3 Visualización
Para realizar las visualizaciones generales de tráfico aéreo implementamos un filtro por días de la semana en el dash para poder detectar mejor patrones emergentes. Además, para las gráficas relevantes a los tiempos de espera en pista calculamos para cada vuelo el tiempo de espera desde que su velocidad era 0 y su estatus era on-ground (completamente estacionario) hasta que despegaba (estado airborne).
Diagrama de barras del tráfico aéreo
Fig.1
En la Figura 1 podemos observar los vuelos de una semana distribuidos por horas separados según el estado. Se observa que la mayor cantidad de vuelos se realiza entre las 11:00 y las 15:00. A partir de las 7:00, aumenta el número de aviones en tierra, lo que sugiere que corresponden a vuelos nocturnos que han llegado por la mañana. Durante la madrugada, la cantidad de aviones en operación es menor, lo que se ajusta a los horarios comunes de un aeropuerto.
Fig.2
En la Figura 2 se muestra un dataframe con el tráfico aéreo por días de la semana. Se observa que el pico de actividad aérea, es decir, el momento con más vuelos simultáneos en el aire, ocurre el viernes y sábado a la misma hora (13:00) . Sin embargo, si consideramos el número promedio de vuelos en el aire a lo largo del día, el lunes es el día con mayor tráfico aéreo.
Fig. 3
En comparación con la figura anterior, la Figura 3 muestra la cantidad de aviones en tierra a lo largo de la semana. En general, se observa que las horas con más aviones en tierra coinciden con la madrugada, cuando suelen llegar los vuelos de la noche. El mayor número de aviones aterrizados en un momento específico se registró el domingo a las 13:00 de la mañana. Sin embargo, si consideramos el total de aviones aterrizados a lo largo del día, el lunes es el día con más llegadas.
Fig. 4
En la Figura 4 se presenta un diagrama de barras que muestra de manera visual la distribución del tráfico aéreo del lunes. Se observa que las operaciones son pocas durante la madrugada y van aumentando progresivamente tanto para los aviones en tierra como en el aire. En cuanto a los aviones en vuelo, los momentos de mayor actividad ocurren alrededor de las 13:00 y las 20:00, tras lo cual el número de vuelos comienza a disminuir a lo largo de la noche. Histograma de tiempos de espera en el aeropuerto
Fig.5
En la Figura 5 podemos observar los tiempos de espera a lo largo de toda la semana. Vemos que alrededor de 2.000 aviones están en vuelo y que la mayoría de los aviones suelen tener un tiempo de espera entre vuelos de unos 1.000 segundos (16 min aprox.).
Fig.6
En la Figura 6 podemos ver más detalladamente la distribución de los tiempos de espera. A excepción de los aviones en vuelo vemos que la gráfica sigue una distribución aproximadamente normal.
Para definir el umbral superior de los valores atípicos, se ha utilizado la siguiente fórmula:
UMBRAL = Q3 + 1.5 × IQR
Boxplot de tiempos de espera
Fig.7
En la Figura 7 se muestra una distribución de los valores mediante un diagrama de cajas. Se observa la presencia de valores superiores a 25.000 segundos, los cuales son considerados outliers. Sin embargo, la mediana se encuentra alrededor de 700 segundos. Para definir el umbral superior de los valores atípicos, se ha utilizado la siguiente fórmula:
UMBRAL = Q3 + 3 × IQR
Mapa de calor de tiempos de espera
Fig.8
En la Figura 8 observamos un mapa de calor que representa los tiempos de espera en pista de los vuelos por hora y día. Podemos apreciar que en general los tiempos de espera rondan los 500-1000 segundos. En las horas de madrugada esta cifra se reduce bastante; de la una a las 4 de la mañana los tiempos de espera no superan los 500 segundos en general. Además, se puede ver que de 5 a 8 de la mañana aumentan los tiempos de espera, en particular el día 4 de diciembre, que quizás se debe a una revisión más exhaustiva o a condiciones meteorológicas adversas.
