도심 항공 모빌리티(Urban Air Mobility, UAM)는 친환경, 저소음의 소형항공기와 버티포트를 활용하여 도심에서 승객과 화물을 수송하는 혁신적인 항공 교통 체계이다. UAM은 주로 도시와 교외 지역을 연결하는 새로운 형태의 항공 교통 시스템으로, 밀집된 도시 공간에서 기존 도로 기반 교통의 한계를 극복하고 도시와 주변 지역의 연결성을 강화하여 교통 혼잡 저감에 기여할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 또한, 여객이동 뿐만 아니라 화물 운송에서도 새로운 대안으로 부상하고 있으며 지역 간의 시간 적 거리를 크게 단축시킴으로써 물류 시스템에 큰 영향을 미칠 것으로 사료된다.

  이러한 기대효과를 최적으로 활용하기 위해서는 버티포트의 효율적인 설계와 위치 선정이 중요한데, 이를 통해 경제적이고 효과적인 UAM 서비스 네트워크를 구축하여 여객 및 물류 산업 발전에 기여 가능할 것이다.

그림 1. Point to Point and Hub and Spoke Networks

  기존 연구들은 주로 point-to-point 시스템을 적용하여 두 지점 간의 직접적인 연결을 통해 물류 이동 거리를 최소화하는 방식을 고려한다. 이 시스템은 직관적이고 간단하다는 장점이 있지만 UAM의 이동 거리 제약, 규제, 네트워크 구축 비용 및 확장성을 고려하기 힘든 한계점을 지닌다. 반면, hub-and-spoke 시스템은 중앙 허브와 다수의 스포크 지점들이 연결되는 구조로, 허브는 물류 운영의 중심 역할을 하며 스포크는 상권과 허브 간의 연결점으로서 운영의 효율 성과 확장성을 제공한다. 이 구조는 UAM vertiport 네트워크 설계에 있어 자원 관리의 효율성과 넓은 서비스 범위를 가능하게 하며 복잡한 도시 환경에서 UAM 운영에 적합한 해결책으로 기대된다. 이러한 접근을 바탕으로 hub-and-spoke 시스템 기반의 UAM 물류 네트워크 청사진을 그려보고, UAM 시스템의 vertiport 위치 선정 문제를 수리적으로 정의하며, 이에 대한 최적화 모델을 알아보자.

2.1. 수리 모델 제시

그림 2. 수리 모델 변수 정의

1. (식 1)과 (식 2)는 개발된 수리 최적화 모델의 목적함수들을 나타낸다.

      1-1. (식 1)은 스포크와 허브를 포함한 모 든 vertiport들의 총 설립 비용

      1-2. (식 2)는 상업 지역과 vertiport 간의 총 접근성 비용

2. (식 3)-(식 9)는 허브와 스포크 간의 연결에 관한 제약사항 및 조건을 나타낸다.
3. 제약조건 (식 10)-(식 13)은 UAM의 비행 거리 제한 항공법 등의 제약 사항들을 나타낸다.

2.2. 결과값 제시

표 1. 파레토 경계의 목적함수 값 및 세부 결과값

  두 목적함수, 즉, 스포크들과 허브들의 총 설립 비용을 나타내는 F1과 총 물류 접근성 비용을 나타내는 F2, 모두 값이 작아질수록 우월 전략으로 평가할 수 있다. 먼저, 분석한 두 주요 목적함수, 즉, vertiport의 총 설립 비용(F1)과 총 물류 접근성 비용(F2) 간에는 명확한 상호 교환 관계가 존재함을 확인할 수 있다. 이 관계는 높은 설립 비용 (F1)을 투자할 경우, 즉, 더 많은 vertiport를 설립할 경우 물류 접근성이 향상되어 물류 비용(F2)이 감소하는 경향을 나 타낸다. 반대로, 설립 비용을 절감하는 경우 vertiport 수가 감소하여 물류 접근성이 저하되고, 이는 물류 비용의 상승으로 이어진다.

  예시) 파레토 경계 11번 사례에서는 스포크 없이 허브만을 설립한 경우이다. 이 경우 vertiport 설립 비용이 상대적으로 낮지만, 이로 인해 물류 접근성이 떨어지고 결과적으로 물류 비용이 매우 높게 나타나는 특성을 보인다.

그림 4. 파레토 경계에서의 스포크와 허브 설립 개수

  <그림 4>는 파레토 경계에서의 스포크와 허브 설립 개수의 관계를 보여준다. 이 그래프에서 주목할 사항은 높은 접근성을 목표로 하는 파레토 솔루션에서는 두 vertiport의 숫자가 상호 비례적으로 증가한다는 것이다. 이는 더 많은 vertiport의 설립이 물류 네트워크의 전반적인 효율성과 접근성을 향상시키는 주요 요인임을 시사한다.

  <그림 5>는 총설립 비용(F1)에 따른 허브-스포크 간 전체 연결성과 상권-vertiport 간 거리 총합을 보여주고 있다. 이 그래프를 통해 높은 설립 비용을 투자할수록 상권과 vertiport 간 거리 총합이 현저히 줄어드는 것을 관측할 수 있고, 이는 물류 네트워크에서의 상권 접근성을 크게 향상시키는 것으로 생각할 수 있다. 반면, 허브-스포크 간 거리 총합은 비례하여 증가하는데 이는 네트워크의 확장성과 직결되며, 따라서 본 그래프는 네트워크에의 설립 투자 총비용과 상권 접근성 간의 관계를 보여주는 중요한 결과이다.

맺음말

  본 연구의 주된 발견은 vertiport 설립 비용과 물류 접근성 간의 상호작용에 대한 명확한 이해를 제공한다는 점이다. 높은 초기 투자는 더 많은 허브 혹은 스포크 설립을 가능하게 하며, 이는 상 권들의 물류 접근성 향상을 이끌어낸다. 도출된 파레토 최적 솔루션은 vertiport 설립 비용과 물류 접근성 사이의 균형을 효과적으로 보여준다. 또한, 본 연구는 UAM 네트워크 구축에서의 전략적 의사 결정에 중요 한 통찰을 제공할 수 있다. 결론적으로, 도시 환경 내 UAM 기술과 인프라의 통합 방안에 대한 이해를 높이고, 이를 통해 도시 교통 체계의 혁신 및 미래 도시 모빌리티 패러다임을 정립하는데 기여할 것으로 보인다.