プレゼン資料 - ENRI

平 成 24 年 度 公 募 型 研 究 成 果 報 告
国 内 定 期 旅 客 便 の 運 航 効 率 の 客 観 分 析 に 関 する 研 究
電 子 航 法 研 究 所 研 究 発 表 会 平 成 25 年 6 月 7 日
九 州 大 学 宮 沢 与 和 ,ナビンダ・キトマル, 原 田 明 徳 , 宮 本 侑 斗 , 小 塚 智 之
電 子 航 法 研 究 所 福 田 豊

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発 表 の 構 成
1. はじめに 研 究 背 景 と 目 的
• 公 募 型 研 究 の 計 画
2. 運 航 効 率 の 客 観 分 析 とは
3. これまでの 代 表 的 な 成 果
• レーダデータを 用 いた 飛 行 解 析 と 便 益 の 検 討
4. 解 析 法 ( 気 象 モデル, 性 能 モデル, 軌 道 最 適 化 )
5. 今 後 の 計 画
6. まとめ
研 究 成 果 報 告

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1. はじめに 研 究 の 背 景 と 目 的
• 燃 料 節 約 による 経 済 性 の 向 上 とCO 2 環 境 負 荷 の 軽 減 が 求 め
られている.
• 個 々の 航 空 機 の 性 能 は 世 代 とともに 向 上 しているが, 全 体
システムを 見 た 場 合 , 交 通 量 の 増 大 が 効 率 を 下 げる 傾 向 が
あり, 航 空 管 制 の 改 良 により 運 航 効 率 の 向 上 と 容 量 の 拡 大
が 望 まれる.
• 現 状 を 客 観 的 に 分 析 することによって, 効 率 向 上 の 可 能 性 を
定 量 的 に 明 らかにし, 容 量 拡 大 のための 方 策 を 提 案 する.
• 我 が 国 の 航 空 交 通 管 理 の 研 究 に 貢 献 し,CARATSの 推 進 に
資 する.
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2. 運 航 効 率 の 客 観 分 析 とは
音 声 交 信
航 空 局
レーダデータ
安 全 性
に 係 わる 分 析
情 報 交 換
運 航 会 社
性 能 ・ 安 全 性
に 係 わる 分 析
フライトデータ
レーダデータを 使 って 運 航 効 率 を 分 析 することを 提 案
< 解 析 法 の 特 徴 >
• 航 空 機 の 飛 行 状 態 を 推 定 する.
• 理 想 状 態 など 実 際 のフライトと 違 った 飛 行 の 性 能 を 推 定 する.
• 気 象 条 件 や 管 制 方 式 などの 制 約 を 考 慮 する.
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2. 運 航 効 率 の 客 観 分 析 < 飛 行 状 態 の 定 量 化 >
気 象 データと 機 体 性 能 モデルに 基 づく 飛 行 状 態 の 推 定
レーダ
データ
時 刻 ・ 緯 度
経 度 ・ 気 圧 高 度
↓
・ 対 地 速 度
ベクトル
気 象
データ
気 象 庁 GPVデータ
・ 幾 何 高 度
・ 対 気 速 度
ベクトル
・マッハ 数
機 体 性 能
データ
EUROCONTROL
BADA model
GPV: Grid Point Value, BADA: Base of Aircraft Data
・ 抗 力 / 揚 抗 比
・ 推 力
・ 燃 料 流 量
Σ( 燃 料 流 量 )=
燃 料 消 費 量
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2. 運 航 効 率 の 客 観 分 析 < 実 際 と 違 う 飛 行 の 解 析 >
運 航 効 率 を 考 慮 した 飛 行 を 仮 定 して 軌 道 を 生 成 し, 実 飛 行 と 比 較
レーダ
データ
飛 行 状 態 の 推 定
推 定 された
実 際 の 飛 行
状 態 量
始 点 と 終 点
( 時 刻 ・ 位 置 )
+
評 価 関 数
( 燃 料 消 費 量
/ 飛 行 時 間 )
気 象
データ
気 象 庁 GPVデータ
機 体 性 能
データ
軌 道 の 最 適 化
飛 行 状 態 量
と 経 路 の 生 成
潜 在 的
な 便 益
の 推 算
最 適 化 された
飛 行 の 状 態 量
EUROCONTROL
BADA model
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3.これまでの 代 表 的 な 成 果
< 解 析 例 >
電 子 航 法 研 究 所 で 試 験
運 用 されている2 次 監 視
レーダ(SSR)のデータ
へ 適 用
SSR mode S データ
2012 年 2 月 21 日 18:00
SSR: Secondary Surveillance Radar
