便益評価に基づくフローコリドー導入区間の最適化

(1)

平成

30

年度

( 2 018

年度）学位論文（修士）

便益評価に基づく

フローコリドー導入区間の最適化

平成

3 1

年

( 2 0 1 9

年）

1

月

2 5

日

首都大学東京大学院

システムデザイン研究科システムデザイン専攻航空宇宙システム工学域博士前期課程

1 7 8 9 1 532

山本聡史指導教員武市昇准教授

(2)

1 .

はじめ

i

こ

．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．．

．．．．．．

．．

．

．．．．．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． l 1 . 1 .

研究背景．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．．．． l 1 . 2 .

研究目的．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．

．．．．．．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．．．．．． 2 1 . 3 .

本論文の構成

．

．．．．．．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2 2 .

使用データ

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．

．．．．．． 3 2 . 1 . CARATS

オープンデータ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3 2 . 2 . M S M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 . 3 . BADA

モデル．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

5 2 . 3 . 1 . BADA

モデルを用しヽた燃料消費墨の推定

………....…..… … … . . ……・………. 5 3 .

フローコリドーの設定と運航コスト低減最の評価

….. … ·…………•……… ..… ………….. 8 3 . 1 .

フローコリドーの概念

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 8 3 . 2 .

フローコリドーの設定

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 9 3 . 2 . 1 .

二次元経路の設定

．．

．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 9 3 . 2 . 2 . BADA

モデルを用

V

ヽた軌道最適化による高度帯の設定

……… …………．． 1 1 3 . 3 .

軌道最適ィヒによる便益の評価．．．

．．．．．．．．．．．．．．．

．．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．

．．．．．． 1 4 4 .

フローコリドー迂回による運航コスト増加最の推定………....…………•………..•…

… 1 7

4 . 1 .

干渉機体の抽出

．．．．．．．．．．．

．．．．，．．..............................

. . . . . . . .

...

. . . . . . . . .

..

. . . . . . . . .

........

. . .

......................

1 7

4 . 2 . 迂回軌道の作成．．．

．

．．．

．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，

．，．

．．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．

1 9

4 . 3 . 水平回避．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．

．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．

．．

20 4 . 4 . 垂直回避．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．

．．．．．．．．．．．

．

．．．．．．．．．．．．

20 5 . 空域全体での便益評価．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．．

．．．．．．．．．．．．．

23 6 .

空域の限定による便益向上性

．

．．．．．

．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

25 6 . 1 .

区間ごとの便益評価．．．．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．

．

．．．．

．．．．．．．．．

．．

．．．．．

．

．．．．．

．

．．．．

25 6 . 2 .

導入区間の最適ィヒ

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

28 7 .

まとめ．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．．．．．．．．．．．

．．．．．．．

．．．．．．． 32

(3)

1 . はじめに

1 . 1 .

研究背景

今日の航空交通においては特定の混雑空港間の交通批の割合が高く，それらの空港近辺では安全性を確保するためのベクタリングが多発し効率性が損なわれている現在の地上管制官の管制指示による交通流制御ではこの慢性的な遅延を解消することは困難であり，また更に今後も交通需要は増え続けていくと予想されているりそこで現在行われている地上管制官による交通流制御に代わり，より高密度，高精度の交通流を形成可能な新たな運航方式として期待されているのが，

ADS‑B( A u t o m a t i cD e p e n d e n t S u r v e i l l a n c e ‑ Broadca s t ) 2 )

等の機上アビオニクスを利用し航空機自らが周囲の交通流を把握し飛行する自律間隔維持 3)を用いた運航である．自律間隔維持では航空機自らが周囲を監視し飛行を行うため，地上との通信等による時間遅れが発生しない，各航空機の目的に沿ったほぼ最適な軌道を飛行できる，

といった利点があると考えられているしかし，この自律間隔維持は専用の機上装置を導入した航空機同士でのみ間隔維持が可能であり，それらの装置を持たない航空機が混在する空域では運用ができないという欠点があった．

フローコリドー

( F l owC o r r i d o r )

はこの問題を解決するために考案された4,5)，自律間隔維持を行う航空機のみが飛行できる空域である．フローコリドーの溝入空域や便益に関する研究は日本のみならず欧米やアメリカ等でも行われており 6‑11)，交通量の多い大都市から大都市にかけて筒状のフローコリドーを導入し，内部を自律間隔維持を用いて飛行することで運航コストを削減できる事等が示されている 12,13)．交通星の多い大都市間に適切に配置することで地上管制官の負担を軽減しつつ運航コストの削減が期待できるフローコリドーであるが，その外部を飛行する航空機にとっては大きな障害物となり，迂回して飛行することを強いられてしまう可能性がある．フローコリドーの溝入に際しては空域全体としての便益が向上することが必須であり，そのためには外部を飛行する航空機がフローコリドーを迂回して飛行する際の運航コスト増加量を定祉的に評価する必要があると考えられるが，

現在までこれに関する研究はなされてこなかった．

(4)

1 . 2 .

