JP2021043105A - 気象予報システムおよび気象予報方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ドローンなどの飛行体の航路と、その航路近傍に関連する気象現象の移動を考慮して、飛行に関しての適切な気象現象に関する警告を提供する。【解決手段】情報処理装置が、飛行体に対して、気象現象の警告情報を提供する気象予報システムであって、情報処理装置は、時刻ごとに飛行体の経路を示す経路データと、飛行体の経路を含むエリアの時刻ごとの気象データとを保持し、移動体の経路の近傍における気象データを切出し、第一の時刻における飛行体の位置に関する気象データと、第二の時刻(>第一の時刻)における飛行体の位置に関する気象データのいずれかにおいて、気象の警告現象を示しており、警告現象の発生する位置と、その時刻における移動体の位置間の距離を算出し、所定の閾値以下のときに、飛行体の移動に関する気象の警告情報を生成する。【選択図】 図5B

Description

本発明は、気象予報システムおよび気象予報方法に係り、特に、ドローンなどの飛行体の飛行経路(航路)の航空の安全を図るための気象予報を行うのに好適な気象予報システムおよび気象予報方法プログラムに関する。
ドローンなどの飛行物体を安全に飛行させるためには、その航路に沿った気象情報が不可欠である。現在の技術水準では、ドローンを強風や豪雨などの条件下で安全に飛行させることが難しい。そのため、航路に沿った天気予報を入手し、その情報に基づいて安全か否かを検討することが重要になってくる。
このような用途に適したデータに、天気予報の数値予報データがある。これは、気象現象を、コンピュータを使ってシミュレーションした結果得られる数値データである。しかしながら、シミュレーション結果のファイルサイズは巨大であり、そのまま配信することは困難である。そこで、ファイルサイズを小さくするため、シミュレーション結果をサンプリングすることが一般的に行われる。例えば、気象庁メソ数値予報モデルGPV(Grid point Value)(MSM)は、水平方向5km、時間方向20秒の間隔でシミュレーションが実施され、それを、水平方向はもとのまま(5km)、時間方向は1時間の間隔でサンプリングして配信する。
サンプリングされたデータから、任意の時刻のデータを作り出すには線形補間が広く用いられている。例えば、0時の気温値と1時の気温値を平均化し、0時30分の気温値を生成する。
航空機の飛行経路に関係する気象データを提供する技術としては、例えば、特許文献1に開示されている。特許文献1に記載された気象データを選択する方法では、航空機の予測された飛行経路に関連する気象データを、飛行経路を水平セグメント、または非水平セグメントのいずれかに分類し、重み付き燃焼誤差および重み付き時間誤差を最小にするという観点から、それぞれに適した気象データのサブセットを作成する。
特開2012−166779号公報
特許文献1記載の技術は、航空機での望ましい飛行経路の観点から気象データのサブセットを選択するものである。しかしながら、特許文献1に開示された方法は、気象現象の移動が考慮されていない。特許文献1では、飛行体として、空港を離発着する航空機が想定されている。航空機の速度(約800km/h)は気象の移動速度(0ないし50km/h)やドローンの速度(0ないし50km/h)よりもずっと速い。すなわち、飛行機では無視できる気象現象の移動が、ドローンでは無視できない影響を与えるともいえる。
一般には、気象現象の移動を、線形補間では表現できない。一方、線形補間において現象は移動せず、その場で値が時間変化するものとして表現される。
以下、図9を用いて飛行体と気象現象の移動に関する問題点について説明する。
図9では、時刻T0の風速分布図610、時刻T1の風速分布図620、また、時刻T0とT1の間にある時刻Tの風速分布図630が示されている。これらの一連の風速分布図によれば、風速8m/sの強風域が西から東に移動していることがわかる。