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レーダデータによる 運 航 効 率 の 客 観 分 析 の 例
羽 田 空 港 到 着 機 の 分 析
電 子 航 法 研 が 試 験 運 用 するレーダで 記 録 された2012 年 2 月 21 日
の1 日 分 の 以 下 の 条 件 を 満 たす31 機 を 分 析
1 機 種 がBoeing 777-200
2 STAR 上 の 点 (ARLON)を 通 過
(STAR: Standard Instrument Arrival - STAR)
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レーダデータによる 運 航 効 率 の 客 観 分 析
飛 行 距 離 / 燃 料 消 費 量 / 飛 行 時 間
比 較 ( 差 異 ) = 燃 料 最 小 最 適 軌 道 - 実 飛 行 ( 推 定 量 )
飛 行 距 離
燃 料 消 費 量
飛 行 時 間
飛 行 時 間
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解 析 例 1
燃 料 最 小 ( 飛 行 時 間 自 由 )の 最 適 軌 道
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(FF: Fuel Flow)
SSRデータ 最 適 軌 道 (opt)
飛 行 時 間 [sec] 1464 1681 (+217)
燃 料 消 費 量 [kg] 1141 621 (-520)
飛 行 距 離 [km] 364.7 352.9 (-11.8)
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解 析 例 2
燃 料 最 小 ( 同 一 飛 行 時 間 )の 最 適 軌 道
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(FF: Fuel Flow)
終 端 時 刻 指 定 SSRデータ 最 適 軌 道 (opt)
飛 行 時 間 [sec] 1464 1469 (+5)
燃 料 消 費 量 [kg] 1141 760 (-381)
飛 行 距 離 [km] 364.7 352.9 (-11.8)
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4. 解 析 法
旅 客 機 のフライトデータを 使 って 比 較
1 機 体 性 能 モデル
• EUROCONTROL BADA model
(The Base of Aircraft data)
燃 料 消 費 量 誤 差 6% 以 内
エアラインの 協 力
を 得 て 飛 行 データの
提 供 を 受 ける
2 気 象 データ
• 気 象 庁 GPVデータ( 全 球 GSM)
誤 差 RMS
気 温 約 1 度
東 西 風 および 南 北 風 約 3 m/s
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機 体 性 能 モデルの 評 価
BADAモデルとの 比 較
燃 料 流 量 と 燃 料 消 費 量 の 比 較 例 ( 東 京 → 福 岡 )
燃 料 流 量
燃 料 消 費 量
*
Harada, A., Miyamoto, Y., Miyazawa, Y., and Funabiki, K.: Accuracy Evaluation of an Aircraft
Performance Model with Airliner Flight Data, submitted for publication, JSASS Aerospace
Technology Japan.
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気 象 予 報 データとフライトデータの 直 接 評 価
気 象 庁 6 時 間 予 報 データ( 全 球 GSM, 日 本 域 GSM, MSM)
( 東 京 → 札 幌 2011 年 8 月 )
*
十 時 , 小 塚 , 宮 沢 , 船 曳 : 定 期 便 フライトデータと 気 象 庁 数 値 予 報 GPVデータとの 比 較 評 価 ,
日 本 航 空 宇 宙 学 会 「 航 空 宇 宙 技 術 」,Vol.12, pp.57-63, 2013.
GSM: Global Spectral Model, MSM: Meso-Scale Model
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動 的 計 画 法 (Dynamic Programming, DP) 軌 道 最 適 化
状 態 量 ( 高 度 , 速 度 , 横 変 位 )を 離 散 化 し, 状 態 量 の 進 行 方 向
の 遷 移 を 多 段 階 に 分 解 , 最 適 な 経 路 を 求 める.