研究目的

本研究では前述のフローコリドー外の機体が失う便益について定量的に評価することを試みる

．そのために福岡発羽田行きの便が利用する経路にフローコリドーを導入した場合

の日本上空の航空交通流を，国交省が提供する航空機の実運航データである C

ARATSOpen Data1 4 )

等を用いて模擬し，運航コスト増加蘊等の指標を用いて評価を行うまた適切に配置

されたフロ

ー

コリドー内部の最適な経路を，自律間隔維持を用いて飛行する

こ

とにより削減できる運航コストに関しても実運航データと最適飛行シミュレーションを用いて評価するこれらを用いて空域全体を考えたフローコリドーの導入便益を評価すること

，

及び空域全体での便益を最大化するフローコリドー尊入区間を郡出することを目的とする

．

1 . 3 .

本論文の構成

本論文は，本章を含めて

7

章から構成される

．

第

2

章では

，

シミュレーションに用いた各種データと

，

シミュレーション手法に関する説明を行う

．

第

3章では，最適飛行シミュレーションを行うことで福岡発羽田経路におけるフローコリ

ドー空域の決定及び，フローコリドー溝入により得られる運航コスト低減批を明らかにする．

第

4章では，福岡羽田経路にフローコリドーを導入し

た場合にフローコ

リ

ドーと飛行経路が干渉し迂回を余儀なくされる航空機を実運航データから抽出し，その迂回による運航コストの増加最を明らかにする

．

第

5

章では，迂回による運航コストの増加量と

，内部を最適飛行することによる運航

コス

ト

の削減量とを比較することによりフローコリドーの導入要件を明らかにする

．

第

6

章では，フローコリドーの導入区間を変更することで更なる便益の向上を試みる．

第

7

章では，これまでの章で得られた結果を総括し

，結論を述べる．

2

(5)

2 . 使用データ

2 . 1 . CARATS

オープンデータ

本研究では国内便，海外便含めた日本上空を飛行する全ての航空機を解析対象とする解析には国土交通省航空局提供の

CARA T S

オープンデータの

2015

年度分を用いた．このオープンデータは

20 1 5

年度の奇数月

6

週間分計

42

日間の定期旅客便の実運航データからなり，それぞれの旅客便の経度

・

緯度・気圧高度・型式・仮想便名のデータがほぼ

1 0

秒おきに収録されている固

1

に

20 1 5

年

5

月

1 1

日の航跡データの一部を示す．

45 0 5 4 3

l

舒 p J d p n l ! l e 1 .

30 1 3 5 1 4 0 L on g i t u d e [ d eg l

図

1 . 2 0 1 5

年

5

月

I I

日に記録された航跡データの一部

1 3 0 l 45 l 5 0

2 . 2 . MSM

航空機の運航を解析する際に用いる気象情報として，本研究では気象庁提供のメソ数値気象予報モデル

( MSM : Me s o S c a l e Model) 1 5 )

を用いた．

MSM

は親測データ（初期値）を元に最大

39時間先までの予報を

三時間おきに提供しているが，本研究では予報値は使用せず，

観測値のみを時間的，空間的に線形補完し要素を取り出している．表

1

に

MSM

の概要を示し，図

2

に

2012

年

5

月

I 1

日のある高度面における気温を示す．

3

(6)

表

1 MSM

の概要

要素各気圧面

( 1 OOOhPa • 975hPa ・ 950hPa • 925hPa ・ 900hPa ・ 850hPa • 800hPa • 700 hP a • 600hPa ・ 500hPa • 400hPa • 300hPa)

における

高度，風（東西成分と南北成分），気温，上昇流，相対湿度初期値

予報時間データ形式

配信領域格子系

0 0 , 03 , 0 6 , 0 9 , 1 2 , 1 5 , 1 8 , 21UTC

(

1

日

8

回）

39

時間

3

時間間隔

国際気象通報式

FM92GRlB

二進形式格子点賓料気象通報式（第

2

版）

※略称： GRJB2

北緯

2 2 . 4

度〜4

7 . 6

度，東経

1 20

度〜

1 5 0

度

等緯度等経度：

0 . 1

度

X 0 . 1 2 5

度（格子数

253X 2 4 1 )

2 9 5

：そ・

＼司

j ² ⁹ ⁰

9

^‑ⁱ ^{t . .}^皐 ^｀

・ '

45

^.^.^. ．白~”ゞ"，•.•^ら＼^ヽ^{、 '}~ ^，^．

か . I I I 2 8 5 , ‑ ‑ 4 0 ―

9 ‑

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J ^／ I I i 2 8 0

I て

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て

、

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□ ^一 ^{窪そ玄｀戸ツ}

¹ ^‑

² ⁷ ⁰

3 0 r ^• ^•

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^. ^; ^如

^•·

^O ² ⁶ ⁵

I I ‑

2 6 0

25 ーー ² ⁵ ⁵

1 25 l 30 l 3 5 1 4 0 1 45 L on g i t u d e [ d e g ]