ここで、時刻T0および時刻T1のデータから、時刻Tの状態を、時間方向の線形補間で推定することを考える。時刻T0および時刻T1のデータを線形補間して得られた時刻Tの推定を示す風速分布640に示されるように、時刻T0の風速分布図610、時刻T1の風速分布図620から時間軸に沿った線形補間を用いると、強風域が二つ生じる。一方の強風域641は、時刻T0の強風域611と同じ位置にあり、風速は4m/sである。他方の強風域642は、時刻T1の強風域621と同じ位置にあり、風速は4m/sである。一方で、時刻Tの強風域631の位置には、強風域がない。
一般的に、風速5m/sを超えるとドローンの飛行に支障が出る。ここで、時刻Tの風速分布図630に示されように、時刻Tにおいて地点A632から地点B633までドローンを飛行させる場合、線形補間して得られた時刻Tの推定値に基づけば、ドローンの飛行に支障が出る強風域631があるにもかかわらず、それを見逃すことになる。
本発明の目的は、ドローンなどの飛行体の航路と、その航路近傍に関連する気象現象の移動を考慮して、飛行に関しての適切な気象現象に関する警告を提供する気象予報システムおよび気象予報方法を提供することにある。
本発明の気象予報システムの構成は、好ましくは、情報処理装置が、移動体に対して、気象現象の警告情報を提供する気象予報システムであって、情報処理装置は、時刻ごとに移動体の経路を示す経路データと、移動体の経路を含むエリアの時刻ごとの気象データとを保持し、移動体の経路の近傍における気象データを切出し、第一の時刻における移動体の位置に関する気象データと、第二の時刻(>第一の時刻)における移動体の位置に関する気象データのいずれかにおいて、気象の警告現象を示しているときに、移動体の移動に関する気象の警告情報を生成するようにしたものである。
本発明によれば、ドローンなどの飛行体の航路と、その航路近傍に関連する気象現象の移動を考慮して、飛行に関しての適切な気象現象に関する警告を提供する気象予報システムおよび気象予報方法を提供することができる。
気象予報システムのシステム構成図である。 気象管理サーバの機能構成図である。 クライアント端末の機能構成図である。 気象予報システムにおける全体的な処理の流れを示すシーケンス図である。 気象警告情報としての警告エリアポリゴンおよび警告メッセージを生成する処理を示すフローチャートである(その一)。 気象警告情報としての警告エリアポリゴンおよび警告メッセージを生成する処理を示すフローチャートである(その二)。 航路セグメントと開始時刻、終了時刻の関係を示す図である。 気象現象の各判定値の意味を示す表である。 クライアント端末が表示する気象予報画面を示す図である。 移動する気象現象に対し、時間方向の線形補間を行った例を示す図である。
以下、本発明の一実施形態を、図1ないし図8を用いて説明する。
先ず、図1ないし図3を用いて気象予報システムの構成について説明する。
本実施形態の気象予報システムは、インターネット5を介して、相互に接続された気象管理サーバ100およびクライアント端末170によって構成される。また、気象管理サーバ100およびクライアント端末170は、LAN(Local Area Network)により接続されていてもよい。
気象管理サーバ100は、気象情報の管理を行い、気象情報の提供と、ドローンなどの飛行体に対して、気象の警告情報を生成と提供を行うサーバである。
気象管理サーバ100は、図1に示されるように、一般的なサーバ装置のような情報処理装置により実現され、ハードウェア的には、CPU(Central Processing Unit)130、主メモリ120、通信I/F(Interface)150、補助記憶I/F160がバスによって接続された形態である。
CPU130は、主メモリ120にロードされたプログラムを実行し、気象管理サーバ100の各部を制御する。主メモリ120は、一時的なワークデータやロードされたプログラムを保持する半導体記憶装置である。通信I/F150は、インターネット5と接続するインタフェース装置である。補助記憶I/Fは、HDD(Hard Disk Drive)140やSDD(Solid State Drive)などの補助記憶装置を接続するインタフェース装置である。
HDD140は、大容量の磁気記憶装置である。本実施形態のHDD140には、気象情報提供プログラム121と、気象警告情報提供プログラム121がインストールされており、実行時には、主メモリ120にロードされ、CPU130により実行される。
