国内外のドローン関連ウェブサービスを調べる（4） 〜UTMと分離の戦略・戦術〜
こんにちは、Tomofilesです。
今月はもっぱら海外のUTMの動向調査ばかりしてますが、だいぶ海外の状況が把握できるようになってきました。
実は英語が読めないので、海外のウェブサイトをGoogle翻訳に頼り切って読んでるのですが、PDFだけが翻訳きかなくて、以前は収集できる情報に偏りがありました。
今回、本家UTMの提唱国、アメリカの最新のUTM運用コンセプトVer2のPDFを、ひたすら手で翻訳して全部読めたので、その他色々考えたことや調査したことを含めて、整理したいと思います。
FAAのUTM運用コンセプトのPDFは、以下のリンクです。
https://www.faa.gov/uas/research_development/traffic_management/media/UTM_ConOps_v2.pdf
それでは、いきましょう。
＜目次＞
分離という概念
前回の世界のUTM動向調査でも少し触れましたが、UTMという概念は、日本でも実現に向けた研究開発が進んでいます。
ただ、日本のUTMは「運航管理システム」と呼んでおり、その目的は物流等を目標とした「交通管理」の概念をベースに、構築されています。
※以下のリンクのページ中部のPDF参照
運航管理システムの全体設計に関する研究開発 | ロボット・ドローンが活躍する省エネルギー社会の実現プロジェクト | NEDO
交通管理は、有人航空管制の目的とも一致するので、そこから引き継がれたものと思われますが、「航空機の秩序ある流れを維持・促進すること」が、日本の有人航空管制の目指すところのようです。
アメリカの有人航空管制の目的はどうでしょうか？
アメリカのWikipediaを見てみると、「航空機を分離し、衝突を防ぎ、時間通りに、速く動くことを確認すること」と記載されています。
Air traffic control - Simple English Wikipedia, the free encyclopedia
「分離（separate）」という概念は、FAAのUTM運用コンセプトでも、多く登場します。
アメリカでは、有人航空管制に「交通分離のルール」というのが適用されているようで、常に各航空機の周囲に最低限のスペースを空ける必要性を重視しています。
Separation (aeronautics) - Wikipedia
これにより、各航空機が衝突するリスクはわずかである、と判断できるのです。
もし航空機の分離が失われている場合、それは「衝突している」とみなすそうです。
航空機を識別し、適切なスペースを維持し続けることで、空域の安全を守る、これがアメリカの空域管理の考え方です。
UTM運用コンセプトPDFによると、最初にUTMの必要性を説いたのはNASAだそうです。
無人航空機（ドローン）という新たな航空機の登場は、分離のルールに則った有人航空管制の安全性を脅かし、「航空機を分離できず、衝突している状態を招く」という危機だったのです。
そのため、無人航空機も有人航空管制の分離のルールに含め、改めてアメリカの空域の安全性を目指そう、というのがUTMの始まり、ということなのですね。
日本のUTMのコンセプトは分離について触れておらず、いきなり交通管理から始まるので、UTMというものの本質が見えにくくなっています。
（日本語で「航空管制 分離」でネット検索すると、日本の空域の上下分離構想の話しかヒットしません。また、「管制間隔（セパレーション）」という概念はありますが、これは航空機間の間隔のことであり、アメリカのような分離の概念は含まれないように感じます）
UTMの目的
分離という概念を念頭において、UTMの目的を改めて確認してみましょう。
UTM運用コンセプトPDFによると、UTMの目的は以下のとおりです。
- 最大の目的は、ATC分離サービスの補完
- 運用意図と空域制約の、オペレーター間の共有
- UTM参加者間の、状況認識の共有を促進
よくわからない単語がいくつか含まれていますね。
一つずつ見ていきましょう。
まず、ATC分離サービスです。
これは、前述のとおり、有人航空管制の目的は分離を維持することであり、航空管制業務（ATC）を行う管制官の職務でもあります。
ATCの分離サービスを確実なものにするには、現在不確実になりつつある低高度空域を飛び回るドローンの分離が必要で、UTMがそれを担います。
UTMを、ATCを行うNAS（米国空域システム、有人航空管制システムですね）に連携することで、すべての空域の分離が達成できるということです。
