TRAFIKLEDNING, TJÄNSTER, REGLERING VISUALISERING AV OBEMANNAT FLYG UPP TILL 50 METER Termer Luftfartyg (Aircraft) : Anordning som kan erhålla bärkraft i atmosfären genom luftens reaktioner med undantag av dess reaktioner mot jordytan. (LFS 2002:156) Not: I denna ansökning använder vi termerna farkost eller flygplan som synonym till luftfartyg. Kontrollerat luftrum (Controlled airspace) : Ett avgränsat luftrum där flygkontrolltjänst utövas för IFR-flygningar och för VFR-flygningar i enlighet med de regler som följer av hur ATS-luftrummet är klassificerat. (LFS 2002:156) Drönare : Ett obemannat luftfartyg kan flyga av sig själv eller fjärrstyras av en förare på annan plats. Den vanligaste benämningen på obemannade luftfartyg idag är drönare. Andra benämningar för obemannade luftfartyg är t.ex. modellflyg, UAV, UAS och RPAS. http://www.transportstyrelsen.se/dronare Not: I denna ansökning använder vi termerna obemannad farkost eller obemannat flygplan som synonym till drönare. UTM Unmanned Aerial System Traffic Management (Ref NASA) ATM - Air Traffic Management PROJEKTBESKRIVNING Inom projektet bedrivs forskning, som tar ett första steg mot trafikledning och reglering av obemannat flyg (Unmanned Aerial System Traffic Management, UTM) för framtida tjänster som nyttjar obemannat flyg i städer med omgivande landsbygd. Obemannat flyg är redan idag en verklighet i svenskt luftrum (även över städer) för t.ex. flygfotografering. Det är ett snabbt växande område, med starka kommersiella intressen. Obemannat flyg ses internationellt som en sk. disruptiv teknologi det vill säga med potential att markant ändra förutsättningarna för verksamheter i samhället, vilket därmed kan medföra både risker och möjligheter. Det medför att vi behöver utforska tre aspekter av framtiden: 1) Vi behöver utforska vilka tjänster som kan tänkas nyttja obemannat flyg. Det ger i tur en uppfattning om framtida trafik, angående startpunkter, slutpunkter, hur länge trafiken är i luften, omfattning av trafik. 2) Dessa tjänstemöjligheter måste ställas mot aktuell och framtida reglering för att hantera risker/negativa effekter av obemannat flyg. 3) Sammantaget ger det en bild av den trafik som behöver övervakas och ledas, en bakgrund för att ta fram trafikledningskoncept. Koncepten får i sin tur återverkningar på möjligheten att bedriva tjänster i linje med gällande reglering. Dessa tre teman knyts samman i projektet genom en interaktiv visualisering av flygtrafik och trafikledningskoncept. Problembeskrivning Ett problem, som t.ex. visar sig i redan idag i närheten av flygplatser, är att obemannat flyg inte övervakas systematiskt i okontrollerat luftrum, vilket därmed medför nya risker. Hur systemen för flygtrafikledning/övervakning (UTM) ska utformas om trafiken ökar ytterligare är en stor utmaning för forskning och utveckling, samhällsplanering och reglering. 1(8)
Utmaningarna för UTM ställs på sin spets i städer med omgivande landsbygd, då det kopplar ihop den första utvecklingsnivån (obefolkat område) som NASA beskriver (se övrigt ) med den sista (tättbefolkat område). Det medför att studier av stad med omgivande landsbygd, är av stort generellt värde med avseende på trafikledning av obemannat flyg (UTM) reglering av obemannat flyg möjliga framtida tjänster som kan nyttja obemannat flyg En avgörande skillnad mellan UTM och dagens flygtrafikledning (Air Traffic Management, ATM) är att flygtrafikledning av obemannade farkoster redan initialt kommer att kräva en hög nivå av automation. Dagens ATM har en förhållandevis låg automationsnivå, med manuell övervakning av enskilda flygplan, hantering av enskilda konflikter, klareringar till flygplan angående ändringar av t.ex. flygnivå. På grund av att UTM förväntas ha en avsevärt större trafikvolym än ATM behöver koncept för högre automationsgrad av övervakning och styrning av okontrollerat luftrum utforskas. (En flygledare