[논문]궤적 기반의 항공 교통 관리를 위한 스케줄링 시스템 개발

오은미; 은연주; 김현경; 전대근

doi:10.12673/jant.2018.22.5.367

[국내논문] 궤적 기반의 항공 교통 관리를 위한 스케줄링 시스템 개발
Development of Scheduling System for Trajectory Based Air Traffic Management 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.22 no.5 = no.92, 2018년, pp.367 - 374

오은미 (한국항공우주연구원 항공기체계부) , 은연주 (한국항공우주연구원 항공기체계부) , 김현경 (한국항공우주연구원 항공기체계부) , 전대근 (한국항공우주연구원 항공기체계부)

초록
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차세대 통신링크를 활용한 항공로 교통 관리를 위해 궤적 기반의 관제 지원 스케줄링 시스템을 제안하였다. 차세대 ATS (air traffic services) 데이터링크인 Baseline 2를 사용하는 4DTRAD (4-dimensional trajectory data link) 서비스 내용을 기반으로 항공로 상을 비행 중인 항공기를 대상으로 하는 궤적기반운용 수행 절차를 수립하고 기술하였다. 이러한 절차를 바탕으로, 다양하고 복잡한 데이터 활용으로 인한 관제사의 업무 부담을 완화하기 위해 지상 시스템이 수신한 항공기 데이터를 처리하여 궤적을 예측하고 관제 조언 정보를 제공하는 스케줄링 시스템의 프로토타입을 개발하였다. 또한, 궤적 기반 항행을 위한 시뮬레이션 환경을 구성하여 개발 시스템에 대한 스케줄링 기능을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A trajectory-based scheduling system is proposed for air traffic management using next generation aviation data communication link. Based on the service concept of 4-dimensional trajectory data link (4DTRAD) using air traffic serveices (ATS) datalink Baseline 2, a procedure for trajectory-based operation of an en-route flight is established and described in detail. To mitigate air traffic controllers' workload which might be caused by various and complicated data utilization, a prototype of the scheduling system, which predicts the aircraft trajectory based on the flight intents received by air traffic service system and provides advisory information for air traffic control, was developed. The simulation environment for trajectory based operation was built to validate the scheduling functionality of the prototype.

주제어

표/그림 (10)

그림 그림 1. 4DTRAD 서비스를 위한 데이터 흐름 구성 Fig. 1. Concept of data flow for 4DTRAD service.
표 표 1. 궤적 기반 항행을 위해 요구되는 ADS-B 데이터 항목 Table 1. Required items of ADS-B message for TBO.
표 표 2. 궤적 기반 항행을 위해 요구되는 CPDLC 메시지 Table 2. Required CPDLC messages for TBO.
그림 그림 2. 궤적 기반의 관제 서비스 개요 Fig. 2. Overview of trajectory based control process.
그림 그림 3. 세부 데이터 송수신 흐름 (action 3) Fig. 3. Detailed communication flow (action 3).
그림 그림 4. TBSP 기능 모듈 구성 및 데이터 흐름도 Fig. 4. TBSP functional modules and data flow.
그림 그림 5. 시뮬레이션 시스템 사용자 인터페이스 구성 Fig. 5. Simulation system UI(user interface).
그림 그림 6. 시뮬레이션 시나리오 Fig. 6. Simulation scenario.
표 표 3. 시뮬레이션 시스템의 소프트웨어 구성 Table 3. Software components for the simulation system.
표 표 4. TBSP 스케줄링 결과 Table 4. TBSP scheduling results.

