JP2024013380A - 移動体運行管理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数台のドローンが一つの離発着ポートへアプローチする場合に、安全かつ効率よく離発着可能となる移動体運行管理装置を提供する。【解決手段】移動体運行管理装置411は、物品もしくは人である運搬対象305を搭載し出発地から到着地まで指示されたルートに従い移動する複数の第一移動体105の運行を管理する。移動体運行管理装置411は、第一移動体105の移動時間を計算する移動時間予想算出部706と、複数の第一移動体105のそれぞれの運行に影響する情報によって計算される移動時間の不確定性に基づいて第一移動体105が離発着する離発着ポート306を、第一移動体105が占有する確率を計算する占有確率算出部707と、全ての時間に離発着ポート306が、第一移動体105に占有されるように計画する使用計画最適化部708と、を備える。【選択図】図3
Description
本発明は、飛行体を用いて移動および輸送する移動体運行管理装置に係り、特に飛行体として垂直離発着可能なVTOL(Verticaltake-offand landing aircraft)を用いた移動体運行管理装置に関する。
最近では、着陸面に対して垂直方向に離着陸するドローンと呼ばれる無人飛行体を利用して荷物を目的地に搬送するシステムが提案されている。このドローンは、複数の羽根ロータを有したマルチロータ方式が一般的に使用されている。
このドローンによる搬送システムは、ドローンの水平面の飛行計画経路を表わすデータを入力する。そして、飛行計画経路上の複数の位置の夫々の下にある表面の標高を表す高さ基準値を取得し、その位置に対応する飛行高度を高さ基準値に加算した値を飛行計画経路の高度のデータとして使用する。
これにより、障害物に衝突しないで飛行計画経路を飛行できるようにしている。
そして、このようなドローンによる搬送システムにおいて、数多くのドローンが効率よく目的地に到着して着陸できることが重要である。このため、ドローンの着陸制御装置としては、例えば、特許文献1に記載された方法が提案されている。
この特許文献1においては、自律飛行可能なドローンが離着陸を行う各離発着ポートの予約を管理するとともに、離発着ポート間を自律飛行する複数のドローンの飛行計画及び飛行位置を管理する飛行管理システムが公開されている。複数のドローンが共同で離発着ポートを利用する場合、離発着ポートに対する予約管理を行うことで一つの離発着ポートへ複数台のドローンがアプローチすることを実現している。
このように、離発着ポートを予約管理する場合にはドローンがいつ着陸し、離陸するか、ドローンに対して給電やメンテナンスをする時間の要否なども考慮し、効率化する必要がある。
特許文献2では、バッテリを搭載したドローンにおいて、飛行体情報と場所情報を取得して給電施設までの最短到達時間、平均飛行時間、悪天候のエリアを避ける等を考慮して給電開始時刻、及び待機期間を示し、効率的に給電を可能にする方法を公開している。
ところで、特許文献1や特許文献2に記載されている手法は離発着ポートに対して、複数台のドローンが離発着することが考慮されていないため、予約の際には各ドローンが使用する離発着ポートが他のドローンと重ならないように予約する必要がある。
しかし、各ドローンの離発着に際しての状況や経路の状況に依っては離発着ポートへの到着が早まることや遅れることを考慮すると、本来の占有時間の前後に余裕を持った冗長な予約をせざるを得ない。
複数のドローンがアプローチする一つの離発着ポートにて、このような予約方法をとる場合、ドローンが全て定刻通りの運航をするだけで、ポートの使用効率が下がる。また、例えポートが空いた時間帯ができたとしても、予約されていないドローンが、そのポートを使用することができずに、システム全体としての効率低下の課題が生じる。
本発明の目的は、このような課題を鑑み、複数台のドローンが一つの離発着ポートへアプローチする場合に、安全かつ効率よく離発着可能となる移動体運行管理装置および移動体運行管理方法を提供することである。
本発明は、上記目的を達成するため、次のように構成される。
物品もしくは人である運搬対象を搭載し出発地から到着地まで指示されたルートに従い移動する複数の移動体の運行を管理する移動体運行管理装置において、前記移動体の移動時間を計算する移動時間予想算出部と、複数の移動体のそれぞれの運行に影響する情報によって計算される前記移動時間の不確定性に基づいて前記移動体が離発着する離発着ポートを、複数の前記移動体が占有する確率を計算する占有確率算出部と、全ての時間に前記離発着ポートが、複数の前記移動体に占有されるように計画する使用計画最適化部と、を備える。
また、物品もしくは人である運搬対象を搭載し出発地から到着地まで指示されたルートに従い移動する複数の移動体の運行を管理する移動体運行管理装置の移動体運行管路方法において、前記移動体の移動時間を計算し、複数の前記移動体のそれぞれの運行に影響する情報によって計算される前記移動時間の不確定性に基づいて前記移動体が離発着する離発着ポートを、複数の前記移動体が占有する占有確率を計算し、全ての時間に前記離発着ポートが、前記移動体に占有されるように計画する。
本発明によれば、複数台のドローンが一つの離発着ポートへアプローチする場合に、安全かつ効率よく離発着可能となる移動体運行管理装置および移動体管理方法を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
なお、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。
(実施例1)
図1は、本発明の実施例1による複数の移動体を連携させた移動体運行管理装置を有する移動輸送システム(移動体運行管理システム)1の概略構成図である。
図1は、本発明の実施例1による複数の移動体を連携させた移動体運行管理装置を有する移動輸送システム(移動体運行管理システム)1の概略構成図である。
図1は、利用者100が販売されている商品や移動のための運賃をインターネット等で購入・支払いし、その商品を複数の移動体(第一移動体105、第二移動体107)を用いて自動的に運搬する移動輸送システム1を示している。