kan i regel hantera cirka 10-15 flygplan samtidigt i en sektor, för UTM skulle en motsvarande begränsning medföra höga kostnader.) Systemet (människa och automation tillsammans) måste kunna övervaka trafiken och justera planerade rutter baserade på preliminära färdplaner. Det måste kunna justera flygrutter med realtidsanpassning till ändrade prioriteringar i planeringen (t.ex. buller vs kortast sträcka), och till ändrade omständigheter, exempelvis: trängsel, vind (trafiken kan behöva justeras genom ökade avstånd mellan farkoster, andra rutter kan vara önskvärda), flygvägar som öppnar/stänger (dynamiska no-go-zones ), övervaka risknivåer i systemet (t.ex. om trafikvolymen börjar närma sig uppsatta gränser för säker trafik kan önskade/pågående trafik justeras). Obemannade farkoster medför å ena sidan minskad risk för personskador när varken pilot eller passagerare transporteras, men å andra sidan även nya risker samt integritetsaspekter i de fall då de flyger över bebodda områden. Det medför att koncept för flygtrafik måste utforskas parallellt med sammankopplade frågor om tjänster och reglering, samt frågor om flygfarkosternas teknologi. Risker för kollisioner eller separationsunderskridanden förväntas exempelvis kunna hanteras ombord av (mer avancerade) inblandade farkoster (relaterad forskning pågår inom t.ex. SWEDEMO). Detta innebär att existerande operativa koncept och tekniska systemstöd från ATM inte är direkt återanvändbara för UTM. Det innebär också att trafikledningskonceptet för UTM behöver tre delar: Gränssnitt mot trafikledare (interaktiv visualisering) Automation (optimering), automatisk justering av rutter baserat på realtidsdata. Operativt koncept baserat på reglering av trafiken Syfte Syftet med projektet är tillämpad forskning genom att skapa en bild (demonstrator) av framtida obemannad flygtrafik under 50 meter och förutsättningar för ett säkert luftrum för att bedriva studier av flygtrafikledning, reglering, och tjänster. Mål Målet med projektet är att ge en bred genomlysning av området snarare än att gå på djupet i någon enskild punkt. Vi kommer att: - Visualisera framtida flygtrafik, förutsättningar för att kontrollera framtida trafik (demonstrator). 2(8)
- Ta fram ny kunskap om framtida flygtrafik: 1. Gränssnitt människa-maskin: mot automation/algoritmer, samt procedurer för övervakning och trafikledning av obemannat flyg inom ramarna för reglering, samt ett konkret exempel. 2. Identifiera möjliga tjänster/användningsområden av obemannat flyg 3. Optimeringsalgoritmer för justering av flygtrafik i realtid, samt ett konkret exempel. 4. Värdera hur den plan för obemannat flyg (i fyra steg) som NASA baserar sitt arbete på skulle vara användbar i Sverige. 5. Identifiera behov av justering av nuvarande reglering (exempelvis angående trafik nära flygplatser, över bebodda områden). 6. Identifiera centrala utmaningar för fortsatt forskning och utveckling. Förväntad nytta Forskningen inom UTM kompletterar andra pågående initiativ (Se rubriken Övrigt nedan) om obemannade farkoster i Sverige. - Konkretiseringen av hur trafiken och förutsättningar för en säker trafik kan tänkas se ut, genom en interaktiv visualisering, ger en grund för att kunna studera och visualisera framtida trafikledningskoncept, tjänster, och optimering. - Nyttan för LFV är att initiala konkreta koncept för UTM ger en grund för att kunna nyttja den potential för planering och trafikledningstjänster det nya området medför. Koncept för UTM kan också ha relevans för ATM, i utvecklingen mot större inslag av automation inom ATM. - Nyttan för Transportstyrelsen är att få en genomlysning av behov av reglering i en framtida situation där obemannat flyg är en utbredd företeelse, och därmed kunna agera proaktivt. - Nyttan för användare är att få inblick i förutsättningar för tjänster som nyttjar obemannat flyg - Nyttan för samhällsplanerare och regionala