prä-taktischen Planungsphase werden Fluggesellschaften verschiedene Streckenprodukte zu unterschiedlichen Preisen angeboten. Je flexibler die Optionen sind – in Hinblick auf mögliche Verspätungen oder Umleitungen - desto geringer ist der Preis. Die Fluggesellschaften wählen ein Streckenprodukt aus (basierend auf ihren Präferenzen und den dynamischen Preisen der Optionen), und der NM kann dann selbstständig auf Basis der gewählten Produkte die Routenwahl optimieren. In dem Artikel entwickeln wir ein Modell, um die Auswirkungen der verschiedenen Szenarien auf Leistungsindikatoren zu bewerten. Zudem entwickeln wir ein effizientes Heuristik-Verfahren, um die Routenwahl für eine Vielzahl von Flügen im innereuropäischen Flugverkehr zu optimieren (und zeigen, dass das Problem selbst NP-hard ist). Die numerischen Ergebnisse zeigen, dass die Verwendung von Streckenprodukten und dynamischen Preisen zu deutlich niedrigeren Verspätungs- und Umleitungskosten führen kann, als wenn die Fluggesellschaften eigenständig die Routenwahl treffen. Zudem bietet es den Fluggesellschaften weiterhin eine Mitentscheidung bei der Routenwahl, was es zu einem attraktiven Design für die Flugsteuerung macht.

Im zweiten Paper, welches erst im April zur Veröffentlichung in Transportation Science akzeptiert wurde, geht es um die Entscheidung, wie viel Luftraumkapazität für jeden Flugsektor in Europa bereitgestellt werden sollte. Da unerwartete Änderungen in der Nachfrage (etwa durch nicht-kommerzielle Flüge) oder Kapazität (etwa durch Wettereinbrüche) hohe Kosten für Verzögerungen oder Umleitungen verursachen, schlagen wir eine Flexibilisierung der Luftraumkapazitäten vor. Durch grenzüberschreitende Kooperationen innerhalb eines Kapazitätsbündnisses sollen bestehende Kapazitäten so unter den Flugsektoren verteilt werden, dass Netzwerkkosten minimiert werden. Methodisch entwickeln wir in dem Artikel einen Algorithmus, um das zweistufige „Newsvendor-Problem“ zu lösen, in dem neben den bestmöglichen Kapazitätsniveaus auch die Routenpläne bestimmt werden. In numerischen Tests konnten wir zeigen, dass die Netzwerkkosten durch die Kapazitätsoptimierung signifikant reduziert werden kann, und dass die gemeinsame Nutzung von Kapazitäten zwischen benachbarten Lufträumen die Kosten um weitere 1,6-2% senken kann.

Im dritten Paper, welcher sich aktuell weiterhin im Review-Prozess befindet, untersuchen wir, inwiefern die entwickelten Modelle zur Kapazitäts- und Nachfragesteuerung die Flugemissionen in der europäischen Luftfahrt reduzieren können. Wir testen insbesondere zwei Mechanismen: (1) die Optimierung von Luftraumkapazitäten, sodass mehr Flüge auf direkten Routen fliegen können, und (2) die Anpassung von Flugverkehrsgebühren, sodass kein Anreiz für Fluggesellschaften besteht, Umleitungen in Kauf zu nehmen, um Flugverkehrsgebühren zu sparen. In numerischen Tests mit etwa 3,000 Flügen zeigt sich, dass durch die erste Maßnahme etwa 8% der Emissionen, die aktuell durch Umleitungen entstehen, reduziert werden können. Durch die zweite Maßnahme können auf Basis unserer Experimente etwa 320,000 Tonnen CO2 pro Jahr im europäischen Flugverkehr eingespart werden.

Nach Abschluss seines Promotionsstudiums an der WHU ist Jan-Rasmus zunächst als Senior Associate zu McKinsey & Company zurück gekehrt. In 2023 hat er sich mit der Gründung der Wing Labs GmbH selbstständig gemacht, um auch in Zukunft an der Optimierung von (Luft-)Verkehrsproblemen zu arbeiten.

Journal Articles

Leveraging demand-capacity balancing to reduce air traffic emissions and improve overall network performance

Jan-Rasmus Künnen; Arne Strauss; Nikola Ivanov; Radosav Jovanovic; Frank Fichert.
Forthcoming in Transportation Research Part A: Policy

The value of flexible flight-to-route assignments in pre-tactical air traffic management

Künnen, J.-R., Strauss, A. (2022), Transportation Research Part B: Methodological, Vol. 160, pp. 76-96

Cross-border capacity planning in air traffic management under uncertainty

Jan-Rasmus Künnen; Arne K. Strauss; Radosav Jovanovic; Nikola Ivanov; Frank Fichert; Stefano Starita.
Forthcoming in Transportation Science