[논문]시뮬레이션 모델을 활용한 인천국제공항 수용량 산정에 관한 연구

방준; 김도현

doi:10.12985/ksaa.2019.27.1.020

시뮬레이션 모델을 활용한 인천국제공항 수용량 산정에 관한 연구
Estimation of Incheon International Airport Capacity by using Aircraft Delay Simulation Model 원문보기

한국항공운항학회지 = Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics, v.27 no.1, 2019년, pp.20 - 25

방준 (한서대학교 일반대학원 항공운항관리학과) , 김도현 (한서대학교 항공교통물류학과)

Abstract ▼ AI-Helper

To prepare for the ever-increasing demand for air transport, airport operators should be well aware of the timing of the saturation of the facility and increase the capacity of the airport through extension or extension. The capacity of an airport is determined by the smallest value of the facilities that make up the airport, but it is generally customary to determine the capacity of the costly and time-consuming runway as a whole for the airport. For analyzing the capacity of the runway capacity, the study used the most accurate microscopic air traffic simulation, Simmod-PRO, to analyze the saturation time of three runways currently in Incheon International Airport's operation, and calculate the appropriate time for operation of the 4th runway. The study also calculate the relocation of Airport's high-speed exit taxiway for analyzing the increasing of capacity.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig 1. The bird’s-eye view of Incheon international airport 4th phase construction project
표 Table 1. Classification of runway capacity estimation method
그림 Fig 2. Modeling Incheon international airport by using Simmod
그림 Fig 3. Average Separation of Arrival aircraft
표 Table 2. Runway Occupation Time of Simulation result and Yearly mean result
그림 Fig 4. Airport’s congestion by delay time
그림 Fig 5. Result of analyzing delay time per scenario
그림 Fig 6. Rapid Exit Taxiway of Incheon International Airport
그림 Fig 7. Relocation of RET in this study
표 Table 3. Mean ROT by relocated RET
표 Table 4. Comparison of capacity per study
그림 Fig 8. The result of this study and prediction of Annual traffic volume

AI 본문요약
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문제 정의

배동한(2013)은 Simmod를 이용하여 인천공항의 효율적인 제빙 운영 전략 연구를 수행한 바 있고[4], 인천국제공항(2006)의 경우 Simmod를 이용하여 1, 2개 활주로 운영 시와 3개 활주로 운영시의 활주로 용량을 연구한 바 있다[5]. 본 연구에서는 Simmod를 활용하여 항공기의 진행방향, 항공기 기종에 따른 분리기준치, 항공기 등급별 운항의 특성, 비행단계별 제한 등의 다양한 항공교통요소들을 적용하여 평균 지연시간을 고려한 인천국제공항의 활주로 용량을 산출하고자 한다. 또한 수용량을 증대시키는 방안 중 하나인 고속탈출유도로의 재배치를 수행하여 가장 효율적인 고속탈출유도로의 증설 방안을 연구하였다.
본 연구에서는 공항의 Airside 구성요소 가운데 상대적으로 중요성이 큰 시설물인 활주로의 수용량 산정을 위한 방법론에 관한 연구를 진행하였고, 구체적인 연구의 목적은 다음의 두 가지로 요약할 수 있다.
본 연구에서는 항공 교통량의 지속적 증가로 인하여 인천국제공항의 제 4 활주로의 건설이 절실한 시점에서, 공항 수용량의 진단 및 현황파악을 위한 공항 수용량 산정방법 연구의 필요성으로부터 시작되었다.

가설 설정

Simmod는 항공기가 이동하는 각각의 경로 (Node와 Link로 표현)를 설정한 동일한 속도로 이동한다고 가정한다. 즉, 하나의 항공기가 이동할 경우 지연되는 요소는 없으므로 계산된 시간과 실제 이동시간에는 차이가 없는 것이다.
공항의 수용능력은 활주로/유도로 처리용량, 계류장/게이트 처리용량, 여객 터미널 처리용량, 항공교통관제업무 처리용량 중 가장 작은 값으로 전체의 수용능력이 결정되지만[2], 활주로의 경우 일반적으로 건설기간 및 비용이 상대적으로 많이 소요되기 때문에, 활주로의 수용량을 공항 전체의 수용량으로 결정하는 것이 관례이다. 따라서 본 연구는 활주로의 수용량을 공항 수용량으로 가정하고 진행하였다.

