KR20230078097A - 도심항공교통 실증 관리를 위한 디지털 트윈 기술에 기반한 3d 가시화 방법 - Google Patents

Abstract

UAM 기체의 항로를 설정하는 방법은, 디지털 트윈 기술 기반의 UAM 플랫폼을 설계하고, UAM 기체의 운항을 위한 전용 항로를 설계하며, 상기 UAM 기체의 운항을 위한 버티포트 및 입출항 경로를 설계하고, 상기 UAM 기체의 항로에 대한 위험도를 분석하는 것을 포함할 수 있다. 디지털 트윈 기술 기반의 UAM 플랫폼을 설계하기 위하여, 2D 인프라, 3D 인프라, 및 UAM 전용 데이터베이스 중 적어도 하나를 포함하는 UAM 디지털인프라가 구축되고, 2D 기반의 시뮬레이션 및 3D 기반의 디지털 트윈 시뮬레이션이 수행될 수 있다. UAM 기체의 운항을 위한 전용 항로를 설계하기 위하여, RNP(Required Navigation Performance) 항법을 적용하여 GNSS 및 GPS 중 적어도 하나에 기반하는 가이드가 제공되고, 상기 UAM 기체가 RNP 0.02의 항법 성능을 충족하는 경우에 응답하여, 수평적 범위는 148 미터로 설계되고, 상기 UAM 기체가 RNP 0.05의 항법 성능을 충족하는 경우에 응답하여, 수평적 범위는 370 미터로 설계되며, 상기 항로의 수직적 범위는 지표면으로부터 300 미터 및 460 미터 중 하나를 중심으로 하는 60 미터로 설계될 수 있다.

Description

도심항공교통 실증 관리를 위한 디지털 트윈 기술에 기반한 3D 가시화 방법{3D VISUALIZATION METHOD BASED ON DIGITAL TWIN TECHNOLOGY TO MANAGE URBAN AIR MOBILITY SUBSTANTIATION}

이하, 도심항공교통(Urban Air Mobility; UAM) 운항 서비스 시대를 대비한 다양한 시뮬레이션과 실시간 관제 등을 염두에 둔 디지털 트윈 플랫폼 설계를 고안하고, UAM 관련 기업, 정부, 연구기관 등이 실무에 활용 가능한 3차원 지도 기반의 가시화 기술에 관한 기술이 개시된다.

UAM(urban air mobility)은 항공 및 IT(information technology) 기술을 활용하여 도시하늘을 여는 친환경 교통수단으로서, 도시 지상교통 혼잡 문제의 해결수단으로 급부상 중이다.

UAM 기체는 저소음, 친환경 동력인 전기에너지 기반의 수직이착륙 교통수단으로 제작될 예정이며, UAM 산업 자체는 기체를 포함하여 이를 지원하기 위한 이/착륙 인프라, 운영 플랫폼 등을 포함하는 항공교통체계로 인식될 수 있다.

정부 주도의 기술로드맵에서, 기체 제작(예: 기체, 부품), 인프라(예: 항행 설비, 전력, 교통 관리, 터미널), 서비스(예: 기상, 운송, 통신) 등뿐만 아니라 유관 산업분야의 제반기술들과 인력 및 법제도 등은 모든 기술범위에 포함될 수 있다.

UAM 기술 기반 산업은 단순히 혁신기술을 통한 새로운 교통체계 개발 수준이 아니라, 도시의 교통체증을 해결하기 위한 기존 교통체계와의 연관성을 수립하는 디지털 트윈 기반 스마트시티 구상에 포함될 수 있다.

본 발명에서, 항공기술 분야, 3차원 지도구축 분야, 및 디지털 트윈 기술 전반을 총체적으로 융합하는 UAM을 운용하기 위한 전용 디지털 인프라는 설계될 수 있고, 3차원 기반으로 시뮬레이션 및 가시화를 수행하는 디지털 트윈 기반 3D 가시화 플랫폼의 기초기술은 제시될 수 있다.

본 발명은 디지털 트윈 철학에 입각한 플랫폼을 구상하여, 3차원 지도 기반의 UAM 운항을 대비한 각종 저고도 항공 공역체계, 항로생성 및 버티포트(vertiport) 운영을 위한 3D 시뮬레이션 및 가시화를 효과적으로 표출할 수 있는 운용 플랫폼을 구상하는 문제를 해결하고자 한다.

일 실시예에 따른 UAM 기체의 항로를 설정하는 방법은, 디지털 트윈 기술 기반의 UAM 플랫폼을 설계하는 단계, UAM 기체의 운항을 위한 전용 항로를 설계하는 단계, 상기 UAM 기체의 운항을 위한 버티포트 및 입출항 경로를 설계하는 단계, 및 상기 UAM 기체의 항로에 대한 위험도를 분석하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 디지털 트윈 기술 기반의 UAM 플랫폼을 설계하는 단계는 2D 인프라, 3D 인프라, 및 UAM 전용 데이터베이스 중 적어도 하나를 포함하는 UAM 디지털인프라를 구축하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 디지털 트윈 기술 기반의 UAM 플랫폼을 설계하는 단계는 2D 기반의 시뮬레이션 및 3D 기반의 디지털 트윈 시뮬레이션을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 UAM 기체의 운항을 위한 전용 항로를 설계하는 단계는 RNP(Required Navigation Performance) 항법을 적용하여 GNSS 및 GPS 중 적어도 하나에 기반하는 가이드를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 UAM 기체의 운항을 위한 전용 항로를 설계하는 단계는 상기 UAM 기체가 RNP 0.02의 항법 성능을 충족하는 경우에 응답하여, 수평적 범위를 148 미터로 설계하는 단계, 상기 UAM 기체가 RNP 0.05의 항법 성능을 충족하는 경우에 응답하여, 수평적 범위를 370 미터로 설계하는 단계 및 상기 항로의 수직적 범위를 지표면으로부터 300 미터 및 460 미터 중 하나를 중심으로 하는 60 미터로 설계하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 UAM 기체의 운항을 위한 전용 항로를 설계하는 단계는 장애물제한고도(Minimum Obstacle Clearance; MOC)를 150미터로 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 UAM 기체의 운항을 위한 전용 항로를 설계하는 단계는 기류(wind drift), 오버슈트(overshoot), 및 언더슈트(undershoot) 중 하나 이상에 기초하여 상기 항로 중 선회구간을 설계하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 UAM 기체의 운항을 위한 버티포트 및 입출항 경로를 설계하는 단계는 가로 및 세로가 15 미터 및 30 미터 중 하나인 버티포트 이착륙 구역을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 UAM 기체의 운항을 위한 버티포트 및 입출항 경로를 설계하는 단계는 설계된 항로와 버티포트를 이어주는 버티포트 입출항 경로를 설계하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 UAM 기체의 항로에 대한 위험도를 분석하는 단계는 유동인구 위험도 인덱스, 비행금지구역, 격자 기반 안전위험지도, 지상 위험 모델링, 기체 추락 궤적 모델링, 시나리오 기반 시뮬레이션 수행, 및 추락 확률 반경 기반 격자 인덱스 중 적어도 하나 이상에 기초하여 위험도를 평가하는 단계 및 상기 평가된 위험도를 가시화하는 단계를 포함할 수 있다.

