Een nieuwe verkeerspuzzel: zelfsturende drones in het luchtruim

Razendsnel een pakketje bezorgen aan huis, medische noodhulp brengen naar moeilijk bereikbare plekken, een grote mensenmassa monitoren vanuit de lucht. Allemaal toepassingen voor zelfsturende drones. Maar kan dit veilig? Joost Ellerbroek, Associate Professor Air Traffic Management bij de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek, houdt zich bezig met de inrichting van Unmanned Traffic Management (UTM). Hij werkt aan de ontwikkeling van slimme algoritmes die ervoor moeten zorgen dat autonome drones de optimale route vliegen, zonder te botsen.

Zelfsturende vliegende voertuigen mogen in Nederland nog niet het luchtruim in. Toch onderzoekt Joost Ellerbroek hoe autonoom luchtvervoer veilig en efficiënt kan vliegen. “Stel dat we dit gaan toestaan, dan willen we ongelukken voorkomen. Het huidige Air Traffic Management (ATM), dat ervoor zorgt dat vliegtuigen veilig van A naar B vliegen, is hiervoor niet geschikt. Drones hebben immers geen piloot waar de luchtverkeersleiding mee kan communiceren. We moeten dus op zoek naar een nieuw systeem. Als onderzoeker kijk ik hoe we Unmanned Traffic Management het beste kunnen inrichten.”

Eerst de verkeersregels bepalen

Binnen UTM houdt Ellerbroek zich vooral bezig met separatie: hoe zorgen we ervoor dat voertuigen op een veilige afstand van elkaar blijven vliegen? De eerste stap hierbij is het opstellen van luchtverkeersregels. Ellerbroek: “Net zoals we regels hebben voor het verkeer op de weg. We zouden bijvoorbeeld afspraken kunnen maken over vliegsnelheden of minimale afstanden tussen voertuigen.”

Maar je kunt ook denken aan het verdelen van het luchtruim in verticale lagen waarin drones in dezelfde richting vliegen, vervolgt hij. “Als toestellen op een bepaalde hoogte allemaal dezelfde kant op vliegen, beperk je de kans dat er onveilige situaties ontstaan. Zeker als je een vaste vliegsnelheid oplegt. En met de juiste voorrangsregels kunnen voertuigen stijgen of dalen naar andere lagen, om zo van en naar een bestemming op de grond te komen, en van richting te kunnen veranderen. In simulaties hebben we gekeken naar voorrangsregels tussen stijgend/dalend en horizontaal vliegend verkeer. Hieruit bleek dat de verkeerssituatie het veiligst is als stijgend/dalend verkeer voorrang krijgt.”

In de ideale wereld zou zo’n centrale aansturing volgens Ellerbroek de beste oplossing zijn. “Met de perfecte voorkennis en volledige controle over alle vluchten tezamen kom je tot optimale uitkomsten. Alleen is de praktijk niet perfect. Zaken als onvoorspelbaar weer, onzekerheden over de uitvoering van een vlucht, en gebrek aan tijdige voorkennis kunnen ervoor zorgen dat een centraal aangestuurd planningssysteem al gauw haar waarde verliest.”

Iedere drone maakt eigen beslissing

Vanwege deze kwetsbaarheid van het systeem is Ellerbroek zelf geen groot voorstander van een uitsluitend centrale UTM. Meer heil ziet hij in decentrale oplossingen, waarbij de planning en alle andere beslissingen in grotere mate zullen worden overgelaten aan de individuele voertuigen. Op dit vlak ligt dan ook zijn expertise.

Ellerbroek: “In mijn onderzoek werk ik aan algoritmes die ervoor zorgen dat voertuigen op een veilige afstand blijven van andere voertuigen. In zo’n separatie-algoritme stop je dan regels voor de omgang bij een naderende interactie, bijvoorbeeld dat drones op een bepaalde afstand allebei uitwijken op een coöperatieve manier. Met simulaties kijk ik vervolgens of die algoritmes werken als je niet twee, maar wel duizenden drones tegelijk laat vliegen en welke eventuele nieuwe uitdagingen hierbij kunnen ontstaan.”

Onvoorspelbare nieuwe situaties

Een zo’n uitdaging is volgens Ellerbroek de omgang met emergentie. “Emergentie is een onvoorspelbare en onverwachte toestand op het niveau van een heel systeem van voertuigen, als gevolg van individuele interacties. Wanneer twee voertuigen bijvoorbeeld een conflictsituatie oplossen door uit te wijken, kunnen beide voertuigen opnieuw in conflict raken met een ander voertuig. Hiervoor moeten ze weer een nieuwe oplossing vinden. In het ergste geval zou zo het aantal conflicten exponentieel kunnen groeien. Dit destabiliserende effect is de meest negatieve uiting van emergent gedrag.”

Maar emergentie hoeft niet per se een negatieve uitkomst te hebben, benadrukt Ellerbroek. “Het kan zelfs zorgen voor betere uitlijning van de verkeersstroom. Vergelijk het met een rotonde op een drukke weg. Hierin dwingen we verkeer in een patroon van een rondje waar iedereen dezelfde kant oprijdt. Deze uitlijning van verkeer verkleint de kans op botsingen. Zoiets zou je ook kunnen ontwerpen voor het luchtruim.”

Heel lastig te vangen in wiskunde

De kunst is om verkeersregels, luchtruimstructuur en separatie-algoritmes zo te ontwikkelen dat het resultaat van een opgelost conflict stabiliserend werkt, zegt Ellerbroek. “Het lastige van emergent gedrag is dat het zich op macroniveau niet laat vangen in wiskunde. Hierdoor is het heel moeilijk een goed algoritme te maken voor decentrale autonome aansturing. Maar die complexiteit maakt het voor mij als onderzoeker vooral juist heel leuk en fascinerend.”

Wat willen we als maatschappij?

Hoewel Ellerbroek verwacht dat autonoom luchtvervoer op een veilige manier moet kunnen, is het volgens hem vooral de vraag wat we hiermee willen. “Als je het hebt over medische toepassingen zeg ik meteen: dat moeten we doen. Medisch transport per drone kan door haar snelheid en flexibele inzetbaarheid extra mensenlevens redden. En de momenteel opkomende grotere elektrische luchtvoertuigen kunnen in veel gevallen een goedkoper, veiliger en milieuvriendelijker alternatief zijn voor bijvoorbeeld een traumahelikopter.”

Voor toepassingen aan de andere kant van het spectrum, zoals commerciële bezorgservices, is Ellerbroek sceptischer. “De kans is namelijk groot dat we hiermee consumentisme nog verder aanwakkeren. Daar wringt het voor mij. Maar tussen medische noodzaak en snel een pakketje in huis zit nog een enorm groot gebied. De komende jaren zullen we echt samen, als maatschappij, moeten beslissen voor welke doeleinden we drones willen gebruiken in ons luchtruim.”

Bron: TU Delft