aktörer är att få inblick i hur obemannat flyg kan påverka och påverkas av samhället, vilket är användbart både i planering av nya stadsdelar och i utveckling av existerande stadsdelar, samt utveckling av landsbygd. - Nyttan för forskarsamhället är den nya kunskap om obemannat flyg som projektet medför. - En nytta för intressenter av UTM generellt i Sverige är att få en bild av hur den plan för obemannat flyg som NASA baserar sitt arbete på skulle vara användbar i Sverige. - Nyttan med en bred genomlysning av obemannat flyg, från flera olika perspektiv (tjänster, trafikledning & övervakning, optimering, reglering) är att belysa hur de påverkar varandra, samt att skapa en gemensam bas för diskussion om obemannat flyg för olika intressenter. Relaterade projekt SYNERGIEFFEKTER MELLAN UTM50 OCH UTM-OK Inom området finns en relaterad ansökan från LFV och LiU: UTM-OK. Det projektet fokuserar på grundläggande ruttplanering, givet två olika nivåer av teknik ombord på farkosterna och infrastruktur kring farkosterna. Justering av rutter baserat på realtidsdata/trafikövervakning ingår inte i UTM-OK, men det ingår i UTM-50. Om UTM-OK finansieras kommer vi att nyttja ruttplaneringsansatser från det projektet, annars kommer vi att utgå från direkta rutter (förenkling). Trafikscenarier från UTM50 planeras att användas i UTM-OK. Projekten ger därmed synergieffekter. RELATERADE PROJEKT INTERNATIONELLT/NATIONELLT Inom området pågår relaterad verksamhet, där LFV deltar aktivt i de två första: - SWEDEMO fokuserar på integrering av fjärrstyrda farkoster i reglerat luftrum. 3(8)
- Inom SESAR studeras hur fjärrstyrda farkoster ska kunna hantera konflikter autonomt, för att undvika kollisioner i luften. - Inom SESAR studeras även hur fjärrstyrda farkoster ska kunna integreras inom flygplatser. - NASA genomför omfattande forskning och utveckling inom UTM samt obemannat flyg. NASA fokuserar på fyra nivåer, som är grupperade i följande nyckelegenskaper. o Ökad risknivå: från (nivå 1) obefolkat område där man ser farkosterna, till (nivå 2) område med ett fåtal människor, till (nivå 3) områden med lite mer folk, till (nivå 4) tätbefolkat. o Störningar, från nivå 2) hantering av störningar (överhuvudtaget) till nivå 4) stora störningar. o Hantering av flyg, från nivå 1) virtuella stängsel, geografisk avgränsning av tillåtna områden, regler avseende trafik på olika flyghöjd, planering av flygvägar. nivå 2) dynamisk justering (av något) vs tillgängligt luftrum. nivå 3) separation mellan flyg, fokus på styrbara och icke-styrbara flyg. o Specifika aktiviteter: nivå 1) jordbruk, skogsbrandsbekämpning, övervakning av infrastruktur. nivå 4) paketleveranser, nyhetsbevakning Projektet fokuserar på nivå fyra då det är mest intressant med avseende på UTM (visar störst utmaningar). NASAS fyra nivåer (nyckelegenskaperna) kommer att jämföras med svenska förhållanden, och en anpassad modell för Sverige kommer att presenteras. I projektet kommer vi även att utgå från den vision för UTM som främst NASA har presenterat publikt (se utm.arc.nasa.gov, men se även [2]), att ge stöd för funktioner så som a) virtuella barriärer ( geo fencing ), b) väder och vind, c) hantering av trängsel, d) kartläggning/kartor över terräng/objekt, e) hantering av separation, och d) övervakning av flygtillstånd. NASA konstaterar att den funktionaliteten i dagsläget saknas. En mängd specifika grundbehov för UTM pekas också ut, så som behov att kunna kommunicera med operatören av drönare, både för att planera och för att justera tillåten färdväg. NASA pekar även på behov av att både kunna integrera UTM-tjänster för flottor och för enskilda flyg, behov ses av både fasta UTM-installationer för områden med hög/regelbunden trafik och mobila installationer/mobil infrastruktur för tillfälliga operationer. Att UTM i nuläget är outvecklat återspeglas i spekulationer om grundläggande operativa koncept i