気象情報提供プログラム121は、HDD140に格納されている気象データ141を読み込み、クライアント端末170に気象情報の提供を行うプログラムである。気象警告情報提供プログラム121は、飛行体に関連した気象の警告情報を提供するプログラムである。
HDD140には、また、気象データ141と航路データ142を保持する。なお、データの詳細は、後に説明する。
クライアント端末170は、インターネット5を介して、気象管理サーバ100と接続されて、気象情報や飛行体に関連した気象の警告情報を表示する端末装置である。クライアント端末170は、ウェブブラウザを動作させる機能を有する情報処理装置であり、例えば、スマートフォンやパーソナルコンピュータである。
次に、図2を用いて気象管理サーバの機能構成について説明する。
気象管理サーバ100の機能構成は、図2に示されるように、気象情報提供部101、気象警告情報提供部102、記憶部103からなる。
気象情報提供部101は、クライアント端末170に気象情報の提供を行う機能部であり、気象情報提供プログラム121により実現される。
気象警告情報提供部102は、飛行体に関連した気象の警告情報を提供する機能部であり、気象警告情報提供プログラム121プログラムにより実現される。
記憶部103は、データを保持する機能部である。記憶部103は、気象データ141と、航路データ142を保持する。
気象データ141は、過去の気象観測時系列、あるいは未来の気象予測時系列で表される気象に関するデータ(温度、湿度、風量、降雨量など)である。気象データ141は、時系列メッシュデータとして格納される。すなわち、時空間を時間、高度、緯度、経度の4軸で定義し、それぞれの軸ごとに開始点、終了点、解像度が定義され、それに基づき時空間がセルに分割され、セルに値が格納される。ユーザは、時間、高度、緯度、経度を指定すると、それに相当する値を取得することができる。ただし、軸は四つに限定されない。例えば、地表面のみに定義されるデータであれば、時間、緯度、経度の3軸から構成される。あるいは、予報であれば初期時刻軸が追加で用いられる。
航路データ142は、飛行体の航路を表すデータであり、航路のポリゴン・線を座標で表現したデータである。
次に、図3を用いてクライアント端末の機能構成について説明する。
クライアント端末170の機能構成は、図3に示されるように、航路・気象マップ表示部171、警告情報・航路情報表示部172からなる。
航路・気象マップ表示部171は、航路・気象マップを表示する機能部である。警告情報・航路情報表示部172は、飛行体に関する気象の警告情報と航路に関する情報を表示する機能部である。
次に、図4ないし図7を用いて気象予報システムの処理について説明する。
先ず、図4を用いて気象予報システムにおける全体的な処理の流れについて説明する。
クライアント端末170が気象管理サーバ100のウェブサイトにアクセスすると(S301)、気象管理サーバ100が気象情報提供プログラム121を実行し(S302)、ウェブページのデータを作成する。作成されたウェブページのデータは、インターネット5を経由してクライアント端末170に送られる(S303)。クライアント端末170でウェブブラウザが表示の処理を行うことで、クライアント端末170の画面に、気象予報画面200が表示される(S304)。気象予報画面200の具体例は、後に詳述する。気象予報画面200により、ユーザによる航路の指定を受け付ける(S305)と、それらの情報が気象管理サーバ100に送信され(S306)、気象情報提供プログラム121で、警告エリアを示すポリゴンおよび警告メッセージが生成される(S307)。生成された情報はクライアント端末170に送信され(S308)、航路・気象マップ210に警告エリアを示す警告エリアポリゴン214が、警告リスト230に警告アイコン231および警告メッセージ232が表示される(S307)。なお、航路・気象マップ210の表示の詳細は、後述する。
次に、図5A、図5Bおよび図6を用いて気象警告情報としての警告エリアポリゴンおよび警告メッセージを生成する処理について説明する。
先ず、航路データに基づいてドローンの位置の時系列データを生成する(図5AのS401)。この処理は、予め定めた時間ステップ(例えば60秒)ごとに、ドローンの航路上の位置を求める処理である。この算出には線形補間を用いればよい。