続いて、運用意図です。
英語では、Operation (Flight) Intentと表現してますが、ドローンにおける飛行計画（フライトプラン）のことを、運用意図と呼びます。
（飛行計画は厳密には有人航空管制における呼称のようで、ドローン運用の計画はATCの補完なので、別の名称がつけられてるのかもしれません）
運用意図をUSSネットワークという専用のネットワークで各ドローン運航者間で共有することで、ドローンの航空機としての分離を果たします。
そして、状況に応じてATCに連携することで、ドローンと有人航空機との分離も果たすことができ、衝突を回避できます。
また、空域制約は国（FAAのような行政機関）が管理する空域の制約で、静的なものから、動的に変化するものまで、さまざまなものがあり、ドローン間の分離に加えて、この空域制約との分離も行うことで、低高度空域の「危機」の分離を果たします。
空域制約もUSSネットワークで共有されます。
そして、状況認識の共有の促進ですが、UTMには上記の分離サービスに加えて、気象との分離、障害物との分離なども担い、ドローン運航者の状況認識を補助する機能を提供することも、UTMのコンセプトに含まれます。
可能な限り、ドローン運用上の危機をUTMを介して分離し、ATCに連携することで、ドローン運航者も、有人航空管制も、安全な空域管理ができるようになる、というのが、UTMの目的になります。
空域の安全を維持するために
ではいったい、UTMは分離をどのような方法で果たそうとしているのでしょうか？
UTM運用コンセプトPDFによると、アメリカでは「UTM運用フレームワーク」という概念を設けて、危機からの分離を果たそうとしています。
UTM運用フレームワークは、以下で構成されています。
- パフォーマンス認証
- 空域認証
- 運用意図の共有
- 制約とアドバイスの共有
パフォーマンス認証
アメリカのドローン運用における「パフォーマンス」とは、日本で言うところの航空法の飛行ルールにあたるものと考えて問題ありません。
目視外飛行、夜間飛行、頭上飛行、そして、移動体からの飛行なんてのも、アメリカで禁止された飛行方法として定義されています。
運航者とFAAは直接やり取りを行い、これら規制されたルールを免除してもらうことで、禁止された飛行方法を行うことができます。
前回のUTMの記事の最後にちょっとだけお話ししましたが、ドローン規制免除の仕組みのことで、日本における期間包括申請のようなものです。
このパフォーマンスの概念をUTMに取り込み、許可されたパフォーマンスが、許可されたエリア内で行われているか、UTM参加オペレーターに共有することで、信頼性の確保と説明責任を提供するのが、パフォーマンス認証です。
パフォーマンスの内容（申請時に提出された業務の複雑さ）を考慮して、FAAから「承認された運用領域（AAO）」という空域を、ドローン運航者は割り当てられた上で許可が下ります。
運航者は、このAAOの中でのみ、免除された飛行方法でドローンを飛行させることができるのです。
パフォーマンス認証は、現状まだ実現してはいないようですが、この仕組みが実現すれば、規制当局と運航者との間のコンプライアンス的な、自らの能力の範囲での運用を遵守していることを、UTM経由で証明することができ、危険な飛行を空域内から分離することができるのだと思われます。
空域認証
空域認証は、アメリカにおける空港周辺等の管制空域内で飛行する際の、飛行許可を取得するものです。
空域認証は、パフォーマンス認証とは異なります。
パフォーマンス認証は、定められた運用領域内で飛行パフォーマンスを満たすオペレーターの能力を証明するものですが、空域認証は、オペレーターに一定期間の管制空域にアクセスすることを許可するものです。
これは、前回のUTMの記事で紹介した、LAANCによる空域認証で、すでに実現していることです。
LAANCはUTMの一部を実現しているものと推測していましたが、当たっていたようです。
この空域認証により、ATCに連携する必要のあるドローン運用を特定します。
運用意図の共有
運用意図は前述のとおり、ドローン運用における飛行計画にあたるものです。
運用意図は、実際のドローンのフライトに先立って、状況認識のためにオペレーター間で共有されるもので、フライトが発生すると予想される空域の4次元ボリューム（空間と時間）や、フライトに関連する詳細な情報などから、構成されます。
4次元ボリュームは、前回のリモート識別の記事における、識別サービスエリアのような、緯度経度などの地理座標で表現されるエリアと、その高度、および、有効な時間から構成される、空域情報です。