AI 본문요약
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문제 정의

궤적 기반 항행은 전 세계적으로 관심이 있는 차세대 교통 관리 운용 방식으로, ICAO (International Civil Aviation Organization)의 ASBU (aviation system block upgrades)에서는 ‘efficient flight path’이라는 성능 개선 영역(PIA; performance improvement area)에 장기적으로 추진되어야 할 하나의 아이템으로 포함되어 있다[1]. 궤적 기반 항행은 항공기의 더욱 장기적이고 정확한 정보를 기반으로 효율적인 교통흐름을 관리하는데 목적이 있으며, 나아가 항공기 예측 정확성 및 안전성 향상, 스케줄링을 통한 정시성 확보 등의 효과를 기대할 수 있다.
본 논문에서는 항공로에서 비행 중인 항공기에 대해 항공기의 탑재 시스템과 지상관제 시스템 간의 송수신 데이터를 기반으로, 항공기의 궤적을 동기화(synchronization – 데이터링크를 통해 전달되는 한정된 정보를 이용하여 지상 시스템에서 항공기의 궤적을 재구성하고 실제 궤적과 일치시키는 것)하고, 이를 이용하여 항공기의 흐름을 관리하는 시스템 개발에 관련된 내용을 기술하였다.
표1과 2는 각각의 데이터 링크에서 궤적 기반 항행에 요구되는 주요 데이터 항목과 메시지 항목을 정리한 것이다. 본 연구에서는 각각의 데이터 구성을 분석하여 궤적 기반 항행에 필요한 지상-탑재 시스템 간의 인터페이스를 정의하였다.
궤적기반항행을 어떠한 관제 절차를 통해 운용할 수 있는지에 대한 운용 개념을 우선 수립하였으며, 사용되는 송수신 데이터에 대한 분석 및 이를 처리하는 시스템의 기능적 설계 및 소프트웨어 구현사항을 포함하고 있다. 연구개발 중인 시스템은 관제사의 관제 의사결정을 돕는 지원 도구로서, 관제사의 업무 부담을 줄이고 교통 흐름의 효율적인 관리를 위한 자동화된 시스템의 기능을 수행하는데 목적이 있다.

가설 설정

이는 제한적인 공역에서 많은 교통량을 처리해야 하는 접근 관제 영역의 교통 흐름을 항공로에서부터 고려하여 보다 효율적인 흐름과 경제적인 경로를 제공하기 위함으로, 도착 관리 시스템(AMAN; arrival manager)의 운용 개념을 적용한 스케줄링 방식이다. 궤적 기반항행의 운용 개념 및 목적에 따라, EPP를 통해 항공기의 실시간 비행 의도 정보를 수신하는 것으로 가정하고 이를 이용하기 때문에 보다 정확하고 최신화된 예측 궤적을 확보할 수 있으며, 스케줄링 결과를 표준화된 CPDLC 메시지로 제공하여 관제사의 업무를 줄이고, 조종사와의 소통을 효율적으로 할 수 있도록 하는 환경을 가정하였다.