도 1은 일실시예에 따른 ADS-B 데이터 및 가공 데이터의 적용을 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따른 복행(Go-Around) 발생 지점 시각화 구현을 나타낸다.
도 3은 일 실시예에 따른 시간에 따른 복행(Go-Around) 시각화 구현을 나타낸다.
도 4는 일 실시예에 따라 항공사별 복행의 발생을 시각화하는 것을 나타낸다.
도 5는 일 실시예에 따라 시간에 따른 복행이 발생한 시점에서의 항적(track) 및 고도를 시각화하는 것을 나타낸다.
도 6는 일 실시예에 따른 2D 항로설정 기능에 관한 화면을 나타낸다.
도 7은 일 실시예에 따른 2D 기반의 시뮬레이션 기능을 나타낼 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 항로 위험도 분석에 관한 설정 항로 및 위험도 분석 가시화 레이어를 나타낸다.
도 9은 일 실시예에 따른 3D 기반의 디지털 트윈 시뮬레이션 기능을 나타낼 수 있다.
도 10는 UAM 설계에 기반한 시스템 서비스 구성도를 나타낼 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 항로 설계 전면도를 나타낸다.
도 12은 일 실시예에 따른 MOC의 적용을 나타낸다.
도 13는 일 실시예에 따른 TF 선회 방식에 기초한 항로 선회 구간 설계를 나타낼 수 있다.
도 14은 일 실시예에 따른 RF 선회 방식에 기초한 항로 선회 구간 설계를 나타낼 수 있다.
도 15는 일 실시예에 따른 선회구간 설정 예시를 나타낼 수 있다.
도 16는 일 실시예에 따른 버티포트 이착륙 구역 규격을 나타낸다.
도 17는 일 실시예에 따른 입출항 경로 선회구역을 나타낸다.
도 18는 일 실시예에 따른 입출항 경로 장애물 제한 표면을 나타낸다.
도 19은 일 실시예에 따른 입출항 경로 장애물 제한 표면의 전면도(front view)를 나타낸다.
도 20는 일 실시예에 따른 입출항 경로 장애물 제한 표면의 평면도(Top view)를 나타낸다.
도 21는 일 실시예에 따른 입출항 경로 장애물 제한 표면의 3D 도(3D view)를 나타낸다.
도 22는 일 실시예에 따른 입출항 경로 선회 구간을 나타낸다.
도 23는 일 실시예에 따라 유동 인구 격자별 위험도 인덱스를 산출하는 것을 나타낸다.
도 24는 일 실시예에 따른 유동 인구 위험도 인덱스와 함께 동일 집단군이 통합된 것을 나타낸다.
도 25는 일 실시예에 따른 월별로 유동인구를 3단계로 구분하는 것을 나타낸다.
도 26는 일 실시예에 따른 격자 기반 안전 위험 지도를 나타낸다.
도 27 및 도 28은 일 실시예에 따른 기체 추락 궤적 모델링을 나타낸다.
도 29 및 도 30는 일 실시예에 따른 시나리오 기반 시뮬레이션 수행을 나타낸다.
도 31는 일 실시예에 따른 추락 확률 반경(CPD) 기반 격자 인덱스 연산을 나타낸다.

실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 구현될 수 있다. 따라서, 실제 구현되는 형태는 개시된 특정 실시예로만 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 실시예들로 설명한 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 명세서에서 개시되는 기술은 다음의 과제와 관련된다:

도 1은 일 실시예에 따른 UAM 플랫폼 메뉴 구성을 나타낸다.

UAM 플랫폼은 향후 UAM 기체가 도심에서 운용되는 경우에, UAM 기체의 운용 관리를 위한 디지털 기반 플랫폼을 나타낼 수 있다. 예를 들어, UAM 플랫폼은 정책결정자 및 UAM 서비스 사업자에 의하여 공통으로 운용될 수 있다.

분류	요구사항 명	요구사항 정의
플랫폼 기본기능	로그인	관리자 및 사용자 로그인 기능
	회원가입	사용자 추가를 위한 회원가입 기능
	회원관리 및 승인	플랫폼 관리자 기능
지도 기본기능	2D map 연계	국가 및 지자체의 2D 지도 데이터
	3D map 연계	국가 및 지자체의 3D 지도 데이터
	2D 지도 컨트롤	확대, 축소, 회전, 이동
	3D 지도 컨트롤	확대, 축소, 회전, 이동
	분할지도 기능	시점에 따른 분할지도
	배경지도 변경	사용자가 원하는 지도의 선택
	위치좌표 표출	마우스 커서 위치에 좌표를 표출
	지도 시점 변경	Top/Side/Isometric/Cross-section view
항로 관리	항로목록조회	실증항로 및 테스트항로 조회
	항로 정보 CRUD	항로를 생성/추가/삭제/수정
	항로 검색	기존 항로들을 조회하여 선택하는 기능
시뮬레이션 관리	시뮬레이션 목록 조회	시뮬레이션 목록을 조회
	시뮬레이션 정보 CRUD	생성된 시뮬레이션을 생성/추가/삭제/수정
	시뮬레이션 검색	시뮬레이션들을 조회하여 선택하는 기능
버티포트/ 비상 착륙장 관리	버티포트/비상착륙장 목록 조회	버티포트 등 목록을 조회
	버티포트/비상 착륙장 CRUD	생성된 버티포트 등 생성/추가/삭제/수정
	버티포트/비상 착륙장 검색	버티포트 등을 조회하여 선택하는 기능
GIS 기본 기능	레이어 중첩	위험도 분석 결과, 공역데이터, LiDAR 등 모든 레이어의 중첩 가시화
	공간분석기능	중첩, 병합, 자르기, 삭제 등 GIS 기본 기능의 제공
	좌표변환	다양한 좌표계를 적용하는 기능
데이터 수집/정제	3D건물데이터연계 (LoD1)	국가 및 지자체의 3D 지도 데이터 (LoD 1 수준 적용)
	위험도분석 맵 연계	지도기반의 위험도분석 데이터 연계 기능
	위험도분석 맵 연계&가시화 (레이어 선택)	위험도분석 데이터 가시화 기능
	공역 데이터 맵 연계&가시화 (레이어 선택)	국가 제공 표준 공역데이터 연계 기능
	LiDAR 연계	국가 제공 LiDAR 데이터 연계 기능
	UAM 기체 데이터 탑재	3D 모델링 기반의 UAM 기체 데이터
	Vertiport(이착륙장) 데이터 탑재	3D 모델링 기반의 버티포트 데이터

표 1에서 나타난 바와 같이, UAM 플랫폼의 요구기능은 3D 지도 기반으로 정의될 수 있다. UAM 운용을 위한 플랫폼의 메뉴는 UAM 플랫폼의 요구 기능에 기반하여 도출될 수 있다. 예를 들어, UAM 운용을 위한 플랫폼의 메뉴는 기체관리 기능, 버티포트/버티스탑 운용 기능, 항로 생성 및 관리 기능, 및 시뮬레이션 기능에 대응하는 메뉴들을 포함할 수 있다.

개발된 UAM 플랫폼의 기능은 시뮬레이션 및 관제를 대비한 3D 지도 기반의 디지털 인프라 구축, 2D 기반의 시뮬레이션, 및 3D 기반의 디지털 트윈 시뮬레이션 기능을 포함할 수 있다.

도 2는 일 실시예에 따른 UAM 디지털 인프라를 나타낸다.

UAM 디지털 인프라는 UAM 기체가 실제 현실에서 운용되는 것처럼 컴퓨팅 환경에서 운용될 수 있는 기초 데이터 및 체계(또는 시스템)를 나타낼 수 있다. UAM 디지털 인프라는 2D 인프라, 3D 인프라, 및 UAM 전용 데이터베이스를 포함할 수 있다.

2D 인프라는, 흔히 사용되는 2차원 전자지도(예를 들어, 네이버지도)에 기반하는 것으로서, 국가에서 무상으로 제공하는 브이월드(Vworld)기반 데이터들을 활용 및/또는 연계될 수 있다. 또한, 2D 인프라에서, 관심지역(Point Of Interest; POI) 정보는 용이한 사용자 검색을 위하여 2D 데이터와 함께 연계됨으로써 사용자 활용성을 높일 수 있다.

