Figuur 1 - BOVEN Amazon (links), DHL (midden) en UPS (rechts): goederenvervoer met drones. MIDDEN Pal-V (bron www.pal-v.com) (links), Ehang 184 Drone (bron www.ehang.com) (midden) en Scorpion-3 Hooverbike (bron www.hoversurf.com). ONDER Lilium Jet (bron www.lilium.com) (links), 7-Eleven Drone (midden) en Model 11 Autoplane; door Glenn Curtiss in 1917 gepatenteerde eerste vliegende auto (rechts).
In alle gevallen – te land, ter zee, en in de lucht – zijn medeweggebruikers dynamische (bewegende) obstakels die ontweken moeten worden om botsingen te voorkomen.
Routering van luchtvaart
In de huidige luchtvaart wordt gebruik gemaakt van standaard luchtroutes (figuur 2): point-to-point verbindingen met vaste koersen tussen een relatief beperkt aantal
luchthavens. Van deze routes wordt alleen in uitzonderingsgevallen afgeweken, bijvoor- beeld in verband met weersomstandigheden. De toekomstige situatie in de lucht is complexer: • veel meer vliegende voertuigen in de lucht,
bemand en onbemand;
• iedere parkeerplaats is een potentiële luchthaven;
• geen getrainde piloten, maar passagiers die vertrouwen op auto-pilots.
Hierdoor raakt het luchtruim in de nabije toekomst overvol en wordt het vliegverkeer waarschijnlijk onbeheersbaar voor traditionele, centraal geleide air traffic control systemen. Vliegende voertuigen moeten daarom autonomer worden; zelf een routeplanner aan boord hebben en onderling kunnen communiceren met andere vliegende objecten in de buurt. Gezamenlijk voorkomen ze botsingen op basis van een standaard set luchtver- keersregels. In feite is dat op de gewone autoweg ook het geval, bijvoorbeeld: auto’s van rechts hebben voorrang, korte bocht gaat voor lange
bocht, enzovoort. Ook in de scheepvaart zijn er regels, bijvoorbeeld het bekende ‘stuurboord wijkt voor bakboord’. Dergelijke verkeersregels moeten worden vastgelegd voor het luchtruim.
3D-routeplanners
Obstakels en corridors
Voor vliegende vervoermiddelen is een 3D-rou- tenetwerk in het luchtruim nodig, dat rekening houdt met verschillende beperkingen (3D-geofen- ces). Te denken valt aan 3D-no-fly zones rondom vliegvelden en militaire terreinen, 3D-veiligheids- bufferzones rondom fysieke obstakels (gebouwen, hoogspanningsmasten) en 3D-corridors (verplicht gebruik van bepaalde 3D-routes, zie figuur 3). 3D-routeplanners moeten ook rekening gehouden met dynamische obstakels die zich op de route kunnen bevinden, met name overige luchtgebrui- kers (files), maar ook rookwolken of onweersbuien.
3D-routenetwerken
Omdat in het luchtruim weinig tot geen beperkingen zijn, kunnen er – makkelijker dan op land of zee – standaard luchtroutes worden gedefinieerd; virtuele snelwegen in de lucht op verschillende hoogtes (levels) en in verschillende richtingen.
In figuur 4a is als voorbeeld gekozen voor vier vliegniveaus voor de vier kompasrichtingen (N, O, Z, W). Op vergelijkbare wijze kunnen ook vier tussenliggende vliegniveaus worden opge- nomen (NO, ZO, ZW, NW) of zelfs nog verdere verdichting (NNO, ONO, et cetera). Als voor de minimumafstand boven en onder (de ‘safe space’) 50 meter wordt aangehouden, is een totale hoogte van 3.600 meter nodig voor alle 36 kompasrichtingen (zie figuur 4b).
In één niveau reist men in dezelfde richting. De virtuele snelwegen bestaan uit een rooster (‘grid’) van virtuele lijnen en kruispunten, die
Figuur 2 – Traditionele point-to-point vliegroutes tussen vliegvelden [4].] vens bij sociale media. / Illustratie: Deniz Kilic.
Figuur 3 - Amazon airspace sections (bron: Daily Mail).
het mogelijk maken in een bepaalde richting te reizen door naar corresponderend niveau te stijgen of te dalen via 3D-afslagen (zie figuren 5, 6 en 7). Lijnen en kruispunten vormen samen de basis van het 3D-routeringsnetwerk, dat reke-
ning houdt met de eerdergenoemde 3D-zones en obstakels. Als passagier kun je desgewenst met een Augmented Reality bril het 3D-naviga- tienetwerk en de 3D-corridors en no-fly zones in de lucht zien.
Over de hele wereld kan een internationaal standaard grid van 36 vliegrichting-niveaus worden gelegd, dat vervolgens nationaal, regi- onaal en lokaal (stad) kan worden verdicht (zie figuur 8), vergelijkbaar met een autowegennet met hoofd-, secundaire- en tertiaire wegen.
Of tóch LINEA RECTA Routes?
Theoretisch gezien kan men in het luchtruim geheel vrij bewegen. Een linea recta route ligt dan voor de hand. Technisch gezien kan iedere drone een kortste 3D-route lijn voor zichzelf berekenen. Drones moeten er dan onderling voor zorgen dat ze niet botsen door middel van onderlinge communicatie in combinatie met conflict detectie- en oplos- singsalgoritmes.