제안 방법

근 미래에 적용될 궤적 기반 항행의 기술을 이용하여 항공로에서의 교통 관리 방법과 이를 지원하는 스케줄링 시스템을 제안하였다. 궤적 기반 항행에 사용되는 표준화된 데이터 통신 링크를 분석하여 일련의 항공로 교통 관리 절차를 수립하였으며,이를 지원해줄 수 있는 소프트웨어의 구성과 주요 기능 모듈에 대한 설계 내용을 기술하였다. 궤적 기반 항행을 위한 시뮬레이션 환경을 구성하여 소프트웨어의 기능적인 검증을 수행하였으며, 궤적 기반의 데이터를 이용한 스케줄링을 통해 항공기간의 분리 기준치를 만족시키는 목표 시각 정보를 제공할 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 항공로에서 비행 중인 항공기에 대해 항공기의 탑재 시스템과 지상관제 시스템 간의 송수신 데이터를 기반으로, 항공기의 궤적을 동기화(synchronization – 데이터링크를 통해 전달되는 한정된 정보를 이용하여 지상 시스템에서 항공기의 궤적을 재구성하고 실제 궤적과 일치시키는 것)하고, 이를 이용하여 항공기의 흐름을 관리하는 시스템 개발에 관련된 내용을 기술하였다. 궤적기반항행을 어떠한 관제 절차를 통해 운용할 수 있는지에 대한 운용 개념을 우선 수립하였으며, 사용되는 송수신 데이터에 대한 분석 및 이를 처리하는 시스템의 기능적 설계 및 소프트웨어 구현사항을 포함하고 있다. 연구개발 중인 시스템은 관제사의 관제 의사결정을 돕는 지원 도구로서, 관제사의 업무 부담을 줄이고 교통 흐름의 효율적인 관리를 위한 자동화된 시스템의 기능을 수행하는데 목적이 있다.
궤적정보는 CWP에 제공하여 관제사가 확인할 수 있도록 한다. 궤적을 검토하여 다른 항공기와의 충돌 여부, 제한 지역 침범 여부 등을 확인하고 스케줄링을 통해 주요 지점 통과 시간의 조절이 필요한 지 여부를 판단한다.
근 미래에 적용될 궤적 기반 항행의 기술을 이용하여 항공로에서의 교통 관리 방법과 이를 지원하는 스케줄링 시스템을 제안하였다. 궤적 기반 항행에 사용되는 표준화된 데이터 통신 링크를 분석하여 일련의 항공로 교통 관리 절차를 수립하였으며,이를 지원해줄 수 있는 소프트웨어의 구성과 주요 기능 모듈에 대한 설계 내용을 기술하였다.
본 연구에서는 항공로에서 접근 관제 구역(TMA; terminal maneuvering area)에 진입하기 위해 모이는 경계의 합류 지점(merge point)을 스케줄링 대상 지점으로 보고, 통과 시간을 조절하는 방식의 스케줄링을 적용하였다. 이는 제한적인 공역에서 많은 교통량을 처리해야 하는 접근 관제 영역의 교통 흐름을 항공로에서부터 고려하여 보다 효율적인 흐름과 경제적인 경로를 제공하기 위함으로, 도착 관리 시스템(AMAN; arrival manager)의 운용 개념을 적용한 스케줄링 방식이다.
시스템 관점에서, 관제사가 상황을 확인하고 관제 입력을 할 수 있는 CWP(control working position)와, 궤적 기반 항행 서비스를 위한 관제 조언 정보 생성과 conformance monitoring을 담당하는 궤적 기반 스케줄링 시스템, 그리고 항공기의 탑재 시스템 간 수행되는 프로세스의 내용을 순서대로 정리하였다.
항공기는 허가를 수신한 즉시수신확인 메시지(STANDBY)를 송신하고, 이를 조종석에 현시한다. 조종사는 이 허가를 따를 것인지 여부를 판단하여 이행 여부 응답 메시지(WILCO/UNABLE)를 송신한다. 이행 불가(UNABLE)을 송신한 경우 이유를 포함할 수 있으며, 이 경우 해당 항공기는 궤적기반항행 서비스에서 제외된다.
참고[2]에는 항공로를 비행 중인 항공기들 대상의 궤적 기반 항행에 적용되는 4DTRAD (4-dimensional trajectory data link) 서비스에 필요한 기능 요구 사항과 서비스 수행 절차에 대한 내용이 포함되어 있으며, 참고 문헌 [3]에는 해당 서비스에 사용되는 표준화된 데이터의 구성과 구조에 관한 내용을 다루고 있다. 참고 문헌 [2], [3]에서 기술하는 4 DTRAD의 각 서비스와 세부 절차, 활용되는 데이터를 분석하여 2.1절과 같이 정리하였으며, 이를 준수하여 궤적 기반항행을 적용한 관제 프로세스의 전체 과정을 2.2절과 같이 수립하여 항공로 상의 항공기를 궤적 기반의 협상을 통해 관리하는 방식을 제안하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 개념 검증을 위해 먼저, 공역의 항공로 상에서 적용될 수 있는 궤적기반의 관제 프로세스로 대상을 한정하였다. 궤적 기반서비스를 제공하는 주체는 해당 항공기의 관제를 담당하는 ATSU(air traffic service unit)이며 서비스를 받을 수 있는 대상은 궤적기반 항행에 요구되는 기능 장비를 탑재하고 궤적기반 항행 서비스를 요청하는 항공기가 된다.
제안된 시스템의 구현 기능 확인과 운용 개념에 대한 검증을 위해 시뮬레이션 환경을 그림 5, 표 3과 같이 구성하였다. 지상 시스템은 CWP와 TBSP로 구성 되며 항공기 시스템은 조종석 모의 시스템(pseudo pilot)과 탑재 장비 기능과 항공기 궤적을 모의하는 항공기 시뮬레이션 시스템(aircraft simulator)으로 구성된다. 그 외에도 시뮬레이션을 위한 시나리오 생성, 제어 등을 위한 시뮬레이션 제어(simulation control) 시스템, 3차원 이미지 생성(image generator) 시스템이 포함되어 있다.

