XK星空 是什么交通系统引发了日本的天空革命——通过改善空中交通拥堵来保护地球资源？
通过开发交通系统，努力实现空中的安全性和经济性，改变日本的天空飞机似乎在无边无际的天空中舒适地飞行，但您是否知道它们也经常遇到与地面类似的交通拥堵？目前，每架客机的航班计划一般由各航空公司自行制定，各航空公司可以有效地规划航班。可以说，情况是许多飞机聚集在一个点。在起降航班众多的拥挤机场，由于延误传播和恶劣天气等多种因素，天空中会出现交通拥堵。处理此事的人员是国土交通省内从事空中交通管制（ATC）业务的空中交通管制员。着陆，同时密切关注飞机的即时移动和天气状况。然而，这一领域的问题也越来越多，例如空中交通管制员的精神负担过大，以及因拥堵和延误而导致的经济效益下降等。 Akinori Harada 副教授评论道：“如果空域的交通需求进一步增加，现有系统将难以应对。燃料是有限的资源，我希望开发一种高效的系统，帮助这些资源尽可能长久地使用。”他正在寻找日本上空的最佳方法，以实现安全性和经济性。
“我们为什么不改变日本的天空呢？” - 与前教授一起进入空中交通的世界
随着世界进入一个人们可以乘坐一次航班前往任何地方的时代。然而，便捷出行的另一面却是交通需求增加带来的拥堵和运营效率下降的问题。近年来，日本国内外积极进行空中交通管理的研发，以实现航空运输的进一步增长和更高的效率。
副教授。 Harada教授大约10年前就遇到过这个话题。学生时期，他在九州大学主修航空航天工程，在曾担任日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）高级研究主任多年的前教授的指导下，进行了他梦想已久的航天飞机重返大气层轨迹计算的研究。然而，当他继续读研究生时，他决定将研究重点放在空中交通上，因为他即将退休的教授说：“我想知道作为一名研究员，我在大学里是否能做最后一件事。”他用“我们为什么不改变日本的天空”这句话来接受新研究的挑战。
“起初，我对导师方向的改变感到有点惊讶，但是，作为工程领域的研究人员，我们应该考虑做出贡献，而不仅仅是我们的梦想。我问自己：当今航空研究存在哪些问题？我能做什么？然后我找到了答案，”Assoc 说道。原田教授回顾那段时光。在大学期间，他很高兴能够处理高度机密的数据，例如相当于飞行数据记录器（所谓的“黑匣子”）中的飞行数据以及来自空中交通管制员雷达的飞行轨迹数据。
博士第二年，赴德国慕尼黑工业大学留学。在那里，他致力于飞行管理系统 (FMS) 中的详细轨迹计算，并对轨迹优化问题的最优性进行理论检验，以生成准确的飞机轨迹。他体验并获得了在日本无法获得的实际经验，例如在配备了与真实驾驶舱完全相同的仪器和系统的飞行模拟器中进行飞行员培训，以及掌握轨迹优化计算的新技术。他认为这些研究奠定了他作为研究人员的基础。
“我在研究中最关注的一点是针对实际事物。当然，理论作为基础很重要且不可或缺，但在工程研究中，我认为目标是对现实社会有用。”
实现安全性和经济性的关键是“飞机想要飞的轨迹”
自 1950 年左右以来，飞机自动驾驶技术持续以惊人的速度发展。目前仪表飞行大多由自动驾驶仪完成，但飞行中的飞机由于天气等因素的影响，周围环境瞬息万变，需要飞行员做出正确的判断，而起飞和降落的重要功能则由人类飞行员来完成。然而，在当今的系统中，每个空域都被分区和监控，并且ATC的指令是通过语音给出的，随着未来交通需求的增加，效率的下降将不可避免。全球范围内都需要开发能够自动执行控制指令并提高飞行效率的交通管理系统。
在美国和欧洲的机场，自动化已经在分阶段推进，包括与研究机构和制造商合作积极提高效率，但在日本，目前似乎进展甚微。 “目前主要依靠空中交通管制员的经验来确保安全的做法很难改变。由于拥堵和延误而导致的燃油问题是次要的。人们认为在日本上空实现安全和经济的兼顾是很困难的。”
为了打破目前的僵局，Assoc。原田教授正在研究最大限度地提高单架飞机性能的操作方法和运输系统。他的研究思路如下：“我的想法不是立即做出重大改变。相反，我希望以汽车导航系统的方式，通过机器的顺利协助来支持空中交通管制员。”
“飞机的性能和燃油消耗有了显着的提高，但如果系统不能充分发挥这些特性，那是没有意义的。每架飞机都有自己想要飞行的轨迹。如果我们能够确定所谓的最佳轨迹，并实现更高效的飞行，将有助于减少飞行时间和燃油消耗。”
再现飞行管理系统 (FMS) 的未公开操作并导出最佳轨迹
航空公司根据机上安装的飞行管理系统 (FMS) 自动驾驶飞机。为了提高航空运输的效率，有必要验证实际的飞行数据，但这些数据是保密的，大多数情况下不会泄露。
因此，副教授。原田教授开发了一种名为“模拟FMS”的计算工具，通过输入机身发动机、空气动力学等性能模型以及风等天气条件，可以计算出具有最大燃油效率的最佳轨迹。 “几乎整个航线都是预定的，但高度和速度可以在一定程度上自由设定。如果可以预测轨迹，提前调整经过固定点的时间，那么在飞行过程中通过控制速度就可以改善拥堵和延误。”
目前，他正在使用此工具开发一个系统，其最初目的是让飞机以最高的整体效率飞行，例如确定如何控制多架飞机聚集在一起。他试图接近空中交通管制员的“感觉”，缩小实际飞行的误差范围，同时进行彻底的计算机模拟。
“我已经达到了这样的程度：模拟 FMS 预测与实际数据之间的飞行时间差异不到一分半钟左右。但是当飞机巡航时，它的飞行速度约为每秒 250 米，因此一公里的变化有四秒的差异。我正在进行彻底的数值分析，并考虑新的方法来看看可以将差异缩短多少，以及应该采取哪些措施来最大化这就是这项研究的有趣之处。”
我们的目标是建立一个能够长期利用有限化石资源的系统
如果能够实现这种高效飞行飞机的系统，将对全球环境产生重大影响。以目前的技术水平，大型飞机必须依赖化石燃料提供动力。例如，羽田和福冈之间的单次航班大约消耗 6-10 吨燃油。
副教授。原田教授对这个问题进行了思考：“仅羽田机场每天就有大约1000架次航班起降。一个月或一年的时间里，每架飞机的飞行方式都会产生巨大的差异。我想创建一个系统，利用有限的全球资源，让它们能够持续很长时间。”他的研究离家很近，但规模宏大——通过改变日本上空来保护我们的安全以及地球资源。研究人员能做的事情是有限的，但他是有前瞻性的：“如果我能开发出一种高精度的计算工具，同时严格保证安全，那将是一个有说服力的因素。实施还有很长的路要走，但我会在与有关方面交换信息的同时推进我的研究。”
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在不久的将来，日本上空的情况可能会因 Assoc 的研究而发生重大变化。原田教授。
发布日期：2023 年 2 月/采访日期：2020 年 7 月