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문제 정의
- 본 연구에서는 EUROCONTROL의 BADA 자료와 실제 항적 자료를 결합하여 개별 항공기의 비행 중 연료 소모량을 추정하고, 항공사의 실제 연료 소모량 자료와 비교하여 추정값의 정확성을 분석하였다. 분석결과, 실제 유상하중을 적용할 경우 3~11%의 오차 범위, 최대 유상하중의 80%를 적용할 경우 5~11%의 오차범위 내에서 비행 중 연료소모량 추정이 가능한 것으로 나타났다.
- 본 연구에서는 항적 자료와 EUROCONTROL의 BADA자료를 이용하여 연료 소모량을 추정하고, 항공사의 실제 연료 소모량과 비교하여 추정 결과의 정확도를 살펴보았다. 그러나 자료 수집의 한계로 인해 국제선 항공기에 대해서는 연료 소모량 추정이 이루어지지 못했으며, 국내선 항공기 분석에 사용된 항공기 기종 역시 일부 제한적이었다.
- 이러한 현실적 배경에서 출발한 본 연구의 주요 목적은 1)항적 자료 기반의 개별 항공기 연료 소모량 추정과, 2)추정 연료 소모량과 실제 연료 소모량 자료의 비교를 통한 추정치의 정확성 분석, 두 가지로 요약된다.
제안 방법
- 본 연구에서는 수집, 정리된 항적 자료를 토대로 BADA의 Total-Energy 모델과 TSFC 모델2)을 이용하여 항공기 연료 소모량을 추정하는 두 번째 방법을 시도했으며, 이 과정에서 BADA가 제공하는 항공기 성능 및 추력과 관련된 별도의 세부식과 이에 따른 계수 값을 적용하였다.
- 수집, 정리된 항적자료의 각 항공기별 비행 경로와 각 항적자료 데이터 포인트에서의 속도, 상승 및 하강률, 연료 소모량 등에 대한 상세분석을 수행하였다.
- 연료 소모량 추정방법의 신뢰성 검토를 위해 항적자료의 각 데이터 포인트에서 비행 고도 및 비행 속도의 변화가 단위 시간당 연료 소모량에 미치는 영향을 세부적으로 분석하였다. Fig.
- 항공기 자중에 관한 값은 BADA에 기종 별로 기재하고 있으나, 유상하중(Pay Load) 및 연료의 무게는 항적 자료에는 나타나지 않는 항공기 운항 당시의 날씨, 탑승 승객 상황, 항공기 기종 등에 영향을 받게 된다. 유상하중의 경우, 본 연구에서는 기종 별 최대 유상하중의 80%값을 사용한 경우와 항공사로부터 제공 받은 실제 유상하중을 적용한 경우로 나누어 분석을 수행하였다. 연료의 경우 유상하중을 기준으로 BADA의 PTF을 이용해 최적 비행을 가정한 경우에 소모되는 연료량을 구하고 실제 비행 상황과의 차이 및 예비연료를 감안하여 PTF를 이용해 구한 연료량의 1.
- 추정된 연료 소모량의 정확성 분석은 항공사로부터 제공받은 개별 항공기의 실제 연료 소모량을, 추정 연료 소모량과 비교, 분석함으로써 이루어졌다. 이때, 항공사로부터 제공받은 항공기 연료소모량 자료는 별도의 비행 영역을 구분 짓지 않은 총 연료 소모량을 자료인 반면, 항적 자료의 경우 FIR 영역을 벗어나는 시점부터는 항적의 기록이 온전히 이루어지지 않기 때문에, 국제선 항공기에 대해서는 항적 자료를 이용해 개별 항공기가 소비한 총 연료 소모량을 추정할 수 없으며, 항공사의 총 연료 소모량과도 비교할 수 없는 문제점이 존재한다.
- 추정된 연료 소모량의 정확성을 분석하기 위해, 국내 한 항공사의 협조를 통해 수집된 항공기의 실제 연료 소모량 및 각 항공기의 운항 관련 자료를 분석하였다. 제공받은 자료는 2012년 10월 1일부터 10월 31일까지 1개월간 운항한 총 1506편의 해당항공사 항공기 운항자료를 포함하고 있으며, 이 가운데 비정기 운항편, 분석 시간범위 등 선정 기준을 만족하는 총 1171대의 항공기 운항자료가 실제 검증에 사용되었다.
대상 데이터
- 수집된 항적 자료는 2012년 10월 1일부터 10월 31일까지 1개월간 기록된 항공기의 운항내력으로, 우리나라 비행정보구역(Flight Information Region, FIR)에서 출·도착 및 통과한 모든 운송용 정기 항공기의 항적을 포함하고 있다.
