[논문]UAM 추락 시 인구 밀접 지역 지상 인명피해 분석

김연실; 최인호

doi:10.12673/jant.2022.26.5.281

UAM 추락 시 인구 밀접 지역 지상 인명피해 분석
Analysis of Human Casualties on the Ground in Urban Area due to UAM Crash 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.26 no.5, 2022년, pp.281 - 288

김연실 (한국항공우주연구원 무인기연구부) , 최인호 (한국항공우주연구원 무인기연구부)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 무게 약 1톤, 속도 약 100km/h에 달하는 멀티콥터 형 UAM(Urban Air Mobility)가 도심 지역에서 추락했을 때 발생할 수 있는 인명피해를 정량적으로 분석하였다. UAM 수요가 가장 많을 것으로 예상되는 서울지역의 인구밀도 및 건물 데이터 베이스를 기반으로 UAM 추락 시 충돌에 노출되는 인구를 도출하였고 멀티콥터 형 비행체가 제어 불가능한 상태에서의 무동력 추락을 고려하여 항력을 고려한 자유낙하 모델을 통해 UAM 추락 시 사고영향 반경을 계산하였다. 더불어, 사고영향 반경이 증가할 때 지상의 인명피해의 변화를 분석하였다. 최종적으로 서울지역에 대한 UAM 추락 시 지상 인명피해 맵을 생성하였고 서울의 대부분의 지역에서 UAM 추락 시 약 1~10명 내외의 인명피해가 발생할 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 TLS (Target Level of Safety)를 만족하는 UAM의 고장률 요구사항을 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study quantitatively analyzed the human casualties that can occur when a multicopter-type Urban Air Mobility (UAM) with a weight of about 1 ton and a speed of about 100 km/h falls in an urban area. Based on the population density and building database in Seoul, the population exposed to collisions in the event of a UAM crash was derived. Through the ballistic descent model, the accident impact radius of the UAM fall was calculated. In addition, the change in human casualties on the ground was analyzed when the accident impact radius increased. Finally, the ground risk map was created for Seoul, and it was confirmed that about 1 to 10 people could be injured when a UAM crash.

주제어

표/그림 (18)