3D 인프라는, 중앙정보 및 지방자치단체에서 공동 활용을 위해 구축한 데이터로서, 브이월드(Vworld) 등을 비롯한 무상 제공 기반 데이터들을 활용 및/또는 연계될 수 있다. 또한 3D 인프라에서, 3차원 기반의 건물데이터는 도심항공교통이라는 UAM 운용 특성을 고려하여 중첩적으로 연계될 수 있다. 3차원 기반의 건물데이터들은 추후 UAM 운용에 있어서, 항행 안전성을 시각화하는 데 이용될 수 있는 핵심데이터로 활용될 수 있다.

도 3은 일 실시예에 따른 UAM 플랫폼 데이터베이스를 개체-관계 다이어그램(Entity-Relationship Diagram)을 통해 나타낸다.

UAM 전용 데이터베이스(또는 UAM 데이터베이스(UAM DB))는, 플랫폼 운용을 위해 필요한 요소로서, 2D 지도 데이터, 3D 지도 데이터, 기체 및 버티포트 등 모델링데이터, 및 다양한 분석 시뮬레이션을 위한 기초데이터 등을 포함할 수 있다. UAM 데이터베이스는 플랫폼 운용을 원활하게 하기 위하여 플랫폼 설계 초기에 플랫폼 설계와 함께 구축될 수 있다.

순번	테이블명(영문)	테이블명(한글)	설명
1	UAM_VTOL	UAM_기체	UAM 기체를 관리
2	UAM_VTOL_TYPE	UAM_기체_타입	기체 타입을 정의
3	UAM_CORRI	UAM_항로	UAM 항로를 관리
4	UAM_CORRI_ELSPOT	UAM_항로_버티스탑	항로 인근 버티스탑을 관리
5	UAM_CORRI_POINT	UAM_항로_경유지	항로의 경유지 정보 관리
6	UAM_VERTI	UAM_버티포트	버티포트를 관리
7	UAM_ELSPOT	UAM_버티스탑	버티스탑을 관리

표 2는 UAM 전용 데이터베이스 목록에 관한 것이다.

표 2에서 나타난 바와 같이, UAM 전용 데이터베이스는 UAM 플랫폼에 의하여 관리되는 대상에 관한 관리 대상 데이터 및 시뮬레이션 및 분석을 위한 참고 데이터를 포함할 수 있다. 관리 대상 데이터는 UAM 기체, 항로, 버티포트, 및 버티스탑 중 하나에 관한 데이터로 분류될 수 있다.

기체(예를 들어, UAM 기체)는 유형별로 다수의 기체 운영들이 전제될 수 있고, 기체의 유형(또는 기체의 타입) 및 상태는 구분되어 정의될 수 있다. 기체 유형은, 예를 들어, 무게, 최대 속력, 동체 길이, 및 로터 수 등과 같은 기체의 상세 사양으로 정의될 수 있다. 기체 상태는, 예를 들어 출발시간, 도착시간, 이용항로, 최종위치, 배터리 상태, 및 이동거리 등과 같은, 실시간 조회를 위하여 요구되는 정보를 포함할 수 있다.

기본 항로는 출발 버티포트 및 도착 버티포트가 선택됨으로써 생성될 수 있다. 항로는 생성된 기본 항로에 경유지가 추가됨으로써 더 설정될 수 있다. 항로에는 버티스탑이 포함될 수 있다. 예를 들어, 항로 주변의 버티스탑은 자동으로 항로에 추가될 수 있고, 사용자에 의하여 추가 및/또는 삭제될 수 있다.

버티포트 및 버티스탑의 데이터베이스 구조는 동일하지만 추가적으로 확장될 수 있는 가능성을 고려하여 각각 별도로 구성될 수 있다.

도 4는 일 실시예에 따른 전체적인 UAM 데이터베이스를 나타낸다.

관리 대상 데이터 외에 시뮬레이션 및 분석을 위한 참고 데이터는 분석DB, 공간정보DB, 및 시뮬레이션 DB를 포함할 수 있다. 기체 동력모델, 위험도 분석 레이어, 시나리오 서비스 등이 참고 데이터에 기반하여 구현될 수 있다.

분석DB는 위험도 분석 레이어를 구성하는데 활용될 수 있고, 50m × 50m 간격의 격자형 유동인구 데이터를 기반으로 그 위에 용도 지역지구, 재난위험지역 데이터 등을 중첩하여 위험도 분석 레이어가 구성될 수 있다. UAM 플랫폼에서, 위험도 분석 레이어 및 분석 DB를 통해 항로의 위험도가 분석될 수 있다.

공간정보DB는 2D 지도 및 3D 디지털 트윈 환경을 구성하는데 활용될 수 있다. 2D 지도는 2D 항공지도, 2D 전자지도, 및 행정경계 등에 기반하여 구성될 수 있다. 3D 디지털 트윈 환경은 3D 배경지도, DEM, 3D 건물(LoD1), 및 LiDAR 등에 기반하여 구성될 수 있다. 또한 2D 및/또는 3D 기반의 환경에 POI 정보를 융합함으로써 사용자의 편의성은 높아질 수 있다.

시뮬레이션DB는 각각의 시뮬레이션 환경을 구성하는데 활용될 수 있고, 실제 시뮬레이션이 수행될 때 결과가 저장될 수 있다.

도 5는 일 실시예에 따른 2D 및 3D 배경지도 가시화 화면을 나타낸다.

UAM 플랫폼에서, 다양한 데이터들이 레이어로 표출될 수 있고, 각 데이터는 API 연계 또는 데이터베이스로 관리될 수 있다. Vworld의 2D 및/또는 3D 지도가 UAM 플랫폼의 배경지도로서 사용될 수 있고, 배경지도는 영상 지도, 하이브리드 지도, 및 지형 지도 중에서 원하는 용도에 따라 선택될 수 있다.

추가적으로, 항공과 관련된 다양한 정보, 예시적으로, 항공로, 공역, 시계비행 등을 제공하는 항공정보도는 배경지도 위에 매쉬업(Mash-up)될 수 있다. 예를 들어, 항공정보도의 다양한 레이어 중에서 관제권, 비행금지구역, 및 비행제한구역이 기본적으로 표출될 수 있다.

항공정보도가 매쉬업(Mash-up)된 UAM 플랫폼 배경지도는, 항로 생성 및 버티포트 위치 설정에 활용 가능할 수 있다. 항공정보도는 Vworld의 API 연계를 통해 개발되어 데이터 갱신으로부터 자유롭다.

UAM 플랫폼의 위치 검색 기능은 데이터의 갱신 및 신뢰도를 고려하여 Vworld의 POI 검색 API와 연계될 수 있다. Vworld에서 제공하는 관심 지역 정보는 국가기본도의 지명, 지형, 및 지물 등의 정보 및 정부에 의하여 구축된 각종 공공정보(예: 주소, 복지, 안전 등)에 기반하여 '명칭+위치정보+분류체계+속성'의 형태로 가공되어 구성될 수 있다.

위치 검색 기능을 통해, 키워드에 기초하여 원하는 결과가 검색될 수 있고, 검색된 결과가 선택되는 경우, 결과의 위치 정보에 기반하여 지도는 이동될 수 있다. 이동된 결과에 기초하여, 항로 및/또는 버티포트의 정밀한 위치는 선정될 수 있다.

도 6는 일 실시예에 따른 2D 항로설정 기능에 관한 화면을 나타낸다.

