[논문]SMS 기반의 도심항공교통 운항 적합성 안전평가

최지헌

doi:10.12673/jant.2024.28.5.610

초록
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본 연구는 K-UAM 로드맵을 바탕으로 성공적인 UAM 사업의 조기 정착을 위하여 SMS에 기반한 UAM 운항 안전평가를 수행할 수 있는 최적의 방안을 제시한다. UAM 상용화는 국가의 역량을 집중하여 진행 중이나 사업화를 위한 기술개발에 치중되어 있으며 UAM의 안전관리의 적용에 관한 논의는 충분히 이루어지지 않고 있다. 따라서 이 연구는 운항학적 관점에서 UAM 운항 생태계의 안전성을 평가하는 방법을 제안하고자 하며, 이를 위해 민간항공에 적용중인 SMS 기반의 FOSA 방법론을 활용하는 방안을 제시한다. FOSA는 운항 안전 적합성을 평가하는 방법으로 PBN 운항 환경에 적용된다. 이 연구는 UAM 안전평가 담론에 대한 논의를 시작하는 계기로써 중요한 의미를 가지며 본 연구에서 제시된 안전평가 사례는 UAM 상용화 목표 달성과 UAM의 안전운항에 기여할 것으로 본다.

Abstract ▼ AI-Helper

Based on the K-UAM roadmap, this study evaluated the safety for the initial UAM demonstration project and operation. Research in each field is underway for early settlement of UAM, but the progress of research is showing limitations without clear regulations and lack of operational experience. This ...

Based on the K-UAM roadmap, this study evaluated the safety for the initial UAM demonstration project and operation. Research in each field is underway for early settlement of UAM, but the progress of research is showing limitations without clear regulations and lack of operational experience. This study aims to find a way for UAM to operate in reality, and for this purpose, the defense system for evaluating the safety of civil aviation was applied as SMS. In addition, the technical elements of the maneuvering of UAM aircraft were reviewed from a flight perspective. As a result, a unexpected problem was derived in the take-off and landing stage of the current airspace, flight corridor, and operation stage. Based on this, alternatives were derived and suggested to successfully complete the UAM demonstration project by FOSA which is Risk assessment Tool. Therefore, if the direction of UAM research is set by citing the results of this study, it is expected to contribute to the safe operation of UAM.

Keyword

표/그림 (7)

그림 그림 1. FOSA 고려요소 Fig 1. Elements to consider in a FOSA.
그림 그림 2. 한강(노들섬)회랑 항적자료 Fig 2. Navigation data of Han River(Nodeul Island) corridor.
그림 그림 3. 한강(노들섬)회랑 항적자료 MATLAB 분석 Fig. 3. Analysis of MATLAB in the Hangang River( Nodeul Island) corridor navigation data.
표 표 1. 운항 적합성 안전평가 고려사항 Table 1. Consideration of operation safety assessment.
표 표 2. UAM 운항 적합성 안전평가 요소 Table 2. Consideration of UAM operation safety assessment.
표 표 3. UOSA 안전관리 Table 3. UOSA safety management.
그림 그림 4. UOSA 방법을 적용한 위험경감 사례 Fig 4. A case of risk mitigation using UOSA method.

AI 본문요약
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문제 정의

SMS(safety management system)의 적용은 위험도 관리를 통해 식별된 위해요인을 제거하고 안전 목표를 유지 또는 발전시키는데 목적이 있다. 현재 UAM 연구는 위험도 관리의 과정에서 UAM 운항환경의 위해요인을 식별하는 초기 단계로 볼 수 있다.
따라서 운항 적합성 안전평가 고려사항과 FOSA의 구성요소를 비교하여 UAM 운항 적합성 안전평가 요소를 도출하였다. 본연구는 서울시 버티포트 후보지를 대상으로 SMS 기반의 FOSA 기법을 UAM에 적용한 최초의 사례이며 향후 UAM 운항 적합성 안전평가를 수행하는 방법론 개발과 적용에 관한 방향성을 제시한다.
UAM은 다양한 위험을 내재한 사업으로 철저한 안전관리 내에서 진행되어야 한다. 본 연구는 안전한 하늘길 개척을 위한 SMS 기반의 UAM 안전관리 해결방안을 모색하였다. 선제적인 SMS 관리는 예측된 위험을 경감하고 방지함으로써 치명적인 UAM 사고를 줄일 수 있을 것이며 UAM 사업이 지속적으로 진행될 수 있도록 기여한다.
FOSA 기법은 UAM 운항체계의 안전을 평가하는 도구로 자체개념을 그대로 적용하기에는 한계가 있다. 때문에 이 연구에서는 UAM 고유 특성을 반영하여 UAM 운항 적합성 안전평가(UOSA)를 제시했으며 실 분석 사례를 소개하였다. 이 사례는 UAM 운항 안전 평가요소 중 일부 핵심요소만 적용한 사례로 차후 모든 요소를 적용하여 UAM 운항 안전평가를 강화해 나갈 수 있다.

