1.1 UAM 공항 및 버티포트
도심 항공 모빌리티(UAM)은 소규모 공항인 ‘버티포트(vertiport)를 기점으로 운행한다. 버티포트는 기존의 공항이 제공할 수 없는 도심 접근성과, 타 교통수단 간의 빠른 연결성을 제공하는 데에 있는 유리하다. 또한 버티포트는 기존 헬리콥터의 기점인 헬리포트와 유사하나 항공기의 전기충전과 높은 회전률을 위한 설계가 추가된다는 차이점이 있다.
1.1.1. 버티포트 수용력과 운영
버티포트의 수용량(capacity)는 시간 당 처리하는 항공편 수로 정의된다. 이밖에도 수용량에 영향을 주는 요소로는 항공기의 흐름, 승객 흐름, 에너지 충전 시간 등이 수용량을 결정하는 핵심요소이다. 따라서 버티포트의 수용량을 정확하게 측정하기 위해서는 위 3가지 요소들을 정량적으로 측정할 수 있어야 한다.
3가지 핵심요소를 정량으로 측정하기 위한 모델로는 정수계획법, 시뮬레이션을 기반으로 한 대기이론 등의 결정론적 접근 방법과 통계학적인 분석을 통한 확률론적 방법도 존재한다. 보다 정밀한 수용량 측정을 위해서는 이 방법과 더불어 지상 주차 공간 등의 제약을 고려한 모델이 필요하다.
1.1.2. 버티포트 터미널 공역 관리
도심 내의 복잡한 공역을 효율적으로 다루기 위해서 현재는 마르코프 결정 과정(MDP)를 기반으로 한 ‘링 형태’의 공역 구조를 가정하고 충돌을 방지하고 있다. 또한, 다수의 버티포트가 운행되는 상황을 고려하여 적응형 제어 및 스케줄링 모델이 개발되었으나, 현재의 모델은 대기 시간 감소와 처리량 극대화와 같은 단일 목표에만 집중되어 있다.
따라서 충전 시간 지연, 주차 공간 병목, 다양한 기체 간의 성능 차이와 같은 연쇄적인 문제를 야기할 수 있는 상황을 고려한 모델이 개발되어야 한다.
1.2. UAM 네트워크 설계
UAM의 네트워크는 비행의 수요, 도심의 구조(도시 계획), 지상 교통의 연결성을 고려해야 하기 때문에 단일 UAM 교통을 다룰 때에 비해 복잡하다. 최근의 연구에서는 버터포트 위치를 도출하기 위해 k-클러스터링과 같은 방식을 사용하는데, 이때 k-클러스터링이란, 도시 내 수요 중심지들을 k개로 묶고, 그 k 구역의 중심이 되는 곳에 node(여기서는 vertiport)를 설치하는 방식이다. 이 과정으로 도심 내의 vertiport의 위치를 가정하고, hub-spoke 네트워크 또는 완전 연결 네트워크를 구성하려는 시도가 이어지고 있다.
일부 연구에서는 모든 vertiport를 연결한 완전 연결 네트워크 그래프나, 지역별로 연결이 제한되는 구조를 고려한 계층적 네트워크에 대한 연구가 진행되었으나, 아직까지는 도심의 혼잡 유발 지점, 도심에서의 vertiport의 접근성, 지상교통수단과 같은 다중 교통 수단과의 연계에 대한 부분이 부족한 것으로 나타났다. 향후 연구에서는 위의 요인들을 고려한 통합 네트워크 최적화가 필요하다.
1.3. 도심 항공 모빌리티 기체 규모 산정(UAM fleet sizing)
UAM의 기체 크기에 대한 문제는 UAM 설계 시 자본 지출양, 승객 대기 시간 등이 직접적인 영향을 미치기 때문에 중요하다. UAM의 Fleet size는 차량 경로 문제(VRP)와 유사하게 다뤄지며, 최소 한의 항공기 수로 최대의 수요를 충족시키는 것을 목표로 하고 있다.
이 목표에는 크게 두가지 관문이 있다. 첫번째는 시간과 공간에 따라 비균등하게 분포하는 수요의 평균을 잡기 어렵다는 점이다. 두번째는 수요를 예측하는 과정 자체가 불확실성이 높은 과정이기 때문에 수요 측정의 오차를 고려한 유연한 재배치 전략이 필요하다는 것이다. 따라서 버티포트를 설계, 충전 인프라 운영, 운영 스케줄 등 다양한 요소들을 종합적으로 고려한 통합 최적화 프레임워크가 필요하다.
