기존 공역의 수용량을 측정할 때에는 특정 섹터 내에서 관제사가 control 할 수 있는 항공기의 대수로 판단한다.[1,2] Schmidt 모형은 기존 항공기의 공역에 대해 수용량을 측정하며 실제 데이터를 기반으로 모형을 구성하며 관제사의 task load를 고려한다. Task load는 handoff, point out 등 일반적인 업무와 충돌(cross conflict, overtake conflict) 방지를 위한 업무들로 나뉘며, 각각의 가중치들을 주고 모두 더하여 공역 수용량을 산정한다.[1]

  도심항공교통의 경우 수용량을 제한하는 요인이 달라질 것으로 생각된다. 먼저, 완전한 기체가 없어 실제 데이터를 기반으로 모형을 구성할 수 없다. 또한 K-UAM Conops에 따르면 2035년부터 완전한 자동화를 목표로 하기 때문에 기존 모형에서 관제사의 task load가 아닌 종합적으로 관제 및 통제를 하는 기관의 task load나 UAM 기체 간의 거리(Safety) 또는 소음의 수용성 등이 될 수 있다. 관제 및 통제 기관의 시스템이 어떻게 구성되는지, 어떤 역할을 하게 되는지 모르고, UAM 기체의 제원 및 특성이 없다. 소음에 대한 정확한 기준도 없어 1시간에 인근 주민들이 얼마만큼의 소음을 수용할 수 있는지는 정확히 알 수 없다고 생각한다. 이 경우 연구가 더 진행되면, curfew time과 같이 운용 시간에 제한을 두는 방향이 될 것으로 예상한다.

  공역만 놓고 봤을 때에는 수용량을 산정하는 방법론을 제시할 수 있어 보이며, 기체가 완성되고 시스템이 구축된다면 충분히 수용량을 산정할 수 있다. 이 페이퍼에서는 시뮬레이션을 통해 수용량을 계산하고 개선한 사례를 소개해보고자 한다.

연구내용

그림 1. UML

  들어가기 앞서 초기 단계에서는 수용량이 의미가 없고 혼잡한 상황까지 UAM 기체가 늘어나야 한다. NASA UAM coordination and Assessment Team(UCAT)는 UAM maturity level(UML) scale을 정하여 구분하였고 그림1은 UML을 나타낸 도표이다.[3]

그림 2. Simple route

그림 4. Angular intersection

그림 6. Diverging intersection

  다시 본론으로 돌아와 UAM은 회랑을 따라 비행하며 그 회랑의 유형은 Figure1~6과 같이 분류된다.[3]

그림 8. ARCSS, Airspace Routing, Conflict, and Scheduling SImulation

  논문에서는 항공기의 속도를 120kts, 수평분리를 1200ft로 설정하였고 각각의 route type에 따라 이론적 수용량을 계산하였다. 또한 같은 기준을 가지고 Figure7의 가상의 환경(MATLAB ARCSS)에서 시뮬레이션을 돌렸다. Figure7은 초록 사각형은 Vertiport, 노란 구역은 공역 제한, 하늘색 점선은 정의된 회랑, UAM 기체, 그리고 충돌알림표지로 구성되어있다.

연구결과

표 1. 이론적 수용량과 시뮬레이션 결과

  이론적 수용량과 시뮬레이션의 결과는 표 1 과 같다. Worst-case가 수용량이 될 것이다. 논문에서는 시뮬레이션 방법을 3가지로 구분하였다. Alternating은 균일한 수요, Random은 무작위 수요, Weighted는 가중치가 있는 수요이다. 회전교차로의 경우 수용량이 가장 크지만 비행 시간과 비교하여 편익이 얼마나 발생하는지 판단해야한다. 각각의 route type에 대한 수용량은 여러 형태의 route가 있는 공역의 수용량을 대변하지 못한다. 전체 수용량을 구할 경우 intersection이 있는 route의 최대 수용량이 모든 교차로 수용량의 최소값이 된다.

  UAM이 비행하는 공역은 기존 위험, 비행금지, 비행제한구역과 공항 등 제약 사항이 많을 것이다. 따라서 원하는 형태로 가용 공역을 만들 수 없다. 실제 미국의 공역을 대상으로 시뮬레이션한 연구에서는 이전의 공역 설계에 따른 노선 구조를 변경하여 더 고밀도 상황을 수용할 수 있음을 보였다.[5] 기존 공역 설계 방식대로는 UML-4를 수용할 수 없지만 시뮬레이션을 통해 개선하였다.

맺음말

  여러 교차로 형태에 따라 수용량이 다르고 교차로의 각도에 따라서도 수용량이 달라질 수 있다. 실제 환경에서는 공역의 특성에 따라 대부분의 경로 및 교차로 형태가 강제되겠지만 ARCSS를 통해 수용량을 알아보고 고밀도 상황을 대비하여 공역 설계가 준비되어야 할 것으로 보인다. 또한 완전히 자동화된 시점이라면 수용량을 통해 교통관리에 필요한 관제 인력들을 어떻게 배치할 것인가의 문제도 고려해볼 수 있을 것이다.