図

2.MSM

から得られる気温データ

4

(7)

2 . 3 . BADA

モデル

航空機の飛行状態を推定するために，本研究では

EUROCONTROL

が開発・維持する航空機の運動性能モデルである

SADAV e r . 3 ( Base of A i r c r a f t Data V e r s i o n 3 )

16)モデルを使用した．

BADA

モデルは航空機を質点としたエネルギー保存則に基づくモデルであり，大気の状態や航空機の挙動に関する基礎的な方程式，航空機の型式ごとの性能データなどが提供され

る．

2 . 3 . 1 . BADA

モデルを用いた燃料消費量の推定

BADA

モデルに記載されている

T o t a lEne r gy Mode l

によると，飛行している航空機の運動は以下の(

l ) 〜（ 4 )

式によって記述される

． CARA TS Open D a t a

には

l O

秒おきの座標データが格納されているため，そこから航空機の高度や経路角，対地速度等を取得し風速や気温等の気象情報と合わせて解析することにより真大気速度

( TAS)

が求まる

．

更に

BADA

モデルに記載されている航空機ごとの係数を用いることで推力

(T h r )

を求める事が可能となる．この推力と式(

5 ) , . . . . . , ( 8 )

を用いることで上昇時

・

巡航時

・

降下時等の各飛行フェーズにおける燃料流量を導出することができる

．表 2

に使用する変数を示す．

dh dVTAS

( I ) (Thr‑D ) V TAS = mg ‑ : ; : : ‑ d t + mVTAS~ dt

CL= 2mg cosy

( 2 ) pVTAS2S

ら

＝ CD o + cD2ct ( 3 )

1 2 ( 4 )

D = ‑ 2 p V T A S SCD

fnom = (C 1 1

X

( 1 十竺 ^cf 均 2 ） x Thr ( 5 ) f e r = C f c r

X

fnom ( 6 )

fmin = C 1 3

X

(1 —告 f4 ^） ⁽ ⁷ ⁾

f a p / l d = max(f~om• f m i n ) ( 8 )

5

(8)

表

2 .使用変数

Thr

推カ

[N ] s

粟面積

[m

り

D

^{抗カ}

[N ] CD

抵抗係数

V T A s

^{真大気速度}

[m i s ] CD O

有害抵抗係数

m

^{機体重量}

[ k g ] CD 2

誘導抵抗係数

g

重力加速度

[m / s

汀

C L

揚力係数

h

気圧高度

[ m] Y

^経路角

^[ ^r ^a ^d ^] p

空気密度

[ k g / m

汀

c f 1 ,C f 2 , C f 3 , C f 4 , C f e r

燃料係数 fnom

燃料流盤（ノミナル）

fer

燃料流嚢（巡航時）

[ kg/m i n ] [ k g / min ]

燃料流量（アイドル時）

fap/ld

燃料流量（降下時）

fmin

[ k g / mi n ] [ k g / mi n ]

また実際に飛行する航空機がヒ゜トー管を用いて計算する自

機

の速度は指示大気速度(IAS

)

であるので，航空機の能動的な加減速などを考える際は

TASではなく IA Sを基に考えるのが

望ましいしかしこの

JASはヒ°

トー管やその他の計器の取り付け誤差等を含むため直接求めることは困難である．よって本研究では以下の式

9を用いて較正大気速度(C AS)

を計算し，

これが

I A Sと等しいものとして扱うこととした

V C A s = ［尉 ⁽ ^u ^f ^. ¹ ^[ ⁽ ^＋闘叫 ⁱ ^‑ ¹ ^] ^） ^μ ^‑ ¹ ^} ^] ^; ⁽ ⁹ ⁾

式

9

において使用する定数を表

3

に示す．

表

3 ．

使用定数

K 比熱比

1 . 4

μ

温位指数

0 . 2 8 5 7

P o

海水面での標準大気密度

[ k g / m

汀

¹ ^. ² ² ⁵ P o

海水面での標準大気圧

[ P a ] ¹ ⁰ ¹ ³² ⁵

6

(9)

以上の手法により航空機の飛行状態を推定することが可能となった

．例と

して

2 0 1 5

年

5

月

1 1

日に飛行した福岡発羽田便

B772

について，対地速度

，

較正大気速度，推力，機体重量の時間推移を計算した結果を図

3

に示す．

5

xlO 4 J I

3 8 。￨ _￠? _ノ ^g ₄

3 7

『 ³ ⁵

^・9

^『

因34 . ．•

・ ‑ ‑ ‑ 2

<

3 3 3 2

3 1 棧

⁹

」

゜

1 3 2 1 3 4 1 3 6 1 3 8 1 4 0

゜ ² ⁰ ⁰ ⁴ ⁰ ⁰ ⁶ ⁰ ⁰ ⁸ ⁰ ⁰ ¹ ⁰ ⁰ ⁰

L o n g i t u d e [ d e g ] D i s t a n c e [ k m J ( a )

Ca s Mach

3 0 0

て

且 2 5 0 0 . 8

. . s : :

.