이론/모형

시스템 관점에서, 관제사가 상황을 확인하고 관제 입력을 할 수 있는 CWP(control working position)와, 궤적 기반 항행 서비스를 위한 관제 조언 정보 생성과 conformance monitoring을 담당하는 궤적 기반 스케줄링 시스템, 그리고 항공기의 탑재 시스템 간 수행되는 프로세스의 내용을 순서대로 정리하였다. 본 연구에서 개발된 궤적 기반 스케줄링 시스템은 trajectory based scheduler and predictor(TBSP)라 명명하였다. 그림 3은 그림 2에 나타난 수행 단계 중 action 3의 시스템 간 데이터 흐름을 정의한 예이다.
최적화 문제의 비용 함수(cost function)는 교통량 최대화, 관제사 일부담 최소화, 운항 경제성 향상 중 사용자의 선택에 따라 결정된다. 최적화 문제를 풀기 위해서 불연속적인 비용 함수의 특수성 등을 고려하여 Branch-and-bound 알고리즘을 적용하였다. 최적화 문제의 비용 함수 정의 및 최적화 알고리즘 적용 기법과 관련한 내용은 논문[6]을 참조하였다.
최적화 문제를 풀기 위해서 불연속적인 비용 함수의 특수성 등을 고려하여 Branch-and-bound 알고리즘을 적용하였다. 최적화 문제의 비용 함수 정의 및 최적화 알고리즘 적용 기법과 관련한 내용은 논문[6]을 참조하였다.
표준화된 데이터 통신 환경을 전제하기 위해, RTCA (radio technical commission for aeronautics)에서 제공된 기술 표준 문서인 DO-350[2], DO-351[3]를 참고하였다. 참고[2]에는 항공로를 비행 중인 항공기들 대상의 궤적 기반 항행에 적용되는 4DTRAD (4-dimensional trajectory data link) 서비스에 필요한 기능 요구 사항과 서비스 수행 절차에 대한 내용이 포함되어 있으며, 참고 문헌 [3]에는 해당 서비스에 사용되는 표준화된 데이터의 구성과 구조에 관한 내용을 다루고 있다.
항공기의 기종 별 성능을 계산하기 위해 유럽항행안전기구(Eurocontrol; european organization for the safety of airnavigation)에서 제공하는 BADA(base of aircraft data)를 사용하며, 이를 이용한 성능 산출 및 궤적 모형화 방법은 논문 [5]을 참고하였다.

성능/효과

궤적 기반 항행을 위한 시뮬레이션 환경을 구성하여 소프트웨어의 기능적인 검증을 수행하였으며, 궤적 기반의 데이터를 이용한 스케줄링을 통해 항공기간의 분리 기준치를 만족시키는 목표 시각 정보를 제공할 수 있음을 확인하였다.
시간 흐름을 관리하기 위해 설정된 통과 위치는 DOTOL로 이 위치에 대한 ETO와 스케줄링된 STO의 결과는 표 4와 같다. 스케줄링을 위한 목적 함수는 관제사 일 부담을 최소화(순서 변경 최소화)하는 것으로 설정하였으며, STO_1은 항공기의 WTC에 관계없이 항공기간 같은 분리 간격(120초)을 적용한 결과이며, STO_2는 항공기의 WTC에따라 설정된 분리 간격을 적용한 결과이다. 이 경우, 선-후행 항공기의 WTC가 medium-medium, medium-heavy인 경우의 분리 간격은 90초이고 heavy-medium인 경우 120초의 분리 간격을 설정한 결과를 반영하고 있다.
최적화 문제의 계산 결과 값은 STO가 되며 이를 CTO로 적용하여 통과 시간에 대한 관제 메시지를 생성할 수 있고 STO를 위해 요구되는 속도를 계산하여 속도에 대한 관제 메시지를 생성할 수도 있다. 현재에는 속도를 이용한 STO 추종만이 고려되어 있으나, 많은 지연 시간을 요구하게 되는 경우, 이동 경로를 변경하여 시간을 조절하는 방식의 관제 메시지를 생성할 수도 있다.

