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공항접근영역 항공교통 Dispatching 스케줄링 연구
Air-traffic dispatching scheduling in terminal airspace 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.44 no.11, 2016년, pp.973 - 980  

정순조 (DTaQ (Defense Agency for Technology and Quality)) ,  조두현 (KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology)) ,  최한림 (KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology))

초록
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항공교통의 수요 증가에 따른 혼잡한 교통상황과 부족한 공항 운항 능력을 해결하고자 항공교통관제(ATM : Air Traffic Management)의 다양한 분야에서 연구가 진행 되고있다. 본 논문에서는 공항 관제 영역에서 공항으로 접근하는 항공기 교통 스케줄링에 대해 연구를 진행하였다. 본 연구의 ATM 문제에서는 안전을 위한 운용 제한 조건인 항공기간의 분리 구간과 추월을 고려하여 접근하였으며, 특정 공항의 문제가 아닌 일반적인 공항의 항공경로와 경로 결합지점을 정의하여 접근하였다. 또한, 항공교통관제 문제를 스케줄링문제로 정의하여 dispatching 휴리스틱기법들을 통해 해결하고자 하였으며, 기존 기법들을 보완한 새로운 기법을 제안하였다. 스케줄링기법 효율성을 분석하고자 항공교통 시뮬레이션 환경을 모사하였으며, 항공 교통 흐름을 정적인 상황과 동적인 상황으로 정의하여 각 스케줄링 기법들에 대해 Monte Carlo Simulation을 수행하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