図1において、まず、利用者100がマッチング/売買サービスシステム102を用いて商品等を選択・購入し、その発注通知や移動許可が販売者・移動者103に対して通知される。これらの商品等は物品若しくは人である運搬対象305であり、これら運搬対象は、配送拠点出発地104に移動され、第一移動体105で途中の移動体間接続ハブ106まで移動され、鉄道車両320等の第二移動体107に載せ替えもしくは乗り換えられ、到着地や商品の保管所108に到着される。
移動体間接続ハブ106は、ドローン300等の第一移動体105が離発着する離発着ポート306を有している。
配送拠点・出発地104から到着地108へ移動する間の運行は、統合運行管理システム109にて管理され、予定の修正等が必要な場合には各移動体(第一移動体105、第二移動体107)の運行を調整する。また、各移動体(第一移動体105、第二移動体107)はインフラ110から情報や移動のためのエネルギーの供給を必要に応じて受けている。
このような移動輸送システム1の具体的な一例として、第一移動体105としてドローンと第二移動体107として鉄道車両とによる物流運搬する例で説明する。なお、第二移動体107は、鉄道車両に限らず、自動車等の車両でもよい。
ドローンは運搬場所の自由度が高く、少量の荷物を比較的短い区間、オンデマンドで運搬する用途で使用されることが多い。
一方で鉄道は駅のある場所に限られるが、大量の荷物を長い区間、定期で運搬する用途で使用されることが多い。
この二つの移動体を接続し、商品等を運搬するシナリオを考えた場合、可搬量の少ないドローンと非常に可搬量が大きい鉄道車両とはミスマッチが起こる。そのような課題を解決するため、多数のドローンを鉄道の定期発車時刻に合わせて到着させるような運用をすることで、二つの移動体の長所を活かし、短所を補いあうことができる。
ドローンと鉄道列車を例とした移動輸送システム1の動作について説明する。ここでの説明は商品の輸送として表すが、人の移動でも同じである。
移動輸送システム1は、大きくは移動輸送の経路や時間を決定し各移動体および施設等の予約をする運行計画フェイズと、実際にドローンや鉄道列車などの移動体にモノが搭載されて移動する輸送フェイズとに分かれる。
まず、マッチング/売買サービスシステム102にて予め販売者・移動者103が登録している商品の中から利用者100が注文を決定する。マッチング/売買サービス102では利用者100が商品を購入すると、商品の配送を、販売者・移動者103へリクエストを送信すると共に統合運行管理システム109へ通知する。
次に、統合運行管理システム109が配送拠点・出発地104、移動体間接続ハブ106、保管場所・到着地108における商品輸送の運行時刻、使用する移動体を調整、手配する。
次に、使用するドローンおよび鉄道列車と同時刻帯に配送拠点・出発地104、移動体間接続ハブ106、保管場所・到着地108を使用する他の移動体との運行時刻を調整し決定、その後にマッチング/売買サービスシステム102にて決済を完了する。
ここまでで運行計画のフェイズが完了し、輸送フェイズに移行する。ただし、一つの輸送に対して決定した運行計画は、その後の他輸送における調整によって変更とされることもある。
輸送フェイズでは、販売者・移動者103が商品を配送拠点・出発地104に輸送する。この輸送は販売者自身が実施しても、その他の手段を用いて輸送されても良い。
次に、決定された経路と移動体、決定された時刻にて、第一移動体105であるドローンを用いて配送拠点・出発地104から移動体間接続ハブ106へ商品を輸送する。
次に、移動体間接続ハブ106において、第一移動体105であるドローンから第二移動体107である鉄道列車へ商品を載せ替える。
次に、移動体間接続ハブ106において、第一移動体105であるドローンから第二移動体107である鉄道列車へ商品を載せ替える。
図2に複数台の荷物を積載した第一移動体105であるドローンと第二移動体107である鉄道車両とを接続するイメージを示す。図2に示した、第一移動体105であるドローンと第二移動体107である鉄道車両との接続は、移動体間接続ハブ106の具体例であるが、必ずしもこの形態に限るものではなく、複数種類の移動体に含まれる人・モノが何らかの手段により受け渡しされるようなシステムであればよい。
図2において、ドローン300は、矩形状の筐体本体301に対称関係となる位置に4個の羽根ロータ302が設けられており、夫々の羽根ロータ302は図示しない電動モータによって駆動される。尚、本実施例1の飛行体は、これに限るものではなく、要は垂直方向に離着陸できる飛行体であれば良い。
筐体本体301には位置姿勢センサを含む飛行体制御装置303が設けられており、更にドローン向け管制システム307と飛行体であるドローン300の位置や、その通過する経路を通信する通信機304が設けられている。筐体本体301の位置や姿勢の検出には周知のGNSSセンサおよび慣性計測装置が搭載されている。
また、飛行体制御装置303は、飛行体であるドローン300の水平面の飛行計画経路を表わす経路情報と、飛行計画経路上の複数の位置の夫々の下にある地表面の標高を表す高さ基準値とから、その飛行位置に対応する飛行高度を高さ基準値に加算した値を飛行計画経路の高度情報として使用することで、他の飛行体および障害物に衝突しないで飛行計画経路を飛行できるようにしている。
また、筐体本体301の外部もしくは内部には運搬対象305が据え付けられており、この運搬対象は305取り外し可能となっている。
一方、飛行体であるドローン300の経路を指示する管制システム307は、図2においては離発着ポート306と別体で表しているが、一体であっても良い。また、ドローン300等の移動体が離発着する離発着ポート306は、図3においては1つのみで表されているが、複数存在しても良い。
ただし、管制システム307は少なくとも一つの離発着ポート306へアプローチする飛行体であるドローン300の経路を指示するものとし、飛行体であるドローン300に複数の管制システム307から複数の経路が指示されることはないものとする。
複数のドローン300が離発着ポート306へ到着した場合には、管制システム307により、着陸順が指示され、1台ずつ着陸し、運搬対象305を移動体輸送機310へ載せ替え、離陸し、次に着陸指示されたドローン300が着陸し、同様の動作を繰り返す。