제안 방법

UAM 안전관리 기법의 안전평가 방법 연구는 미비한 실정이다. 이 연구에서는 UAM 운항환경을 분석한 선행연구를 통해 UAM 비행회랑 구성의 문제와 UAM 운항환경의 해결과제를 식별하였다. 운항환경을 분석한 대표적 연구는 김용옥(2023)의 연구로써 UAM 비행회랑 설계를 위한 기준을 제시하였다[5].
UAM 비행회랑 설계를 위한 기존 연구에서 보듯 VFR(visual flight rules) 비행 방식에서 비행회랑을 이용한 UAM 운항 인프라 구축은 활용이 제한적이며 미래의 신 교통체계를 구성하는 기술로 적용하는데 제한적이다. 따라서 UAM 체계에 적합한 기술의 적용과 안전관리 기법을 적용하여 사례 연구를 진행하였다.
본 연구는 첫째, FOSA 구성요소를 UAM 생태계에 맞도록 재구성하여 UAM 운항 적합성 안전평가 구성요소를 도출하고 UOSA(uam operation safety assessment) 기법을 정립하였다. 둘째, UOSA 기법을 통해 예상되는 위해요인을 식별하였고, 경감 조치 방안을 모색하였다.
본 연구는 첫째, FOSA 구성요소를 UAM 생태계에 맞도록 재구성하여 UAM 운항 적합성 안전평가 구성요소를 도출하고 UOSA(uam operation safety assessment) 기법을 정립하였다. 둘째, UOSA 기법을 통해 예상되는 위해요인을 식별하였고, 경감 조치 방안을 모색하였다. 또한 일련의 연구과정을 통해 SMS 기반의 UOSA기법의 활용 가능성을 확인하였다.
운항 적합성 안전평가 고려사항은 표1과 같으며 FOSA 구성요소와 동일하거나 유사한 성격을 갖는다. 따라서 운항 적합성 안전평가 고려사항과 FOSA의 구성요소를 비교하여 UAM 운항 적합성 안전평가 요소를 도출하였다. 본연구는 서울시 버티포트 후보지를 대상으로 SMS 기반의 FOSA 기법을 UAM에 적용한 최초의 사례이며 향후 UAM 운항 적합성 안전평가를 수행하는 방법론 개발과 적용에 관한 방향성을 제시한다.
표2는 FOSA와 UOSA를 비교하여 UAM 운항 적합성 안전평가에 적용할 수 있도록 구성요소들을 도출한 결과이다. FOSA의 구성요소들을 유지, 변경, 삭제로 구분하여 향후 UOSA 기법에 필요한 필수 구성요소들로 구분하였다.
UOSA의 구성요소 중 실증사업구역의 지정을 위한 검토항목(제2조 제2항 관련)과 운항학적 관점에서 UAM 공역 사용가능여부, 출발지와 목적지 구간의 거리와 항공기 기동 특성을 우선 고려하였다.

대상 데이터

이러한 연구 동향을 운항 적합성 평가 항목을 중심으로 검토한 결과 UAM 항공기의 운항 측면에서 개선해야 할 사항이 도출되었다. 연구의 범위는 실증사업 장소로 선정된 서울시로 한정한다.
UOSA 기법을 적용하여 사례 분석을 수행하였다. 서울시 버티포트 후보지 한강공원 제2주차장을 대상으로 정했으며 UAM 운항단계별로 구분하여 분석을 수행하였다.
그림 4는 서울시 버티포트 후보지 잠실헬기장을 대상으로 UOSA 방법을 적용한 위험경감의 사례이다. 그림4와 같이 UAM 항공기가 고도 300M에 위치할 경우 최소 반경 0.

이론/모형

본 연구는 SMS에 기반한 FOSA (flight operational safety assessment) 기법을 적용하였으며 현재 개발 시점에서 UAM 항공기의 이착륙과 접근, 순항 단계에서 식별된 위해요인을 경감하고 선제적으로 대응하고자 한다.
UAM 실증은 시계비행방식을 적용한다. 그러나 UAM 항공교통 인프라 개발은 PBN (performance based navigation), CNS/ATM (communication, navigation, surveillance / air traffic management), CNSi (communications, navigation surveillance, and information) 기술위주로 개발이 추진되고 있다[2].
본 연구에서는 ICAO Doc 9997 및 ANNEX 19 SMS에 소개된 FOSA 방법을 활용한다. FOSA는 지형지물, 장애물, 산악지형에 적용한 PBN 방식의 항공인프라에 대한 안전성을 평가하는 방법으로 UAM 생태계의 안전성을 평가하는 데 적합하다[3].
UOSA 기법을 적용하여 사례 분석을 수행하였다. 서울시 버티포트 후보지 한강공원 제2주차장을 대상으로 정했으며 UAM 운항단계별로 구분하여 분석을 수행하였다.