An air traffic management (ATM) has been studied in a variety of fields to utilize an air traffic capacity efficiently and solve a congested air traffic situation due to an increment of an air traffic demand. In this paper, an air traffic management, which is related with controlling and determining...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 또한, 각 항공기는 고정된 예정 도착시간(STA : Scheduled Time of Arrival)을 가지고 있으며 스케줄에 따라 변화하는 도착 예상시간(ETA : Estimated Time of Arrival)을 최소화함으로서 지연 및 항공기 운용에 대한 효율성을 높일 수 있다[6,7]. 따라서 본 연구 목적은 스케줄링을 통해 관제영역 내 항공기들의 도착완료 시간과 지연 정도를 최소화하는 것으로 정의할 수 있다.
  • 본 연구에서 접근하고자 하는 항공교통 문제에서는 안전을 위한 운용 제한 조건인 항공기간의 분리 구간과 추월을 고려하여 접근하였으며, 특정 공항의 문제가 아닌 일반적인 공항의 항공 경로와 경로 결합 지점(merge point)를 정의하여 접근하였다. 또한 항공교통관제 문제를 스케줄링 문제로 정의하였으며, 이를 dispatching 휴리스틱 기법들을 통해 해결하고자 하였다. 본 연구를 통해 sequence dependent setup time 스케줄링문 제에 대한 새로운 휴리스틱 기법을 제안하였으며, 제안한 기법을 시뮬레이션을 통해 기존 기법들과 비교․분석하였다.
  • 스케줄링의 목적은 주어진 일정 시간 동안 주어진 자원의 배치 또는 재배열을 통한 성능의 효율성을 증가시키거나 목표를 달성하는 데 있다. 본 논문에서 다루고자 하는 스케줄링은 정해진 상황에서 항상 같은 결과를 내는 결정론적인 모델 (deterministic model) 시스템의 문제에 한정하여 접근하고자 한다. 이러한 결정론적인 스케줄링 모델의 연구는 오랜 기간 많은 연구가 진행되어 왔으며, 일정 범위의 스케줄링 문제에서는 다항 시간(polynomial time)안에 효과적인 해를 찾을수 있는 알고리즘을 찾기도 하였다.
  • 따라서 실시간성을 고려한 문제에서는 휴리스틱(heuristic) 알고리즘을 사용하여 적절한 해를 주어진 시간 안에 구하는 접근 방법을 사용하여야 한다. 본 논문에서는 실시간성과 제한된 처리 능력 한계를 고려해야 짧은 시간 안에 적절한 성능의 해를 구하는데 효율적인 휴리스틱 중 짧은 시간에 수 많은 작업들을 처리하는데 유리한 dispatching기법을 통하여 스케줄링 문제에 접근하고자 한다. 또한, dispatching 기법을 이용한 항공기 순서 배치의 효율성을 분석하고자 항공기 정보가 고정된 상황 (scenario)과 계속적인 업데이트 상황으로 나누어 시뮬레이션 환경을 모사하였으며, Monte Carlo simulation을 이용하여 각 기법들에 대해 시뮬레이션을 수행하였다.
  • 이전 연구논문[12]에서는 추월 제한조건과 merge point가 없으며, 스케줄링이 진행되는 동안 환경 변화가 없는 고정된 상황으로 간단한 TSP문제로 접근하여 각 스케줄링 기법들을 확인해보았다. 본 논문에서는 추월조건과 merge point 제한조건을 고려하여 실제의 관제 운영 제한조건을 표현하였다. 이는 고정된 항공기 분포조건 이외에 스케줄링 중 관제레이더 영역에 임의의 항공기들이 접근하여 정보가 주기적으로 변화하는 시나리오를 추가하여 실제의 공항 관제에 가까운 환경으로 시뮬레이션을 모사하였 다.
  • ATM은 항공기간의 충돌방지, 교통질서 유지를 위한 교통 흐름조절과 촉진을 목적으로 하므로 ATM과 관련된 스케줄링문제는 안전과 운영 효율성을 고려하여 항공기에 따른 분리(separation)과 추월(overtaking)의 제한 조건을 고려하여야 한다. 본 연구의 공항 접근 항공기 스케줄링 문제에서도 운영제한 조건(separation for safety, air route, cruise speed)을 고려하여 현실적인 문제로 접근 하고자 하였으며, 항공기들간의 추월 제한조건을 설정하여 운용 현실성을 강조하였다. 또한, 일반적인 공항 접근 영역과 항공기 접근 경로를 형식화(formulation)하여 스케줄링문제로 접근하였다.
  • 본 연구의 스케줄링문제는 영역내의 항공기들을 효과적으로 배치하여 마지막 통과지점 항공기 들의 지연정도(delay)과 도착시간(completion time) 최소화함을 목적으로 한다. 항공교통스케줄링 문제의 목적은 공항의 효율적인 운용이며, 이를 위해 일정 시간 동안 FAF지점을 지나는 항공기의 수(throughput)를 최대화하여야 한다.
  • 스케줄링의 목적은 주어진 일정 시간 동안 주어진 자원의 배치 또는 재배열을 통한 성능의 효율성을 증가시키거나 목표를 달성하는 데 있다. 본 논문에서 다루고자 하는 스케줄링은 정해진 상황에서 항상 같은 결과를 내는 결정론적인 모델 (deterministic model) 시스템의 문제에 한정하여 접근하고자 한다.
  • 일반적으로 알려진 휴리스틱 기법들 중 기본적인 dispatching 기법들로는 EDD(Earliest Due Date), MS(Minimum Slack first), SPT(Shortest Processing Time first) 등이 있으며, 이 절에서는 기법들 특성과 본 연구를 위해 제안한 알고리즘을 소개하고자 한다.
  • 항공교통 흐름의 고정된 상황과 계속적인 항공기 접근 상황을 시뮬레이션 환경으로 모사하였으며, 휴리스틱 기법 효율성을 확인하기 위해 Monte Carlo Simulation으로 각 기법들의 결과를 도출하였다. 항공교통문제는 안전을 기본조건으로 흐름을 통제하여 효율성을 높이는 데 있으므로, 항공기 예상도착시간(ETA)를 이용하여 최종항공기들의 도착 시간과 항공기들의 지연정도를 목적함수로 설정하였다. 항공기 경로와 경로 결합 지점을 이용하여 스케줄링 시점을 정의하였으며, 항공기 순서 재배치의 효율성을 판단하고자 하였다.
  • 항공교통문제를 스케줄링 문제로 정의하였으며, 문제 접근에 대한 휴리스틱 스케줄링기법들 효율성을 확인하고자 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션은 MATLAB을 이용하여 임의의 시나리오들을 확률변수(random variables)들로 모사하였으며, Monte Carlo simulation을 통하여 각기법들에 대한 효율성을 분석하고자 하였다.
  • 항공교통에 대한 수요 증가에 따른 혼잡한 상황과 부족한 공항 운항 능력을 해결하고자, 본 논문에서는 공항주위 영역에 접근하는 항공기관제 통제에 대해 연구를 진행하였다. 항공교통관 제의 목적은 항공기간의 충돌방지, 항공 교통 질서 유지 등의 안전에 주목적이 있으며, 효과적인 교통흐름을 조절하고 촉진 시키는데도 목적이 있다.
  • 항공교통문제는 안전을 기본조건으로 흐름을 통제하여 효율성을 높이는 데 있으므로, 항공기 예상도착시간(ETA)를 이용하여 최종항공기들의 도착 시간과 항공기들의 지연정도를 목적함수로 설정하였다. 항공기 경로와 경로 결합 지점을 이용하여 스케줄링 시점을 정의하였으며, 항공기 순서 재배치의 효율성을 판단하고자 하였다. 각 스케줄링 기법들은 실제 항공관제에서 사용하는 FCFS기법을 기반으로 비교․분석 하였다.