- 도심 항공 모빌리티의 항공교통관리 및 자율성
현재 미국 국가공역 시스템(NAS)의 항공교통관리 시스템(ATM)은 boing에서 Airbus의 A380 기체까지 다양한 항공기를 관리하고 있다. 다양한 항공기는 각 항공기의 종류에 따라 순항 고도, 접근 및 이륙 각도, 활주로 길이 요구사항, 시계비행 절차, 계기비행 절차 등이 상이하다. 향후 등장할 UAM 또한, 이와 같은 요구사항과 더불어 수직이착륙(VTOL)과 단거리이착륙(STOL) 능력을 갖출 것이며, 이를 위한 항공교통 관리 시스템이 필요하다.
2.1. 분리 기준 및 운용 안정성
FAA와 유럽의 U-space에서는 초기의 저강도 운행에서는 기존의 항공교통서비스 규칙 및 절차와 항공교통관제에서 지정한 경로를 활용하여 항공기를 분리할 것을 제시하였다. 그러나 이러한 기존의 제시가 UAM 항공기 간 또는 UAM와 기존 항공기 간의 안전한 상호작용에서도 유효할까?
NASA는 달라스에서 포트워스 지역의 공역을 위한 UAM의 경로를 개발하고 UAM과 기존 항공기를 분리하였다. 하지만, 분리 과정에서 필수적인 항공기의 로터 와류(rotor wash)는 아직 정확하게 규명되지 않았으며, 블로운리프트(blown-lift) 비행을 사용하는 항공기의 특성과 그로 인한 ATC 분리 및 경로 설계에 미치는 영향에 대한 연구 또한 미흡하다.
2.2. 도심 항공교통관리의 확장성 과제
2.에서 언급한 바와 같이 도심에서 UAM의 운행을 위해서는 항공교통 서비스의 지원이 필수적이다. 하지만 도심의 이동성은 전통적인 항공운송에 비해 규모가 크며, UAM이 성숙기에 도달하면 현재의 ATC 업무량이 현재의 약 2배 이상이 될 것으로 예상된다. 이에 따라 만약 도심에서 5,000ft 이하로 VFR 기반의 운항만 허용하게 된다면, VFR 장비만 탑재한 UAM 항공기는 도시 공역의 약 50% 이상의 지역에서 접근하지 못하게 되며, UAM 산업은 심각한 제약을 받을 수 있다.
이에 따른 첫번째 해결책은 성능 기반으로 분리된 UAM 회랑(corridor)을 설정하는 것이다. FAA에서는 운항자가 표준화된 협조 운항 절차를 따르고, ATC는 필요 시 전술적 통제와 접근 관리의 역할을 수행하는 체계를 제안했다. 해당 제안이 포함되어 있는 문서(UAM 개념운영문서)에서는 버트포트와 공항 간의 최적 연결이 이루어지는 UAM 회랑의 점진적인 복잡도 상승을 설명하였으며, UAM 운항자, 조종사 등잉 자동화 시스템에 의해 수행될 수 있다고 명시하였다.
향후에는 고도를 구분한 공중 통로, 공중 고속도로, 기존 항공로에 정해진 출입 루트를 부여하는 도시 공역 전면 재설계 등이 제안될 것으로 예측된다. 하지만 이는 미래적인 접근이며, 현재는 이를 가능하게 할 기술적 경로는 확립되지 않았다.
두번째 해결방법은 항공교통 서비스를 분산화하는 것이다. 현재는 서비스 중심의 연합형(federated) 구조가 제안되었으며, 이는 항공관제 업무를 분산시켜 부담을 경감시키려는 목적이다.
2.3. 통신 및 데이터 인프라 과제
UAM이 초기단계를 지나 중간 단계 및 완전 성숙 단계에 들어서면, 간접 조종 체계로 전환되어야 한다. 업계에서는 이를 m:N이라 부르는데, 이는 한명의 조종사가 다수의 항공기를 동시에 운용하는 상태를 뜻한다. m:N에서 우려되는 문제는 ATC에서 발생한다.
현재 관제는 관제사가 마이크 버튼을 눌러서 정보를 전달하고 조종사는 이를 즉시 인지하는 방식으로 진행되고 있으나, m:N의 자율 항공기가 등장하게 되면, 관제사의 명령은 항공기에서 RPIC(원격 책임 조종사)에서 다시 관제사로 총 2단계를 거쳐 전달되게 된다. 이 과정은 통신의 지연을 유발하게 되고, 특히 비상상황과 같은 긴급 상황에서는 중간 단계의 응답 지연이 치명적인 사고를 초래할 수 있다.
최근 연구에서는 RPIC가 단일 항공기를 원격으로 조종하는 상황에서 통신 지연과 신호 손실이 발생한다는 가정하에, 안전적인 운행을 위한 정량적 수치 기준을 파악하였다. 연구의 결과 30초 이하의 응답 지연과 신호 손실의 확률이 0.2 미만인 경우 안전성에 가장 적은 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이처럼, 향후 UAM의 자율 항공기가 운행하였을 때 충족하여야 하는 안전한 통신 지연 범위에 대한 정의가 더 필요한 상황이다.
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