運搬対象305を搭載した移動体間輸送機310は離発着ポート306から鉄道車両320が待機するターミナル321へ発車時刻までに移動し、運搬対象305を鉄道車両320へ搭載後、また離発着ポート306へ移動することを繰り返す。
鉄道車両320は、鉄道用の管制システム322の指示に従い、定時にターミナル321に到着し、発車時刻まで待機する。その間、移動体輸送機310から運搬対象305が鉄道車両320へ積み込まれる。
次に、第二移動体107である鉄道車両320により移動体間接続ハブ106から保管場所・到着地108まで商品を輸送し、到着後、商品を保管、利用者100へ到着を通知する。
最後に、商品到着の連絡を受けた利用者100が保管場所・到着地108にて商品を受けとることで、この商品に関する移動輸送システム1の処理を終了する。
このドローン300と鉄道車両320を用いた移動輸送システム1の各システムの詳細動作を、図3のドローン300と鉄道車両320を用いた移動輸送システム1の全体概要および、それぞれのシステムの処理フローによって説明する。また、図3の太線矢印は商品の流れを、細線は情報の流れを示している。
まず、運行計画フェイズでの動作を説明するため、マッチング/売買サービス401および統合運行管理システム409の処理を説明する。
まず、販売者402が在庫/予約管理システム403に商品および商品を輸送可能な配送拠点407と時刻などを登録する。在庫/予約管理システム403は、注文管理システム404と連携しており、登録された情報を注文管理システム404において在庫や予約の可否が参照可能となっている。
また、登録された商品にはIDが割り振られ、輸送可能な配送拠点407と時刻などと共に配送リクエストシステム406に登録される。
次に、利用者400が注文管理システム404にて在庫/予約管理システム403の示す商品を発注する。
次に、注文管理システム404にて商品の保有先を確認し、配送マッチングプラットフォーム405に保有先と発注詳細を通知する。
配送マッチングプラットフォーム405にて取得した保有先と発注詳細から、配送拠点407から利用者400の指定する保管場所408までの経由地を探索し、経由地をリスト化、各所要時間の最大値を求め、仮決定する。
ここで、各所要時間には、販売者402が設定した配送拠点への輸送時間、各移動体による輸送時間、商品載せ替えに必要な運搬時間が少なくとも含まれる。
次に、配送マッチングプラットフォーム405にて発注品のIDおよび経由地リスト・各所要時間を、統合運行管理システム409へ送信する。
次に、統合運行管理システム409において受信した経路と所要時間から、ドローン運行管理システム(移動体運行管理装置)411に対して、離陸側の離発着ポート412および着陸側の離発着ポート306の離発着ポート使用権を申請する。この使用権申請は複数種類の移動体において、設定された時刻の遵守見込みが低い順に実施する。
本実施例1ではドローンと鉄道車両ではドローンの時刻遵守見込みが低いと仮定し、ドローン運行管理システム(移動体運行管理装置)411へ先に使用権を申請している。
ここで、上記使用権について説明する。使用権は離発着ポート(412、306)および機体など含む各施設を使用できる権利であり、時刻単位で設定される施設使用予約である。
図4に使用権の概念を時間軸で表わす。図4は下方向に時刻の流れを示しており、各施設において使用権が設定されているところを白枠で表している。また、本実施例1で示されている使用権の設定方法は一例であり、その設定方法は各業種において変更されていても良い。
この各施設の使用権の予約、設定は実際にその施設を使用する時刻間に余裕を持たせて設定する必要がある。以下に配送拠点側の離発着ポート412、ドローン300、配送連結システム410側のポート306の使用権の設定について例示する。
配送拠点側の離発着ポート412の使用権は、販売者402が在庫/予約管理システム403に登録した輸送可能な時刻601よりも前に使用権の開始時刻を設定する。また、ドローン300が配送拠点側の離発着ポート412に到着を予定する時刻602に遅延の可能性を考え、ドローン300が上空に滞空可能な時間である滞空余裕時間、整備・燃料チャージのための時間もしくは積込所要時間のいずれか長い方を加えたフライト予定時刻603を算出し、更にフライト予定時刻603にポート管制圏離脱時間を加えた時刻604までを使用権として設定する。
このポート管制圏離脱時間は離発着ポート412の周辺の事前に定められた空域をポート管制圏として設定し、その管制圏内は同時刻に存在する機体は1台のみとしている。これは、複数台の機体が同時に降下や離陸をすることによって、機体同士の予想外の近接や衝突を避けるためである。
また、ドローン300の使用権の設定は、配送拠点側の離発着ポート412に到着を予定する時刻602を開始点として、配送連結システム410側の離発着ポート306への到着時刻605に滞空余裕時間を加えた時刻606までを設定する。
また、配送連結システム410側の離発着ポート306の使用権の設定は、配送連結システム410側の離発着ポート306への到着時刻605を開始点として、ドローン300の経路に対する滞空余裕時間を加えた時刻606に、整備・燃料チャージのための時間もしくは積込所要時間のいずれか長い方を加え、更に該ドローン300が次の目的地へ離陸する場合、ポート管制圏離脱時間を加えた時刻607までを使用権として設定する。
以上のような流れで、その他の施設に対する使用権も設定される。
次に、申請された使用権に対して、ドローン運行管理システム(移動体運行管理装置)411にて、統合運行管理システム409から申請された時刻を元に、離陸側の離発着ポート412および着陸側の離発着ポート306の使用可能時刻および、商品輸送用に運用可能な機体を選定し、商品IDの輸送に対してそれぞれの使用権を与え、統合運行管理システム109およびドローン管制システム307へ通知する。
ここで、ドローン運行管理システム(移動体運行管理装置)411の動作を図5のシステム構成および図6の処理フローに従って説明する。