̲

a ² ⁰ ⁰ ^z ^， ^~ ⁰ ^. ⁶

1 5 0 0 . 4

1 00 0 . 2

゜ _x _l _O _s ^Di ^s _T ^t _h â _r ⁵⁰⁰ ⁿ _o ^c _t ê _t ^[ _l _e ^k ^m ^] Î Ô ÔO ゜ ⁵ ^D ⁱ ^s ^t _Mass â ⁵⁰⁰ ⁿ ^c ê ^[ ^k ^m ^] ¹ ⁰⁰⁰

6 1 . 88 x l O

乙

I

⁴

_I

_笠 ¹ ^. ⁸⁶

し

>• 2

I 綺

1 . 84

9

1 z

1 . 8 2

1 . 8 500 1 0 0 0

゜ ⁵ ⁰ ⁰ ¹ ⁰ ⁰⁰

D i s t a n c e [ k m ] D i s t a n c e [ k m]

( b )

囮

3 .BADA

モデルを用いて推定された運航状態と燃料消費最

a

：オープンデータによる軌道情報，

b

：推定した飛行状態

7

(10)

3 . フローコリドーの設定と運航コスト低減量の評価

3 . 1 .

フローコリドーの概念

フローコリドーは前述の通り，自律間隔維持の機能を有する航空機のみが飛行できる筒状の空域である．交通量の多い大都市間に適切に配置することにより，内部を飛行する航空機は自律間隔維持を用いて最適な速度，高度で目的地まで飛行することができるため，運航コストを低減することが可能であるまたその際地上管制官はフローコリドー外を飛行する航空機にのみ管制を行えばよいため，安全性を損なうことなく空域全体としての交通容量を拡大することが可能となるこのフローコリドーの概念図を図

3として示す．また表 4

に示されるように，国内主要空港から羽田空港へ運航する定期便の便数は福岡発羽田便が

50 . 9便と最も多い為，本研究では福岡発羽田便の経路にフローコリドーを尊入することを

想定することとした

現行管制フローコリドー導入

...• ：

•、.

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9

: 、

[ I

¥ 三

が

t ̀ . . . ‑ ‑ . . . . . . . . . . _•`—~ ^＼

図

3 .

フローコリドー概念図

表

4

．主要空港からの羽田行き運航便数

福岡空港関西空港那覇空港伊丹空港羽田行き便運航数

50 . 9 1 2 . 0 30 . 1 2 8 . 6

8

(11)

3 . 2 .

フロ

ー

コリドーの設定

3 . 2 . 1 ．

二次元経路の設定

福岡発羽田便が利用するフローコリドーを設定するにあたり，まずは平面上の経路を決定する国内の主要空港と羽田空港間の飛行経路は図

4

に示すように管制セクターを除いてあらかじめ殆ど交差しないように設定されているため，フローコリドーは既存の経路に沿って森入する事が可能だと考えられる

．図 5

に福岡発羽田便のある一日の飛行経路を示す．多くの便が

FLUTE

というウェイポイントを通過してベクタリングなどの管制指示を受ける管制セクターに入ることがわかるよって本研究では，フローコリドーをこれらの管制指示の妨害とならないように配置することを想定し，

YURRY

から

FLUT E付近までは標準

的な

RNAV

経路叫こ従い，それ以降はこのセクターの最も内側を通るようにフローコリドーを配岡することとした図

6に設定したフローコリドーの経路を

，表

5に経路の座標デ

ータを示す．セクターの縁を通るように設定したことによりセクター内での管制指示で用いられる空域との干渉を避けることが出来るものと考えられる．

46 44 42

4 0 3 8 3 6 3 4 3 2 3 0

l

~~p

J ~p n l1l~'1

1 35 1 40 L on g i t u d e [ d e g ]

図

4

．ある一日の主要空港と羽田空港間の航跡

1 45 l 50

︐

(12)

36 3 5

鴨J

︐

4 3 2 3 3 3

l

3 a p J a p n l ! l t

q ̲

3 1

36 35 ￠ i

4 3 2 3 3 3

l

3 a p J a p n m

l Y

J

3 1

ATC Sector

1 3 0 1 3 2 1 3 4 1 36 1 3 8 1 4 0 L o n g i t t 1 d e ( d e g ]

囮 5 .ある一日

の福岡発羽田便航跡と，羽田

ATC

セクター

1 30

: : ‑

｀マ ^. _. ^• • _. _. _. _. _. ．．．． . ． . . . ̀ ^{‘• •} ？。 ^•

1 3 2 1 34 1 3 6 1 38 L o n g i t u d e [ d e g ]

図

6 .

