フローコリドーの運用方式の研究
武市 昇
名古屋大学 航空宇宙工学専攻

中村陽一、蔭山康太
電子航法研究所 航空交通管理領域

平成25年度電子航法研究所研究発表会
平成25年6月7日

 CARATS & NextGenで計画されている運航方式
 長期的な計画：2020年代半ば以降

 “細長い空域”
 混雑空港および都市圏間を接続する

2

 フローコリドー内部
 自律間隔維持（セルフセパレーション）の性能を持つ機体のみ
 管制官の介入は不要

 その他の空域および管制
 自律間隔維持の性能を持たない機体

 安全性を損なわずに空域全体としての交通容量を拡大
 装備レベルの異なる機体の混在する航空交通の取り扱い

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 フローコリドー内部での運航手順
 自律間隔維持の手順
 定時性の確保方法
 安全性と効率性が同時に求められる

 フローコリドーの配置方法
 便益を決定する要素©flightrader244 洋上経路を対象とした自律間隔維持
 大きな管制間隔
 多くの機体が最適経路を飛行できない状況
 自律間隔維持の導入
 ほぼすべての機体が最適経路近傍を飛行
Optimum
Route
Fukushima et al.(2009)

Opt. Route5 フローコリドーの従来の研究
 基本概念の提案(Yousefi, et al., 2010)
 経路構造 運航手順の概念 ⇒ 具体的な検討は無い

追い越し・合流・“車線”変更

Yousefi et al. (2010)

 本研究の目的
 フローコリドー内の自律間隔維持の手順
 “最大交通量”を安全に扱うことができる

現実の交通量に対しては十分安全なはず 出来るだけ小さな乗員のワークロード 全ての航空機が最適な速度＆最適経路近傍を飛行

6 フリーフライト

Blom, 2011

 コンフリクト検出と解消
 あらゆる方位の航空機を想定

 降下交通流
 同じ速度履歴を達成

 フローコリドー 全ての航空機が各々の最適速度を保つ

Abott, 2011

 フリーフライトの自律間隔維持
 フローコリドーにも適用できるのではないか？
 その適用可能性の解析から始める
7

 航空機の間隔RSCRMS

 安全間隔: RMS
 基準間隔: RSC

 交通流モデル
 最大の交通量
 基準間隔 RSC で航空機が連なっている状態
x 水平面内の運動のみ( xi , yi )

 方位角の変更による間隔維持
 最適飛行速度を維持する

 コリドー外の機体は中心に向かう

ViVj(x j , y j )0 ベルト状のコリドー

iyOpt. RouteBelt Width8

 相対ベクトル基準方式
 フリーフライトの間隔制御の一つ(Bach et al., 2009) コンフリクト検出 相対速度ベクトルが基準間隔の円内を通過
VB

 コンフリクト回避 両方の機体が同時に 最小の方位角変更

 sc

VB

VR

VR

VAtan  sc B

RSCVA

VRVB

 sc

AV  V  2V V cos     sin 2A2
BA BABVA2  VB2  cos   2VAVB sin  sin  A  B 9u 基準間隔を下回った場合
 距離に基づいた方位角変更
RSC  d A, B  基準間隔を下回った場合
u RSC  RMS 2
 安全間隔を下回った場合

u 
2

 間隔制御のための方位角の与え方
  sc A, B    sc  u u d A, B  RSC  RSC  d A, B  RMS  RMS  d A, B 
10 航空機の方位角  A   A   Ar
 複数の機体との間隔制御

 A   A , B   A ,C   A , D  最適経路に向かう方位角
 コリドー外の機体のみ Ar

aa

a

a

最適経路
経路幅

 ロール角： A  a   A  A 
 指示される方位角と実際の方位角の差に比例11 進行方向：基準間隔をあけて並ぶ

250m/s 20機の交通流・ RSC  10.5 NM , RMS  10 NM 50通りの初期状態
 横方向：コリドー内で不規則に与える
 最適速度： 230~250m/sの範囲で不規則 無限延長の経路

 円の半径：安全間隔
 ベクトル：飛行速度と方位
 色：飛行速度

 =10deg

230m/s

 凡例

12

 各航空機の状況の表示
 色で区別して示す
他機と十分な間隔・間隔制御無し
他機と十分な間隔・間隔制御有り
基準間隔以下まで接近
安全間隔以下まで接近：コンフリクト