ステップS801では、統合運行管理システム409の施設使用時刻算出部701で算出された、ドローン300の出発地である配送拠点側の離発着ポート412および到着地である配送連結システム410側の離発着ポート306と、仮決めされた使用時刻を受信する。
次に、ステップS802では、機体/ルート選択部702がステップS801で取得した出発地・到着地から経路DB703を用いて飛行ルートを決定する。経路DB703には飛行する位置を示すウェイポイントの点列で示されたトポロジカルマップが収録されており、ダイクストラ法などにより経路を設定する。このウェイポイントを結ぶリンクにはその区間を飛行する標準速度が規定されているものとする。
また、決定された経路に対して、飛行可能な機体(ドローン300)を、機体使用計画704を用いて選択する。機体使用計画704は該当時刻における機体の使用権および該当時刻で予想される飛行可能距離、機体種別や耐風性能、課金などによる時間厳守の確約度が収められている。
次に、ステップS803では、ステップS802で選択したドローン300の機体性能を機体使用計画704から取得し、同時に不確定性パラメータ算出部705にて風況・環境情報システム413から風況・天候情報を取得する。不確定性パラメータ算出部705は、風況などの不確定な飛行に影響する要因の発生確率を算出、決定する。
次に、ステップS804で、ステップS802で選択した飛行ルートおよび機体、ステップS803で取得した風況などの環境情報と機体性能から、該飛行ルートを選択した機体で飛行した場合の標準的な飛行時間を算出する。飛行時間の算出は、風況やその他の不確定な飛行に影響する要因の発生により変動するが、ステップS804では最も可能性が高い情報のみを選択し、飛行時間算出に用いる。
次に、ステップS805にてステップS804で算出された標準飛行時間が、ステップS801で取得した出発地での使用時刻および到着地での使用時刻の範囲に収まることを確認する。確認は以下の計算で可能となる。
(到着地の使用終了時刻)―(出発地の使用開始時刻)> 標準飛行時間であり、かつ、(到着地の使用開始時刻)―(出発地の使用終了時刻)< 標準飛行時間であること。
もし、使用時刻の範囲内に収まらない場合は、別ルートや別機体を選択しなおし、標準飛行時間が使用時刻に収まるまでステップS802からステップS804の処理を繰り返す。
次に、ステップS806において、選択したドローン300の機体および飛行ルートを固定し、不確定性パラメータ算出部705より、不確定要素を取得する。移動体であるドローン300の移動時間の不確定性は、移動体であるドローン300の種別および運動性能への影響から移動時間の変動幅を計算して算出される。
不確定要素の例として風況について説明する。ルート上のある領域において、風ベクトルが与えられる。この風ベクトルは風力の大きさと風向きで表される。この風ベクトルに対し、風力の誤差、風向きの誤差が分散値として与えられているものとする。また、この不確定要素はその発生確率が直接与えられても良い。
次に、ステップS807では、ポート占有確率算出部707にて、ステップS806で取得した不確定要素を用いて、到着予想時刻を算出し、その時刻の範囲を算出する。到着予想時刻は以下の計算式(1)で求めることができる。
(到着時刻)=(ルート距離/標準速度)+(不確定性遅延)+(出発時刻) ・・・(1)
(到着時刻)=(ルート距離/標準速度)+(不確定性遅延)+(出発時刻) ・・・(1)
上記式(1)において、ルート距離および標準速度は確定値であり一意に計算される。不確定性遅延は、各不確定要素により発生する遅延時間であり、事変かつ確率的に扱い、飛行ルート上の区間において発生する事象に応じて計算される。
例えば、風況であれば、ある区間における風ベクトルと機体運動性能から、その区間の飛行速度が算出される。この速度を用いて、本来の標準速度でその区間を通過する時間に対して早まる場合はマイナス、遅くなる場合はプラスで表される。区間ごとで不確定性の発生は異なるため、各区間における遅延時間の総和で最終的な不確定性遅延を算出する。
仮に、各区間の不確定性の発生をパターン分けできるのであれば、最終的な不確定性遅延の層数は、区間数と発生パターンの組み合わせ数だけ存在することとなる。
ある一組のパターンSiで算出した不確定性遅延を算出した結果、求められる到着時刻Tにドローン300が到着する確率は、そのパターンの発生確率であるので、以下のような各事象の同時確率として次の(2)式で求めることができる。
ある一組のパターンSiで算出した不確定性遅延を算出した結果、求められる到着時刻Tにドローン300が到着する確率は、そのパターンの発生確率であるので、以下のような各事象の同時確率として次の(2)式で求めることができる。
ドローン300の機体が時刻Tに到着する確率Pr(Si、T)=機体トラブルなど何事も発生しない確率Pr(N)×風況(第一の不確定性)が正しい確率 Pr(E)×第二の不確定性が正しい確Pr(M)×・・・×調整が発生する確率Pr(A) ・・・(2)
このドローン300の機体が到着してから離陸する時刻までには不確定性が無いと仮定すると、画一的にポート到着から離陸完了までの時刻が同じ確率でポートを占有することになる。この到着地の離発着ポートが、このドローン300に占有される確率を計算する。
占有確率は対象ポートに対象機体が対象時刻に存在(アプローチ(降下中))する確率である。このポートに到着する確率Pr(Si、T)を全てのパターンで総和した確率分布は図9のようになり、最速のポート到着予定時刻TSと最も遅い離陸完了予定時刻TEまでの時刻による確率分布関数F(t)として表すことができる。
また、使用計画最適化部708は、ポート到着から離陸完了までの間に、残燃料・バッテリ残量などによるチャージ時間などのような不確定性がある場合も上記と同様の考え方で到着後から離陸までの確率を計算することができる。つまり、使用計画最適化部708は、移動体であるドローン300のエネルギー残量によって移動体であるドローン300が離発着ポート306を使用する時間を制限することで、移動体の離発着ポート306の占有確率を高くし、優先的に前記離発着ポート306を使用させることができる。
また、使用計画最適化部708は、飛行体であるドローン300の残飛行可能時間によって、離発着ポート306の占有確率を変化させることができる。