- 앞서 설명된 바와 같이 항공기 연료 소모량 추정을 위해 2012년 10월 1일부터 2012년 10월 31일까지 1개월분의 항적자료가 수집, 분석되었으며, EUROCONTOL의 BADA Version 3.9 자료가 사용되었다. 추정된 연료 소모량의 정확성을 분석하기 위해 항적 자료와 동일한 기간 동안( 2012년 10월 1일부터 2012년 10월 31일까지 1개월분) 인천-제주, 김포-제주 노선을 운항한 국내선 항공기의 실제 연료 소모량 자료를 국내 항공사의 도움으로 수집, 활용하였다.
- 이때, 항공사로부터 제공받은 항공기 연료소모량 자료는 별도의 비행 영역을 구분 짓지 않은 총 연료 소모량을 자료인 반면, 항적 자료의 경우 FIR 영역을 벗어나는 시점부터는 항적의 기록이 온전히 이루어지지 않기 때문에, 국제선 항공기에 대해서는 항적 자료를 이용해 개별 항공기가 소비한 총 연료 소모량을 추정할 수 없으며, 항공사의 총 연료 소모량과도 비교할 수 없는 문제점이 존재한다. 이 같은 자료의 제약을 고려하여, 본 연구에서는 출발에서 도착까지 비행 전 범위의 분석이 가능한 국내선 항공기를 분석대상으로 선정 하여 분석을 수행하였다.
- 수집된 항적 자료는 2012년 10월 1일부터 10월 31일까지 1개월간 기록된 항공기의 운항내력으로, 우리나라 비행정보구역(Flight Information Region, FIR)에서 출·도착 및 통과한 모든 운송용 정기 항공기의 항적을 포함하고 있다. 이 항적 자료의 가용성을 고려하여 본 연구의 시간적 범위는 2012년 10월 1일부터 2012년 10월31일까지 한달로 설정하였으며, 공간적 범위 역시 수집된 항적자료의 범위와 동일한 국내 비행정보구역(Flight Information Region, FIR)으로 설정하였다.
- 추정된 연료 소모량의 정확성을 분석하기 위해, 국내 한 항공사의 협조를 통해 수집된 항공기의 실제 연료 소모량 및 각 항공기의 운항 관련 자료를 분석하였다. 제공받은 자료는 2012년 10월 1일부터 10월 31일까지 1개월간 운항한 총 1506편의 해당항공사 항공기 운항자료를 포함하고 있으며, 이 가운데 비정기 운항편, 분석 시간범위 등 선정 기준을 만족하는 총 1171대의 항공기 운항자료가 실제 검증에 사용되었다.
- 9 자료가 사용되었다. 추정된 연료 소모량의 정확성을 분석하기 위해 항적 자료와 동일한 기간 동안( 2012년 10월 1일부터 2012년 10월 31일까지 1개월분) 인천-제주, 김포-제주 노선을 운항한 국내선 항공기의 실제 연료 소모량 자료를 국내 항공사의 도움으로 수집, 활용하였다.
데이터처리
- 3은 실제 연료소모량을 X-축으로, 추정 연료소모량을 Y-축으로 설정하여, 실제 연료소모량과 추정 연료소모량이 일치하는 경우 45도 직선상에 자료값이 표시되도록 하여, 실측값 대비 추정 값의 편차의 정도를 보다 쉽게 확인할 수 있도록 도식화한 것이다. 또한 계량적 분석을 위해 RMSE(Root Mean Square Error) 및 피어슨 상관계수(Correlation Coefficient)를 계산하여 함께 표시하였다.
이론/모형
- 항적 자료 가공의 마지막 단계는 평활화(smoothing, 平滑化) 단계로, 기존 항적 자료 자체의 잡음이나, 이상치를 수정하는 과정에서 비롯된 일종의 불연속성이 존재하는 경우, 이러한 변동을 보다 부드럽게 하는 과정을 말한다. 본 연구에서는 항공기의 수평적 위치(위, 경도), 수직적 위치(고도), 속도 정보에 대해서 매(每) 3개의 데이터마다 그 평균치를 사용하는 단순이동평균법(Simple Moving Average, N=3)을 적용하여 자료의 평활화를 수행하였다.
- 2를 자세히 관찰하면, 단위시간당 연료 소모량이 급증하는 부분에서 항공기의 고도가 일정하게 유지되는 Level Flight 현상을 관측할 수 있다. 이러한 Level Flight 여부를 수식화하기 위해 항공기의 현 위치이후 5개 항적 포인트에 최소자승추정방법(Least Square Method)를 적용하여 고도변화의 추세선을 계산하였으며. 추세선의 기울기가 ±1도 사이에 있는 경우 순항으로 판단하였다.
성능/효과
- 본 연구는 3단계를 거쳐 수행되었으며 각 단계별 연구내용은 다음과 같다. 1)운송용 정기 항공편을 대상으로 항적 자료를 수집, 정리하여 이에 대한 기초분석을 수행하고, 2)이를 바탕으로 BADA 모델을 활용하여 개별 항공기의 연료 소모량을 추정하였으며, 3)마지막으로 실제 연료 소모량 자료를 이용해 추정된 연료 소모량의 정확성을 확인하였다.