次に、位置の時系列データを気象データ141の時間ステップごとにセグメント(以下、これを「航路セグメント」という)に分割する(S402)。例えば、航路のフライト時間が9時50分から10時20分まで定義され、気象データ141の対象時間が1時間おき(毎正時)である場合、航路は9時50分から10時までと、10時から10時20分までの二つの航路セグメントに分割される。また、航路セグメントごとに気象データの示す気象現象により警告情報を生成するための開始時刻および終了時刻(以下の説明と図面では、単に「開始時刻」、「終了時刻」という)を定める。この例では、図6に示されるように、9時50分から10時までの航路セグメントでは、開始時刻が9時、終了時刻が10時となる。また、10時から10時20分までの航路セグメントでは、開始時刻が10時、終了時刻が11時となる。
次に、分割された航路のそれぞれの位置について、半径Rの球を生成する(S403)。ただし、気象データ141が3次元時系列であれば球であるが、2次元時系列であれば円を生成する。以後、生成した図形が球であるとして説明する。半径Rの値は予め定めておく。半径Rの値は、気象データ141の時間ステップ幅に、気象現象の移動速度をかけた値と同程度が望ましい。
次に、そのようにして生成した球を融合して(領域のORをとって)一つの領域を生成する(S404)。以後、生成された領域を「監視エリア」とよぶ。
次に、監視エリア内の全ての航路セグメントについて処理が終了したか否かを判定し(図5BのS405)、処理が終了したときには(S405:YES)、図5Bの処理を終了し、処理が終了していないときには(S405:NO)、S406に行く。
S405で、処理が終了していないときには、開始時刻および終了時刻における気象データについて、監視エリアに含まれる気象データを切り出す(S406)。
そして、開始時刻および終了時刻において監視エリア内に警告対象の気象現象が存在するか否かを判定し(S407)、図7に示される気象現象判定値の場合分けにしたがって、以降の処理を分岐させる。警告対象の気象現象とは、例えば強風であり、その現象の有無は、閾値(例えば10m/s)を超える風速値を持つセルの有無により判定する。また別の例として、降水、濃霧、火山灰を上げることができる。
気象現象判定値の場合分けは、図7に示されるように、開始時刻と終了時刻のおける警告対象となる気象現象の有無によって判定することができる。
開始時刻において現象がなく、終了時刻において現象がない場合、開始時刻から終了時刻までの間、現象が生じていないと判断し、現象なし(パターン501)と分類する。
開始時刻において現象があり、終了時刻において現象がない場合、警告対象の気象現象がその場所で消滅したと判断し、消滅(パターン502)と分類する。
開始時刻において現象がなく、終了時刻において現象がある場合、警告対象の気象現象がその場所で生成されたと判断し、生成(パターン503)と分類する。
開始時刻において現象があり、終了時刻において現象がある場合、警告対象の気象現象が開始時刻から終了時刻までの間移流したと判断し、移流(パターン504)と分類する。
さて、S407の判定の結果、気象現象判定値が「現象なし」のとき(パターン501)、S405に戻る。
S407の判定の結果、気象現象判定値が「移流」のとき(パターン504)、警告対象の気象現象の移動ベクトルを算出する(S408)。これにはデジタル画像相関法の技術を応用する。すなわち、以下の(式1)で示した二乗誤差Eを最小化する値(a,b,c)の三次元ベクトルを、移動ベクトルVとする。
Figure 2021043105
ここで、(i,j,k,l)は、緯度、経度、高度、時刻の分割により対応付けられたセルのインデックスであり、Wi,j,k,lは、緯度、経度、高度、時刻の分割したセルのインデックス(i,j,k,l)における気象データ141の値である。
ここで、開始時刻は、l−1、終了時刻は、lである。
なお、ΣΣΣは、監視エリア内のインデックス(i,j,k)を動かして、すべてのセルについて、その項の値を総計することを示している。