2D 기반의 시뮬레이션은 UAM 정책결정자 및 서비스사업자에 의하여 사용되는 업무를 위한 가장 기본적인 기능으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 2D 기반의 시뮬레이션은 UAM 항로 설정 기능, 항로 위험도 분석, 기타 기능을 포함할 수 있다.

UAM 항로 설정 기능은 기본적으로 출발지 및/또는 도착지 기능을 하는 버티포트(vertiport) 생성 및 관리 기능이 연계될 수 있다. 예를 들어, UAM 항로 설정 기능은 기본 베이스 맵에 설정된 항로를 노드(node) 기반으로 편집하고 관리하는 기능을 포함할 수 있다.

설정된 항로는 2D 기반에서 일단 표출이 될 수 있다. 표출된 항로는 추후 3D 디지털 트윈 기반으로 가시화되는 기초적인 프로세스의 역할을 할 수 있다. 데이터베이스에 저장된 기존 항로는 가시화될 수 있고, 추가적으로 직관적인 툴과 UI(user interface)는 신규 항로를 2D 기반으로 새롭게 그려볼 수 있도록 제공될 수 있다.

도 7은 일 실시예에 따른 2D 기반의 시뮬레이션 기능을 나타낼 수 있다. 도 8은 일 실시예에 따른 항로 위험도 분석에 관한 설정 항로 및 위험도 분석 가시화 레이어를 나타낸다.

UAM 항로 위험도 분석은 사전에 비행금지구역, 국가기반시설, 유동인구 분석데이터 등을 활용하여, 항로로 이용되기에 부적합한 지역을 확률 통계에 기반하여 별도의 공간정보 레이어(layer)(예를 들어, 위험도 레이어)로 생성할 수 있다.

위험도 레이어는 항로를 설정하는 단계에서 지도 위에 중첩적으로 표시됨으로써 해당 위험지역을 벗어나도록 유도할 수 있고, 2D 베이스 맵에서 구동될 수 있다.

기타 기능은 항로 노선의 급격한 방향전환이 부드럽게 곡선화되는 선회구간 알고리즘, 비상착륙지 설정 기능, 비행 수용량 분석, 및 타입별 기체 관리 기능을 포함할 수 있다. 각각의 기능은 앞서 설명한 항로 설정 기능을 부가적으로 지원하는 기능이다.

도 9은 일 실시예에 따른 3D 기반의 디지털 트윈 시뮬레이션 기능을 나타낼 수 있다.

3D 디지털 트윈 시뮬레이션은 UAM 정책결정자 및 서비스사업자가 업무를 지원하기 위해 가시화를 위한 기능으로서, 2D 기반으로 수립된 기초 시뮬레이션들을 3차원 가상 공간에서 가시화하는 역할을 수행할 수 있다.

3D 디지털 트윈 시뮬레이션 항로 운항 시뮬레이션, 소음분석 시뮬레이션, 및 바람영향분석을 포함할 수 있다.

항로 운항 시뮬레이션은 기체의 공력모델이 적용될 수 있고, 주로 UAM 운항형태의 3D 가시화를 목적으로 할 수 있다.

소음분석 시뮬레이션은 기존 항공기 대비 저고도로 운항하는 UAM 기체 특성 상, 필연적으로 발생되는 소음의 영향과 민원가능성을 사전에 분석하고자 하는 기능을 수행할 수 있다. 예시적으로, 소음분석 알고리즘은 개발될 수 있고, 소음의 영향과 민원가능성은 3차원 지도나 등고선(contour)에 기반하여 가시화될 수 있다.

바람 영향 시뮬레이션은 특정 항로를 운항하는 UAM 기체에 영향을 미치는 바람의 세기와 방향을 계산하여, 사전에 설정된 항로에서 어느 정도 이탈 가능성을 가지는지 사전에 시뮬레이션을 수행할 수 있다. 예시적으로, 알고리즘이 별도로 개발되고 플랫폼에 탑재될 수 있다.

도 10는 UAM 설계에 기반한 시스템 서비스 구성도를 나타낼 수 있다.

일 실시예에 따른 UAM 플랫폼은 전술된 방향으로 설계될 수 있다. 디지털 트윈의 핵심 데이터가 되는 공간 정보, 통계 및 분석데이터, 및 시뮬레이션 모델링 데이터 등은 UAM 플랫폼에 의하여 사용될 수 있다. 공간정보는 레이어 기반으로 국가 제공의 2D 전자지도, 3D 지형도, 및 3D 건물통합정보가 사용될 수 있고, 공간 정보 위에 기타 필요한 지적도, 등고선 등이 활용될 수 있다.

통계 및 분석데이터는 위험도 레이어를 제작하는데 확률 계산의 요소로서 활용될 수 있다. 예시적으로, 용도지역 데이터, 유동인구, 비행금지구역 등 공역 데이터들은 수집되어 활용될 수 있다.

시뮬레이션 데이터들은 UAM 공력모델 설계 데이터, 위험도 분석 모델데이터, 소음분석 알고리즘 데이터 등이 활용될 수 있다. 시뮬레이션 데이터는 플랫폼의 다양한 가시화 및 분석 시뮬레이션을 지원할 수 있다.

전술한 데이터들은 다양한 기관들로부터 수집 및/또는 연계될 수 있다. 수집된 자료는 데이터베이스화를 통해 2D 및 3D 기반의 GIS 서버를 구성할 수 있고, 웹서버를 통해 웹(web) 기반으로 서비스될 수 있다. 참고로, UAM 설계의 시스템 서비스는 대민서비스의 형태가 아니므로 보안이 준수된 형태로 운영될 수 있다.

도 11은 일 실시예에 따른 항로 설계 전면도를 나타낸다.

UAM은 기본 개념으로 저고도 도심지역에서의 운영을 고려할 수 있다. 따라서, UAM은 기존 항공과는 다른 개념의 새로운 항로 기준이 수립되는 것을 요구할 수 있다. 전용항로는 미래도심 항공교통 UAM의 운영 특수성을 고려하여 개발될 수 있다.

장애물과의 안전한 분리 및 기존 항공교통체계와의 분리를 위하여, UAM 운항을 위한 전용 항로는 수평 및 수직적 범위가 설정된 3차원의 Corridor 형태로 개발될 수 있고, 버티포트와 항로를 잇는 입출항 경로가 설계될 수 있다.

항법 기준과 관련하여, 매우 정밀한 항법 성능은 저고도에서 운항하는 UAM 특성상 요구될 수 있다. 따라서 UAM 항로의 기본 항법은 현재 민간 항공 분야에서 사용되고 있는 RNP(Required Navigation Performance) 항법이 적용됨으로써 GNSS(GPS) 기반의 정확하고 연속적인 수평적 Guidance를 제공할 수 있다.

특히, UAM을 위하여 매우 높은 정밀성이 요구됨에 따라, RNP 항법 중 가장 높은 기준을 요구하는 RNP AR(Authorization Required)의 설계 방식은 채택될 수 있다. ICAO Document 8168 Vol.Ⅱ(Construction of Visual and Instrument Flight Procedure) 및 Document 9905(RNP AR Procedure Design Manual)의 설계 지침에 기반하여 예상되는 UAM의 제원이 설계에 고려될 수 있다.

항로는 수평적 범위, 수직적 범위, 높이, 및 장애물 제한 고도의 측면에서 설계될 수 있다.

항로의 수평적 범위와 관련하여, 대부분 현대 항공기들의 ANP(Actual Navigation Performance)는 0.1 이하의 수준으로 유지될 수 있다. 미래항공교통의 일환인 UAM의 경우 이보다 더욱 정밀한 수준의 항법 구현이 예상될 수 있다. 따라서 UAM은 보다 더 정밀한 수준의 항로 폭이 요구될 수 있고, 본 발명에서 예시적으로 UAM 기체가 RNP 0.02 또는 0.05 수준의 항법 성능을 충족하는 것을 가정할 수 있다.