上記のように求められたドローンnによるポート占有確率の確率関数F(t)を、このドローンnの到着可能性のある全時間帯の総和が1となるように再計算し、確率関数Fn(t)とする。
この到着可能性のある全時間帯は離発着ポート自体が使用不可能となっている場合は、時刻は連続とならず、使用不可能な時間帯で分断される。その場合、時刻の最大幅は変わらないため、ポートが使用可能な範囲でのポート占有確率が高まることになる。例えば、離発着ポートに侵入検知センサを設置し、ポート上に侵入物がある場合や、緊急メンテナンス等によって使用権が切れているにも関らず、なおポート上に存在する機体などが存在する場合がこれに当たる。
ポート占有確率算出部707は、離着陸ポート306に緊急に着陸する飛行体(移動体)であるドローン300が、離着陸ポート306に接近している場合には、緊急着陸する時間帯を除いた時間帯でポート占有確率を算出する。
また、離着陸ポート306を占有する飛行体(移動体)であるドローン300を検知するドローン検知器(移動体検知器)112を離着陸ポート306に配置し、ポート占有確率算出部707は、ドローン検知器112からの検知信号に基づいて、ドローン300により離着陸ポート306が占有されている時間帯を除いて占有確率を算出する。
また、緊急着陸が必要な機体がポートを優先的に占有する場合も同様に、離発着ポートの使用可能な時間帯をロックすることで、同様に対応可能である。
次に、ステップS808では、ポート使用計画最適化部708にて、既に使用権が設定されている到着地の離発着ポートのポート占有確率をポート使用計画709より集約する。
ポート使用計画709には、対象の離発着ポートの各時刻における使用権の設定状態が格納されている。
使用権の設定状態は、時刻、機体ID、占有確率および最大滞空余裕時間が各機体に対して設定されている。集約されたポート占有確率は、例えば、図8に示すようになる。
図8において、ポート使用計画709に保存されていた既に使用権が設定されている機体C1のポート占有確率Pr(C1)1001および機体C2のポート占有確率Pr(C2)1002に、ステップS807で算出された機体のポート占有確率Pr(C3)1003を重畳している。
それぞれのポート占有確率はある一定の値に満たず、また、ポート占有確率1001および1002の総和Pr(C)=Σ2
n=1Pr(Cn)もこの値以下となっているものとする。この値は、ポート占有確率の閾値として扱う。この閾値は、予測のできない事象を予め考慮に入れておくために設定する。例えば、鳥や他の飛行体によって、ドローン300の進路が妨害され、迂回する可能性や、進路上で火事などの災害が発生し、迂回によって遅延が生じる場合などである。これらを確率として事前に与えることで、予測できない事象を考慮することが可能となる。
次に、ステップS809では、ポート使用計画最適化部708にて、ポート占有確率の最適化を実施する。ポート占有確率の最適化は図11に示す概念図と図10の処理フローで説明する。
図10のテップS1201ではポート使用計画709に保存されていた既に使用権が設定されている機体の占有確率1001および1002に、ステップS807で算出されたポート占有確率1003の総和を計算する。
ステップS1202ではステップS1201で算出されたポート占有確率の総和と閾値を比較し、ポート占有確率の総和が閾値より小さければ最適化不要と判断し処理を終了する。また、ポート占有確率の総和が閾値以上となった場合、ステップS1203に移行する。
ステップS1203は、時間拡張余裕がある最小占有確率のドローン300の機体を選択する。図9において、占有確率1001の使用権をもつドローン300の時間拡張余裕1101、および占有確率1002の使用権をもつドローン300の時間拡張余裕1102を比較し、時間拡張余裕の長い占有確率1002を選択する。
ステップS1204では、ステップS1203で選択されたドローン300の機体の滞空余裕時間を、定められた時間分拡張し、占有確率を再計算する。ポート占有確率は時間帯の総和が1となるように再計算されているので、時間帯を拡張した時間分下がることになる。
例えば、図9のポート占有確率1001はその滞空余裕時間分1101まで拡張した場合、ポート占有確率1110のように確率が下がる。同様に、ポート占有確率1002は時刻1102まで拡張した場合は、ポート占有確率1120のように下がる。
次に、ステップS1205にて、ステップS1204で再計算した選択機体の占有確率とステップS1202で計算した占有確率の総和と閾値の差を比較し、ステップS1204で再計算した選択機体の占有確率を加えた占有確率の総和が閾値以上の場合、ステップS1203からS1204の処理を繰り返す。
ステップS1205にて、ステップS1204で再計算した選択機体の占有確率を加えた占有確率の総和が閾値より小さい場合、ステップS1206に移行する。
ステップS1206では占有確率の再計算し、調整処理を終了する。
次に、図6において、ステップS810では、ステップS809で設定されたポート到着時刻を元に、ポート使用計画709の各ドローン300の機体のポート使用権を与える時間設定を更新するとともに、統合運行管理システム409の機体・施設使用計画決定部710へ送信、施設使用計画711を更新する。
また、ステップS809において設定されたポート到着時刻は機体/ルート選択部702へ送信され、到着時刻の幅を元に、飛行時間予想算出部(移動時間予想算出部)706にて再度離陸時刻が計算され、機体使用計画704を更新する。
つまり、使用計画最適化部708は、移動体105が離発着ポート306を占有する確率から、複数の移動体105が重複して離発着ポート306を使用することを許容して設定し、移動体105の運航時に占有確率を更新することで、占有の順序を計算し、移動体105の離発着ポート306の使用順位を決定する。
以上の処理により統合運行管理システム409に通知されたドローン300の離発着ポート使用権の時刻調整がされた結果から、ドローン300の最大遅延時刻606(図4に示す)より後の発車時刻の鉄道車両使用権を申請する。
鉄道運行管理システム(第二移動体運行管理装置)416では、統合運行管理システム409から申請された時刻以降で、鉄道車両320が配送連結システム側プラットフォーム421に到着する時刻608から保管場所側のプラットフォーム414へ到着する時刻609までの鉄道車両使用権を確保し、その結果を統合運行管理システム409へ通知する。