후속연구

제한된 공역 내에서의 항공기 교통량 증가는 효율적인 교통관리의 필요성을 점증시키고 있다. 또한 항공 탑재 장비 및 통신 인프라 기술의 발달에 따라 공중-지상, 또는 공중의 항공기간에 전달할 수 있는 정보의 범위가 확대되고 있으며, 항공기로부터 수신할 수 있는 보다 정확하고 풍부한 정보를 기반으로 지상에서는 항공기의 궤적을 정밀하게 예측할 수 있을 뿐만 아니라 예측 대상 범위를 확장하여 활용할 수 있고, 이는 장기적인 구간의 비행을 보다 효율적으로 관리할 수 있도록 할 것이다. 이처럼 확장된 전달 데이터에 기반을 두어, 항공기의 주요 위치와 통과 시각에 대한 정보를 포함하는 궤적을 재구성하고 이용하는 항공교통관리 운용 개념을 궤적 기반 항행(TBO;trajectory based operation)이라고 하며, 운용 대상 및 범위에 따라 공항 지상에서부터 항공로 전 구간에 이르기까지 다양하게 적용할 수 있다.
궤적 기반 항행을 위한 시뮬레이션 환경을 구성하여 소프트웨어의 기능적인 검증을 수행하였으며, 궤적 기반의 데이터를 이용한 스케줄링을 통해 항공기간의 분리 기준치를 만족시키는 목표 시각 정보를 제공할 수 있음을 확인하였다. 향후 인적 요소를 고려한 환경에서의 시뮬레이션(human-in-the-loop simulation)을 통해 운용개념에 대한 검증을 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	궤적 기반의 스케줄링 시스템은 어떻게 결정되는가?	궤적 기반의 스케줄링 시스템은 항공기로부터 송신된 정보를 이용하여 궤적을 예측하고 교통 흐름을 관리하기 위한 스케줄링 정보를 생성하여 관제사의 의사 결정을 돕는 도구로 활용된다. 따라서 관제영역의 특성이나 운용방식에 따라스케줄링의 대상과 목적이 정해지고 시스템의 요구 기능과 설계내용이 결정된다.
	궤적 기반 항행이란 무엇인가?	또한 항공 탑재 장비 및 통신 인프라 기술의 발달에 따라 공중-지상, 또는 공중의 항공기간에 전달할 수 있는 정보의 범위가 확대되고 있으며, 항공기로부터 수신할 수 있는 보다 정확하고 풍부한 정보를 기반으로 지상에서는 항공기의 궤적을 정밀하게 예측할 수 있을 뿐만 아니라 예측 대상 범위를 확장하여 활용할 수 있고, 이는 장기적인 구간의 비행을 보다 효율적으로 관리할 수 있도록 할 것이다. 이처럼 확장된 전달 데이터에 기반을 두어, 항공기의 주요 위치와 통과 시각에 대한 정보를 포함하는 궤적을 재구성하고 이용하는 항공교통관리 운용 개념을 궤적 기반 항행(TBO;trajectory based operation)이라고 하며, 운용 대상 및 범위에 따라 공항 지상에서부터 항공로 전 구간에 이르기까지 다양하게 적용할 수 있다. 궤적 기반 항행은 전 세계적으로 관심이 있는 차세대 교통 관리 운용 방식으로, ICAO (International Civil Aviation Organization)의 ASBU (aviation system block upgrades)에서는 ‘efficient flight path’이라는 성능 개선 영역(PIA; performance improvement area)에 장기적으로 추진되어야 할 하나의 아이템으로 포함되어 있다[1].
	궤적 기반 항행의 목적은?	궤적 기반 항행은 전 세계적으로 관심이 있는 차세대 교통 관리 운용 방식으로, ICAO (International Civil Aviation Organization)의 ASBU (aviation system block upgrades)에서는 ‘efficient flight path’이라는 성능 개선 영역(PIA; performance improvement area)에 장기적으로 추진되어야 할 하나의 아이템으로 포함되어 있다[1]. 궤적 기반 항행은 항공기의 더욱 장기적이고 정확한 정보를 기반으로 효율적인 교통흐름을 관리하는데 목적이있으며, 나아가 항공기 예측 정확성 및 안전성 향상, 스케줄링을 통한 정시성 확보 등의 효과를 기대할 수 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
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