가설 설정

  • 마지막으로 접근하는 항공기들에 대한 거리정보는 항공기들 간의 고도 정보를 제외한 평명상(2-dimension : X-Y)의 Euclidean distance 정보만을 이용한다고 가정하였다.
  • Air route는 AIP(Aeronautical Information Publication)의 STAR(standard Arrival Chart)에 표기된 운영항로와 지점(fix)들을 기준으로 결정되며 공항이 가지는 환경에 따라 상이하게 된다. 본 연구에서는 NASA Ames Aviation System 에서 사용하는 TMA(Traffic Management Advisor)의 교통흐름을 참고하여 공항 주위의 영역을 4개영역(동북, 동남, 서남, 서북)으로 나누었으며, 각 영역마다 2개 route씩, 총 8개의 공항 접근 air route를 가정하였다. 또한 하나의 FAF 지점으로 최종 air route 결합을 모사하기 위해 2개의 route 가 하나의 route로 결합되는 merge point 를 3개 그룹으로 정의하였다.
  • 또한 항공기들 간의 간격을 최소 안전거리 간격만을 유지할 수 있도록 항공기들의 지점 접근 속도에 대한 lower bound를 고려하지 않았다. 지점을 통과하는 항공기 순서 결정시 임의의 항공기에 의해 다른 항공기가 속도를 줄여야 하는 경우 문제가 발생할 수 있지만, 실제 관제시스템에서 사용하는 레이더 vectoring기법으로 지점을 통과하는 시간을 지연시킬 수 있으므로 접근 속도에 대한 lower bound는 무시한다고 가정할 수 있다.
  • 첫 번째 가정은 통제받는 항공기간의 간격으로 항공기의 안전과 접근 절차 규정[5]을 고려하여, 최소한의 분리(minimum separation)에 의한 안전거리 간격을 가진다고 가정하였다. 항공기간의 간격 정보는 논문[6]에서 사용한 방식을 인용하여 사용한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
항공교통의 수요 증가와 혼잡에 의해 예상되는 결과는 어떠한가? 오늘날의 항공교통(air traffic) 수요 증가와 혼잡으로 2035년까지 유럽과 미국의 교통량 수요는 약 2배 가까이 증가할 것으로 예상되며, 지역적으로는 약 3배의 수요 증가를 예측하고 있다 [1,6,9]. 이러한 교통량 증가와 달리 이미 많은 공항과 공항 주위의 항공 경로(air route)는 혼잡해진 상황[1]이며 교통수요량을 충족시키기에는 부족해지고 있다.
증가한 교통수요량을 충족시키기 위해 어떤 해결책이 연구되고 있는가? 교통량 증가를 충족시키기 위한 공항 인프라구축은 수용 능력을 확장 시킬 수 있지만, 많은 시간과 자원이 필요하다. 따라서 기존의 인프라를 이용한 효율적인 운용방법들이 시도되고 연구되고 있으며 항공 운영계획과 스케줄링 (scheduling)은 중요한 해결책으로 대두 되고 있다[1,6,9,10]. 항공 교통 효율성을 위한 연구로서는 공항 내의 수용 능력을 향상시키는 연구[1,13]와이․착륙하는 항공기들의 공항 활주로의 효과적인 운용계획 및 항공기 스케줄링 연구 등 다양한 분야에서 연구되었다[1,10,13-16].
스케줄링의 목적은 무엇인가? 또한, 일반 적인 공항 접근 영역과 항공기 접근 경로를 형식화(formulation)하여 스케줄링문제로 접근하였다. 스케줄링의 목적은 시스템의 운용에서 제한된 자원을 효율적으로 운영함으로써 효과적인 성능 향상을 얻는 것으로 주어진 일정 시간 동안 제한된 자원을 배치하거나 재배열을 통해 성능을 향상 시켜야 한다. 특히, 작업의 순서와 시간 제약 조건에 따라 시스템의 효율성이 결정되며, 시간 임계성(time-critical)을 가진 시스템에서는 실시간 성이 고려되어 제한적인 계산시간 또한 중요한 요소로 작용하게 된다.
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참고문헌 (16)

