計測自動制御学会東北支部 第 267 回研究集会(2011.10.28)
資料番号 267-20

航空管制システムにおける状況認識支援のための段階的警報に関する研究
Study on Graded Alert for Supporting Situation Awarenessin Air Traffic Control System○金田知剛，狩川大輔，高橋信
KANEDA Tomotaka, KARIKAWA Daisuke, TAKAHASHI Makoto
東北大学
Tohoku University
キーワード: 航空管制(Air Traffic Control)，段階的警報(Graded Alert)，ヒューマンインタフェース(Human Interface)
連絡先: 〒980-8579 仙台市青葉区荒巻字青葉 6-6-01-2 東北大学大学院 工学研究科
量子エネルギー工学専攻 若林・高橋(信)研究室 金田知剛,
Tel./Fax. : (022)-795-7921, E-mail: t.kaneda@luke.qse.tohoku.ac.jp

1.

序論て，さらなる指示の発出等を行わなければなら

現在，世界的に航空需要が増加しており，航ない．このようなモニタリングのプロセスは，空交通システムのさらなる安全性・効率性の向管制官の間では「追尾」と呼ばれ，特に重視さ1)上が必要とされている ．安全かつ円滑な航空れる基本スキルの１つとなっている．

交通流を維持する上で重要な役割を果たして現在，実際に導入されている管制官のモニタいるのが，航空管制官によって行われる航空管リング支援システムとしては，航空機間の管制制業務である． 航空管制業務の主な特徴とし

間隔欠如が発生する約 3 分前にレーダ画面上ては，同時に 10 機以上の航空機を扱うこともに警告を表示する異常接近警報(Conflict Alert:珍しくないマルチタスクである点が挙げられCA)がある．CA は，航空交通の安全性向上にる．また，管制業務は，将来の航空交通状況の重要な役割を果たしているが，特に多数の管制予測に基づいて，各航空機に対して必要な指示処理が必要な高ワークロード条件下におけるを発出する予測ベースの認知的タスクである．

安全性と効率性の両立を考えた場合，より早い

その一方で，航空交通状況や気象状況は常に変段階での状況認識支援の実現が必要であると化を続けており，管制官は状況の変化が予測通考えられる．また管制業務の場合，管制官が直りであるかを常にモニタリングし，必要に応じ接航空機を操作することはできず，遠隔地にい1

るパイロットに指示内容を伝達し，パイロット各航空機に対する処理内容は，管制移管先でが必要な操作を行うことではじめて管制官がある隣接する他セクター/進入管制区との間で想定した航空交通状況が達成される，という特それぞれ取り決めが行われており，例えば移管徴がある．従って，管制官はコミュニケーショ時の高度や同経路を飛行する他機との水平間ンに要する時間や，航空機や気象等の状況から隔が，常に確保しなければならない管制間隔とパイロットが管制官の指示に従えない可能性は別に設定されている．これらの規定を達成すも考慮しつつ対応しなければならず，時間的余るために，管制官は航空機に対して速度の指示，裕が特に重要であると考えられる．

高度の指示，経路の指示を必要に応じて発出す

以上のような考えに基づき，本研究グループ

る．

では，CA のような警報システムが作動する以管制間隔は，レーダを用いて航空管制業務を前のより早い段階において，状況認識を支援す行なっている場合，5NM(Nautical Mile)の水平ることを目的とした段階的異常接近警報

間隔と 1,000ft の垂直間隔が適用される．将来(Graded Conflict Alert: GCA)に関する研究・開発

的に 3 分以内に航空機の間隔が管制間隔を保を行っている．本稿においては，航空管制業務てないと管制システムが予測した場合，異常接の特徴である「マルチタスク」「変化し続ける近警報(Conflict Alert: CA)が発生し，レーダ画状況下における継続的なモニタリングを必要面に警告が表示される 3)．とする」という 2 つの特徴を備えた実験タスク

3.

および実験用シミュレータの開発を行うと共GCA による支援システムの検証するために，に，GCA のプロトタイプシステムを開発し，PC ベースの実験用シミュレータを開発した．

その有効性と問題点について予備的な検証をFig. 1 にその操作画面を示す．このシミュレー行った結果について報告する．

2.