J opt 1,k
進 行 方 向
L(i
j
)
J opt 2,k
始 点
J opt i,k 1
J opt 3,k
J opt 4,k
終 点
k 1 段 k 段 k 1
段
J
opt i,k 1
j1,4
min L(i
j
)
J
opt
j ,k
N 点 / 段 , M 段 のとき, 経 路 の 計 算 : N M → N 2 xM
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動 的 計 画 法 (DP)の 特 徴
長 所
1. 収 束 のための 繰 返 し 計 算 がなく, 計 算 時 間 が 事 前 に 予 測 可 能
2. 状 態 変 数 や 制 御 変 数 の 不 等 式 拘 束 条 件 の 取 扱 いが 容 易
3. 大 域 的 最 適 解 が 得 られる.
4. アルゴリズムが 単 純
短 所
1. 「 次 元 の 呪 い」 次 元 ( 格 子 数 )が 大 きいと 計 算 時 間 が 膨 大 となる.
→ 計 算 時 間 を 短 縮 する 方 法 を 提 案
2. 精 度 を 確 保 するために 離 散 化 に 工 夫 を 要 する 場 合 がある.
→ 飛 行 計 画 生 成 においては 離 散 化 は 容 易
⇒ 確 実 に 最 適 解 が 導 かれ, 旅 客 機 などの 飛 行 計 画 生 成 において
最 も 適 している.
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5. 今 後 の 計 画 < 機 体 相 互 の 干 渉 の 評 価 >
単 独 機 について 最 適 化 された 軌 道 の 詳 細 評 価 が 必 要
• 他 の 機 体 との 干 渉 の 評 価 と 対 処 方 策
保 護 領 域
間 隔 の 指 標 (Separation index)
h o
h o
y
d o
z
d
h
x
I
spr
h
max
ho
,
d
d
o
1
h o
1000[ft]
d o
5[NM]
電 子 航 法 研 レーダデータ 解 析 例 (2012 年 2 月 21 日 高 度 10,000ft 以 上 )
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6.まとめ
航 空 交 通 管 理 のためのモデルベース 軌 道 最 適 化 ツールを 開 発 ,
レーダによる 動 態 データへ 応 用 した.
モデルベース 軌 道 最 適 化 ツールの 特 徴 は,
• 動 的 計 画 法 (Dynamic Programming)により 確 実 に 解 を 求 めること
ができる.
• BADAモデルによりほとんど 全 ての 機 種 に 対 応 可 能
• 気 象 予 報 データを 組 み 込 むことができる.
• 潜 在 的 な 便 益 を 客 観 的 に 解 析 することができる.
• 燃 料 消 費 と 飛 行 時 間 のトレードオフ(コストインデックス)を 解 析 す
ることによって 飛 行 管 理 装 置 (FMS)とほぼ 同 等 の 結 果 を 得 ること
ができ, 軌 道 予 測 においても 活 用 が 可 能 である.
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6.まとめ( 続 き)
応 用 の 結 果
• 燃 料 節 約 の 可 能 性 , 飛 行 時 間 とのトレードオフ 等 について
知 見 を 得 た.
• 機 体 相 互 の 干 渉 を 評 価 する 必 要 があり 評 価 法 を 検 討 した.
今 後 の 計 画 は,
• 対 象 事 例 を 広 げて 分 析 を 行 う.
• 干 渉 評 価 法 に 基 づいて 干 渉 が 生 じる 場 合 に 対 してモデル
ベース 軌 道 最 適 化 のツールを 拡 張 して 干 渉 解 消 方 策 を 提
案 する.
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謝 辞
・ 日 本 航 空 ( 株 )より 提 供 いただいた 飛 行 データを 用 いて 機 体 性
能 モデルおよび 気 象 データについて 評 価 を 行 いました.
・ 気 象 庁 において 解 析 した 気 象 予 報 データを 使 用 しました. 使 用
するにあたり 京 都 大 学 生 存 圏 研 究 所 が 整 備 するWeb 上 のデー
タを 利 用 しました.
・EUROCONTROLが 開 発 したBADAモデルを 機 体 性 能 モデルと
して 使 用 しました.
本 研 究 のために 便 宜 を 図 っていただいたこれらの 機 関 に 深 く 感
謝 申 し 上 げます.
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