設定したフローコリドー経路表

5

．経路作成に使用した座標データ

．、

1 40

1 2 3 4 5 6 7

緯度 3 3 . 4 3 9 4 7 3 3 . 3 0666 33 . 35293 33 . 38490 3 3 . 5 5 3 3 4 3 3 . 9 1 623 3 4 . 1 3 0 2 8 [ d e g ]

経度 1 3 0 . 6 3 8 2 8 1 3 0 . 8 3 1 8 9 1 3 1 . 0 2 1 1 1 1 3 1 . 1 5308 1 3 2 . 3 1 0 3 6 1 3 3 . 6 6 1 1 1 1 3 4 . 4 9 0 3 6 [ d e g ]

8 ， 1 0 1 1 1 2 1 3 緯度 34 . 83278 3 4 . 8 6 4 7 2 3 4 . 8 9 2 5 0 3 4 . 9 0 3 3 3 3 5 . 0 0 5 28 35 . 07388 [ d e g ]

経度 1 3 7 . 7 1 3 6 1 1 3 8 . 7 6 2 7 8 1 3 8 . 9 2 4 1 7 1 3 8 . 9 9 6 9 4 1 3 9 . 6 3 8 3 3 1 4 0 . 0 4 7 5 4 [ d e g ]

J O

(13)

3 . 2 . 2 . BADA

モデルを用いた軌道最適化による高度帯の設定

前項によりフローコリドーの平面上の経路が決定したため，本項ではフローコリドーの占有する高度帯を決定しフローコリドーの空域を決定する．フローコリドーは多くの機体の最適軌道を内包する空域として導入が検討されているが，その最適な軌道は機種や重址により異なるそこで本研究では大型・中型・小型ジェット旅客機の代表的な三機種

( B777‑

200 , B767‑300 , B737‑800 )につい

て，国内線の実際の質量分布 18)を参考に，機体重品を

4

通り

( BADA

標準質最の

1 0 0 %, 90%, 80% , 70%

）変えた計

1 2

個のケースそれぞれの最適軌道に基づいてフローコリドーを設定することとしたそこでまず，

BADAモデルを用いて航

空機の最適軌道を作成する手法を述べる．本研究で考える最適軌道の導出とは，水平面内での飛行経路，初期点及び終端点での機種ごとの高度

・

速度上下限等を与えたうえで，航空機の運航コストを最小化する高度

・

速度の履歴を求めることである．そこでソルバーとしては非線形関数の最適化問題を解くことが可能な

SQ P( S e q u e n t i a l Q u a d r a t i c Programmi n g )

法 19,20)

を用い，最適化変数は高度と速度の履歴，目的関数は運航コストとした

．

また本研究では運航コストは先行研究 21)にならい燃料消跨砒と飛行時間の線形和として定義される式

9

を用

V

ヽた．

Xfin

Cost= f't m F(x)dx + ‑ ^C ^I ［ ― ^r ^kg ] ¹ ^x ^・ ^‑ ^Time

Xini

7 9 . 4 L s ( 9 )

Xini及びXfinは初期位置及び終端位置であり，前節で設定したウェイポイント

YURRY

及びセクター出口が該当する．

F ( x )

は燃料流祉を，

C Iはコス

トインデックスを表している

．

初期

・

終端速度及び高度，初期重嚢，ERは現実的な値を設定する為実運航データや航空機運航者で実際に用いられている値を参考に，表

6

に示す値を用いた

．

また最適化変数である高度と速度の履歴の初期値は複数用意し，マルチスタート法を利用することにより局所最適解を避け大域的最適解を求めた

．

表

6

．最適化に用いた初期値

8772(B777‑ 2 0 0 ) B763(B 7 67 ‑ 3 0 0 ) B738(B737 ‑ 8 0 0 )

初期速度(CAS

[ k n o t ] ) 255 26 5 2 5 0

終端速度(

C A S [ k n o t ] ) 240 240 240

初期高度

[ f t ] 1 0000 1 0 0 0 0 1 0000

終端高度

[

ft]

10000 10000 10000

C I [ k g / s ] 80 60 40

最適化を行う際には航空機ごとの諸制約を考慮することは勿論，より現実の運航に近い軌道を作成する為に「上昇中は一定

C AS

で飛行する」「巡航中はマッハ数一定で飛行する」

「降下中は一定

C AS

で飛行する」という制約を独自に課した．また気象情報は

20 1 5

年度一年間分のデータを時間的に平均したものを使用している例として郡出した

B 7 72

（質砒

70 %)

の高度履歴，対地速度履歴，較正大気速度履歴，マッハ数履歴，推力限歴，機体重最履歴を

1 1

(14)

図

7に示す．

4 5 x l O 4 3

l y J

a P r l

l !

l‑

< t ' . 2

．

゜

300 0 0 8 6 2 2

l̲0U1

js

ハ

︶

e

A l t i t u d e

240 O

200 400 600 800 D i s t a n c e [ k m ]