성능/효과

하지만 UAM R＆D (research & development) 연구·개발의 진행 사항을 보면, UAM 항공기의 운항 가능성에 대한 연구보다는 기술체계 도입 및 시스템 개발에 집중되어 있다. 이러한 연구 동향을 운항 적합성 평가 항목을 중심으로 검토한 결과 UAM 항공기의 운항 측면에서 개선해야 할 사항이 도출되었다. 연구의 범위는 실증사업 장소로 선정된 서울시로 한정한다.
둘째, UOSA 기법을 통해 예상되는 위해요인을 식별하였고, 경감 조치 방안을 모색하였다. 또한 일련의 연구과정을 통해 SMS 기반의 UOSA기법의 활용 가능성을 확인하였다.
그 결과 VTOL(vertical take-off and landing)의 정상 이착륙(take off, landing), Climb, Cruise, Descent 단계에서 UAM 항공기 운항의 비효율적인 문제점이 식별되었으며 특히 Approach 구간에서 거리대비 고도 처리의 문제점이 식별되어 위험경감대책이 필요한 것으로 도출되었다. 예를 들어 버티포트 대상지 한강공원 제2주차장과 김포공항의 거리는 대략 7NM 이내로 UAM 공역 최대고도 600M를 순항고도로 선정하기에는 부적절하였다.
4NM로 산출된다. 결론적으로 장주(traffic pattern) 적용시 버티포트로 부터 최소 ABEAM 0.88NM 이상의 위치에서 선회와 강하시작이 필요하다.

후속연구

이 선행연구에서 보듯 한강회랑을 비행한 회전익 항공기의 비행범위는 175m로 도심지역에서 운항을 해야 하는 UAM 항공기의 비행회랑의 기준을 설정하는 데 문제가 있다. 연구의 결과에서 보듯이 UAM 운항방식에 대한 재평가와 UAM 운항환경에 대한 안전평가가 동시에 요구되며 안전관리시스템 도입과 적용이 필요한 시점이다.
향후 해결과제로 UOSA는 UAM 운항환경을 구성하는 CNS/ATM의 명확한 법제화와 선제적 시행이 요구된다. 이는 UAM 운항을 위해서는 연구에서 식별된 위험을 경감하는 방안으로 성능기반항행(PBN) 도입이 불가피하기 때문이다.
이에 UAM 운항학적 측면에 따른 고려사항이 복합적으로 수행되어야 한다. 이 연구에서 제시한 UOSA의 유효성을 검증하기 위해서는 향후 추가연구가 요구된다.

참고문헌 (8)

MOLIT, K-UAM concept of operations 1.0, UAM Team？Korea, Sejong, Korea, Sep 2021. Retrieved from？https://www.kaia.re.kr/portal/cargos/attachFileDown.do?foSeqno4020&seqno7638
ICAO, Annex 19: Safety Management System, 2nd ed.？Montreal, Canada, 2016.
ICAO, Doc 9997: Performance-based Navigation (PBN)？Operational Approval Manual, 2nd ed. Montreal, Canada,？p. 131, May. 2020.
Claudia Alexandra Fernandes Cabaco, Flight Operational？Safety Assessment Requirements for New Procedures？(RNP-AR), Universidade Tecnica de Lisboa, Oct. 2010.
Y. O. Kim, A method for flight mission determination using？urban helicopter flight operation analysis, Ph. D.？dissertation, Hanseo University, Republic of Korea, 2023.？Retrieved from https://www.riss.kr/link?idT16837975.
Y. S. Kim, "Analysis of human casualties on the ground in？urban area due to UAM crash," Journal of Advanced？Navigation Technology, Vol. 26, No. 5, pp. 668-676, Oct.？2022. DOI: https://doi.org/10.12673/jant.2022.26.5.281.

원문보기 상세보기
Safety Management International Collaboration Group (SMICG), Hazard Taxonomy Examples, July. 2018.
J. H. Choi, "A study on the selection of UAM pilots and？establishment of training," Journal of Korean Aviation？Management Association, Vol. 30, No. 3, pp. 132-139, Sep.？2022. DOI: https://doi.org/10.12673/jant.2023.27.3.269.？

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