예를 들어, UAM 전용항로의 수평 폭은 RNP 0.02 및 RNP 0.05 중 하나의 타입으로 설계될 수 있다. RNP 0.02와 RNP 0.05는 항법 성능의 충족요건을 나타낼 수 있고, 단위는 해리(Nautical Mile; NM)일 수 있다.

RNP 항로의 폭은 설계기준에 따라 해당 충족 값의 총 4배일 수 있다. 예를 들어, RNP 0.02 항로의 총 폭은 0.08NM, RNP 0.05의 항로는 0.2NM일 수 있고, 미터로 환산 시 각각 148m, 370m일 수 있다.

RNP(Required Navigation Performance)는, 성능 기반 항행의 일환으로, 주로 위성항법을 사용하여 높은 정확도를 가진 항법으로서, 항로 상 95%의 항법 정확성이 보장될 수 있다.

항로의 수직적 범위와 관련하여, 본 발명에서 항로의 수직적 범위는 기준 고도를 중심으로 상하 ±100피트(30미터)로 설계될 수 있다. 기준 고도, 다시 말해 항로의 고도는 1000 feet(300m) 및 1500 feet(460) 중 하나로 설정될 수 있다. 결과적으로, 항로는 두 개의 상하 항로로서 복선화될 수 있다. 따라서 하부 항로의 수직적 범위는 하단 270m 내지 상단 330m로, 상부 항로의 수직적 범위는 하단 430m 내지 상단 490m로 설계될 수 있다.

참고로, 현 항공 관련 규정상 Corridor의 수직적 범위에 대한 명시되지 않아 새로운 기준을 제시하는 것이 요구될 수 있고, UAM 항로의 수직적 범위는 상업운송의 성격을 가진 교통수단으로서 현 운송사업 기준에 준하는 기준 수립이 요구될 수 있다. 현 교통안전공단 및 미국 FAA에서, 사업용 조종사의 고도 유지 기량이 상하 100피트(±100피트)로 명시되어 있고, UAM 전용항로의 수직적 범위는 명시된 고도 유지 기량을 기준으로 설정될 수 있다.

항로의 높이에 관하여, UAM의 비행고도는 약 300m 내지 600m(1,000ft 내지 2,000ft)로 예상될 수 있다. 본 발명에서, 항로는 양방향 복선화된 두 개의 항로로 설계될 수 있고, 두 개의 항로는 수직으로 분리되어 방향에 따라 각각 1,000ft 항로 및 1,500ft 항로로 설정될 수 있다.

항로의 장애물 제한 고도(Minimum Obstacle Clearance; MOC)에 관하여, 현 항공안전법상 시계비행방식 항공기의 장애물 분리 기준은 산악 및 인구밀집지역 상 1,000ft, 그 외 500ft로 명시될 수 있다. UAM의 경우, 기존 항로의 고도가 1,000ft부터 시작되는 점을 고려하여 현실적 반영이 가능한 MOC는 500ft 로 설정될 수 있다.

MOC는 기존 항공기의 운항에 있어 장애물과의 회피가 요구되는 최소한의 고도로서, 항로의 기준 고도로부터 하부 특정 고도까지 어떠한 장애물도 있어서는 안 되는 것을 나타낼 수 있다. UAM은 기존 계기 또는 시계비행방식 외 새로운 방식의 비행규칙이 예상될 수 있으나, 저고도 비행 특성 및 기상으로 인한 운항 가용성 저하 방지를 위해, 일정 수준의 장애물 회피기준 수립이 요구될 수 있다.

도 12은 일 실시예에 따른 MOC의 적용을 나타낸다. 예를 들어, 1000ft(300m) 항로에 대하여 MOC가 적용될 수 있다. 청색 박스 부분은 설계된 항로의 수평 및 수직 폭을 나타낼 수 있고, 황색 박스 부분은 MOC 500ft가 적용됨에 따라 항로 기준 고도(예를 들어, 1000ft)부터 500ft 지점까지 MOC가 적용되는 것을 나타낼 수 있다. 황색 박스 부분에 대응하는 MOC 영역에서 항로 상 장애물이 존재하지 않는 것이 요구될 수 있다.

도 13는 일 실시예에 따른 TF 선회 방식에 기초한 항로 선회 구간 설계를 나타낼 수 있다. 도 14은 일 실시예에 따른 RF 선회 방식에 기초한 항로 선회 구간 설계를 나타낼 수 있다.

항로의 선회구간은 기존 직선 항로 구간과 달리 선회량에 따른 보다 넓은 범위의 폭이 형성되며 이를 통해 기체 선회 시 바람, 속도, 자세 등의 요소들로 인한 윈드 드리프트(Wind Drift), 오버슈트(Overshoot), 언더슈트(Undershoot) 발생 시의 안전을 보장한다.

윈드 드리프트는, 항공기가 바람에 의해 기존 course에서 밀리는 현상을 나타낼 수 있다. 특히, 선회 시 강한 바람의 영향으로 인해 항공기가 밀려나며 정해진 선회경로를 벗어날 수 있다. 오버슈트는 항공기가 선회하며 바람, 선회성능 등의 이유로 다음 코스에 바로 intercept 하지 못하고 일정 구간 선회 반경 밖으로 벗어났다 다시 코스로 돌아오게 되는 현상을 나타낼 수 있다. 언더슈트는 항공기가 선회하며 바람, 선회성능 등의 이유로 필요 선회량보다 과다한 선회량 혹은 필요 선회 시작점보다 일찍 선회를 시작하여 다음 코스에 도달하지 못하는 현상을 나타낼 수 있다.

본 발명에서, RNP AR 항로가 기본 개념으로 설정되었으므로, RNP AR의 선회구간 설계기준에 따라 선회구역의 폭이 설정될 수 있다.

RNP AR 항로의 폭은, 기본 RNP 항법에서 더 나아가 더욱 세밀한 규정 및 운항 조건을 통해 항법 신뢰성을 높이기 위하여, 기존 RNP 항로의 폭보다 더욱 좁게 설정될 수 있다. RF(radius to fix) 선회 방식의 Curved Turn이 가능하다. 예를 들어, 기존 특정 지점에서 1차적 선회를 수행하는 것에 추가적으로 연속적인 선형의 선회코스를 구현하는 것이 가능할 수 있다. 다만, 본 발명에서의 선회는 RNP AR방식의 항로 설계를 하면서, Curved Turn 방식은 적용되지 않고 기존의 Waypoint를 기준으로 Fly-by 선회를 수행하는 TF(Track to fix) 선회방식을 기준으로 설계될 수 있다.

RNP AR 항로의 선회구간 설계 기준은 ICAO Document 9905(RNP AR Procedure Design Manual)에 자세히 명시되어 있으며, UAM 기체의 예상되는 제원(예: 속도, 고도, Bank Angle(선회각), 바람 등)은 해당 설계기준을 토대로 설정될 수 있다.

도 15는 일 실시예에 따른 선회구간 설정 예시를 나타낼 수 있다.

다음과 같은 파라미터(Parameter)는 설계를 위하여 요구될 수 있다.

속도(V) = Air speed(TAS: 진대기 속도) = 134knot + TWC(Tailwind component)

V는 속도를 뜻하면 항로 설계를 위한 속도는 진대기 속도(True air speed; TAS)를 기준으로 적용한다. 진대기 속도는 공기 밀도에 따라 각 고도별 속도의 차이가 존재할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에서의 가장 높은 항로는 1500ft(460m)이므로, 표준대기(국제표준대기:ISA+15 (Intl’Standard Atmosphere)를 기준으로 TAS가 산출될 수 있다. TWC는 다음에서 설명한다.