Cas

200 400 600 800 D i s t a n c e [ k m ]

x 1 o 5 T h r o t t l e 4

350 7 300

注ニ

250 包 200 1 5 0 O

GS

8 6 0 0

呑

qh i

200 400 600 800 D i s t a n c e [ k m ]

Ma c h

゜ 4 o i

200 400 600 800 D i s t a n c e f k m ]

5 Ma s s 1 . 48 x l O

゜

3 2 1 0 l

ウ←

J~ t

UOJl{

J. 200 400 600 8 00

邸

M

心

゜

l A l l

ー

lo o1 js se y

200 400 600 800 D i s t a n c e [ k m ] D i s t a n c e [ k m ]

図

7 .BADA

モデルを用いて最滴化された飛行状態

この手法を用いて前述した

1 2

個のケースにおける最適軌道を導出した図

8

に溝出した

1 2

ケースの最適飛行高度履歴を示す．また一般的に航空機は，水平方向に

5 N M,

垂直方向に

1 0 0 0 f t

以上の安全間隔を確保しながら飛行している 22)．そこで本研究では，導出した最適軌道の水平及び垂直方向にそれぞれ

］ 0 0 0 f t , 5 N M

の厚みを加え，これをフローコリドーの占有する空域とした図

9

に本研究で扱うフローコリドーを示す．

1 2

(15)

45000 40000 35000

ご

a i ' 3 0 0 0 0

百

・E

2 s o o o 芸

20000 15000

10000

福岡

ク

^ど-—

‑ B772̲70 ー 8772̲80

‑ B772̲90 8772̲100

‑ 8763̲70 ‑ B763̲80

‑ 8763̲90 B763‑100

‑ B738̲70 ‑ B738‑80

‑ B738̲90 ‑ B738̲100

゜ ₂₀₀ ₄₀₀

D i s t a n c e [ k m ]

600 800

図 8 .B772 , B763 , B738 の機体重搬 70% 1 0 0 ％における最適飛行高度履歴 36

35 ＇

て舒

³⁴

＇虐

・

3

ニ

33 32 3 1

1 30

( a )

1 32 1 34 1 36

Lo n g i t u d e [ d e g ]

1 38 1 4 0

1 3

(16)

( b )

40000

牛

— ³⁰⁰⁰⁰

9 』

j ²⁰⁰⁰⁰

= _<

一

1 0 0 0 0

゜

40 L a t i t u d e [ d 30 e g ]

1 3 8 1 4 0 1 3 0 1 3 2 1 3 4

L o n g i t u d e [ d e g ]

図

9

．最適軌道を包含して設定したフローコリドー空域の概形

a

：平面図，

b

鳥敵図

3 . 3 .

軌道最適化による便益の評価

1 42

前節の軌道最適化手法により特定の機種・重晶の最適軌道とその運航コストを求める事が可能となった．そこで本節では実運航データと比較してその運航コスト低減効果を評価する．実運航データは

20 1 5

年度の

42

日分を使用し，福岡発羽田便を抽出した後機種ごとに分類して解析を行った運航コストの評価区間はフローコリドーと同様に

1 0 0 0 0 f t

以上を飛行している区間とした以下に解析に使用した各機体の機体数を表

7

に，

42

日間の

B7 3 8

の航跡を用いて解析対象区間に関して説明した図を図

1 0

に示す．

表

7

．福岡発羽田便

4 2

日間における機種ごとの運航便数

B 7 7 2

1

：： : ³

¹

^B738

14

(17)

40000 石 30000

I t

名旦 20000

芝 1 0 0 0 0

゜゜ ² ⁰ ⁰ ⁴⁰⁰ ^D ⁱ ^{600 8} ^s ^t ^a ⁿ ^c ^e ^[ ⁰ ^k ⁰ ^m ^] ¹ ⁰ ⁰ ⁰ ¹ ² ⁰ ⁰ ¹ ⁴ ⁰ ⁰

図

1 0 . 8738

の実運航高度履歴

（赤色で示した区間が運航コスト計算区間）

実運航データと比較するにあたり機体初期重最は過去の実紹データに基づき

8772,8763, 8738

のそれぞれで

8ADA

モデルの標準質批の

90 %, 80 %, 90

％に統一し，

E R

は表

6

の値

を用いた．解析により明らかとなった，機種ごとの実運航における平均運航コストと最適化した軌道での運航コスト，その両者を比較して求まる運航コスト低減量をまとめて表

8

に示す．また実運航における運航コストのばらつきを示すヒストグラムを図

1 1

として示す．

このヒストグラムにおいて運航コストに二つのヒ°ークが存在するように見えるが，これは使用した実運航データ

l , 3 , 5 , 7 , 9 , 1 1

月のうち，夏季のみ日本上空を西から東に流れるジェット気流が弱まり，追い風を受けられなくなることに起因するよって平均的な気象条件を使用して求めた最適軌道の運航コストと比較することは妥当であると考えられる．