publika dokument från NASA, t.ex. att använda koncept för marktrafik (trafikljus, etc) i UTM. NASA pekar på behovet av att samtidigt utveckla reglering/certifiering och UTM-koncept. NASA pekar även på att UTM bör utformas med hög autmationsnivå, där trafikledare tar strategiska beslut och övervakar luftrummet i mer abstrakta termer (t.ex. risknivåer), och där UTM bidrar med övergripande trafikplanering och hantering av avvikelser/risker, snarare än att operatören övervakar varje enskild drönare. Koncept för UTM måste (precis som i ATM) vara startk kopplade till luftfarkosternas teknik. Exempelvis kan drönare (och infrastruktur kring drönare) ha olika avancerad teknik för att detektera konflikter (se t.ex. [3]), ge stöd för att undvika konflikter (se t.ex. [1]), alternativt ett stöd för automatiskt undvikande baserat på realtidsdata och/eller planerad rutt (se t.ex. [4]). Tekniknivån hos drönare och blandningen av trafik med olika tekniknivåer påverkar hur tät trafik som är möjlig med bibehållan säkeret den aktuella teniknivån hos drönare i luftrummet är ett exempel på en aspekt som kan behöva övervakas och visualiseras för trafikledare. 1. Consiglio, M., Mu, C., x00f, oz, Hagen, G., Narkawicz, A., Upchurch, J., Comstock, J., Ghatas, R., Vincent, M. and Chamberlain, J., Human-in-the-loop experimental research for detect and avoid. in 2015 IEEE/AIAA 34th Digital Avionics Systems Conference (DASC), (2015), 5A3-1- 5A3-11. 2. Kim, Y., Jo, J. and Shaw, M., A lightweight communication architecture for small UAS Traffic Management (SUTM). in 2015 Integrated Communication, Navigation and Surveillance Conference (ICNS), (2015), T4-1-T4-9. 4(8)
3. Suarez, B. and Theunissen, E., Systematic specification of conflict geometries for comparison and evaluation of human-in-the-loop Traffic Avoidance functions. in 2015 IEEE/AIAA 34th Digital Avionics Systems Conference (DASC), (2015), 5A2-1-5A2-13. 4. Thomas, E. and Bleeker, O., Options for insertion of RPAS into the Air Traffic System. in 2015 IEEE/AIAA 34th Digital Avionics Systems Conference (DASC), (2015), 5B4-1-5B4-14. Aktivitetsplan TIDPLAN Beräknad start 2016-09-01 Beräknat slut 2018-09-01 Projektets huvudleverabel är den interaktiva visualiseringen av flygtrafik. Den fyller två funktioner i projektet. Dels används den i konceptet för flygtrafikledning av obemannat flyg. Dels används den i workshops med intressenter, som stöd för diskussioner av tjänster och reglering. Den grundläggande visualisering som ingår i projektet kommer att visa flygtrafik över en stad med omgivande landsbygd. Vår utgångspunkt är att interaktivt, dvs med möjlighet att justera och inspektera, visa: a) flygrutter (i form av tuber eller linjer som visar luftrum som berörs av flygningen), b) geometriska former som visar ett osäkerhetsområde kring farkosterna, dvs ett område med förhöjd risk för att farkosterna faktiskt kommer i konflikt med andra farkoster. Osäkerhetszoner baseras initialt på tidigare forskning, som modellerar avvikelser från planerad färdväg. En grundläggande visualisering av förflyttningar av flyg(deras osäkerhetsområden) genom sina rutter kommer också att ingå. Under projektets gång kommer detta utgångskoncept att revideras vid behov, baserat på de workshops som planerats. År 1 (visualiseringsarbete och workshops utförs parallellt under vissa perioder) Månad 1-6 1. Inledande utformning av algoritmer och koncept (gränssnitt människa-maskin: mot automation/algoritmer, samt procedurer) för övervakning och trafikledning av obemannat flyg. 2. Ta fram tjänstekoncept (som ligger till grund för varianter av simulering/visualisering, och som grund för workshops) 3. Utformning av inledande grundläggande simulering (trafikgenerator, förflyttning av flyg) och visualisering av simulerat obemannat flyg över en stad med omgivande landsbygd. Initialt planerar vi att använda ruttplaneringsansats från UTM-OK (se övrigt för koppling mellan UTM50 och UTM-OK). En grundläggande simulering kan sedan skapas genom trafik längs rutterna med slumpmässiga variationer (t.ex. fördröjningar). 