次に、統合運行管理システム409により、鉄道車両320の保管場所側におけるプラットフォーム414への到着時刻からの商品保管のため、保管場所408の使用権を申請し、保管場所408からの保管可能時刻610を受け取り、配送マッチングプラットフォーム405へ通知する。
次に、配送マッチングプラットフォーム405から注文内容の確定を注文管理システム404へ通知し、配送リクエストシステム406へ商品配送詳細を通知する。
次に、配送リクエストシステム406にて該当IDの商品を配送拠点407に準備する期限となるドローン到着時刻602を販売者402へ通知する。
運行計画フェイズの最後として、注文管理システム404が決済サービス415と連携し、顧客の決済を実施する。
以上で運行計画フェイズが終了し、輸送フェイズに移行する。
輸送フェイズでは、図3の太線矢印の順に商品が輸送され、そのタイムスケジュールは運航計画フェイズで計画された図4に示した各施設の使用権に従い実施される。以降では、不確定要素が多く、使用権の変更が逐次実施される第一移動体(ドローン300)による輸送を例に、使用権変更・更新時のシステムの動作について記す。以降、輸送フェイズにおける使用権の変更の説明を図11の処理フローを用いて説明する。
最初に、ステップS1301では、販売者402が配送リクエストシステム406から発注通知を受信する。
次に、ステップS1302にて、商品の在庫/入荷目途の有無を確認し、在庫がない場合はステップS1305へ移行し、キャンセル処理を実施する。ステップS1302において、在庫がある場合はステップS1303へ移行する。
ステップS1303では、販売者402が配送拠点407へ商品を輸送する。
次に、ステップS1304では商品が指定された登録時刻まで到着していることを確認する。商品が未着の場合はステップS1305へ移行し、キャンセル処理を実行する。ステップS1304において、商品が到着している場合はステップS1306へ移行する。
ステップS1306では、運搬対象の商品到着をドローン運行管理システム411へ通知し、ステップS1307では、ステップS507で計画された商品輸送予定のドローン300の機体の状態を確認する。
ステップS1308にて、計画された機体が配送拠点側の離発着ポート412に到着している場合はステップS1310へ移行する。ステップS1308におおいて、計画された機体が未着の場合はステップS1309にて、施設使用計画711から、代替機、計画変更の有無を確認し、計画変更がある場合はステップS1307の処理へ戻る。
ステップS1309にて、計画変更がない場合は対象機体が離発着ポート412に到着するまで待機する(ステップS1308)。
次に、ステップS1310では、配送拠点側の離発着ポート412へ商品を輸送し、ドローン300へ搭載する。
ステップS1311にて、機体に商品搭載確認後、ドローン運行管理システム411へ離陸準備完了を通知し、ステップS1312にて、ドローン運行管理システム411の機体使用計画704へ該当機体のフライト準備完了フラグを設定する。
次に、ドローン管制システム307にて、フライト準備完了となっているドローン300にフライト指示を出し、離発着ポート412から離陸させる。離陸後の運航はドローン管制システム307の指示に従い実施される。
次に、ステップ1314にて、チェックポイントにおける進捗により到着予想時刻をドローン管制システム307に通知する。ドローン300はドローン管制システム307から目標とする位置(ウェイポイント)と運行速度を指示され飛行する。ドローン300に搭載された飛行体制御装置303に組み込まれる位置姿勢センサ712からの出力は通信機304によりドローン管制システム307の機体位置管理部713へ通知される。
機体位置管理部713では担当する全機体の機体位置を管理し、取得したそれぞれのドローン300の位置を到着予想時刻算出部714へ送信し、到着予想時刻を算出する。到着予想時刻の算出は、残りのルート距離を標準速度除することで求める。
更に、算出した到着予想時刻をドローン運行管理システム411のポート占有確率更新部715へ送信し、ドローン300の位置取得とその時刻を元にしたポート占有確率を算出する。ポート占有確率の更新は、ステップS807とほぼ同様に計算でき、現在位置から配送連結システム411側の離発着ポートまでのルート上の不確定要素を用いて、到着予想時刻の範囲を以下の式(3)ように算出する。
(到着予想時刻)=(残ルート距離/標準速度)+(残ルート上の不確定性遅延)+(位置取得時刻) ・・・(3)
(到着予想時刻)=(残ルート距離/標準速度)+(残ルート上の不確定性遅延)+(位置取得時刻) ・・・(3)
ドローン300の位置を取得した時刻からの残ルート上での不確定性のみを考慮するため、到着予想時刻の範囲はステップS807より狭まることになる。また、範囲が狭まる事で、ポート占有確率の尖度が高くなり、確実性が増す。算出されたポート占有確率はステップS808と同様に、ポート使用計画最適化部708にて、他運航中のドローン300の機体の更新されたポート占有確率をポート使用計画709より集約し、ステップS809と同様にして最適化し、ポート使用計画709を更新する。
全ての運航中のドローン300の機体から得られるポート占有確率は全て計画フェイズよりも尖度が高くなり、他機のポート占有確率との重なりは少なくなり、かつポート占有確率が単体でほぼ閾値を満たすほど高くなることから、離発着ポート306が近づくに連れ、占有確率が独立となり、後述の着陸にてここで決定された順序で離発着することにより、安全が保たれる。
次に、ステップS1315において、ドローン運行管理システム411のポート使用計画最適化部708にて、ステップS1314で取得した到着予想時刻の変化が計画時と比較して閾値以上となっていた場合に、確実性の高い情報から計画の更新を実施する。
到着予想時刻が計画フェイズと比較してほぼ変わりがない、閾値以上の変化がない場合にはステップS1322へ移行する。ステップS1315において、閾値以上の変化があり、変化の方向が早まる方向であれば、ステップS1316へ移行する。ステップS1315において、遅延する方向であれば、ステップS1318へ移行する。