그림 그림 1. 지상 피해 모델의 주요 하위 모델 [10] Fig. 1. Main sub-component model of ground risk model.
표 표 1. 비정상상황 구분 [2] Table 1. Off-nominal Situation Classification.
그림 그림 2. 무인기 지상 충돌 위험 도출 개념 [10] Fig. 2. Concept of UAV ground risk computation.
그림 그림 3. 멀티콥터 형 UAM 비행체 [19],[20] Fig. 3. Multicopter type UAM vehicles.
표 표 2. UAM 추락 경로 시뮬레이션 파라미터 Table 2. UAM descending trajectory simulation parameter.
그림 그림 4. 서울시 인구밀도 맵 Fig. 4. Population density map of Seoul.
그림 그림 5. 서울시 건폐율 맵 Fig. 5. Building to land ratio map of Seoul.
그림 그림 6. 서울시 건물 층수 맵 Fig. 6. Number of floors map of Seoul.
표 표 3. UAM 추락 시 최대 영향 반경 및 평균 운동에너지 Table 3. Maximum horizontal radius and average kinetic energy when UAM crash.
표 표 4. 비행체 추락 시 노출 영역 크기 [25] Table 4. Exposure area when a vehicle crash.
표 표 5. 소형항공기에 대한 건물 내 사망률 [26] Table 5. Mortality rate in buildings for small aircraft.
그림 그림 7. 서울시 지상 인명피해 맵 (case 1) Fig. 7. Human casualty map of Seoul (case 1).
그림 그림 8. 서울시 고장빈도 요구사항 맵 (case 1) Fig. 8. Required failure rate map of Seoul (case 1).
그림 그림 9. 서울시 지상 인명피해 맵 (case 2) Fig. 9. Human casualty map of Seoul (case 2).
그림 그림 10. 서울시 고장빈도 요구사항 맵 (case 2) Fig. 10. Required failure rate map of Seoul (case 2).
그림 그림 11. 미국 개인항공기 사고 사례 1 [30] Fig. 11. Aircraft accident case 1 in USA.
그림 그림 12. 미국 개인항공기 사고 사례 2 [31] Fig. 12. Aircraft accident case 2 in USA.
표 표 6. 미국 개인항공기 사고 사례 [8],[30],[31] Table 6. Aircraft accident case in USA.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문에서는 이러한 이전 연구들을 기반으로 서울지역의 데이터베이스를 활용하여 무게 약 1톤, 속도 약 100km/h에 해당하는 멀티콥터 형 UAM의 지상피해를 맵 형태로 평가하는 연구를 수행하였다. UAM 추락 시 우리나라의 제3자 인명피해를 평가한 연구는 아직 없기 때문에 이에 대한 정량적 분석을 수행하고 인명피해 정도를 제시하는 데 본 연구의 의의가 있다.
경미한 비정상상황과 우발상황은 계획된 목적지 혹은 임의의 장소에 비상 착륙이 가능하기 때문에 본 연구에서는 항공기가 통제 불능 상태에서 추락하는 긴급 비상상황에 대해 지상의 제3자 인명피해를 분석하였다.
더불어 본 연구에서는 표 3의 UAM 추락 시 최대 영향 반경이 증가할 때의 지상 인명피해 변화를 분석하여 보았다. JARUS SORA에 제시된 1-1 rule을 기반으로 UAM 운용 고도와 동일하게 사고 영향 반경을 600m로 가정하였다.
본 논문에서는 이러한 이전 연구들을 기반으로 서울지역의 데이터베이스를 활용하여 무게 약 1톤, 속도 약 100km/h에 해당하는 멀티콥터 형 UAM의 지상피해를 맵 형태로 평가하는 연구를 수행하였다. UAM 추락 시 우리나라의 제3자 인명피해를 평가한 연구는 아직 없기 때문에 이에 대한 정량적 분석을 수행하고 인명피해 정도를 제시하는 데 본 연구의 의의가 있다.
본 연구에서는 서울시 데이터베이스를 기반으로 UAM 추락시 정량적인 인명피해를 분석하였다. 추가로 본 연구에서는 UAM과 크기, 무게, 탑승인원 등이 유사한 개인항공기의 사고사례를 조사하여 실제 제3자 인명피해를 비교 분석해보았다.

가설 설정

더불어 본 연구에서는 표 3의 UAM 추락 시 최대 영향 반경이 증가할 때의 지상 인명피해 변화를 분석하여 보았다. JARUS SORA에 제시된 1-1 rule을 기반으로 UAM 운용 고도와 동일하게 사고 영향 반경을 600m로 가정하였다.

