Text-Enriched Air Traffic Flow Modeling and Prediction Using Transformers

变压器 计算机科学 空中交通管制 模拟 工程类 电气工程 航空航天工程 电压
作者
Chunyao Ma,Sameer Alam,Qing Cai,Daniel Delahaye
出处
期刊:IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:25 (7): 7963-7976
标识
DOI:10.1109/tits.2024.3379210
摘要

The air traffic control paradigm is shifting from sector-based operations to flow-centric approaches to overcome sectors' geographical limits. Modeling and predicting intersecting air traffic flows can assist controllers in flow coordination under the flow-centric paradigm. This paper proposes a flow-centric framework – TEMPT: Text-Enriched air traffic flow Modeling and Prediction using Transformers – to identify, represent, and predict intersecting flows in the airspace. Firstly, nominal flow intersections (NFI) are identified through hierarchical clustering of flight trajectory intersections. A flow pattern consistency-based graph analytics approach is proposed to determine the number of NFIs. Secondly, in contrast to the traditional traffic flow feature representation, i.e., numerical time series of flights, this paper proposes a text-enriched flow feature representation to intuitively describe the "flow of flights" in the airspace. More specifically, air traffic flow features are described by a "text paragraph" composed of the time and flight sequences transiting through the NFIs. Finally, a transformer neural network model is adopted to learn the text-enriched flow features and predict the future traffic demand at the NFIs during future time windows. An experimental study was carried out in French airspace to validate the efficacy of TEMPT using one-month ADS-B data in December 2019. Prediction results show that TEMPT outperforms the competitive air traffic flow modeling and prediction approaches: time-series-based Transformers, Long Short-term Memory (LSTM), and Graph Convolutional Networks (GCN), as well as aerodynamic trajectory simulation-based prediction and the historical average.
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