実験用シミュレータ

タは，実験時においては航空管制官以外の被験航空管制システム者によって操作されることを想定しているた

航空管制業務とは，航空機同士の衝突を防止め，航空路管制業務を行う航空管制官のタスクするために各航空機に対し安全な間隔(管制間をベースとして，マルチタスク環境および継続隔)を設定すると共に，航空交通の秩序ある流的なモニタリングを必要とする状況変化の模れを維持・促進するための業務である．航空管制業務は，その業務範囲によって 5 つに分類されるが 2)，本研究の対象となるのは航空路管制業務である．航空路管制業務とは，主に巡航中やその前後のフェーズの航空機に対する管制業務である．業務の対象となる空域は，セクターという単位で分割され，それぞれに航空機との交信を担当する管制官(レーダ席)と，他のセクターや他官署との調整を担当する管制官(調整席)の 2 名のチームが割り当てられて管制業務が行われる．

Fig. 1 シミュレータ操作画面

2

擬に特化した簡略型のタスクとなっている．操

データブロックはシンボルわきにある三段

作画面には，航空管制官が受け持つ空域の境界構成の文字情報のことである．一段目は，航空線，航空機の経路を示す航空路，そして各航空機の呼び名であるコールサイン，二段目は高度機の位置を表すシンボルおよび航空機の個別に関する情報を示している．高度の単位はフィのデータを表すデータブロックが表示される．

ート(ft)で表されており，例えば”300”と示され操作者のタスクは，各航空機の動きを監視し，ている場合，30,000ft を意味する．左側の数字

航空機同士の間隔を適切に保ちながら，航空機が最終的に到達しなければならない目標高度，を目標高度に誘導することである．Fig.１に示

右側の数字が現在高度を表す．真ん中の数字のすように，本シミュレータで模擬されるタスク

間の記号は航空機の昇降状態を表しており，上は，複数の航空機を同時に扱うマルチタスクで昇中の場合”↑”が，下降中の場合”↓”，水平飛あり，かつ航空路の一部分には速度が変化する

行中の場合”－”と表示される．また，現在高度領域が設けられており(風による航空機の速度が目標高度もしくは暫定維持高度に到達した変化を模擬したものであり，本稿ではこれを状態で，かつ水平飛行を行っている場合は”A”「風の影響」と呼ぶこととする)，継続的なモと表示される．暫定維持高度を入力した場合，ニタリングを必要とする状況変化の不確実性

目標高度と昇降表示の間に”*”と数字が表示さが盛り込まれている．

れる．この数字は入力した暫定維持高度を表し

3.1.シミュレータ上に提示される情報ている．三段目は，航空機の速度および目標を航空機のシンボルおよびデータブロックを表している．左側の”G”という表示の横に表示

Fig. 2 に示す．二等辺三角形が航空機の位置をされる数字は，航空機の速度を表している．速表し，シンボルから伸びた線分が航空機の進行度の単位はノット(kt)で表されており，例え方向，および速度を表す．線分の終端位置は，

ば”G40”と示されている場合，400kt を意味す

航空機が現在の速度を維持したまま，シミュレる．右側に表示される 3 文字のアルファベット

ータ内時間で 1 分後の航空機の位置を意味す

は，航空機の目標情報を表している．”APP” はる．シンボルの後方にある短い線は，シミュレ下降を要する到着機，”DEP”は上昇を要する出ータ内時間で 20 秒前，40 秒前，60 秒前にいた発機，および”OVR”は高度変更を要しない空域位置を表す．シンボルを囲っている白い円は，通過機であることを表す．

航空機から 5NM の距離を表す．

3.2.シミュレータの操作方法
タスク遂行に必要なシミュレータに対する操作はすべてマウスで行うことができる．可能な操作は以下に記す 4 項目である．
(i)

航空機の目標航路の表示
航空機のシンボルを左クリックすると，赤色の線分が表示される．その線分は，クリックした航空機の今後の進路を示している．
(ii) データブロックの位置変更
航空機のデータブロックは，マウスの左ボタ
Fig.2 航空機シンボルとデータブロックンでドラッグでき，任意の位置に配置すること3が可能である．

た場合の位置と最高速度で飛行した場合の位(iii) 高度の変更

置を結ぶ線分を予測時間における航空機の存

高度の変更は，Fig. 3 の左図に示すように，在範囲とする．その存在範囲から 5NM 以内に高度に関するデータブロックの情報が白くな別の航空機の存在範囲が含まれると測定されった時点で可能となる．この状態で，航空機のた場合，それらの航空機の水平間隔は欠如するシンボル，コールサインおよび高度情報のいずと判定される．Fig. 4 に，接近警報が発生する

れかを右クリックすると，Fig. 3 の右図に示す

場合の航空機の位置関係の例を示す．

ような数字，英字のリストが表示される．数字

垂直間隔に関しても，昇降速度に±200ft/minをダブルクリックすると，その数字が暫定的なの速度変動を考慮し，水平間隔と同様の方法で目標高度に設定される．”PLANNED”をダブル存在範囲を算出し，1,000ft 以内に別の航空機クリックすると，最終目標高度が目標高度に設の存在範囲が含まれると測定された場合，それ定される．一度高度変更を行うと，高度情報のらの航空機の垂直間隔は欠如すると判定され文字情報は元の色に戻り，以降は随時高度変更る．また，予測に用いる昇降速度で予測時間分が可能となる．

