Airline Fleet Composition: Analysis and Planning

Abstract

O foco central desta Tese é o problema da composição de frotas aéreas, em particular, no que diz respeito ao seu planeamento e modelação. Especificamente, este trabalho investiga a melhor forma de uma companhia aérea planear a sua frota, a fim de cumprir um determinado número de objetivos e lidar com as inevitáveis restrições da realidade. Algumas das questões às quais este trabalho irá tentar responder são: se a companhia aérea deve comprar ou alugar os aviões; quantos modelos de avião deve a companhia aérea escolher para compor a sua frota; qual seria a melhor frota possível tendo em vista minimizar os custos para a companhia aérea (ou maximizar os seus lucros) e respeitar a procura prevista. Este trabalho apresenta uma revisão extensa sobre a literatura existente na atualidade no que diz respeito a problemas de planeamento de frotas, em geral, e planeamento de frotas aéreas, em particular. São identificados e classificados os modelos de otimização de planeamento de frotas mais relevantes. Adicionalmente, é efetuada uma análise dos trabalhos de investigação anteriormente realizados sobre aluguer de aviões, e identificadas as principais lacunas existentes neste campo de investigação, ambas servindo de ponto de partida para o trabalho desenvolvido na presente Tese. Será apresentada uma descrição e caracterização dos principais modelos de aviões existentes no mercado de aviação, bem como uma análise dos maiores fabricantes de aviões no mundo. A caracterização dos aviões é feita com base em algumas das suas características técnicas, como o número de lugares (capacidade), o alcance e as dimensões. A evolução dos modelos de aviões e da aviação ao longo do tempo é também estudada de um modo geral. Mais especificamente relacionado com companhias aéreas, é apresentado um ranking das maiores companhias aéreas do mundo e é feita uma revisão em termos de eficiência, produtividade e custos. Foram examinadas quatro companhias aéreas (American Airlines e Delta Air Lines, dos Estados Unidos; e Ryanair e Lufthansa, da Europa) em termos de evolução de frotas. As duas companhias americanas são duas das maiores companhias aéreas em todo o mundo e apresentam uma frota composta por modelos Airbus, Boeing e McDonnell Douglas. A Ryanair e a Lufthansa são duas das maiores companhias aéreas Europeias. A frota atual da Ryanair é constituída exclusivamente por Boeing 737-800 (next Generation), enquanto a frota da Lufthansa é maioritariamente composta por modelos Airbus (embora também inclua alguns modelos Boeing). Foram desenvolvidos dois modelos de planeamento de frotas aéreas: um direcionado para operações de longa distância, e outro mais focado em redes e frotas de curta distância. Para o primeiro modelo, foi apresentado um problema estratégico enfrentado pela TAP Air Portugal, a principal companhia aérea Portuguesa. O objetivo foi o de determinar os modelos de aviões que a companhia deve adquirir (ou alugar financeiramente) para constituir a sua frota aérea, de forma a dar resposta à procura prevista entre Lisboa e o Brasil (operações de longa distância da TAP) no ano de 2020. A abordagem apresentada baseou-se num modelo de otimização da classe dos programas lineares estocásticos de duas etapas. Os resultados obtidos neste estudo permitiram obter uma visão clara sobre como a TAP deveria renovar a sua frota aérea, considerando os seus recursos financeiros disponíveis. O aluguer de aviões é uma opção que deve, definitivamente, ser tida em conta pela TAP, uma vez que permite que a companhia dê resposta à incerteza da procura sem ter de investir montantes significativos na aquisição de aviões. No que diz respeito ao modelo de curta distância, foi desenvolvido um modelo de otimização estático e determinístico que foi aplicado a um estudo de caso inspirado nas operações da TAP na Europa. A procura foi considerada determinística e o estudo foi conduzido tendo em consideração um período de tempo específico. Os resultados do estudo ajudam a entender de que forma a TAP poderia beneficiar de algumas mudanças na sua frota aérea de curta distância. O modelo de otimização desenvolvido, aplicado no âmbito de uma metodologia integrada, provou ser uma ferramenta bastante útil para as companhias aéreas planearem as suas frotas. O trabalho desta Tese, em particular os dois modelos de otimização desenvolvidos, são, sem dúvida, ferramentas que podem tornar-se um contributo relevante para as companhias aéreas aquando da tomada de decisões relativamente ao planeamento das suas frotas.

This Thesis’ focus is the airline fleet composition problem, particularly in terms of its planning and modeling features. More specifically, this work investigates the best way for an airline to decide how to plan its aircraft fleet, in order to accomplish a pre-determined number of goals and to comply with the inevitable reality constraints. Whether the airline should acquire or lease the aircraft, how many aircraft models should the airline choose to compose its fleet, what would be the best fleet mix in order to minimize the airline’s costs (or maximize the airline’s revenues) and to fulfill the predicted demand, are some of the questions that this work will try to answer. An extensive review of the existing literature in terms of fleet planning problems, in general, and airline fleet planning problems, in particular, is presented. The most relevant fleet planning optimization models are identified and classified. An analysis on the currently existing literature in terms of leasing of aircraft is also included in this work. And the major gaps existing in this research field are identified, as a starting point for the work developed. Furthermore, the major aircraft manufacturers in the aviation market are enumerated and a description and characterization of the most relevant aircraft types is provided, focusing on its most relevant features, such as seat capacity, range and aircraft size dimensions. An analysis of the evolution throughout time of aircraft models and aviation in general is included. Additionally, this work presents a rank of the world’s largest airlines, as well as a general review on airlines’ efficiency, productivity and costs. Four airlines were chosen (American Airlines and Delta Air Lines, from the United States; and Ryanair and Lufthansa, from Europe) to be examined in terms of their fleets’ evolution. American Airlines and Delta AirLines are two of the biggest airlines in the world, and offer a fleet mix of mainly Airbus, Boeing, and McDonnell Douglas models. In Europe, Ryanair and Lufthansa are two of the largest airlines. Ryanair currently existing fleet is an only-Boeing 737-800 (next Generation) fleet, while Lufthansa’s fleet is predominantly composed by Airbus models (although it also includes some Boeing aircraft). Two airline fleet planning models were developed: one focused on airline long-distance operations, whereas the other model’s focal point is an airline short-distance network and fleet. For the first model, a strategic fleet planning problem faced by TAP Air Portugal, the Portuguese legacy carrier, was presented, with the aim of shedding light on the aircraft models to select, as well as on the mix of aircraft to purchase (or financially lease) and the aircraft to operationally lease in order to cope with the forecasted passenger demand between Lisbon and Brazil (TAP long-distance operations), in the year of 2020. The developed approach was based on an optimization model that can be cast in the class of two-stage stochastic integer programs. The results of the study provided clear insights on how TAP should renovate its fleet, depending on the available resources. The leasing of aircraft is an option that should definitely be taken into consideration by TAP, since it allows the carrier to deal with demand uncertainty without investing large amount of resources in the purchase of new aircraft. Regarding the short-distance model, an integer static and deterministic optimization model was developed and applied to a TAP Europe inspired case study. The demand was considered deterministic, and the study was conducted considering a specific time period. The results of the study helped providing some understanding on how TAP could benefit by performing some changes in its short-distance fleet. The optimization model developed, integrated within an overall application methodology, proved to be a useful tool that could be used by airlines when planning their short-distance fleet. This Thesis work, in particular the two optimization models developed, can certainly contribute as a fairly helpful tool for airlines when dealing with fleet planning decisions.