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※一部、英文及び仏文を自動翻訳した日本語訳を使用しています。
前書き
ワイヤレス接続の数は、世界中で指数関数的に増加しています。ワイヤレス通信は、以前はこの種の技術の使用に消極的だった分野にも拡大しています。航空学の分野では、ワイヤレス イントラ アビオニクス アプリケーションが、産業分野と学術分野の両方で最近受け入れられ始めています。このように採用が遅れた主な理由は、ワイヤレス伝送が従来、信頼性と干渉の問題に関連付けられてきたためです。航空機に搭載された航空アプリケーションは非常に重要であるため、ワイヤレス テクノロジ固有のランダム性により、特に重要な航空サブシステムのセンシング、監視、および制御に関して、多くの懐疑論が生まれました。さらに、制御されていないワイヤレス送信は、他の航空サブシステムに干渉を引き起こす可能性があり、誤動作や危険な操作につながる可能性があります。しかし、最先端のワイヤレス規格を使用した最近の干渉と信頼性の研究では、安全な動作が示唆されており、ワイヤレス アビオニクス イントラコミュニケーション (WAIC) と呼ばれる比較的新しい研究分野の実現可能性が示唆されています。ここ数年で、従来は有線インフラストラクチャのみを使用していたシステム (つまり、ケーブルの代わり) に無線技術が船上で使用されるようになりました。また、現在はワイヤレス コンポーネントのおかげでのみ可能になっているアプリケーションにも使用されています (屋内位置特定、追跡、ワイヤレス電力伝送など)ワイヤレス アビオニクス イントラ通信の潜在的なアプリケーションの例は次のとおりです。監視、自動乱気流低減またはアクティブな気流制御、EMI (電磁干渉) 監視、および柔軟な配線冗長設計。
アビオニクス業界は、今後数年間でワイヤレス革命を経験するでしょう。 「フライバイワイヤレス」の概念は、設計、構成、セキュリティ、スペクトル管理、および干渉制御においていくつかの問題を引き起こします。航空産業でワイヤレス技術を使用することには、いくつかの利点があります。それらは、航空機設計におけるケーブルの削減を可能にし、重量を削減します。軽量化は、ペイロード容量の増加、航続距離の延長、速度の向上、主に燃料消費の節約にもつながります。ケーブルの削減により、航空機設計の柔軟性も向上します (複雑なケーブル配線インフラストラクチャを設計するための人員が削減されます)さらに、ワイヤレス技術は、ケーブルでは届きにくい航空機の場所に到達できると同時に、電気ケーブルの誤動作の影響を比較的受けません。また、ワイヤレス テクノロジーは、最新の無線規格の無線機能を使用して、構成とトラブルシューティングを改善します。
このドキュメントでは、航空機の表面を横切る乱流の動的追跡と補償のためのワイヤレス センサーとアクチュエータ ネットワークのアプリケーションについて説明します。乱流の形成とそれに伴うスキン ドラッグ効果は、航空機設計の非効率性の原因となり、燃料消費の増加の主要な要因となります。アクティブな気流制御の領域は、流体力学、センサー ネットワーク、制御理論、計算流体力学、アクチュエータ設計など、いくつかの科学分野の収束を表しています。現代の民間航空機は高速であるため、乱流の形成を正確に追跡し、便利な作動ポリシーによって乱流の影響を打ち消すには、センサーとアクチュエータの高密度ネットワークが必要です。この分野でのワイヤレス技術の使用は、多数のセンサーによって生成された情報の管理を容易にし、ネットワーク内のすべてのノードまたはノードのグループ (パッチ) を相互接続するケーブルの必要性を減らすことを目的としています。さらに、無線コンポーネントを使用すると、結合伝播と乱流のモデル化に新しい問題が生じます。このドキュメントでは、ISO センサー ネットワーク リファレンス アーキテクチャ (SNRA) に準拠した高密度の無線/有線センサー ネットワークを使用した、アクティブな気流制御システムの設計原則について説明します。標準化されたインターフェースは、開発者が航空機ミッションのさまざまな瞬間のフリート管理、最適化されたルート トラフィック、および作動プロファイルの計算を改善するスマート クラウド アビオニクス アプリケーションを作成するのに役立ちます。これは、モノのインターネット、ビッグデータ、クラウド コンピューティングなどの将来の技術概念のコンテキストにも当てはまります。
INTRODUCTION
The number of wireless connections is growing exponentially around the world. Wireless communications are expanding to areas previously reluctant to use this type of technology. In the field of aeronautics, wireless intra-avionics applications are just recently gaining acceptance both in industrial and academic arenas. This late adoption is mainly because wireless transmissions have been conventionally associated with reliability and interference issues. Aeronautics applications on board aircraft are highly critical and therefore the inherent randomness of wireless technologies created lots of skepticism, particularly for sensing, monitoring and control of critical aeronautical subsystems. In addition, uncontrolled wireless transmissions can potentially create interference to other aeronautical subsystems, thus leading to malfunctions and unsafe operation. However, recent interference and reliability studies with state-of-the-art wireless standards suggest safe operation and thus the feasibility of a relatively new research area called wireless avionics intra-communications (WAICs). In the last few years, wireless technology has started to be used on board for systems that conventionally used only wire-line infrastructure (i.e., as replacement of cables). It is also being used for applications which