- 또한, B747그룹 항공기의 경우 실제 유상하중을 적용할 때 (최대유상하중의 80%적용하는 경우에 비해) 추정값의 정확도가 향상되는 반면, A330그룹 항공기의 경우 실제 유상하중을 적용할 때 오히려 추정값의 정확도가 낮아지는 것으로 나타났다. 이처럼, 실제 유상하중을 적용하였음에도 불구하고 추정값의 정확도가 항상 향상되지 않는 이유는 단거리 항로(예, 김포-제주간 약 250nm)에 대한 BADA자료의 구조적인 한계에서 기인하는 것으로 판단되며, 보다 면밀한 연구를 통해 명확한 원인이 규명되어야 할 필요가 있다.
- 본 연구에서는 EUROCONTROL의 BADA 자료와 실제 항적 자료를 결합하여 개별 항공기의 비행 중 연료 소모량을 추정하고, 항공사의 실제 연료 소모량 자료와 비교하여 추정값의 정확성을 분석하였다. 분석결과, 실제 유상하중을 적용할 경우 3~11%의 오차 범위, 최대 유상하중의 80%를 적용할 경우 5~11%의 오차범위 내에서 비행 중 연료소모량 추정이 가능한 것으로 나타났다.
- 자료 분석결과 실제로 탑재된 유상하중은 최대 적재하중의 약 45~65%수준3)인 것으로 분석되었으며, 이는 일반적으로 알려진 서울-제주간 항공기의 평균 탑승률 약 80%와는 상당한 차이가 있는 것으로 나타났다. Table 1과 Table 2에서 보는 바와 같이, 전체적으로 최대유상하중의 80%를 적용한 경우의 연료소모량 추정치는 실제 유상하중을 적용한 경우의 추정치보다 다소 많은 연료를 소모한 것으로 보이고 있으나, 두 추정치의 차이가 최대 3% 이내인 것으로 분석되었다.
- 이러한 동일 기종간 연료소모량의 차이는 순항고도, 풍속 등 각 항공기의 운항조건에 따라 차이를 보이는 것으로 추정된다. 전체적으로 볼 때 실제 유상하중을 적용하여 연료소모량을 추정하는 경우(RMSE=330.21, 상관계수=0.9935) 최대유상하중의 80%를 적용하는 경우(RMSE=351.50, 상관계수=0.9923)에 비해 상대적으로 더 정확한 추정값을 산정하는 것으로 나타났지만, 그 차이는 미미한 수준인 것으로 분석되었다.
- 표에서 알 수 있는 바와 같이, B747그룹 항공기의 경우 (최대 유상하중의 80% 및 실제유상하중을 적용하는 두 가지 경우 모두) 추정 연료소모량은 실제 연료 소모량에 비해 과다 추정(약 3~7%)되며, B737 및 A330그룹 항공기의 추정 연료소모량은 실제 연료소모량에 비해 과소 추정(약 6~11%)되었다.
후속연구
- 비록 우리나라에서 항적 자료가 보안자료로 취급되어 일반적으로 사용하기 어려운 것은 사실이나, 국가 항공정책 입안 및 공역 운영효율성 평가를 위한 항적 자료의 제한적 사용은 가능한 상황이다. 이 같은 상황에서 항적 자료는 앞서 설명된(항공사 연료 소모량 자료의 취득이 어려운) 현실적 한계를 극복하고 항공기의 연료소모량을 추정할 수 있는 가장 효과적인 자료로 활용될 수 있다.
- 또한, Total-Energy 모델의 필요 parameter인 항공기 무게의 설정을 비롯하여, 바람의 영향이 없는 것으로 가정하고 진대기 속도(True Air Speed, Vtas) 대신 항적 자료상의 속도, 즉, 대지속도를 사용한 점, 바람과 마찬가지로 고도나 온도등 기상 관련 parameter는 수집의 어려움으로 국제표준대기(International Standard Atmosphere, ISA)를 가정한 점과 같은 한계가 있었다. 이러한 부분을 보완하기 위해서는 국제선 항공기를 포함한 다양한 기종의 연료 소모량 추정 및 정확성 분석이 수행될 필요가 있으며, 기상 자료를 수집·석함으로써 실제 연료 소모량과 추정 연료 소모량 사이에 발생하는 오차의 원인에 대한 보다 면밀한 연구가 수행될 필요가 있다.
- 또한, B747그룹 항공기의 경우 실제 유상하중을 적용할 때 (최대유상하중의 80%적용하는 경우에 비해) 추정값의 정확도가 향상되는 반면, A330그룹 항공기의 경우 실제 유상하중을 적용할 때 오히려 추정값의 정확도가 낮아지는 것으로 나타났다. 이처럼, 실제 유상하중을 적용하였음에도 불구하고 추정값의 정확도가 항상 향상되지 않는 이유는 단거리 항로(예, 김포-제주간 약 250nm)에 대한 BADA자료의 구조적인 한계에서 기인하는 것으로 판단되며, 보다 면밀한 연구를 통해 명확한 원인이 규명되어야 할 필요가 있다.
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