TWC(Tailwind Component) at 1,500feet = 50knot

배풍 성분(Tailwind Component)은 산출된 진대기 속도에 더해 추가적인 배풍 성분을 더함으로써 선회 시 강한 배풍으로 인해 항공기의 TAS가 증가되어 넓어진 선회반경까지 항로의 폭 안에 포함시킬 수 있다.

α= Bank Angle = 18˚

항공기의 선회각은 ICAO Document 9905(RNP AR Procedure Design Manual)에 기반할 수 있다.

Atmosphere = ISA+15

전술한 바와 같이, 해당 항로설계의 외기조건은 국제표준대기 기준 ISA+15일 수 있다.

Ref. Altitude = 1,500feet(460m)

가장 높은 고도인 1500ft(460m)는 기준으로 설정될 수 있다.

Max Turn angle = 90˚

ICAO Document 9905(RNP AR Procedure Design Manual)의 기준에 따라 항로의 최대 방위각 변화량은 90도 이내로 설계될 수 있다.

해당 파라미터를 기준으로 적용할 RNP AR 선회구간의 설계는 다음과 같다.

1. 먼저, 선회반경(Radius of Turn) r은 다음에 따라 산출될 수 있다:

Radius of Turn (r)

-> R=(3431 tanα)/(π*V)

-> r= V/(20*π*R)

2. 산출된 r 값은 항로 중심의 선회반경을 나타낼 수 있다. 다음과 같이 항로 선회 구간의 중심, 외측, 및 내측 반경이 산출될 수 있다:

Step 1. 중심 선회 반경 산출

r 값 기준으로 양 leg tangent line 생성

r의 중심은 angle의 bisector 기준

Step 2. 외측 반경 산출

2*RNP(Fix 중심) 반경으로 외측 반경 Tangent line 생성

Step 3. 내측 반경 산출

r+1 RNP(Bisector 기준) 반경으로 내측 반경 Tangent line 생성

위 과정을 통해 UAM 전용항로의 선회구간은 도출될 수 있고, 값은 다음과 같을 수 있다:

RNP 0.02 항로

중심 선회반경(Center Radius) = 841.880m

내측 반경(Inner Radius) = 851.920m

외측 반경(Outer Radius) = 74.080m

RNP 0.05 항로

중심 선회반경(Center Radius) = 814.880m

내측 반경(Inner Radius) = 907.480m

외측 반경(Outer Radius) = 185.200m

도 16는 일 실시예에 따른 버티포트 이착륙 구역 규격을 나타낸다.

UAM의 운영을 위해서 버티포트의 이착륙 구역의 설정은 필수적일 수 있다. 특히, 수직 이착륙 방식의 특성에 맞추어 기존 헬리콥터의 이착륙 구역과 유사한 형태의 이착륙 구역 규격에 대한 발명이 요구될 수 있다.

이착륙 구역은 UAM 기체의 탑승, 하기, 및 이착륙을 위해 포장된 구역인 TLOF(Touchdown and Liftoff area) 및 TLOF를 중심으로 기체의 착륙 및 이륙 기종을 위해 확장된 구역인 FATO(Final Approach and Takeoff area)를 포함할 수 있다.

미국 FAA Heliport Design Manual에 따르면, 해당 TLOF 및 FATO 모두는 헬리콥터의 로터 크기(RD: Rotor Diameter)를 기준으로 설계될 수 있다. 다만, UAM는 하나의 로터가 아닌 여러 소형 로터들을 포함하므로 해당 기준을 그대로 적용하지 않을 수 있다. 대신에 UAM 기체의 wingspan은 기준으로 적용될 수 있다. 현재 시중에 공표된 UAM 기체들은 평균적으로 15m의 wingspan을 가질 수 있고, 버티포트 이착륙 구역의 규격은 wingspan이 평균 15m인 것을 기준으로 설정될 수 있다.

예시적으로, 버티포트 이착륙 구역의 규격은 다음과 같을 수 있다:

TLOF = 1 wingspan * 1 wingspan = 15m * 15m

FATO = 2 wingspan * 2 wingspan = 30m * 30m

도 17는 일 실시예에 따른 입출항 경로 선회구역을 나타낸다. 도 18는 일 실시예에 따른 입출항 경로 장애물 제한 표면을 나타낸다. 도 19은 일 실시예에 따른 입출항 경로 장애물 제한 표면의 전면도(front view)를 나타낸다. 도 20는 일 실시예에 따른 입출항 경로 장애물 제한 표면의 평면도(Top view)를 나타낸다. 도 21는 일 실시예에 따른 입출항 경로 장애물 제한 표면의 3D 도(3D view)를 나타낸다. 도 22는 일 실시예에 따른 입출항 경로 선회 구간을 나타낸다.

설계된 항로와 버티포트를 이어주는 기능을 가진 입출항 경로가 요구될 수 있다. 해당 입출항 경로의 최소한의 장애물 제한 표면은 다양한 운용특성을 가진 UAM 기체들에 의하여 보편적으로 사용될 수 있도록 설정될 수 있다. 장애물 제한 표면은, 해당 경사도의 표면 위에서 버티포트에 진출입하는 기체들의 성능에 따른 자유로운 이륙 상승, 및 접근 착륙이 가능하도록 설계될 수 있다.

입출항 경로의 수평적 경로는 각 버티포트 예상지의 지역 특성에 따라 지형, 인공 장애물 등을 고려하여 설정될 수 있다. 장애물 제한 표면의 수직적 경사도는 주 제한표면의 경우 8:1, 전이표면의 경우 2:1로 설정될 수 있다. 경사도에 따라, 버티포트로부터 각 1,000ft, 1,500ft 항로까지의 필요 거리(required Distance)는 다음과 같이 도출될 수 있다:

Required Distance for Approach and Departure surface

-> [1,000ft(또는 1,500ft) - (Field Elevation + Port Elevation)]*8

도출된 버티포트로부터 항로까지의 8:1 표면 기준 필요 거리를 바탕으로, 2:1 표면을 양 측방으로 연장하며 해당 2:1 전이표면은 500ft 구간에서 소멸되도록 설계될 수 있다.

또한, 기체 이륙 및 착륙 시 안정성을 위해, 버티포트 시단으로부터 수평 300m의 구간은 직선으로만 설계하도록 기준이 수립될 수 있다. 기준은 중심선 기준 270m의 선회반경(FAA heliport design manual 참고)에서 선회설계가 가능하도록 설정될 수 있다.

항로와 달리 입출항 경로의 선회구간은 기존 직선구간과 동일한 폭으로 설계될 수 있다. 입출항 경로의 최대 선회각은 선회 Waypoint의 보호 구역 이탈 방지를 위해 60도 이내로 설정될 수 있다.

버티포트의 가용성 증대를 위해 각 포트 별 두 개 이상 방향의 입출항 경로는 설계될 수 있고, 각 경로의 방향은 최소 135도 Splay 이격을 가질 수 있다. 다만, 각 경로의 방향은 버티포트 입지에 따라 135도 이하의 Splay 이격을 가질 수도 있다.

예시적으로, 입출항 경로의 선회구간 반경은 다음과 같을 수 있다:

입출항 경로 선회반경

중심 선회반경(Center Radius) = 270.000m

내측 반경(Inner Radius) = 194.000m

외측 반경(Outer Radius) = 346.000m

내측 전이표면 선회반경(전이표면 해당 구간의 선회가 필요할 경우)

내측 반경(Inner Radius) = 232.000m

외측 반경(Outer Radius) = 308.000m

UAM 설정 항로에 대한 위험도 분석 방안은 도 23 내지 도 26와 함께 상세히 설명한다.