Otras gráficas
Las siguientes gráficas nos permiten profundizar en la distribución de los tiempos de espera. Es importante tener en cuenta que el eje X está limitado a los 5.000 segundos para hacer comprensibles las visualizaciones. No obstante, es preciso indicar que hay 61 outliers que superan este umbral, siendo el máximo unas 144 horas de espera. Aún así, estos datos se han tenido en cuenta para la representación de los boxplots y el histograma. Por otro lado, se han omitido los tipos Ground obstruction y Surface service vehicle debido a su baja representación (15 y 1, respectivamente).
Fig.9
En la Figura 9 se muestra la distribución de los tiempos de espera mediante un boxplot, según la categoría de turbulencia de la aeronave y las pistas 3 y 4. Se puede observar una mayor presencia de outliers cuando la aeronave es de tipo High vortex aircraft en la pista 3. En general, la mediana de los datos está sesgada hacia la derecha, lo que indica tiempos de espera más largos para la mayoría de los casos, a excepción de los tipos Light. Esto podría sugerir que, en el caso de la pista 4, los tiempos de espera tienden a ser más largos, posiblemente debido a alguna congestión en el tráfico aéreo y a su mayor distancia con respecto a las puertas de embarque. Además los tiempos de espera rondan los 500 - 1.000 segundos.
Fig.10
En la Figura 10 podemos observar la distribución de los tiempos de espera según el tipo de aeronave que ha despegado previamente en la misma pista. Probamos esto debido a que ciertas categorías de turbulencia requieren que tras su despegue transcurra un mayor tiempo para que se disipen los vórtices generados por la diferencia de presión en las alas. Podemos apreciar que para ambas pistas los tiempos de espera según la aeronave se distribuyen de manera muy similar. Esto quizá sugiere que existe un tiempo de seguridad mínimo que deben esperar todos los aviones independientemente de la categoría de turbulencia del avión anterior. Aún así, las medianas se alinean más por pista con respecto a la gráfica anterior, lo que puede sugerir que este enfoque aporta mayor explicabilidad a la distribución.
Fig.11
En la Figura 11 apreciamos la distribución de los tiempos de espera de los aviones en función de la pista. Los tiempos son ligeramente más largos en la pista 4 que en la 3, pero ambas distribuciones son muy parecidas, sesgadas ligeramente hacia la derecha y con un número muy alto de aviones con un tiempo de espera muy bajo, que seguramente se deba a que han recibido el identificador de vuelo para enviar los mensajes justo antes del despegue. La mediana del tiempo de espera en ambas pistas ronda los 600 - 700 segundos, y se pueden observar valores atípicos hacia la derecha en ambas pistas.
Para la resolución del segundo ejercicio proponemos una serie de mapas que permiten visualizar y comprender diferentes aspectos y dimensiones de los datos.
Cabe destacar que en los límites del alcance del radar por el este y el oeste detectamos una serie de señales ruidosas de ciertas aeronaves, las cuales generaban unas trayectorias incoherentes. Para solucionarlo, en las siguientes visualizaciones se han filtrado los datos eliminando los aviones (ICAO) que recorren más de 200 kilómetros en menos de 10 minutos. Por día se eliminan aproximadamente 200 aeronaves.
Mapa de dispersión de los estados de vuelo
En este mapa se posicionan todos los mensajes detectados en un periodo de tiempo determinado, permitiendo distinguir si la aeronave está en tierra (on-ground) o en el aire (airborne). Haciendo hover sobre los puntos se puede observar información adicional (ICAO, Callsign, etc.). Asimismo, se posicionan el radar y las cuatro pistas del aeropuerto. Por lo tanto, se trata de una primera aproximación para observar el tráfico aéreo.
El ejemplo que se muestra a continuación contiene el 10% (por cuestiones de rendimiento) de los mensajes de posición emitidos entre las 22:00 y las 23:00 del 03/12/2024.
Aspectos a destacar son la proximidad del radar al aeropuerto, y la identificación de ciertas rutas que todos los aviones parecen seguir en los momentos próximos a aterrizajes y despegues.