運航者は、希望する運用意図を、すでに存在する他の運用意図や、空域制約、地形・障害物、気象などの情報と評価し、適宜修正を加えた上で、USSネットワークに公開します。
この運用意図は、運用上の危機から「戦略的に」分離することを促進します。
戦略的な運用上の危機の分離を徹底することは、言い換えると、ドローンの運用開始（フライト）までの間に、コンフリクト（他の運航者との運用意図や、空域制約との重複・干渉）が起きない状態が維持されるということで、UTMがそれをサポートしてくれます。
制約とアドバイスの共有
運航者は、ドローン運用に影響する可能性のある、予期しない危険を特定する責任があります。
ここまでの運用意図と空域制約による戦略的な分離に加えて、気象、地形・障害物などの補足的な情報も収集・評価し、適切に危機から分離することが必要であり、UTMにはこれら補足情報を提供するサービスプロバイダーも、アーキテクチャに含まれています。
これら補足情報との分離とは別に、より高度な危機の分離サポートとして、以下の2つの仕組みが検討されています。
- 無人航空機レポート（UREP）
- UASボリューム予約（UVR）
無人航空機レポート（UREP）
有人航空管制には、パイロットレポート（PIREP）という仕組みがあり、飛行中に観測した特殊な気象現象を報告するというものです。
有人航空管制のATC分離サービスにおける気象の分離をサポートするもので、現場のより生の情報を共有することで、サービスの質を向上するものです。
このPIREPにならい、UREPという無人航空機の運用にかかるオペレータの報告（運用上に観測した気象現象など）を、影響を受ける可能性のあるオペレータ間に共有する仕組みも、UTMがサポートします。
UASボリューム予約（UVR）
警察や救急など、緊急的な活動が求められる場合、空域を優先的に使用することも、ケースとして想定できます。
そのような優先的な活動は、UASボリューム予約（UVR）という特別な空域としてUTMに作成されます。UVRが発生したエリアに運用意図が存在する場合、関係するオペレーターにUVRが発生したことを警告します。
オペレーターは、UVR発生によるドローン運用に対する潜在的な影響を評価し、運用意図を修正する必要があるか判断します。
ドローン運用開始後（飛行中）にフライトに影響のあるUVRが発生した場合、UVRを退避、または着陸するなど、ドローン側がアクションを取る必要があります。
ただし、自動回避機能等がドローンに搭載されている場合、オペレーターがアクションを取る必要はありません。（ドローン側が避けることには変わりないですが）
分離を果たす戦略と戦術
先程から「戦略」という言葉が登場しますが、戦略の対となる「戦術」も含めて、重要な考え方なので触れておきます。
UTM運用コンセプトPDFでは、戦略的なアプローチと、戦術的なアプローチという２つの軸で、コンセプトが語られています。
戦略と戦術とは
何か目的を持ったコンセプトを表現するとき、戦略（strategy）と戦術（tactic）という2つの軸で表現することがあります。
戦略と戦術は以下のサイトの説明が、詳しく書かれていておすすめです。
「戦術 tactic」と「戦略 strategy」の違いは英語だとよくわかる（英語うんちく No.020） - 志塾あるま・まーた
簡単に説明すると、
- 戦略：不確実な状況下で、ある目標を達成するための計画
- 戦術：実戦において、任務達成のために具体的に起こす行動
となります。
細かいニュアンスはリンク先の解説に委ねますが、目的達成に向かうには、2つの視線が必要ということですね。
以前、ソフトウェア設計手法の一つである、ドメイン駆動設計（通称DDD）を学習した際にも登場した概念で、興味深く読んだ覚えがあります。
DDDの最大のコンセプトは、「ソフトウェアの複雑さに立ち向かう」ということです。
ドメイン駆動設計は何を解決しようとしているのか[DDD] - Qiita
ソースコードやプログラム構成、モジュール化などは「戦術」にあたり、機能的な実現性に対するアプローチとしては有効ですが、DDDが実現したいことの半分程度しか達成できません。
DDDがもっとも重要視しているのは、「戦略」にあたる、ドメインモデルの構築、設計と実装の一致、モジュール間の契約関係の把握などを通して、関係者全員の共通認識の促進、イテレーティブな開発、スケーラブルなアーキテクチャの徹底といった、ソフトウェアが稼働しながら進化をし続け、価値を生み出し続けるように取り組むことです。