表

8 .福岡発羽田便一便辺りの運航コストとその低減枇

L a r g e S i z e Mi d d l e S i z e S m a l l S i z e

一便辺りの運航コスト

(B772) ( B 7 6 3 ) ( B738)

実軌道

[ k g ] 1 0 4 6 6 . 3 7 9 0 9 . 0 4 7 3 8 . 7

最適軌道

[ kg ] 9 4 8 2 . 8 6 9 8 8 . 9 4 3 2 5 . 1

運航コスト低減駄

[ k g ] 983 . 5 9 2 0 . 1 413 . 5

1 5

(18)

16

(s蒋苧戸ご)]冒冷〗晋亨ミ醤巳喜古ゞロー

U9F

^ー翌器戸＂翌翌羞璽届

肉翌

^T斗が︵^ビぃ仕0 B772(J) J:: 5

ft.:fe.

随惹 A~⁹⁸³^.⁵^k^g^,^B763(J) J:: 5 ft.廿四gB念A^⑳ ₉₂₀^._1k^g^,

B738 (J) J:: 5

ft.1 J ,~

饂葉硲A 413^.

5kg

(l)iJ!

Jil

fi:u＼ァ岱tg宰tA喝が︵氏注活6号代 a%0fr

. 図

l1

．

蒜蒔い〗代³

^蔀亘冷

迂田

0尚滓

^u いバナK2バナヽ

f‘

刈ド

.... N C 0 0 0 0 s4ooo

I

(4000、4100]

●

(4100, 4200] ‑ (4200,4300] ‑ (4300、4400) (4400, 4500] (4500, 4600] (4600, 4700]

塁｛ば、

9

：悶璽璽戸 > ば認:盆￨ ‑

フ(5100, 5200]

一竺ば認：ご悶冒『

(5400, 5500] ‑ (5500, 5600]

■

(5600, 5700]

■

(5700, 5800]

■

(5800,5900]

1

(5900,6000]

I

>6000

●

60

so

40 70

8738 oぢさ

8 ．

S9000 (9000, 9200) (9200, 9400) (9400

、

9600] (9600, 9800] (9800, 10000) (10000, 102001 (10200, 10400] 瀾(10400,106001 津(10600,10800] ‑ U (10800, 11000

x I ‑

(11000, 11200] ‑ ; (11200,114001 ‑ 竺(11400

、

116001‑ (11600, 11800] ‑ (11800, 120001 ‑ (12000

、

122001

●

(12200, 12400)

●

(12400, 12600)

■

(12600

、

12800I

I :

112soo, 130001

I

> 13000

I

80

100

120

8772

ヽょ0 V, s6SOO (6500, 6650) :6650, 6800) :6800, 6950] :6950

、

7100) :7100、7250] :nso, 74001 :1400, 7550] :7550, 7700l :1100, 7850] :7850, 8000l (8000, 8150] (8150

、

8300) 8300, 84S0) 8450,8600) 8600, 8750) 8750,8900) 8900, 9050] 9050、9200) 9200, 9350) 9350, 9500) 9500,9650) :9650, 9800) :9800

、

9950) (9950, 10000) > 10000

潟津UX

エ

^kg]

8763

(19)

4 . フローコリドー迂回による運航コスト増加量の推定

4 . 1 .

干渉機体の抽出

3 . 2

節により求まったフローコリドーの空域は，外部を飛行する航空機にとっては迂回して飛行しなくてはならない巨大な障害物となる．この迂回をシミュレーションする為，まず実運航データを解析しフローコリドーと飛行経路が干渉している機体を抽出するこの解析には

2015

年度の

CARATS

オープンデータ（奇数月

1

週間計

42

日間）を用いた．しかしフローコリドーは

RNAV経路に沿って導入しているため，図 1 2

に示されるような同じ

RNAV経路を使用する便との干渉は避けられないそこでこれらの機体に対して本研究で

は，フローコリドーに沿って飛行することで従来通りの運航コストで飛行できると考えられる機体とそれ以外の機体とを区別し，後者は解析から除外することとした．以下に除外ルールをまとめた表

9と

，最終的に得られた解析対象の干渉便航跡及び干渉位置を図

1 3とし

て示す．

40 3 8

6 4 3 3

l o

n 3 p

﹂

3 p n 1 1 1 e 1

3 2

1‑

、

30L 1 2 8

. . :~1

．．．

1 30 1 3 2 1 3 4 1 3 6 1 3 8

L o n g i t u d e [ d e g ]

図

1 2 .