제안 방법

항공기 추락 시 제 3자 인명피해를 분석한 이전 연구들을 기반으로 서울지역의 인구밀도 및 건물 데이터베이스를 활용하여 UAM 추락 시 충돌에 노출되는 인구를 도출하였다. 본 연구에서는 멀티콥터 형 비행체가 제어 불가능한 상태에서 무동력 추락하는 상황을 고려하여 항력을 고려한 자유낙하 모델을 통해 UAM 추락 시 사고영향 반경을 계산하였고 더불어 사고영향 반경이 증가할 때 지상의 인명피해의 변화를 분석하였다. 분석 결과, 사고영향 반경이 증가하면 인명피해가 높은 지역도 증가하지만 한 격자 내에서의 최대 인명피해는 감소하여 여러 사고 영향 반경을 고려한 다각적 분석이 필요함을 확인하였다.
본 연구에서는 무게 약 1톤, 속도 약 100km/h에 달하는 멀티콥터 형 UAM가 서울 지역에서 추락했을 때 발생할 수 있는 인명피해를 정량적으로 분석하였다. 항공기 추락 시 제 3자 인명피해를 분석한 이전 연구들을 기반으로 서울지역의 인구밀도 및 건물 데이터베이스를 활용하여 UAM 추락 시 충돌에 노출되는 인구를 도출하였다.
본 연구에서는 서울시 데이터베이스를 기반으로 UAM 추락시 정량적인 인명피해를 분석하였다. 추가로 본 연구에서는 UAM과 크기, 무게, 탑승인원 등이 유사한 개인항공기의 사고사례를 조사하여 실제 제3자 인명피해를 비교 분석해보았다.
본 연구에서는 무게 약 1톤, 속도 약 100km/h에 달하는 멀티콥터 형 UAM가 서울 지역에서 추락했을 때 발생할 수 있는 인명피해를 정량적으로 분석하였다. 항공기 추락 시 제 3자 인명피해를 분석한 이전 연구들을 기반으로 서울지역의 인구밀도 및 건물 데이터베이스를 활용하여 UAM 추락 시 충돌에 노출되는 인구를 도출하였다. 본 연구에서는 멀티콥터 형 비행체가 제어 불가능한 상태에서 무동력 추락하는 상황을 고려하여 항력을 고려한 자유낙하 모델을 통해 UAM 추락 시 사고영향 반경을 계산하였고 더불어 사고영향 반경이 증가할 때 지상의 인명피해의 변화를 분석하였다.

대상 데이터

약 1톤의 무게에 달하는 개인항공기가 각각 오피스 빌딩과 아파트에 충돌하는 사고가 2010년과 2006년 미국에서 발생하였다. 먼저 사례 1의 경우 Piper PA-28-236 기체가 오피스 빌딩 1층에 충돌하면서 약 2명의 제3자 인명피해를 발생시켰고 사례 2의 경우 Cirrus SR 20 기체가 약 160미터 높이의 아파트와 충돌하였는데 아파트 내에 사람이 없었기 때문에 제3자 인명피해는 없었지만 항공기가 아파트의 32층과 33층 사이에 충돌한 후 항공기 엔진, 프로펠러 등 잔해가 32층으로 유입되어 아파트 내 사람이 있었다면 인명피해가 발생하였을 것으로 예상된다. 참고로 두 사례 모두 항공기 충돌로 건물이 붕괴되지는 않았다.

성능/효과

12. Aircraft accident case 2 in USA.

UAM과 무게, 속도, 탑승 인원 등이 유사한 개인항공기의 사고 사례를 살펴보았을 때 도심 지역에서 비행체가 추락하여 건물과 충돌하면 건물이 붕괴될 정도까지는 아니나 건물 내의 충돌 위치에 근접한 인원은 사망 및 중상 등의 피해를 입을 수 있음을 알 수 있었다. 실제 유사 사례를 분석하여 보았을 때 본 연구에서 도출한 약 1~10명 내외의 인명피해 예측과 유사하였다.
분석 결과, 사고영향 반경이 증가하면 인명피해가 높은 지역도 증가하지만 한 격자 내에서의 최대 인명피해는 감소하여 여러 사고 영향 반경을 고려한 다각적 분석이 필요함을 확인하였다. 결과적으로 서울지역의 데이터를 기반으로 정량적 인명피해를 계산했을 때 UAM 추락 시 약 1~10명 내의 인명피해가 발생할 수 있음을 확인하였다. 이에 더불어 UAM과 크기, 무게, 속도 및 탑승인원 등이 유사한 개인 항공기 사례를 조사한 결과 1~10명 내의 인명피해가 발생하여 본 연구에서 도출한 인명피해 예측과 유사함을 확인하였다.
본 연구에서는 멀티콥터 형 비행체가 제어 불가능한 상태에서 무동력 추락하는 상황을 고려하여 항력을 고려한 자유낙하 모델을 통해 UAM 추락 시 사고영향 반경을 계산하였고 더불어 사고영향 반경이 증가할 때 지상의 인명피해의 변화를 분석하였다. 분석 결과, 사고영향 반경이 증가하면 인명피해가 높은 지역도 증가하지만 한 격자 내에서의 최대 인명피해는 감소하여 여러 사고 영향 반경을 고려한 다각적 분석이 필요함을 확인하였다. 결과적으로 서울지역의 데이터를 기반으로 정량적 인명피해를 계산했을 때 UAM 추락 시 약 1~10명 내의 인명피해가 발생할 수 있음을 확인하였다.
이를 통해 UAM 추락 시 사고 영향반경을 너무 보수적으로 설정하는 것은 오히려 최대 인명피해를 감소시키는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 모든 비행체에 대해서 사고 영향 반경을 정확히 추정하는 것은 고장 상황, 조종사, 제어 로직 등에 따라 달라져 거의 불가능하기 때문에 여러 사고 영향 반경을 적용하여 인명 피해를 다각적으로 분석하는 것이 필요하다.
결과적으로 서울지역의 데이터를 기반으로 정량적 인명피해를 계산했을 때 UAM 추락 시 약 1~10명 내의 인명피해가 발생할 수 있음을 확인하였다. 이에 더불어 UAM과 크기, 무게, 속도 및 탑승인원 등이 유사한 개인 항공기 사례를 조사한 결과 1~10명 내의 인명피해가 발생하여 본 연구에서 도출한 인명피해 예측과 유사함을 확인하였다.
UAM 추락 시 지상 인명피해를 도출하는 방법은 그림 2와 같다. 특정 위치에서 무인기가 추락한다고 했을 때 맵의 해상도에 따른 각 격자에서의 무인기의 지상 추락 확률 분포 및 인구 분포를 계산하고 보호 계수 및 사망 확률을 적용한 후 각 격자에 대한 값을 더함으로써 UAM 추락 시 인명피해를 도출할 수 있다. 수식 (1)에서 격자의 범위는 UAM 추락 시 사고 영향 반경 내로 설정한다.

후속연구

UAM 추락 시 우리나라에서 발생할 수 있는 제3자 인명피해를 분석한 연구가 아직 없기 때문에, 본 연구의 결과는 우리나라 도심지역에서 UAM 운용 시 요구되는 안전성 요구사항을 도출하거나 UAM 회랑 설계 시 인명피해를 최소화하는 경로로 회랑을 설정하는 연구 등에 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 예상된다.

참고문헌 (31)

UAM Concept of Operations, FAA, v1.0, Jun. 2020.
K-UAM Concept of Operations 1.0, UAM Team Korea, Sep. 2021.
JARUS Guidelines on Specific Operations Risk Assessment(SORA), Joint Authorities for Rulemaking of Unmanned Systems, JAR-DEL-WG6-D.04, Jan. 2019.
Draft SORA Annex F - Ground Risk Class Justification, Qualitative Methods Group in WG6, May 2020.
CORUS U-space Concept of Operations, EUROCONTROL, Edition 03.00.02, Oct. 2019.
R. Weibel, R.J. Hansman, "Safety considerations for operation of different classes of UAVs in the NAS," in Proceedings of the Aiaa 4th aviation technology, integration and operations (atio) forum, pp. 6244, 2004.
R. Melnyk, D. Schrage, V. Volovoi, H. Jimenez, "A third-party casualty risk model for unmanned aircraft system operations," Reliability Engineering & System Safety, Vol. 124, pp. 105-116, Apr. 2014.