제안 방법

그리고 시뮬레이션 분석을 활용하여 각 시나리오별 지연시간을 측정하여, 출발·도착 지연시간이 5분경과 시의 최대 수용량을 분석하였다.
연구의 공간적 범위는 출발항공기의 경우 공항의 게이트에서 활주로 진입 후 표준계기출발절차로 이륙 후 선회단계까지, 도착항공기의 경우 표준 계기도착절차의 최종접근단계부터 활주로에 착륙 후 게이트에 진입까지의 구간을 범위로 설정하였고, 3단계 건설사업의 제 2 여객터미널의 완공까지 적용하였다. 그리고 항공기당 평균 지연시간이 5 분인 실용용량을 적용하여 인천국제공항의 활주로 운영 중 약 70% 이상을 차지하는 North Flow(활주로 33L/R, 34방향) 상황을 분석하였다.
그리고 혼잡 (Peak) 시간대의 항공기 이·착륙 횟수를 기준(0%)으로 하여, 10%씩 증가된 스케줄을 입력하여 50% 까지, 각각 1시간의 시나리오를 생성하였다.
다음으로 도착 항공기간 분리시간에 대한 비교 검증을 진행하였다. [Fig 3]은 Flightradar24를 통해 수집된 항적자료 분석을 통해 산출된 도착 항공 기간 실제 분리시간 분포와 시뮬레이션 모형에서 도출된 분리시간 분포를 나타낸다.
본 연구에서는 Simmod를 활용하여 항공기의 진행방향, 항공기 기종에 따른 분리기준치, 항공기 등급별 운항의 특성, 비행단계별 제한 등의 다양한 항공교통요소들을 적용하여 평균 지연시간을 고려한 인천국제공항의 활주로 용량을 산출하고자 한다. 또한 수용량을 증대시키는 방안 중 하나인 고속탈출유도로의 재배치를 수행하여 가장 효율적인 고속탈출유도로의 증설 방안을 연구하였다.
본 연구에서는 시뮬레이션 모형을 이용하여 제 2 활주로의 고속탈 출유도로를 200m 단위로(활주로 끝단으로부터 2,050m, 1,850m, 1,650m, 1450m 지점) 새롭게 증설 하여([Fig 6~7]참조), 도착 항공기의 ROT를 얼마나 감소시키는지를 측정하고 가장 최적의 고속탈출유도로의 위치를 산정하였다. 또한, 앞서 제시한 활주로 수용량 산정방법을 활용하여, 최적의 고속 탈출유도로를 증설했을 경우의 연간 수용량 변화를 연구하였다.
시뮬레이션 모형을 활용하여 항공기의 지연시간을 고려한 시간당 수용량을 산출하여 이를 기반으로 연간용량을 산정하였다. 또한, 항공기 운항과 관련된 실제 관측 자료를 수집하고 이를 시뮬레이션 모형과 비교하는 모형 검증을 거쳐 보다 정밀한 분석을 수행하였다.
따라서 구축된 시뮬레이션의 기초모형은 검증(Validation)을 거쳐 수정 및 보완되어야 한다. 본 연구에서 사용된 검증지표는 활주로점유시간과 도착 항공기간 분리시간 간격이다.
바꾸어 말하면, 활주로점유시간의 감소는 공항 수용량 증대로 이어지는 것이다. 본 연구에서는 시뮬레이션 모형을 이용하여 제 2 활주로의 고속탈 출유도로를 200m 단위로(활주로 끝단으로부터 2,050m, 1,850m, 1,650m, 1450m 지점) 새롭게 증설 하여([Fig 6~7]참조), 도착 항공기의 ROT를 얼마나 감소시키는지를 측정하고 가장 최적의 고속탈출유도로의 위치를 산정하였다. 또한, 앞서 제시한 활주로 수용량 산정방법을 활용하여, 최적의 고속 탈출유도로를 증설했을 경우의 연간 수용량 변화를 연구하였다.
본 연구에서는 탈출 유도로 사용 비율, 도착 항공기간 분리간격 검증 결과 나타난 최대 8%의 오차범위를 타당한 범위 이내인 것으로 판단하고, 해당 모형을 활용하여 연구 분석을 진행하였다.
시뮬레이션 모형을 활용하여 항공기의 지연시간을 고려한 시간당 수용량을 산출하여 이를 기반으로 연간용량을 산정하였다. 또한, 항공기 운항과 관련된 실제 관측 자료를 수집하고 이를 시뮬레이션 모형과 비교하는 모형 검증을 거쳐 보다 정밀한 분석을 수행하였다.
실제 각 활주로에 착륙하는 항공기의 ROT와 시뮬레이션 결과의 ROT를 각각 비교해 보았다. [Table 2]는 검증 결과를 나타낸 것으로, 인천국제 공항의 연 평균 ROT와 시뮬레이션에서 산정된 ROT간 약 5%의 오차를 보였다.
연구의 진행은 ⅰ) 자료 수집을 통한 자료의 입력 및 검증자료의 구축, ⅱ) 시뮬레이션 모형 구축, ⅲ) 시뮬레이션 검증 및 보완, ⅳ) (검증 완료 시)연구 진행 및 분석 순서로 진행하였다.
연구의 한계점으로는 시뮬레이션 기본 모형을 North Flow로 적용하고 연구를 진행하였는데, 기상 상황에 따라 South Flow로도 바뀔 수 있는 상황이지만 본 연구에서는 운항 비율이 많은(전체 운항의 70% 이상) North Flow로 모형을 구축하여 분석하였다. 다음으로 실제 지상을 이동하는 항공기의 항적자료(공항지표탐지레이더, ASDE)를 수집하고, 이를 토대로 실제 지상의 항공기의 이동시간을 측정하여 검증할 수 있다면 보다 정밀한 결과가 나올 수 있었다.
인천국제공항의 시간당 활주로 수용량을 산정하였고, 이 산출값을 토대로 연간 수용량을 산정하려고 한다. 앞서 구한 시간당 수용량 83대에 Daily factor, Hourly factor를 곱한 값을 인천국제공항의 연간 공항 수용량으로 산정한다.
첫 번째는 구축·검증된 미시적 항공교통시뮬레이션 모델(Simmod-PRO, 이하 Simmod)을 활용하여 항공기의 평균 출발·도착 지연시간(Delay)을 측정하고, 이를 기준으로 인천국제공항의 연간 수용량을 산정한다.
두 번째는 인천국제공항의 활주로 점유시간 (Runway Occupation Time, ROT)을 최소화하기 위한 고속탈출유도로(Rapid-Exit Taxiway, RET) 재배치 방안이다. 항공교통시뮬레이션을 활용하여 제 2 활주로의 RET를 증설, 재배치하면서 ROT를 최소로 하는 RET의 위치를 산출하고, 이를 적용하였을 때의 수용량 변화를 산출하였다.
활주로 용량산정 방법을 활용하여, [Table 4]에 고속탈출유도로가 2 활주로 끝단으로부터 1,850m 지점에 증설된 경우의 인천국제공항의 시간당 최대 수용량(첨두시간 수용량)을 산정하였다.
활주로의 실용용량은 항공기의 출발·도착 평균 지연시간이 5분이 될 때의 수요로 정의하고[6]([Fig 4]참조), 이를 기준으로 인천국제공항의 3 개 활주로 운영 시의 시간당 수용량과 연간 수용량을 산정하고, 이를 활용하여 제 4 활주로의 적절한 운영시기를 산출하였다.