ステップS1316では、ドローン運行管理システム411のポート使用計画最適化部708から統合運行管理システム409の機体・施設使用計画決定部710へ新しい到着時刻を通知する。
ステップS1317では、統合運行管理システム409にて、新しい到着時刻が配送連結システム410側の離発着ポートの使用権に空きがある場合、ポート到着時刻605を繰り上げ、ステップS1322へ移行する。
到着予想時刻が遅延する場合、ステップS1318にて、ドローン運行管理システム411のポート使用計画最適化部708から統合運行管理システム409の機体・施設使用計画決定部710へ新しい到着時刻を通知する。
次に、ステップS1319では、統合運行管理システム409にて、新しい到着時刻が配送連結システム410側の離発着ポートの使用権に空きがある場合、ポート管制圏離脱時刻606の延長要否を判断し、ステップS1320へ移行する。これは運航の遅延により想定以上のエネルギーを消費したためにポート管制圏離脱時刻直前のチャージ時間がかかる場合の対処となる。
ステップS1320では、ステップ1319にてポート使用権の延長の要否を判断する。ポート使用権の延長不要の場合はステップS1322へ移行する。ポート使用権の延長必要な場合は、鉄道車両への積み込みができないリスクが生じるため、代替輸送手段への積み込み先変更の必要性をユーザに通知するとともに、着荷遅延連絡を利用者400に連絡する。
次に、ステップS1322では、ドローン300の機体が着陸態勢に入るポート管制圏への到着を判断する。ポート管制圏へ到着している場合はステップS1323へ移行し、ポート管制圏へ未着の場合は、ステップS1314からの処理に戻る。
ステップS1323では、ドローン管制システム307からポート着陸許可後、離発着ポート306へ着陸する。ドローン管制システム307の運航設計部716は到着予想時刻算出部714からドローン300の到着予想時刻を受信し、ドローン運行管理システム411のポート使用計画709を取得、到着するドローン300と他のドローン300の機体との優先度順で着陸許可を機体位置管理部713に設定し、機体位置管理部713から着陸指示をドローン300へ通信する。
次に、ステップS1324にて、ドローン300が離発着ポート306に着陸後、配送連結システム410の指示に従い、移動体間輸送機310によってプラットフォーム421に商品を輸送し、発車時刻までに鉄道車両320に積み込む。
次に、ステップS1325にて、鉄道車両320は鉄道管制システム322の安全指示、鉄道運行管理システム416の運行指示に従い、目的の保管場所408のあるプラットフォーム414に輸送する。
最後にステップS1326にて鉄道車両320から保管場所408へ商品を輸送し、利用者400が受け取ることで商品輸送が完了する。
以上が移動体輸送システム1の大まかな処理フローである。
以上に説明に説明した離発着制御を実行することによって、少なくとも、複数の飛行体が同時に一つの離発着ポートへアプローチすることを計画段階から許容することで、離発着ポートを安全かつ高効率に使用することができるようになる。
本発明の実施例1によれば、複数台のドローン300が一つの離発着ポート412へアプローチする場合に、離発着ポート412の利用可能なすべての時間帯において、安全かつ効率よく離発着可能となる移動体運行管理装置、移動体運行管理システム及び移動体運行管理方法を提供することができる。
(実施例2)
次に、本発明の実施例2について説明する。
次に、本発明の実施例2について説明する。
図12は、実施例2による複数の移動体を連携させた移動輸送システム(移動体運行管理システム)1Aの概略構成図である。
図1に示した実施例1における移動体輸送システム1においては、配送拠点・出発地104と、保管場所・到着地108とは、それぞれ、別箇に配置されているが、図12に示した実施例2においては、配送拠点・出発地104と、保管場所・到着地108とを兼ねる配送拠点・保管場所130が二地点に配置されている。つまり、双方向から、第一移動体105及び第二移動体107を用いて、商品等の配送が可能となっている。
つまり、商品等は、一方の配送拠点・保管場所130から、第一移動体105、移動体間接続ハブ106、第二移動体107を介して他方の配送拠点・保管場所130に到着する。
図1に示した例と図12に示した例とは、商品等が双方向に移動可能か否かが相違し、作用及び動作は同等となっている。このため、図12に示した例の作用及び動作の説明は省略する。
実施例2においても、実施例1と同様な効果を得ることができる他、互いに離れた地域から双方向に、商品等を搬送可能な移動体運行管理システムに本発明を適用することができる。
なお、荷物搬送用の飛行体は無人であるが、将来的には有人の飛行体(いわゆる空飛ぶクルマ)に展開される方向で開発が行われている。したがって、本発明では、無人飛行体に限らず有人飛行体に対しても適用できる離発着システムを提案するものである。
また、飛行体はマルチロータ方式に限らず、これ以外の自律的に飛行する飛行体をも対象とするものである。
尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
1、1A・・・移動体輸送システム(移動体運行管理システム)、100・・・利用者、102・・・マッチング/売買サービスシステム、103・・・販売者・移動者、104・・・配送拠点・出発地、105・・・第一移動体、106・・・移動体間接続ハブ、107・・・第二移動体、108・・・保管場所・到着地、109・・・統合運行管理システム、110・・・インフラ、111・・・利用者・販売者、112・・・ドローン検知器、130・・・配送拠点・保管場所、300・・・ドローン、301・・・筐体本体、302・・・ロータ、303・・・飛行体制御装置、304・・・通信機、305・・・運搬対象、306・・・離発着ポート、307、322・・・管制システム、310・・・移動体間輸送機、320・・・鉄道車両、321・・・ターミナル、322・・・鉄道管制システム、400・・・利用者、401・・・マッチング/売買サービス、402・・・販売者、403・・・在庫/予約管理システム、404・・・注文管理システム、405・・・配送マッチングプラットフォーム、406・・・配送リクエストシステム、407・・・配送拠点、408・・・保管場所、409・・・統合運行管理システム、410・・・配送連結システム、411・・・ドローン運行管理システム、412・・・離発着ポート、413・・・風況・環境情報システム、414、421・・・プラットフォーム、415・・・決済サービス、416・・・鉄道運行管理システム(第二移動体運行管理装置)、701・・・施設使用時刻算出部、702・・・機体/ルート選択部、703・・・経路DB、704・・・機体使用計画、705・・・不確定性パラメータ算出部、706・・・飛行時間予想算出部、707・・・ポート占有確率算出部、708・・・ポート使用計画最適化部、709・・・ポート使用計画、710・・・機体・施設使用計画決定部、711・・・施設使用計画、712・・・位置姿勢センサ、713・・・機体位置管理部、714・・・到着予想時刻算出部、715・・・ポート占有確率更新部、716・・・運航設計部
Claims (15)
- 物品もしくは人である運搬対象を搭載し出発地から到着地まで移動する複数の移動体の運行を管理する移動体運行管理装置において、
前記移動体の移動時間を計算する移動時間予想算出部と、
複数の前記移動体のそれぞれの運行に影響する情報によって計算される前記移動時間の不確定性に基づいて、前記移動体が離発着する離発着ポートを、複数の前記移動体が占有する占有確率を計算する占有確率算出部と、
全ての時間に前記離発着ポートが、複数の前記移動体に占有されるように計画する使用計画最適化部と、
を備えることを特徴とする移動体運行管理装置。 - 請求項1に記載の移動体運行管理装置において、
前記使用計画最適化部は、複数の前記移動体が前記離発着ポートを占有する確率から、複数の前記移動体が重複して前記離発着ポートを使用することを許容して設定し、前記移動体の運航時に占有確率を更新することで、占有の順序を計算し、複数の前記移動体の前記離発着ポートの使用順位を決定することを特徴とする移動体運行管理装置。 - 請求項1に記載の移動体運行管理装置において、
前記移動時間の不確定性は、前記移動体の種別および運動性能への影響から移動時間の変動幅を計算して算出されることを特徴とする移動体運行管理装置。 - 請求項1に記載の移動体運行管理装置において、
前記使用計画最適化部は、前記移動体のエネルギー残量によって前記移動体が前記離発着ポートを使用する時間を制限することで、前記移動体の前記離発着ポートの占有確率を高くし、優先的に前記離発着ポートを使用させることを特徴とする移動体運行管理装置。 - 請求項1に記載の移動体運行管理装置において、
前記移動体は飛行体であり、前記使用計画最適化部は、前記飛行体の残飛行可能時間によって、前記離発着ポートの前記占有確率を変化させることを特徴とする移動体運行管理装置。 - 請求項1に記載の移動体運行管理装置において、
前記占有確率算出部は、前記離発着ポートに緊急に着陸する前記移動体が、前記離発着ポートに接近している場合には、緊急着陸する時間帯を除いた時間帯でポート占有確率を算出することを特徴とする移動体運行管理装置。 - 請求項6に記載の移動体運行管理装置において、
前記移動体は飛行体であり、前記飛行体を検知する移動体検知器が前記離発着ポートに配置され、前記占有確率算出部は、前記移動体検知器からの検知信号に基づいて、前記飛行体により前記離発着ポートが占有されている時間帯を除いて占有確率を算出することを特徴とする移動体運行管理装置。 - 請求項1に記載の移動体運行管理装置において、
前記複数の移動体は、飛行体である第一移動体および前記第一移動体が離発着する離発着ポートに移動された前記運搬対象を保管場所・到着地に移動する第二移動体を有し、
前記第二移動体の運行を管理する第二移動体運行管理装置を備える移動体運行管理システムに用いられることを特徴とする移動体運行管理装置。 - 請求項8に記載の移動体運行管理装置において、
前記移動体運行管理システムは、
前記第一移動体及び前記第二移動体の動作を統合的に管理する統合運行管理システムを有することを特徴とする移動体運行管理装置。 - 物品もしくは人である運搬対象を搭載し出発地から到着地まで指示されたルートに従い移動する複数の移動体の運行を管理する移動体運行管理装置の移動体運行管路方法において、
前記移動体の移動時間を計算し、
複数の前記移動体のそれぞれの運行に影響する情報によって計算される前記移動時間の不確定性に基づいて前記移動体が離発着する離発着ポートを、複数の前記移動体が占有する占有確率を計算し、
全ての時間に前記離発着ポートが、前記移動体に占有されるように計画する、
ことを特徴とする移動体運行管理方法。 - 請求項10に記載の移動体運行管理方法において、
前記移動体が前記離発着ポートを占有する占有確率から、複数の前記移動体が重複して前記離発着ポートを使用することを許容して設定し、前記移動体の運航時に占有確率を更新することで、占有の順序を計算し、複数の前記移動体の前記離発着ポートの使用順位を決定することを特徴とする移動体運行管理方法。 - 請求項10に記載の移動体運行管理方法において、
前記移動時間の不確定性は、前記移動体の種別および運動性能への影響から移動時間の変動幅を計算して算出することを特徴とする移動体運行管理方法。 - 請求項10に記載の移動体運行管理方法において、
前記移動体のエネルギー残量によって前記移動体が前記離発着ポートを使用する時間を制限することで、前記移動体の前記離発着ポートの占有確率を高くし、優先的に前記離発着ポートを使用させることを特徴とする移動体運行管理方法。 - 請求項10に記載の移動体運行管理方法において、
前記移動体は飛行体であり、前記飛行体の残飛行可能時間によって、前記離発着ポートの前記占有確率を変化させることを特徴とする移動体運行管理方法。 - 請求項10に記載の移動体運行管理方法において、
前記離発着ポートに緊急に着陸する前記移動体が、前記離発着ポートに接近している場合には、緊急着陸する時間帯を除いた時間帯でポート占有確率を算出することを特徴とする移動体運行管理方法。
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