フローコリドー（赤線）と同じ

RNAV

経路を利用する機体の航跡（青線）

1 40 1 4 2

1 7

(20)

表

9 .本解析における除外対象と除外ルール

除外対象除外理由除外）レー）レ

フローコリドーと同じ RNAV経フローコリドーに沿って飛フローコリドーに沿って飛行する羽田着便且路を利用して羽田に着陸する便行することで従来と同様の

つ，出発地点（離陸空で，飛行中フローコリドーを横運航コストで飛行できると

港）の緯度が

3 3 . 5

度以切る必要がない便考えられるため

下のものを除外フローコリドーに沿って飛福岡発且つ，フローコ福岡を離陸してフローコリドー行することで従来と同様のリドーに沿った飛行を

と同じ RNAV経路を利用する便運航コストで飛行できると行ったものを除外考えられるため

着陸管制の影密で干渉して羽田着便で，経度

1 3 8

ATCセクター内での干渉便おり，避けて飛行しても運度以上，高度

2 5000 f t

航コストには殆ど影態がな以下で干渉しているも

いと考えられるためのを除外

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 3 2

lu]~pn.i

l‑

< t : ' . 10000

゜

40 1 4 0 1 4 2 1 3 6 1 3 8

30 L a t i t u d e [ d e g ] ₁ ₃ ₀ ^l ³²

1 3 4

L o n g i t u d e ( d e g ]

( a )

1 8

(21)

40000

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 2

l

l u ] 3 p n m ‑ V

゜

1 3 0 1 3 2 ) 3 4 1 36 1 3 8 L o n g i t u d e 「 ^d ^e ^g ^]

l 4 0 1 4 2

( b )

図

1 3 .

抽出したある一日の干渉便

a

：航跡，

b ：

干渉位罹

4 . 2 .

迂回軌道の作成

前節で抽出したフローコリドーと飛行経路が干渉している機体が，フローコリドーを避けて飛行する際の回避軌道を検討する現在パイロットが航空機の進路を変更する際広く用いられているのが，

MCP(A u t o p i l o tMode C o n t r o l Pane l )

であるこの

MCP

を用いることに

よりパイロットは「飛行方位の変更」「一定の上昇率降下率による高度の変更」を容易に行うことが出来る．そのため本研究では現実的にパイロットが簡便な操作で飛行しうる回避軌道として，飛行方位のみを変更しフローコリドーを横方向に避ける水平回避と，商度のみを変更し下方から避ける垂直回避の二種類のみを考える事とした

．また原則として回避軌

道を飛行中は元の軌道飛行時と同様の指示大気速度で飛行するものとする．例としてパイ

ロットが操作する

MCP

の画像を図

1 4

として示す．

図

便益評価に基づく フローコリドー導入区間の最適化

30

( 2 018

便益評価に基づく

フローコリドー導入区間の最適化

3 1

( 2 0 1 9

1

2 5

1 7 8 9 1 532

目次

1 .

i

． ． ． ． ．． ． ． ． ．． ． ． ．． ． ． ．

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．．

．． ． ．． ．

．

． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． l 1 . 1 .

． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． l 1 . 2 .

．

． ． ． ．． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 2 1 . 3 .

．

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．．

． ． ． ． ． ． 3 2 . 1 . CARATS

．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．．

．． ． ． ． ． ． ． ． ．．

5

2 . 3 . 1 . BADA

………....…..… … … . . ……・………. 5 3 .

….. … ·…………•……… ..… ………….. 8 3 . 1 .

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．．

． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． 9 3 . 2 . 1 .

． ．

．． ． ． ．． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．．

． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． 9 3 . 2 . 2 . BADA

V

……… …………．． 1 1 3 . 3 .

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．．

． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ．． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ．

． ． ． ． ． ． 1 4 4 .

… 1 7

4 . 1 .

． ． ． ． ． ．． ．． ．．

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . .

1 7

4 . 2 . 迂回軌道の作成．． ．

． ． ．

．． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ， ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．，

． ． ． ． ． ． ． ． ． ．．

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．．

1 9

．

． ． ． ． ． ．． ． ．． ．

20

4 . 4 . 垂 直 回 避 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ．．

．

．

．

20

5 . 空域全体での便益評価．．．．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ．． ． ．

．． ．

23

6 .

．

． ． ． ． ． ． ． ． ．．

．

25

6 . 1 .

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．．

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．．

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． ． ． ． ． ． ． ．．

． ． ． ．．

．． ． ． ．

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25

6 . 2 .

便益評価に基づくフローコリドー導入区間の最適化

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．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． l 1 . 1 .

．．．．．．．．．．．．．． l 1 . 2 .

．．．．．．．．．．．．．．．． 2 1 . 3 .

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．．．．．． 3 2 . 1 . CARATS

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．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 9 3 . 2 . 1 .

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．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 9 3 . 2 . 2 . BADA

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．．．．．． 1 4 4 .

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4 . 2 . 迂回軌道の作成．．．

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4 . 4 . 垂直回避．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

5 . 空域全体での便益評価．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

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．．．．．．． 32

．そのために福岡発羽田行きの便が利用する経路にフローコリドーを導入した場合

4章では，福岡羽田経路にフローコリドーを導入し

，結論を述べる．

2 . 使用データ