대상 데이터

04로 산정)를 나눈 값이며, 1 년에 최대로 운항할 수 있는 일수를 의미한다. 본 연구에서는 351을 적용하였다. Hourly Factor는 연간 운항횟수에 Daily Factor 대비 첨두시간 교통량(Slot)를 나눈 값으로, 일일 동일한 첨두시 운항 횟수로 운영했을 경우의 압축된 운영시간을 의미한다.
본 연구의 시뮬레이션 모형 구축 및 검증에 관한 시간적 범위는 운항스케줄 자료가 확보된 2018년 7월 29일 00시~24시까지로 설정하였으며, 인천국제공항의 CAD 도면 및 운항스케줄 자료를 Simmod에 입력하여 모형을 구축하였다([Fig 2] 참조).
[Fig 3]은 Flightradar24를 통해 수집된 항적자료 분석을 통해 산출된 도착 항공 기간 실제 분리시간 분포와 시뮬레이션 모형에서 도출된 분리시간 분포를 나타낸다. 실제 관측값은 항적자료의 부정확성으로 인하여 도착 항공기 506대 중 473대를 관측할 수 있었다. [Fig 3]에서와 같이, 시뮬레이션 분석으로 산출된 평균 분리시간 (오른쪽의 실선 그래프)은 166초인 반면, 실제 관측된 평균 분리시간 (왼쪽의 점선 그래프)은 154초로 나타나 약 8%의 오차가 발생함을 확인하였다.
연구의 공간적 범위는 출발항공기의 경우 공항의 게이트에서 활주로 진입 후 표준계기출발절차로 이륙 후 선회단계까지, 도착항공기의 경우 표준 계기도착절차의 최종접근단계부터 활주로에 착륙 후 게이트에 진입까지의 구간을 범위로 설정하였고, 3단계 건설사업의 제 2 여객터미널의 완공까지 적용하였다. 그리고 항공기당 평균 지연시간이 5 분인 실용용량을 적용하여 인천국제공항의 활주로 운영 중 약 70% 이상을 차지하는 North Flow(활주로 33L/R, 34방향) 상황을 분석하였다.
인천국제공항의 연간 수용량을 산정하기 위하여, 일일 스케줄을 분석하여 시간당 이·착륙 횟수가 가장 많은 시간대를 선정하였다.

성능/효과

[Fig 3]에서와 같이, 시뮬레이션 분석으로 산출된 평균 분리시간 (오른쪽의 실선 그래프)은 166초인 반면, 실제 관측된 평균 분리시간 (왼쪽의 점선 그래프)은 154초로 나타나 약 8%의 오차가 발생함을 확인하였다.
[Table 3]에서는 제 2 활주로의 고속탈출유도로 설계에 따른 평균 ROT 분석결과를 정리하였다. Table에서 보는 바와 같이, 활주로 끝단으로부터 1,850m 지점까지는 평균 ROT가 감소하는 경향을 보이다가, 1,650m 지점부터 평균 ROT가 다시 증가하는 경향을 보였다.
고속탈출유도로의 배치 시나리오와 증가하는 인천국제공항의 연간 수용량[5](굵은 실선의 꺾은 선 그래프)을 바탕으로 공항 수용량을 분석한 결과 ([Fig 8] 참조), 현행 고속탈출유도로를 유지하였을 때에는 2023년경(그래프의 파선), 고속탈출유도로의 재배치(1,850m 지점에 증설)가 이루어질 경우 2024년경(그래프의 실선) 활주로의 포화가 발생 할 것으로 예상되어, 이 시기 이전에 제 4 활주로의 운영이 이루어져야 증가하는 교통량을 수용할 수 있을 것으로 분석되었다.
연구의 한계점으로는 시뮬레이션 기본 모형을 North Flow로 적용하고 연구를 진행하였는데, 기상 상황에 따라 South Flow로도 바뀔 수 있는 상황이지만 본 연구에서는 운항 비율이 많은(전체 운항의 70% 이상) North Flow로 모형을 구축하여 분석하였다. 다음으로 실제 지상을 이동하는 항공기의 항적자료(공항지표탐지레이더, ASDE)를 수집하고, 이를 토대로 실제 지상의 항공기의 이동시간을 측정하여 검증할 수 있다면 보다 정밀한 결과가 나올 수 있었다. 하지만 본 연구에서는 자료수집의 제약으로 Flightradar24 자료를 사용하였고, 항공기의 지상 이동경로의 부정확성이 존재하여 분석에 한계가 있었다.
이는 일부 대형항공기의 착륙 활주 시 고속탈출 유도로의 위치가 활주로 끝단으로부터 매우 가깝 게 설계되어 해당 유도로로 활주로 이탈을 하지 못하여 평균 ROT가 다시 증가하는 것으로 분석되었다. 따라서 분석 결과에 근거하여 제 2 활주로의 고속탈출유도로는 시단으로부터 1,850m 지점에 증설하는 방안이 ROT를 현행보다 약 15.4초 감소 시킬 수 있는 방안으로 산정되었다.
활주로 용량산정 방법을 활용하여, [Table 4]에 고속탈출유도로가 2 활주로 끝단으로부터 1,850m 지점에 증설된 경우의 인천국제공항의 시간당 최대 수용량(첨두시간 수용량)을 산정하였다. 비교 결과, 현행(제 2 활주로 끝단으로부터 2,250m 지점)보다 시간당 최대 3대, 연간 최대 16,848대 더 수용 가능한 효과를 보였다.
선형 보간법(Linear Interpolation)을 활용하여 인천국제공항 3개 활주로 운영시의 시간당 수요량을 산정한 결과, 지연시간 5분경과 시점에서 수용량은 기존 시간당 66대에서 25.3% 증가한 83대로 산출되었다. 즉, 5분의 지연시간을 고려한 83대가 인천국제공항의 시간당 수용량(실용용량)이라고 할 수 있다.