4. Inledande demonstratorkoncept (visualisering) skisseras, och arbetsfördelning angående demonstrator planeras baserat på skissen. I det inledande skissarbetet används Norrköping med omgivande landsbygd som fall. Månad 6-8 5. Inledande workshops med intressenter a. Trafikledning av obemannat flyg: Tentativa koncept/skisser. Syftet är att identifiera koncept för trafikledning med högst potential, samt att justera koncepten baserat på erfarenheter från aktörer inom ATM och obemannat flyg. Särskild vikt läggs vid koncept för hantering av avvikelser (t.ex. trafik i zoner där trafik inte är tillåten, väder som avviker från prognos). 5(8)
b. Tjänster: Identifiera möjliga tjänster/användningsområden i städer, för obemannat flyg. Det ger en uppfattning vilka destinationer och startplatser som kan vara önskvärda. Det ger en bild av vilka områden obemannat flyg kan behöva röra sig i (över stad och landsbygd). c. Identifiera behov av justering av reglering, ny reglering År 2 (visualiseringsarbete och workshops utförs parallellt under vissa perioder) Månad 6-16 6. Utformning av förbättrade optimeringsalgoritmer och koncept för övervakning och trafikledning av obemannat flyg. Första version av visualiseringen färdigställs, månad 12, inför avslutande workshops. Månad 16-18 7. Avslutande workshops med intressenter, med följande syften. a. Trafikledning av obemannat flyg: Värdering av koncept med aktörer inom ATM och obemannat flyg. Särskild vikt läggs vid att värdera koncept och identifiera nya utmaningar för hantering av avvikelser från det förväntade/planerade. b. Tjänster: Omvärdering av tjänster som nyttjar obemannat flyg. Värdering av hur prediktioner av obemannat flyg kan användas i samhällsplanering, i relation till utveckling av existerande och nya stadsdelar. Diskussion om generaliserbarhet till andra städer i Sverige. c. Omvärdering av reglering baserat på den framväxande bilden av hur obemannat flyg skulle kunna nyttjas i en stad och dess närområden. d. Värdering av hur den plan för obemannat flyg (i fyra steg) som NASA baserar sitt arbete på skulle vara användbar i Sverige. e. Identifiering av centrala utmaningar för fortsatt forskning och utveckling, med intressenter i området. Månad 16-23 8. Avslutande justering av koncept och visualisering Månad 24 9. Slutrapportering och öppen presentation av koncept och visualisering. LEVERANSER Demonstration: En grundläggande interaktiv visualisering av obemannad flygtrafik under 50 meter och förutsättningar för ett säkert luftrum. Demonstration: Grundläggande visualisering av UTM och optimering av flygrutter i simulerad flygtrafik inom okontrollerat luftrum över stad med omgivande landsbygd. Grundläggande koncept för människa-maskin-gränssnitt för UTM i form av dokument. Grundläggande koncept för optimering, med fokus på realtidsjustering av planerad trafik i form av dokument. Tjänstekoncept med ett mindre antal tillhörande exempel. Workshops med intressenter (se aktivitetsplan) Sammanfattande slutrapport och öppen presentation. Underlag för presentationer på ATM/UTM konferenser (samt tillhörande artiklar/posters) kommer också att förberedas. 6(8)