상세보기
J.A. Ball, M. Knott, D. Burke, Crash Lethality Model, Naval Air Warfare Center: Aircraft Div Patuxent River, MD, USA, 2012.
A. Washington, R.A. Clothier, J. Silva, "A review of unmanned aircraft system ground risk models," in Progress in Aerospace Science, Vol. 95, pp. 24-44, 2017.
Y. S. Kim, J. W. Bae, "Risk-Based UAV Corridor Analysis above a Populated Area," Drones, Vol. 6, No. 9, pp. 1-23, Sep. 2022.
J. Breunig, J. Forman, S. Sayed, L. Audenaerd, Modeling Risk Based Approach for Small Unmanned Aircraft Systems. MITRE CORP MCLEAN VA MCLEAN, Virginia, Technical Report AD1107953, 2018.
D. Janisch, P. Sanchez-Escalonilla, V. Gordo, M. Jimenez, "UAV Collision Risk as Part of U-space Demand and Capacity Balancing," in Proceedings of the 11th SESAR Innovation Days, Online, Dec. 2021.
A. la Cour-Harbo, "Quantifying risk of ground impact fatalities for small unmanned aircraft," Journal of Intelligent & Robotic Systems, Vol. 93, No. 1-2, pp.367-384, May 2019.

상세보기
S. Primatesta, R. Alessandro, A. la Cour-Harbo, "Ground risk map for unmanned aircraft in urban environments," Journal of Intelligent & Robotic Systems, Vol. 97, No. 3, pp.489-509, Mar. 2020.

상세보기
S. H. Kim, "Third-Party Risk Analysis of Small Unmanned Aircraft Systems Operations," Journal of Aerospace Information Systems, Vol. 17, No. 1, pp.24-35, Jan. 2020.

상세보기
M.J. Hardwick, J. Hall, J.W. Tatom, R.G. Baker, Approved Methods and Algorithms for DoD Risk-Based Explosives Siting, APT Research Inc., Huntsville, AL, USA, 2009.
M. Crull, J. W. Tatom, R. T. Conway, SPIDER 2 tests-Response of Typical Wall Panels to Debris and Fragment Impact, Army Engineering and Support Center, Huntsville, AL, USA, 2010.
Common Risk Criteria for National Test Ranges: Inert Debris, Range Commanders Council, New Mexico, USA, 2002.
Volocopter. Volocity [Internet]. Available: https://www.volocopter.com/solutions/volocity
The Future of Transportation: White Paper on Urban Air Mobility Systems, Ehang, 2020.
H. Sheikhi, A. Saghaie, "Developing and Engineering-statistical Model for Estimating Aerodynamic Coefficients of Helicopter Fuselage," Chinese Journal of Aeronautics, Vol. 30, No. 1, pp. 175-185, Feb. 2017.
National Geographic Information Institute. National Statistical Map. [Internet]. Available: http://map.ngii.go.kr/ms/map/NlipMap.do?tabGbstatsMap
Y. S. Kim, "Ground Risk Model Development for Low Altitude UAV Traffic Management," Journal of Advanced Navigation Technology, Vol. 24, No. 6, pp. 471-478, Dec. 2020.
Y. S. Kim, J. W. Bae, "Small UAV Failure Rate Analysis Based on Human Damage on the Ground Considering Flight Over Populated Area," Journal of Korean Society Aeronautical Space Science, Vol. 49, No. 9, pp. 781-789, Sep. 2021.
B. Ale, M. Piers, "The assessment and management of third party risk around a major airport," Journal of Hazardous Materials, Vol. 71, No. 1-3, pp. 1-16, Jan. 2000.

상세보기
S. D. Brady, R. J. Hillestad, Modeling the External Risks of Airports for Policy Analysis, RAND Corporation, Santa Monica, CA, USA, 1995.
Enforcement Decree of the Housing Act, Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2022.
A. V. Shelley, "A model of human harm from a falling unmanned aircraft: Implications for UAV regulation," International Journal of Aviation, Aeronautics, Aerospace, Vol. 3, No. 3, pp. 1-42, Jul. 2016.
D. W. King, A. Bertapelle, C. Moses, "UAV Failure Rate Criteria for Equivalent Level of Safety," International Helicopter Safety Symposium, Sep. 2005.
The AirSafe.com News. NTSB Report on the February 2010 Crash into IRS Building [Internet]. Available: http://www.airsafenews.com/2010/04/ntsb-report-on-february-2010-crash-into.html
Aircraft Accident Brief, National Transportation Safety Board, Washington D.C., Accident No. DCA07MA003, 2007.

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)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증