후속연구

끝으로 공항 용량 산정 시 매우 중요한 요소인 관제사의 업무 부하도 고려해야 하지만, 본 연구에서는 인적요소를 고려하지 않고 진행하였다. 따라서 이러한 인적요소를 포함한 최신의 자료를 필두로 하는 연구 분석은 향후 연구과제로 남기고자 한다.
이러한 수요량의 증가에 대비하여 입·출항 절차 개선과 공역 확장, 분리기준축소 등 공항 수용량을 증대시킬 수 있는 방안을 모색해야 할 것이다.
다음으로 실제 지상을 이동하는 항공기의 항적자료(공항지표탐지레이더, ASDE)를 수집하고, 이를 토대로 실제 지상의 항공기의 이동시간을 측정하여 검증할 수 있다면 보다 정밀한 결과가 나올 수 있었다. 하지만 본 연구에서는 자료수집의 제약으로 Flightradar24 자료를 사용하였고, 항공기의 지상 이동경로의 부정확성이 존재하여 분석에 한계가 있었다. 끝으로 공항 용량 산정 시 매우 중요한 요소인 관제사의 업무 부하도 고려해야 하지만, 본 연구에서는 인적요소를 고려하지 않고 진행하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	항공기의 지연은 어떻게 산정되는가?	일반적으로 활주로 용량에 따른 항공기의 지연 (Delay)은 출발․ 도착 항공기의 지연시간을 합하여 산정된다. 출발 항공기 지연시간은 출발항공기가 활주로의 출발 대기열(Departure Queue)에 진입한 시점부터 이륙허가를 받아 활주로에 진입 할 때까지의 시간을 의미하며, 도착 항공기의 지연시간은 도착 항공기간 최소 분리거리 확보를 위해 후행 항공기를 체공(Holding) 또는 레이더 유도 (Vectoring)등의 방법으로 지연시킨 시간을 의미한다.
	항공분야에서 수용량(capacity)이란?	항공분야에서 정의하는 수용량(capacity)이란 시간당 공항이나 공항의 구성물들(활주로, 유도로, 주기장)이 수용할 수 있는 최대의 항공기 대수로 정의하며[1], 항공교통량의 복잡성, 항공로의 구조, 기상 관련 변수를 포함하여 항공기의 운항 성능 및 관제사의 업무량(workload)등 다양한 변수에 따라 달라진다.

참고문헌 (7)

FAA AC150/5060-5, “Airport Capacity and Delay, 1983
MOLIT, “Guideline for the establishment of Airport Capacity”, 2013
Transportation Research Board, “ACRP Report 79”, 2012
Dong Han Bae, “A simulation study on effective aircraft ground de-icing/ anti-icing operation strategy of Incheon international airport”, KAU, 2013
IIA, “Long-term development strategy rearrangement service by Incheon International Airport terminal relocation”, 2017
FAA, “National Plan of Integrated Airport System(1998-2002)”, 1999
ICAO ANNEX 14, Aerodromes, 2017

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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].

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