令和6年度 秋期 エンベデッドシステムスペシャリスト試験 午後Ⅰ 問1 空飛ぶクルマの運航管理と安全設計

空飛ぶクルマの旅客輸送システムに関する次の記述を読んで，設問に答えよ。

A社は，都市部での移動を目的とした空飛ぶクルマの旅客輸送システム（以下，SKシステムという）を開発している。空飛ぶクルマには，ドローンの技術を応用した電動垂直離着陸機（Electric Vertical Take-Off and Landing aircraft 以下，eVTOLという）を採用している。SKシステムは，複数台のeVTOLを用いて，空港とイベント会場にある複数の離着陸場の間で，自動操縦による旅客の空輸サービスを提供する。自動車での移動に比べて道路交通渋滞の影響を受けずに効率的に旅客を輸送できることが特徴である。
SKシステムに関連するシステム構成を図1に，SKシステムに関連する主な構成要素を表1に示す。

〔SKシステムの利用手順〕

SKシステムの利用手順の一例を次に示す。

1. 旅客は，スマートフォンの専用アプリケーションプログラム（以下，専用アプリという）を用いて，出発予定時刻，出発予定地，到着予定地，搭乗予定人数などの情報（以下，予約情報という）を入力して，運航管理システムにeVTOLの搭乗予約を行う。
2. 運航管理システムは，予約情報，気象情報，aを基に，eVTOLの飛行ルート，飛行速度，飛行高度，到着予定時刻などの情報（以下，飛行計画という）を立案し，飛行計画を自動管制システムに申請する。自動管制システムは，eVTOLとヘリコプターの飛行計画を管理し，申請された飛行計画に対する承認可否を決定する。
3. 運航管理システムは飛行計画が承認されると，予約した旅客の専用アプリに搭乗予約の完了と，飛行計画として算出された到着予定時刻を通知する。
4. 旅客は，搭乗予約の完了後，出発予定地の離着陸場に行き，eVTOLに搭乗する。搭乗時には，搭乗口に設置されている2次元バーコードリーダーに，専用アプリに表示した2次元バーコードを読み込ませて搭乗手続きを実施する。
5. eVTOLは，旅客の搭乗が完了すると，旅客の搭乗手続きの情報を運航管理システムに送信する。運航管理システムは，全ての旅客の搭乗が完了したと判断するとeVTOLに飛行計画を送信する。
6. eVTOLは，出発予定時刻になると，自動管制システムに離陸許可を申請する。離陸許可が承認された場合は，運航管理システムに離陸開始を通知して，飛行計画に沿って自動操縦で離陸を開始する。承認されなかった場合は待機し，承認されるまで繰返し申請を行う。
7. eVTOLは離陸後，飛行計画に基づき自動操縦で飛行計画と実際のズレを調整しながら到着予定地まで飛行する。飛行中は，運航管理システム及び自動管制システムに次の情報を1秒ごとに送信する。
   • 運航管理システムに送信する情報
     • 現在位置，速度などの飛行に関する情報（以下，飛行情報という）
     • バッテリー残量，後述する表2中に示す構成要素の診断結果などの情報（以下，機体情報という）
     • 障害物などのeVTOL周辺の環境に関する情報（以下，周辺環境情報という）
   • 自動管制システムに送信する情報
     • 飛行情報
8. eVTOLは着陸に際し，自動管制システムに着陸許可を申請して，承認された場合は，離着陸場に着陸する。承認されなかった場合は，ホバリング状態で待機し，承認されるまで繰返し申請を行う。
9. 運航管理システムは，必要に応じてeVTOLが着陸した後にバッテリーの交換を行うように，離着陸場の運航補助員に通知する。

〔運航管理システムの飛行計画の更新〕

SKシステムは，シミュレーション技術を活用している。運航管理システムは，飛行情報，b，周辺環境情報，離着陸場情報及び気象情報を分析して，シミュレーションを実施し，その結果を用いて飛行計画を再評価する。再評価した結果，飛行計画を更新する必要があると判断される場合には，自動管制システムに更新された飛行計画を申請し，承認されると当該eVTOLに送信する。

eVTOLは運航管理システムから新しい飛行計画を受信すると，直ちに受信した飛行計画に切り替えて，自動操縦で飛行を継続する。

〔eVTOLの概要〕

eVTOLの外観を図2に，eVTOLの主なシステム構成を図3に，eVTOLの主な構成要素を表2に示す。

〔機体とローターユニットの配置〕

eVTOLには，機体の周囲に8個のローターユニット（#1〜#8）が搭載されている。
ローターユニット内のモーターを制御して，ローターを回転させることによって揚力を得る。機体とローターユニットの配置を図4に示す。

eVTOLの飛行とバッテリー消費のシミュレーションを行った。

eVTOLが，出発地点から飛行を開始した。出発から6分で 15 km先のα地点を通過し，α地点通過後6分後にα地点から 10 km先にある離着陸場へ飛行することをシミュレーションした。出発地点からα地点までは，風速は 10 m／秒の追い風とした。α地点から離着陸場までは，風速は 10 m／秒の向かい風とした。eVTOLは，出発地点からα地点までは，無風時に c km／時の速度が得られる出力で飛行し，α地点から離着陸場までは，無風時に d km／時の速度が得られる出力で飛行する。なお，追い風の場合，eVTOLの速度は（無風時の速度＋風速）となり，向かい風の場合，eVTOLの速度は（無風時の速度－風速）となるものとする。

また，図5に示す無風時におけるeVTOLの燃費と飛行速度の関係を用いて，バッテリー消費についてシミュレーションを行った。出発地点からα地点までの間，eVTOLはバッテリー容量の e ％を消費し，α地点から離着陸場までの間，バッテリー容量の f ％を消費すると試算された。

緊急度の高いeVTOL（以下，緊急eVTOLという）が飛行する場合の対応について検討し，自動管制システムに，次の1〜3のような指示をさせる仕様変更を行った。

1. 自動管制システムは，緊急eVTOLの飛行ルート上を通過する予定のほかのeVTOLに対して待機指示を適宜送信する。待機指示を受信したeVTOLは運航管理システムに待機指示受領を送信し，自動管制システムが指示した位置でホバリング状態で待機して緊急eVTOLを通過させる。運航管理システムは，待機指示受領を受信すると待機指示を受信したeVTOLの飛行計画の更新は行わない。
2. 自動管制システムは，緊急eVTOLが通過し，航行が可能になったeVTOLに対して待機解除指示を送信する。待機解除指示を受信したeVTOLは運航管理システムに待機解除指示受領を送信する。待機解除指示受領を受信した運航管理システムは飛行計画を更新して，自動管制システムの承認を受け，当該eVTOLに送信する。
3. 待機中のeVTOLがバッテリー残量不足となった場合，緊急eVTOLとなり，緊急離着陸場に着陸する。緊急eVTOLからバッテリー残量不足であることの通知を受けた運航管理システムは，gを作成し，バッテリー残量不足の情報とともに自動管制システムに申請する。このとき，hを極力避けるために，運航管理システムは，複数の飛行計画を申請する。自動管制システムは待機するeVTOLの台数と待機時間を考慮して，できる限り有効な飛行計画を選んで承認する。