are now only possible thanks to the wireless component (e.g., indoor localization, tracking and wireless power transfer). Examples of potential applications of wireless avionics intra-communications are the following: structure health monitoring, avionics bus communications, smoke sensors, interference monitoring, logistics, identification, replacing of cables, fuel tank sensors, automatic route control based on optimized fuel consumption and weather monitoring, automatic turbulence reduction or active air-flow control, EMI (electromagnetic interference) monitoring, and flexible wiring redundancy design.
The avionics industry will experience a wireless revolution in the years to come. The concept of “fly-by-wireless” opens several issues in design, configuration, security, spectrum management, and interference control. There are several advantages in the use of wireless technologies for the aeronautics industry. They permit reduction of cables in aircraft design, thus reducing weight. Reduction of weight also leads to increased payload capacity, longer ranges, faster speeds, and mainly savings in fuel consumption. The reduction of cables can also improve the flexibility of aircraft design (less manpower for designing complex cabling infrastructure). Additionally, wireless technologies can reach places of aircraft that are difficult to reach by cables, while being relatively immune to electrical cable malfunctions. Wireless technology also provides improved configuration and troubleshooting with over-the-air functionalities of modern radio standards.
This document presents the application of wireless sensor and actuator networks for the dynamic tracking and compensation of turbulent flows across the surface of aircraft. Turbulent flow formation and the associated skin drag effect are responsible for the inefficiency of airplane design and thus act as major factors in increased fuel consumption. The area of active air-flow control represents the convergence of several scientific fields such as: fluid mechanics, sensor networks, control theory, computational fluid dynamics, and actuator design. Due to the high speeds experienced by modern commercial aircraft, dense networks of sensors and actuators are necessary to accurately track the formation of turbulent flows and for counteracting their effects by convenient actuation policies. The use of wireless technologies in this field aims to facilitate the management of the information generated by the large number of sensors, and reduce the need for cables to interconnect all the nodes or groups of nodes (patches) in the network. Additionally, the use of the wireless components opens new issues in joint propagation and turbulence flow modelling. This document presents the design principles of active air-flow control systems using dense wireless/wired sensor networks compliant with the ISO sensor network reference architecture (SNRA). Standardized interfaces will help developers create smart cloud avionics applications that will improve fleet management, optimized route traffic, and computation of actuation profiles for different moments of an aircraft mission. This also lies within the context of future technological concepts such as Internet of things, Big Data, and cloud computing.