Toch lijkt dit bij grote hoeveelheden vliegbe- wegingen niet efficiënt, omdat er een soort ‘spaghetti’ ontstaat van persoonlijke optimale routes die door elkaar lopen. Het is een beetje te vergelijken met grote hoeveelheden men- sen op een station zoals Utrecht Centraal. Je komt wel van A naar B, maar je moet constant uitwijken en stoppen voor mensen die je pad kruisen, dit komt de snelheid niet ten goede en bovendien vergroot het de botsingskans.
Figuur 5 - Een 3D-afslag naar bovenliggend niveau (bron: auteur).
Figuur 7 - Dalen linksom (bron: auteur).
Stoppen in de lucht is ook alleen een optie voor drones, daarmee kan men stilhangen in de lucht. Vliegtuigen moeten echter gaan cirkelen. Regulering door middel van niveaus en vaste 3D-routeringsnetwerken lijkt in die situatie efficiënter.
3D-positioning
Een belangrijke randvoorwaarde voor 3D-routeplanning is 3D-positionering. Een 3D-object moet zijn eigen positie en de positie van de virtuele vlieglijnen weten om op het routenetwerk te kunnen blijven. Gezien
de vrije zichtslijnen op GPS, Galileo en Glonass, en Baidu positioneringsatellieten in de lucht is nauwkeurige 3D-positionering van vliegende vervoermiddelen mogelijk.
3D-verkeersregels
Net als bij zelfrijdende auto’s zijn voor de korte afstand 3D-scanners (laser of radar) nodig, die ervoor zorgen dat vliegende objecten die zich op het 3D-routenetwerk bevinden niet te dicht bij elkaar in de buurt komen. De voertui- gen communiceren hiertoe onderling (‘talking traffic’ [5] in de lucht, zie figuur 9) en besluiten samen welke ontwijkende acties uitgevoerd moeten worden, rekening houdend met de verkeersregels in de lucht.
• Opstijgen en landen
Op lagere niveaus tussen gebouwen gaan vliegen geeft vanwege fysieke obstakels (hoge gebouwen) dezelfde problemen al de huidige problemen met auto’s; filevorming door beper- king van bewegingsvrijheid. Daarom begint het basisniveau van het virtuele 3D-routeringsnet- werk bij 500 meter, waar geen fysieke obstakels meer zijn die vliegbeweging beperken.
Voor drones is opstijgen en landen eenvoudig, want deze kunnen verticaal opstijgen. Kleine vlieg- tuigen, en in mindere mate gyrocopters, hebben een korte start- en landingsbaan nodig. In figuur 10 is voor drones uitgewerkt hoe het opstijgen en landen eruit zou kunnen zien, uitgaande van parkeerplaatsen op het aardoppervlak. Het opstijgen gaat loodrecht omhoog en er wordt 3D ingevoegd in de dichtstbijzijnde route in het eerste niveau (500 meter) van het 3D-routenetwerk. Bij het landen daalt het vliegende vervoermiddel vanuit zijn route in het eerste niveau (500 meter) van het route- ringsnetwerk loodrecht naar beneden naar de parkeerplaats.
• Invoegen en uitvoegen
Bij het invoegen in een hoger niveau wordt van onderaf ingevoegd. Bij het invoegen in
een lager niveau wordt van bovenaf inge- voegd.
• Inhalen
In het 3D-netwerk vliegt iedereen binnen een bepaald richtingsniveau op gelijke hoogte. Inhalen gaat dan zoals gewoonlijk in het 2D-vlak, linksom inhalen. Niet onder- of bovenlangs, omdat die ruimte al gebruikt wordt voor in- en uitvoegen in een vliegniveau.
Conclusies
Het verkeer in grote steden wordt steeds drukker en loopt hopeloos vast. Het luchtruim is echter nog relatief leeg en kan optimaler worden benut. Diverse bedrijven ontwikkelen op dit moment vliegende vervoermiddelen om massaal luchtverkeer van personen en goederen mogelijk te maken. In de nabije toekomst zal het vliegverkeer dan ook enorm toenemen. Luchtverkeersleiding is dan waarschijnlijk
niet meer centraal te managen. Door onderling communicerende slimme vliegtuigen, die gebruik- maken van 3D-routeplanners, kan het luchtverkeer in de toekomst beheersbaar en veilig blijven.
Referenties
[1] TomTom Traffic Index www.tomtom.com/en_gb/trafficindex/ [2] INRIX Global Congestion Ranking inrix.com/scorecard/ [3] Uber flying taxis in Dubai www.wired.com/2017/04/uber-really-
seriously-promises-flying-cars-2020/
[4] Air Route Network Design Eurocontrol www.eurocontrol.int/ dossiers/flight-planning-air-route-network-and-airspace- design-europe
[5] Talking Traffic www.beterbenutten.nl/talking-traffic
Erik van der Zee is Senior Consul- tant Geo IT en GIS bij Geodan B.V. (Amsterdam).
Erik is bereikbaar via erik.van.der.zee@geodan.nl, Twitter @erikvanderzee. Figuur 9 - 3D Talking Air Traffic.