ORGANISATION ANSVARIG LFV: Billy Josefsson Linköpings Universitet: Jonas Lundberg Billy Josefsson (LFV) ansvarar för projektets praktiska tillämpade relevans. Docent Jonas Lundberg (Linköpings Universitet) ansvarar för projektets vetenskapliga kvalitet. UTFÖRARE Linköpings Universitet: Jonas Lundberg Spotscale: Ludvig Emgård LFV: Billy Josefsson Inom Linköpings universitet planeras arbetet att ledas av Docent Jonas Lundberg samt en projektgrupp av seniora forskare Dr. Valentin Polishchuk (logistik/optimering), Prof. Stefan Holmlid (tjänstedesign), Dr. Karljohan Lundin (interaktiv visualisering och interaktionsdesign). Projektet finansierar tid för totalt en forskningsingenjör på heltid, en junior forskare på halvtid, under två år. Initial referensgrupp Norrköpings flygplats (genom flygplatschef Marie Torstensson) Transportstyrelsen (genom Magnus Molitor). SAAB Linköping (genom Jens Alfredsson) Interactive Institute (genom Arianit Kurti) FOI Linköping (genom Jimmy Berggren) Aerospace Cluster Sweden, (representerar tillverkare av drönare, genom Anna Rehncrona, verksamhetsansvarig) Vi har även internationella intressenter USA: Dr Ruth Stilwell, Executive Director: Aerospace Policy Solutions Eurocontrol: Dr. Eric Hoffman Nyckelpersoner från LiU Docent Dr. Jonas Lundberg är universitetslektor Informationsdesign vid Linköpings universitet. Han är en av de ledande forskarna inom området kognitiva system i Sverige, angående interaktiv visualisering för samarbete människa-automation, samt analysramverk för arbete i högkonsekvensdomäner. Han har varit projektledare/forskare i projekt i olika domäner, exempelvis flyg, krisledning, räddningstjänst, och bedriver för närvarande omfattande forskning inom flygledning. Han har också finansiering från vetenskapsrådet för grundforskningsprojektet Visualisering av komplexa situationer för att stärka samarbete människa-automation i realtidssystem. Dr. Valentin Polishchuk har bedrivit forskning inom ATM i mer än 10 år. Han har bidragit till utvecklingen av teoretiska resultat och det praktiska genomförandet av algoritmlösningar för ATM, inklusive uppgiftssamordning för UAV. Dr. Polishchuk huvudsakliga verksamhet har varit undersökning av kapacitet för ATM luftrum, i synnerhet med avseende på olika ruttplaneringsmetoder för ATM. Polishchuk undervisar för närvarande i flera flygrelaterade kurser vid LiU, både på campus Norrköping vid Linköpings universitet och vid LFVs anläggningar i Sturup. Han leder för närvarande projektet ODESTA (Optimal Design of Terminal Airspace) (support: VINNOVA and LFV) som fokuserar på optimering av flygtrafikledning nära flygplatser. 7(8)
Dr. Karljohan Lundin Palmerius är universitetslektor i immersiv visualisering med forskning inom avancerade gränssnitt mot framför allt visualisering. Hans forskning inkluderar interaktiv visualisering med haptiska gränssnitt (kraftåterkoppling), Virtual/Augmented Reality och i webbaserade lösningar. Han undervisar i flera kurser inom Virtual Reality samt en kurs i systemutveckling. Professor Stefan Holmlid leder en designforskargrupp vid Linköping Universitet som arbetar med Interaktions- och Tjänstedesign. Han är internationellt ledande inom forskningsområdet design för tjänster, med särskilt fokus på hur utformning av och lärande från prototyper av tjänster kan göras på policy såväl som operativ nivå. Han leder och deltar i ett flertal Europeiska och nationella projekt, inom offentliga, industriella, privata och idéburna tjänster. Nyckelpersoner från Spotscale Ludvig Emgård är internationellt erkänd expert inom virtuella miljöer så som stadsmodeller och byggnadsmodeller. Sedan 2003 har Ludvig bidragit till spjutspetsutveckling inom insamling, processning och visualisering av bebyggda miljöer inom kommunal verksamhet, i det geospatiala forskningsområdet samt inom teknikstartups. Ludvig har varit gästforskare vid TU Delft och produktchef för C3 Technologies och driver idag Spotscale som återskapar virtuella bebyggda miljöer från drönare. Andreas Ekstrand är erfaren teknikexpert inom modellering, visualisering och simulering. Ekstrand har spenderat 12 år i SAAB-koncernen med utveckling av miljöer till simulatorsystem för JAS Gripen. Han är upphovsrättshavare till programvara för modellering och simulering (Remograph) och är idag teknisk projektledare på Spotscale. Ekstrand tillför teknisk kompetens kring simuleringsmiljöer och implementation av funktionalitet för den planerade demonstratorn i projektet. 8(8)