航空機が昇降し，目標高度を超過してしまう場(iv) 操作のキャンセル

合は，目標高度に達すると予測される時間以降

航空機シンボル，データブロック以外の箇所は存在範囲と目標高度は一致する．

を左クリックすると，航空機の目標航路や，高(i)度選択リストの表示を消すことができる．

異常接近警報実際の航空管制システムで実装されている警報を模擬したものである．航空機がシミュレ

3.3.接近警報システム
本シミュレータの接近警報は，レーダから取ータ内時間で 3 分以内に水平間隔 5NM 未満，得した航空機の対地速度および昇降速度を用

垂直間隔 1,000ft 未満という，異常接近状態にいて一定時間後における航空機の平面座標及なると判定された場合，異常接近警報(Conflict

び垂直高度を算出し，他の航空機の予測位置とAlert: CA)が発生する．Fig. 5 に示すように，コの距離を計算することで干渉の有無を判定しールサインの右側に”CNF”という赤色の文字ている．風の影響による航空機の速度の不確実が点滅し，航空機の予測位置を表す線分の終端性を吸収するために，対地速度に±20knt の速が 3 分後の位置に変更される．暫定維持高度を度変動を考慮し，変動による最低速度で飛行し再設定し，安全な間隔が確保されると判定された場合，CA は自動的に停止する．

Fig. 3 高度変更画面

Fig. 44

接近探知方法の概要

(ii) 段階的異常接近警報

可能時刻，各航空機の挙動データ，そして被験本シミュレータにて効果の検証を行うため者の主観的難易度である．それらのデータから，に，開発された警報である．航空機がシミュレ被験者のパフォーマンスをシナリオ間で比較

ータ時間内で 10 分以内に異常接近状態になるするために，コンフリクト誘起率，CA 発生率，と判定された場合，段階的異常接近警報および過剰高度停止率の 3 つの指標を算出し(Graded Conflict Alert: GCA)が発生する．Fig. 6た．に示すように，この警報が発生するとデータブ

コンフリクト誘起率(CNrate)は，干渉の可能性

ロック横に黄色のバーが表示される．
GCA は，現状では，CA と同様に航空機が安全な間隔を確保できると判定されると自動的に停止する仕様となっている．

4.

実験

4.1.実験概要

Fig. 5 CA 発生時のレーダ画面

前章で述べた実験用シミュレータを用いて，GCA の支援効果を検証する実験を行った．被験者は 20 代男性 2 名である．
実験ではまず練習課題を数回実施し，被験者をタスクに対して十分に習熟させた後，本課題

Fig. 6 GCA 発生時のレーダ画面を実施した．本課題の数は 6 シナリオであり，
シナリオ 1~3 は GCA の支援なし，
シナリオ 4~6

シナリオ1

は GCA の支援ありで行った．
各シナリオには，易

航空機の風による速度の変動といった状況の難不確実性が盛り込まれており，継続的に監視をシナリオ2行わなければ適切な状況認識を維持できない易

難ような課題設計となっている．本課題では，各シナリオ終了時にシナリオの難易度に関する

シナリオ3

主観評価を Fig. 7 に示すようにフリースケー

易

難

シナリオ4
易難ル方式の評価シートに記入してもらった．すべての課題が終了したあとに，GCA の有効性，GCA の支援による戦略の変化の有無，タスク全体としての難易度と，自由感想をインタビュ
シナリオ5

ーした．

易難

シナリオ6
易

難

4.2.結果実験中に測定したデータは，シナリオ毎のCA および GCA の発生時刻，各航空機への指示高度およびその時刻，各航空機への指示開始

Fig. 7 主観評価シート記入例
5

のある機に対する被験者の予測精度を表している．シナリオ作成時に設定した航空機の干渉総数を CNall，干渉の恐れのある高度に航空機に降下または上昇させた回数を CNnum とする

CN rate CN num
CN allRateと，以下の式で表される．
(1)