위험도 분석은 위험의 본질을 이해하고 위험 수준을 추론하는 체계적인 과정을 나타낼 수 있다. UAM은 기존 항공기의 운항방식과 유사할 수 있으나, UAM 기체는 인구가 밀집된 지역을 저고도로 운항할 것을 목표로 한다는 점에서 그 궤를 달리할 수 있다.

UAM는 현재 기체의 안전성이 입증된 상태가 아니며, 저고도 도심지를 운항할 경우 기체 추락에 따른 큰 인명피해가 발생할 것이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명에서, 사전에 UAM 기체 추락에 따른 위험도 도출을 통해 기체 운영의 안전성을 확보하기 위하여 위험도 분석이 수행될 수 있다.

항공기 및 헬리콥터의 위험분석은 기체 간 공중충돌과 승객 및 운영자를 중심의 평가 방식으로 수행될 수 있다. 하지만 기체 운용 방식과 운동 특성이 상이한 UAM 기체는, 기존에 항공분야에서 활용하던 위험도 분석 방식이 온전히 적용되기에 부적합할 수 있다. 따라서 본 발명에서 UAM 추락 위험도 분석은 UAM 기체의 형태, 속도, 중량 등을 종합적으로 고려하여 개발될 수 있다.

본 발명에서는 UAM 기체에 특성화된 위험도 평가방식은 구축될 수 있다. 또한, 기존 평가방식에서 활용되지 않은 유동인구, 건축물, 기반시설 등에 대한 위험도 분석 및 위험 요소별 상대적 중요성 비교를 통해 위험도가 차등적으로 적용될 수 있다. 아래에서는, 위험도 분석 방법에 대하여 설명한다.

도 23는 일 실시예에 따라 유동 인구 격자별 위험도 인덱스를 산출하는 것을 나타낸다.

유동 인구 위험도 인덱스는 통신사에서 보유한 유동인구 데이터를 활용하여 유동인구 수에 따라 도식화될 수 있다. 통신사의 유동인구 데이터를 기반으로 년 중 시간대별로 전·후 시간대와 차이가 나는 시간대는 대푯값 검증이 수행됨으로써 도출될 수 있다. 대푯값 검증을 통해 각 월의 시간대별 평일/주말, 오전/오후별로 대푯값이 설정될 수 있다. 대푯값의 가시화는, 사용자가 시각적으로 식별을 용이하게 할 수 있도록 수행될 수 있다.

대푯값 검증(예를 들어, 'T-검증')을 통해, 각 월별로 대푯값이 선정될 수 있다. 참고로, T-검증은 두 집단 또는 두 상관적인 표본의 평균치가 동일한 모집단에서 추출되었는지를 검증하는 모수치 통계 기법으로서, 월별/일별/시간별 유동인구에 대해 구별되는 시간대를 검증하는데 활용될 수 있다.

T-검증을 통해 각 월별로 대표성을 지니는 평일과 주말의 오전/오후 대표 유동인구가 추출될 수 있다.

12개월의 평일/주말과 각각의 오전/오후 데이터 추출을 통해 연도별 총 48개의 .Shp 도출될 수 있다. 최대값, 평균값 등을 고려하여 격자별 유동인구 값에 대해 보수적으로 대표값이 설정될 수 있다.

도 24는 일 실시예에 따른 유동 인구 위험도 인덱스와 함께 동일 집단군이 통합된 것을 나타낸다. 도 25는 일 실시예에 따른 월별로 유동인구를 3단계로 구분하는 것을 나타낸다.

가시화 수행 후 위험도를 3단계로 구분하여 위험도 구간별로 가시화를 수행하였다. 격자별 .Shp 및 동일 집단군을 통합(Union)한 .Shp 파일이 최종적으로 제작될 수 있다.

유동인구 데이터는 집단군으로 분류하는 Jenks 최적화 기법을 통해 3단계 집단군으로 가시화될 수 있다. Jenks 최적화는 각 그룹 내 평균, 편차를 최소화하고, 다른 그룹과의 평균 및 편차를 최대화하여 집단군을 분류하는 기법을 나타낼 수 있다.

본 발명에서, UAM 기체가 추락 시 도시 기능 유지에 필수적인 구조물, 막대한 인명 및 재산 피해가 예상되는 시설물들을 대상으로 해당 지역의 상공 비행을 금지하는 No-Fly Zone은 설정될 수 있다. NFZ에 해당하는 구조물 등을 선정하기 위해, 도시·군 계획시설(기반시설)과 건축물 중 위험물 저장 및 처리 시설 등에 대해 항공, 토목, 건축, 보험 분야의 전문가들을 대상으로 계층화 분석과정(AHP)이 수행될 수 있다.

AHP를 통해 기체 추락 시 상대적으로 위험도가 높은 구조물이 산출될 수 있다. 또한, 『소방법』『건축법』『재난 및 안전관리 기본법』 등 다양한 법률상 안전 관리대상으로 지정된 구조물들에 대한 위험도 요소가 검토되고 NFZ가 설정되고 가시화될 수 있다.

도 26는 일 실시예에 따른 격자 기반 안전 위험 지도를 나타낸다.

앞선 유동인구와 비행금지구역에 대한 가시화 데이터를 상호 결합하여 통합된 안전 위험 지도가 제작될 수 있다. 위험도 단계별로 운항 가부 여부가 판별될 수 있도록 기준은 제정될 수 있다.

위험등급	운항 가부	비고
1(무시가능)	가능	노선설계 시 선호지역
2(경미)	가능	노선설계 시 주의지역
3(중요)	조건부 가능	노선설계 시 회피지역
4(위험)	금지	NFZ

안전 위험 지도는 위험도 평가에 포함되는 변수인 유동인구와 NFZ 및 실증노선에 대해 UAM 관련 이해관계자들의 종합적인 운항 가부 판단에 용이한 자료를 제공하기 위하여 제시될 수 있다. 표 3에서 나타난 바와 같이, 운항 가부 여부는 가능, 조건부 가능 및 운항 금지를 포함할 수 있다. 안전 위험 지도는, 위험등급이 높아질수록 운영자들의 위험에 대한 경각심 제고와 노선 설계 시 필수적으로 인지해야 할 사항들의 정보를 제공할 수 있다.

지상 위험 모델링과 관련하여, 본 발명에서, UAM 기체가 운항 중 비상 상황이 발생하면서 지상으로 추락하는 상황에 대한 다양한 추락 모델들이 검토될 수 있다. 위험도 평가에 적합한 변수들이 도출될 수 있다. 예시적으로, 다음과 같은 변수들이 도출될 수 있다:

- 기체 추락 발생 시 초기 요건(예: 기체의 위치, 속도, 고도, 자세)

- 추락 방식(예: 무동력 실속 추락(Loss Of Control; LOC))

- UAM 기체의 형상(예: 틸트덕트, 멀티로터, 틸트로터)

무동력 실속 추락(LOC)는 기체가 통제력을 잃고 고속 충격으로 이어질 수 있는 고장을 나타낼 수 있다.

예시적인 UAM 기체의 형상은 다음과 같다:

참고로, 지상 위험 모델링에서는 기체 추락 발생 시 저하된 작동 상태를 복구하는 능력, 기체 추락의 감지, 경고 및 충격을 완화하는 장치의 부착 여부, 기체 충돌에 의해 발생하는 2차적인 피해(예: 폭발파 등), 환경적 요소(예: 바람, 지형·지물 등) 등이 고려되지 않을 수 있다.

도 27 및 도 28은 일 실시예에 따른 기체 추락 궤적 모델링을 나타낸다.