青い実線：間隔制御が行われていることを示す

13

 典型的な結果の例
 飛行速度範囲：230m/s~250m/s

230m/s

250m/s 視点：240m/sで飛行
 3000倍速

RSC  10.5 NM
RMS  10 NM

14 相対ベクトル基準方式
 コンフリクトの発生：32通り（全50通り）

 コンフリクトの具体的な状況

15 コンフリクトの発生メカニズム
C

B
D

A

“直感”に反した運動

C

B
D

A

B

C

A

DB
A

CD

 コンフリクトの生じうる状況 高密度の交通流では避けられない ⇒ 頻繁に発生
16 横位置基準方式
 フローコリドーにおける飛行意図（Flight Intent）
 “全ての航空機が経路に沿って飛行する”
d Ay, B

 横位置にのみ着目 コンフリクト検出


VB
VR

B

横方向の基準間隔の範囲

 コンフリクト回避




VA

互いに方位角を変更

sc
d Ax , BVB

 scVBVRA

17

 横位置基準方式
 コンフリクト発生：無し
 全50通り 飛行速度範囲：230m/s~250m/s

230m/s

250m/s 視点：240m/sで飛行
 3000倍速
RSC  10.5 NM

RMS  10 NM
18

相対ベクトル基準

横位置基準

 典型的な一例
 横方向の動きに差異

19

Ework[deg/hour]
相対ベクトル基準 5.9×102
15.1
わずか1/6の方位角変更
横位置基準02.5Econf 安全性⇒ 十分な安全性を達成

 安全間隔を下回った距離の積分
10 NM  di , j
1
conf
conf
Econf    di , j dt (i  j )di , j  N i, j0 di, j  10 NM  di, j  10 NM  ワークロード 方位角変更量を目安とした
1Ework  i dt
N  TTOTAL i20

 フローコリドーにおける自律間隔維持
 フリーフライトの間隔制御方式：不適
 横方向の間隔制御：過剰 ⇒ コンフリクトを起こす
 フローコリドーにおける飛行意図の導入
 “全ての航空機は経路に沿って飛行する”
 コンフリクトの生じ無い運航が可能
 横方向の間隔制御：最小かつ十分

 飛行意図の導入＝方位角の情報を使用しない 互いの航空機を信頼した協調的な制御
 “経路に沿って飛行するはず”
 “より少ない情報量でより良い成果”

 フローコリドー運用の実現可能性を示した
 ただし理想的環境下で21

 フローコリドー内の運用手順
 定時性の確保
 フローコリドー内：管制官は不介入
 パイロットによる操作が可能な手順
 様々な航空機および状態の考慮
 間隔制御の不均一な振る舞い
 緊急時の手順
 評価基準 フローコリドーの設定方法
 日本国内における便益を最適化する配置
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 機上装置のパイロット支援レベル
 パイロットはどこまで“手動”か？
 今回の発表は全て機上装置が自動で行う場合を想定
 監視：周辺状況を把握する
 判断：コンフリクトの可能性を判断する 誘導：コンフリクトを回避する 制御：航空機を操縦する
 段階的導入に対応する運用方式が不可欠
24 コンフリクト検出と回避の基本的な振る舞い
 2航空機間の追い越し 初期に横位置にのみ差がある場合：ほぼ同じ
相対ベクトル基準

横位置基準

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 コンフリクト検出と回避の基本的な振る舞い
 初期に横位置および方位角の差がある場合
 回避の方向が逆になる ⇒ より少ない方位角変更
相対ベクトル基準

横位置基準

初期方位角0.05rad大きな方位角変更

小さな方位角変更

26 一般的には：現行の運航方式を少しずつ改善
 “運航手順を想定⇒現状分析⇒改善”の繰り返し
 堅実な手法 ⇒ 実現可能な運航手順
 交通容量：安全性の下限で決まる
 基礎研究では：最初から理想的な状態を想定することが可能
 最大の交通量を想定 ⇒ 安全に運航できるルールを探す 理想的な状態に現実的な条件を追加⇒ 実現可能な運航手順


現実的な交通量を安全性に余裕を持って対応出来る“理想的な姿を示す”

交通容量理想的な上限：現実的な条件を考慮してやがて下限に達する
やがてある上限に達する：安全性の下限で決まる
時間27