CA 発生率(CArate)は，継続的な監視の失敗による安全性低下の割合を表している．実際にCA が発生した回数を CAnum とすると，以下の

1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.30.20.1
01

CNrateCArate234
Scenario ID

式で表される．

CArate 

CAnum
CAallの失敗による効率性低下の割合を表している．
GCA は作動するものの最終的に干渉しない航Rate

空機の組の総数を UNAMall，その中から実際に被験者が昇降を停止するに至った回数をUNAMnum とすると，以下の式で表される．

UNAM num
UNAM all(3)各シナリオに対する被験者別のコンフリク

CNrateCArate

6UNAMrate234
scenario ID

10.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
01

ト誘起率，
CA 発生率，過剰高度停止率を Fig. 8，Fig. 9 に，被験者別の各シナリオに対する主観56

Fig. 9 被験者 2 の実験結果的難易度評価結果を Fig. 10 に示す．

subject 14.3.考察(i)

5Fig. 8 被験者 1 の実験結果(2)

過剰高度停止率(UNAMrate)は，継続的な監視

UNAM rate UNAMrate

subject 2

1

被験者 1 に関する考察
シナリオ 1~3 とシナリオ 4~6 を比較すると，Difficulty

CA 発生率が低下していることがわかる．これは，航空機を干渉高度に降下/上昇させても，GCA が早期に発生することで CA が発生する0.5前に干渉処理をすることが可能であったためと考えられる．また，主観評価からも GCA 支援がある場合における主観的難易度の低下が0確認できることや，インタビューにて「GCA1

234
scenario ID

56を利用して航空機が干渉するかどうかを確認するように戦略を変更し，作業負荷が減った」

Fig. 10 各シナリオの主観的難易度評価
6と回答していることから，GCA による早期の援による戦略の変化はなかった」と述べている

支援が被験者の認知的な負荷を軽減する可能ことから，被験者 1 と比較して干渉の処理が全性が示唆されたものと考えられる．

体的に慎重になっていたことが寄与したと考

その一方で，過剰高度停止率に関しては，えられる．また，主観的難易度評価を見ても被GCA 支援のある方が増加していることが確認験者 1 と比べて GCA の支援による難易度の変できる．これは，被験者が GCA に受動的に対化が乏しいことも，戦略が一定であったことを応することによってコンフリクトを防止する裏付ける結果であるものと考えられる．

戦略に戦略変更したにより，実際には上昇/降

5.

下の一時中断が必要ない航空機に対しても上

結論
本研究においては，CA よりも早い段階にお昇/降下を止める指示を発出するケースが増加

ける管制官の状況認識支援を目的として GCAしたためと考えられる．

を提案すると共に，その基礎的な実験環境を構(ii) 被験者 2 に関する考察築し，GCA の有効性および問題点の予備的検

被験者 2 については，シナリオ 6 から被験者証を目的とした認知実験を行った．その結果，１とは逆の順序で本課題を行ってもらった．シ

GCA による早期の状況認識支援効果について

ナリオ 4-6 では，シナリオ 1-3 と比較して，コ一定の有効性が確認された一方で，GCA に受ンフリクト誘導率，CA 発生率が低くなってい動的に従う戦術をとる被験者も見られた．危険ることがわかる．シナリオ 4，6 に関してはコが顕在化する前のより早い段階において支援ンフリクト誘導率，CA 発生率ともに 0 となっ情報の提示を行った場合，状況変化の不確実性ているが，これらのシナリオで被験者 2 は GCAを含む環境下においては，その情報の確度が相が作動する前に，コンフリクトが予測される航対的に低下する可能性が考えられる．今後は，空機に対して，途中の高度までの降下/上昇を変化する状況下における誤報や情報提示の遅暫定的に指示することにより，コンフリクトをれなど，より現実的な条件を想定した詳細な検未然に防止していたことを意味している．従っ

証実験を進めると共に，GCA の設計改良ならて，この結果は GCA による支援の効果ではなびに表示方法の改善について検討していく予く，被験者自身の予測および処理戦術に起因す定である．

るものであると考えられる．このため，被験者
2 に関しては，GCA による支援効果を CA 発生

参考文献率から判断することは難しい．しかしながら，

1) Boeing Commercial Airplanes: Statistical

インタビューにおいて「GCA による支援効果Summaryがあった」との回答が得られており，かつAccidents, Worldwide Operations 1959-2010,「GCA あり」から「GCA なし」の条件に変わ(2011)

ったシナリオ 3 において CA 発生が見られたこ

ofCommercialJetAirplane2) 中野秀夫: 航空管制のはなし（五訂版）, 成とから，被験者 2 に関しても GCA は一定の支山堂書店 (2005)援効果有していた可能性が考えられる．

3) 福田豊，瀬之口敦: 航空管制卓における異過剰高度停止率に関しては，GCA 支援の有常接近警報機能の研究開発 , 信学技報,無にかかわらず同程度の頻度で発生している

SSS2006-18, Vol. 106, pp.17-20 (2006)

ことがわかる．インタビューにて「GCA の支7