UAM 기체의 위험도를 판단하기 위해서 기체 강하 형상(Profile)이 추정되는 것이 요구될 수 있다. 예를 들어, Ballistic 하강 형상이 활용될 수 있다. Ballistic 하강은 날개가 부러지거나 모터가 기체에서 물리적으로 분리되는 경우, 기체가 대부분의 양력을 잃고 강하하는 것을 나타낼 수 있다.

도 27에 나타난 바와 같이, 추락하는 궤적의 형상에 관하여 기체의 6자유도 및 궤적 모델을 도식화하기 위해 항공기 운용의 매개변수 및 상태 변수는 고려될 수 있다. 구체적으로, 기체는 에일러론(δa), 러더(δr), 엘리베이터(δe) 및 스로틀(δf)의 조정에 따라 제어될 수 있다. 에일러론(δa)은, 보조익으로서, 비행기 날개의 뒷전 끝단에 장치된 주비행 조종표면을 나타낼 수 있다. 러더(δr)는, 방향타로서, 비행기의 수직 안정판의 뒷전에 부착되어 있는 가변형 조종표면을 나타낼 수 있다. 엘리베이터(δe)는, 승강타로서, 비행기의 미부 또는 후방부에 설치된 가변형 수평 조종표면을 나타낼 수 있다. 스로틀(δf)은, 엔진의 실린더로 유입되는 연료-공기의 혼합물을 조절함으로써 조종사에 의하여 요구되는 동력 또는 추력으로 조절하기 위한 조종기를 나타낼 수 있다. 또한, 기체는 공간 운동 상 6 자유도(6 DOF)의 형태에 따라 운용될 수 있다. 6 자유도(6DOF)는 항공기의 여섯 개의 운동 방향을 나타낼 수 있다.

기체 운용 매개변수는 예시적으로, 풍속(v), 받음각, Side Slip 각도(β), 롤 속도(p), 피치 속도(q), 요 rate(r), 롤 각도(φ), 피치 각도(θ), 요 각도(ψ)를 포함할 수 있다. 피치(pitch)는 항공기 노즈의 상하 운동을 나타낼 수 있다. 항공기 상태 변수는 고도(예를 들어, 도 28에서 표시된, x 축, y축, 및 z 축)를 포함할 수 있다.

도 29 및 도 30는 일 실시예에 따른 시나리오 기반 시뮬레이션 수행을 나타낸다.

시뮬레이션은 UAM 설정 항로를 대상으로 구축된 지상 위험 모델 및 추락 궤적 모델에 기초하여 수행될 수 있다. 설정된 항로 하단부 지표의 (x, y) 좌표값을 가지는 k번째 격자에 대하여 추락 확률 반경(CPD)이 도출될 수 있다.

도 29 및 도 30에서, 예시적인 추락 확률 반경(CPD)이 나타날 수 있다. 멀티콥터 및 고정익 비행체의 순항 중에 (x, y) 지점에서 추락이 발생하는 경우, 해당 지점으로부터 지면에 충돌하는 위치가 나타날 수 있다. UAM 기체 추락 시뮬레이션을 통해 도출된 추락 지점들에 대한 정량화를 통해 도출된 k번째 격자 내 추락할 확률은 위험 평가에 활용될 수 있다.

도 31는 일 실시예에 따른 추락 확률 반경(CPD) 기반 격자 인덱스 연산을 나타낸다. 도 29 및 도 30에서 전술된 추락 확률 반경에 관하여, 지면 격자 별로 추락할 확률 값이 유사한 격자들을 군집화하여 3단계 밴드들로 설정될 수 있다(P1 밴드 내지 P3 밴드).

추락 확률 반경 하부의 격자는 포함되는 면적비를 고려하지 않고 위험도 인덱스 값과의 연산이 수행될 수 있다. k-격자의 확률 값이 이중 적용되는 격자는 확률 값이 높은 밴드의 대표 확률 값으로 적용될 수 있다.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (11)

1. UAM 기체의 항로를 설정하는 방법에 있어서,
   디지털 트윈 기술 기반의 UAM 플랫폼을 설계하는 단계;
   UAM 기체의 운항을 위한 전용 항로를 설계하는 단계;
   상기 UAM 기체의 운항을 위한 버티포트 및 입출항 경로를 설계하는 단계; 및
   상기 UAM 기체의 항로에 대한 위험도를 분석하는 단계;
   를 포함하는 UAM 기체의 항로를 설정하는 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 디지털 트윈 기술 기반의 UAM 플랫폼을 설계하는 단계는,
   2D 인프라, 3D 인프라, 및 UAM 전용 데이터베이스 중 적어도 하나를 포함하는 UAM 디지털인프라를 구축하는 단계를 포함하는,
   UAM 기체의 항로를 설정하는 방법.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 디지털 트윈 기술 기반의 UAM 플랫폼을 설계하는 단계는,
   2D 기반의 시뮬레이션 및 3D 기반의 디지털 트윈 시뮬레이션을 수행하는 단계를 더 포함하는,
   UAM 기체의 항로를 설정하는 방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 UAM 기체의 운항을 위한 전용 항로를 설계하는 단계는,
   RNP(Required Navigation Performance) 항법을 적용하여 GNSS 및 GPS 중 적어도 하나에 기반하는 가이드를 제공하는 단계를 포함하는,
   UAM 기체의 항로를 설정하는 방법.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 UAM 기체의 운항을 위한 전용 항로를 설계하는 단계는,
   상기 UAM 기체가 RNP 0.02의 항법 성능을 충족하는 경우에 응답하여, 수평적 범위를 148 미터로 설계하는 단계;
   상기 UAM 기체가 RNP 0.05의 항법 성능을 충족하는 경우에 응답하여, 수평적 범위를 370 미터로 설계하는 단계; 및
   상기 항로의 수직적 범위를 지표면으로부터 300 미터 및 460 미터 중 하나를 중심으로 하는 60 미터로 설계하는 단계
   를 더 포함하는,
   UAM 기체의 항로를 설정하는 방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 UAM 기체의 운항을 위한 전용 항로를 설계하는 단계는,
   장애물제한고도(Minimum Obstacle Clearance; MOC)를 150미터로 설정하는 단계를 더 포함하는,
   UAM 기체의 항로를 설정하는 방법.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 UAM 기체의 운항을 위한 전용 항로를 설계하는 단계는,
   기류(wind drift), 오버슈트(overshoot), 및 언더슈트(undershoot) 중 하나 이상에 기초하여 상기 항로 중 선회구간을 설계하는 단계를 더 포함하는,
   UAM 기체의 항로를 설정하는 방법.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 UAM 기체의 운항을 위한 버티포트 및 입출항 경로를 설계하는 단계는,
   가로 및 세로가 15 미터 및 30 미터 중 하나인 버티포트 이착륙 구역을 설정하는 단계를 포함하는,
   UAM 기체의 항로를 설정하는 방법.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 UAM 기체의 운항을 위한 버티포트 및 입출항 경로를 설계하는 단계는,
   설계된 항로와 버티포트를 이어주는 버티포트 입출항 경로를 설계하는 단계를 더 포함하는,
   UAM 기체의 항로를 설정하는 방법.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 UAM 기체의 항로에 대한 위험도를 분석하는 단계는,
    유동인구 위험도 인덱스, 비행금지구역, 격자 기반 안전위험지도, 지상 위험 모델링, 기체 추락 궤적 모델링, 시나리오 기반 시뮬레이션 수행, 및 추락 확률 반경 기반 격자 인덱스 중 적어도 하나 이상에 기초하여 위험도를 평가하는 단계; 및
    상기 평가된 위험도를 가시화하는 단계를 포함하는,
    UAM 기체의 항로를 설정하는 방법.
    
11. 하드웨어와 결합되어 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항의 방법을 실행시키기 위하여 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
    

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