つまり重要なのは、ただソフトウェアを作るということだけでなく、長期的な成功を収めるための活動が重要ということですね。
日本語では、戦略と戦術の違いがわかりづらいので、あまり意識して使い分けることが少ないですが、英語圏のほうが単語としての違いが明確だからか、UTMもそうですがDDDなどのスマートなコンセプトが登場するので面白いですね。
分離の戦術
前節で紹介した「UTM運用フレームワーク」の説明は、あえて戦略的な分離の面のみをフォーカスしました。
おさらいすると、戦略的な分離とは、運用意図、状況認識の共有や、空域制約、優先空域とのコンフリクト回避を通して、ドローン運用におけるあらゆる衝突を長期的視野で防ぐ取り組みです。
さて、UTM運用フレームワークには、分離に対する戦術的なアプローチもあります。
戦術的な分離とは、以下のようなトピックから構成され、高密度（人口密集地など）・異種トラフィック（有人航空機など）のあるような、より高リスクなエリアでの飛行における、戦略的な分離を補填するものです。
- 飛行中のドローンの追跡
- パフォーマンス認証の遵守を監視
- 制約やアドバイスの活用
- 検出と回避（DAA）
戦術的な分離は、リアルタイムで飛行するドローンに対する分離を維持するものであり、テクノロジーとしても難易度の高いものとなります。
最低限必要な「飛行中のドローンの追跡」は、各運航者からテレメトリーを提供してもらえば実現できますが、それだけでは不十分で、高リスクなエリアの分離において最も重要なのは「検出と回避（DAA）」です。
つまり、収集した飛行中のドローンの位置情報と、他のドローンの位置情報や、空域制約、気象・地形・障害物、有人航空機の位置情報、および、UVRなどの緊急空域などとのコンフリクトを、リアルタイムで検出し、自動または遠隔操縦で回避することが必要となるのです。
DAAは、UTMを構成するUSSやFIMSのような各種コンポーネント間のネットワークで行われるものの他に、飛行中のドローン間が直接付近のドローンと通信して、検出と回避を行う仕組みも検討されています。
前回のリモート識別の記事でも少し紹介しましたが、ドローンが自身の情報をローカルエリアにブロードキャストする仕組みが検討されており、ローカルエリアでドローン同士が通信を行って検出と回避を行うことで、ネットワーク上で行うよりも、速度的に、および、データ通信量的に、効率が上がることが期待されています。
DAAに求められるレベル（検出のみなのか、回避操作も含むのか、完全自動回避まで求められるのか、など）は、運航者が実施しようとしているビジネス（パフォーマンス）により違うと想定されており、DAA要件は運航者ごとに調整されることとなるようです。（おそらくパフォーマンス認証に含まれるのではないでしょうか？）
まとめ
今回紹介したトピックは、UTM運用コンセプトにおけるほんの一部でしかありません。
他にも、以下のようなトピックが記載されており、今回紹介したトピックをさらに深堀りして、UTMの意義を説いています。
- 概念アーキテクチャ（FIMSとUSSの概念図）
- UTMとリモート識別の関係
- 空域管理のコンセプト（安全性とセキュリティ）
- UTMの想定シナリオ
今回は、UTMが実現しようとしているコンセプトと、その思想となる「航空管制の分離ルール」と「戦略と戦術の考え方」について紹介したかったので、かなり抽象的というか概念的な話ばかりになってしまいました。
ドローンが都市部で目視外で物流や警備のために飛行する時代（日本の指標ではレベル4）を実現するには、この空域の安全管理の仕組みは絶対に必要であり、そのためのサポートを行うUTMは絶対に必要となります。
NEDOによる日本のUTMの研究開発は、2019年を目処に終了する予定のようです。（NEDO DRESSの公式サイトのスケジュールより）
NEDO:一般のドローン事業者も参画したドローン運航管理システムの相互接続試験に成功
アメリカでは、NASAが主導して研究開発したあとに、段階的にFAAに移管していき、UTM運用コンセプトを充実させてきたことを鑑みれば、日本もそろそろ日本版UTM運用コンセプトが当局から発表になるのかもしれません。
本日付け（3/30）で、政府がドローンの遠隔操縦の免許制度について、新しい動きがありました。
こういうものも、日本版UTMを見据えた法整備であると期待しています。いまはあまりちゃんとした繋がりは見えませんが。
それでは今回はこの辺で。
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