Es preciso indicar que también hemos detectado ciertas señales fijas provenientes de lo que parecen ser artefactos terrestres. Posiblemente se trate de estaciones terrestres o balizas que cuentan con antenas de radar secundario (SSR) o transpondedores ADS-B, así como vehículos relacionados con el aeropuerto. Es importante filtrar estos datos de cara al entrenamiento del modelo.
Mapa de calor animado
Esta visualización deriva de la anterior, se trata de un mapa de calor animado que permite monitorizar la densidad de mensajes en ventanas de tiempo muy reducidas (hemos fijado los frames a cinco minutos). De este modo, podemos observar el tráfico aéreo de forma mucho más precisa y en contexto. Se incluyen tanto las señales emitidas por aeronaves situadas tanto en tierra como en el aire.
Como vimos anteriormente, el tráfico aéreo alcanza su mayor intensidad alrededor de las 13:00 y una menor intensidad a las 2:00 (en esta última hora parece haber principalmente movimiento de las aeronaves en tierra en el aeropuerto). Esto se ve reflejado en los dos mapas de calor que hemos adjuntado con este informe.
Asimismo, gracias a esta visualización podemos comprender mejor la dinámica de los aterrizajes y despegues de las aeronaves y las rutas que siguen dentro del aeropuerto desde las pistas hasta los hangares o puertas de embarque.
Trayectorias por tipo de avión
El siguiente mapa permite visualizar las trayectorias de las aeronaves por ICAO e identificador de vuelo distinguiendo por categoría de turbulencia. Asimismo, permite la opción de filtrar las trayectorias por despegues, aterrizajes y otros vuelos ajenos al aeropuerto. Es preciso indicar que las trayectorias se han generalizado a rectas con la finalidad de poder abarcar ventanas temporales más grandes. El punto en el final de uno de los extremos indica la orientación del vuelo.
En el ejemplo anterior se ha filtrado para solo mostrar aterrizajes y despegues. Teníamos la hipótesis de que las pistas tanto de aterrizaje (1 y 2) como despegue (3 y 4) estaban especializadas en cierto tipo de aeronaves debido a que ciertos materiales no soportan cargas superiores a un umbral. Sin embargo, al explorar en detalle este mapa nos dimos cuenta de que esto es falso: las pistas son usadas por aeronaves de todas las categorías de turbulencia.
Trayectorias con velocidad
Este mapa permite visualizar las trayectorias de forma más detallada y precisa, pero está orientado a franjas temporales más pequeñas. La velocidad viene indicada por el color de la recta en ese punto de la trayectoria, mientras que la dirección se indica con un punto en uno de los extremos. Cabe destacar que la velocidad de las señales tiene como unidad el nudo (1 kt=1.852 km/h), así que hemos hecho la conversión a km/h.
Podemos observar que en todos los vuelos las aeronaves alcanzan una velocidad de entre 800-900 km/h. Por otro lado, se puede apreciar que los aviones requieren una velocidad de entre 100-300 km/h para que un avión despegue (suponemos que dependerá de la carga y el tipo de avión). Asimismo, los aviones suelen alinearse con la pista para efectuar el aterrizaje a unos 300-350 km/h.
Trayectorias con altitud
En este mapa, al igual que en el de velocidades, se representan las trayectorias detalladas de cada vuelo. El color indica la altitud de cada aeronave a lo largo de su trayectoria, mientras que la dirección se indica con un punto en uno de los extremos. La altitud se muestra en pies (ft).
Podemos distinguir a simple vista los vuelos que aterrizan/despegan en el aeropuerto y el resto de vuelos que pasan a mayor altitud. Se aprecia tanto en aterrizajes como en despegues que la altitud cambia de forma muy gradual, durante varios kilómetros, coincidiendo con la pérdida o ganancia de velocidad. Los aviones que están en pleno vuelo mantienen una altitud de entre 30.000 y 40.000 ft.