次に、S408で求めた移動ベクトルが妥当であるか否かを判定し(S409)、妥当である場合(S410:YES)に行き、妥当でない場合(S410:NO)、S411に行く。
妥当な移動ベクトルとは、例えば、二乗誤差Eが予め定めた閾値以下になる場合である。
次に、時刻l+αにおける気象データ141の値を求める(S410)。
これは、監視エリア内のすべてのセル(i,j,k,l)について、以下の(式2)により、開始時刻をl−1、終了時刻をlとしたときの気象データを、移動ベクトルを用いて移動させ、かつ時間方向に線形補間をとることにより得られる。これを移動ベクトルを用いた補間と呼ぶことにする。
Figure 2021043105
ここで、α+β=1、0≦α<1である。
次に、時刻l+αにおける警告対象の気象現象とドローンとの距離を求める(S410)。これは、警告対象の気象現象が存在しているセルそれぞれについて、その時刻におけるドローンの位置との距離を算出し、それらのうちの最短距離を求めればよい。
次に、S407の判定の結果、気象現象判定値が「消滅」のとき(パターン502)、開始時刻における警告対象の気象現象と、その時刻におけるドローンの位置との最短距離を算出する(S412)。
次に、S407の判定の結果、気象現象判定値が「生成」のとき(パターン503)の場合、終了時刻における警告対象の気象現象と、その時刻におけるドローンの位置との最短距離を算出する(S413)。
そして、S411、S412、S413を実行した後に、それぞれで算出された警告対象の気象現象と問題となる時刻におけるドローンとの距離が予め定めた閾値以下であるかを判定し、閾値以下の場合、警告エリアを示すポリゴンを生成すると、警告対象の気象現象の時刻および種類に関するメッセージを生成して(S413)、S405に戻る。
警告エリアを示すポリゴンは、警告対象となる気象データの値が一定の閾値を示すセルを貼り合わせて生成すればよい。
次に、図8を用いてクライアント端末が提供する気象予報システムのユーザインタフェースについて説明する。
気象予報画面200は、クライアント端末170が表示し、航路に沿った気象情報とそれに関する警告情報を表示する画面であり、図3に示されるように、航路・気象マップ210、タイムスライダ216、ウェイポイントリスト220、警告リスト230からなる。
表示に必要なデータは、気象管理サーバ100からインターネット5を経由して送信される。
ユーザが航路・気象マップ210をタップすると、その場所にウェイポイント(航路の地点)が設置される。また、ユーザがウェイポイントを選択すると、それらを結ぶポリラインが表示される。図3の例では、ウェイポイントとしてユーザがウェイポイントA212およびウェイポイントB213を設置し、航路としてウェイポイントA212からウェイポイントB213に向かう航路211を設定した状態を示している。ウェイポイントリスト220には航路を構成するウェイポイントの情報が表示される。この例では、ウェイポイントの名前、高度および通過時刻がリストに示される(エントリ221およびエントリ222)。航路・気象マップには、監視エリア215が設定され、その内部の気象現象を重ねて表示することができる。また、表示対象とする時刻を設定するためのタイムスライダ216が備わっている。図8の例は、ユーザが10時08分の気象状態を示すよう設定した状態であり、その時刻における警告エリアを示す警告エリアポリゴン214が表示されている。ここで、警告リスト230には、警告を示す警告アイコン231および警告メッセージ232「10:00〜10:10 強風域が航路を通過します」が表示されている。
このようには、航路・気象マップに、警告エリアポリゴン214が航路と重畳して、表示されるために、ユーザにとっては、直感的に分かりやすく警告情報が見て取ることができる。また、警告メッセージ232により、ユーザは、その詳細な情報を知ることができる。
なお、本実施形態では、ドローンなどの飛行体を例にとって説明したが、列車に車両などのような地上を移動する移動体であってもよい。
以上述べてきたように、本実施形態の気象予報システムでは、ドローンなどの飛行体に対して、その飛行時間と気象の移り変わりに対応した適切な気象の警告情報を提供することができる。
5…インターネット
100…気象管理サーバ
170…クライアント端末