  1. Bennell, Julia A., Mohammad Mesgarpour, and Chris N. Potts. "Airport runway scheduling." 4OR 9.2 2011, pp. 115-138. 

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  3. Y.H. Lee, K. Bhaskaran, M. Pinedo, "A heuristic to minimized the total weighted tardiness with sequence-dependent setups," IIE transactions 29.1, 2012, 45-52. 

  4. Administration, F. A. Air Traffic Control. FAA Order, 7110, 2006. 65. 

  5. CIVIL AVIATION SAFETY AUTHORITY MINISTRY OF LAND, TRANSPORT & MARITIME AFFAIRS REPUBLIC OF KOREA, 2008, "Air Traffic control Precedures" 

  6. Lee, H., & Balakrishnan, H. "A study of tradeoffs in scheduling Terminal-Area operations," Proceedings of the IEEE, 96(12), 2008, pp. 2081-2095. 

  7. Carr, Gregory C., Heinz Erzberger, and Frank Neuman. "Airline arrival prioritization in sequencing and scheduling." 2nd USA/Europe Air Traffic Management R&D Seminar, Orlando. 1998. 

  8. Jeong, S. J., Jang, D. S., Choi, H. L. and Roh, J. E., "Statistical Analysis of Task Scheduling Rules for Airborne Radar," KSAS Conference 2012.11, pp. 300-306. 

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  11. De Neufville, Richard, and Amedeo Odoni. "Airport Systems. Planning, Design and Management," McGraw-Hill, New York, 2003. 

  12. Jeong, S. J., Jo, D. H., Choi, H. L. "Heuristic algorithms for Air Traffic Scheduling in Terminal Airspace," KSAS Conference 2014.4, pp. 60-63. 

  13. Gilbo, Eugene P. "Airport capacity: Representation, estimation, optimization." Control Systems Technology, IEEE Transactions on 1.3 1993, pp. 144-154. 

  14. Atkin, Jason AD, et al. "A metaheuristic approach to aircraft departure scheduling at London Heathrow airport." Computer-aided Systems in Public Transport. Springer Berlin Heidelberg, 2008. pp. 235-252. 

  15. Saraf, Aditya P., and Gary Slater. "Optimal dynamic scheduling of aircraft arrivals at congested airports." Journal of guidance, control, and dynamics 31.1 2008. pp. 53-65. 

  16. Zhang, Xie, et al. "Optimization of sequencing for aircraft arrival based on approach routes." Intelligent Transportation Systems Conference(ITSC). IEEE., 2007. pp. 592-596 

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