200…気象予報画面
210…航路・気象マップ
216…タイムスライダ
220…ウェイポイントリスト
230…警告リスト

Claims (8)

  1. 情報処理装置が、移動体に対して、気象現象の警告情報を提供する気象予報システムであって、
    前記情報処理装置は、
    時刻ごとに移動体の経路を示す経路データと、
    前記移動体の経路を含むエリアの時刻ごとの気象データとを保持し、
    前記移動体の経路の近傍における気象データを切出し、
    第一の時刻における前記移動体の位置に関する気象データと、第二の時刻(>第一の時刻)における前記移動体の位置に関する気象データのいずれかにおいて、気象の警告現象を示しているときに、前記移動体の移動に関する気象の警告情報を生成することを特徴とする気象予報システム。
  2. 前記警告現象の発生する位置と、その時刻における移動体の位置間の距離を算出し、所定の閾値以下のときに、前記移動体の移動に関する気象の警告情報を生成することを特徴とする請求項1記載の気象予報システム。
  3. 前記移動体は、飛行体であり、前記経路データは、航路データであることを特徴とする請求項1記載の気象予報システム。
  4. 前記第一の時刻における前記移動体の位置に関する気象データと、前記第二の時刻における前記移動体の位置に関する気象データが共に、気象の警告現象を示しているときに、
    前記第一の時刻の気象データと前記第二の時刻における気象データについて、移動ベクトルを用いた補間をした気象データの値により、前記移動体の移動に関する気象の警告情報を生成することを特徴とする請求項1記載の気象予報システム。
  5. 前記移動体の移動スケジュールの時刻を含む前記気象データを得る時間ステップの間隔ごとに、時間ステップの間隔の開始時刻を、前記第一の時刻とし、時間ステップの間隔の終了時刻を、前記第二の時刻とすることを特徴とする請求項1記載の気象予報システム。
  6. 前記警告情報は、前記気象データが示す気象現象の対象となる領域を示す警告エリアポリゴンと、前記気象データが示す気象現象の時刻、種類を示すメッセージとを含むことを特徴とする請求項1記載の気象予報システム。
  7. 気象予報システムが、飛行体に対して、気象現象の警告情報を提供する気象予報方法であって、
    前記気象予報システムは、気象管理サーバと、前記気象管理サーバとネットワークで接続されたクライアント端末からなり、
    前記気象管理サーバは、
    時刻ごとに飛行体の経路を示す航路データと、
    前記飛行体の経路を含むエリアの時刻ごとの気象データとを保持し、
    前記移動体の経路の近傍における気象データを切出すステップと、
    前記気象管理サーバが、第一の時刻における前記飛行体の位置に関する気象データと、第二の時刻(>第一の時刻)における前記飛行体の位置に関する気象データのいずれかにおいて、気象の警告現象を示しており、かつ、前記警告現象の発生する位置と、その時刻における飛行体の位置間の距離を算出し、所定の閾値以下のときに、前記飛行体の移動に関する気象の警告情報を生成するステップと、
    前記気象管理サーバが、前記飛行体の移動に関する気象の警告情報を、前記クライアント端末に送信するステップと、
    前記クライアント端末が、航路と気象現象を表示する画面に、前記飛行体の移動に関する気象の警告情報として、航路と重畳して、前記気象データが示す気象現象の対象となる領域を示す警告エリアポリゴンと、前記気象データが示す気象現象の時刻、種類を示すメッセージを表示するステップとを有することを特徴とする気象予報方法。
  8. 前記第一の時刻における前記飛行体の位置に関する気象データと、前記第二の時刻における前記飛行体の位置に関する気象データが共に、気象の警告現象を示しているときに、
    前記飛行体の移動に関する気象の警告情報を生成するステップにおいて、前記第一の時刻の気象データと前記第二の時刻における気象データについて、空間方向の線形補間をした気象データの値により、前記飛行体の移動に関する気象の警告情報を生成することを特徴とする請求項7記載の気象予報方法。
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